JP2017193715A - 長手方向に形状が可変である繊維を有する複合品 - Google Patents

Abstract

【課題】弾道性能及び光学性能を改善させた繊維強化複合品の提供。【解決手段】マトリックス１８と、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維２２とを含み、繊維の一つ一つは、繊維長３４と繊維長に沿って変化する繊維形状３２を有し、繊維形状３２が、繊維が第１の方向に第１の角度でツイストされる第１の変化を含み、更に繊維が第２の方向に第２の角度でツイストされる第２の変化を含む、複合品１０。更に繊維の方向が、繊維長に沿って、後退したり、前進したりのツイストをし、後退のツイストが、第１の方向に第１の角度でツイストされる繊維を含み、前進のツイストが、第２の方向に第２の角度でツイストされる繊維を含む、複合品１０。【選択図】図１

Description

本発明は、概して複合部品に関し、具体的には、弾道性能及び光学性能を改善させた繊維強化複合品に関する。

複合構造は、典型的には、繊維を埋め込んで強化したマトリックスから構成される。複合構造は、典型的には、繊維の長さに沿って荷重を伝達するように設計される。一の繊維からの荷重は、マトリックス材を通過することにより、同じ層内の別の繊維に移動するか、又は隣接する層内の繊維に移動する。しかしながら、通常マトリックスは繊維より弱いため、マトリックスを通って一の繊維から別の繊維へ伝達される荷重が大きすぎると、マトリックスが破壊される。マトリックスが破壊されると、複合構造内で繊維が移動可能となる。

複合パネルが弾丸による衝撃を受ける弾道事象の間に、繊維がマトリックス内部で移動可能であることは、複合パネルの弾道性能に影響を与えうる。例えば、マトリックス内の繊維が移動であることは、弾丸の貫通に対する複合パネルの耐性に影響を与えうる。透明な複合パネルの場合、マトリックスに対して繊維が移動することは、複合パネルの光学性能にも影響を与えうる。これに関して、弾道事象の間にマトリックスに対して繊維が移動することは、弾丸の衝撃によって光学性能が低下する領域の大きさに影響を与えうる。

したがって、従来技術には、マトリックス内における繊維の移動を制御することにより複合構造の弾道性能及び光学性能を改善した複合構造に対する需要が存在する。

本発明は、複合品に関連した上記需要に特に対処してそれに応えるものであり、一実施形態において、マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維を有する複合品を提供する。繊維の一つ一つは、繊維長と繊維形状を有する。繊維の少なくとも一部の繊維形状は、繊維長に沿って変化しうる。

さらなる実施形態では、複合品の製造方法が開示される。この方法は、各々が繊維長と繊維形状とを有する複数の繊維を提供するステップを含む。方法は、さらに、繊維の少なくとも一部について、繊維長に沿って繊維形状を変えるステップを含む。方法は、加えて、マトリックス中に繊維を埋め込むステップを含む。

さらには、ビークルの複合パネルのような複合品の装着方法が開示される。この方法は、各々が繊維長と、繊維長に沿って変化する繊維形状とを有する複数の繊維がマトリックスに埋め込まれた複合品を提供することを含む。方法は、静的装着条件を満たす第１の状態で複合品を配置することを含みうる。方法は、さらに、動的装着条件を満たす第２の状態で複合品を配置することを含みうる。

有利には、繊維形状の変化により、繊維とマトリックスとの機械的連結が向上する。さらに、繊維形状の変化により、隣接する繊維間の機械的連結が向上する。繊維形状の変化によって提供される機械的連結は、マトリックスに対する繊維の移動を制御する手段となりうる。機械的連結は、直接隣接する繊維のすべり又は移動を制御する手段となりうる。

繊維のすべりを制御することは、繊維の、衝撃事象に関与する繊維長の部分を制御する手段となりうる。衝撃事象に関与する繊維の長さを制御することにより、繊維のエネルギー吸収能が向上し、これにより、弾丸による衝撃に対する複合品の弾道性能及び／又は光学性能が向上する。

上述のフィーチャ、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

本発明の上述のフィーチャ及び他のフィーチャは、添付図面からさらに明らかとなる。図面を通して、同様の参照番号は同様の部品を示す。

マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維とを含む一実施形態による複合品の斜視図である。 図１の複合品の分解斜視図であり、繊維からなる複数の層を示している。 図１の複合品の一部の拡大斜視図であり、マトリックス内部の繊維層の構成を示し、さらには繊維の各々の長さに沿った繊維形状の変化を示している。 図３に示す層の一つの上面図であり、繊維長に沿った繊維形状の変化を示している。 図４の繊維の一つの上面図であり、一連の第１の部分と第２の部分とを含む繊維形状の変化を示している。 図５Ａから取った繊維の側面図であり、繊維の概ね平坦な断面形状を示している。 図５Ａから取った繊維の断面図であり、第１の部分の一つの第１の断面形状を示している。 図５Ａから取った繊維の断面図であり、第２の部分の一つの第２の断面形状を示している。 別の実施形態による、繊維中に開口を有する繊維の上面図である。 図６Ａから取った繊維の側面図であり、繊維の概ね平坦な断面形状を示している。 図６Ａから取った繊維の断面図であり、断面積を有する繊維の第１の断面形状を示している。 図６Ａから取った繊維の断面図であり、図６Ｃの断面積とほぼ同じ総断面積を有する繊維の第２の断面形状を示している。 別の実施形態による、一連の第１の部分と第２の部分とを含む繊維の上面図である。 図７Ａから取った繊維の断面図であり、第１の部分の一つの第１の断面形状を示している。 図７Ａから取った繊維の断面図であり、第２の部分の一つの第２の断面形状を示している。 別の実施形態による、蛇行形状を有する繊維の上面図である。 図８Ａから取った繊維の側面図であり、繊維の概ね平坦な断面形状を示している。 図８Ｂから取った繊維の断面図であり、繊維の断面重心が繊維の長手軸の一方の側からずれている断面形状を示している。 図８Ｂから取った繊維の断面図であり、断面重心が図８Ｃに示す断面重心とは反対の長手軸の側からずれている断面形状を示している。 繊維長に沿って延びる一連の突出部を有する、別の実施形態による繊維の上面図である。 図９Ａから取った繊維の側面図であり、繊維の上面及び下面から延びる突出部を示している。 図９Ｂから取った繊維の断面図であり、突出部の一つの位置における第１の断面形状を示している。 図９Ｂから取った繊維の断面図であり、突出部間の領域における繊維の第２の断面形状を示している。 繊維長に沿って延びる一連の大きな突出部と小さな突出部を有する、別の実施形態による繊維の上面図である。 図１０Ａから取った繊維の側面図であり、繊維の上面と下面からそれぞれ延びる大きな突出部と小さな突出部を示している。 図１０Ｂから取った繊維の断面図であり、小さな突出部の一つの位置における断面形状を示している。 図１０Ｂから取った繊維の断面図であり、大きな突出部の一つの位置における断面形状を示している。 別の実施形態による、らせん形状に形成された繊維の上面図である。 図１１Ａから取った繊維の側面図であり、らせん形状を示している。 さらに別の実施形態による、ツイストを繰り返す形状に形成された繊維の上面図である。 図１１Ｃから取った繊維の側面図であり、ツイストを繰り返す形状を示している。 別の実施形態による、断面形状を直交させた一連の第１の部分と第２の部分とを含む繊維の上面図である。 図１２Ａから取った繊維の側面図であり、第１の部分と第２の部分とを示している。 図１２Ｂから取った繊維の断面図であり、第１の部分の一つの位置における第１の断面形状を示している。 図１２Ｂから取った繊維の断面図であり、第２の部分の一つの位置における第２の断面形状を示している。 別の実施形態による、第１の材料から形成される繊維コアと、第２の材料から形成される一連の立方体状の第２の部分とを有する繊維の上面図である。 図１３Ａから取った繊維の側面図であり、一連の立方体状の第２の部分を通る繊維コアを示している。 図１３Ｂから取った繊維の断面図であり、第１の材料から形成される繊維コアを示している。 図１３Ｂから取った繊維の断面図であり、第２の材料から形成される立方体状の第２の部分の一つを示している。 別の実施形態による、第１の材料から形成される繊維コアと、第２の材料から形成される一連の球状の第２の部分とを有する繊維の上面図である。 図１４Ａから取った繊維の断面図であり、第１の材料から形成される繊維コアを示している。 図１４Ａから取った繊維の断面図であり、第２の材料から形成される球状の第２の部分の一つを示している。 半周期的に変換する繊維形状を有する繊維の側面図である。 隣接する層の繊維に対して直角に配置された繊維を有する層からなる複合品の一部の斜視図である。 図１６の複合品の端面図であり、交互層に含まれる繊維の第２の部分が、隣接する層の第１の部分と概ね整列している様子を示している。 図１６の複合品の端面図であり、繊維に垂直力が加わることにより、層内で一方向に向く繊維が隣接する層内で異なる方向（例えば直交方向）に向く繊維と係合する様子を示している。 試験品の側面図であり、試験品の正面に激突する弾丸を示している。 図１７の試験品の背面図であり、繊維−マトリックス間の連結、及び／又は繊維−繊維間の連結が比較的小さい場合に、試験品の正面に対する弾丸の衝撃に応答して、繊維が比較的大きな面積にわたって局所的及び全体的に影響を受ける様子を示している。 試験品の背面図であり、図１８に示す実施形態に対し、繊維−マトリックス間の連結、及び／又は繊維−繊維間の連結の量を増大させることにより、繊維の局所的及び全体的に影響の面積が縮小する様子を示している。 第１の層、第２の層、及び複合品を含む層系の斜視図である。 図２０の層系の分解斜視図である。 複合品の製造方法に含まれうる一又は複数の工程を示すフロー図である。 一又は複数の実施形態による複合品を包含しうる航空機の斜視図である。 複合品の使用法の一実施形態を示すフロー図である。

ここで、本発明の好適な種々の実施形態を例示することを目的とする図面を参照する。図１は複合品１０を示している。複合品１０は、マトリックス１８と、マトリックス１８内部に埋め込まれた複数の繊維２２とを含む繊維強化複合パネル１４として製作される。有利には、繊維２２は、繊維２２の長さに沿って変化する繊維形状３２を備える。繊維２２の繊維長３４に沿った繊維形状３２の変化は、繊維２２とマトリックス１８との間の機械的連結（例えば、繊維−マトリックス間の連結）を促進する。繊維２２の繊維長３４に沿った繊維形状３２の変化は、同一層２０内において隣接する繊維２２間の機械的連結、及び／又は異なる層２０内における繊維２２間の機械的連結も促進することができる。

繊維−マトリックス間の機械的連結は、マトリックス１８に対する繊維２２の移動又はすべりを制御する手段を提供する。繊維−繊維間の機械的連結は、繊維−繊維間の移動又はすべりを制御する手段を提供する。繊維２２の長さに沿って繊維形状３２を変化させることにより、繊維長３４の、衝撃事象に関与する部分を制御することができる。有利には、繊維長３４に沿って繊維形状３２を変化させることにより、複合品１０に激突又は進入する弾丸を減速させる能力が向上する。

繊維２２とマトリックス１８との間のすべりの量は、複合品１０に弾丸が入った距離又は深さの関数として、繊維２２の破壊を制御する手段にもなりうる。これに関して、本発明は、有利には、各繊維２２の、弾丸事象に関与する長さ部分を制御するか、又は選択的に増加させることにより、各繊維２２中の引張ひずみを分散させる繊維２２の長さを増加させることができるという技術的効果を提供する。繊維２２の、弾丸事象に関与する長さ部分を制御する（例えば、増加させる）ことにより、衝撃事象の間に繊維２２によって吸収される総エネルギー量を制御する（例えば、増大させる）ことができる。これに関して、繊維２２中の引張荷重は、繊維２２が最大ひずみ値に達するときの繊維２２の早期破損を防ぐ手段として制御可能である。

さらに、繊維長３４に沿って繊維形状３２を選択的に変化させることにより、繊維が弾道衝撃事象に関与する時間の量を制御する手段として繊維２２の相対的な移動を制御することができる。繊維が弾道衝撃事象に関与する時間の量は、弾丸を減速させて繊維２２によって吸収されうる弾丸エネルギーの量を増加させるために繊維２２が有する時間の量の増加に相関しうる。マトリックス１８に対する、及び互いに対する繊維２２のすべりを制御することは、さらに、適切な最大ひずみ値及び／又は適切なひずみ速度応答を有する材料から繊維２２を形成することにより、影響を受けるか、又は改善する。これについては後述でさらに詳細に説明する。これに関して、繊維２２は、繊維２２の破壊を防ぐとともに弾丸による複合品１０の貫通に抵抗する又は貫通を防止する最大ひずみを有する材料から形成することができる。

図１は、表面１２を有する複合品１０を示している。複合品１０は、パネル表面１６と、マトリックス１８内部に埋め込まれた複数の繊維２２とを含む複合パネル１４として形成されている。繊維２２は、マトリックス１８の構造強化として機能し、複合品１０の機械性能及び弾道性能を向上させることができる。これに関して、繊維２２は、繊維２２の引張強さ、及び目標弾性係数（例えば、剛性）を高める結果として複合品１０の特定の剛性を調整する構造強化を提供する。本明細書では、強度、ひずみ、及び剛性といった特性は、動的特性又は高ひずみ速度特性の観点から記載される。

図２は、図１の複合品１０又は複合パネル１４の分解図であり、複数の層２０を示している。層２０の各々において、繊維２２は、横並び７０の構成に配置されている。各繊維２２は、繊維長３４と長手軸３６とを有している。各層２０内の繊維２２の繊維形状３２は、繊維長３４に沿って変化している。繊維形状３２は、断面積３８及び断面形状４０から構成され、それらの一方又は両方は、繊維長３４に沿って変化することができる。各層２０内の繊維２２は互いに概ね整列しており、所与の層２０内の繊維２２の長手軸３６はほぼ平行である。しかしながら、本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、繊維２２は、マトリックス内において織物層（図示しない）に組み込むことができ、層内において互いに横並びに整列した関係に限定されることも、層内において互いにほぼ平行な関係に限定されることもない。さらに、ここに開示される繊維２２の実施形態のいずれもが、マトリックスを有さないファブリック（図示しない）において実施することができ、この場合、繊維−繊維の連結により、本明細書に記載したものと同様にして、弾丸によるファブリックの貫通抵抗に関する利点が提供される。

一実施形態では、一の層２０内の繊維２２の長手軸３６の方向は、直接隣接する層２０内の繊維２２の長手軸３６に対して角度を有している。例えば、図２には、一の層２０内の繊維２２の長手軸３６が、それに直接隣接する層２０内の繊維２２の長手軸３６に対して直角である様子が示されている。しかしながら、隣接する層２０の繊維２２の長手軸３６は、複合品１０の所望のプライの積み重ねに応じて、互いにどのような角度に配向されてもよい。

図３は、図２の複合品１０の部分拡大図であり、複数の層２０を示している。層２０の各々は、繊維長３４に沿って変化する繊維形状３２を有する繊維２２を含んでいる。図示のように、層２０は、直接隣接する層２０の繊維２２に対して任意の方向に配向されうる繊維２２を含む。例えば、図３には、一の層２０の繊維２２が、直接隣接する層２０の繊維２２に対して直角に配向されている交差プライ構成が示されている。図３は、複合品１０の非限定的な一実施形態を示しているのであって、マトリックス１８内部における繊維２２の代替え的構成を制限しているのではない。例えば、層２０内の繊維２２は、図３に示すように、他の層２０内の繊維２２に対して直角に配向されても、垂直でない方向（例えば、１５度、２２．５度、４５度、６０度、７５度など）に配向されてもよい。

図４は、繊維２２の繊維長３４に沿った繊維形状３２の変化を示す繊維２２からなる層２０の上面図である。繊維２２の繊維形状３２は、繊維長３４に沿った所与の位置における繊維２２の断面積３８（図３）、及び／又は繊維長３４に沿った所与の位置における繊維２２の断面形状を特徴とする。しかしながら、繊維形状３２は、限定しないが、繊維２２の第１の部分５２と繊維２２の第２の部分５４との間の遷移の形状を含む他のパラメータを特徴としてもよい。例えば、繊維形状３２は、図４に示すような、第１の部分５２と第２の部分５４との間の、丸みを帯びた遷移、又は半径が滑らかに変化する遷移を特徴とすることができる。異なる構成では、形状は、図１２Ａ〜１２Ｄの実施形態に示して後述するような、比較的はっきりとした繊維、又は急激な遷移を特徴とすることができる。

図４では、繊維形状３２は、繊維長３４に沿って周期的５８に変化している。これに関して、繊維２２は、間にほぼ均一な間隔を置いてほぼ一様に分散された一連の第２の部分５４を含むことができる。二つの第２の部分は、それぞれ第１の部分５２によって分離されている。繊維形状３２の周期的５８な構成は、繊維長３４に沿って反復されるほぼ類似した繊維形状３２からなる。本明細書には、繊維長３４に沿って周期的５８に変化する繊維形状３２が記載されているが、繊維２２は半周期的６４に（図１５）変化する繊維形状３２を具備してもよい。例えば、繊維２２の第２の部分間の間隔が次第に又は漸次増加又は減少するというように、隣接する二つの第２の部分５４の間の距離が次第に大きくなるか、又は次第に小さくなるように、繊維形状３２を変化させることができる。加えて、繊維形状３２は、繊維２２の繊維長３４の任意の部分に沿って反復式に変化させてもよい（例えば、図１５）。繊維形状３２は、繊維超３４に沿って非周期的に、又はランダムに（図示しない）構成してもよい。

図４では、各繊維２２はほぼ同様に構成されている。繊維２２はそれぞれ側面３０を有し、隣接する繊維２２との間に空隙７２が形成されるように構成されている。空隙７２の各々は、繊維２２がマトリックス１８内部に埋め込まれると実質的にマトリックス１８材で充填される。繊維２２の繊維長３４に沿った繊維形状３２の変化は、繊維２２とマトリックス１８との間の機械的連結を向上させる。加えて、図４に示すように、繊維２２は、繊維２２の第２の部分５４が隣接する繊維２２の第１の部分５２と少なくとも部分的に入れ子７４になるように構成することができる。有利には、繊維２２の少なくとも部分的な入れ子関係により、繊維２２の機械的連結（例えば、繊維−繊維の連結）が向上する。上述のように、繊維２２の機械的連結は、繊維−繊維間のすべり又は移動を低減することができ、これにより繊維長３４の、弾道事象に関与する部分を制御する手段が提供される。これに関して、繊維−繊維間のすべりが低減すると、弾道事象に関与する繊維２２の量が増大しうる。弾道事象に関与する繊維２２の量が増大すると、繊維２２の全体的なエネルギー吸収能が増大し、これにより、上述のように、複合品１０の弾道性能及び／又は衝撃後光学性能が向上しうる。

図５Ａは、図４の繊維２２の上面図である。図示の実施形態では、繊維形状３２の変化は、繊維長３４に沿って第１の部分５２と第２の部分５４とが周期的５８に変化することからなっている。長手軸３６に関してほぼ対称な構成を有するように図示されているが、長手軸３６の一方の側の繊維２２の構成が長手軸３６の反対側の繊維２２の構成と異なる非対称な構成（図示しない）を有する繊維形状３２も考慮可能である。繊維２２は、繊維長３４に沿った任意の位置における繊維２２の最大幅と定義される繊維幅４４を有する。本明細書に開示される繊維の実施形態のいずれにおいても、図示の繊維形状は分り易く示すために誇張されているか、又は誇張されていない。

図５Ｂは、図５Ａの繊維２２の側面図である。繊維２２は概ね平坦な構成を有し、繊維長３４に沿ってほぼ一定な繊維厚４２を定義する互いにほぼ平行な上面２６と下面２８とを有している。繊維２２の繊維厚４２は、繊維幅４４に垂直に測定されたものと定義される。一実施形態においては、繊維２２の上面２６と下面２８とは、互いに平行でなくともよい。

図５Ｃは、図５Ａの繊維２２の第１の部分５２の断面である。繊維形状３２（図５Ａ）は、断面積３８及び断面形状４０（図３）を有している。図５Ｃでは、繊維２２の第１の部分５２は第１の断面積３８ａと、長方形の第１の断面形状４０ａとを有している。長方形の断面形状は、短軸８６と長軸８８とを有している。図５Ｄは、第２の断面積３８ｂと、長方形である第１の断面形状４０ａに類似の第２の断面形状４０ｂとを有する第２の部分５４（図５Ａ）を示している。これに関して、図５Ａ〜５Ｄは、繊維長３４（図５Ａ）に沿って断面積３８が可変であり、繊維長３４に沿って断面形状４０がほぼ一定（例えば、長方形）である繊維２２（図５Ｂ）の一実施形態を表している。図５Ａの繊維２２の繊維長３４に沿った断面積３８が変化するのは、長軸８８に沿って長方形の断面形状４０のアスペクト比が増大するためである。図５Ａ〜５Ｄに示す繊維２２の実施形態は、面内方向内での（例えば、層内での）繊維−繊維間の機械的連結を促進する。

図６Ａは、別の実施形態による繊維２２の一つの上面図であり、繊維２２は第１の部分５２と第２の部分５４とを交互に含んでいる。第２の部分５４は、繊維２２を少なくとも部分的に又は完全に貫通する穴又はスロットのような開口６６を含んでいる。有利には、繊維２２の第２の部分５４は、繊維長３４に沿って、繊維２２の第１の部分５２の断面形状が繊維２２の第２の部分５４の断面形状に対して変化するように構成される。加えて、図６Ａに示す実施形態では、繊維２２の第２の部分５４の断面積は、繊維２２の第１の部分５２の断面積とほぼ等しい。繊維２２の荷重担持能（例えば、引張荷重）は、繊維２２の長さに沿った任意の地点における最小断面積の荷重担持能に限定される。図６Ａでは、繊維２２の最小断面積は第１の部分５２に位置している。第２の部分５４の断面積を第１の部分５２の断面積にほぼ等しく制限することにより、繊維２２の断面積の拡大に関連付けられる重量ペナルティがあったとしても、それは最小化される。

図６Ｂは、図６Ａの繊維２２の側面図である。繊維２２は、図５Ａ〜５Ｄの実施形態の繊維２２について上述したように、概ね平坦な構成を有している。これに関して、図６Ａ〜６Ｄに示される繊維２２は、繊維長３４に沿ってほぼ一定の繊維厚４２を有している。しかしながら、一実施形態では、一定でない厚みを有する繊維２２が使用されうる。

図６Ｃは、図６Ａの繊維２２の第１の部分５２の断面である。第１の部分５２における繊維形状３２は、第１の断面積３８ａを取り囲む、斜線の長方形部により表された第１の断面形状４０ａからなる。図６Ｄは、第２の断面積３８ｂと第２の断面形状４０ｂとを有する第２の部分５４を示している。第２の断面形状４０ｂは、二つの斜線領域の間の開口６６によって分割された繊維２２の概ね長方形の形状である。第２の部分５４の第２の断面形状４０ｂは、一対の斜線領域からなる総面積を含む。図６Ｄに示す一対の斜線部の総面積は、図６Ｃの斜線部の面積にほぼ等しい。これに関して、図６Ａ〜６Ｄは、繊維２２の断面積３８が繊維長３４（図６Ａ）に沿ってほぼ一定であり、断面形状が繊維長３４に沿って可変であるように構成された多数の繊維実施形態の一つを示している。

図７は、繊維長３４に沿って変化する繊維形状３２を有する繊維２２の一実施形態を示している。繊維形状３２は、互いに交互に並ぶ一連の第１の部分５２と第２の部分５４とからなっている。図では、第１の部分５２及び第２の部分５４は、繊維長３４に沿って周期的５８に配置されている。しかしながら、上述のように、繊維形状３２は、図１５に示して後述するように、半周期的６４に構成されてもよい。繊維形状３２は、非周期的に変化するように構成されてもよい。

図７Ｂに示すように、繊維２２は、繊維２２の第１の部分５２（図７Ａ）を表す円形状の第１の断面積３８ａと第１の断面形状４０ａとを有している。図７Ｃは、やはり円形状の第２の断面積３８ｂと第２の断面形状４０ｂとを有する繊維２２の第２の部分（図７Ａ）を示している。図７Ａ〜７Ｃは、繊維長３４（図７Ａ）に沿って変化する断面積３８（図７Ｃ）と、繊維長３４に沿ってほぼ一定の断面形状４０とを有する繊維２２の一実施形態を示している。図７Ｂ〜７Ｃにおける断面積３８の変化は、円形の断面形状４０の大きさの、半径方向に一定の増加又は拡大によるものである。

一実施形態では、繊維２２の第２の部分５４（図７Ａ）の第２の断面積３８ｂ（図７Ｃ）は、第１の部分５２（図７Ａ）の第１の断面積３８ａ（図７Ｂ）より、第１の部分の約５０％未満だけ大きくすることができる。しかしながら、第１の部分の第１の断面積３８ａより、第１の部分の約５０％を超える分だけ大きい第２の部分５４の第２の断面積３８ｂを有する繊維２２が供給される実施形態も可能である。本明細書では、各第２の部分５４の第２の断面積３８ｂは、第１の部分５２又は繊維コア５０（図７Ａ）の第１の断面積３８ａを包含、包囲、又は他の方法で含む。上述のように、繊維２２の荷重担持能（例えば、引張荷重）は、第１の部分５２に位置する繊維２２最小断面の荷重担持能によって決定される。第２の部分５４の大きさを制限することにより、繊維２２の荷重を担持しない部分に関連付けられる重量ペナルティ及び／又はコスト的ペナルティは最小化される。

有利には、図７Ａ〜７Ｃに示す繊維２２の実施形態は、面内方向（例えば、層内）における繊維−繊維間の機械的連結と、面外方向（例えば、層間）における繊維−繊維間の機械的連結とを促進することができる。図示しないが、繊維２２の面外の機械的連結は、一の層２０内の繊維２２の第２の部分５４を、直接隣接する層２０内の繊維２２の第１の部分５２と入れ子にすることにより促進される。

図８Ａは、蛇行形状７８２を有する繊維２２の一実施形態の上面図である。繊維２２は、繊維長３４に沿った複数の異なる位置３９において長手軸３６からずれた断面積３８を有している。一実施形態では、繊維２２の繊維幅４４は、繊維長４５に沿って概ね一定とすることができるが、繊維長３４に沿って概ね可変の繊維幅４４をもたせることもできる。図８Ｂに示すように、繊維２２は、ほぼ一定の繊維厚４２を規定する互いにほぼ平行な上面２６と下面２８とを有する。しかしながら、上述のように、一実施形態による繊維２２においては、繊維表面２４の一又は複数は、互いに平行でなくともよい。一実施形態では、図８Ａに示される複数の繊維２２は、横並びの構成（図示しない）に配置されて、繊維２２のずれ７６が少なくとも部分的に互いに入れ子状になっていることにより繊維−繊維間の連結が提供される層を形成している。

図８Ｃは、繊維２２の長方形の断面積３８を示す繊維２２（図８Ｂ）の断面図である。断面積３８は、繊維２２の長手軸３６（図８Ｃ）の一方の側又は両側にずれ７６ていてよい面積重心４８を規定している。図８Ｄは、繊維２２のさらなる断面図であり、図８Ｃに示される断面重心４８のずれ７６に対し、長手軸３６の一方の側にずれ７６ている断面重心４８を有する繊維２２の長方形の断面積３８を示している。図８Ａ〜８Ｄの繊維２２は、繊維長３４に沿って、ほぼ一定の断面積３８と、ほぼ一定の断面形状４０（図８Ｃ）を有している。ずれ７６は、長手軸３６のそれぞれの側で互い違いに繊維長３４に沿って周期的５８（図８Ａ）であるが、長手軸３６の対向する側で、上述のように、半周期的又は非周期的でもよい。さらに、ずれ７６は、図８Ｃ〜８Ｄに示すような一方向、例えば長軸８８に沿ったずれ７６に限定されず、短軸８６方向を含む一又は複数の様々に異なる方向、或いは様々に異なる方向のいずれか一つにずれていてよい。

図９Ａは、繊維長３４に沿って形成されたほぼ等しい大きさ及び構成の一連の突出部８１を有する繊維２２の一実施形態の上面図である。図示の突出部８１は、長手軸３６に沿って概ねセンタリングされている。しかしながら、突出部８１は、長手軸３６に対してどのような位置に設けてもよい。図示の繊維２２は、ほぼ直線上の側面３０を有しているが、繊維２２は、限定しないが、図８Ａに示すような蛇行形状７８などの任意の形状、或いは他のいずれかの形状を有することができる。

図９Ｂは、図９Ａの繊維２２の側面図であり、繊維長３４に沿ってほぼ一定の繊維厚４２を示している。図示の突出部８１は、繊維２２の上面２６と下面２８の両方から交互に延びている。しかしながら、突出部８１は、上面２６及び下面２８の一方のみに形成してもよい。或いは、突出部８１は、上面２６及び下面２８上に、交互以外のパターンで（図示しない）形成されてもよい。図示の実施形態では、突出部８１の各々が、繊維２２の外側に向かって開口する空洞部８４を随意で含むことができることにより、突出部８１は、繊維２２を含む複合品１０（図４）の総重量を低減する穴を有することができる。

図９Ｃは、二つの突出部８１の間の繊維２２の部分に沿って取られた繊維２２の断面図である。斜線部によって示されるように、繊維形状３２は、長方形に形成された第１の断面形状４０ａによって規定される第１の断面積３８ａを有している。図９Ｄは、突出部８１の一つを通る繊維２２の断面図である。図示の位置における繊維形状３２は、第２の断面積３８ｂと、アーチ形状に形成された第２の断面形状４０ｂとを有している。第２の断面積３８ｂは、第１の断面積３８ａ（図９Ｃ）より大きくすることができる。突出部８１は、マトリックス１８（図４）との機械的連結を促進することができる。加えて、図示しないが、繊維２２の一の層２０に含まれる突出部８１は、直接隣接する層２０の繊維２２（図４）に含まれる突出部８１の空洞部８４（図９Ｂ）と入れ子になるような大きさ及び構成を有することができる。突出部８１のこのような入れ子状態は、面外方向の（例えば、層２０間の）機械的連結を促進することができ、これによって弾道事象に関与する繊維２２の量が増加する。

図１０Ａは、繊維長３４に沿って形成された一連の大きな突出部８２と小さな突出部８３とを有する、一実施形態による繊維２２の上面図である。図１０Ｂは、上面２６上に形成された大きな突出部８２と、下面２８上に形成された小さな突出部８３とを示す繊維２２の側面図である。図１０Ｃは、小さな突出部８３の一つを通る繊維２２の断面図であり、斜線部は、アーチ状に形成された第１の断面積３８ａを表している。図１０Ｄは、大きな突出部８２の一つを通る繊維２２の断面図であり、斜線部は、アーチ状に形成された第２の断面積３８ｂを表している。繊維２２の上面２６及び下面２８に異なる大きさの突出部を設けることにより、マトリックス１８及び／又は他の繊維２２との間に異なるレベルの機械的連結が提供される。

図１１Ａ〜１１Ｂは、螺旋形状８０に形成された繊維２２の一実施形態を示している。繊維形状３２は、長軸８８を有する断面形状４０を有している。断面形状４０の長軸８８の方向は、繊維長３４に平行な方向に沿って繊維２２を見たとき、繊維長３４に沿って変化する。図示の実施形態では、繊維２２の断面積３８及び／又は断面形状４０は、繊維長３４に沿ってほぼ一定である。しかしながら、一実施形態による繊維２２においては、断面積３８及び／又は断面形状４０は、繊維長３４に沿って変化してもよい（図示しない）。図示の実施形態では、長軸８８の方向は、繊維２２を見る方向に応じて、連続的に、例えば時計回りに、又は反時計回りに変化する。図示の繊維２２は、繊維長３４に沿って長軸８８の方向が定率で変化する螺旋形状８０を有している。しかしながら、繊維２２は、長軸８８の方向が可変率で、又はランダムに変化するような構成を有することもできる。長軸８８の方向は、繊維長３４に沿ってツイストを繰り返してもよく（図１１Ｃ〜１１Ｄ）、螺旋形状８０の、時計回りに定率で変化する方向に限定されない。

図１１Ｃ〜１１Ｄは、ツイストを繰り返す形状７９に形成された繊維２２の一実施形態を示している。繊維形状３２は、繊維長３４に平行な方向に沿って繊維２２を見たとき、長軸８８（図１１Ｄ）の方向が繊維長３４に沿ってツイストを繰り返す（図１１Ｃ）断面形状４０を有している。例えば、図示の実施形態では、長軸８８は、繊維長３４に沿って約９０度のツイストを繰り返している。しかしながら、繊維２２は、長軸８８が任意の角度量のツイストを繰り返すように構成してもよい。図１１Ａ〜１１Ｄの繊維２２の実施形態は、繊維長３４に沿ってほぼ一定の断面積３８を有している。有利には、繊維の負荷担持能は、通常、繊維の長さに沿った任意の地点における最小断面積の荷重担持能によって規定されるので、図１１Ａ〜１１Ｄの実施形態による繊維２２の断面積３８がほぼ一定であることにより、別の構成において繊維長に沿う断面積を拡大させた繊維に関連付けられる重量ペナルティが最小化される。

図１２Ａは、繊維長３４に沿ってほぼ一定の断面形状４０と、繊維長に沿って変化する断面積３８とを有する繊維２２の一実施形態の上面図である。図示の繊維２２は、繊維長３４に沿って断面形状４０及び断面積３８が周期的５８に変化するという形で、概ね周期的５８に変化する繊維形状３２を有している。しかしながら、上述のように、繊維２２の断面形状４０及び断面積３８は、半周期的に又は非周期的に変化するように構成してもよい。図１２Ｂは、繊維長３４に沿った繊維形状３２の変化を示す繊維２２の側面図である。図１２Ｃは、第１の断面積３８ａと、概ね長方形である第１の第１の断面形状４０ａとを有する繊維２２の断面図である。図１２Ｄは、第２の断面積３８ｂと、概ね正方形である第２の断面形状４０ｂとを有する繊維２２の、繊維長に沿った一地点において取られた断面図である。図示の実施形態では、第１の断面積３８ａと第２の断面積３８ｂとはほぼ等しい。しかしながら、上述のように、断面積３８は繊維長３４に沿って可変である。

図１３Ａは、第１の材料６０と第２の材料６２とからなる繊維２２の上面図である。一実施形態では、繊維２２の第１の材料６０は、繊維２２の第１の部分５２に含まれている。繊維２２の第１の部分は、繊維コア５０を含み、繊維２２の長手軸３６に沿って延びている。繊維２２の第２の部分６２は、繊維２２の一又は複数の第２の部分５４に含まれている。一実施形態では、第２の部分５４は、繊維コア５０の上に取り付けられるか、又は他の方法で配置される。図１３Ｂは、繊維２２の長手軸３６沿って取った繊維２２の断面図である。第１の材料６０から形成されて、繊維径４６を有する有する繊維コア５０が示されている。さらには、第２の材料６２から形成されて繊維コア５０に取り付けられた複数の第２の部分５４が示されている。図１３Ｃは、繊維コア５０に沿って取った断面図であり、繊維コア５０の第１の断面積３８ａと、円形に形成された繊維コア５０の第１の断面形状４０ａとを示している。

図１３Ｄは、繊維２２（図１３Ａ）の第２の部分５４に沿って取った断面図である。図示の実施形態では、第２の部分５４は、正方形に形成された第２の断面形状４０ｂを有している。一実施形態では、第２の部分５４の各々は、第２の材料６２からなり、繊維コア５０に取り付けられた（例えば、接着された）繊維ビーズ５６として形成される。図では正方形に示されているが、繊維ビーズ５６は様々な断面形状のいずれか一つを有することができる。例えば、繊維ビーズ５６は、球、正立方体、直方体、多角形ビーズ、不規則形状のビーズ、概ね円形のビーズ、又は他の様々な大きさ、形状、及び構成のいずれか一つに形成することができる。

図１４Ａ〜１４Ｂは、第２の材料６２から形成された球形の繊維ビーズ５６を有する繊維２２の一実施形態を示しており、このビーズ５６は、第１の材料６０から形成された繊維コア５０に取り付けられている。一実施形態では、繊維ビーズ５６は、外側の四角形と内側の円形によって画定された斜線部によって表されており、円形内部の斜線部により表される繊維コア５０の断面積３８より大きな断面積３８を有していてよい。

有利には、少なくとも二つの異なる材料から繊維２２を形成することにより、マトリックス１８（図４）に対する繊維２２の結合の度合いを調節する追加的手段が提供される。例えば、第１の材料６０のマトリックス１８との相互作用は、第２の材料６２とマトリックス１８との相互作用とは異なる。これに関して、第１の材料６０は、第１の材料６０とマトリックス１８との間の結合に異なる特性を生じさせることができる。例えば、第１の材料６０は、第１の材料６０とマトリックス１８との接着結合に、第２の材料６２とマトリックス１８との接着結合の特性とは異なるレベルの強度、剛性、延性、破断点ひずみ、及び他の特性を付与することができる。

図１５は、繊維長３４に沿って半周期的６４に変化する繊維形状３２を有する繊維２２の一実施形態を示している。例えば、繊維２２は、繊維長３４に沿って間隔を空けて位置する第２の部分５４の組を含むことができる。第２の部分５４の組は、小さな繊維幅４４又は繊維径４６を有する繊維２２のセクションによって分離されており、ほぼ一定の断面積及び／又はほぼ一定の断面形状を有することができる。第２の部分５４には、本明細書に開示される構成のいずれか一つを含む様々に異なる断面形状及び断面積のいずれか一つを付与することができる。有利には、第２の部分５４の組は、ほぼ一定の間隔によって分離することができるか、又は二つの第２の部分５４の組の間の間隔は可変とすることができる。第２の部分５４の大きさと、繊維長３４に沿った位置とは、マトリックスに対する繊維２２に所望のレベルの機械的連結が提供されるように決めることができる。一実施形態では、第２の部分５４は、第２の部分５４が取り付けられる小さな径のコア５０の材料とは異なる材料から形成される。異なる材料により、繊維２２とマトリックス１８（図３）との間に異なる相互作用が生じ、繊維２２とマトリックス１８との間の連結を制御する追加的手段が提供される。

図１５では、繊維形状３２の半周期的６４な構成は、繊維長３４に沿ったマトリックスに対する繊維２２の移動を離散的に制御するために調節又は構成可能である。例えば、弾丸の衝撃に起因する複合品１０の光学的ひずみの面積を最小化することが望ましい実施形態の場合、第２の部分５４の組は、繊維長３４に沿って、弾道事象（例えば、弾丸の衝撃）に関与する繊維の範囲を最小化するような間隔で配置することができる。これに関して、第２の部分５４の組は、互いに小さな間隔を空けて設けることができる。反対に、弾丸による衝撃の間に複合品１０の弾道性能を最大化することが望ましい実施形態の場合、第２の部分５４の組は、弾道事象に関与する繊維の範囲を最大化するように、互いに大きな間隔を空けて設けることができる。加えて、第２の部分５４の大きさ及び形状は、マトリックスに対する繊維２２の移動を離散的に又は定量的に制御するために調節又は構成可能である。

本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、繊維２２の断面形状は、様々に異なる構成のいずれか一つとすることができる。例えば、繊維２２の断面形状は、円形、閉じた半円、楕円、腎臓の形、三角形、四角形、長方形、多角形、又は様々に異なる断面形状のいずれか一とすることができる。さらに、一実施形態の繊維２２は、繊維長に沿って二つ以上の異なる断面形状を含むように構成することができる。加えて、繊維２２は、いずれかの不規則な又はランダムな断面形状を有することができ、その形状は既知の幾何学的形状に限定されない。繊維２２の一又は複数は、ほぼ空洞の構成を有してもよく、すなわち繊維２２は中実の構成に限定されない。繊維２２は、随意で、互いにほぼ平行な、少なくとも一対の繊維表面２４（図５Ｂ、６Ｂ、８Ｂ、９Ｂ、１０Ｂ）を有する断面形状を含むことができる。加えて、繊維２２には、ほぼ平坦な表面と湾曲した表面とを組み合わせた断面形状（図示しない）を付与してもよい。

本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、マトリックス１８（図４）及び／又は繊維２２（図４）は、限定しないが、任意の適切な有機又は無機材料、熱可塑性プラスチック材料、熱硬化性材料、及び／又はガラス材料から形成することができる。例えば、繊維２２に使用可能な種々の材料のいずれか一つを含むマトリックス１８及び／又は繊維２２は、アクリル、フルオロカーボン、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、延伸ポリマー、及び他のいずれかの適切な熱可塑性プラスチック材料のうちの少なくとも一つを含む熱可塑性プラスチック材料から形成することができる。同様に、繊維２２に使用可能な種々の材料のいずれか一つを含むマトリックス１８及び／又は繊維２２は、ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリイミド、ビスマレイミド、ポリエステル、エポキシ、シルセスキオキサン、及び他のいずれかの適切な熱硬化性材料のうちのいずれか一つを含む熱硬化性材料から形成することができる。加えて、マトリックス１８及び／又は繊維２２は、炭素、炭化ケイ素、ホウ素、又は他の無機材料を含む無機材料から形成することができる。さらには、マトリックス１８及び／又は繊維２２は、限定しないが、Ｅ−ｇｌａｓｓ（アルミニウム−ホウケイ酸ガラス）、Ｓ−ｇｌａｓｓ（アルミニウム−ケイ酸塩ガラス）、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラス、セラミックス、ガラスセラミックス、及び他のいずれかのガラス材料を含むガラスから形成することができる。加えて、マトリックス１８及び／又は繊維２２は、少なくとも部分的に金属材料から構成されるか、又は金属材料を含む。

一実施形態では、繊維２２（図４）は光学的にほぼ透明な繊維材料から形成されるが、繊維２２は実質的に不透明な材料から形成されてもよい。マトリックス１８（図４）は、光学的にほぼ透明な高分子材料、又は実質的に不透明な材料から形成することもできる。本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、繊維２２は、フィラメントベースの繊維、非フィラメント繊維、ポリ成分繊維、及び他の繊維構成として形成することができる。一実施形態では、繊維２２は、約三（３）ミクロン〜５０００ミクロンの範囲の繊維厚４２、繊維幅４４、及び／又は繊維径４６を有している。例えば、繊維２２は、約三（３）ミクロン〜１００ミクロンの範囲の繊維厚４２、繊維幅４４、及び／又は繊維径４６を有することができる。さらなる実施形態では、繊維厚４２、繊維幅４４、及び／又は繊維径４６は、約２０ミクロン〜５０ミクロンの範囲とすることができる。しかしながら、繊維２２には、３ミクロンより小さいか、又は５０００ミクロンより大きな繊維厚４２、繊維幅４４、又は繊維径４６を付与することができる。

複合品１０（図４）は、様々に異なる形状、大きさ、及び構成のいずれか一つに構成することができる。これに関して、複合品１０は、ビークルに関連する、又はビークルに関連しない任意の用途に使用するために構成することができる。例えば、複合品１０は、航空機のようなビークルの透明シートとして構成することができる。複合品１０は、航空機の風防、又はキャノピーのいずれかの部分も含むことができる。複合品１０は、ビークルに関連する、又はビークルに関連しない用途において窓のいずれかの部分に使用するために構成することもできる。さらには、複合品１０は、限定しないが、膜のいずれかの部分、装甲板、構造パネル、建築パネル、非構造パネル又は非構造品、層系、又は複合品１０の他の実装態様のいずれかにおいて実施することができるか、或いはそれらに組み込むことができる。

図１６は、マトリックス１８に埋め込まれた繊維２２を有する複合品１０の一部を示しており、図中、繊維２２は、複数の層２０において横並び７０の構成に配置されている。各層２０内の繊維２２は、隣接する層２０内の繊維２２と直角に方向づけられている。複合品１０は、一の層２０内の繊維２２を、直接隣接する層２０内の繊維２２に対して相補的に構成することにより、繊維２２の係合９２を促進する。これに関して、繊維２２が、第１の部分５２と第２の部分５４とを交互に含むように、各繊維２２の繊維形状３２を繊維長３４に沿って変化させることができる。複合品１０に対してほぼ直角又は斜めに力９０（図１６Ｂ）を加えると、一の層２０内の繊維２２の第２の部分５４は、直接隣接して位置する層２０内の繊維２２内部において少なくとも部分的に入れ子になる。

図１６Ａは図１６の複合品の端面図であり、交互になっている層２０内の繊維２２が、直接隣接する層２０内の繊維２２の第１の部分５２と概ね整列している様子を示している。各層２０内の繊維２２は、当初、直接隣接する層２０内の繊維の一番上の表面又は一番下の表面により規定される面の上方又は下方に配置される。例えば、図１６Ａの一番上の層２０の繊維２２の底面は、直接その下に位置する層２０の繊維２２の一番上の表面により規定される面の上方に位置している。

図１６Ｂは、図１６Ａの複合品１０の端面図であり、繊維２２に加わる力９０を示している。力９０は、複合品１０に対する弾丸の衝撃に応答して発生する。図示のように、力９０は、層２０を互いに接近させ、繊維２２を直接隣接する層内の繊維２２と係合９２させる。これに関して、各層２０内の繊維２２の第２の部分５４は、直接隣接する繊維２２の第１の部分５２と少なくとも部分的にかみ合うか、又は少なくとも部分的に入れ子７４状態になる。繊維２２の係合９２又は入れ子構成は、比較的大きな量の繊維２２が弾道事象に関与するように、弾道事象の間に層２０の繊維２２を機械的に連結することができる。

本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、繊維長３４に沿った繊維２２の繊維形状３４の変化によるマトリックス１８と繊維２２の機械的連結（例えば、繊維−マトリックス間の連結）は、複合品１０の弾道性能及び／又は光学性能を向上させることができる。加えて、同じ層２０内における繊維２２の機械的な相互連結と、異なる層２０内における繊維２２の機械的連結と（例えば、面内の繊維−繊維間の連結と、面外の繊維−繊維間の連結）は、複合品１０の弾道性能及び／又は光学性能を向上させうる。例えば、複合パネル１４のような複合品１０が弾丸の衝撃を受ける弾道事象の間に、繊維２２が繊維２２の長さに沿って長手方向に移動可能であることは、複合パネル１４の弾道性能に影響しうる。

上述のように、マトリックス１８内で繊維２２がマトリックス１８に対して繊維長３４に沿って長手方向に移動可能であることにより、繊維２２が、破壊される前に長手方向に伸張する能力が向上しうる。繊維２２の互いに対する移動又はすべりが可能であることによっても、繊維２２が長手方向に伸張する能力が向上しうる。繊維２２が長手方向に伸張できることにより、複合パネル１４との激突の間の、繊維２２の弾丸エネルギー吸収能が増大しうる。繊維２２のエネルギー吸収能が増大することにより、弾丸１１２の貫通に対する複合パネル１４の耐性が向上して複合パネル１４の弾道性能が向上する。

ほぼ透明な複合パネル１４の場合、マトリックス１８に対する繊維２２の移動と互いに対する繊維２２の移動も、弾丸激突後の複合パネル１４の光学性能に影響しうる。例えば、繊維２２のエネルギー吸収能の増大により、衝撃部位１１６の周辺領域が縮小しうる（図１７。反対に、マトリックス１８に対する、及び互いに対する繊維２２の移動能を増大させることにより、衝撃後の複合パネル１４の光学性能は低下しうる。複合パネル１４の衝撃後光学性能の低下は、衝撃部位１１６の周辺領域の拡大を特徴とする。

図１７は、試験品１００の正面１０４に弾丸１１２が激突する間の試験品１００を示す側面図である。試験品１００は、複数の繊維１１０がマトリックス１０８内に埋め込まれている複合品１０の上述の実施形態（図１）と同様に構築されている。上述のように、繊維１１０は、繊維１１０の繊維長３４（図４）に沿って変化する繊維形状３２（図４）を有することができる。正面１０４に対する弾丸１１２の衝撃は、物品表面１０２の激突部位１１６に生じる。

図１８は、図１７の試験品１００の背面１０６を示しており、図１７の試験品の正面１０４に対する弾丸１１２の激突に応答して、繊維−マトリックス間の連結、及び／又は繊維−繊維間の連結が比較的小さいことにより、比較的大きな面積にわたって繊維１１０が局所的及び全体的に影響を受けている様子を示している。図１８では、繊維１１０の局所的関与１２２には、試験品１００の反対側（すなわち、正面１０４）の、衝撃部位１１６を直接取り囲む繊維１１０の部分が含まれる。図示のように、繊維１１０の全体的関与１２４は、衝撃部位１１６を中心に、衝撃部位１１６から遠ざかる方向に広がっている。試験品１００の正面１０４に対する弾丸１１２の激突による全体的関与１２４が比較的大きな範囲にわたっているのは、繊維−マトリックス間の連結及び／又は繊維−繊維間の連結が比較的小さいためである。

図１９は、試験品の背面図であり、図１８に示す実施形態とは対照的に、繊維−マトリックス間の連結、及び／又は繊維−繊維間の連結の量を増大させることにより、繊維の局所的及び全体的関与が比較的小さい様子を示している。図１９では、繊維−マトリックス間の連結、及び／又は繊維−繊維間の連結の量の増大は、繊維の繊維長に沿った繊維形状の変化の大きさを増大させることにより達成されている。繊維−マトリックス間の連結、及び／又は繊維−繊維間の連結の増大は、図１５に示す半周期的６４な構成において、隣接する第２の部分同士の間、又は第２の部分の組同士の間の間隔を小さくすることによって達成してもよい。

図２０〜２１は、複合品１０が、第１の層９６及び第２の層９８を有する積層形態に取り付けられている層系９４の斜視図である。一実施形態では、第１の層９６は、セラミック及び／又はガラス材料、或いは他の材料から構成され、層系９４の、防弾面（ｓｔｒｉｋｅ ｆａｃｅ）（図示しない）を含むことができる。第２の層９８は、比較的剛性の高い複合層（図示しない）として形成することができ、第１の層９６に隣接して取り付けられる。複合品１０は、層系９４の背面又は後ろ側に位置するように、第２の層９８を挟んで第１の層９６とは反対側に取り付けられる。

図２０〜２１は層系９４の後ろ側に位置する単一の複合品１０を示しているが、任意の数の複合品１０が具備されてよい。さらには、図２０〜２１には単一の第１の層９６と単一の第２の層９８とが示されているが、任意の数の複合品１０と組み合わせて任意の数の第１の層９６と第２の層９８とが具備されてよい。さらには、層系９４は、第１の層９６と複合品１０だけを含むように形成してもよい。一実施形態では、層系９４は装甲パネルを含む。しかしながら、層系９４は、限定しないが、任意の物品に組み込むことができ、装甲パネルに限定されない。

第１の層９６は、セラミック及び／又はガラスからなるモノリシックな層といった、好ましくは比較的高い硬度及び剛性を有する材料から構成することができる。しかしながら、第１の層９６は、好ましくは比較的高い剛性及び硬度を有する様々に異なる材料で形成することができる。第１の層９６は、弾道的用途に使用される防弾面として機能するように構成することができる。例えば、第１の層９６は、弾丸による衝撃を受けるように構成することができる。

図２０〜２１に示すように、第２の層９８は第１の層９６に隣接して位置することができる。第２の層９８は、比較的剛性の高い複合層（図示しない）として形成される。第２の層９８は、マトリックス（図示しない）に埋め込まれたガラス繊維（図示しない）を含むことができる。別の構成では、第２の層９８は、一又は複数のガラス層又はシート、例えば一又は複数のガラスからなるモノリシックシートで構成される。第２の層９８は、少なくとも部分的に、超高比重ポリエチレンといった強度及び／又は剛性の高い高分子材料から形成されて、マトリックス（図示しない）内部に埋め込まれるガラス繊維（図示しない）からなる剛性の高い複合層（図示しない）として形成することもできる。第１の層９６、第２の層９８、及び複合品１０の組み合わせは、共同で、第１の層９６の全体的な剛性を高め、層系９４の弾道性能を高める補強層系９４を形成する。

図２２は、複合品１０（図１）の製造方法２００において実施される一又は複数の工程を示すフロー図である。方法２００のステップ２０２は、各繊維２２（図５Ａ〜１３Ａ）が繊維長３４（図５Ａ〜１３Ａ）と繊維形状３２（図５Ａ〜１３Ａ）とを有する複数の繊維１１０（図１８）を準備することを含む。

ステップ２０４は、繊維長３４（図５Ａ〜１４Ｂ）に沿って繊維２２（図５Ａ〜１３Ａ）の繊維形状３２（図５Ａ〜１４Ｂ）を変化させることを含む。例えば、繊維形状３２は、繊維長３４に沿って第１の部分５２（図４）によって分離された一連の第２の部分５４（図４）を含むことにより、繊維長３４に沿って変形する。一実施形態では、繊維形状３２は、繊維長３４に沿って周期的５８に（図４）変化する。しかしながら、繊維形状３２は、半周期的又は非周期的に変化してもよい。

繊維形状３２（図５Ａ〜１４Ｂ）は、繊維長３４（図５Ａ〜１４Ｂ）に沿って繊維２２の断面形状４０（図３）を変化させることにより、及び／又は繊維長３４に沿って繊維２２（図５Ａ〜１４Ｂ）の断面積３８（図３）を変化させることにより、変化させることができる。さらなる実施形態では、繊維形状３２は、上述のように、他長手軸３６を挟んで交互に繊維２２の断面形状４０をずらすことにより（図３）、又は繊維長３４に沿って断面形状４０の方向を変化させることにより、変化させることができる。一実施形態では、繊維２２には、蛇行形状７８（図８Ａ）、螺旋形状８０（図１０Ａ）、又は他の形状を付与することができる。繊維２２は、上述のように、繊維２２とマトリックス１８（図３）との間に異なる相互作用を生じさせるために、繊維２２とマトリックス１８との連結に影響しうる一又は複数の材料から形成することができる。

方法２００のステップ２０６は、繊維２２（図５Ａ〜１４Ｂ）を横並び７０（図３）の構成に配置することにより、層２０（例えば、図１〜３、及び１４〜１４Ｂ）を形成することを含む。しかしながら、繊維は、互いに非平行な関係に配置することもできる。さらには、図示しないが、繊維は、互いに様々な角度の一又は複数に方向づけられているとき、織物ファブリックとして供給することができる。一実施形態では、繊維２２は、上述のように、第１の部分５２（図４）によって相互に結合された一連の第２の部分５４（図４）を含むことができる。

ステップ２０８は、繊維２２の第２の部分５４が、層２０内の繊維２２のうち直接隣接するものの第１の部分５２と少なくとも部分的に入れ子７４（図４）になるように繊維２２を構成することを含む。例えば、図４は、層２０内の繊維２２の第２の部分５４が、層２０内で直接隣接する繊維２２の第１の部分５２と少なくとも部分的に入れ子になるような、層２０内の繊維２２の配置を示している。図示しない実施形態では、一の層２０内の繊維２２の第２の部分５４は、複合品１０の層２０のうちの隣接する一の層に含まれる繊維２２の第１の部分５２と少なくとも部分的に入れ子になるように構成される。

ステップ２１０は、マトリックス１８（図４）に繊維２２を埋め込むこと、及びマトリックス１８を硬化又は凝固させて複合品１０（図４）を形成することを含む。有利には、繊維２２の繊維長３４に沿った繊維形状３２の変化は、弾道事象の間などの相対的な繊維の移動の度合いを調節する手段として、繊維−マトリックス間の機械的連結、及び／又は繊維−繊維間の機械的連結を促進することができる。マトリックスに対する繊維の移動、及び互いに対する繊維の移動の度合いを調節することにより、複合品の弾道性能及び衝撃後光学性能を制御又は改善することができる。

一実施形態では、複合品１０（図１）は、繊維長３４に沿って周期的又は半周期的に変化する繊維形状３２を有する繊維２２を使用することで、構造性能を向上させるように構成される。例えば、断面積、断面形状、及び／又は方向が長さに沿って変化する繊維２２から複合品１０を形成することにより、複合品１０の損傷許容性及び亀裂成長に対する耐性が、繊維長に沿って形状がほぼ変化しない繊維から形成された従来の複合品の損傷許容性及び亀裂成長に対する耐性と比較して向上する。

有利には、本明細書に開示される複合品１０（図１）には、繊維長３４に沿って繊維形状３２が変化することにより、マトリックス１８材にいくらかの亀裂の偏向が生じる。これに関して、繊維形状３２の変化により、複合品１０のマトリックス１８に、概ね直線状の経路に沿って伝播するのではなく、ねじれた経路に沿って伝播する亀裂が生じうる。ねじれた経路に沿った伝播は、繊維形状が繊維長に沿ってほぼ変化しない従来の繊維を有する従来の複合品のマトリックスにおける亀裂成長と比較して、マトリックス１８内における亀裂成長を抑制できる。このような繊維形状が変化しない従来の繊維には、実質的に連続的な又は一定の断面形状、実質的に連続的な又は一定の断面積、及び／又は実質的に連続的な又は一定の断面形状の方向が含まれる。従来の繊維は、また、繊維長に沿ってほぼ不変の材料種類から形成することができる。

一実施形態では、本明細書に開示された複合品１０（図１）には、マトリックスの亀裂が一の層２０又は複数層２０を通るねじれた経路に沿って伝播するように変化する繊維形状３２を有する繊維２２が含まれる。これに関して、繊維長３４に沿った繊維形状の変化は、繊維形状が概ね変化しない従来の繊維を有する従来の複合品と比較して、複合品１０の層内（例えば、一の層内部の）靭性及び／又は層間（例えば、隣接する層間の）靭性を高めることができる。層内靭性の向上は、層２０内部におけるマトリックスの亀裂の伝播に対する耐性が全体的に増大すること、及び／又は繊維−マトリックス間のインターフェースの剥離部において亀裂伝播に対する耐性が向上することを意味しうる。層間靭性の向上は、隣接層２０の層間はく離に対する耐性が全体的に増大することを意味しうる。一実施形態では、繊維２２の繊維形状３２は、モードＩ層間破壊靭性を増大させるように、及び／又はモードＩＩ層間破壊靭性を増大させるように、変化させることができる。モードＩ層間破壊靭性は、複合品１０の隣接層２０にほぼ直角な方向に沿った開離力又は剥離力に対する耐性と特徴づけられる。モードＩＩ層間破壊靭性は、複合品１０の隣接層２０にほぼ平行な剪断力に対する耐性と特徴づけられる。

本明細書に開示される複合品１０では、繊維２２は、形状の変化によって亀裂成長又は亀裂伝播が抑制される結果、複合品の損傷許容性が向上するように構成される。損傷許容性は、衝撃後圧縮強度及び／又は有孔圧縮強度の上昇として測定することができる。衝撃後圧縮強度の上昇は、複合品に対するオブジェクトの低速度衝撃後の複合品１０の残留強度の向上を意味しうる。低速度衝撃の非限定的な例として、ツールを落としたことによる衝撃、又は使用中に複合品１０に対して異物が飛んだときの衝撃を挙げることができる。有孔圧縮強度の上昇は、圧縮荷重がかかったときの複合品１０の挫屈強度の上昇を意味しうる。

図２４は、ビークル（図示しない）などに使用される複合品１０（図１）を実装する方法４００を示している。複合品１０の使用方法４００は、上述のようにマトリックス１８（図１）に埋め込まれた複数の繊維２２（図１）として複合品１０を準備するステップ４０２を含み、これら繊維２２の各々は繊維長３４（図１）と繊維形状３２（図１）とを有し、繊維形状３２は繊維長３４に沿って変化する。

図２４の方法４００は、さらに、複合パネル１４（図１）などの複合品１０（図１）を、ビークルが実質的に移動していないビークルの第１の状態に置くステップ４０４を含む。複合パネル１４は、静的荷重条件下（図示しない）にあってもよい。一実施形態では、ビークルは、空港ターミナルのゲートに駐機しているときのような、地上にある航空機を含む。図２３は、本明細書に開示される複合品１０（図１）の一又は複数の実施形態を包含する航空機３００の斜視図である。航空機３００は、一対の翼３０４と、垂直安定板３１２及び水平安定板３１０を含む尾部３０８とを有する胴体３０２を含んでいる。航空機３００は、さらに、操縦面３０６と推進ユニット３１４とを含む。航空機３００は、上述のような複合品の一又は複数を包含しうる様々なビークルの一つを一般的に表している。

一実施形態では、複合品１０（図１）は、少なくとも部分的に透明で、及び／又は少なくとも部分的に不透明でありうる複合パネル１４（図１）を含むことができる。静的荷重条件下では、複合パネル１４にかかる荷重は、複合パネル１４の質量に作用する重力に起因する荷重に限定される。荷重には、ビークルに対する複合パネル１４の取り付けに起因する圧縮荷重も含まれる。静的荷重には、引張荷重、剪断荷重、及び／又は、ビークルに複合パネル１４を取り付けたことに起因して、又は隣接する構造の差別的加熱といった他の現象に起因して、又は他の原因に起因して、複合パネル１４に作用するねじり荷重が含まれる。

図２４の方法４００は、さらに、ビークルが移動中である、及び／又は複合パネル１４が動的荷重条件（図示しない）下にある第２の状態に複合パネル１４を置くステップ４０６を含む。例えば、ビークルは、離陸の間に滑走路上で移動中の航空機３００（図２３）を含む。動的荷重条件下では、複合パネル１４にかかる荷重は、圧縮荷重、引張荷重、剪断荷重、及びねじり荷重のいずれか一つ、又はこれらの任意の組み合わせを含みうる。荷重には、弾丸又は飛来する異物による衝撃に起因して複合パネル１４上に作用する局所的荷重も含まれる。上述のように、複合パネル１４の繊維形状３２の長さに沿った変化は、繊維２２（図１）とマトリックス１８との機械的連結（例えば、繊維−マトリックス間の連結）、及び／又は複合パネル１４を形成する層２０（図１）のうちの一又は複数内での隣接する繊維２２間の機械的連結（例えば、繊維−繊維間の連結）を促進する。機械的連結は、マトリックスに対する繊維の移動、及び／又は繊維間の移動を制御することにより、複合パネル１４に激突する弾丸を減速させる能力を増大させる手段となりうる。

図２４の方法４００は、さらに、マトリックス１８中に亀裂がある場合に、その亀裂に、複合パネル１４中の繊維２２の繊維形状３２を長方向に沿って変化させることにより得られたねじれた経路（図示しない）を伝播させるステップ４０８を含む。これに関して、ねじれた経路の方向は、繊維２２の繊維形状３２の変化によって規定される。亀裂伝播の経路がねじれていることにより、複合パネル１４の、層内（例えば、一の層内の）破壊靭性、及び／又は層間（例えば、隣り合う層間の）破壊靭性が向上しうる。これに関して、亀裂がねじれて伝播することにより、航空機３００（図２３）が離陸又は着陸中に移動している場合に、複合パネル１４がツール、滑走路の異物、又は砂利による衝撃といった低速度衝撃をうけたときの複合パネル１４の衝撃後圧縮強度が向上しうる。さらには、亀裂がねじれて伝播することにより、圧縮荷重下において、複合パネル１４の挫屈強度を上昇させる複合パネル１４の有孔圧縮強度が向上しうる。

本発明の一態様によれば、マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維であって、各々が繊維長と、繊維長に沿って変化する繊維形状とを有する複数の繊維とを備える複合品が提供される。有利には、繊維は第１の材料と第２の材料とからなる。有利には、マトリックス及び繊維の少なくとも一方が、アクリル、ナイロン、フルオロカーボン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、及び延伸ポリマーのうちの少なくとも一つを含む熱可塑性プラスチック材料：ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリイミド、ビスマレイミド、ポリエステル、エポキシ、及びシルセスキオキサンのうちの少なくとも一つを含む熱硬化性物質：炭素、炭化ケイ素、ホウ素、並びに、Ｅ−ｇｌａｓｓ（アルミニウム−ホウケイ酸ガラス）、Ｓ−ガラス（アルミニウム−ケイ酸塩ガラス）、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラス、セラミックス、及びガラスセラミックスを含むガラスのうちの少なくとも一つを含む無機材料のうちの一つから形成される。有利には、繊維は不透明及び光学的にほぼ透明のうちの少なくとも一方であり、マトリックスは不透明及び光学的にほぼ透明のうちの少なくとも一方である。有利には、複合品は、風防、キャノピー、窓、膜、装甲板、構造パネル、建築パネル、非構造品、及び層系の少なくとも一つに含まれる。有利には、繊維長に沿った繊維形状の変化によりマトリックス中の亀裂がねじれた経路に沿って伝播するように、マトリックス内で繊維が配置され、ねじれた経路により、繊維長に沿って繊維形状がほぼ変化しない繊維を有する複合品のマトリックス中における亀裂成長と比較して、マトリックス中の亀裂成長が抑制される。有利には、ねじれた経路は、少なくとも部分的に、一の繊維層内のマトリックス材、隣り合う層の間のマトリックス材の少なくとも一方の内部に延びる。有利には、繊維の繊維形状は、モードＩ層間破壊靭性及びモードＩＩ層内破壊靭性といった損傷許容性の少なくとも一方を増大させるように変化する。

本発明のまた別の態様によれば、複合日の製造方法が提供され、この方法は、各々が繊維長と繊維形状とを有する複数の繊維であって、繊維の少なくとも一つが繊維長に沿って変化する繊維形状を有する複数の繊維を準備するステップと、マトリックス内に繊維を埋め込むステップとを含む。有利には、繊維の形成には第１の材料と第２の材料とが含まれる。有利には、さらなるステップは、層を形成するために、各々が第１の部分によって分離された一連の第２の部分を有する繊維を横並びの構成に構成することと、層内の繊維の一つの第２の部分が、層内の繊維のうちの直接隣接する一つの第１の部分と少なくとも部分的に入れ子になるように、繊維を配置することとを含む。

本発明のさらなる態様によれば、繊維長と繊維形状とを有し、繊維形状が繊維長の少なくとも一部に沿って変化する、複合品のための繊維が提供される。有利には、繊維形状は、繊維長に沿って可変の断面積を有する。有利には、繊維形状は、繊維長に沿って可変の断面形状を有する。有利には、繊維形状は、繊維長に沿ってほぼ一定の断面積を有する。有利には、繊維は繊維長に沿って延びる長手軸を有し、繊維形状は断面積を有し、断面積は、繊維長に沿った複数の異なる位置において長手軸からずれている。有利には、繊維形状の変化は、繊維長に沿った一連の第１の部分と第２の部分から構成される。有利には、繊維は約３ミクロン〜５０００ミクロンの範囲の繊維厚を有している。

当業者には、本発明の他の修正例及び改良例が明らかであろう。したがって、本明細書に記載及び例示した部品の具体的な組み合わせは、本発明の特定の実施形態を表しているに過ぎず、本発明の精神及び範囲に含まれる別の実施形態又はデバイスを限定するものではない。

１０ 複合品
１２ 複合品の表面
１４ 複合パネル
１６ パネル表面
１８ マトリックス
２０ 層
２２ 繊維
２４ 繊維表面
２６ 繊維の上面
２８ 繊維の下面
３０ 繊維の側面
３２ 繊維形状
３４ 繊維長
３６ 長手軸
３８ 断面積
３８ａ 第１の断面積
３８ｂ 第２の断面積
３９ 繊維長に沿った位置
４０ 断面形状
４０ａ 第１の断面形状
４０ｂ 第２の断面形状
４２ 繊維厚
４４ 繊維幅
４６ 繊維径
４８ 断面重心
５０ 繊維コア
５２ 繊維の第１の部分
５４ 繊維の第２の部分
５６ 繊維ビーズ
５８ 周期的
６０ 第１の材料
６２ 第２の材料
６４ 半周期的
７０ 横並び
７２ 空隙
７４ 入れ子
７６ ずれ
７８ 蛇行形状
８０ 螺旋形状
８１ 突出部
８２ 大きな突出部
８３ 小さな突出部
８４ 空洞部
８６ 短軸
８８ 長軸
９０ 力
９２ 係合
９４ 層系
９６ 第１の層
９８ 第２の層
１００ 試験品
１０２ 物品表面
１０４ 正面
１０６ 背面
１０８ マトリックス
１１０ 繊維
１１２ 弾丸
１１６ 激突部位
１２２ 局所的関与
１２４ 全体的関与
３００ 航空機
３０２ 胴体
３０４ 翼
３０６ 操縦面
３０８ 尾部
３１０ 水平安定板
３１２ 垂直安定板
３１４ 推進ユニット

Claims (15)

1. マトリックス（１８）と、
   マトリックス（１８）に埋め込まれた複数の繊維（２２）であって、
   各々が、繊維長（３４）と、繊維長（３４）に沿って変化する繊維形状（３２）とを有する繊維（２２）と
   を備える複合品。
2. 繊維形状（３２）が断面積を有し、且つ
   断面積が繊維長（３４）に沿って可変である、
   請求項１に記載の複合品。
3. 繊維形状（３２）が断面形状を有し、且つ
   断面形状が繊維長（３４）に沿って可変である、
   請求項１又は２に記載の複合品。
4. 繊維（２２）が繊維長（３４）に沿って延びる長手軸を有し、
   繊維形状（３２）が断面積を有し、且つ
   断面積が繊維長（３４）に沿った異なる位置において長手軸からずれている、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の複合品。
5. 繊維形状（３２）が、長軸を有する断面形状を有し、且つ
   長軸が、繊維長（３４）に沿って変化する方向を有している、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の複合品。
6. 繊維（２２）が横並びの構成に配置されて層（２０）を形成しており、
   層（２０）内の繊維（２２）の少なくとも一部が、一連の第１の部分と第２の部分とからなっており、且つ
   繊維（２２）の一つの第２の部分が、層（２０）内の繊維（２２）のうち直接隣接する繊維の第１の部分と少なくとも部分的に入れ子になるように、繊維（２２）が構成されている、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の複合品。
7. 繊維（２２）が、不透明及び光学的に実質的に透明のうちの少なくとも一方であり、且つ
   マトリックス（１８）が、不透明及び光学的に実質的に透明のうちの少なくとも一方である、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の複合品。
8. 複合品の製造方法であって、
   各々が繊維長（３４）と繊維形状（３２）とを有する複数の繊維（２２）を準備するステップであって、繊維（２２）の少なくとも一つが、繊維長（３４）に沿って変化する繊維形状（３２）を有するステップと、
   マトリックス（１８）に繊維（２２）を埋め込むステップと
   を含む方法。
9. さらに、
   繊維長（３４）に沿って繊維（２２）の断面形状を変化させるステップ
   を含む請求項８に記載の方法。
10. さらに、
    繊維長（３４）に沿って繊維（２２）の断面積を変化させるステップ
    を含む請求項８又は９に記載の方法。
11. さらに、
    繊維（２２）の長手軸から繊維（２２）の断面形状をずらすステップ
    を含む請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
12. さらに、
    繊維（２２）を横並びの構成に構成して層（２０）を形成するステップであって、繊維（２２）の各々が、第１の部分によって分離された一連の第２の部分を有するステップと、
    層（２０）内の繊維（２２）の一つの第２の部分が、層（２０）内の繊維（２２）のうち直接隣接する繊維の第１の部分と少なくとも部分的に入れ子になるように、繊維（２２）を配置するステップと
    を含む請求項８ないし１１のいずれか一項に記載の複合品。
13. ビークルの複合品に荷重を掛ける方法であって、
    マトリックス（１８）に埋め込まれた複数の繊維（２２）として複合品（１０）を準備するステップであって、繊維（２２）の各々が、繊維長（３４）と、繊維長（３４）に沿って変化する繊維形状（３２）とを有するステップと、
    複合品（１０）を、静的荷重条件を満たす第１の状態におくステップと、
    複合品（１０）を、動的荷重条件を満たす第２の状態におくステップと、
    を含む方法。
14. さらに、
    繊維長（３４）に沿って変化する繊維形状（３２）により、マトリックス（１８）中の亀裂を、ねじれた経路に沿って伝播させるステップ
    を含む請求項１３に記載の方法。
15. 静的荷重条件が、実質的に移動していないビークルに関連付けられ、且つ
    動的荷重条件が、移動中のビークルに関連付けられる、
    請求項１３又は１４に記載の方法。

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