JP6411376B2 - 向上した引張強度を有するベール安定化複合材料 - Google Patents

Description

本開示は、概して、硬化複合材料に関し、より具体的には、引張強度を高めた硬化複合材料を得るために、中間層を強化層と組み合わせて用いたベール安定化ファブリック（veil-stabilized fabrics）に関する。

一方向強化繊維（unidirectional reinforcing fibers）の交互層によって作製された高性能複合材料は、高強度と軽量という利点を併せ持っている。従って、複合材料は、そのような特性が重要である航空宇宙産業や他の産業において使用されている。一般的に、複合材料は、隣接する層における一方向繊維が異なる角度で延びるよう交互にレイアップすることによって作製される。このように一方向繊維の複数の層を積層させることによる正味の効果として、準等方的に（quasi-isotropically）、あるいは、１つ又は複数の方向に、非常に優れた強度を複合材料にもたらすことができる。このような複合材料は、プリプレグ（prepregs）又はプリフォーム（preforms）として作製することができる。

プリプレグ方式においては、一方向ファブリックの層に、樹脂などのマトリックス材料を浸漬又は含浸させる。これらの層を、複合材料から作製する最終複合材部品の形状にレイアップする。その後、レイアップされた複合材料を加熱することによってマトリックス材料を硬化し、最終複合材部品を作成する。

プリフォーム方式においては、一方向強化繊維の層、又は、織布、ブレーデッド（braided）ファブリック、たて編みファブリック、もしくは他のタイプのファブリックを、プリプレグ方式の場合と同じようにレイアップする。ただし、プリフォーム方式においては、層はドライ状態で（すなわち、マトリックス材料なしで）レイアップされる。その後、液状成形（liquid molding）プロセスにおいてマトリックス材料をレイアップ複合材料に注入し、成形された複合部品を加熱することによって、プリプレグ方式と同様にマトリックス材料を硬化させる。

強化繊維の交互層は、特に特定の繊維方向に沿う方向において、プリプレグ又はプリフォームから形成された複合材部品に大きな強度をもたらす。従って、例えば航空機の翼や胴体のような非常に高強度で軽量の部品を作製することができる。中間層の使用によっても、複合材料の破壊靭性（fracture toughness）及び／又は耐衝撃性（impact resistance）を向上させることができる。

強化繊維の交互層又は中間層の使用によって、強度及び耐衝撃性を向上させることはできるが、複合材料の引張強度は、主として強化繊維の特性、及び、強化繊維と硬化マトリックス材料との相互作用によって決まる。従って、複合材料の引張強度を増すためには、高強度の強化繊維を使用しなければならず、これによってコストが増加することになる。あるいは、特別な樹脂を使用しなければならず、これによって複合材料の他の物理的特性に影響が出る場合がある。

向上した（すなわち、より大きい）ディストーション変形及び／又は低下した（すなわち、より低い）膨張負荷‐これはミーゼス応力の関係式として表すことができる‐を有する複合材料ポリマーマトリックスは、ミーゼス応力を増し、複合材料の機械的性能を向上させることがわかっている。

物質の変形は、２つのカテゴリーに分類することができる。膨張（すなわち体積膨張）と、ディストーションである。そのメカニズムは、均一の応力状態において物質内で起こる弾性及び塑性プロセスに対応する。物理体に加えることによって体積変化を起こす力は、弾性と呼ばれ、フックの法則を用いて十分に説明がなされる。図１に示すような体積膨張は、分子間凝集力の局所的な消失及び密度の低下の結果として生じる。変位が小さい限りは、加えられていた力を解放すると、線状の復元力又は凝集力によって、このような状態は解消される。この凝集力は、温度による熱収縮の原因にもなるものであり、ポリマーが冷却される際の分子振動の振幅の減少の直接的な結果である。凝集力は、分子間引力のエネルギー及び分離距離をファンデルワールス力及び近接反発力に関連付けるポテンシャル関数を用いて表すことができる。

巨視的なレベルでは、弾性変形する等方性体（isotropic body）は、関係式ε_v=J₁+J₂+J₃,に従って膨張し、ここで、J₁=ε₁+ε₂+ε₃, J₂=ε₁ε₂+ε₂ε₃+ε₃ε₁, J₃=ε₁ε₂ε₃であり、ε₁, ε₂及び ε₃ は、主ひずみである。体積変化は、体積変化の９８％以上を表す第１項のひずみJ1で近似することができる。

臨界体積膨張容量は、ガラス転移温度から冷却した際にポリマーが受ける収縮量に数値が等しい。熱エネルギーの低下及び平衡分子間距離の減少に直接関連付けることができる熱収縮は、機械的又は熱的負荷の下での最大弾性膨張ポテンシャル（maximum elastic expansion potential）を表す。

加えられた力に対する材料のディストーション、すなわち、ずれ反応（deviatoric response）を、ひずみバイアスに反応したポリマー鎖の特定の部分又はセグメントの突然の剪断変形であると考えることができる。図２に示した歪んだ立方体は、ディストーションを単純に描いたものである。

複合材料内のポリマーは、当該ポリマーの流動性を大きく制限する力を受けることがある。主ひずみ方向に対して約３０°より大きい繊維配向によって与えられる拘束によって、膨張臨界変形（dilatational critical deformation）が発生する。グローバルひずみ（global strain）の方向に対して約２５°より小さい角度差を有する層配向は、膨張臨界挙動（dilatational-critical behavior）からディストーション臨界挙動（distortional-critical behavior）に変化させる。

構成材料の変形挙動をより理解することによって、複合材料の固有の性能特性を活用した設計構造を実現してきた。分析と試験検証によって、膨張よりもむしろマトリックスのディストーションに好ましい機械的負荷が、複合材構造固有のパフォーマンス能力を可能にしているということがわかってきた。しかし、特定の構成材料の極限強度によって、最大のパフォーマンスの達成が制限されることが起こりうる。例えば、使用される熱硬化性樹脂のマトリックス臨界ディストーション能力が低いと、繊維のパフォーマンスが制限されることが、試験よって判明している。

従って、当業者は、複合材料の分野において、研究及び開発努力を続けるであろう。

一実施形態において、開示のベール安定化複合材料は、少なくとも１つの強化層と、強化層の間に交互に配置され且つ強化層に接合されており、第１のディストーション変形能力を有する中間層材料によってそれぞれが形成されている複数の中間層と、強化層及び中間層に注入された、第２のディストーション変形能力を有するマトリックス材料とを含むことができ、第１のディストーション変形能力が第２のディストーション変形能力より大きいことによって複合材料の引張強度を向上させている。

別の実施形態において、開示のベール安定化複合材料は、複数の一方向強化繊維を含む強化層と、強化層上に配置された、それぞれが複数のポリマー繊維を含む一対の中間層、とを含むことができ、ポリマー繊維は高いディストーション変形能力を有しており、強化層と中間層とを互いに接合することによってベール安定化ファブリックが形成されている。

さらに別の実施形態において、ベール安定化複合材料の形成方法が開示されており、当該方法は、（１）繊維状の強化材料を含む少なくとも１つの強化層を用意すること、（２）第１のディストーション変形能力を有する不織ポリマー繊維を含む少なくとも１つの中間層を強化層上に配置すること、（３）強化層と中間層とを接合することによってベール安定化ファブリックを形成すること、（４）第２のディストーション変形能力を有するマトリックス材料をベール安定化ファブリックに注入することによって複合材料を形成すること、（５）当該材料を処理してマトリックス材料を硬化することによって固体複合材料を形成すること、を含みうる。

開示のベール安定化複合材料の他の態様は、以下の詳細な説明、添付の図面及び特許請求の範囲からより明らかになるであろう。

立方体の斜視図であり、力を加えた際の立方体の体積膨張を示す図である。 図１の立方体にバイアスひずみ（biased strain）を加えた際の立方体の斜視図である。 開示のベール安定化複合材料の一実施形態の斜視図である。 開示のベール安定化複合材料のベール安定化ファブリックの一実施形態の側面図である。 開示のベール安定化複合材料の一部の詳細断面図である。 開示のベール安定化複合材料のベール安定化ファブリックの別の実施形態の側面図である。 開示のベール安定化複合材料のベール安定化ファブリックの別の実施形態の断面図である。 図４のベール安定化ファブリックを形成するための開示のシステムの一実施形態を示す概略図である。 開示のベール安定化複合材料における中間層の２成分繊維の例を示す概略断面図である。 ベール安定化複合材料を形成するための開示の方法の一実施形態を示すフローチャートである。 ベールジオメトリの一般的な形態の詳細概略上面図である。

以下の詳細な説明は、本開示の特定の実施形態を示す添付図面を参照している。異なる構造及び作用を有する他の実施形態も、本開示の範囲から逸脱するものではない。異なる図面間において、同様の要素又はコンポーネントは、同様の数字で示している。

図３を参照すると、開示のベール安定化複合材料の一実施形態は、包括的に符号１０で示されており、複数の強化層１２と、マトリックス材料１６を注入した中間層１４とを交互に含みうる。本開示は、１つ又は複数の中間層１４によって形成されたベールを提供するものであり、このベールが、ディストーション変形の増大及び／又は膨張負荷の低減をもたらすことによって、複合材料１０のミーゼスひずみ（von Mises strain）を増大させることができる。

図４を参照すると、少なくとも１つの強化層１２は、一対の中間層１４によって（例えば上側長手面及び下側長手面を）覆われている。強化層１２と中間層１４とを互いに接合することにより、ベール安定化ファブリック１８が形成されている。ベール安定化ファブリック１８にマトリックス材料１６（図３）を注入することによって、強化層１２を含浸し、複合材料１０（図３）を形成する。

図３及び図４を参照すると、ベール安定化ファブリック１８は、周囲のマトリックス材料１６に比べて、比較的高いディストーション変形能力を有している。第１の例として、ベール安定化ファブリック１８のディストーション変形能力は、周囲のマトリックス材料のディストーション変形能力より少なくとも５％大きくてもよい。第２の例として、ベール安定化ファブリック１８のディストーション変形能力は、周囲のマトリックス材料のディストーション変形能力より少なくとも１０％大きくてもよい。第３の例として、ベール安定化ファブリック１８のディストーション変形能力は、周囲のマトリックス材料のディストーション変形能力より少なくとも２０％大きくてもよい。第４の例として、ベール安定化ファブリック１８のディストーション変形能力は、周囲のマトリックス材料のディストーション変形能力より少なくとも３０％大きくてもよい。第５の例として、ベール安定化ファブリック１８のディストーション変形能力は、周囲のマトリックス材料のディストーション変形能力より少なくとも４０％大きくてもよい。第６の例として、ベール安定化ファブリック１８のディストーション変形能力は、周囲のマトリックス材料のディストーション変形能力より少なくとも５０％大きくてもよい。この結果、引張強度及び／又はひずみ度が向上するなど、複合材料１０の機械的性能を著しく改善することができる。

複合材料１０は、より大きなディストーション負荷及び／又はより小さな膨張負荷を有する設計又は構成とすることによって、ミーゼスひずみを増大させることができる。一例において、複合材料１０は、少なくとも０．３００のミーゼスひずみを有してもよい。別の例において、複合材料１０は、少なくとも０．４００のミーゼスひずみを有してもよい。さらに別の例において、複合材料１０は、アミン及びエポキシによって形成されていてもよい（例えば、少なくとも１つのジアミンと少なくとも１つのエポキシ樹脂を含む組成物）。他の実施形態において、複合材料は、様々なミーゼスひずみを有し、異なる材料によって形成されていてもよい。

図５を参照すると、同図は、開示の複合材料１０における１つの層の概略断面図である。中間層１４は、強化層１２のファイバーベッド（fiber bed）と、マトリックス材料１６の樹脂リッチゾーン２３との間で強化繊維２０に固着されている。なお、複合材料１０が複数のプライ（すなわち、層）で形成されている場合、樹脂リッチゾーン２３は、プライの間に延びている。いくつかの実施形態において、図１４に示すように、中間層１４は必ずしも強化層１２に沿ってすべての箇所に存在していなくてもよいが、図５は、中間層１４を形成するために用いられる中間層材料（例えば不織布）の面内のジオメトリを反映している。図１４において、ベール面積当たり重量（veil areal weight）とフィラメント径が、単位面積あたりのフィラメントの数及びフィラメント間の間隔に影響を与える。中間層１４のディストーションひずみ能力（distortional strain capability）がマトリックス材料１６よりも十分に大きい場合、中間層１４がディストーション変形して、マトリックス材料におけるひずみの開始を遅らせるため、複合材料１０全体は、中間層１４が無い構成に比べて、よりディストーション変形しやすくなり、これによって、同じ強化繊維とマトリックス材料の組み合わせでも、より高い引張強度を有する複合材料１０となる。なお、この利点を得るためには、十分な量の中間層１４が存在しなければならないであろう。

図５を参照すると、各強化層１２は、ファイバーベッドを含む。例えば、強化層１２のファイバーベッドは、強化繊維２０によって形成された一方向ファブリックを含みうる。強化繊維２０は、連続するものであってもよいし、不連続のもの（例えばチョップドファイバー（chopped fibers）又はストレッチブロークンファイバー（stretch broken fibers））であってもよく、様々な材料のうちのいずれかによって形成することができる。一例において、一方向強化繊維２０は、炭素繊維によって形成してもよい。強化繊維２０の他の例としては、限定するものではないが、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維、セラミック繊維、鉱物繊維がある。

各中間層１４は、不織布、例えば、連続ポリマー繊維を有する不織布によって形成することができる。中間層１４は、様々な熱可塑性材料のうちのいずれかによって形成することができるが、非熱可塑性繊維を含んでいてもよく、この場合も本開示の範囲から逸脱しない。中間層の繊維は、複合材料１０の形成に用いられる熱硬化性マトリックス材料１６と適合するあらゆるタイプの繊維から選択することができる。例えば、中間層の繊維は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、又はポリエステルポリアリーレート（polyesterpolyarylate）（例えば、ベクトラン（登録商標））からなる群より選択してもよい。

中間層１４は、例えばスパンボンド（spunbonded）、スパンレース（spunlaced）又はメッシュであるファブリックなどの不織布であってもよく、この場合、各中間層１４は、自動化された方法によって、ブレーディング（braiding）、織り込み（weaving）等では形成するのが困難又は不可能な比較的大きな幅を有するように形成することができる。スパンボンドファブリックは、連続的に紡糸され熱によって結合された連続繊維から形成することができる。これらのファブリックは、様々な供給源から市販されている。好ましいファブリックは、平方メートル当たり略１グラムと５０グラムの間の面積当たり重量を有し、より好ましくは、硬化複合材料全体の重量の０．２５％と５％の間の面積当たり重量を有する。スパンレースファブリックは、連続的に紡糸され機械的に結合された連続繊維から形成することができる。これらのファブリックは、多様な供給源から市販されている。好ましいスパンレースファブリックは、スパンボンドファブリックと略同じ範囲の面積当たり重量を有する。メッシュファブリック構造体は、縦糸方向及び横糸方向に、インチ当たり０．５本と１５本の間の糸を含んでいてもよい。

一般的に、中間層１４は、マトリックス材料１６（例えば熱硬化性樹脂）と化学的に適合し且つ注入及び硬化中にマトリックス材料１６中に溶解することのない様々なポリマー繊維のいずれかによって形成することができる。例えば、中間層１４は、中間層１４とマトリックス材料１６との接触及び／又は接着を促進すればよく、マトリックス材料１６に対して大幅に溶解すべきではない。例えば昇温状態での圧縮強度などの複合材料の性能が低下しないようにするためには、中間層材料の融点は、一般的にはマトリックス材料１６のゲル化温度に近い又はそれより高いものであるべきである。また、中間層材料は、ケトン、水、ジェット燃料、ブレーキ液などの溶媒に対して良好な耐性を有することにより、そのような溶媒に暴露された際に複合材料１０の強度が低下することがないようにすべきである。

複合材料１０のディストーション変形能力は、ミーゼスひずみ能（Mises strain performance）として表すことができるが、強化材料と周囲のマトリックス材料１６との間で最適な強化繊維‐マトリックス材料間負荷伝達能力を実現するためには、この複合材料のディストーション変形能力がマトリックス材料１６（例えば熱硬化性ポリマー樹脂）よりも高くなければならない。ミーゼスひずみ又はミーゼス応力は、材料における任意の点での主応力の組み合わせから得られる指標であり、材料におけるどの点で、応力によって破損が起こるかを決定するものである。

マトリックス材料１６を形成しているバルクポリマー樹脂は、中間層材料のポリマー繊維２２よりディストーション変形能力が低く、これは、より低いミーゼスひずみ能として表れるが、中間層材料がマトリックス材料１６と適合するように適切に選択されていれば、強化層１２を囲む中間層１４によって、複合材料１０全体のの機械的性能は大幅に改善されるであろう。中間層１４は、さらに、特にマトリックス材料１６に高温樹脂を用いる複合材料１０において、過度の熱によるひずみによって発生する横断微小割れ（tranverse microcracks）の影響を軽減する役割を行う。

マトリックス材料１６は、中間層１４とは異なる所望の物理的特性を有する任意のポリマー樹脂又は他の適当な市販又はカスタムの樹脂系を含みうる。このような物理的特性の違いによって、中間層１４が、マトリックス材料１６よりも高いディストーション変形能力を有することになる。例えば、限定するものではないが、ディストーション変形能力に影響を与えうるマトリックス材料の典型的な物理的特性は、中間層材料に比べて、より優れた流体抵抗、より高いモデュラス（modulus）、より優れた高温性能、より優れた加工性及び／又は取り扱い性（粘着性（tack）及び粘着持続時間（tack life）など）を含む。

本開示は、特定の作用の理論に限定されるものではないが、中間層１４によって複合材料の引張強度を所望程度高めるためには、中間層材料がマトリックス材料１６に対してある程度の化学的適合性（例えば、化学結合、水素結合等）を有するべきである。

再び図３及び図４を参照すると、一実施態様において、隣接する中間層１４の間に１つの強化層１２を配置してもよい。中間層１６を強化層１２に接合することによって、ベール安定化ファブリック１８を形成することができる。図６を参照すると、別の実施態様において、２つの強化層１２を用いることによってベール安定化ファブリック１８を形成してもよい。各中間層１６を関連する強化層１２に接合することによって、ベール安定化ファブリック１８を形成することができる。別の実施態様において、３つ又はそれ以上の強化層１２を用いてもよい。別の実施形態において、４〜１６個の強化層１２を用いてもよい。別の実施態様において、１７個以上の強化層１２を用いてもよい。

一実施形態において、中間層１４は、強化層１２に融着される。このような融着は、任意の多層ラミネートのレイアップ及びそれに続くマトリックス材料１６の注入の間、強化層１２の強化繊維２０の配向を維持する役割を行う。

図７を参照すると、強化層１２を中間層１４と共にニットステッチング（knit-stitching）することによって、たて編み複合材料を作成することができる。まず、融着を行うことによって一方向材料又は安定化単一層ファブリックを作成し、次にこれをたて編み機に導入する。編み糸又は縫い糸２４は、様々な材料から選択することができ、限定するものではないが、ポリエステル‐ポリアリーレート（例えばベクトラン（登録商標））、ポリアラミド（例えばケブラー（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（例えばザイロン（登録商標））、ビスコース（例えばレーヨン（登録商標））、アクリル、ポリアミド、カーボン、及びガラス繊維を含む。所望の場合には、編む又は縫う工程は、強化層１２及び中間層１４の最初のレイアップ後に行ってもよい。同じ種類の糸を用いて、スティッチング（stitching）又はタフティング（tufting）によって、局所的に異なる厚み部分を機械的に位置保持することができる。

複数の縫い糸２４を用いることによって、複合材料１０（図３）のベール安定化ファブリック１８（すなわち、強化層１２と中間層１４）を保持してもよい。各糸２４（すなわち、ステッチ）は、方向を交互に変えながら、ベール安定化ファブリック１８の強化層１２及び中間層１４のそれぞれを通って延びる。従って、強化層１２及び中間層１４のいずれも、融着又は他の方法で接着することなく、強化層１２及び中間層１４のすべてをステッチングによって連結することができる。この点において、中間層１６は、場合によっては、強化層１２に接合又は接着するための粘着性をほとんど又は全くもたらさないものでもよい。代わりに、ステッチによって強化層１２と中間層１４との必要な接続を実現することができ、及び／又は、機械的留め具を用いて強化層１２と中間層１６との間の一時的又は永久的な接続を実現することもできる。従って、複合材料１０は、「粘着剤（tackifiers）」（すなわち、強化層１２と中間層１４とを接合するための材料）を用いることなく形成することができる。すなわち、積層及びマトリックス材料１６の注入中にステッチによって強化層１２と中間層１４とを接続することができる。強化層１２と中間層１４との間に粘着剤が存在しないことによって、複合材料１０内でのマトリックス材料１６の浸透性を高めることができ、従って、強化層１２と中間層１４に対するマトリックス材料の注入を容易にすることができる。

図８を参照すると、包括的に符号１００で示す開示のシステムの一実施形態において、強化層１２は、積層によって形成することができ、この積層工程では、強化繊維２０（例えばトウ）の複数のスプール１０４を含むクリール(creel)１０２から強化繊維２０が取り出され、スプレッダーバー（spreader bar）によって所望の幅に広げられ、中間層１４と結合される。プレッシャーローラーと組み合わされたラミネーター又は水平オーブンなどの装置を用いて、一方向強化繊維２０（例えば炭素繊維）のトウを形成することによって、強化層１２を形成し、次に、ローラー１０８から送給されたベール中間層１４を強化層１２に積層する。例えばオーブン１１０を用いたり、加熱されたローラー１１２の間を通過させることによって熱及び／又は圧力を加えた状態で強化層１２の片側又は両側に中間層１４を融着させて、強化層１２に融着された中間層１４を有するドライなベール安定化ファブリック１８を形成することができる。

図４は、中間層１４が強化層１２の両側に融着された、ベール安定化ファブリック１８の構造を示している。代替の実施形態において、中間層１４を強化層１２の片側のみに融着してもよい。ただし、取扱いやすいベール安定化ファブリック１８を形成するためには、中間層１４を強化層１２の両側に融着するすることが好ましい。

複合材料１０（図３）は、１インチと３００インチの間の幅を有するプリプレグ又はプリフォームを形成するための複数のプロセスによって製造される。一般に、複合材料１０は少なくとも約５０インチの幅を有する。

一実施態様においては、複合材料１０は、後に液体樹脂注入（例えば液状成形）によって成形されるプリフォームとして作成される。プリフォームは、モールド内にレイアップされた少なくとも１つのベール安定化ファブリック１８（すなわち、交互に配置された複数の強化層１２及び中間層１４）を含みうる。ベール安定化ファブリック１８のプリフォームに、熱硬化性樹脂などのマトリックス材料１６を液状成形により注入することによって、プリフォームを十分に湿潤（wet-out）することができる。プリフォームにマトリックス材料１６を注入した後、複合材料１０をモールド内で加熱することによってマトリックス材料１６をゲル化又は硬化し、これにより最終複合部品を形成することができる。

別の実施態様においては、複合材料１０は、予備含浸された（すなわちプリプレグ）複合材料として作成される。モールド内でレイアップを行う前に、マトリックス材料１６をベール安定化ファブリック１８に塗布することによって、プリプレグを形成する。ベール安定化ファブリック１８にマトリックス材料１６を予備含浸させた後、複合材料１０をモールド内でレイアップし、加熱することによってマトリックス材料１６をゲル化又は硬化し、これにより最終複合部品を形成することができる。

２つ又はそれ以上の層を含む多軸プレフォームファブリックによって形成される複合材料を作成することは、一般的である。所望の場合には、層のパターンを繰り返すことによって、所望の厚みを実現することができる。所望の厚みまで重ねることが望ましい場合、鏡像関係にある複合材料層の積層板を用いることによって、高温で樹脂を硬化させた後の熱応力による硬化後屈曲及びねじれを防ぐことができる。このような場合、全体的なレイアップは、バランスがとれた複数グループの層によって形成するか、あるいは、交互にレイアップすることにより積層板のバランスをとるかのいずれかであってもよい。この方法は、当該分野では一般的であり、不要なディストーションのない部品を確実に製造するために行われる。

一実施形態において、複合材料１０は、準等方性のパターンに積層（laid-down）してもよい。準等方性のパターンは、繊維の面内において、等方性材料に近いパターンである。これは、横等方性(transverse isotropy)としても知られている。準等方性パターンの一例は、０／＋４５／９０／−４５の角度パターンで積層されたラミナを有するものである。別の準等方性パターンは、＋４５／０／４５／−９０の角度パターンを含みうる。別の準等方性パターンは、−４５／０／＋４５／９０の角度パターンを含みうる。さらに別の準等方性パターンは、０／＋６０／−６０の角度パターンを含みうる。

別の実施形態において、複合材料１０は、直交異方性のパターン(orthotropic pattern)に積層してもよい。直交異方性とは、最終的に準等方性パターンのように面内において準等方性にならないような形態で、繊維又はユニットを有していることを意味する。直交異方性パターンの一例は、４４％の０°、２２％の＋４５°、２２％の−４５°、１２％の９０°の繊維を有するパターンである。この例では、準等方性（２５／５０／２５）レイアップに比べて、より大きい縦方向強度（０°方向に沿う）、並びに、より低い剪断強度（±４５°方向）及び横強度（９０°方向）が達成される。結果として得られるビルドアップ層は、準等方性積層板に比べて、０°方向においてはより大きな強度及び厚みを有するが、（±４５°層によってもたらされる）剪断強度及び厚みは、より低い。従って、この例において、９０°強度は、準等方性積層板よりも低い。直交異方性という言葉は、当該分野においてよく知られている。例えば、０°のファブリックは、直交異方性であり、平面特性においてバランスの取れた平均（すなわち準等方性）とならない他のいかなるパターンも同様である。所望の強度及び剛性を得るために必要又は好ましい場合には、０°、９０°、及び±４５°以外の角度を選択してもよい。

いずれのプロセスを採用した場合でも、中間層１４は軽量で多孔性であることにより、強化層１２のディストーションを最小限に抑え、強化層１２へのマトリックス材料１６の注入の際に、中間層１４を通るマトリックス材料１６の流れの抵抗を低減することができる。

中間層１４は、中間層材料の粘着性にかかわらず、作成される複合材料１０の引張強度などの特定の特性を改善する材料によって形成することができる。中間層１４は、マトリックス材料１６よりも高いディストーション変形能力を有する材料によって形成すべきである。結果として得られる複合材料１０の引張強度を、場合によっては、別の材料で作られた中間層によって形成された、同様の寸法の複合材料で達成される引張強度よりも、大きくすることができる。また、結果として得られる複合材料１０の引張強度は、場合によっては、中間層を介在させずに互いに隣接配置された強化層によって形成された、同様の寸法の複合材料で達成される引張強度よりも大きくすることができる。従って、中間層１４のディストーション変形能力を高めることによって、複合材料１０の引張強度を概して高めることができるはずである。

中間層１４は、単一の材料で形成してもよいし、２つ以上の材料で形成してもよい。図９〜図１２を参照すると、中間層繊維は、単一成分繊維に代えて用いることができる２成分繊維を含んでいてもよい。例えば、異なる繊維を機械的に混合することによって、２つ以上の材料を作製することができ、それらを用いて、スパンボンド(spunbonded)、スパンレース(spunlaced)、又はメッシュのファブリックの中間層材料を作成することができる。２つ以上の材料を用いることによって、中間層材料を作製するための２成分繊維、３成分繊維、又は、それ以上の成分の繊維を形成することができる。２成分繊維の非限定的な例を図９〜図１２に示す。例えば、図９は、繊維材料Ａ及び繊維材料Ｂの共押し出し（coextrusion）によって作製された繊維を断面図で示している。このような繊維は、２つの出口を有するスピナレット(spinneret)によって作製することができる。別の例として、図１０は、４個のスピナレットからの押し出しによって製造されるであろう、材料Ａ及びＢから形成された２成分繊維を示している。別の例として、図１１は、８個のスピナレットからの押し出しによって製造されるであろう、材料Ａ及びＢから形成された２成分繊維を示している。さらに別の例として、２成分繊維は、図１２に示したようなコアシース（core sheath）繊維の形状で使用してもよい。コアシース繊維においては、図１２にＢとして示した１つのタイプの繊維材料がコアとして押し出される一方、図１２にＡとして示した別のタイプの繊維材料がシースとして押し出される。例えば、２成分繊維は、ポリウレタンとポリアミドとによって形成してもよい。別の例として、シースをポリウレタンによって形成し、コアをポリアミドによって形成してもよい。

図９〜図１２に示したような２成分繊維、及び、３つ以上の成分を含む他の繊維は、当該分野で周知であり、様々な従来の方法によって作製することができる。また、図９〜図１２に示した繊維は、円形の断面図によって概略を示したが、他の断面を用いることもできる。

異なる繊維を機械的に混合することによって作製される多成分中間層１４の一実施形態において、非熱可塑性繊維を熱可塑性繊維と組み合わせることによって混合材料中間層を形成することもでき、当該中間層も、強化層１２に融着することによってプレフォームファブリック又はプリプレグを形成することができるものである。非熱可塑性繊維の例は、限定するものではないが、炭素繊維、カーボンナノファイバー、及び／又はカーボンナノチューブから作製されたフェルト又はマット；ガラス、セラミック、金属、もしくは鉱物繊維又はウィスカーから作製されたフェルト又はマット；炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、鉱物繊維、又はパラ‐アラミド（例えばケブラー、トワロン）のようなポリマー繊維、ビスコース（例えばレーヨン）、又は他の熱硬化性系繊維であって、バインダーを用いて又はバインダー無しで、熱可塑性ベール上に直接堆積され、加熱によって又は加熱を用いることなく処理することによって非熱可塑性繊維を熱可塑性繊維に固定するのを助ける働きをする繊維を含む。また、これらの材料の組み合わせも可能である。これらの例において、熱可塑性繊維と他の繊維との組み合わせによって、マトリックス１６よりも大きいディストーション能力を有する中間層１４が作製できる限り、複合材料１０の全体の引張強度を向上させることができるはずである。

一実施態様において、中間層材料を構成する繊維２２は、１〜１００ミクロンの直径を有しうる。別の実施態様において、中間層材料を構成する繊維２２は、１０〜７５ミクロンの直径を有しうる。別の実施態様において、中間層材料を構成する繊維２２は、１０〜３０ミクロンの直径を有しうる。別の実施態様において、中間層材料を構成する繊維２２は、１〜１５ミクロンの直径を有しうる。別の実施態様において、中間層を構成する繊維２２は、異なるフィラメント径の組み合わせを含む。

上述したように、ベール安定化ファブリック１８は、単一の強化層１２（図４）又は複数の強化層１２（図６）を含みうる。ベール安定化ファブリック１８の１つの層に予備含浸によってマトリックス材料１６を注入することによって未硬化の複合材料１０を形成してもよいが、様々な液状成形プロセスによってマトリックス材料１６が注入された安定化ファブリック１８を複数層用いることによって複合材料１０を形成し、次にこれを硬化することによって固体状の積層板を形成する方が、はるかに好ましい。例えば、１つのプロセスである真空補助下の樹脂トランスファー成形においては、樹脂などのマトリックス材料１６が、真空下において複数層のベール安定化ファブリック１８を含むモールド内に導入される。

モールドは、通常、完成複合部品の所望の輪郭に対応する１つ又は複数の面を規定しており、ベール安定化ファブリック１８の複数の層が所望の形状で支持されるようになっている。マトリックス材料１６は、ベール安定化ファブリック１８の層内に注入され、中間層１４の間の強化層１２に含浸する。中間層１４は、液状成形の際にマトリックス材料１６が流動することができるよう、透過性のある材料で形成しなければならない。任意には、強化層１２と中間層１４との間のステッチ２４（図７）によって、マトリックス材料１６の注入の間、各ベール安定化ファブリック１８を保持してもよい。

モールドは、真空を収容するための密閉容器状の装置であってもよい。一般に樹脂トランスファー成形と呼ばれる別のプロセスにおいては、マトリックス材料１６（例えば熱硬化性樹脂）は、加圧下で、閉じられたモールド内に注入される。好ましくは、モールドを、シールされたバッグに収容し、バッグ内に樹脂を導入し且つ空気及び揮発性成分をバッグ内から除去できる状態とする。なお、別の液状成形プロセスを用いて、硬化複合材料１０を作成してもよい。

上述したようなプロセスにおいてマトリックス材料１６を注入したのち、モールドを加熱することによってマトリックス材料１６を硬化し、これにより硬化複合材料１０（例えば完成複合部品）を作製することができる。加熱の間、マトリックス材料１６は自己反応により複合材料１０のマトリックス内に架橋を形成する。加熱の初期期間の後、マトリックス材料１６はゲル化する。ゲル状態では、マトリックス材料１６はもはや流動せず、むしろ固体としての挙動を示す。中間層材料が融解して強化材料内に流入するのを防止するためには、マトリックス材料１６は、中間層１４の材料の融点より低い温度でゲル化することが好ましい。ゲル化した後は、硬化を完了させる最終温度まで温度が上昇する。最終硬化温度は、選択されたマトリックス材料１６の性質及び特性に依存する。航空宇宙グレードのエポキシ樹脂の場合、ゲル化後に温度を３２５〜３７５°Ｆの範囲まで上昇させ、この温度を１〜６時間維持することによって、硬化を完了するのが一般的である。

少なくとも１つのベール安定化ファブリック１８から形成された複合材料１０は、このような改良がなされていない複合材料に比べて、複合材料１０の引張強度が大幅に向上することがわかっている。強度が重要である構造物の研究において、開示の複合材料１０の設計及び構造の比較を行った。当該複合材料は、ディストーション能力が高い中間層１４が、構造強化繊維２０に沿って設けられ、マトリックス材料１６に最大限に接触しているものである。この複合材料１０のオープンホール引張強度（Open Hole Tensile (OHT) strength）を、平方インチあたりキロポンド（ksi）で測定して調べた。このＯＨＴテストのパフォーマンス結果を、ＡＳＴＭ Ｄ５７６６に従って作製し試験したパネルと比較した。

一組のＯＨＴ試験によって、ＣＹＣＯＭ５３２０−１樹脂（Cytec Solvay Groupの一員であるCytec Industries Inc.社、ニュージャージー州、Woodland Park）及びＴＯＲＡＹＣＡ Ｔ８００Ｓ強化繊維（東レ株式会社、日本国東京都）を用い、中間層を有することによってベール安定化複合材料を形成している複合材料１０は、中間層を有しない参考材料に比べて、２０〜３０％高い引張強度パフォーマンスを有することがわかった。

別の組のＯＨＴ試験によって、ＣＹＣＯＭ５３２０−１樹脂及びＴＯＲＡＹＣＡ Ｔ８００Ｓ強化繊維を用い、中間層を有することによってベール安定化複合材料を形成している複合材料１０は、−７５°Ｆの温度において、中間層を有しない参考材料に比べて、１０〜２０％高い引張強度パフォーマンスを有することがわかった。

別の組のＯＨＴ試験によって、ＣＹＣＯＭ９７０樹脂（Cytec Industries Inc.社）及びＰＡ１４７０（Spunfab Ltd.社、オハイオ州、Cuyhoga Falls）ベール中間層を用い、ＴＯＲＡＹＣＡ Ｔ３００‐３Ｋ‐ＰＷ強化繊維（東レ株式会社、日本国東京都）を有することによってベール安定化複合材料を形成している複合材料１０は、中間層を有しない同じ材料に比べて、５〜１５％高い引張強度パフォーマンスを有することがわかった。

また、適切に選択すれば、中間層１４を含む開示の複合材料１０は、引張強度と衝撃損傷に対する耐性の両方を向上させることができる。例えば、ＣＹＣＯＭ９７０樹脂及びＰＡ１４７０ベール中間層を用い、ＴＯＲＡＹＣＡ Ｔ３００‐３Ｋ‐ＰＷ強化繊維を有することによってベール安定化複合材料を形成している複合材料１０は、中間層を有しない同じ材料に比べて、５０〜５５％高い衝撃後圧縮強度パフォーマンスを有していた。

少なくとも１つのベール安定化ファブリックによって形成された複合材料１０は、強化材料内の微小欠陥(micro-scale flaws)−当該欠陥は強化繊維が負荷を受ける時の長軸に沿う破損開始位置と考えられる−の周りの負荷を分散させることによってディストーション変形能力を向上させることができる、と仮定される。この欠陥周りの負荷を再分配する能力によって、複合材料１０は、破損することなく負荷に耐え続けることができる。

図１３を参照すると、ベール安定化複合材料を作製するための方法を、包括的に２００として開示している。方法２００は、ブロック２０２において、少なくとも１つの強化層を用意する工程によって始まる。各強化層は、複数の構造強化繊維によって形成することができる。

ブロック２０４に示すように、少なくとも１つの中間層を強化層上に配置する。各中間層は、複数の不織ポリマー繊維によって形成することができる。中間層は、第１のディストーション変形能力を有する。

ブロック２０６に示すように、強化層と中間層とを接合することにより、ベール安定化ファブリックの層を形成する。ベール安定化ファブリック（すなわち、少なくとも１つの強化層に接合された少なくとも１つの中間層）には、プリプレグ方式又はプリフォーム方式のいずれかによって、マトリックス材料を注入することができる。いずれの方式においても、マトリックス材料の注入の前に、強化層と中間層とを接合することによってベール安定化ファブリックの単一層を形成する。マトリックス材料は、第２のディストーション変形能力を有する。第１のディストーション変形能力は、第２ディストーション変形能力より大きい。

プリフォーム方式においては、ベール安定化ファブリックの少なくとも１つの層を、例えばモールド内において、最終複合部品の形状に形成する。ブロック２０８に示すように、別の実施態様において、例えばモールド内に複数の層をレイアップすることによって、最終複合部品の形状を形成してもよい。

ブロック２１０に示すように、ベール安定化ファブリックの複数のレイアップされた層にマトリックス材料を注入することによって、一体化された複合材料を形成する。

ブロック２１２に示すように、複合材料（すなわち、マトリックス材料が注入されたベール安定化ファブリックの少なくとも１つの層）を、例えばオーブン内において、硬化することによって硬化複合材料を形成する。

プリプレグ方式においては、ブロック２０８とブロック２１０の順序が逆になる。ベール安定化ファブリックの各層に、例えば少なくとも片側にコーティングを施すなどしてマトリックス材料を注入することによって、一体化された複合材料を形成する。任意には、次に、ベール安定化複合材料を部分的に硬化する。次に、部分的に硬化されたベール安定化複合材料の各層を、保管及び／又は輸送のためにカバーする。次に、ベール安定化複合材料の複数の層を、例えば複合部品の形状を有するモールド内において、レイアップすることにより、最終複合部品の形状を形成する。複合材料を、例えばオーブン内において、硬化することにより硬化複合部品を形成する。

従って、開示の複合材料１０は、マトリックス材料によって囲まれた強化層よりも比較的高いディストーション変形能力（例えば引張強度）を有することができる。これによって、より高いコスト及びより高強度の強化繊維を必要とすることなく、高強度の複合材料を作製することができる。強化層に接合された、適切に選択された中間層によって、ベール安定化ファブリックが形成され、これが、強化層の強化繊維を囲む領域を形成し、当該領域によって、繊維の不連続又は欠陥箇所におけるマトリックス材料‐繊維間の負荷伝達が最適化され、これによって、複合材料の機械的特性が改善される。

また、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。

１． それぞれが強化繊維を含んでいる複数の強化層と、
前記強化層の間に交互に配置され且つ前記強化層に接合されており、第１のディストーション変形能力を有する不織布をそれぞれが含んでいる複数の中間層と、
前記複数の強化層及び前記複数の中間層に注入された、第２のディストーション変形能力を有するマトリックス材料、とを含み、
前記第１のディストーション変形能力は、前記第２のディストーション変形能力より大きい、ベール安定化複合材料。

２． 前記不織布は、複数の連続するポリマー繊維を含む、付記１に記載の複合材料。

３． 前記不織布は、異なる繊維を機械的に混合したものを含む、付記１に記載の複合材料。

４． 前記不織布は、複数の多成分繊維を含む、付記１に記載の複合材料。

５． 前記不織布は、スパンボンド、スパンレース、及び、ファブリックメッシュからなる群のうちの少なくとも１つによって形成されている、付記１に記載の複合材料。

６．前記複数の中間層の少なくとも１つは、前記複数の強化層における各強化層に融着されている、付記１に記載の複合材料。

７． 前記複数の強化層及び前記複数の中間層を通って延びるステッチをさらに含む、付記１に記載の複合材料。

８． 前記不織布は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルポリアリーレート、及びこれらの組み合わせからなる群より選択された繊維を含む、付記１に記載の複合材料。

９． 前記不織布は、非熱可塑性繊維をさらに含む、付記８に記載の複合材料。

１０．前記複数の中間層は、前記マトリックス材料が前記複数の強化層に注入され硬化される際に元の状態を維持するように構成されている、付記１に記載の複合材料。

１１． 前記強化繊維は炭素繊維を含む、付記１に記載の複合材料。

１２． 前記マトリックス材料は、前記複数の強化層のうちの各強化層と、前記強化層に接合された、前記複数の中間層のうちの少なくとも１つの中間層とに予備含浸されている、付記１に記載の複合材料。

１３． 前記マトリックス材料は、前記複数の強化層及び前記複数の中間層内に液状注入されている、付記１に記載の複合材料。

１４． 複数の一方向強化繊維を含む強化層と、
前記強化層上に配置された、それぞれが複数のポリマー繊維を含む一対の中間層、とを含み、
前記ポリマー繊維は、第１のディストーション変形能力を有しており、
前記強化層と前記中間層とを互いに接合することによってベール安定化ファブリックが形成されている、ベール安定化複合材料。

１５． 前記ベール安定化ファブリックには、マトリックス材料が予備含浸されており、前記マトリックス材料は、第２のディストーション変形能力を有しており、前記第２のディストーション変形能力は前記第１のディストーション変形能力より小さい、付記１４に記載の複合材料。

１６． 前記ベール安定化ファブリックは、マトリックス材料と共に液状成形されており、前記マトリックス材料は、第２のディストーション変形能力を有しており、前記第２のディストーション変形能力は前記第１のディストーション変形能力より小さい、付記１４に記載の複合材料。

１７． 強化繊維によって形成された強化材料を含む少なくとも１つの強化層を用意することと、
第１のディストーション変形能力を有する不織ポリマー繊維によって形成された中間層材料を含む少なくとも１つの中間層を、前記強化層上に配置することと、
前記強化層と前記中間層とを接合することによって、ベール安定化ファブリックを形成することと、
第２のディストーション変形能力を有するマトリックス材料を前記前記ベール安定化ファブリックに注入することによって複合材料を形成すること、とを含む複合材料の形成方法。

１８． 前記第１のディストーション変形能力は、前記第２のディストーション変形能力より大きい、付記１７に記載の方法。

１９． 前記強化層と前記中間層とは融着される、付記１７に記載の方法。

２０． 前記複合材料を硬化することをさらに含む、付記１７に記載の方法。

開示の複合材料の様々な形態を図示及び記載したが、当業者であれば、本明細書を読めば改変を思いつくであろう。本出願は、そのような改変も含むものであり、特許請求の範囲に限定されるものではない。

Claims (15)

1. ベール安定化複合材料であって、
   それぞれが強化繊維を含んでいる複数の強化層と、
   前記強化層の間に交互に配置され且つ前記強化層に接合されており、第１のディストーション変形能力を有する不織布をそれぞれが含んでいる複数の中間層と、
   前記複数の強化層及び前記複数の中間層に注入された、第２のディストーション変形能力を有するマトリックス材料、とを含み、
   前記第１のディストーション変形能力が前記第２のディストーション変形能力より大きいことにより、前記ベール安定化複合材料の引張強度を向上させており、且つ、
   前記ベール安定化複合材料の断面視において、前記複数の中間層のいずれか１つが、前記強化繊維の外面に沿った波状の部分を有する、ベール安定化複合材料。
2. 前記不織布は、複数の連続するポリマー繊維を含む、請求項１に記載の複合材料。
3. 前記不織布は、異なる繊維を機械的に混合したものを含む、請求項１に記載の複合材料。
4. 前記不織布は、複数の多成分繊維を含む、請求項１に記載の複合材料。
5. 前記不織布は、スパンボンド、スパンレース、及び、ファブリックメッシュからなる群のうちの少なくとも１つによって形成されている、請求項１に記載の複合材料。
6. 前記複数の中間層の少なくとも１つは、前記複数の強化層のうちの各強化層に融着されている、請求項１〜５のいずれかに記載の複合材料。
7. 前記複数の強化層及び前記複数の中間層を通って延びるステッチをさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料。
8. 前記不織布は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン
   、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルポリアリーレート、及びこれらの組み合わせからなる群より選択された繊維を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の複合材料。
9. 前記不織布は、非熱可塑性繊維をさらに含む、請求項８に記載の複合材料。
10. 前記複数の中間層は、前記マトリックス材料が前記複数の強化層に注入され硬化される際に元の状態を維持するように構成されている、請求項１〜９のいずれかに記載の複合材料。
11. 前記強化繊維は炭素繊維を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の複合材料。
12. 前記マトリックス材料は、前記複数の強化層のうちの各強化層と、前記強化層に接合された、前記複数の中間層のうちの少なくとも１つの中間層とに予備含浸されており、前記マトリックス材料は、前記複数の強化層及び前記複数の中間層内において液状注入されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の複合材料。
13. 前記複数の強化層のうちの１つの強化層における前記強化繊維は、前記断面視において第１方向において互いに離間し且つ隣り合う第１強化繊維部分および第２強化繊維部分を含み、
    前記第１強化繊維部分および前記第２強化繊維部分は、それぞれ、第１繊維端部および第２繊維端部を含み、前記第１および第２繊維端部は、前記第１方向に離間しており、
    前記複数の中間層のうちの１つの中間層は、互いに反対側に位置する第１端縁および第２端縁を有し、前記第１端縁は、前記第２端縁に対し、前記第１方向に直交する第２方向側に位置しており、
    前記第１端縁は、前記第１および第２強化繊維部分に密着しており、前記第２端縁には前記断面視において凹部が形成され、前記凹部の底は、前記第１および第２繊維端部よりも前記第２方向側に位置している、請求項１ないし１２のいずれかに記載の複合材料。
14. 強化繊維によって形成された強化材料を含む少なくとも１つの強化層
    を用意することと、
    第１のディストーション変形能力を有する不織ポリマー繊維によって形成された中間層材料を含む少なくとも１つの中間層を、前記強化層上に配置することと、
    前記強化層と前記中間層とを接合することによって、ベール安定化ファブリックを形成することと、
    第２のディストーション変形能力を有するマトリックス材料を前記前記ベール安定化ファブリックに注入することによって複合材料を形成することと、
    複合材料を硬化すること、とを含み、
    前記第１のディストーション変形能力が前記第２ディストーション変形能力より大きいことにより、前記複合材料の引張強度を向上させており、且つ、
    硬化後の前記複合材料においては、前記複合材料の断面視において、前記少なくとも１つの中間層のいずれか１つが、前記強化繊維の外面に沿った波状の部分を有する、複合材料の形成方法。
15. 前記強化層と前記中間層とは融着される、請求項１４に記載の方法。

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