JP5788556B2 - 薄肉プライラミネート - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は２００４年９月２４日に出願された米国仮出願第６０／６１２，７４０号、および２００５年４月４日に出願された米国仮出願第６０／６６８，３４１号の利益を主張する。

発明の背景
発明の分野
本発明は一般に繊維複合材料、より具体的には薄肉プライを用いて向上した物理特性を達成する複合材料およびこのような材料の製造方法に関する。

先行技術の説明
通常の複合薄肉プライ（含浸樹脂を含むかまたは含まない）は、少なくとも０．１２ｍｍの厚さがある。複合プライのラミネートは、一方向プライを一緒に重ね、続いていくつかの圧着および硬化プロセスによって形成されている。様々な配向をもつプライは、１を超える方向に機械的特性を与えることが要求される。したがって、最小の２プライ配向としてたとえば基準の０°の角度に配向した一方のプライと９０°に配向した他方のプライが必要になる。プライ層の配向は、以下において、たとえば０°の一方のプライと９０°の最初のプライ上にラミネートされた他方のプライについて、または＋４５°の一方を-４５°の他方にラミネートしたものについて（ある軸に対する相対的な配向を度で示している）、[０／９０]または[＋４５／−４５]のような表記を用いて記述される。加えて、反りを避けるために、ラミネートは対称的に積層する必要がある。したがって、先行技術においては、最小限の[０／９０／０]のような３プライまたは[０／９０／９０／０]のような４プライは、０．３６、０．４８ｍｍの最小総(ゲージ)厚を有する（その厚さが必要であろうとなかろうと）。これは各々の層が少なくとも０．１２ｍｍだからである。[０／９０／４５／−４５]の４プライ配向は普通の実施である。これを対称にする場合、８プライが必要になり、少なくとも０．１２ｍｍの通常プライを用いると、最小の総ラミネート厚はおよそ８×０．１２ｍｍすなわち約１ｍｍとなる。剥離はしばしば、ラミネートの自由端において、または集中的な支持荷重がかかっている点において、または横方向の衝撃もしくはラミネートの硬化の間に発生する応力を受ける点において生じやすい。その起源にかかわらず、剥離は破損モードであり、それはしばしば多方向ラミネートの能力を有する臨界面内荷重の全潜在能力の現実化を制限してしまう。複合材料がますます一次構造物に利用されるようになるにつれ、ボーイング７８７およびエアバス３５０および３８０航空機のように、複合部品は数百パイルの厚さになることもある。剥離は多くの用途にとって複合材の採用に深刻な脅威となる。

よく普及している解決策の１つはラミネートを三次元織布として形成することである。この製織技術には非常に多くのバージョンがある。少なくとも２つの欠点がある：コストは一桁の大きさで高くなり、面内特性が低下して面外繊維の余地を作る。この解決案の代案は、横縫いを用いることである。この方法は高価なだけでなく有効性が疑わしい。縫い合わせは複合ラミネートに追加の損傷を引き起こす。

要約
簡潔には、本発明の実施形態は、０．０８ｍｍ以下の厚さの薄肉プライを用いて構築されたラミネートを含む。代替の実施形態は０．０８ｍｍ未満の薄肉プライと、少なくとも０．１２ｍｍのより厚い通常のプライとの組み合わせを含む。これらの組み合わせは、微小なひび割れや剥離への向上した耐性、より薄いラミネートの最小ゲージ、厚肉プライと薄肉プライのハイブリッド化の機会、接着継手の補強、通常の織布よりも高性能の織り交ぜ製品、配管や容器の向上したオンライン強化、より強いシート成形コンパウンドを形成するチョップされた繊維を与える。多プライサブラミネート（以降で「サブラミネートモジュール」と称する）は、複合ラミネートの基本構築ブロックとして形成され、高い剥離耐性を有する一方でアセンブリコストを減らすことができる。オートメーションまたはオートメーションによらずとも、薄肉プライサブラミネートとラミネートからなる製品は、コスト面で通常の厚肉プライラミネートからなる製品に対抗できる。

既知のトウ散布法を用いて、通常の１２ｋ炭素トウ、ガラスまたはケブラー繊維（およそ、０．１２ｍｍ厚）を散布して０．０２ｍｍ厚程度のリボンを形成することができる。このような薄肉プライにより、例えば、本発明による３プライ配向の対称サブラミネートは、通常の０．１２ｍｍプライと同じ０．１２ｍｍ厚にすることができる。最小ゲージは、通常のプライの１／６程度の厚さに減少する。対称４プライラミネートにおいては、最小ゲージは０．１６ｍｍとなるだろう。このような薄いゲージモジュールは、通常の薄肉プライでは得られない設計の選択肢を与え、より高い剥離耐性を有する。事実、通常の複合構造体の多くの設計はこの剥離基準によって規定されている。したがって高性能または軽量の構造は、薄肉プライラミネートを用いて効果的に設計することができる。

図１は本発明の薄肉プライラミネートを図示する。 図２は先行技術のより厚肉のプライを図示する。 図３はプライ厚の関数としての垂直応力のグラフである。 図４はプライ厚の関数としての剪断応力のグラフである。 図５はプライ厚の関数としての剥離開始応力のグラフである。 図６Ａは厚肉プライと薄肉プライの使用を図示する。 図６Ｂはサブラミネートを図示する。 図７Ａはサブラミネートを使用した複合材料の斜視図である。 図７Ｂは接合部を示すサブラミネートを用いた複合材料の側面図である。 図８Ａはプライ厚の関数としての剛性のグラフである。 図８Ｂはプライ厚の関数としての最大応力のグラフである。 図９はドライ薄肉プライを図示する。 図１０は樹脂が含浸された薄肉プライシートを図示する。 図１１は３層ラミネートを示す。 図１２はひだの交換領域におけるプライの編み込みと角度を図示する。 図１３Ａはさまざまな温度における脆性接着剤の負荷変形に対するプライ厚のグラフである。 図１３Ｂはさまざまな温度における延性接着剤の負荷変形に対するプライ厚のグラフである。 図１４は薄肉プライを用いた２つの層の接合を図示する。 図１５は図１４の接合の有効性を説明する表である。 図１６はラミネートの片側への金属箔の使用を示す。 図１７はラミネートの両側の金属箔を示す。 図１８Ａはラミネートの両側と中央の金属箔を示す。 図１８Ｂは図１８Ａの拡大断面である。 図１９は、箔のないラミネートの中央の層構造を示す。

実施形態の詳細な説明
本発明による複合材料１０の断面を図１に示す。複合材料１０は、点で示され、第１の方向に配向された第１のプライ１２を含む、複数の層（プライ）を有する。第１のプライ１２は、第１の方向と異なる第２の方向に配向された第２のプライ１４により隔てられている。第２のプライ１４は、プライ１２と区別する目的で、図１では何も印をつけずに表示されている。本発明によれば、プライ１２、１４は厚さ「ｔ」が０．０８ｍｍ未満、好ましくは厚さ０．０２〜０．０６ｍｍである。図２は、通常/先行技術のラミネートは、１６、１８のような本発明のものよりも厚い、各々の厚さ「Ｔ」が通常０．１２ｍｍ以上の交互のプライで構築されている、ということを簡単に示すために用いる。

本発明によると、薄肉プライラミネートは向上した剥離耐性を与える。これらは面外繊維を必要とせず、それにより優れた面内特性を維持する。例として、ラミネートの自由端における計算された垂直応力および剪断応力を、図３および図４にプライ厚の関数として示す。少なくとも０．１２ｍｍの通常／先行技術のプライ厚を各々の図の右側に示し、左方向に０．０２ｍｍまでプライ厚を減少させる。これらの測定は、プライ厚が０．１２ｍｍの先行技術の厚肉プライラミネートの厚さの１／３および１／６まで減少するにつれて、プライ厚に対する垂直応力および剪断応力が劇的に減少することを示す。これは先行技術の視点では予期しない結果である。したがって薄肉プライラミネートは、剥離に関して向上した解決策を与える。

剥離の開始に関する、薄肉プライの効果の他の例は図５に図示されており、これは有効プライ厚の関数として剥離に要する応力を示す。プライ厚が減少するにしたがい、剥離応力が再び劇的に増大する。

代替の実施形態として、厚肉プライと薄肉プライのハイブリッド組み合わせは性能とコストのバランスを与えることができ、この組み合わせも本願発明に含まれる。薄肉プライは靭性を増大させるだけでなく、プライドロップ時に柔軟性も増大させる。これはサブラミネートモジュールを用いて達成され、様々な配向を持った薄肉プライ、または様々な配向を持った薄肉プライおよび厚肉プライの組み合わせであるモジュールを、ラミネートの構築ブロックとしてあらかじめ形成する。個々のプライをドロップする代わりに、サブラミネートモジュールをドロップする。

例１：本発明による例は、０．１２ｍｍ厚の厚肉プライおよび０．０２ｍｍ厚の薄肉プライの組み合わせを含む。これは図６Ａに薄肉プライ２１および厚肉プライ２３で図示されている。さらに、サブラミネート２５は図６Ｂのように、１つの厚い[０]プライ２７と、１つの薄い[９０]プライ２９を有する厚肉−薄肉ハイブリッドでもよい。このサブラミネートモジュールの総厚は、０．１２ｍｍ＋０．０２ｍｍ＝０．１４ｍｍ、および[０]の割合はこの場合０．１２／０．１４＝８６％となるだろう。このサブラミネートを使用してマストまたはブームを構築すると、厚肉プライのみを使用した通常のラミネートでは不可能な靭性を有する、高度な異方性構造を与える。後者の場合、厚肉プライの反復モジュールは[０]の９プライおよび[９０]の１プライを持つはずである。[０]の割合は９０％に等しく、サブラミネートの総厚は１．２０ｍｍとなるだろう。この設計は互いに積層された[０]を９プライ有し、これは靭性の観点から悪い設計である。この実施はマストを不安定にし、スナッピングにより破損しやすくさせる。

例２：より高い[０]の割合が望ましい場合、２つの厚肉プライ[０]を１つの薄肉プライ[９０]薄肉プライにつけることも可能である。この場合、[０]の割合は０．２４／０．２６＝９２％となるだろう。２つの[０]および１つの[＋／−４５]を持つ３方向のサブラミネートモジュールは、０．２４／０．２８＝８６％の[０]の割合を有する。これら双方の例とも、マストまたはブームにより強靭なラミネートを与えるだろう。このハイブリッド構造体は、ドライブシャフト、リーフスプリング、およびスポーツ用品（例えば棒高跳び棒や、ホッケースティック、ゴルフクラブ、その他）にも有用である。

例３：厚肉−薄肉プライラミネートの他の例は、[＋３０／０／−３０]または[＋４５／０／−４５]モジュールのような、１つの厚肉の０．１２ｍｍプライ[０]、２つの薄肉の０．０２ｍｍの斜交プライ[＋／−３０]または[＋／−４５]を持つ、３方向サブラミネートである。サブラミネートの総厚は０．１６ｍｍで、これはプライドロップにおける一工程として達成することができる。厚肉−薄肉プライのあらゆる組み合わせの３方向モジュールをつくることが可能である。この設計の柔軟さは、製品に顕著に向上したラミネートの性能および製造過程での顕著なコスト抑制を与える。

例４：同様の概念の多方向サブラミネートを、複合構造体の下部構造体としての円材または肋材のために設計することができる。この場合、織物におけるずり弾性率が最も重要である。厚肉−薄肉ハイブリッドは、薄肉[０]と組み合わされた、厚肉[＋／−４５]を有していてもよい。これらすべての応用において、サブラミネートの合板作成工程は、例えば円材の軸に沿って１つの方向でもよい。翼の外装における場合は、合板作成は翼の軸に沿ってもよい。胴体の場合は、合板作成は２つの方向でもよい。１つはフープ方向で、他方は軸方向、または２つの螺旋角に沿ってである。非常に顕著な合板作成機械の能力および合板作成時間、および労力の削減が実現される。

本発明による複合材料は、複数のサブラミネートモジュールにより構築してもよい。図７Ａは、サブラミネートモジュール３３を含む複合材料３１を図示する。図７Ｂは、サブラミネート接合３９を図示するための図７Ａと同様に、サブラミネート３７を用いた複合材料５の平面側面図である。サブラミネートシートは幅方向に接続され、シートは厚さ方向に接合部を反復することなく積層される。図７Ａ、７Ｂのサブラミネートは、全て同じでも、異なっていてもよい。サブラミネートは全て薄肉プライでも、薄肉プライと厚プライの組み合わせでもよく、および/またはサブラミネートは図１２に図示しているような織り交ぜられた織布のプライを有していてもよい。薄肉プライの使用は、サブラミネートの厚さを通常のプライ厚と大体同じにすることができる。この方法を用いることで、特別な機械的特性をもつ製品の大スケールでの複合形成が得られる。

薄肉プライトウ形成の１つの方法は、通常のトウの散布である。散布されたトウの断面は、０．０４ｍｍ以下の厚さ、および約２０ｍｍの幅をもつ長方形である。これらの散布されたトウは容易に織り交ぜられ、織布を構築する。織り交ぜられたトウの断面を図１２に示す。織り交ぜられた織布は、容易に複雑な工作機械の幾何形状に従う高性能のサブラミネートを提供する。このような織り交ぜられた織布の総厚は、薄肉プライの厚さの２倍、すなわち０．０２ｍｍの薄肉プライを使えば０．０４ｍｍになるだろう。厚肉プライおよび薄肉プライが織り交ぜられた織布の構造性能を図８Ａおよび８Ｂに示しており、プライ厚が右から左へ減少するにつれて機械的特性が増大することを示している。０．０２ｍｍプライを０．１２ｍｍプライに代わって使った場合、剛性の３５％の増加と、最大応力の２０％の減少がある。

薄肉プライ２４は、(ａ)図９に示すように０．０８ｍｍ未満、好ましくは０．０６ｍｍ未満の厚さをもつドライ繊維２６（すなわち樹脂含浸なし）でもよく、または(ｂ)０．０８ｍｍ未満、好ましくは０．０６ｍｍ未満の厚さの樹脂含浸（プリプレグ）シート２８にした繊維２６でもよい（図１０）。

例として、複数のプライ３６で構成される３つの層３０、３２、３４からなるサブラミネート２８を図１１に示す。プライは端３８に近接して、４０におけるように側面に沿って配置でき、そこで層が合わさる（４２）。間にはすきまが生じてもよい。これらのすきまはラミネートの機械的特性にほんのわずかな影響しか及ぼさない。なぜならばプライ厚は大変小さいからである。

図１２は織り交ぜられたプライ４１の断面である。薄肉プライラミネートは向上した特性をもつ。なぜならばひだの交換領域４２のサイズと図１２に示される結果として生じる角度Ａが、プライ厚が減少するに従い小さくなるためである。ひだの効力範囲は、散布されたトウが上下に進路を織り上げ、それらが直交配向のトウに行き当たるとき、より薄いトウでより小さくなる。入れ替わるトウは、互いの厚さを調節するに違いない。トウが薄くなるにしたがって、トウの交換部にはより小さな調節しか必要なくなる。したがって、織り交ぜられたトウの巨視的な剛性および交換部において生じる応力は、この厚さに影響を受ける。トウが薄くなるにしたがい、剛性が高くなり局所応力が小さくなるだろう。

接着継手は、二つの複合成分の接合における最良の方法を与える。接着継手は製造がより容易で、接合部において最小の応力集中を生ぜしめる。広義には、２種類の結合継手接着剤がある。脆性接着剤と延性接着剤である。図１３Ａと１３Ｂは、各々さまざまな温度における脆性接着剤および延性接着剤の、荷重-変形曲線である。最も剛性のある接着剤の荷重-変形曲線は、室温における挙動である。温度上昇にしたがって、接着剤はだんだんと延性材料のように振舞う。図１３Ａの脆性接着剤は、ガラス粉末で補強されたエポキシである。延性接着剤はＰＭＭＡである。

新たな接着継手４３は、図１４に示すように薄肉プライを補強材として使用して製造できる。このような接合の有用性は、有限元素分析による予測を示す図１５の表で示される。無強化の接着剤の場合の応力の５６％および３０％への応力減少に注目されたい。それに加えて、この接合設計は、剥離応力と剪断応力との間の均衡を達成し、無強化の接着剤の場合のように一方に対して他方が支配的となることがない。薄肉プライで補強された接着剤の場合、[０]配向は接着継手にかかる軸方向の力に沿って並んでいる。

シート成形コンパウンドやマットは、チョップされた薄肉プライ繊維を使用して製造できる。これらの製品は、ひだの交換減少による剛性と強度の減少により、より高い性能を有している。加えて、より薄肉プライは曲げ剛性を３乗の関係で減じる。すなわち、１／６厚のプライはもとの１／２１６の剛性を持つ。したがって、チョップされた薄肉プライトウからつくられたシート成形コンパウンドは、より容易に成形部の曲率や形状の急激な変化にも適応するだろう。この工程の利点は、向上した剛性と強度に付け加わる。

炭素補強熱可塑性テープのオンライン結合も、品質および工程速度において、薄肉プライの恩恵を受ける。厚肉プライテープの通常のボーディネス（高い剛性）は、テープの厚さがより小さくなると著しく減少し、よりしなやかで柔軟にすることができる。先に議論した同様の３乗関係もまた、テープの曲げ剛性にあてはまる。薄いテープを用いたオンライン製造で、テープをよりしなやかにするというたった１つの目的のための予備加熱が必要なくなる。この工程は、フィラメントワインディングと次の硬化によって耐圧容器を製造するために用いることができる。

図１６−１８は、金属と薄肉プライラミネートを含む本発明のラミネートの他の形態を図示する。図１６は薄肉プライラミネート４６の片側につけた金属４４を示す。図１７は薄肉プライラミネート５２の両側につけた金属４８、５０を示す。図１６および１７は、薄肉プライラミネートの片側または両側に金属マトリクス複合材が結合した製品を図示する。金属層は、この技術において既知な、金属箔、蒸着（ＣＶＤ）、高分子内金属挿入、めっきその他を含む種々の方法にて創られる。金属はラミネートを保護する。被覆されていない薄肉プライラミネートにおいては、表層のプライは非常に薄い。ラミネートの外側の繊維が傷つくと（例えば衝撃、引っ掻きによる）、表層プライにおいて繊維破壊が容易に生じ、それはラミネートの破損を引き起こす。図１６および１７に示される製品は、このような繊維破壊や破損の防止を助ける。図１８Ａは、薄肉プライラミネート６０、６２の両側５４、５６と、中央５８にある金属を示す。図１８Ｂは図１８Ａの断面で、図１８Ａのラミネートプライ内の繊維の（９０°、−４５°）配向を図示する。図１８Ａおよび１８Ｂに示すように金属マトリクス複合材が薄肉プライラミネートの中央に挿入されると、ラミネート内の二重厚が防止される。これは対称積層に有用で、ラミネート中央での二重厚はマトリクスのひび割れや剥離を引き起こす。図１９は金属が無い場合の中間プライ層の二重厚を説明し、これはラミネートのひび割れや剥離を引き起こしやすい。

金属と薄肉プライ複合材を用いた金属マトリクス複合材の新たな群は、合理的な低コストにて製造できる。例えば、薄い炭素繊維補強プラスチック（ＣＦＲＰ）をチタンともに使用した（Ｔｉｇｒ：チタン−グラファイト）、または銅とともに使用した（Ｃｕｇｒ：銅−グラファイト）高温複合材料を形成できる。このような金属マトリクス複合材は、化学配管および容器を含む様々な用途において、高温耐性および独特の腐食耐性の両方を有する。

樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）および真空アシスト樹脂トランスファー成形（ＶＡＲＴＭ）工程を含むマットおよび織り交ぜられた織布の場合、薄肉プライ材料の使用は材料の流動をより容易にし、特殊な物理特性を維持しつつ複雑な表面に組織を強化する。

先述の実施は本発明の一例として示されている。当業者はこれらの例の変形例に気づくだろう。これらの変形例は本発明の精神に含まれている。

Claims (8)

1. （a）炭素繊維プライからなる複数の結合されたサブラミネートモジュールであって、少なくとも一つのサブラミネートモジュールが、少なくとも炭素薄肉プライの第１層と炭素薄肉プライの隣接する第２層とを含み、前記炭素薄肉プライは０．０２ｍｍ〜０．０６ｍｍの厚さを有するサブラミネートモジュールであって、前記第１層の炭素薄肉プライは第１の方向に配向し、前記第２層の炭素薄肉プライは第１の方向に対してある角度で第２の方向に配向し、前記サブラミネートモジュールは少なくとも０．１２ｍｍの厚さを持つ通常のプライと０．０２〜０．０６ｍｍの厚さを持つ薄肉プライとの組み合わせを含むサブラミネートモジュール；および
   (b) ０.０２〜０．０６ｍｍの厚さを有する炭素繊維薄肉プライと接着剤を含む強化結合材料により形成される接着継手で、前記の複数の結合されたサブラミネートモジュールを複合材および／または金属部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）に結合する接着継手、
   を含む複合材料。
2. サブラミネートモジュール中において炭素薄肉プライを織り交ぜるか、または編み込む、請求項１記載の複合材料。
3. 複合材料を部分的に樹脂トランスファー成形を用いて形成する、請求項１記載の複合材料。
4. 炭素薄肉プライを接着剤で含浸して、ハニカムまたはサンドイッチ構造を有する複合部品のための強化結合材料を与える、請求項１記載の複合材料。
5. 請求項１記載の複合材料と、金属シートとを含む、繊維−金属複合材料。
6. 金属シートを表面層としてのみ敷設した、請求項５記載の複合材料。
7. 金属シートを同一の繊維方向を有する薄肉プライの間に敷設した、請求項５記載の複合材料。
8. 金属をチタンおよび銅からなる群より選択した、請求項５記載の複合材料。

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