JP2012509443A - エネルギー吸収材 - Google Patents

Abstract

それぞれが実質的に硬い材料からなる複数の構造層および該構造層と交互配置される複数のクッション層からなるエネルギー吸収材であり、各クッション層は実質的に圧縮性の材料を含み、クッション層は隣接する構造層に結合されていて、該クッション層と構造層の１つはエネルギー吸収材の脅威面上に位置しているエネルギー吸収材。

Description

本発明はエネルギー吸収材に関するものであり、さらに詳しくは、フードとフェンダーおよびその他の車両部品が少なくとも部分的にエネルギー吸収材で形成されていることを特徴とする歩行者保護のための歩行者衝撃エネルギー吸収用の交互配置型材料に関するものである。

エネルギー吸収材は一般によく知られている。しかし、既知の吸収材は自動車のフード、フェンダーその他の車両部品および本明細書で後述されているその他の用途に対して有効で経済的な歩行者衝撃エネルギー吸収能力を提供しない。人間の脳および身体におけるピーク加速度および衝撃力持続時間を制限するためには有効な衝撃エネルギー管理が必要である。衝撃による加速力および衝撃の持続時間は、脳が受けるエネルギー、ひいては損傷の量、を示す頭部衝撃基準（ＨＩＣ）の計算に使用される。ＨＩＣ値は新車の歩行者衝撃試験および認証における最大許容値として指定されている。爆風衝撃はおよび弾道投射物に関しては、人間の脳傷害および身体傷害を軽減するためにエネルギー吸収、エネルギー変換およびエネルギー減衰が非常に重要となる。

既知の歩行者保護システムは、衝撃エネルギー管理用に大きな変形ゾーンを提供するためにフードを上方向に配置する能動的フードシステムを採用するか、エアバッグをふくらませて衝撃をやわらげるか、圧縮性の非交互配置型材料の単一層を利用する、あるいはフードの下の硬い部分から歩行者を保護するためにクッションを利用するのが一般的である。現行および将来の歩行者保護要件を満たすために、他のシステムではフードを高くする、エンジンを小さく低くする、あるいはフードの下の部品の実装法を大幅に変更するなどの処置が必要となる場合がある。残念ながら、フードを高くすると車両の空気動力学特性が悪化し、また、セダン、クーペおよびスポーツ向け車両など多くの車両で望ましいとみなされている低フードなどの美的特性も減じる。

既知の能動的システムの欠点は一般に非常に高価で重量が重く、開発時間および工学技術的な作業も多く要することである。単層の非交互配置型圧縮性材料は、圧縮性材料の圧縮後に単層圧縮性材料の片側または両側の材料外板の破壊、およびその後の圧縮性材料の圧縮に起因して、一般にピーク負荷が大きい。これらのシステムではしばしば、より厚く、より堅い耐負荷外板が必要とされるため、フードその他の部品の機械的特性を改善するために圧縮性材料を実質的に使わないようにするか、あるいはフードその他の部品に構造を与えるために堅い外板を使って曲げ剛性の本質的な欠如を補償する必要がある。衝撃および爆風エネルギー管理における他の応用例を見ると、既知のシステムは単層の非交互配置型圧縮性材料を利用している。また、材料の横方向の圧縮では、外板材料の材料破壊または圧縮を起こすときにしばしばより大きな衝撃エネルギーを必要とし、その後の圧縮性材料の圧縮では抵抗が小さくなる。この結果、既知のシステムでは外板が破壊されるときにピーク負荷が大きくなり、その後で圧縮性材料が衝撃エネルギーを変換し始めるときに効率の低い衝撃エネルギー変換が起きる。

本発明は、車両のフードおよびフェンダーその他の部品の歩行者衝撃エネルギー吸収、およびここで詳説するその他の用途において有用なエネルギー吸収材および関連する構成、工程および用途であるが、それに限定されるものではない。

ここで開示するエネルギー吸収材は、構成材料の交互配置層の順次的な圧縮、座屈、さらには破壊により優れた衝撃吸収管理能力を達成している。構成材料は、たとえばＺｏｔｅｆｏａｍｓ社の熱可塑性発泡体ナイロンＺｏｔｅｋ−ＮＢ５０、米国カリフォルニア州アナハイム市のＣｙｔｅｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社の熱硬化性エポキシ樹脂含浸グラスファイバー織物などである。このような材料の組み合わせによると、発泡体が圧縮されて衝撃をやわらげ、同時にグラスファイバーとエポキシ材料が座屈、破壊して衝撃負荷をより大きな面積に広げることでより効果的に衝撃をやわらげ、衝撃エネルギーを他のエネルギー形態に変換する。材料を交互配置することで、成形後に構造的なグラスファイバーとエポキシ材料が圧縮性発泡体の形を保持するようになる。この構造的な交互配置層は、発泡体のせん断負荷が隣接する構造用グラスファイバーとエポキシ層に移されるために材料の曲げとたわみによく抵抗する。

この材料は構成材料の制御された圧縮、変形および破壊を通じて衝撃エネルギーを蓄積または変換することで効果的に衝撃をやわらげる。この材料は制御された仕方で圧縮されて破壊し、構成材料の予想可能で順次的な座屈、変形および圧縮を通じて衝撃エネルギーを他のエネルギー形態に変換する。

この新規材料を車両のフードに利用することは自転車のヘルメットの様な材料でフードを作るようなものである。材料の厚さは、フードの下の部品に合わせて希望する場所に交互配置層を追加することで簡単に変えられる。フード外板とエンジンベイの硬い部分との間の空所にこの材料を詰めて内部構造への衝撃をやわらげることができる。この材料は、ほとんどの先行技術で使用されているような、大きな面積にわたって曲がり、金属の変形を通じて衝撃エネルギーを変換する金属歩行者保護フードの場合ほど変形する必要がない。ここに開示する新規材料はむしろ局所的に交互配置型材料の面に対して横断的に破壊する。材料が厚いほど、衝撃をやわらげ、エネルギーを変換し、エネルギーを蓄積する能力が増加する。フードの下の硬い部分と車両の外面との間のスペースをここに開示する新材料で埋めることは、これらの分野において歩行者保護性能を改善するための一つのオプションである。フードの下の硬い部分と車両の外面との間のスペースをここに開示する新規材料で埋めることにより、先行技術の材料に比べてフード材料の大きな曲がりを防ぐという働きもある。先行技術の材料で見られるこうした大きな曲がりは、ここに開示する新規の交互配置型材料において希望する横断方向の圧縮エネルギー変換機構で局所的に材料を圧縮し、破壊する場合に比べて効率の低いエネルギー変換機構である。この新規材料の交互配置構造は、交互配置層が材料を強化するため、尖った物体が材料を突き抜けたり切り抜けたりするのに対して先行技術の単層材料よりもよく抵抗する。

ここに開示する新規材料は、先行技術にあるような大きなスペースを要する能動的フードシステムの必要性を排除し、非常にスペース効率の高いエネルギー変換材料を使用することによりフードの変形に要するスペースを最小限に抑えている。したがって、伝統的な低フードの持つ空気動力学的性能およびさまざまな重要なデザイン上の美しさが保たれる。ここに開示する新規材料の緩衝効果は、スペースおよび重量効率が極めて高いため、フードの下の部品、硬い部分、および機械的目的、重量配分、冷却、その他の性能問題、コスト、デザイン美術上の考慮、およびその他の商用または実用的な理由のための全体的実装の最適化を可能にする。

フェンダー、屋根パネル、バンパー、バンパービーム、衝撃構造、フロントガラス取付インターフェースおよびその他の部品もまた、ここに開示する新規材料システムで随意に製造される。ここに開示する新規材料システムのその他の利点としては以下が含まれる：ボンネットまたはフードの重量軽減、事実上全てのボンネットまたはフードの下の硬い部分に適応、フードおよびフードの下の部品の実装の高密度化、フードの下の部品の配置と実装の最適化、音響減衰の改善、熱絶縁の改善、およびフードまたは屋根パネルに光電池などのシステムを組み込むための共成形。本技術の二次的な利点として、ツーリング投資とツーリング製造リードタイムの大幅な減少が挙げられる。

ここに開示する新規材料システムの構成材料は、資本投資の制限およびスループット要件に応じて、いくつかの強力な方法のうちの一つで加工することができる。加工方法としては、オーブンキュア、低圧プレスキュア、樹脂注入、樹脂トランスファー成形オーブン加熱および樹脂フィルムの真空注入その他の工程が含まれるが、これに限定されるものではない。構成材料の原料サプライチェーンは英国、ヨーロッパ、米国および世界のその他の地域でよく確立されている。

実施形態によっては、熱可塑性または熱硬化含浸材料が本システムで利用されるが、その他の強化形態も使用される。グラスファイバーは生産コストを考慮して随意に利用される。熱可塑性含浸材料を使用すると、歩行者保護フードまたはボンネットおよびその他の歩行者保護部品の完全なリサイクルが可能である。再生可能な供給源からの材料も、車両の低温領域において、そして再生可能材料が十分な熱性能を持つ場合は車両の高温領域においても、ここに開示する新規材料システムの構成材料として有用である。

ここに開示する新規材料のクラスＡ表面仕上げは、いくつかの商業化されたアプローチまたは新規アプローチのうちの一つで随意に達成できる。金属、複合材料その他の材料でできた硬い部分、たとえばラッチ、蝶番マウント、フードまたはボンネットのアンダートレイおよびその他の部品は、随意的に共成形あるいは二次的な接着によりこの新規歩行者保護材料に取り付けられる。

本発明の他の様相をここに詳述する。

前述した本発明の様相および付随する多くの利点は以下の詳細な説明と付随する図面を参照することでよりよく理解することができる：

単厚の標準的なエネルギー吸収材を示す。 厚めの標準的なエネルギー吸収材を示す。 局所的に厚い部分を持つ単圧の標準的なエネルギー吸収材を示す。 局所的に厚い部分を持つ単圧の標準的なエネルギー吸収材において、縁がテーパーまたは交互交代状になったものを示す。 局所的に厚い部分を持ち、縁がテーパーまたは交互交代状になった標準的なエネルギー吸収材において、厚い合板部が含浸で覆われていない一例を示す。 局所的に厚い部分を持ち、縁がテーパーまたは交互交代状になった標準的なエネルギー吸収材において、厚い合板部が含浸で覆われている一例を示す。 局所的に厚い部分を持ち、縁がテーパーまたは交互交代状になっており、厚い合板部を持つ側全体が含浸に覆われていて、さらに厚い合板部が含浸材料で覆われている標準エネルギー吸収材の一例を示す。 厚い層または厚さが変化する層を持った標準エネルギー吸収材の一例を示す。 厚い層または厚さが変化する層を持った標準エネルギー吸収材の一例を示す。 局所的に厚い発泡体部分を持つ標準的なエネルギー吸収材の一例を示す。 局所的に厚い発泡体部分を持つ標準的なエネルギー吸収材において、厚い発泡体部分の上に付加的な材料層を持ち、さらに絶縁材料層と付加的な絶縁発泡体層を持つ一例を示す。 局所的に厚い発泡体部分およびその厚い発泡体部分の上に付加的な材料層を持つ標準的なエネルギー吸収材において、その付加的な材料層がテーパーまたは交互交代状の縁を持つ一例を示す。 隣接する含浸合板層の間に局所的に厚い発泡体部分を持つ標準的なエネルギー吸収材を示す。 標準的なエネルギー吸収材において、エネルギー吸収材の局所的に厚い層状部分同士の間に局所的に厚い発泡体部分を持ち、さらに薄い発泡体部分も持つ一例を示す。 標準的なエネルギー吸収材において、エネルギー吸収材の局所的に厚い層状部分同士の間に局所的に厚い発泡体部分を持ち、さらに薄い発泡体部分も持つ一例を示す。 標準的なエネルギー吸収材の上に金属外板、複合材料外板、またはその他の表面層をかぶせたものを示す。これはたとえば標準あるいは薄めの自動車フード、金属外板、複合材料外板、またはその他の表面層を図１〜図１５に図示されているいずれかのエネルギー吸収材と組み合わせたものである。 標準的なエネルギー吸収材の上に金属外板、複合材料外板、またはその他の表面層をかぶせたものを示す。図１６に例示されているものと同様だが、図１６の制限を持たず、ここに示すエネルギー吸収材の層状複合材料によってさらに局所的な硬化とエネルギー吸収が付与されている。 エネルギー吸収材の輪郭形を示す。

図において、同じ数字は同じ構成要素を示す。

エネルギー吸収材７および付随する構成、工程および用途アプローチは、（これに限らないが）車両のフードおよびフェンダーの歩行者衝撃エネルギー吸収およびその他ここに開示されている用途のために開示されている。

図１に示すエネルギー吸収材７は、実質的に硬い材料１からなる複数の薄い構造層と該薄い構造層の間に交互に存在する圧縮性材料２からなる緩衝層である。ある実施形態では、熱可塑性ナイロン発泡体および熱硬化性エポキシ樹脂を含浸させたグラスファイバー織物が構成材料に含まれる。たとえば、圧縮性材料２の層の熱可塑性ナイロン発泡体はＺｏｔｅｆｏａｍｓ社（英国ＳｕｒｒｅｙのＣｒｏｙｄｏｎ市および米国ケンタッキー州のＷａｌｔｏｎ市）の発泡体Ｚｏｔｅｋ−ＮＢ５０であり、構造材料１の薄い層の熱硬化性エポキシ樹脂含浸グラスファイバー補強材の一例ではＣｙｔｅｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社製の含浸材料となっている。ここに開示するエネルギー吸収材７は、材料１の薄い構造層と圧縮性材料２が交互に存在して交互配置型材料を形成している。たとえば、含浸グラスファイバー複合材料は材料１の薄い構造層を形成し、圧縮性材料２の緩衝層は発泡材料またはその他の圧縮性材料であって材料１の薄い構造層の間に交互に存在する。図８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５に示すように、材料１と２の交互配置層はさまざまなエネルギー吸収特性を実現するために随意的に異なる硬さ、密度、脆さ、圧縮強度および厚さを持ち得る。さらに、出来上がったエネルギー吸収材７の厚さは、下にある構造および希望する衝撃吸収性能のレベルに依存して、図３、４、５、６、７、１１、１２、１３、１７に示すように随意的に場所によって変化する。たとえば、厚い領域は車両の中でも歩行者保護により大きく影響するエンジン、ラッチ、フロントガラスワイパーおよび蝶番などの硬い部分のある領域を覆うために随意的に利用される。

出来上がったエネルギー吸収材７の厚さは次のいずれかの方法により随意的に変えられる：材料１と２の層を追加する；材料１と２の層１Ａまたは２Ａを厚くする；材料１と２の薄めの層１Ｂと２Ｂを作る；内部、すなわち上と下の層の間に材料１と２の層８をさらに追加する；図１０、１１、１２、１４、１５の中の材料２の層２Ｃ減らす；図１６と１７に示すように、片側または両側の層を増やす（仕上げ面を覆ったりなめらかにする外層３はある場合もない場合もある）。図３、４、５、６、７、１１、１２、１７も参照すること。絶縁材料９を材料に追加することができる（図１１に示すような別の絶縁材料として、あるいは図１１の絶縁材料９として使用される圧縮性材料の付加層として）。厚さまたは構成、あるいはその組み合わせを変える方法は他にも可能であり、本発明の精神と範囲を越えずに利用することができる。

エネルギー吸収材７は、たとえば、標準的な減圧バッグ工程、プレス、あるいは別の標準的あるいは新規あるいは独自の工程を利用して加工することができる。

積層または交互配置型のエネルギー吸収材７の加工では、隣接する層が接着され、その際圧密圧力により密接な接触が実現される。随意的に、熱を使ってポリマー樹脂システムを硬化または融解して隣接する層に接着することができる。たとえば、減圧でのオーブン加熱により含浸材料が密閉真空バッグの大気圧差で接着される、あるいは加熱プレスで含浸材料がプレスの力と加熱されたプラテンまたは加熱された金型により接着される。材料１と２の各層は、各層が他方の層に接着する形で隣接する層に接着されている。あるいは、図１５に示すように材料１と２の交互配置層は材料１と２でできた内部交互配置層の位置を保持する１つまたはそれ以上の外層１０に包含される。圧密圧力、たとえば減圧、プレス、オートクレーブあるいはその他の圧密圧力工程、を使うことにより互いに隣接する材料１と２の交互配置層の間に密接な接触があることが保証される。ここに開示するエネルギー吸収材７は材料１と２の層をまとめ合わせるために、随意的に標準的な減圧バッグ工程、プレス、またはその他にも数々の標準または独自工程により加工される。

材料１と２の隣接する交互配置層の間に密接な接触を保証するために、樹脂が補強ファイバー布の片側のみに塗布されている片側含浸材料を構造材料１の薄い層として随意的に利用できる。別方法として、標準的なファイバーおよび樹脂含浸材料を材料１の薄い構造層として利用することもできる。そうした標準的なファイバーおよび樹脂含浸材料を材料１の薄い構造層として利用した場合、少量の空気を閉じ込めるリスクが大きくなる。これは、空気が容易に移動できる道筋となる乾燥したファイバーがないからである。しかし、そうしたリスクは工程の開発によって軽減または排除される。別方法として、乾燥布と樹脂フィルムを互いに隣接させて材料１の薄い構造層を形成することで、閉じ込められた空気を逃がすという望ましい効果を得ることができる。他の別工程では、樹脂注入または樹脂トランスファー成形工程において、成形段の直前、材料１と２の層を組み合わせるとき、あるいは材料を組み合わせた後で樹脂を導入する。

発泡体またはその他の圧縮性または崩壊性材料２の層はエネルギーの一部を緩衝により吸収し、その間積層または交互配置型エネルギー吸収材７が圧縮されるとともに、複合材料１の各構造層が個々に座屈して破壊される。材料１の構造層がこのように個々に破壊されることと、圧縮性材料２の層が緩衝性であることにより、エネルギー吸収材７はなめらかなエネルギー吸収曲線を達成し、衝撃時のピーク負荷を最小限にしている。

層間剥離機構は、衝撃エネルギーをさらに吸収、変換するために随意的に使用される。層間剥離機構は交互配置型材料１と２の隣接する層の間で作用し、接着ライン４（図９に図示）で割れることで衝撃エネルギーを吸収、変換する。ポリマーまたはポリマー発泡体の随意的な組み合わせでは、含浸材料と発泡体材料１と２の隣接する層の各接着ライン４で境界面の層間剥離が起き、割れのためにエネルギーの吸収と変換が可能になるとともに、積層間のせん断とその結果起きる積層間のすべりのために材料１と２が衝撃の方向への移動する。

ここに開示するエネルギー吸収材７は曲げに対して十分に硬いため、材料の厚さ方向（材料１と２の層面に対して横向き、すなわち法線方向、つまり歩行者の頭部衝撃で予想される方向）の圧縮を許しつつも運転中に形状を維持する。エネルギー吸収材７はまた、圧縮またはエネルギー吸収が望ましいようなその他の用途にも有用であるし、音響絶縁、熱絶縁および軽量性が望まれる航空機の内部側壁のような用途にも有用である。複合材料１と発泡体またはその他の圧縮性または崩壊性材料２はどちらもフードおよびフェンダー用途を含むがこれに限らない自動車部品用途に十分な温度耐性を持ってる。実施形態によっては、実用温度が零下から摂氏１３５度（華氏２７５度）のエポキシ樹脂システムが材料１として利用されており、多くのシステムは摂氏１７７度（華氏３５０度）の実用温度が可能である。他のエポキシシステムは摂氏２０４度（華氏４００度）を越える実用温度が可能である。他のポリマー系樹脂システムは同様の温度能力を持っている。他の材料、たとえば金属は、さらに高い温度性能を持っており、摂氏３７１度（華氏７００度）を越えることも多い。自動車用途では材料は熱にさらされるのは片側のみで、反対側は周囲条件にさらされる可能性が高い。発泡体材料２は自己絶縁性があるため、ここに開示するエネルギー吸収材７は材料の片側が高温にさらされても残りの部分の性能には影響しない可能性がある。ナイロン発泡体の推奨実用温度は摂氏８８度（華氏１９０度）である。他の材料、たとえばポリプロピレン発泡体は温度能力がやや低めだが、金属発泡体の実用温度は摂氏３７１度（華氏７００度）を越える。

エネルギー吸収材７の表面は薄い表面層３を通じて高品質のクラスＡ仕上げが可能である（図１６に示す）。例としてはハイドロフォーミング、スーパープラスチックフォーミングあるいはプレス金属層、金属スプレー層、セラミック層、セラミックスプレー層、金属粉注入層、ポリマーシステム層（たとえば英国Ｗｉｇｈｔ島Ｎｅｗｐｏｒｔ市のＧｕｒｉｔ社の表面システム。樹脂に富むエポキシ表面層である。）、複合材料表面層または他の既知または独自の工程で高品質表面品質が達成される。他に知られている既存の適切な独自表面システムとしては、英国ＤｅｒｂｙｓｈｉｒｅのＨｅａｎｏｒにあるＡｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｇｒｏｕｐ （ＡＣＧ）の表面システム、および米国ワシントン州ＴａｃｏｍａのＴｏｒａｙ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ａｍｅｒｉｃａ社の一方向性含浸材料などがある。ＡＣＧ社とＴｏｒａｙ社はいずれも独自の材料を持っており、しばしば良好な表面仕上げを達成するための関連する独自の加工方法を持っている。Ｇｕｒｉｔ社のシステムは樹脂に富む表面層であり、これにはエポキシと熱可塑性樹脂などが含まれる。ＡＣＧ社の工程はＧｕｒｉｔ社のシステムとよく似ているが、ＡＣＧ社の工程は樹脂に富む間質領域を減らすことに焦点を当てているところが違う（この領域は熱に何年もさらされていると収縮して表面がでこぼこになる傾向がある）。Ｔｏｒａｙ社の工程は、樹脂に富む小さな間質領域を持たない一方向性／不織ファイバーリッチ表面に焦点を当てている。これらの例で示されるように、エネルギー吸収材の表面をなめらかにする適切な方法は数多く存在する。金属やセラミックなどの厚い材料を随意的に表面層３として利用することで付加的な装甲能力を持たせることができる。図６および図７に例示されているように、エネルギー吸収材７またはエネルギー吸収材７を利用した部品（自動車のエンジン室フード部品など）の下側５は局所的あるいは実質的に同一の広がりを持つ補強材６を随意的に含むことができる。こうした補強材６としては、たとえば金属の固体片、複合材料またはその他部品の一部領域を補強する材料が挙げられるが、これに限らない。例により、補強材６は自動車のエンジン室のラッチおよび蝶番マウント部分などの領域を補強するが、これに限定されない。図１０に示すように、熱反射および／または絶縁、音響減衰および／または美的目的のために他の材料９をフードの下側に付けることができる。エネルギー吸収材７、材料構成および工程により、大いに必要とされる歩行者頭部衝撃性能、重量軽減、および美しさが提供されるが、これはたとえばフードの低さの維持、フードおよびエンジン部品の高密度実装、他のエネルギー吸収解決法よりも低いコスト、音響減衰、伝統的な金属形成仮構および他の複合材料加工よりも軽減されたツーリングコストおよびリードタイム、さらに空気動力学（フードの高さ、デザインその他の自動車デザインファクターに影響される）を含む他の商業的および性能的パラメータによって達成される。ここに開示する１つまたは複数の実施形態において、エネルギー吸収材は完全にリサイクル可能である。

開示されている交互配置型エネルギー吸収材７で利用できる材料、すなわちＺｏｔｅｋ−ＮＢ５０ナイロン発泡体材料２およびグラスファイバーとエポキシ含浸材料１については、材料システムおよびその材料で出来た部品の特性の一般パラメータがいくつか存在する。たとえば、このエネルギー吸収材７を利用した自動車フードの製造においては、材料の厚さは約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）から約１０ｃｍ（４インチ）が可能であるが、望ましい硬さ、強度および歩行者保護能力を得るには約１．３ｃｍ（０．５インチ）から約６．４ｃｍ（２．５インチ）が適切であろう。本エネルギー吸収材７は摂氏８８度（華氏１９０度）以上で効果的に機能し、図１１に例示するように熱反射板または材料１と２の追加層といった絶縁材料９を使えばエンジンベイ温度がさらに高くても適切に機能する。

密度については、約０．６１グラム／平方センチ（１．２４ポンド／平方フィート）がここに開示する交互配置型エネルギー吸収材７を利用した典型的な歩行者保護フードの平均面密度であり、これには塗料と固定剤およびさまざまな材料厚さ（約１．９１センチ（０．７５インチ）から２．８５８センチ（１．１２５インチ）から約４．７６３センチ（１．８７５インチ））が含まれる。たとえば、ＲＳＸ型Ａｃｕｒａ自動車のフードは約１．３平方メートル（１４平方フィート）であるが、これは本エネルギー吸収材７の密度から約７．９０キログラム（１７．４ポンド）にあたる。これと比較して、現在ＡｃｕｒａがＲＳＸ型で使っているストックスチールのフードは１４キログラム（３０ポンド）を越える。本エネルギー吸収材７を使って製造された自動車フードで厚さが約１．９１センチ（０．７５インチ）の場合、出来上がった塗装済みフード（固定剤を含む）の平均面密度は約０．４グラム／平方センチ（０．８ポンド／平方フィート）である。

ここに開示する本エネルギー吸収材７はまた、熱および音響絶縁も提供する。本エネルギー吸収材７で利用されている材料１と２は随意的に再生可能な供給源から得ることができる。開示されるいくつかの実施形態で利用されている熱可塑性発泡体はリサイクル可能であり、他のリサイクル可能な材料１と２を随意的に使って完全にリサイクル可能な部品を生産できる。

用途および材料の機能
爆風緩和座席
含浸グラスファイバーおよびナイロンまたはポリプロピレン発泡体をはじめとする交互配置型材料２は積層、液圧プレスその他の方法で金型内または金型上に成形され、その後圧密圧力とともに加熱または硬化されてエネルギー吸収爆風緩和座席構造が形成される。材料１と２の層は座席として十分な硬さを提供し、衝撃時にはエネルギー吸収材７が爆風座席に座っている人のすぐそばにあるエネルギー吸収構造の役割を果たす。

この爆風座席は弾道投射物、破片、高加速および爆風衝撃波からの保護を提供する。弾道投射物の場合、材料１の高抗張力ファイバーは発泡体材料２の交互配置層を圧縮する際に張力と圧縮で緊張し、順次的に破壊する（これに対して一枚岩の積層では突発的に破壊する）。一枚岩の積層の中には、層間剥離して各層にファイバーを緊張させるスペースを与え、これにより効率的に投射物の運動エネルギーをファイバーの破断、ファイバーのせん断、ファイバーの引き抜き、摩擦、可塑的変形、層間剥離の割れ、およびその他のエネルギー変換機構に変換するものもある。開示されている交互配置型材料は層間剥離の必要がない。なぜなら材料１の構造層はあらかじめ発泡体材料２から分離していて、効率的にファイバーまたは他の構造材料１を緊張、破断、せん断するからである。発泡体材料２の実質的に同一の広がりを持つ層は緊張する大きな面積を提供し、隣接する材料１の構造層のファイバーを効率的に緊張させる変位を提供する。先行技術の層間剥離しない一枚岩の剛体の積層では投射物のエネルギーは積層の１つの小さな領域に集中し、局所的な応力が材料のせん断または圧縮強度を越えて材料が破壊し、積層が貫通される可能性がある。地雷の爆風または即席爆発装置（ＩＥＤ）の爆風のような高加速度では、開示されているエネルギー吸収材７は層毎に圧縮して効率的に人体の加速の力を大きな面積に広げて爆風の運動エネルギーの一部を変換し、一時的に蓄積することにより、座っている人の身体と脳のピーク加速負荷を制限する。層が圧縮するにつれ、グラスファイバーまたはその他の構造層材料１は座屈して曲がり、破断または緊張してエネルギーを変換、蓄積する。発泡体またはその他の圧縮性材料２のクッション層は圧縮し、恒久的または一時的に変形してエネルギーを蓄積することで、座席に座っている人の身体または脳を損傷する恐れのあるピーク負荷を制限する。

爆風エネルギーの減衰のために、２つの材料１と２の層は共生的に相互作用して、２つの材料の密度と剛性／弾性率の違いのためにエネルギーが減衰する。衝撃波により材料が圧縮されて、エネルギーが座席全体に広がり、また衝撃波が減衰するため、衝撃波のエネルギーが座席に座っている人に届くころにはエネルギーが弱まっている。また、材料１と２はこのエネルギーの一部を一時的に蓄積して変換する作用もある。これは部分的には材料１と２の交互配置層が異なる音速を持つためであり、これによって座席に座っている人の身体と脳のピーク負荷が制限される。

車両の内装部品
車両の内装部品は乗員の安全のために衝撃エネルギー管理を必要とする場合がある。このような内装部品としては、乗員の脚または頭の衝撃で変形可能なダッシュボード、またはグラブボックス、さらにドアトリムパネルなどの部品が含まれる。開示されている交互配置型エネルギー吸収材７は、内装部品用途に十分な硬さを提供すると同時に、衝撃をやわらげる。衝撃があると、開示されている交互配置型エネルギー吸収材７は材料１と２の層毎に順次に圧縮して破壊するため、乗員の衝撃がやわらげられる。また、この開示された交互配置型エネルギー吸収材７は熱および音響絶縁により乗り心地を改善する。

航空機の内装部品
航空機の一部の内装部品は硬さ、衝撃抵抗性、熱絶縁および音響絶縁を必要とする。たとえば、航空機の内部側壁と天井パネルは主としてフェノール樹脂膜を染み込ませたグラスファイバー布とフェノール樹脂で飽和したノーメックス紙でできたハニカムコアで構成されている。これらの先行技術材料は軽量で、ある程度の熱および音響絶縁を提供する。しかし、開示されている交互配置型エネルギー吸収材７は熱および音響絶縁が改善されていて、しかも航空機の側壁および天井の建造に利用されている現行のツーリングおよび装置で随意的に加工できる。音響絶縁は、異なる密度と剛性／弾性率を持つ２つの材料１と２の交互配置層のエネルギー減衰界面によってもたらされる。熱絶縁は主に発泡体材料２の層により提供されるが、これは密度が低くて空隙含量が大きく、その結果ポリマー材料の量が少ないからである。航空機の座席の場合、墜落あるいは不時着および乱気流での飛行における頭部衝撃エネルギー管理が重要な課題である。乗員の頭部は前の座席に容易にぶつかり、脳傷害または死をもたらす可能性がある。座席構造の形成に使用された場合、開示されているエネルギー吸収材７の緩衝性により衝撃エネルギーが吸収、蓄積されて脳のピーク負荷が制限される。航空機のダクトも開示された交互配置型エネルギー吸収材７で随意的に製造することができる。これは本材料が自己絶縁および構造的特性を備えているからである。開示されている交互配置型エネルギー吸収材７は、ポリマー発泡体材料２のシートを材料１のシート（たとえばエポキシ樹脂を染み込ませたグラスファイバー布）の上に重ねることで形成される。材料１と２は心棒の周りに少なくとも完全に２回巻きつけられる。巻かれた材料１と２は硬化処理を経て交互配置型の自己絶縁性ダクト材料を形成する。開示されている交互配置型エネルギー吸収材７は航空機内の振動エネルギーを減衰させるため、ダクトシステムが静かに動作する。熱エネルギーは発泡体材料２の層の絶縁特性により節約される。

爆風の軽減および弾道投射物保護のための車両の構造および他の構造
車両の構造は随意的にここに開示する交互配置型エネルギー吸収材７で生産することができる。このような構造には、車両の床、シャーシ、側壁、屋根などが含まれる。車両の構造部品を生産するには、構造材料１の厚めの層あるいは複数積層（含浸グラスファイバーＫｅｖｌａｒまたはエポキシまたはフェノール樹脂とカーボンファイバー）を材料２の圧縮性層（荷重負担あるいは非荷重負担）と交互に配置する。こうしてできた交互配置型エネルギー吸収材７は２つの材料の密度と剛性／弾性率の違いによって爆風の衝撃波を減衰させる。ここに開示する交互配置型エネルギー吸収材７はまた、材料１の構造層の圧縮と順次的な緊張および破壊により爆風衝撃波および弾道投射物のエネルギーを蓄積、変換して乗員を保護する。材料１の構造層は材料２の圧縮性層より薄いか、同じ厚さか、あるいは厚いか、随意である。交互配置層の厚さと全体的な材料の厚さが十分であれば、床、シャーシ、側壁および屋根を生産することができる。

ボディアーマー
ボディアーマーおよびその部品は随意的にここに開示する交互配置型エネルギー吸収材７で生産することができる。構造層は含浸材料１（たとえばグラスファイバーとフェノール樹脂からなるもの）から随意的に生産できる。材料１の構造層のためのもう１つのオプションは、熱可塑性または熱硬化性樹脂に一方向性高引張り強度ファイバーを埋めたものである。圧縮性材料２の層のためのオプションとしては、層毎に圧縮性材料の圧縮を通じて衝撃をやわらげるとともにファイバーが緊張することを可能にする発泡体およびその他の材料が含まれる。こうしてできたエネルギー吸収材７は随意的にセラミックアーマープレートの片側または両側に配置することができる。背中に配置された場合、交互配置型エネルギー吸収材７は投射物の衝撃をやわらげ、鈍的衝撃外傷と厄介な破片を制限する。交互配置型エネルギー吸収材７はまた、セラミック材料を所定の場所に留めるのに役立つ。特に、両側に配置された場合、あるいは非交互配置側含浸材料１が裏面の交互配置材料の反対側の脅威または打撃面１３に配置された場合はそうである。セラミックアーマープレートを使用しない場合、随意的にこの交互配置型エネルギー吸収材７をスタンドアロンのアーマーシステムとして、あるいは通常のアーマーシステムの補助システムとして使うこともできる。さらに、成形ボディアーマー形状を随意的に生産して着用者の体に合わせることもできる。個々の着用者の体に合わせて脊椎骨折用の胴体添え木を作るのに使うのと似た材料でカスタム化したパターンを作り、カスタム成形のボディアーマーを随意的に生産できる。

本発明の好ましい実施形態および付加的な別実施形態がこれで例証・説明されたが、本発明の精神と範囲を外れることなしにさまざまな変更が可能であることが認識されるべきである。したがって、本発明者は以下を請求する。

Claims (32)

1. 以下を備えたエネルギー吸収材：それぞれが実質的に硬い材料を備えた複数の構造層；該構造層と交互配置された複数のクッション層、ただし各クッション層実質的に圧縮性の材料を備えている；クッション層は隣接する構造層に結合されている；該クッション層のうちの１つと該構造層はエネルギー吸収材の脅威面上に位置している。
2. 隣接する構造層およびクッション層の間にさらに接着ラインを備えた請求項１に記載の材料。
3. 隣接する構造層およびクッション層の間にさらに層間剥離機構を備えた請求項２に記載の材料。
4. 該構造層の実質的に硬い材料がさらに以下の材料グループから選択された材料を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料：シートメタル材料、ファイバー補強複合材料、天然ファイバーおよび樹脂複合材料、シート成形複合材料、熱硬化性シート材料、熱可塑性シート材料、カーボンナノチューブシート材料、および粒子ベースの骨材または複合材料。
5. 該クッション層の実質的に圧縮性の材料がさらに以下の材料グループから選択された材料を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料：金属材料、ポリマー材料、またはセルロース材料のうちの１つからなるハニカム構造；波形材料；エアロゲル材料；柱状の補強材付の三次元編物または織物； 空気詰めポケット材料；ポリエチレンテレフタレート発泡体材料；および以下の実質的に圧縮性の発泡体材料のグループから選択された圧縮性発泡体材料：熱硬化性ポリマー発泡体材料、熱可塑性ポリマー発泡体材料、ポリスチレン発泡体、合成発泡体材料、マイクロセルラー発泡体材料、ナノセルラー発泡体材料、マクロセルラー発泡体材料、ナイロン発泡体材料、ポリプロピレン発泡体材料、ポリ酢酸天然ポリマー発泡体材料。
6. 該構造層の実質的に硬い材料と該クッション層の実質的に圧縮性の材料の各々がさらに実用温度が約摂氏８８度（華氏１９０度）以上の実用温度を持つ材料を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料。
7. 該構造層と該クッション層のうちの１つの量がエネルギー吸収材の脅威面にわたって変化することを特徴とする請求項１に記載の材料。
8. 該構造層と該クッション層のうちの１つの厚さがエネルギー吸収材の脅威面にわたって変化することを特徴とする請求項１に記載の材料。
9. 該構造層と該クッション層のうちの少なくとも１つに結合した絶縁層を備え、該絶縁層がさらに絶縁材料の層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料。
10. 該構造層と該クッション層のうちの少なくとも１つに結合した補強層を備え、該補強層がさらに構造補強材料の層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料。
11. 該構造層と該クッション層のうちの１つの材料がさらにリサイクル可能な材料を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料。
12. 該エネルギー吸収材の脅威面上の層がさらに非平面輪郭を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料。
13. 該エネルギー吸収材の脅威面とその反対側の表面のうちの１つの上に位置する表面層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料。
14. 以下を含むエネルギー吸収材の形成方法：実質的に硬い材料から複数の構造層を形成する；実質的に圧縮性の材料から複数のクッション層を形成する；該クッション層と該構造層を交互配置し、その際該構造層と該クッション層のうちの１つを該エネルギー吸収材の外側の脅威面上に配置する；そして隣接する構造層とクッション層を結合する。
15. 隣接する構造層とクッション層の結合がさらに隣接する構造層とクッション層の接着を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. さらに該複数の構造層の実質的に硬い材料を以下の材料グループから選択することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法：シートメタル材料、ファイバー補強複合材料、天然ファイバーおよび樹脂複合材料、シート成形複合材料、熱硬化性シート材料、熱可塑性シート材料、カーボンナノチューブシート材料、および粒子ベースの骨材または複合材料。
17. さらに該複数の構造層の実質的に硬い材料を以下の材料グループから選択することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法：金属材料、ポリマー材料、またはセルロース材料のうちの１つからなるハニカム構造；波形材料；エアロゲル材料；柱状の補強材付の三次元編物または織物；空気詰めポケット材料；ポリエチレンテレフタレート発泡体材料；および以下の実質的に圧縮性の発泡体材料のグループから選択された圧縮性発泡体材料：熱硬化性ポリマー発泡体材料、熱可塑性ポリマー発泡体材料、ポリスチレン発泡体、合成発泡体材料、マイクロセルラー発泡体材料、ナノセルラー発泡体材料、マクロセルラー発泡体材料、ナイロン発泡体材料、ポリプロピレン発泡体材料、ポリ酢酸天然ポリマー発泡体材料。
18. さらに複数の構造層の実質的に硬い材料および複数のクッション層の実質的に圧縮性の材料の両方に約摂氏８８度（華氏１９０度）以上の実用温度を持つものを選択することを含む請求項１４に記載の方法。
19. さらに該複数の構造層および該複数のクッション層のうちの１つを該エネルギー吸収材の脅威面にわたって異なる量で形成することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 該複数の構造層および該複数のクッション層のうちの１つを、該エネルギー吸収材の脅威面にわたって異なる厚さで形成することを特徴として含む、請求項１４に記載の方法。
21. 該エネルギー吸収材の外側脅威面上にさらに非平面輪郭を備えた層を形成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
22. さらに該構造層および該クッション層のうちの少なくとも１つに絶縁層を結合することを含む請求項１４に記載の方法。
23. さらに該構造層および該クッション層のうちの少なくとも１つに構造補強層を結合することを含む請求項１４に記載の方法。
24. さらに複数の構造層の実質的に硬い材料および複数のクッション層の実質的に圧縮性の材料の両方にリサイクル可能な材料を選択することを含む請求項１４に記載の方法。
25. さらに該エネルギー吸収材の外層上に表面層を形成することを含む請求項１４に記載の材料。
26. 衝撃の影響を軽減する方法であり、該方法はエネルギー吸収材を利用し、以下を含む：エネルギー吸収材を提供し、複数の構造層の提供が含まれ、該複数の構造層の一番目はエネルギー吸収材の脅威面を提供するように配置され、さらに該構造層と交互配置される複数のクッション層の提供が含まれる；該エネルギー吸収材の脅威面を衝撃を受けるように配置し、該エネルギー吸収材の脅威面で衝撃を受ける；該エネルギー吸収材の脅威面を提供するように配置された第一の構造層を緊張させることで衝撃エネルギーの最初の部分を変換する；衝撃エネルギーの残りを該エネルギー吸収材の脅威面の反対側の第一の構造層の内面に接着された該複数のクッション層の第一層目で受ける；衝撃エネルギーの残りの一部を該複数のクッション層の第一層目を圧縮することで拡散させる；次々に減少する衝撃エネルギーの残りを該複数の構造層の残りの１層、または複数層で次々に受ける；次々と該複数の構造層の残りの１つ以上を緊張させることで次々に減少する衝撃エネルギーの残りを変換する；次々に減少する衝撃エネルギーの残りを該エネルギー吸収材の脅威面の反対側の複数の構造層の残りの各々に接着された該複数のクッション層の残りの１つ以上で次々に受ける；そして該複数のクッション層の残りのうちの１つ以上を次々と圧縮することで減少した衝撃エネルギーの残りの各々の一部を次々と拡散する。
27. エネルギー吸収材を提供する方法であり、複数の構造層を提供し、その際該複数の構造層の第一のものはさらに該エネルギー吸収材の脅威面を提供するように配置されることを含み、さらに該構造層と交互配置された複数のクッション層を提供することを含み、さらに隣接する構造層とクッション層の間を接着することを含み;さらに１つ以上の隣接する構造層とクッション層の間の接着を層間剥離することで衝撃エネルギーの一部を変換することを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 構造層を緊張させることおよびさらに該構造層を該エネルギー吸収材の脅威面から離れて隣接するクッション層中に変位させることも含めて衝撃の衝撃エネルギーの一部分を変換することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
29. 該クッション層を圧縮することおよびさらにそれぞれの圧縮層の圧縮中に一時的に衝撃エネルギーの一部分を該クッション層に蓄積することも含めて衝撃エネルギーの一部を拡散させることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 該構造層を緊張させることおよび複数の構造層のうちの１つ以上のせん断、座屈、曲げ、加熱、割れのうちの少なくとも１つを含めて衝撃エネルギーの一部分を変換することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. さらに衝撃エネルギーの一部分の変換の各々および衝撃エネルギーの一部分の拡散の各々を提供することを含み、さらに該構造層の緊張および該クッション層の圧縮を少なくとも動作温度摂氏８８度（華氏１９０度）で行うことを含む請求項２９に記載の方法。
32. さらに該クッション層と該構造層をリサイクルすることを含む請求項２９に記載の方法。

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