JP2013142217A

JP2013142217A - 繊維複合材料アセンブリおよび繊維複合材料アセンブリを製造する方法

Info

Publication number: JP2013142217A
Application number: JP2012242286A
Authority: JP
Inventors: Herbert Chidsey Roberts Iii; ハーバート・チッゼイ・ロバーツ，サード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-07-22
Also published as: RU2012147545A; US20130183514A1; EP2615248A2; CN103203905A

Abstract

【課題】繊維複合材料アセンブリ、および繊維複合材料アセンブリを製造する方法を開示する。
【解決手段】繊維複合材料アセンブリは、第１の繊維を有する第１の複合材料層と、第２の繊維を有する第２の複合材料層とを含む。第１の繊維は螺旋状部分を含み、第２の繊維は第１の繊維の螺旋状部分内へと延在する。繊維複合材料アセンブリを製造する方法は、巻かれた繊維プリフォーム１０２を延伸して螺旋状繊維１１０を形成するステップ、または第１の繊維を第１の複合材料層内で位置付けるステップと、第２の繊維を第２の複合材料層内で位置付けるステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、製造方法および製造製品に関する。より詳細には、本発明は、繊維複合材料アセンブリ、および繊維複合材料アセンブリを製造する方法に関する。

複合材料アセンブリは、比較的厳しい環境に一貫して晒されている。例えば、複合材料アセンブリは、広い温度範囲、高いストレス、および他の物理的な課題に晒される製品を形成する。そのため、そのような複合材料アセンブリの物理的性質を増強して、より広範囲な環境で使用できるようにすることが、たえず必要とされている。

米国特許第７，３２７，９２３号明細書

具体的には、複合材料アセンブリの負荷容量を改善することが望ましい。単層の積重ね体から作られた複合材料アセンブリは、層間および面内の繊維方向で構造的に脆弱である。これらの方向の剪断荷重は、複合材料アセンブリを形成するのに使用されるマトリックスの強度に大きく依存する。

特定のマトリックス材料を使用することによって、複合材料アセンブリのある程度の改善が可能になる。しかし、そのようなマトリックス材料は高価な場合があり、入手不可能な場合があり、かつ／または特定の環境に適合性がない場合がある。それに加えて、または別の方法として、特定の繊維、またはワイヤなどの他の材料と併せた繊維も使用することができる。例えば、既知の複合フライホイールリムは、繊維が組み込まれた渦巻状の複合材料アセンブリを含む。繊維は、渦巻状の複合材料を形成する格子の形に配列されるが、繊維自体は渦巻状にされず、したがって渦巻状の繊維によってもたらされる物理的性質を含まない。

別の既知の複合材料としては、繊維強化複合樹脂が挙げられる。樹脂は、複数の細長い繊維をそれぞれ有する複数の層を含む。しかし、細長い繊維は渦巻状の繊維でなく、したがって、渦巻状の繊維によってもたらされる物理的性質を含まない。渦巻状の繊維は、中心部分に向かって渦を巻いた繊維を平面形状に配列したものを含む。既知の渦巻状の繊維系には欠点もある。既知の渦巻状の繊維系は、渦巻状の多層繊維を形成するために多量の繊維状物質を使用することを必要とする場合がある。

上述の欠点を有さない繊維複合材料アセンブリ、およびその繊維複合材料アセンブリを製造する方法が、当該分野において望ましいであろう。

例示的な一実施形態では、繊維複合材料アセンブリを製造する方法は、巻かれた繊維プリフォームを提供するステップと、巻かれた繊維プリフォームを延伸して螺旋状繊維を形成するステップとを含む。

別の例示的な実施形態では、繊維複合材料アセンブリを製造する方法は、第１の繊維を第１の複合材料層内で位置付けるステップと、第２の繊維を第２の複合材料層内で位置付けるステップとを含む。第１の繊維は螺旋状部分を含み、第２の繊維は第１の繊維の螺旋状部分内へと延在する。

別の例示的な実施形態では、繊維複合材料アセンブリは、第１の繊維を有する第１の複合材料層と、第２の繊維を有する第２の複合材料層とを含む。第１の繊維は螺旋状部分を含み、第２の繊維は第１の繊維の螺旋状部分内へと延在する。

本発明の他の特徴および利点は、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明を、本発明の原理を一例として例証する添付図面と併せ読むことによって明白になるであろう。

本開示の一実施形態による細長い螺旋状繊維を形成する方法を示す概略図である。本開示による四角螺旋形状を有する螺旋状繊維を示す斜視図である。本開示による三角螺旋形状を有する螺旋状繊維を示す斜視図である。本開示による五角螺旋形状を有する螺旋状繊維を示す斜視図である。本開示による六角螺旋形状を有する螺旋状繊維を示す斜視図である。本開示による七角螺旋形状を有する螺旋状繊維を示す斜視図である。本開示による八角螺旋形状を有する螺旋状繊維を示す斜視図である。本開示による繊維複合材料アセンブリを形成する例示的な方法を示す概略図である。本開示による繊維複合材料アセンブリを形成する例示的な方法を示す概略図である。本開示による螺旋状繊維を示す斜視図である。

可能な限り、図面全体を通して同じ部品を表すのに同じ参照番号を使用するものとする。

繊維複合材料アセンブリ、および繊維複合材料アセンブリを製造する方法を提供する。本開示の実施形態によって、他の既知のアセンブリに比べてより広い範囲の環境で、他の既知のアセンブリに比べてより過酷な（より暑い、より寒い、よりストレスが大きい、またはそれらを組み合わせた）環境で、繊維複合材料アセンブリを使用することが可能になり、また、構造的一体性（例えば、層間および面内の繊維方向など、既知のアセンブリが脆弱性を見せる場合において）を向上することができ、繊維複合材料アセンブリに所望の性質を提供する際のマトリックスの性質への依存を減少させ、これまでは得られなかった性質および／または組成を有する繊維を形成することが可能になり、ならびにそれらの組み合わせが可能になる。

図１は、本開示による方法１００を示す。方法１００は、任意の適切な方法によって形成される繊維プリフォーム１０２を提供するステップ（ステップ１０１）を含む。繊維プリフォーム１０２は、螺旋形状を有する巻かれた繊維プリフォームである。一実施形態では、繊維プリフォーム１００は細長い部材１０４上に位置付けられる。細長い部材１０４は、繊維プリフォーム１０２に対応する幾何学形状、例えば円筒状、楕円筒状、正方形、長方形、三角形、五角形、六角形、七角形、八角形、または他の任意の適切な単純もしくは複雑な幾何学形状を含む。

方法１００では、繊維プリフォーム１０２は延伸される（ステップ１０３）。繊維プリフォーム１０２を延伸する（ステップ１０３）ことによって、繊維領域１０８（螺旋部分など）の間に空き領域１０６が形成される。一実施形態では、延伸（ステップ１０３）は、繊維プリフォーム１０２の一部分もしくは端部を細長い部材１０４に沿って一方向または双方向に引っ張ることなどによって、力を加えることによって実現される。一実施形態では、繊維プリフォーム１０２は、繊維を螺旋状の配向で一時的に固定するため、かつ後に続く位置合わせおよび／または位置付けの間、繊維プリフォーム１０２を支持するため、硬化剤でコーティングされる。所定の距離まで延伸される（ステップ１０３）と、繊維プリフォーム１０２は変形され、螺旋状繊維１１０が形成される（ステップ１０５）。図１に示されるように、一実施形態では、螺旋状繊維１１０は円螺旋形状であるか、またはそのような形状を含む。他の実施形態では、螺旋状繊維１１０は、四角螺旋形状（図２を参照）、三角螺旋形状（図３を参照）、五角螺旋形状（図４を参照）、六角螺旋形状（図５を参照）、七角螺旋形状（図６を参照）、八角螺旋形状（図７を参照）、他の任意の適切な幾何学形状、あるいはそれらの任意の適切な組み合わせ（例えば、２つ以上の幾何学形状に対応する異なる幾何学形状を有する細長い部材１０４を用いて形成した場合）であるか、またはそのような形状を含む。図１０に示されるように、一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、例えば第１の螺旋状繊維１１０を第２の螺旋状繊維１１０に巻き込むことによって形成される二重螺旋状である。

一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、例えば正円螺旋形状などの単純な幾何学形状、ならびに／あるいは正四角螺旋形状、正三角螺旋形状、正五角螺旋形状、正六角螺旋形状、正七角螺旋形状、正八角螺旋形状、他の任意の適切な正幾何学形状、またはそれらの任意の適切な組み合わせなどのほぼ等しい辺２０２（図２を参照）を有する幾何学形状を含む。それに加えて、または別の方法として、一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、等しくない１つもしくは複数の辺または部分を含み、したがって複雑な幾何学形状を含む。さらなる実施形態では、螺旋状繊維１１０は、例えば一端に幅広い部分を有し、他端に幅の狭い部分を有する細長い部材１０４を用いて形成した場合、内向きの螺旋状になる。

螺旋状繊維１１０の材料は任意の適切な材料である。一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、編まれた１つまたは複数の部分を含む編組繊維である。一実施形態では、螺旋状繊維１１０は単繊維、例えば単一材料および／または単一材料の単一層を有する繊維である。一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、例えば、同じ材料の複数層または異なる材料の層を有する多層繊維である。一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、炭化ケイ素モノフィラメント、セラミック繊維、炭素繊維、ポリプロピレンフィラメント、またはそれらの組み合わせを含む。

図８は、本開示による方法８００の一実施形態を示す。図８に示される方法８００は、図１に示される方法１００と別個のものかまたは図１に示される方法の続きである。図８に示される方法８００は、１つまたは複数の螺旋状繊維１１０をマトリックス８０２内内で位置付けるステップ（ステップ８０１）を含む。一実施形態では、マトリックス８０２は、セラミック材料、有機材料、金属、および合金から成る群から選択される。マトリックス８０２および螺旋状繊維（１つもしくは複数）１１０は複合材料層８０４として配列される。一実施形態では、螺旋状繊維１１０は、垂直および／または水平方向で交錯することができる。複合材料層８０４内で交錯させた配向で螺旋状繊維１１０を配列することにより、複合材料層８０４と追加層との間に層間荷重を支えることができる荷重経路がもたらされる。一実施形態では、螺旋状繊維１１０の位置付けは、層間引張り強度および層間剪断強度を増加させ、かつ／または非螺旋状の繊維（図示なし）よりも高い層間引張り強度および層間剪断強度をもたらす。

方法８００は、続いて、複数の複合材料層８０４を位置付ける（ステップ８０３）。例えば、一実施形態では、第１の複合材料層８０４ａが第２の複合材料層８０４ｂの上に位置付けられる。さらなる実施形態では、追加の複合材料層８０４、例えば第３の複合材料層８０４ｃおよび第４の複合材料層８０４ｄが同様に位置付けられる。任意の適切な数の複合材料層８０４が方法８００にしたがって位置付けられる。適切な量の複合材料層８０４としては、２つの複合材料層８０４、３つの複合材料層８０４、４つの複合材料層８０４、５つの複合材料層８０４、６つの複合材料層８０４、１０の複合材料層８０４、１５の複合材料層８０４、またはそれ以上が挙げられるが、それらに限定されない。一実施形態では、位置付けられた複合材料層８０４は、別の複合材料層８０４の１つまたは複数の螺旋状繊維１１０の空き領域１０６内へと延在する、１つの複合材料層８０４の１つまたは複数の螺旋状繊維１１０の繊維領域１０８を含む。

２つ以上の複合材料層８０４が位置付けられた後、繊維複合材料アセンブリ８０６が形成される（ステップ８０５）。一実施形態では、繊維複合材料アセンブリ８０６の形成（ステップ８０５）は、１つまたは複数の複合材料層８０４のマトリックス８０２を加熱、押圧、および／または別の方法で硬化することを含む。マトリックス８０２を繊維複合材料アセンブリ８０６へと形成するステップ（ステップ８０５）は、複合材料層８０４を位置付けるステップ（ステップ８０３）の前に部分的に達成されるか、複合材料層８０４を位置付けるステップ（ステップ８０３）の前に完全に達成されるか、複合材料層を位置付けるステップ（ステップ８０３）の間に部分的に達成されるか、複合材料層を位置付けるステップ（ステップ８０３）の間に完全に達成されるか、複合材料層を位置付けるステップ（ステップ８０３）の後に部分的に達成されるか、複合材料層を位置付けるステップ（ステップ８０３）の後に完全に達成されるか、またはそれらの組み合わせである。

図８に示されるように、一実施形態では、複合材料層８０４を位置付けるステップ（ステップ８０３）は、各複合材料層８０４の螺旋状繊維１１０が同じ方向で配向されるように、各複合材料層８０４を配向するステップを含む。この実施形態では、複合材料層８０４から形成された繊維複合材料アセンブリ８０６は、螺旋状繊維１１０に起因する層間接着が向上する。それに加えて、繊維複合材料アセンブリ８０６は、螺旋状繊維１１０を２つ以上の方向で配列した場合に比べてある程度の柔軟性を含む。

図９に示されるように、一実施形態では、複合材料層８０４を位置付けるステップ（ステップ８０３）は、螺旋状繊維１１０が複数の方向で配向されるように、１つまたは複数の複合材料層８０４を配向することを含み、例えば、第１の複合材料層８０４ｅの螺旋状繊維１１０が第２の複合材料層８０４ｆの螺旋状繊維１１０に対して直交またはほぼ直交する。この実施形態では、複合材料層８０４から形成された繊維複合材料アセンブリ８０６は、螺旋状繊維１１０に起因する層間接着が向上しており、各複合材料層８０４の螺旋状繊維１１０が同じ方向で配向されて形成された繊維複合材料アセンブリ８０６よりも剛性が高い。

例えば、図８および９に示される実施形態における複合材料層８０４の配向は、層間特性を向上させた繊維複合材料アセンブリ８０６を形成するのに使用することができる。一実施形態では、複合材料アセンブリ８０６に望ましくは使用される一方向荷重は、螺旋状繊維１１０の配向と一列またはほぼ一列である。そのような用途としては、ガスタービン翼、海上または航空用の複合構造体、運動競技用器材、あるいは本明細書に記載の利点から利益を得る他の適切な応用例の一部分またはすべてを形成する繊維複合材料アセンブリ８０６が挙げられる。それに加えて、または別の方法として、一実施形態では、複合材料アセンブリ８０６に望ましくは使用される接線荷重、つまり従荷重は、螺旋状繊維１１０の部分（繊維領域１０８の螺旋部分など）と一列またはほぼ一列であり、それによってそのような荷重の一部分が複合材料層８０４の間に分配される。

本発明を好ましい実施形態に関して記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行ってもよく、また本発明の要素が等価物と置き換えられてもよいことが当業者には理解されるであろう。それに加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように、多数の修正が行われてもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために想到される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は添付の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を含むものとする。

１０２繊維プリフォーム
１０４細長い部材
１０６空き領域
１０８繊維領域
１１０螺旋状繊維
２０２等しい辺
８０２マトリックス
８０４複合材料層
８０４ａ、８０４ｅ第１の複合材料層
８０４ｂ、８０４ｆ第２の複合材料層
８０４ｃ第３の複合材料層
８０４ｄ第４の複合材料層

Claims

第１の繊維を第１の複合材料層内で位置付けるステップと、
第２の繊維を第２の複合材料層内で位置付けるステップとを含み、
前記第１の繊維が螺旋状部分を含み、前記第２の繊維が前記第１の繊維の前記螺旋状部分内へと延在する、繊維複合材料アセンブリを製造する方法。
巻かれた繊維プリフォームを延伸して前記第１の繊維を形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
前記第１の複合材料層がセラミック複合材料層である、請求項１記載の方法。
前記第１の複合材料層が有機複合材料層である、請求項１記載の方法。
前記第１の複合材料層が金属複合材料層である、請求項１記載の方法。
前記第２の繊維が螺旋状である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が四角螺旋である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が円螺旋である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が、楕円螺旋、三角螺旋、五角螺旋、六角螺旋、七角螺旋、八角螺旋、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される複雑な螺旋である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が三角螺旋である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が編組繊維である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が単繊維である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が多層繊維である、請求項１記載の方法。
前記第１の繊維が、炭化ケイ素モノフィラメント、セラミック繊維、炭素繊維、またはポリプロピレンフィラメントである、請求項１記載の方法。
第１の繊維を有する第１の複合材料層と、
第２の繊維を有する第２の複合材料層とを備え、
前記第１の繊維が螺旋状部分を含み、前記第２の繊維が前記第１の繊維の前記螺旋状部分内へと延在する、繊維複合材料アセンブリ。
前記第１の複合材料層がセラミック複合材料層である、請求項１５記載のアセンブリ。
前記第１の複合材料層が有機複合材料層である、請求項１５記載のアセンブリ。
前記第１の複合材料層が金属複合材料層である、請求項１５記載のアセンブリ。
前記第１の繊維が、炭化ケイ素モノフィラメント、セラミック繊維、炭素繊維、またはポリプロピレンフィラメントである、請求項１５記載のアセンブリ。
巻かれた繊維プリフォームを提供するステップと、
前記巻かれた繊維プリフォームを延伸して螺旋状繊維を形成するステップとを含む、繊維複合材料アセンブリを製造する方法。