JP2013508192A - 挿入された熱可塑性ウェブにより適用された接合点により剛性連結された多軸積層体 - Google Patents

Abstract

本発明は、それぞれ異なる方向に伸びている少なくとも２つの一方向炭素層を含み、一方向層がそれぞれその隣接する熱可塑性繊維のウェブの表面の少なくとも１つと連結し、少なくとも１つのウェブが２つの連続した一方向層の間に挿入される繊維性材料の積層体であって、それぞれの一方向層と、それぞれの隣接ウェブとの間の結合がウェブにより提供され、接合点により全体的な断続的接合を生じ、前記接合点が積層体の結合力も保証することを特徴とする上記積層体、並びにそれらを製造する方法に関する。

Description

本発明は、複合部品を作り出すように適合された補強材料の技術分野に関する。より詳細には、本発明は、熱硬化性樹脂の後の射出又は注入により複合部品を製作するための新たな多軸積層体及びその製作方法に関する。

複合部品又は製品、すなわち、一方では１つ又は複数の補強材又は繊維層を含有し、他方では熱可塑性樹脂を含みうる主に熱硬化性マトリックス（「樹脂」）を含有するものの製作は、例えば、「直接」又は「ＬＣＭ」（「液体複合材成形」）と呼ばれる方法により達成することができる。直接法は、１つ又は複数の繊維補強材が「乾燥」状態（すなわち、最終マトリックスなし）で扱われ、樹脂又はマトリックスが、例えば、繊維補強材を含有する成形型への射出（「ＲＴＭ」法、「樹脂トランスファー成形」）、繊維補強材の厚みを介した注入（「ＬＲＩ」法、「液体樹脂注入」若しくは「ＲＦＩ」法、「樹脂膜注入」）、或いは成形型に連続的に適用される繊維性補強材の各単位層にローラー又はブラシを用いる手作業の被覆／含浸によって別に扱われるという事実により定義される。

ＲＴＭ、ＬＲＩ又はＲＦＩ法では、一般に、所望の最終製品の成形型の繊維性プリフォームを最初に構築する必要があり、次にこのプリフォームに樹脂を含浸する必要がある。樹脂を、温度で異なる圧力により射出又は注入し、次に必要な量の樹脂が全てプリフォームに含有されると、組立品を高温にして、重合／架橋サイクルを完了させ、このようにして硬化を作動させる。

これらの分野では、多数のプリフォームが補強材料、主に炭素繊維、とりわけ一方向性の種類のものから製作されている。部品を作り出す際に、とりわけ射出又は注入により一方向補強層と後に関連づけられる樹脂は、例えばエポキシ型の熱硬化性樹脂でありうる。炭素繊維の異なる層の積層体を含むプリフォームを介した正確な流れを可能にするために、この樹脂は、最も頻繁には非常に流動的である。この種類の樹脂の大きく不都合な点は、重合／架橋後の脆弱性であり、製作された複合部品の不十分な耐衝撃性をもたらす。

この問題を解決するために、以前の技術の文献は、炭素繊維の一方向層を熱可塑性繊維のウェブと関連づけることを提案した。これらなどの解決は、とりわけ、特許出願又は特許のＥＰ１１２５７２８、ＵＳ６２８０１６、ＷＯ２００７／０１５７０６、ＷＯ２００６／１２１９６１及びＵＳ６，５０３，８５６に記載されている。このウェブを加えることは、構造の耐衝撃性を特徴決定するために慣用的に使用される衝撃後圧縮（ＣＡＩ）試験において機械的特性の改善を可能にする。

更に、複合部品の製作では、異なる方向に伸びている一方向層を含む多軸積層体が非常に頻繁に使用される。最も頻繁には、これらの一方向層は、縫合又は編成により互いに結合している。

次に特許出願ＥＰ１４７３１３２は、ウェブと関連している多軸一方向層の積層体を記載し、この積層体の一方向層間の連結は、連続接合を提供する加熱ローラーにより達成される。

文書ＥＰ１３４８７９１は、ストランドが互いに平行に配向されており、層間の連結が、互いに整列され間隔を置かれている熱可塑性結合フィラメントにより得られる一方向炭素層の組合せを記載する。

この文脈において、本発明の目的の１つは、良好な機械的特性と、縫合又は編成積層体の場合に観察される微小割れの不在とを組み合わせる最終複合部品をもたらすことを可能にする、新たな種類の多軸積層体を提供することである。

本発明の別の目的は、魅力的な費用で製造することができる多軸積層体を提供することである。

本発明の別の目的は、良好なドレープ性及び操作性を有する多軸積層体を提供することである。

この文脈において、本発明は、それぞれ異なる方向に伸びている一方向炭素層の少なくとも２つの層を含み、一方向層がそれぞれ隣接する熱可塑性繊維のウェブの表面の少なくとも１つと結合し、少なくとも１つのウェブが２つの連続した一方向層の間に存在し、それぞれの一方向層と、それに隣接するそれぞれのウェブとの間の結合がウェブにより達成されることを特徴とし、接合点が全体的な非連続接合を作り出し、これらの接合点が積層体の結合力も確実にすることを特徴とする、繊維性材料の新たな積層体を提供する。

本発明は、先行請求項のいずれか一項に記載の積層体を製造する方法であって、以下の工程：
ａ）それぞれ異なる方向に伸びている一方向炭素繊維の少なくとも２つの層を含み、熱可塑性繊維のウェブがそれぞれの一方向層の少なくとも１つの表面に配置され、少なくとも１つのウェブが２つの連続した一方向層の間に存在する、繊維性材料の積層体を作り出す工程；
ｂ）それぞれの一方向層とそれに隣接するそれぞれのウェブとの間に結合を達成し、積層体の結合力も確実にするようにウェブを加熱することによって、全体的な非連続接合を作り出す接合点を生成する工程
を含むことを特徴とする方法にも関する。

前記方法を実施する方法によると、一方向層は、ウェブに結合する前、それ自体に結合力が付与されることなく直列で作り出される。

前記と組み合わせることができる、前記方法を実施する別の方法によると、積層体を構成する全ての層とウェブの横断的結合は、それぞれの接合点において同時に作り出される。

前記の方法のどちらか又は両方と組み合わせることができる、前記方法を実施する別の方法によると、接合点は熱圧着により得られる。

前記の方法のどちらか及び／又はいずれかと組み合わせることができる、前記方法を実施する別の方法によると、接合点は、積層体の全厚を貫通することにより得られ、それぞれの接合点は、とりわけ貫通孔の周囲で実施される。

以下の記載は、添付の図面を参照しながら、本発明をより良好に理解することを可能にする。

例１に記載される積層体の部分断面図である。 積層体の平面における接合点が非連続線である、本発明に記載されている積層体の平面図である。 積層体の平面における接合点が連続線である、本発明に記載されている積層体の最上面の写真である。 積層体の平面における接合点がディスクの形態で現れる点である、本発明に記載されている積層体の平面図である。 積層体の平面における接合点がリングの形態で現れる点である、本発明に記載されている積層体の平面図である。 積層体の平面における接合点が非連続線である、本発明に記載されている積層体の別の平面図である。 貫通方法の一例の斜視図である。 貫通方法の一例の斜視図である。 直列貫通の多様な方法を組み込んだ装置の部分図である。 対応する縫合積層体（比較例）と比較した例１の積層体で得られる機械的データを示す。 対応する縫合積層体（比較例）と比較した例１の積層体で得られる機械的データを示す。

本発明の一部として、積層体を構成する異なる一方向層の間の結合は、ウェブの熱可塑性により確実になる。熱接合は、異なるウェブにより実施され、２つの連続一方向層の間に配置される、内部ウェブと呼ばれる挿入されるもの及び外部ウェブと呼ばれる、積層体の外面を形成する周辺部に配置されるもの（単数又は複数）である。本発明の一部として、本発明者たちは、挿入ウェブ及び外部ウェブ（単数又は複数）の熱可塑性により得られる接合点によって剛性連結された多軸積層体を提示する。特に、上記に記述された利点を提供する、異なる一方向層（ＵＤ）とウェブの間の結合は、縫合によっても編成によっても確実にならない。

本発明の積層体内において、少なくとも１つのウェブは、全体の結合力を確実にするように２つの連続一方向層の間に存在することが必須である。有利なことに、本発明の積層体は、炭素繊維の一方向層及び熱可塑性繊維ウェブだけからなる。２つ又はそれ以上のウェブを２つの連続一方向層の間に位置させることが可能である。しかし、図１に示される本発明の好ましい実施形態によると、単一のウェブ１が積層体Ｉ内において連続一方向炭素繊維の２つの層２の間に配置される。図１に対応する本発明を実施する方法によると、積層体はシーケンス（ウェブ／ＵＤ）^ｎに対応し、ＵＤは一方向層を示し、ｎは整数を示し、積層体に存在する全てのウェブは同じ坪量を有する。示されていない本発明を実施する方法によると、積層体はシーケンス（ウェブ／ＵＤ）^ｎ／ウェブに対応し、ＵＤは一方向層を示し、ｎは整数を示し、外部ウェブはそれぞれの内部ウェブの坪量の半分に等しい坪量を有する。両方の配置は、異なる積層体を重ねることを可能にし、同時にそれぞれの中心層で同じ坪量を有することを可能にする。全ての場合において、整数ｎは、積層体に存在する層の数の関数であり、例えば２〜３２の範囲である。

本発明の一部として、「炭素繊維の一方向層」は、互いに平行に置かれている炭素繊維を限定して又はほぼ限定して含む層を意味する。本発明の方法によると、一方向炭素繊維の層を直列で製造することができる。この場合、層を作り出すのに必要なストランドは、スプールから解かれ、互いに平行に伸びるように位置され、それ自体ウェブ／一方向層の１つ又は幾つかのシーケンスに重なり得るウェブを運び得るコンベアベルト上で一緒にされる。このように、本発明の実施形態によると、一方向炭素繊維のそれぞれの層は、熱可塑性繊維ウェブに結合される前に、それ自体の結合力を有さない。この場合において、一方向層は、中間結合力なしに直接形成され、必要なウェブ、とりわけ単一のウェブを２つの一方向層の間に挿入しながら、異なる方向に重ねられる。従来の多軸体製造機を使用することができる。とりわけ、ＵＳ４４８４４５９、ＵＳ４６７７８３１、ＵＳ５２４１８４２及びＵＳ６２７６１７４の文書は、参考文献として使用することができ、多軸体を作り出すそのような機械を記載する。文書ＵＳ４４８４４５９では、例えば、それぞれの一方向層は、ピンの間を自由に延伸したストランドの一部が互いに平行であるように、２本の平行のエンドレスチェーンに備えられたピンの周りにストランドを通過させることにより形成される。一方向層は、それぞれのストランドを異なる方向に導くことにより形成され、縫合により一緒に結合される。文書ＵＳ４６７７８３１に記載された技術は、主要一方向層をその成分の方向に対して平行に長手方向に移動し、その方向が主要層（０°）に対して所定の角度、例えば＋４５°、−４５°及び／又は＋６０°、−６０°を形成する横断一方向層と重ねることからなる。横断層は、主要層のそれぞれの表面に配置されたピンを有する２つのコンベアチェーンの間のレイアップ法により堆積される。当然のことながら、どのような技術を使用して一方向層を異なる方向に堆積しても、積層体を組み立てるのに従来使用される縫合又は編成方法は、所望の結合を作り出すことができる接合方法に本発明の一部として代えられる。

熱可塑性繊維ウェブに結合される前に、一方向炭素繊維のそれぞれの層がそれ自体に結合力を有するように特定することもできる。この結合力は、例えば、ニードルパンチにより、接着結合を確実にするように一方向層の繊維を、交差することなく横断する熱可塑性結合繊維の存在により又は一方向繊維を形成する横糸ストランドの存在により得ることができる。例えば、その結合力及び操作性が例えば機械的織込結合に準じる又はポリマー性の結合ストランドを使用する化学的結合に準じる結合ストランドにより確実になる、市販の一方向層を使用することが可能である。全ての場合において（それ自体結合力を有するひも又は層を製造する）、一方向層は、ウェブ（単数又は複数）に剛性連結される前に、好ましくは、０％の開孔率で全体的な被覆を提供する。そのような層は、例えば、ＰＷ−ＢＵＤ（例えば、製品番号ＰＣ２７８０６００ ２００ＧＳＭ／ＰＷ−ＢＵＤ／Ｔ７００ＳＣ １２Ｋ ５０Ｃ／０６００ｍｍ）を参照してＳＩＧＭＡＴＥＸ ＵＫ Ｌｉｍｉｔｅｄ、Ｒｕｎｃｏｍ Ｃｈｅｓｈｉｒｅ ＷＡ７ １ＴＥ、Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍにより又はＴＥＸＥＲＯの品目などでＯＸＥＯＮ ＡＢ社、Ｓｗｅｄｅｎにより販売されている。

したがって、必要であれば、熱可塑性繊維ウェブとの関連の前に層の操作を促進するために、熱可塑性結合繊維、とりわけポリアミド、コポリアミド、ポリエステル、コポリエステル、エステル／エーテルブロックコポリアミド、ポリアセタール、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン、フェノキシの存在を規定することが可能である。これらの結合ストランドは、最も頻繁には炭素繊維に対して横断的に伸びている。用語「一方向層」は、間隔を置いた横糸ストランドが、互いに平行に伸びて一方向繊維の縦糸ストランドを構成する炭素繊維を交差しながら横切る一方向繊維も含む。そのような結合、縫合又は横糸ストランドが存在するこれらの異なる場合でさえも、互いに平行の炭素繊維は、層の少なくとも９５重量％を表し、したがって「一方向」と記載される。しかし、本発明の特定の実施形態によると、一方向層は、捲縮を避けるために炭素繊維と交差する横糸を含有しない。特に、本発明により使用される一方向層は、織込も、縫合も、編成もされない。それぞれの一方向層において、炭素ストランドは、好ましくはポリマー結合剤と関連しておらず、したがって乾燥していると認められ、すなわち、熱可塑性ウェブとの関連の前に、あらゆる結合ポリマーに含浸、被覆又は関連づけされていない。しかし炭素繊維は、最も頻繁に、それらの重量の最大２％を表しうる標準糊付重量配分比により特徴づけられる。

特許ＥＰ０９７２１０２に記載される一方向層の製作方法を実施することもできる。この特許は、多軸繊維性層を製造する方法であって、幾つかの一方向層を異なる方向に重ねること及び重ねた層を互いに結合することからなる工程を含み、少なくとも１つの一方向層を製造するために、少なくとも１つのストランドを伸ばして、幅が少なくとも５ｃｍ及び表面密度が３００ｇ／ｍ^２以下である本質的に均一厚の層が得られ、一方向層には、少なくとも１つの他の一方向層が重なる前に操作することを可能にする結合力がもたらされる方法を記載する。

特定の製作様式において、炭素繊維のそれぞれの一方向層は、１００〜２８０ｇ／ｍ^２の表面密度を有する。この坪量範囲は、設計技師が、複合材構造の異なる機械的応力様式の関数として異なる層の積層シーケンスを適合することにより、複合材構造を正確に寸法に合わせることを容易にする。低い炭素坪量の基本層は、可能な異なる一定厚の積層体の選択においてはるかに多くの汎用性をもたらす。

それぞれの一方向層において、炭素繊維は、最も頻繁には、少なくとも１００フィラメント、とりわけ３０００〜５０，０００フィラメント、例えば３Ｋ、６Ｋ、１２Ｋ又は２４Ｋのストランドの形態である。炭素繊維は、６０〜３８００テックス、好ましくは４００〜９００テックスの番手を有する。炭素一方向層の厚さは、９０〜２７０μｍで変化する。

「ウェブ」は、連続又は短繊維の不織材料を意味する。特に、不織材料を含む繊維は、０．５〜７０μｍの範囲の平均直径を有する。例えば短繊維不織材料の場合、繊維は１〜１００ｍｍの長さを有する。

本発明によると、ウェブを構成する繊維は、とりわけ、ポリアミド（ＰＡ：ＰＡ６、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＡ６，６、ＰＡ６，１０、ＰＡ６，１２．．．）、コポリアミド（ＣｏＰＡ）、ポリアミド−ブロックエーテル若しくはエステル（ＰＥＢＡＸ、ＰＥＢＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート−ＰＥＴ−、ポリブチレンテレフタレート−ＰＢＴ−．．．）、コポリエステル（ＣｏＰＥ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリアセタール（ＰＯＭ．．．）、ポリオレフィン（ＰＰ、ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ．．．．）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ．．．）、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ．．．）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリ（フェニレンスルフィド）（ＰＰＳ）又はポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、フェノキシ、スチレン−ブタジエン−メチルメタクリレートコポリマー（ＳＢＭ）、メチルメタクリレート−ブチルアクリレート−メチルメタクリレートコポリマー（ＭＡＭ）などのブロックコポリマー又はこれらの熱可塑性材料を含む繊維の混合物のうちから選択される熱可塑性材料を有利に含む。

一方向層と関連する前のウェブの厚さは、凝固積層体内のそれらの厚さに極めて近似している。関連する前の異なるウェブの厚さは、試験領域が２８２７ｍｍ^２（直径６０ｍｍのディスク）及び加圧が０．５ｋＰａの方法Ａを使用する標準ＮＦ ＥＮ ＩＳＯ ９０７３−２により決定することができる。積層体内において、例えばそれぞれのウェブは、０．５〜５０ミクロン、好ましくは３〜３５ミクロンの厚さを有する。この厚さは、積層体が特に高厚の複合部品を真空注入技術により形成するために使用されるとき、とりわけ、高体積繊維比に寄与する。更に、例として、それぞれのウェブは、０．２〜２０ｇ／ｍ^２の範囲の表面密度を有する。簡素さのために、積層体に存在する全てのウェブは、坪量がそれぞれの内部ウェブ坪量の半分に等しい積層体（ウェブ／ＵＤ）^ｎ／ウェブの場合の２つの外部ウェブを除いて、同一であることが有利でありうる。

積層体において、存在する一方向層のうち少なくとも２つは、２つの異なる方向に配向するように位置づけされる。積層体は、多軸であると認められうる。全ての一方向層又はそれらの一部だけが異なる方向を有することができ、一方、他は同一の方向を有することができる。幾つかの層が同一の方向を有する場合、これらは２つの連続層ではない。そうでなければ、一方向層は、好ましくは同一の特性を有する。好ましい配向は、最も頻繁には、作り出される部品の主軸に対して０°、＋４５°又は−４５°（＋１３５°に同等）及び＋９０°の角度である。０°配向は、積層体を製作する機械の軸に対応し、すなわち、製作の際の積層体の移動方向に対応する軸に対応する。一般に部品の最長軸である部品の主軸は、一般に０°に一致する。例えば、準等方性である、対称である又は層の配向を選択することにより配向される積層体を作り出すことが可能である。準等方性積層の例には、４５°／０°／１３５°／９０°又は９０°／１３５°／０°／４５°の積層角度が含まれる。対称積層の例には、０°／９０°／０°又は４５°／１３５°／４５°の積層角度が含まれる。特に、２〜３２層、とりわけ１６〜２４層の組立を考慮することが可能である。現在最も使用される層の数は、８、１６、２４及び３２層であり、例えば上記に記述された４層準等方性積層の倍数でありうる。

本発明によると、積層体、すなわちウェブとＵＤのセットは、縫合でも編成でもなく、積層体に存在するウェブの熱可塑性により生成される接合により剛性連結される。そのため、加熱／冷却操作が積層体の表面の特定の領域だけに実施される。この加熱は、抵抗加熱法又は超音波法により従来どおりに得ることができる。加熱は、融合又は少なくとも異なるウェブの軟化を引き起こす。ウェブの熱可塑性を使用するそのような結合は、縫合又は編成ストランドの存在により表される全ての欠点、とりわけ捲縮、微小割れ、後に得られる複合部品の機械的特性の低減などの問題を回避するので有利である。実施される結合は、積層体の全面に実施される熱圧着により得られる連続接合と対照的に、非連続接合に対応する。本発明によると、それぞれの一方向層において、全ての接合点の表面は、一方向層の表面の例えば０．１〜４０％、好ましくは０．５〜１５％を表す。非連続接合は、後に複合部品を製作するときに、エネルギーのみならず積層体のドレープ性の観点からも利点を有する。全体的な非連続接合をもたらす接合点が所定の位置にある。用語「点」は、一連の接合に属する個別の接合を示すために記載の一部として使用され、したがって異なる形態の接合を含む。積層体の平面では、すなわち多様なウェブと一方向層に平行に、接合点は、とりわけ、図２に示されている非連続線１０又は図３に示されている連続線、すなわち多様な形状のドット、とりわけ図４Ａで２０と標示されて示されている円形若しくは図４Ｂに３０と標示されて示されているプリズムリングなどとして一方向層の全幅にわたって伸びている連続線の形態で現れうる。これらの接合点は、積層体の表面全体にわたって分布してその結合力を確実にし、一方向層とウェブの間の結合を積層体の厚み全体にわたって確実にすることができる。そのような結合はとりわけ横断的でありうる。適合された熱的方法又は超音波加熱方法を、とりわけ、結合線の場合では１つ若しくは幾つかの加熱ロッドの形態又は点結合の場合では加熱パンチの形態で使用することができ、積層体との接触点での坪量は、点結合の所望の形状に適合される。そのような加熱方法は、温度を１９０〜２２０℃にすることができ、１０〜５０ｋＰａの圧力で積層体を例えば０．１〜２秒、好ましくは０．５〜１秒加圧することができる。当然のことながら、これらの値は、純粋に例示的であり、とりわけ層の数及びウェブの熱可塑性成分によって左右される。例えば、接合点を規則的に作り出すことができ、好ましくは１又は２つの方向に伸びている直線上に、とりわけ４〜５０ｍｍの間隔で、２つの平行線の間の距離が１０〜１００ｍｍの範囲で配置される。接合は、平行線毎に、図４Ａに示されていように整列されるか又は接合がリング形状である場合が例示されている図４Ｂに示されているようにとりわけハーフピッチずれている。そのような接合点は、例えば、積層体の表面に平行に測定して、２〜１００ｍｍの範囲の大きな直径を有することができる。接合点の実施は、一方向層がウェブと関連する前にそれ自体の結合力を有する場合に好ましい。一方向層がウェブと関連する前に接着する場合、それぞれの一方向層では、全ての接合点の表面は、一方向層の表面の例えば０．１〜３０％、好ましくは０．５〜５％を表す。

層がウェブと関連する前にそれ自体の結合力を有さない場合、それぞれの一方向層では、接合点部分は、一方向層の総領域の１〜４０％、好ましくは５〜１５％の総領域を表す。この場合、線の形態の接合点が好ましくは使用され、それはこれらが一方向層の全てのストランドの結合を更に容易に確実にし、積層体に結合力及び操作性を与えるからである。一つの実施形態において、接合点は、互いに平行な連続接合線に対応する。連続接合線は、例えば、互いに１０〜５０ｍｍの間隔を置くことができる。別の実施形態において、接合点は非連続接合線に対応する。非連続接合線は、例えば、１０〜１００ｍｍの長さを有することができる。非連続接合線は、平行線に沿って分布することができ、図２に示されているようにライン毎に互いにずれていることができる。図５に示されているように異なる方向に伸びている非連続接合４０及び５０の線を生成することも可能であり、ここで貫通孔間の距離は純粋に例示的であり、異なる変形が可能であり、後者が記述されるのは例２に使用されているからである。この場合、単一連続内のずれの存在が必ずしも必要ということではない。同じ方向に沿って伸びている非連続接合線の同じ連続内において、非連続接合の線は、例えば、互いに５〜５０ｍｍの間隔を置くことができる。接合線の種類が、連続又は非連続であろうとも、これらは、例えば２０〜２００ｍｍの幅を有することができる。上記に示された全ての寸法は、当然のことながら、積層体の平面、すなわちそれぞれの一方向層の平面を意味する。

前に記述したように、それ自体に事前の結合力を有さない場合、一方向層の全ての繊維の結合を確実にするために、接合は、図３に示されているように、中間材料の全幅にわたって連続線で伸びることができる。次に線の方向は、一方向層のどの配向とも平行ではない方向に伸びるように選択される。それぞれ本発明の積層体Ｉの平面図である図２及び５に示されている非連続線を実施することも可能であり、積層体に存在するそれぞれの一方向層のそれぞれのストランドが接合と規則的に、例えば１００ｍｍ毎に少なくとも１つの接合、好ましくは１０ｍｍ毎に少なくとも１つの接合に遭遇するように、非連続接合線が生成され、図２において１０と標示され、図５において４０及び５０と標示されている。別々の加熱バーにより又は２つの接合線４０及び５０を生成することを可能にする溝付バーなどの接合方法により、それとも１つの接合操作により、接合４０及び５０を生成することが可能である。ここでも、好ましいことは、非連続接合線の配向が一方向層の繊維の全ての配向と平行ではないこと、それとも幾つかの連続の非連続接合線が存在する場合では幾つかの配向だけと平行ではないことである。当然のことながら、連続又は非連続線を使用するこれらの異なる接合法を、一方向層がそれ自体に事前の結合力を有する場合に使用することもでき、この場合、接合線の配向はあまり重要ではなく、これらを更に間隔を置いて離すことができる。

層をそれぞれ１つずつ加え、それぞれの層の添加の後に結合を確実にすることによって積層体を製造することが可能である。しかし、単一工程で結合を生じることが好ましく、これは確実に産業界の関心事である。そのため、上記の加熱方法が完全に好適であるが、積層体内に浸透し、全体に十分に浸透して、浸透領域の全てのウェブに、特に積層体の中心に配置されているものに直接的な加熱を生じる加熱方法を使用することも可能である。この場合、層を互いに結合するのと同時に、貫通孔が積層体に製造されて、最も頻繁には積層体の層に対して横断的に積層体の厚みの中を伸びている、樹脂の拡散チャネルを作り出す。当然のことながら、上記のように積層体の第１結合を実施し、次に製作された積層体の浸透性を増加するために貫通孔を生成することが可能であるが、明白な費用の理由から、所望の接合と貫通孔を同時に生成することが好ましい。全ての場合において、積層体の厚みを通る貫通孔により得られる、０．０５〜３％、好ましくは０．１〜０．６％の開孔率を達成することに価値がありうる。そのような開孔率は、従来の縫合多軸体により得られるものに匹敵する又はそれらを越える興味深い浸透性を得ることを可能にする。積層体に存在する貫通孔は、例えば、層の表面に平行に測定して１〜１０ｍｍの範囲の大きなものである。そのような実施形態の変形によると、このように積層体の横断的浸透性を達成することが可能であり、５７〜６３％のＶＦＲ、とりわけ６０％のＶＦＲにおいて、とりわけ１０^−１１ｍ^２〜１０^−１４ｍ^２、好ましくは１０^−１２ｍ^２〜１０^−１３ｍ^２である。貫通孔は、任意の適切な貫通装置、典型的には例えば針、ピンなどにより生成することができる。層間に所望の結合を得るように、貫通装置の周りに熱が適用され、これはまた貫通孔を硬化することを可能にする。このことは、貫通手段の周りのウェブの融合を生じ、冷却した後、貫通孔の周りに一種のはと目をもたらす。貫通装置が取り出されると、冷却は瞬時であり、したがって得られた貫通孔の硬化を可能にする。好ましくは、加熱方法は、貫通装置それ自体が加熱されるように、貫通装置に直接組み込まれる。貫通装置１００が、図６Ａで示されるように肩１１０を有することが有利であり、貫通の際にそこのところで積層体が止まり、このようにして層が結合の際に互いに締まることを可能にする。この肩は、それ自体加熱され、接合される組立に対して押し付けられている間に貫通孔の周囲の大きな領域にわたってウェブを加熱する。この場合、接合点は、図４Ｂに示されているように、それぞれの貫通孔３１の周りを囲むリング３０と類似していることができる。積層体と接触する肩１１０の表面は、事実、得られる接合に対応する。図５Ｂは、接合が非連続線の形態である場合に使用される加熱／貫通の別の手段２００を示す。示されている例において、非連続接合線を生成するバー加熱器２００は、非連続線１つあたり２つの穴を作ることを可能にする２つの針２１０を備えている。貫通の際に加えられる圧力は、加熱単独について記載されたものと類似しており、例えば、２０〜４０ｋＰａの範囲であることができ、とりわけ、１．１〜２秒間、とりわけ０．５〜１秒間加えられる。この圧力は、積層体の全地点において本質的に一定の厚さを維持するように選択される。

図５Ａに例示されている貫通装置１００により、図６に示されている貫通線に沿って整列し、間隔を置いた貫通装置によって、手作業により又は好ましくは自動的に貫通することが可能である。

複合部品の製作では、熱硬化性樹脂又はマトリックスが、例えば積層体を含有する成形型への射出（「ＲＴＭ」法、「樹脂トランスファー成形」）により又は注入（層の厚みを介した：「ＬＲＩ」法、「液体樹脂注入」若しくは「ＲＦＩ」法、「樹脂膜注入」）により後に積層体に添加される。使用されるマトリックスは、最も頻繁には熱硬化性である。射出される樹脂は、例えば、以下の熱硬化性ポリマー：エポキシ、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール系、ポリイミド、ビスマレイミドのうちから選択される。

次に複合部品は、熱処理の後に得られる。特に、複合部品は、一般に、使用されるポリマーの従来の硬化サイクルを介して、前記ポリマーの供給会社により推奨され、当業者に既知の熱処理を実施することにより得られる。この所望の部品の硬化段階は、温度及び圧力の定義されたサイクルによる重合／架橋、続く冷却によって達成される。処理サイクルの間に適用される圧力は、真空下での注入の場合は低く、ＲＴＭ成形型への射出の場合では高い。本発明の有利な特徴によると、得られる複合部品は、相当な厚さ、とりわけ１０ｍｍを越える厚さを有する場合及び／又は大気圧よりも低い圧力、とりわけ１バール未満、好ましくは０．１〜１バールの圧力で射出する方法により製作される場合でも、５７〜６３％、好ましくは５９〜６１％の繊維体積比を有する。これらの繊維体積比は、主要部品、すなわち機械的応力に耐える航空機の重要な部品（胴体、翼．．．）の構造への使用に適合する。

複合部品の繊維体積比（ＶＦＲ）は、一方向炭素層の表面密度及び炭素繊維の特性を知ることにより、以下の方程式を使用して複合部品の厚さの測定値から計算される：

式中、ｅ_プレートは、プレートの厚さ（ｍｍ）であり、
ρ_炭素繊維は、炭素繊維の密度（ｇ／ｃｍ^３）であり、
表面密度ＵＤ_炭素は、ｇ／ｍ^２である。

得られる複合部品は、最適な機械的特性、とりわけ耐衝撃性（ＣＡＩ、衝撃後圧縮）も有し、機械的特性は、有孔圧縮（ＯＨＣ、Ｏｐｅｎ Ｈｏｌｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）、有孔牽引（ＯＨＴ、Ｏｐｅｎ Ｈｏｌｅ Ｔｒａｃｔｉｏｎ）、軸受け（Ｂｅａｒｉｎｇ）、面内剪断（ＩＰＳ、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｈｅａｒ）などの孔に対する感受性を示す。特に、ＡＳＤ−ＳＴＡＮ（ＡｅｒｏＳｐａｃｅ ａｎｄ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ、Ａｖｅｎｕｅ ｄｅ Ｔｅｒｖｕｒｅｎ ２７０， １１５０ Ｗｏｌｕｗｅ−Ｓａｉｎｔ−Ｐｉｅｒｒｅ、Ｂｅｌｇｉｕｍ）に発表された欧州予備規格ｐｒＥＮ ６０３８に従って測定された衝撃後圧縮（ＣＡＩ）において、２５Ｊの衝撃下で２００ＭＰａを越える応力破断を有する複合部品を得ることが可能である。また留意されることは、特に樹脂マトリックスがエポキシのものである場合、当業者に既知の標準的プリプレグで得られるものと同じオーダーの大きさで、老化後にエポキシのＴｇに小さな減少があったことである。

以下の実施例は、本発明の例示を可能にするが、性質上制限的ではない。

本発明の一部として、横断的浸透値は、Ｅｃｏｌｅ Ｎａｔｉｏｎａｌｅ Ｓｕｐｅｒｉｅｕｒｅ ｄｅｓ Ｍｉｎｅｓ ｄｅ Ｓａｉｎｔ Ｅｔｉｅｎｎｅ、２００９年１０月１６日に証明された、Ｒｏｍａｉｎ Ｎｕｎｅｚによる表題「複合材構造の製作のための横断繊維プリフォームの浸透性の測定における問題」（「Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｒｅｆｏｒｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」）［Ｐｒｏｂｌｅｍａｔｉｑｕｅ ｄｅ ｌａ ｍｅｓｕｒｅ ｄｅ ｌａ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｄｅ ｐｒｅｆｏｒｍｅｓ ｆｉｂｒｅｕｓｅｓ ｐｏｕｒ ｌａ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ］の論文に記載された測定装置及び方法によって得られる。ＶＦＲの変化は、試料の厚さを連続的に変えることにより得られる。使用した流体は水であり、圧力は１バール＋／−０．０１バールである。

開孔率は以下の方法を使用して測定することができる。装置は、１０倍の対物レンズを備えたＳＯＮＹカメラ（ＳＳＣ−ＤＣ５８ＡＰ型）及びＷ ＬＰ３ ＮＲ、１０１３８１ ２３０Ｖ ５０ＨＺ ２×１５Ｗ型のＷａｌｄｍａｎｎライトテーブルから構成される。測定される試料をライトテーブル［原文のまま］に置き、カメラをフレームに設置し、試料から２９ｃｍで位置決めし、焦点を調整する。

（ズーム）リング及びルーラーを使用して、幅の測定値を分析される繊維性材料の関数として決定し、開孔繊維性材料（ＯＦ＞２％）では１０ｃｍ、開孔が少ない繊維性材料（ＯＦ＜２％）では１．１７ｃｍである。

絞り及び陰性対照を使用し、明度を調整して陰性対照の１つに対応するＯＦ値を得る。

次にコントラスト測定ソフトウエアＶｉｄｅｏｍｅｔ、Ｓｃｉｏｎ Ｉｍａｇｅ（Ｓｃｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ＵＳＡ）を使用する。記録した後、画像を以下のように処理する。ツールを使用して、最大領域を、選択した目盛り、例えば１０ｃｍ−７０穴に対応し、整数のパターンを含むように定義する。次に、繊維用語における意味の基本領域、すなわち繰り返しによる繊維性材料の幾何学的配列を記載する領域を選択する。

繊維性材料の開孔部を通過するライトテーブルからの光により、ＯＦ率は、１００から、基本領域により割られた黒色領域を差し引くことにより、すなわち１００−（黒色領域／基本領域）により定義される。

明度調節は、拡散現象が穴の見掛けの大きさ、したがってＯＦの見掛けの大きさを変えうるので重要であることに留意するべきである。過剰な飽和又は拡散現象が見られないように、中間明度が選択される。

（例１）線接合準等方性多軸体
以下の積層体を多軸体製造機により直列に作り出す：４５°に配向された炭素繊維の一方向層、ウェブ、１３５°に配向された炭素繊維の一方向層、ウェブ。

炭素繊維の一方向層を直列に製作し、これらの炭素繊維の坪量を、Ｈｅｘｃｅｌ ＨＲ繊維を使用して２６８ｇ／ｍ^２±３％と推定し、この特性を表１に提示する。

ポリアミドに基づいた短繊維のウェブを使用する。

使用したウェブの特性を表２に提示する。表２に示されている融点は、ＩＳＯ １１３５７−３標準に従った示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により決定される。表面密度は、ＩＳＯ ３８０１標準に従って測定される。表２に示されている有孔率は、以下の式により計算される：

式中、ウェブの表面密度は、ｋｇ／ｍ^２で表され、
ρ_{ウェブの材料}は、ｋｇ／ｍ^３で表され、
ｅ_ウェブは、ｍで表される。

５０ｍｍの間隔のある接合線を、機械の軸に対して９０°の配向で生成する。接合を、支持体で４ｍｍの曲率半径を有するＶ字型加熱バーにより生成する。バーを２００℃に加熱し、３０ｋＰａの圧力を０．８秒適用する。

このバーを、接触表面が層を均一に圧縮するように操作して、図３に示されている接合線を形成する。

本発明の積層体の機械的性能を、接合が７６ｄテックス（ポリアミド）ストランドから生成される鎖縫い５^＊５ｍｍｍに代えられている、結合方法のみが異なる同一の積層体で得られるものと比較する。結果を下記の表３及び４、並びに図８及び９に示す。

（例２）点接合貫通準等方性多軸体（４層）
図１に示されている積層体を多軸体製造機により直列に製作する：４５°に配向された炭素繊維の一方向層、ウェブ、０°に配向された炭素繊維の一方向層、ウェブ、１３５°に配向された炭素繊維の一方向層、ウェブ、９０°に配向された炭素繊維の一方向層及びウェブ。

炭素繊維の一方向層を直列に作り出し、炭素繊維の坪量を、Ｈｅｘｃｅｌ ＩＭ繊維を使用して１９４ｇ／ｍ^２±３％と推定し、この特性を表５に提示する。

ウェブは例１に使用したものと同一である。

図５に示されているように９０°に配向された接合線と１３５°に配向された接合線が互いに交差している、機械の軸に対して一方が９０°の配向であり、他方が１３５°の配向である非連続接合線の２つのセットを生成する。そのため、接合４０及び５０のセットを１つの操作で実施することができる、溝付加熱バーを使用する。同じ線の非連続線５０の間及び２つの連続線４０の間に僅かな重複部分が作り出されて、上記の４つの配向で配置された全てのストランドの結合を確実にすることに留意するべきである。

この接合は、図６Ｂに示されている加熱／貫通方法を使用して、貫通と理想的に組み合わせることができる。

これらの実施例は、全て、容易に操作される積層体を製造する。

Claims (23)

1. それぞれ異なる方向に伸びている一方向炭素繊維の少なくとも２つの層を含み、一方向層がそれぞれ隣接する熱可塑性繊維のウェブの表面の少なくとも１つと結合し、少なくとも１つのウェブが２つの連続した一方向層の間に存在する繊維性材料の積層体であって、それぞれの一方向層と、それに隣接するそれぞれのウェブとの間の結合がウェブにより確実にされ、接合点が全体的な非連続接合を作り出し、これらの接合点が積層体の結合力も確実にすることを特徴とする上記積層体。
2. 単一のウェブが、連続する一方向炭素結合繊維の２つの層の間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の積層体。
3. 積層体が、シーケンス（ウェブ／ＵＤ）^ｎであり、ＵＤが一方向層を示し、ｎが整数を示し、積層体に存在する全てのウェブが同一の坪量を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層体。
4. 積層体が、シーケンス（ウェブ／ＵＤ）^ｎ／ウェブであり、ＵＤが一方向層を示し、ｎが整数を示し、外部ウェブがそれぞれの内部ウェブの坪量の半分に等しい坪量を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層体。
5. 異なる一方向層とウェブの間の結合が、縫合又は編成により確実にならないことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の積層体。
6. 接合点が、互いに平行な連続接合線に対応することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の積層体。
7. 接合線が、一方向層のいずれか１つと非平行の異なる方向を有することを特徴とする、請求項６に記載の積層体。
8. 接合点が、非連続接合線に対応することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の積層体。
9. 非連続線が、それぞれのストランドが接合と規則的に、例えば５０ｍｍ毎に少なくとも１つの接合に遭遇するように互いにずれていることを特徴とする、請求項８に記載の積層体。
10. それぞれの一方向炭素繊維層が、熱可塑性繊維のウェブに結合する前に自己結合力を有さないことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の積層体。
11. 一方向炭素繊維のそれぞれの層が、熱可塑性繊維のウェブに結合する前に自己結合力を有し、この結合力が、ニードルパンチにより、一方向層の繊維を、交差することなく横断して接着による結合を確実にする熱可塑性結合ストランドの存在により又は一方向繊維を形成する横糸ストランドの存在により得られることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の積層体。
12. それぞれの一方向炭素繊維層が、１００〜２８０ｇ／ｍ^２の表面密度を有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の積層体。
13. ０％の開孔率を有することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の積層体。
14. 積層体の厚みに作り出された貫通孔により得られる０．０５〜３％、好ましくは０．１〜０．６％の範囲の開孔率を有することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の積層体。
15. ６０％の繊維体積比で１０^−１１〜１０^−１４ｍ^２、好ましくは１０^−１２〜１０^−１３ｍ^２の浸透性を有することを特徴とする、請求項１から１２まで又は１４のいずれか一項に記載の積層体。
16. ウェブの熱可塑性繊維が、ポリアミド（ＰＡ：ＰＡ６、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＡ６，６、ＰＡ６，１０、ＰＡ６，１２．．．）、コポリアミド（ＣｏＰＡ）、ブロックエーテル若しくはエステルポリアミド（ＰＥＢＡＸ、ＰＥＢＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート−ＰＥＴ−、ポリブチレンテレフタレート−ＰＢＴ−．．．）、コポリエステル（ＣｏＰＥ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリアセタール（ＰＯＭ．．．）、ポリオレフィン（ＰＰ、ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ．．．．）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン（ＰＳＵ．．．）、ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ．．．）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリ（フェニレンスルフィド）（ＰＰＳ）又はポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、フェノキシ、スチレン−ブタジエン−メチルメタクリレート（ＳＢＭ）コポリマー、メチルメタクリレート−ブチルアクリレート−メチルメタクリレート（ＭＡＭ）コポリマーなどのブロックコポリマー又はこれらの熱可塑性材料繊維の混合物のうちから選択されることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の積層体。
17. それぞれのウェブが、０．２〜２０ｇ／ｍ^２の範囲の表面密度を有することを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の積層体。
18. それぞれのウェブのうちの１つが、０．５〜５０ミクロン、好ましくは３〜３５ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の積層体。
19. 請求項１から１８までのいずれか一項に記載の積層体を製作する方法であって、以下の工程：
    ａ）それぞれ異なる方向に伸びている一方向炭素繊維の少なくとも２つの層を含み、熱可塑性繊維のウェブがそれぞれの一方向層の少なくとも１つの表面に配置され、少なくとも１つのウェブが２つの連続した一方向層の間に存在する、繊維性材料の積層体を作り出す工程；
    ｂ）それぞれの一方向層とそれに隣接するそれぞれのウェブとの間に結合を達成し、積層体の結合力も確実にするようにウェブを加熱することによって、全体的な非連続接合を作り出す接合点を生成する工程
    を含むことを特徴とする上記方法。
20. 一方向シートが、ウェブに結合する前に自己結合力が付与されることなく直列で得られることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
21. 積層体を構成する全ての層とウェブの間のそれぞれの接合点における横断的結合が同時に生成されることを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の方法。
22. 接合点が熱圧着により生成されることを特徴とする、請求項１９から２１までのいずれか一項に記載の方法。
23. 接合点が、積層体の厚みを通って貫通を実施することにより生成され、それぞれの接合点が貫通孔の周囲で生成されることを特徴とする、請求項１９から２２までのいずれか一項に記載の方法。