JP2013544310A - 一方向繊維テープを有し、強化用繊維束の繊維プリフォーム及び複合材料部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、繊維複合構造体を製造するための繊維プリフォーム（１）に関し、該壁が、第一樹脂組成物を有する強化用繊維束（５）の少なくとも１個の第一帯域（４）と、第二樹脂組成物を有する少なくとも１本の一方向に整列された強化用糸ストランド（８）からなる少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１個の第二帯域（７）とを含み、少なくとも１個の該第一帯域（４）中での該強化用繊維束（５）が、延在する該厚みに対して平行の観察方向で異なる空間方向へ互いに配向されており、かつ少なくとも１個の該第二帯域が、該壁の延在する該厚みに対して垂直の観察方向で、散在した領域を形成する。本発明は更に、そのような繊維プリフォームから作られる複合材料部材に関する。

Description

本発明は、繊維複合構造体もしくは複合材料部材を製造するための、壁が強化用繊維から作られている繊維プリフォーム、並びにそのような繊維プリフォームの複合材料部材に関する。

特に航空宇宙産業の分野において、しかし例えば機械工学の分野においても、ますます繊維複合材料製の部材が使用される。繊維複合材料は金属に比べて、しばしばより少ない質量及び／又はより高い強さの利点を提供する。本質的な観点はその際に同時に、荷重に耐えかつそれにもかかわらず軽量のこの種の複合材料部材を費用がかからずに製造することである。該荷重に耐える能力に関して、すなわち該剛さ及び該強さに関して、該複合材料部材の場合に該強化用繊維の体積含有率及び特に該強化用繊維の該整列も決定的な影響を有する。

しばしば使用される製造方法は目下、いわゆるプリプレグ技術に基づく。この場合に、該強化用繊維、例えばガラス繊維又は炭素繊維は例えば互いに平行に配置され、マトリックス樹脂中へ包埋され、かつシート状の半製品に加工される。該部材製造のためには、これらのシートは該部材外形に相応して切断され、かつ機械的に又は手で層毎に、該部材負荷に必要な該強化用繊維の配向を考慮して、金型中へ積層される。引き続き、該マトリックスの硬化は、オートクレーブ中で加圧及び加熱下に行われる。しかしながらこの種の製造方法は、多くの部材にとって極めて煩雑であり、かつ高価である。

更なる方法において、強化用繊維から、いわゆる繊維プリフォーム（Fibervorformlinge, "Preforms"）が製造される。本質的には、これらは、強化用繊維の二次元又は三次元の構造物の形態のテキスタイル半製品であり、該構造物中へ、該繊維複合部材の製造のための更なる工程において、適したマトリックス材料が、インフュージョン又はインジェクションにより、真空を適用しながらも、導入される。最終的に、該マトリックス材料の硬化は、通例高められた温度及び圧力で行われて、完成した部材となる。該マトリックス材料のインフュージョン又はインジェクションのための公知の方法は、ここではいわゆる液状成形（ＬＭ法）又はそれと関連した方法、例えばレジントランスファー成形（ＲＴＭ）、バキュームアシストレジントランスファー成形（ＶＡＲＴＭ）、レジンフィルムインフュージョン（ＲＦＩ）、液状樹脂インフュージョン（ＬＲＩ）又はレジンインフュージョンフレキシブルツーリング（ＲＩＦＴ）である。該繊維プリフォームの製造に使用される繊維状材料は、該繊維プリフォーム中での該強化用繊維の固定を改善するために、例えば少量の硬化可能なプラスチック材料、すなわちバインダ材料に、既に予備含浸されていてもよい。この種の予備含浸された糸は、例えば国際公開(WO)第2005/095080号に記載されている。

そのような繊維プリフォームを製造するために、既に国際公開(WO)第98/22644号には、短く切断された強化用繊維をバインダ材料と一緒に、該所望の繊維プリフォームの形状に適合された通気性のスクリーン(Schirm)上へ分散させ、かつ真空を適用しながら、該バインダ材料の冷却により該プリフォームの十分な安定性が達成されるまで、該スクリーン上に保持することが提案されている。この手順の場合に、該強化用繊維はランダムで等方性の配置及び整列で配置される。これは、該部材中での負荷方向が予測されることができない場合には確かに有利であるが、しかしながら同時に、該等方性の整列のために常に該繊維の一部分のみが負荷方向にあるという欠点を有する。該部材中での特別な応力方向への適合は、すなわちこの方法の場合に不可能である。該部材壁中での強化はせいぜい、例えば壁の厚さを局所的に高めることにより吸収することができるが、しかしながらこのことは該部材の質量増加と結び付いている。更にまた、国際公開(WO)第98/22644号の実施例によれば、約１５体積％までの範囲内の繊維体積含有率が達成され、ひいては低い該繊維体積含有率のために、比較的少ない厚さに基づく部材強度が達成されるに過ぎない。通常、該強化用繊維のランダム配向を有するこの種の部材の場合に、最大３０体積％の繊維含有率が達成される。

米国特許出願公開(US-A1)第2010/0126652号明細書及び米国特許出願公開(US-A1)第2009/0229761号明細書には、繊維プリフォームを製造するための方法もしくは装置が記載されており、該方法を用いて、該部材中での負荷に適合した繊維整列の要件に従うことが可能である。この場合、いわゆるＴＦＰ法（"Tailored Fiber Placement Verfahren"）が使用され、該方法の場合に糸又は繊維ストランドが、完成した部材に作用する力の流れに基づいて適合された任意のシート曲線に沿って適用され、かつ固定糸を用いて予め固定され、その際にこのためにはＣＮＣ制御された縫機及び編機が使用される。米国特許出願公開(US-A1)第2009/0229760号明細書には、そのようなＴＦＰ法に適している繊維ストランド用の塗布機械が記載されている。これらのＴＦＰ法の場合に、該強化用繊維の機械的荷重に耐える能力の改善された利用及び該部材中での該それぞれの局所的な負荷への該部材断面の改善された適合が可能である。しかしながら、これらの方法は、特に複雑な三次元構造を有する繊維プリフォームの製造の場合に、極めて煩雑であり、かつ費用集約的である。

テキスタイルの方法を用いて、例えば縫う又は編む方法を用いて該繊維ストランドを固定する代わりに、該繊維ストランドは、熱的に活性化可能なバインダ材料を用いて、例えば熱可塑性プラスチックを用いて、固定することもでき、例えばこれは独国特許公告(DE-B4)第10 2007 012 608号明細書に記載されている。

繊維プリフォームを製造する更なる可能性は、いわゆる多軸ノンクリンプ織物(Multaxialgelegen)の使用にある。多軸ノンクリンプ織物は、相互に重なり合って配置された複数の糸層の構造物であると理解され、その際に該糸層は、互いに平行に配置された強化用糸のすき(Scharen)からなる。相互に重なり合って配置された該糸層は、多数の、並んで配置され、かつ互いに平行に走り、かつ目を形成する縫糸又は編糸を介して互いに結合され、かつ相互に固定されることができるので、該多軸ノンクリンプ織物はこのようにして安定化される。該糸層は、該層の該強化用繊維が互いに平行に又は交互に交差して（例えば−４５°；０°；＋４５°）整列されているように相互に重なり合って置かれている。

この種の多軸ノンクリンプ織物は、マトリックス材料なしで型中へ置かれ、かつ例えば高められた温度下での変形のためにそれらの外形に適合される。引き続き、該複合部材の製造に必要なマトリックス材料は、インフュージョン又はインジェクションにより該型及び該繊維プリフォーム中へ導入され、その後に該マトリックス材料の硬化により、該複合部材が得られる。多軸ノンクリンプ織物及び繊維プリフォームを製造するためのそれらの使用は、例えば欧州特許(EP-B1)第0 361 796号明細書、欧州特許(EP-B1)第1 352 118号明細書又は国際公開(WO)第98/10128号に記載されている。

多軸ノンクリンプ織物は、しかしながら、それらの製造において費用がかかり、かつ一般的に標準幅で製造され、該標準幅はまれに後の該部材の寸法に相当する。これから、少なからぬ割合の切りくずが生じる。更にまた、これらは、特に複雑な部材外形の場合及びとりわけ小さな曲率半径を有する部材の場合に制限されてのみ使用可能である、それというのも、該多軸ノンクリンプ織物は任意にドレーピング可能ではないからである。そのうえ、該縫糸もしくは編糸がしばしば、生じる該複合材料の衝撃強さの減少をまねきうることが観察された。最後に、該液状成形又は関連した方法による該マトリックス材料の後でのインフュージョン又はインジェクションも遅くなりうる。

縫合及び緯糸を回避するために、米国特許出願公開(US-A1)第2008/0085650号明細書には、平行に整列された連続的な強化用繊維の層並びに例えば不織布、織物又は短く切断した繊維の層を含む層構成を有する強化材料構造体を使用することが提案され、その際に該層は接着剤を介して又は接着点を介して互いに結合されている。これらの材料もまず最初に、該部材の幾何学的形状に相応して切断されなければならない標準幅で存在する。このようにして、追加の工程、例えば切断、ドレーピング及び結合、並びに該出発物質の３０％までの平均的な切りくずにより、高められたコストが生じる。

本発明の課題は、多数の部材外形に使用することができる繊維プリフォームを提供することであり、該繊維プリフォームの場合に特に、該部材中でのそれぞれの局所的な負荷への改善された適合が可能であり、かつ該繊維プリフォームが、費用がかからずに製造することができる。

該課題は、繊維複合構造体を製造するための、壁が強化用繊維から作られている繊維プリフォームにより解決され、
・該壁が、第一表面と、該第一表面と反対側の第二表面と、該表面間に延在する厚みとを有し、かつ縁部により区切られており、
・該壁が、第一樹脂組成物を有する強化用繊維束の少なくとも１個の第一帯域と、第二樹脂組成物を有する少なくとも１本の一方向に整列された強化用糸ストランドからなる少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１個の第二帯域とを含み、
・少なくとも１個の該第一帯域中での該強化用繊維束が、延在する該厚みに対して平行の観察方向で、異なる空間方向へ互いに配向されており、
・各強化用繊維束が、互いに平行に整列された強化用繊維フィラメントからなり、３〜５０ｍｍの範囲内の長さを有し、かつ該繊維質量を基準として、１〜１０質量％の範囲内の濃度の該第一樹脂組成物を含有し、
・該繊維プリフォームの該壁が、３５体積％を超える強化用繊維の含有率を有し、かつ
・少なくとも１個の該第二帯域が、該壁の延在する該厚みに対して垂直の観察方向で、散在した領域を形成し、かつ少なくとも１本の繊維テープの端部のうち少なくとも１個が、該壁の内部で終わっている。

本発明による繊維プリフォームを用いて、単純な方法で、繊維複合構造体もしくは複合材料部材を製造することができる。このためには、本発明による繊維プリフォームは、最終外形に近い型中へ入れられ、常用の方法を用いてマトリックス材料は、該型中へひいては該繊維プリフォーム中へ、インフュージョン、インフィルトレーション又はインジェクションにより導入することができ、引き続き該マトリックス材料の硬化下に該複合材料部材が形成される。ゆえに本発明は、壁がポリマーマトリックス中に包埋された強化用繊維から作られている複合材料部材にも関し、
・該壁が、第一表面と、該第一表面と反対側の第二表面と、該表面間を延在する厚みとを有し、かつ縁部により区切られており、
・該壁が、強化用繊維束の少なくとも１種の第一帯域と、少なくとも１本の一方向に整列された強化用糸ストランドからなる少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１種の第二帯域とを含み、
・少なくとも１個の該第一帯域中での該強化用繊維束が、延在する該厚みに対して平行の観察方向で、異なる空間方向へ互いに配向されており、
・各強化用繊維束が、互いに平行に整列された強化用繊維フィラメントからなり、かつ３〜５０ｍｍの範囲内の長さを有し、
・該繊維プリフォームの該壁が、３５体積％を超える強化用繊維の含有率を有し、かつ
・少なくとも１個の該第二帯域が、該壁の延在する該厚みに対して垂直の観察方向で、散在した領域を形成し、かつ少なくとも１本の繊維テープの端部のうち少なくとも１個が、該壁の内部で終わっている。

該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材は、すなわちその壁内に、強化用繊維束の少なくとも１個の第一帯域と、少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１個の第二帯域とを有する。この場合に、該第一帯域は、該壁内に、例えば１種以上の第二帯域が包埋されているつながった連続領域を形成することができる。その際に、該第二帯域は該壁内に配置されていてよい、すなわち該壁の延在する該厚みに対して垂直に観察する場合に島を形成する。該第二帯域は、しかし好ましい実施態様において該表面のうちの１個の領域中でも該第一帯域上に配置されていてよい、すなわち、該少なくとも１本の繊維テープは、この場合に該表面のうちの１個の上に例えば積層されている。しかしながら、第二帯域が、該壁の厚み全体にわたって延在し、かつその際に側面で第一帯域により区切られることも可能である。いずれにせよ、少なくとも１個の該第二帯域は、該壁の延在する該厚みに対して垂直の観察方向で、散在した領域を形成する、すなわち少なくとも１個の該第二帯域は、この観察方向でつながっている領域、すなわち連続領域を形成しない。説明したように、単独で少なくとも１個の該第一帯域は該壁全体にわたって延在することができる、すなわちつながっている連続領域を形成することができる。本発明による繊維プリフォームの好ましい実施態様において、少なくとも１個の該第一帯域は、該壁内で、強化用繊維束のつながっている領域を形成し、かつ該壁は、強化用繊維束のつながっている該領域中及び／又は該領域上に配置された少なくとも１個の散在した第二帯域を含む。

少なくとも１個の該第一帯域中で、該強化用繊維束は、延在する該厚みに対して平行の観察方向で、異なる空間方向へ互いに配向されており、すなわち該強化用繊維は、少なくとも１個の第一帯域中で、延在する該厚みに対して垂直の空間方向で等方性に分布もしくは配向されている。その際に、等方性は、個々の該強化用繊維束内で実際には該繊維の異方性の配向が存在することであると理解される。しかしながら、該束は全体として、優先配向を示すのではなくて、前記の空間方向へ等方性に配向されている。特により厚い壁又は該第一帯域のより厚い層の厚さの場合に、等方性の分布が、該壁の厚みの方向で延在する該空間方向を含めて、存在していてもよく、すなわち該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材は、少なくとも１個の該第一帯域中で、３つ全ての空間方向で等方性の構造を有していてよい。

本発明によれば、各強化用繊維束は、互いに平行に整列された強化用繊維フィラメントからなり、かつ３〜５０ｍｍの範囲内の長さを有する。好ましくは、該長さは１０〜５０ｍｍの範囲内である。少なくとも１個の該第一帯域中での強化用繊維の達成可能な含有率を鑑みて、特に４０体積％を上回る該強化用繊維の含有率を達成するために、本発明による繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁が、少なくとも１個の該第一帯域中で互いに多様な長さを有する強化用繊維束の複数の群を有する場合が有利であるので、全体として該強化用繊維束の該長さは分布を有する。例えば、２０、３０及び５０ｍｍの長さを有する強化用繊維束が互いに組み合わされていてよいかもしくは組み合わされてよい。

該強化用繊維束は、例えば５００〜５０ ０００本の強化用繊維フィラメントを有する常用のフィラメント糸からなっていてよい。しかし、各強化用繊維束が５００〜２４０００本の強化用繊維フィラメントからなる場合が有利である。少なくとも１個の該第一帯域中の該強化用繊維束のできるだけ均質な分布の達成のため及びできるだけ高い繊維含有率の達成のために、該強化用繊維中の該強化用繊維フィラメントの数は、特に好ましくは５００〜６０００の範囲内及び極めて特に好ましくは１０００〜３０００の範囲内である。

少なくとも１個の該第一帯域中での高い繊維体積含有率の達成のため、特に４０体積％を上回る該強化用繊維の含有率の達成のために、該壁が互いに異なる数の強化用繊維フィラメントを有する強化用繊維束の複数の群を有する場合に同様に有利であることがわかった、それというのも、それによって少なくとも１個の該第一帯域中での該束の高い充填密度が実現できるからである。例えば、３０００、６０００及び１２０００本の強化用繊維フィラメントを有する強化用繊維束を組み合わせることができる。

該束の高い充填密度の達成のため、すなわち少なくとも１個の該第一帯域中での４０体積％を上回る高い繊維体積含有率の達成のために、該強化用繊維束が、該束中で延在する該強化用繊維フィラメントに対して垂直に、できるだけ平らな断面を有する場合が更に有利である。好ましくは、該強化用繊維束は、ストリップ状で存在し、かつ少なくとも２５の束の厚さに対する束の幅の比を有する。特に好ましくは、束の厚さに対する束の幅の該比は３０〜１５０の範囲内である。

強化用繊維束の、束の厚さに対する束の幅のそれらの比に関して、それらの長さに関して並びに該強化用繊維フィラメントの数に関して適した選択により、該強化用繊維束の特に高い充填密度、ひいては少なくとも１個の該第一帯域中での特に高い繊維体積含有率を実現することができる。該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の極めて特に好ましい実施態様において、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁中で少なくとも１個の該第一帯域の領域中に配置された強化用繊維束は、平らな断面に加え、強化用繊維フィラメントの異なる長さ及び異なる数を有する。このことは、該プリフォームもしくは部材の該壁中での特に高い繊維体積含有率をもたらす。本発明によれば、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁は、延在する該壁にわたって、すなわち延在する該壁の各箇所で、少なくとも３５体積％の強化用繊維の含有率、好ましくは少なくとも４０体積％及び特に好ましくは４５体積％の強化用繊維の含有率を有する。特に、強化用繊維の該含有率が少なくとも５０体積％である場合に有利である、それというのも、このことが、該複合材料部材中での卓越した機械的性質をもたらすからである。その際に、該第一樹脂組成物への該強化用繊維束の予備含浸は、該繊維プリフォームの製造の際にこれらの強化用繊維束のコンパクトで安定な適用を可能にし、それと共にそのように高い繊維体積含有率の実現が支えられる。

該繊維プリフォームの該壁中での強化用繊維の含有率は、DIN EN 2564: 1998に従って決定することができる。このためには、該繊維プリフォームは、普通の方法により、エポキシ樹脂の場合に例えばHexFlow RTM 6（Hexcel社）に浸漬され、複合材料へと硬化される。硬化された複合材料から、試験体が切り抜かれ、次いで該試験体についてDIN EN 2564: 1998の規定に従い質量及び密度並びに該マトリックス樹脂の分離のための濃硫酸での処理後に該試験体中に含まれる該繊維の質量が算出される。DIN EN 2564: 1998の規定に従い、それによってまず最初に該繊維質量含有率を、それから生じて該繊維体積含有率もしくは強化用繊維の該含有率を、算出することができる。この方法は、該複合材料部材の場合に該繊維体積含有率の算出のためにも使用することができる。

該繊維プリフォーム中での該強化用繊維束は、本発明によれば、該繊維含有率を基準とした１〜１０質量％の範囲内の第一樹脂組成物の含量を有する。これにより、該繊維束に十分な安定性が付与され、かつ個々のフィラメント又はフィラメントの個々の群にばらけることが回避される。同時に、本発明による樹脂塗布の場合に、該強化用繊維束が該繊維プリフォームの形成の際に互いに付着し、かつ該繊維プリフォームがこうして更なる取扱いのために十分な安定性を獲得することが保証されている。この種の樹脂塗布は、しばしばバインダもしくはバインディングとも呼ばれる。既に説明したように、該結合部材の形成になお必要な実際の該マトリックス材料が、後の作業工程において初めて、インフュージョン又はインジェクションにより該プリフォーム中へ導入される。好ましくは、該繊維プリフォーム中の該強化用繊維束は、該繊維含有率を基準として２〜７質量％の範囲内の濃度の該第一樹脂組成物を含有する。

該第一樹脂組成物は、前記の課題を満たすバインダ材料であってよい。本発明の有利な態様において、該第一樹脂組成物は、熱的に活性化可能なバインダ材料、例えば熱可塑性プラスチックである。しかしながら好ましいのは、エポキシ樹脂系のバインダ材料であり、その際に該バインダ材料は何度も溶融可能であり、かつ室温への冷却により該固体状態へ移行可能である。この種の樹脂組成物もしくはそのような樹脂組成物を含有する強化用繊維は、例えば国際公開(WO)第2005/095080号に開示されている。国際公開(WO)第98/22644号にも、バインダとして適したこの種の樹脂組成物が記載されている。

少なくとも１個の該第二帯域上又は第二帯域内の少なくとも１本の該繊維テープ、ひいては少なくとも１個の第二帯域自体は、例えば特に高い応力の領域中で、該繊維プリフォームから製造された後での部材中でもしくは本発明による複合材料部材中で配置されており、かつそこで支配的な応力方向に相応して配向されている。少なくとも１本の該繊維テープはすなわち、好ましくは該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の壁中で力の流れに配向して配置されているか、もしくは負荷に適合して整列されている。その際に、少なくとも１本の該繊維テープもしくは複数の該繊維テープは、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁の側部もしくは縁部から、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の他の側部又は縁部まで、ひいては該面積全体でこの領域中で延在していてよい。その際に、該縁部は、該繊維プリフォームの外周を定義することができるが、しかしこれらは、該繊維プリフォームの内部で凹み、通路、突起部等によってももたらされる。

本発明による繊維プリフォームは、特に、該繊維プリフォームから製造すべき該部材中での局所的な応力に柔軟に適合可能であることにより特徴付けられる。ゆえに、該繊維プリフォームは実施態様において、少なくとも１本の繊維テープを有し、該繊維テープの端部のうち少なくとも１個が該壁の内部で終わっている、すなわち該繊維プリフォームの一方の縁部から他方の縁部へ延在していない。１本の繊維テープ又は複数の繊維テープは、すなわち該壁のそれぞれの広がっているかもしく延在している部分にわたってのみ、この１本の繊維テープもしくはこれらの複数の繊維テープの方向で延在し、すなわち島状又は半島状の領域を形成する。繊維テープの該端部はその際に、この繊維テープを構成する少なくとも１本の一方向に整列された該強化用糸ストランドの端部に相当する。例えば、繊維プリフォームもしくは複合材料部材が、取付け部の形成のための突起部を有する場合には、該突起部の領域中でのみ繊維テープが補強として施されていることも可能である。その際に、複数の該繊維テープもしくは少なくとも１本の繊維テープは、曲面シート中で走っていてもよいかもしくは適用されていてもよい。

好ましくは、少なくとも１本の該繊維テープは、少なくとも７ｃｍ及び特に好ましくは少なくとも１０ｃｍの長さを有する。より少ない長さの場合に、部材中での該繊維テープ中への力の伝達は不十分である。そのうえ、より短い繊維テープの該取扱いが特に、例えば独国特許公告(DE-B4)第10 2007 012 608号明細書に記載されるような自動化された適用の場合にも、難しくなる。特に好ましくは、少なくとも１本の該繊維テープは、少なくとも２０ｃｍの長さを有する。前もって説明したように、個々の場合に、該繊維テープ長の上限は該部材幾何学的形状からもたらされる。

少なくとも１本の該繊維テープは、例えば、広げられ、かつ平らにされた(flachgelegten)個々のマルチフィラメント強化用糸から、すなわち個々の強化用糸ストランドからなっていてよい。好ましくは、少なくとも１本の該繊維テープはしかしながら並んで及び互いに平行に配置された複数の強化用糸ストランドからなる。

その際に、本発明による繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の実施態様において、少なくとも１個の該第二帯域は、並んでかつ相互に重なり合って適用された複数のマルチフィラメント強化用糸からなっていてもよい個々の繊維テープからなっていてよい。しかしながら好ましくは、少なくとも１個の該第二帯域は層中で相互に重なり合って配置された複数の繊維テープを含み、その際に該層の数並びにそれらの幅は、後での部材中でのそれぞれの荷重からもたらされる。

説明したように、本発明による繊維プリフォームの特別な態様に基づいて、該繊維プリフォーム並びにこれから製造される該部材の負荷に適合した設計は、単純な方法で可能である。これは、本明細書では、少なくとも１本の該繊維テープが、好ましくは該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁中で力の流れに配向して配置されているか、もしくは負荷に適合して整列されていることによって達成される。実施態様において、ゆえに、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁は、少なくとも２本の繊維テープを含み、かつ少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１本の一方向に整列された該強化用糸ストランドの配向は、他の繊維テープの少なくとも１本の一方向に整列された該強化用糸ストランドの配向に対して異なる。実施態様において、その際に、第二帯域内で層中に相互に重なり合って配置された繊維テープもしくはこれらの繊維テープを構成し、該繊維テープ内に一方向に整列された該強化用糸ストランドは、異なる配向を有していてよい。該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の該壁上及び／又は該壁中での複数の第二帯域の場合に、更なる実施態様において、異なる第二帯域の繊維テープもしくは異なる第二帯域の該繊維テープを構成し、該繊維テープ内に一方向に整列された該強化用糸ストランドは、異なる配向を有していてよい。異なって配向された該強化用糸ストランドは例えば、５°〜１７５°及び好ましくは２０°〜１６０°の範囲内の角度αを互いに形成することができる。もちろん、複数の繊維テープが、１個の第二帯域及び異なる複数の第二帯域内で異なる配向を互いに有する実施態様も含まれている。

更に好ましい実施態様において、少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１本の一方向に整列された強化用糸ストランドもしくは少なくとも１本の繊維テープが、長軸方向での延在に関して、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の縁部のいずれに対しても平行に整列されていない。

本発明によれば、一方向に整列された該強化用糸ストランドもしくは少なくとも１本の該繊維テープは、第二樹脂組成物を含有する。これにより、該少なくとも１本の繊維テープの確実な適用及び固定が可能になり、かつ該繊維プリフォームの安定化が達成される。用途に応じて、該繊維テープは、いわゆる一方向プリプレグであってもよく、その際に、一方向に整列された強化用繊維が既にマトリックス樹脂に浸漬されており、かつ該プリプレグ中での該マトリックス樹脂の濃度が本質的には既に該部材中の濃度に相当し、すなわち約２５〜４５質量％の範囲内である。好ましくは、本発明による繊維プリフォームの少なくとも１本の該繊維テープは、しかしながら該繊維含有率を基準として、１〜１０質量％の濃度の該第二樹脂組成物を含有する。該第二樹脂組成物は、すなわちそうすると同様にバインダ材料として作用する。この種の濃度の場合に、一方では前記の良好な操作可能性及び固定が保証されている。他方では、少なくとも１本の該繊維テープは、十分なフレキシビリティを有し、かつ後での部材製造の際に、該マトリックス樹脂での良好なインフィルトレーション性が与えられている。

該繊維プリフォームの少なくとも１個の該第二帯域の少なくとも１本の該繊維テープ中での強化用繊維の含有率は７０体積％未満であるべきであり、それによって完成した部材中でマトリックス樹脂でのインフィルトレーション後に、該マトリックス樹脂中での該強化用繊維の本質的に完全な包埋が保証されている。他方では、該繊維含有率はできるだけ高いべきであり、それによって与えられた体積で、できるだけ高い強化作用が達成される。とりわけ実際の取扱適性の見地に立っても、該繊維プリフォームもしくは該複合材料部材の少なくとも１本の該繊維テープ中での強化用繊維の体積含有率が、４０〜６５体積％の範囲内及び好ましくは５０〜６５体積％の範囲内であることが適していることが判明している。

該第二樹脂組成物は、該第一樹脂組成物のように、熱的に活性化可能なバインダ材料、例えば熱可塑性プラスチックであってよい。好ましくは、同様にエポキシ樹脂系のバインダ材料であり、その際に該バインダ材料は何度も溶融可能であり、かつ室温への冷却により該固体状態へ移行可能である。該第二樹脂組成物に関してもしくはこれらの樹脂組成物を有する該繊維テープに関しても、例えば、国際公開(WO)第2005/095080号に開示された糸及び樹脂組成物を参酌することができる。好ましくは、該第一樹脂組成物及び該第二樹脂組成物は化学的に似ており、かつ特に好ましくは同じである。適した樹脂組成物もしくはバインダ材料は、例えば、既に述べた国際公開(WO)第98/22644号にも記載されている。

本発明による繊維プリフォーム中もしくは本発明による複合材料部材中で使用される強化用繊維もしくは強化用繊維糸は、炭素、ガラス、アラミド、セラミック、ホウ素、鋼をベースとするもの又は合成ポリマー、例えばポリアミド、ポリヒドロキシエーテル、ポリエチレン、特にＵＨＭＷポリエチレン、又はポリエステルをベースとするもの、又はこれらの材料の組合せ、例えば混繊糸（co-mingled yarns）の形態のものであってよい。好ましい実施態様において、該強化用繊維束の該強化用繊維及び／又は少なくとも１本の該繊維テープの該強化用糸ストランドは、炭素繊維である。これらは、ピッチ予備生成物、ポリアクリロニトリル予備生成物又はビスコース予備生成物から取得された炭素繊維であってよい。

等方性に整列された強化用繊維束及び力の流れに配向して整列された繊維テープもしくは強化用糸ストランドの組合せは、費用がかからずにかつ同時に、後での部材中での特異的な応力に適合された繊維プリフォームの製造を可能にする。こうして、強化用繊維束を有する該第一帯域は、例えばいわゆるスプレーアップ法(Faserspritzverfahren)により、費用がかからずに形成されることができ、該法の場合に、該第一樹脂組成物に入れられた強化用繊維糸が、カッティングヘッドに供給され、所望の長さを有する相応して測定された束に切断され、引き続き該繊維プリフォームの最終外形に適合された金型中へスプレーされる。選択的に、相応する強化用繊維束の充填物(Schuettung)も該金型中で適用することができる。双方の場合に、該強化用繊維束の該位置決めは、この場合に穴あけされている該金型への真空の適用により支援することができる。

同時に又は例えば後でも、後での部材中で高められて負荷される領域中で、該負荷の方向で配向して繊維テープを適用することができ、その際にこのために技術水準に公知の方法を使用することができ、例えば国際公開(WO)第2007/101578号に開示された適用法は、該第二樹脂組成物の塗布のためのフレームスプレー法の使用下に該適用中に又は独国特許公告(DE-B4)第10 2007 012 608号明細書に開示された方法は、熱的に活性化可能なバインダ材料が、例えば熱可塑性プラスチック、すなわち第二樹脂組成物が設けられている繊維テープもしくは強化用糸ストランドが、自動化された適用装置を用いて、レーイングヘッド上で位置決定されることによる。この種の方法は、"ファイバープレースメント法"という名称でも知られている。

このようにして、技術水準の繊維プリフォームとは異なり、本発明を用いて、原則的には各々任意の平らなもしくは二次元の表面幾何学的形状を有するか又は好ましくは平らな表面幾何学的形状と相違する三次元の表面幾何学的形状を有する繊維プリフォームを準備することができる。本発明による繊維プリフォーム及び本発明による複合材料部材も、延在するその壁にわたって異なる壁の厚さ又は突起部、通路等も有していてよい。好ましい繊維プリフォームは、ゆえに特に少なくとも１個の該第一帯域の範囲内で異なる壁の厚さを有する。

それゆえ、本発明による繊維プリフォームもしくは本発明による複合材料部材は、多数の異なる態様で存在していてよい。該第一及び第二帯域の互いにフレキシブルな制御により、該部材中での該応力への簡単な適合を行うことができる。そして、応力層に応じて、該壁の厚さの増加による適合も、第一帯域の追加の割合を通じて、すなわち強化用束の添加により、行うことができる。同じように、特定領域内で、力の流れに配向された繊維テープを有する第二帯域による強化が可能である。その際に、部材に応じてもしくは繊維プリフォームに応じて、強化用繊維束を有する第一帯域の割合が、強化用糸ストランドの繊維テープを有する第二帯域の割合に比べて優っていてよいか又はその逆であってよい。これに関する態様にとって決定的であるのは、完成した部材中での予測される負荷並びに例えば壁の厚さ、質量、体積等に関する及びとりわけ該部材の製造コストにも関する達成すべき目標である。

本発明は、以下の図に基づいて、例示的により詳細に説明され、その際に該図は、何ら限定する性質を有するものではない。概略図を示す：

曲面カロットセグメントの形状の本発明による繊維プリフォームの上面図。 図１に示された繊維プリフォームセグメントのＡ − Ａ線に沿った横断面図。

図１は、第一表面２と、第二表面３と、該表面間に延在する厚みとを有する曲面カロットセグメント(gekruemmten Kalottensegment)の形状の繊維プリフォーム１を略示的に示す。該第一表面２の上面で、多様な方向で平均して等方性に配向されている強化用繊維束５の第一帯域４が確認できる。該強化用繊維束５は、互いに平行な短く切断された強化用フィラメント６から作られており、その際に該束中での該強化用繊維フィラメントの数は、５００〜５０ ０００の範囲内であってよい。該強化用繊維束５には、第一樹脂組成物が備えられており、それにより、該強化用繊維束相互の良好な付着が達成され、かつ該繊維プリフォームは、更なる取扱いのために十分な安定性を得る。

当該例において、該繊維プリフォーム１は、その第一表面２上に一方向に整列された強化用糸ストランド８ａ、８ｂからなる繊維テープの形態の２個の第二帯域７ａ、７ｂを有する。示された例において、該第二帯域７ａは、該表面２上で一方の縁部から反対側の縁部へと延在するのに対し、該第二帯域７ｂは、該表面のセグメント上にのみ走り、かつ該壁の内部で終わっている。該第二帯域７ａ、７ｂの該強化用糸ストランド８ａ、８ｂは、異なる方向へ配向されており、かつ該繊維プリフォームの該縁部のいずれに対しても平行に整列されていない。

図２は、図１に略示的に示された該繊維プリフォームセグメントの横断面図を示す。ゆえに、同じ部分には、また同じ参照番号が設けられている。該繊維プリフォーム１は、第一表面２及び第二表面３を有する曲面セグメントとして存在し、該表面間に該繊維プリフォームの該壁の該厚みが延在する。該壁は、第一帯域４と、第二帯域７ａ、７ｂ、９、１０とから作られており、その際に該横断面図中で、強化用繊維束５の該第一帯域４が、つながっている領域を形成し、かつ連続相と呼ぶことができることが明らかになる。これに対して該第二帯域７ａ、７ｂ、９、１０は、散在した領域として該第二帯域中に包埋されている。図２には、その際に、図１に示された該帯域７ａ、７ｂ以外にも、該第一表面２上で、該第一帯域４により完全に包まれている２個の更なる第二帯域９、１０が該壁内部に示されている。該第二帯域７ａ、７ｂ、９、１０は、複数の層中で相互に重なり合って配置されている強化用糸ストランド８、８ａ、８ｂから作られている。

図１及び２に示された繊維プリフォームは、相対的に大きな厚さを有する。ゆえに、この例の場合に、横断面図中でも、該強化用繊維束５は、該壁横断面で本質的に等方性に配向されている。

１ 繊維プリフォーム、 ２ 第一表面、 ３ 第二表面、 ４ 第一帯域、 ５ 強化用繊維束、 ６ 短く切断された強化用フィラメント、 ７ａ、７ｂ 第二帯域、 ８、８ａ、８ｂ 強化用糸ストランド、 ９、１０ 第二帯域

Claims (17)

1. 繊維複合構造体を製造するための、壁が強化用繊維から作られている繊維プリフォームであって、
   ・該壁が、第一表面と、該第一表面と反対側の第二表面と、該表面間に延在する厚みとを有し、かつ縁部により区切られており、
   ・該壁が、第一樹脂組成物を有する強化用繊維束の少なくとも１個の第一帯域と、第二樹脂組成物を有する少なくとも１本の一方向に整列された強化用糸ストランドからなる少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１個の第二帯域とを含み、
   ・少なくとも１個の該第一帯域中での該強化用繊維束が、延在する該厚みに対して平行の観察方向で異なる空間方向へ互いに配向されており、
   ・各強化用繊維束が、互いに平行に整列された強化用繊維フィラメントからなり、３〜５０ｍｍの範囲内の長さを有し、かつ該繊維質量を基準として、１〜１０質量％の範囲内の濃度の該第一樹脂組成物を含有し、
   ・該繊維プリフォームの該壁が、３５体積％を超える強化用繊維の含有率を有し、かつ
   ・少なくとも１個の該第二帯域が、該壁の延在する該厚みに対して垂直の観察方向で、散在した領域を形成し、かつ少なくとも１本の繊維テープの端部のうち少なくとも１個が、該壁の内部で終わっている、
   繊維複合構造体を製造するための繊維プリフォーム。
2. 該壁が、少なくとも２本の繊維テープを含み、かつ少なくとも１本の該繊維テープの少なくとも１本の一方向に整列された該強化用糸ストランドの配向が、他の繊維テープの少なくとも１本の一方向に整列された該強化用糸ストランドの配向に比べて異なっている、請求項１記載の繊維プリフォーム。
3. 少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１個の一方向に整列された該強化用糸ストランドが、該縁部のいずれに対しても平行に整列されていない、請求項１又は２記載の繊維プリフォーム。
4. 該強化用繊維束の該強化用繊維及び／又は少なくとも１本の該繊維テープの該強化用糸ストランドが、炭素繊維である、請求項１から３までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
5. 少なくとも１個の該第一帯域が、該壁内で強化用繊維束の連続領域を形成し、かつ該壁が、強化用繊維束の連続領域中及び／又は連続領域上に配置された少なくとも１個の散在した第二帯域を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
6. 各強化用繊維束が、１０〜５０ｍｍの範囲内の長さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
7. 該壁が、互いに異なる長さを有する強化用繊維束の複数の群を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
8. 各強化用繊維束が、５００〜２４０００本の強化用繊維フィラメントを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
9. 該壁が、互いに異なる数の強化用繊維フィラメントを有する強化用繊維束の異なる群を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
10. 該壁が、少なくとも１個の該第一帯域中で、少なくとも４５体積％の強化用繊維の含有率を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
11. 該強化用繊維束が、該繊維含有率を基準として、２〜５質量％の範囲内の濃度の該第一樹脂組成物を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
12. 少なくとも１本の該繊維テープが、並んで配置された複数の強化用糸ストランドからなる、請求項１から１１までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
13. 少なくとも１本の該繊維テープが、少なくとも７ｃｍの長さを有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
14. 少なくとも１本の該繊維テープが、該繊維含有率を基準として、１〜１０質量％の濃度の該第二樹脂組成物を有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
15. 該第一樹脂組成物と該第二樹脂組成物とが同じである、請求項１から１４までのいずれか１項記載の繊維プリフォーム。
16. 請求項１から１５までのいずれか１項記載の繊維プリフォームから製造できる複合材料部材。
17. 壁がポリマーマトリックス中に包埋された強化用繊維から作られている複合材料部材であって、
    ・該壁が、第一表面と、該第一表面と反対側の第二表面と、該表面間に延在する厚みをと有し、かつ縁部により区切られており、
    ・該壁が、強化用繊維束の少なくとも１個の第一帯域と、少なくとも１本の一方向に整列された強化用糸ストランドからなる少なくとも１本の繊維テープの少なくとも１個の第二帯域とを含み、
    ・少なくとも１個の該第一帯域中での該強化用繊維束が、延在する該厚みに対して平行の観察方向で、異なる空間方向へ互いに配向されており、
    ・各強化用繊維束が、互いに平行に整列された強化用繊維フィラメントからなり、かつ３〜５０ｍｍの範囲内の長さを有し、
    ・該繊維プリフォームの該壁が、３５体積％を超える強化用繊維の割合を有し、かつ
    ・少なくとも１個の該第二帯域が、該壁の延在する該厚みに対して垂直の観察方向で、散在した領域を形成し、かつ少なくとも１本の繊維テープの端部のうち少なくとも１個が、該壁の内部で終わっている、
    複合材料部材。

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