JP2014000809A - マトリックスの塗布と同時の成形繊維の形成 - Google Patents

Abstract

【課題】複合品を製造するシステムおよび方法であって、平らな表面および比較的に鋭いコーナを有する、複合品用の繊維を製造するシステムおよび方法、並びに複合レイアップに樹脂を塗布することに関連した時間、費用および複雑さを排除するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】複合品用の被覆繊維は、繊維体およびマトリックス層を含むことができる。繊維体は、少なくとも１つの繊維表面を有することができる。マトリックス層は、繊維表面を少なくとも部分的に被覆することができ、繊維体の形成中に塗布することができる。繊維体が、繊維表面および少なくとも１つの繊維体コーナを含む断面形状を有し、マトリックス層が、繊維体コーナにおけるコーナ領域マトリックス厚および繊維表面における表面マトリックス厚を有し、コーナ領域マトリックス厚が、表面マトリックス厚よりも少なくとも約１０パーセントだけ厚い被覆繊維。
【選択図】なし

Description

本出願は、２０１２年６月１４日に本出願と一緒に出願した「ＢＩＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＦＩＢＥＲＳ ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ ＮＡＮＯ−ＦＩＬＡＭＥＮＴＳ ＦＯＲ ＵＳＥ ＩＮ ＯＰＴＩＣＡＬＬＹ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ」という名称の米国特許出願第１３／５２３，１０８号に関連する。

本開示は一般に複合材料に関し、より詳細には、光学性能が向上した繊維強化複合品の製造に関する。

複合品を製造する従来の工程は、複数の繊維を含む乾燥繊維プリフォームを用意することを含む。この乾燥繊維プリフォームを、複合品の最終的な形状に近い形成工具上に配置する。乾燥繊維プリフォームを形成工具上に配置した後、これとは別に、乾燥繊維プリフォームに樹脂を塗布する。例えば、真空圧を使用して、樹脂容器の液体樹脂を乾燥繊維プリフォームに注入する。樹脂を注入した、硬化または固化することができるプリフォームに熱および／または圧力を加えて、複合品を形成することができる。

乾燥繊維プリフォームに樹脂を別個に注入することは、複合品を形成する概ね満足のいく技法だが、この工程は、その全体的な有用性を損なういくつかの欠点を含む。例えば、乾燥繊維プリフォームに液体樹脂を別個に注入するには、樹脂容器、樹脂導管、流動媒体、真空装置などの専用機器の使用が必要となる。専用の機器が必要なことによって、工程の複雑さ、ならびに複合品を生産するのに必要な全体の費用および時間が増大する。

複合品を製造する別の工程では、乾燥繊維層の間に薄い樹脂フィルムを挟み込んで、形成工具上で複合レイアップを形成する。この複合レイアップに熱を加えて、樹脂フィルムの粘度を低下させ、樹脂を流動化させ、樹脂が乾燥繊維の層と混合し、樹脂が乾燥繊維の層に注入されるようにする。複合レイアップの硬化中に熱および／または圧力を加えてもよい。薄い樹脂フィルムの使用は、乾燥繊維に樹脂を施すことに関連した複雑さの一部を低減させることがあるが、個々の樹脂フィルム層を乾燥繊維層と一緒に配置する必要があるため、この工程は、労働集約的な時間のかかる工程である。

複合品を製造する従来の工程に関連した他の欠点は、個々の繊維に特定の断面形状を与えることが望ましいことに関係する。例えば、複合品の光学性能を向上させるため、それぞれの繊維に、平らな表面および比較的に鋭いコーナを形成することが望ましいことがある。残念なことに、繊維を製造する従来の工程では、表面エネルギー効果によって繊維の表面およびコーナが丸くなる（ラウンディング）。繊維の表面およびコーナが丸くなる結果、複合品を通過する光が光学的に歪むことがあり、それによって複合品の光学性能が低下することがある。

米国特許出願第１３／５２３，１０８号

したがって、当技術分野では、複合品を製造するシステムおよび方法であって、複合レイアップに樹脂を塗布することに関連した時間、費用および複雑さを排除するシステムおよび方法が求められている。当技術分野ではさらに、平らな表面および比較的に鋭いコーナを有する、複合品用の繊維を製造するシステムおよび方法が求められている。

複合品の製造に関連した上記の必要性は特に、本開示によって対処され、軽減される。本開示は、一実施形態において、複合品用の被覆された繊維（以後、被覆繊維）を提供する。被覆繊維は、繊維体およびマトリックス層を含むことができる。繊維体は、少なくとも１つの繊維表面を有することができる。マトリックス層は、繊維表面を少なくとも部分的に被覆することができ、繊維体の形成中に塗布することができる。

複数の繊維体を使用して形成することができる複合品も開示される。繊維体はそれぞれ、少なくとも１つの繊維表面を有することができる。マトリックス層が、少なくとも１つの繊維体の繊維表面を少なくとも部分的に被覆することができる。このマトリックス層は、繊維体を形成するのと実質的に同時に塗布することができる。

加えて、複合品用の被覆繊維を製造する方法が開示される。この方法は、少なくとも１つの繊維表面を有する繊維体を形成するステップを含むことができる。この方法は、繊維体を形成するのと実質的に同時に、繊維表面にマトリックス層を塗布するステップも含むことができる。

他の実施形態では、複合品を形成する方法が開示され、この方法は、複数の被覆繊維を用意するステップを含むことができ、被覆繊維はそれぞれ、繊維体の形成中にマトリックス材料で被覆された繊維体からなることができる。複合品を形成するこの方法は、マトリックス材料の粘度を低下させて、複数の被覆繊維のマトリックス材料の混合を生じさせるステップをさらに含むことができる。複合品を形成するこの方法は、加えて、マトリックス材料を硬化および／または硬質化させて、複合品を形成するステップを含むことができる。

複合品に荷重をかける方法も開示される。この方法は、複数の被覆繊維から形成された複合品を用記するステップを含むことができ、被覆繊維はそれぞれ、繊維体と、繊維体を形成するのと実質的に同時に繊維体に塗布されたマトリックス層とを含む。複合品を使用するこの方法は、複合品を荷重がかかっていない状態に置くステップをさらに含む。複合品を使用するこの方法は、加えて、複合品を荷重がかかった状態に置くステップを含む。

上で論じた特徴、機能および利点は、本開示のさまざまな実施形態において独立して達成することができ、または、他の実施形態では、上で論じた特徴、機能および利点を組み合わせることができる。それらの実施形態のさらなる詳細は、以下の説明および下記の図面を参照することによって理解することができる。

本開示のこれらの特徴およびその他の特徴は、図面を参照することによってより明白になるであろう。図面の全体を通じて同様の符号は同様の部分を指す。

複合パネルとして構成された複合品の透視図である。 マトリックス材料の中に埋め込まれた複数の繊維体を示す、図１の複合品の一部分の拡大図である。 直交積層（ｃｒｏｓｓ−ｐｌｙ）構成として配置された繊維体層を示す、図２の複合品の側面図である。 繊維体の形成と同時に塗布することができるマトリックス材料の被覆物を有する繊維体を含む、被覆繊維の断面図である。 マトリックス材料を加熱する前の第１の状態にある、図４の複数の被覆繊維の端面図である。 異なる被覆繊維のマトリックス材料を加熱および混合した後の第２の状態にある、図４の複数の繊維体の端面図である。 被覆繊維を形成する繊維−マトリックス形成装置の一実施形態の略図である。 ノズルから繊維体を引き抜いたときの繊維体へのマトリックス材料の塗布を示す、繊維−マトリックス形成装置のノズルの拡大図である。 繊維体ダイを取り囲むマトリックス層ダイを示すノズルの断面図である。 全体に鋭い丸くない繊維体コーナの構成と全体に平らな丸くない繊維表面とを示す、繊維−マトリックス形成装置を使用して形成した被覆繊維の一実施形態の断面図である。 マトリックス材料を塗布せずに繊維材料を引き抜く繊維形成装置のノズルの略図である。 図１１の繊維形成装置のノズルの断面図である。 表面エネルギー効果の結果として丸くなった繊維の表面およびコーナを示す、図１２のノズルを使用して形成した繊維の断面図である。 被覆繊維を使用して形成した複合品を通過する複数の光線の断面図であり、それらの光線の合成された角度および経路長の最小限の差を示す図である。 繊維体コーナに厚くマトリックス材料が塗布された、被覆繊維の断面図である。 マトリックス材料を加熱する前の第１の状態にある、図１５の複数の被覆繊維の端面図である。 異なる被覆繊維のマトリックス材料を加熱および混合した後の第２の状態にある、図１５の複数の繊維体の端面図である。 上面マトリックス厚と下面マトリックス厚とが異なる、被覆繊維の一実施形態の断面図である。 側面マトリックス厚が上面および下面マトリックス厚とは異なる、被覆繊維の他の実施形態の断面図である。 断面が台形の被覆繊維の一実施形態の断面図である。 断面が三角形の被覆繊維の一実施形態の断面図である。 断面が菱形の被覆繊維の一実施形態の断面図である。 シート構成を有する被覆繊維の一実施形態の断面図である。 複数の繊維体がマトリックス材料によって取り囲まれたマクロ繊維（ｍａｃｒｏ ｆｉｂｅｒ）の一実施形態の断面図である。 マトリックス材料を加熱する前の第１の状態にある、図２４の複数のマクロ繊維の端面図である。 マトリックス材料を加熱および混合した後の第２の状態にある、図２４の複数のマクロ繊維の端面図である。 複数の繊維体がマトリックス材料によって取り囲まれたマクロ繊維の他の実施形態の断面図であり、この実施形態では、マクロ繊維が平行四辺形の断面形状を有する。 マクロ繊維体のコーナに厚くマトリックス材料が塗布された、マクロ繊維の代替実施形態の断面図である。 他の繊維体とかみ合うための切欠き領域を有する繊維体の一実施形態の断面図である。 平面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）かみ合いを提供するように構成された複数の繊維体を有するマクロ繊維の一実施形態の断面図である。 他の繊維体とかみ合うための切欠き領域を有する繊維体の他の実施形態の断面図である。 他の繊維体との平面内かみ合いおよび平面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）かみ合いを提供するように構成された図３１の複数の繊維体を有する、マクロ繊維の他の実施形態の断面図である。 少なくとも１つの被覆繊維を取り囲む犠牲材料を含む、３構成要素繊維の透視図である。 図３３の３構成要素繊維の断面図である。 犠牲材料を除去した後の図３４の被覆繊維の透視図である。 被覆繊維の断面図である。 繊維体コーナに厚く犠牲材料が塗布された、３構成要素繊維の他の実施形態の断面図である。 犠牲材料を除去した後の図３７の被覆繊維の断面図である。 マトリックス材料で被覆された複数の繊維体を含むマクロ繊維を犠牲材料が取り囲む、３構成要素繊維の一実施形態の断面図である。 犠牲材料を除去した後の図３９のマクロ繊維の断面図である。 テープ構成の複数のマクロ繊維を犠牲材料が取り囲む、３構成要素繊維の一実施形態の断面図である。 テープ構成の複数の個々のマクロ繊維を示す、犠牲材料を除去した後の図４１のマクロ繊維の断面図である。 被覆繊維を形成する方法の一実施形態の流れ図である。 複合品を形成する方法の一実施形態の流れ図である。 複合品を使用する方法の一実施形態を示す流れ図である。 １つまたは複数の実施形態の複合品を組み込むことができる航空機の透視図である。

次に、これらの図面を参照して、本開示の好ましいさまざまな実施形態を示す。図１には、複合パネル２７４として構成された複合品２７０が示されている。複合品２７０は、複数の被覆繊維１００（図４）を使用して形成することができる。被覆繊維１００はそれぞれ繊維体１０２を含むことができ、繊維体１０２は、繊維体１０２の形成時に繊維体１０２に塗布されたマトリックス材料１５０を有する。有利には、繊維体１０２と周囲のマトリックス材料１５０とを同時に形成することによって、樹脂を別個に塗布することに関連した時間、経費および複雑さを低減させることができる。さらに、繊維体１０２と周囲のマトリックス材料１５０とを同時に形成することは、表面エネルギー効果によって引き起こされることがある後により詳細に説明する表面フィーチャ（ｓｕｒｆａｃｅ ｆｅａｔｕｒｅ）のラウンディングを最小限に抑えることによって繊維体１０２の寸法および断面形状をより正確に制御するための手段となりうる。

有利には、繊維体１０２の寸法および形状の制御が向上する結果、複合品２７０の最終的な寸法（例えば厚さ）の制御がより正確になる可能性があり、その結果、複合品２７０の光学性能および／または耐衝撃性能が向上する可能性がある。マトリックス材料１５０は、正確に制御されたマトリックス厚１５４（図４）で繊維体１０２に塗布することができる。マトリックス厚１５４の相対寸法の制御および繊維体断面積１０６（図４）の制御は、ある特定の繊維体積分率２８２を有する複合品２７０を形成するより正確な手段を提供することができる。マトリックス材料１５０は、加工性、光学特性、機械特性、耐久性、耐湿性およびマトリックス材料１５０の他の特性に基づいて選択することができる。繊維材料は、後により詳細に説明する機械性能および光学特性に基づいて選択することができる。繊維体１０２は、１つまたは複数の特定の断面形状１０４を有するように形成することができ、断面形状１０４は、複合品２７０の全体的な所望の特性に基づいて最適化することができる。

図１では、複合品２７０が、全体に平らなパネル表面２７６を有する複合パネル２７４として示されている。しかしながら、複合品２７０は、限定されない多種多様な大きさ、形状および構成のうちの任意の大きさ、形状および構成を有するように形成することができ、平らな表面および／または複合曲率を有する表面を含むことができる。一実施形態では、複合品２７０が、光学的に実質的に透明な複合パネル２７４として製造され、マトリックス材料１５０が、実質的に透明なポリマーマトリックスを含み、繊維体１０２が、実質的に透明な繊維を含む。しかしながら、不透明なまたは実質的に透明でない複合品２７０として複合品２７０を製造することもできる。

図２を参照すると、マトリックス材料１５０の中に直交積層構成３０４として配置された複数の繊維体１０２を示す、複合品２７０の一部分が示されている。平行四辺形２３０の断面形状１０４を有する繊維体１０２が示されている。しかしながら、繊維体１０２は、後述する異なるさまざまな断面形状１０４のうちの任意の断面形状を有するように形成することができる。マトリックス断面積１６８（図４）に対して特定の断面積１０６（図４）を有する繊維体１０２を形成することができる。総繊維体積２７８および総マトリックス体積２８０を、比較的に狭い公差内に制御することができ、それによって、複合品２７０の所望の繊維体積分率２８２を比較的に高度に制御することができる。

加えて、図２に示した繊維延伸方向１２６に沿って繊維体１０２を縦に引き伸ばすことができる。１つまたは複数の繊維体１０２を、図２３に示された後により詳細に説明するシート２２８として形成してもよい。シート２２８は、単一の方向に沿って１方向に引き伸ばすことができる。あるいは、シート２２８を、２つの方向に沿って２方向に引き伸ばすこともできる。この２つの方向は、互いに対して概ね垂直な方向とすることができる。断面形状に関係なく、繊維体１０２は、マトリックス材料１５０を塗布する前または塗布している最中に引き伸ばすことができる。繊維体１０２を引き伸ばすと、同じ種類の材料の引き伸ばされていない繊維に比べて、繊維体１０２の強度が増大することがある。例えば、繊維体１０２を、ポリアミドなどのポリマー材料から形成することができる。このポリアミドを、繊維体１０２の形成中または繊維体の形成後に意図的に引き伸ばすことができる。繊維体１０２を引き伸ばすことによって、繊維の分子が実質的に整列することがあり、それによって繊維体１０２の引張強度および剛性が増大することがある。複合品２７０の固化または硬化したマトリックス材料１５０の中に埋め込まれたとき、引き伸ばされた繊維体１０２は、複合品２７０の特定の性能を向上させることがある。

図３は、複数の被覆繊維１００（図４）から形成された複合品２７０の断面図である。被覆繊維１００はそれぞれ、マトリックス層１５２（図４）と同時に形成された繊維体１０２からなることができる。繊維体１０２はそれぞれ、繊維体上面１１２および／または繊維体下面１１４に対して垂直でない向きに形成された繊維体側面１１６を有することができる。示した実施形態では、隣接する繊維体１０２の繊維体側面１１６間のギャップ３０６の大きさを最小化するため、繊維体１０２が、互いの比較的に近くに、横ならびに置かれている。繊維体１０２の形成中にそれぞれの繊維体１０２にマトリックス層１５２を塗布することによって、比較的にまっすぐなまたは平らな繊維体側面１１６ならびに比較的にまっすぐなまたは平らな繊維体上面および繊維体下面１１２、１１４が形成されるように、繊維体断面形状１０４（図１）をより正確に制御することができる。繊維体断面形状１０４のこの向上した寸法制御によって、繊維体１０２の丸くなったまたは平らでない表面およびコーナに起因する回折効果および屈折効果によって生じる光学歪みを低減させることができる。

加えて、繊維体断面形状１０４（図１）の寸法制御の向上は、繊維体１０２を互いの比較的に近くに配置して、繊維体１０２間のギャップ３０６の大きさを最小化することを可能にすることができる。繊維体側面１１６間のギャップ３０６の大きさを最小化することによって、隣接する繊維体１０２間のギャップ３０６を通過する光に対する繊維体１０２を通過する光の位相差（図示せず）に起因する光学歪みを最小化することができる。繊維体１０２のこの寸法制御の向上によって、隣接する層３００の繊維体１０２の繊維体上面１１２と繊維体下面１１４との間のギャップ３０８の大きさを制御する能力を向上させることもできる。繊維体１０２間のギャップ３０６、３０８をより正確に制御することができる結果、複合品２７０の繊維体積分率２８２（図２）をより正確に制御することができる。繊維体積分率２８２を増大させると、複合品２７０の特定の性能が向上することがある。

図４は、マトリックス層１５２によって取り囲まれた繊維体１０２を含む被覆繊維１００の断面を示す。マトリックス層１５２は、繊維体表面１１０に、実質的に均一な厚さで塗布することができる。しかしながら、後述するように、断面形状の位置によって厚さが異なるマトリックス層１５２を塗布することもできる。示した実施形態では、繊維体１０２が、繊維体上面１１２、繊維体下面１１４、ならびに繊維体上面１１２および繊維体下面１１４に対して垂直でないある角度１１８をなすように形成された一対の繊維体側面１１６を含む平行四辺形２３０（図５）の形状を有する。しかしながら、繊維体側面１１６を、繊維体上面１１２および／または繊維体下面１１４に対して垂直に形成することもできる。繊維体上面１１２、繊維体下面１１４および繊維体側面１１６は実質的に平らな表面として示されているが、繊維体上面および下面１１２、１１４ならびに／または繊維体側面１１６が、わずかな凹形またはわずかな凸形の湾曲を含むわずかな湾曲を有していてもよく、これらの表面は、厳密に実質的に平らなまたは平坦な輪郭だけに限定されない。

繊維体１０２は、繊維体幅１２４および繊維体厚１２２を有する。繊維体厚１２２は、約３ミクロンから約５，０００ミクロンとすることができる。しかしながら、限定されない任意の繊維体幅１２４または任意の繊維体厚さ１２２を有する繊維体１０２を使用することができる。繊維体１０２は全体に細長い断面形状を有し、繊維体１０２の断面形状は、層３００（図３）の繊維体側面１１６間のギャップ３０６の数を最小化するために、比較的に大きなアスペクト比で形成されることが好ましい。繊維体１０２のアスペクト比は、繊維体幅１２４と繊維体厚１２２の比と定義することができる。一実施形態ではこのアスペクト比が約３から約５００であるが、任意のアスペクト比の繊維体１０２を形成することができる。図４は、平行四辺形２３０の形状（図５）を有する繊維体１０２を示しているが、限定されないさまざまな代替形状および構成のうちの任意の形状および構成を有する繊維体１０２を使用することができる。例えば、後述するように、台形２３２（図２０）、三角形２３４（図２１）もしくは菱形２３６（図２２）、または他の形状および大きさを有する繊維体１０２を使用することができる。

図５は、複合品２７０の最終的な形状に近いことがある形成工具（図示せず）上などに、層３００として配置された複数の被覆繊維１００の端面図である。マトリックス材料１５０を加熱してマトリックス材料１５０の混合を生じさせる前の第１の状態にある被覆繊維１００が示されている。単一の層３００が示されているが、被覆繊維１００の複数の層３００を使用することができる。被覆繊維１００の層３００は、複合品２７０の所望の強度特性を達成する所望の向きに配置することができる。示した実施形態では、側面１１６間のギャップ３０６の大きさを最小化するため、被覆繊維１００が、互いの比較的に近くにまたは互いにじかに接して、横ならびに置かれている。前述のとおり、側面１１６間のギャップ３０６の大きさを最小化することによって、複合品２７０の光学性能を向上させることができる。加えて、繊維体積分率２８２（図２）を増大させることによって、複合品２７０の特定の強度特性を向上させることができる。側面１１６を比較的に近くに配置することによって、耐衝撃性能も向上させることができ、それによって発射物による複合品２７０への貫入を低減させることができる。

図６は、マトリックス材料１５０を加熱した後の第２の状態にある繊維体１０２の端面図である。マトリックス材料１５０を加熱することによって、マトリックス材料１５０の粘度が低下し、同じ層３００および／または別の層３００の隣接する被覆繊維１００のマトリックス材料１５０が混合する。層３００を圧密化するため、マトリックス材料１５０の加熱中に被覆繊維１００（図４）に圧力を加えることもできる。この加熱および／または加圧は、真空バッグ成形、オートクレーブ成形および他の複合材料加工技法を含む１つまたは複数の加工技法中に実行することができる。

図７〜８は、被覆繊維１００を形成する繊維−マトリックス形成装置４００の一実施形態の略図である。この装置では、繊維体１０２を形成するのと実質的に同時に、比較的に低粘度のマトリックス材料４０８を１つまたは複数の繊維体１０２に塗布することができる。繊維−マトリックス形成装置４００は、繊維材料４０４およびマトリックス材料４０８をそれぞれ収容する繊維材料リザーバ４０２およびマトリックス材料リザーバ４０６を含むことができる。繊維材料４０４および／またはマトリックス材料４０８はポリマー材料からなることができ、このポリマー材料は、熱可塑性材料または熱硬化性材料とすることができる。繊維材料４０４およびマトリックス材料４０８を、適当な繊維−マトリックス形成装置４００によって引き抜き、押し出し、スピニングし、または他の方法で加工して、被覆繊維１００を形成することができる。

図７〜８では、繊維−マトリックス形成装置４００のノズルのところで、繊維材料４０４およびマトリックス材料４０８を、比較的に高温にしかつ／または比較的に低粘度にすることができる。そうすることによって、繊維材料４０４およびマトリックス材料４０８をノズルから押し出しまたは引き抜いて被覆繊維１００の形状にすることを可能にすることができる。被覆繊維１００は、繊維形成方向４１６に沿ってノズル４１０から引き抜くことができる。被覆繊維１００を形成し、マトリックス層１５２を塗布するときに、繊維体１０２を、繊維延伸方向１２６に沿って（例えば繊維体１０２の長さに沿って）引き伸ばすことができる。引っ張られてノズル４１０から離れるにつれて、被覆繊維１００は冷えることができる。しかしながら、形成中に繊維体１０２を引き伸ばす代わりに、被覆繊維１００が形成された後に繊維体１０２を引き伸ばしてもよい。

この点に関して、被覆繊維１００は、繊維体の大きさ（図示せず）を小さくし、被覆繊維１００および被覆繊維１００の中に含まれる繊維体１０２の長さを長くすることができる繊維延伸装置（図示せず）内で加工することができる。例えば、被覆繊維１００をスプール（図示せず）に巻き取り、次いで、繊維延伸装置（図示せず）を使用して被覆繊維１００を引き伸ばすことができる。しかしながら、代替技法を使用して繊維体１０２を引き伸ばすこともでき、繊維体１０２は、被覆繊維１００の形成中に引き伸ばすこと、または被覆繊維１００の形成後に引き伸ばすことだけに限定されない。図７〜８に示した繊維−マトリックス形成装置４００は、被覆繊維１００を形成するために実現することができるシステムの非限定的な例であり、装置４００が、１つまたは複数の繊維体１０２をマトリックス材料１５０と同時に形成する代替配置を制限すると解釈すべきではない。

図７〜８では、あるマトリックス塗布速度でマトリックス層１５２を繊維体１０２に塗布することができ、このマトリックス塗布速度は、繊維−マトリックス形成装置４００から繊維体１０２を引き抜くまたは押し出す速度に基づいて制御することができる。一実施形態では、所望のマトリックス厚１５４（図４）のマトリックスが繊維体１０２の長さに沿って実質的に均一に塗布されるような速度で、マトリックス層１５２が塗布される。図示されてはいないが、繊維−マトリックス形成装置４００は、繊維引抜き速度、繊維温度、マトリックス温度、繊維延伸比、周囲温度および相対湿度に関するフィードバックデータ、ならびに繊維体１０２およびマトリックス層１５２の形成工程の正確な制御を容易にする可能性がある他のデータを含むことができる。

図９は、引抜き、押出しまたは他の方法によって被覆繊維１００（図４）を形成することができるノズル４１０の一実施形態の断面である。ノズル４１０は繊維体ダイ４１２を含むことができる。繊維体ダイ４１２は、所望の繊維体断面形状１０４を有する繊維体１０２を形成するような大きさおよび構成を有することができる。ノズル４１０はさらにマトリックス層ダイ４１４を含むことができる。マトリックス層ダイ４１４は、繊維体ダイ４１２の周りに環状に配置することができる。マトリックス層ダイ４１４は、繊維体１０２が形成されるときに、所望のマトリックス断面形状１６６を有するマトリックス層１５２（図７）を繊維体１０２の周囲に形成するような大きさおよび構成を有することができる。

図１０を参照すると、繊維体１０２を周囲のマトリックス層１５２（図７）と同時に形成することによって生成された被覆繊維１００が示されている。有利には、別のステップで複数の繊維に樹脂を塗布する従来の方法に関連した時間、経費および複雑さを低減させることができる。加えて、繊維体１０２を形成するときにマトリックス層１５２を繊維体１０２に塗布することによって、より正確な繊維体断面形状１０４を生み出すことができる。例えば、図１０に示した平行四辺形２３０の被覆繊維１００に関しては、繊維体上面１１２、繊維体下面１１４および繊維体側面１１６が実質的に平らに形成され、繊維体ダイ４１２（図７）から繊維体１０２が引き離され、繊維体１０２が冷えたときでもこれらの表面が実質的に平らであり続けるような態様で、繊維体１０２を生成することができる。

加えて、マトリックス層１５２が繊維体１０２と実質的に同様の形状を有することにより、繊維体コーナ１２０を、比較的に鋭いまたは丸くない形状に維持することができる。マトリックス層１５２と繊維体１０２とが実質的に同様の形状を有することの効果は、表面エネルギーによる繊維体１０２、例えば繊維体コーナ１２０のラウンディングが低減することである。マトリックス層１５２に繊維体１０２を埋め込むことによって、繊維体１０２に対する表面エネルギー効果を軽減することができる。表面エネルギー効果は、繊維体１０２がノズル４１０から最初に引き抜かれるときの繊維体１０２の材料の温度が比較的に高いときおよび／または繊維体１０２の材料の粘度が比較的に低いときに、最も高くなる可能性がある。有利には、繊維体１０２を引き抜くときにマトリックス層１５２を繊維体１０２に塗布することによって、繊維体１０２に対する表面エネルギー効果を実質的に低減させ、または軽減することができる。

図１１を参照すると、繊維形成装置５００のノズル５０２の略図が示されており、この図は、マトリックス材料１５０を塗布しない繊維５０８の形成を示す。繊維形成装置５００は、繊維材料（図示せず）を含む繊維材料リザーバ（図示せず）を含むことができる。繊維ダイ５０４のノズル５０２から繊維５０８を引き抜くことができる。繊維５０８は、繊維延伸方向５０６に沿って引き抜くことができる。

図１２は、ノズル５０２の断面および繊維ダイ５０４の平行四辺形２３０の形状（図５）を示す。繊維ダイ５０４は、比較的に鋭いまたは丸くない内部コーナを有する。図１３は、繊維延伸方向５０６（図１１）に沿って繊維ダイ５０４（図１１）から押し出しまたは引き抜くことができる繊維５０８の断面図である。図１３の繊維５０８の断面形状は、表面エネルギー効果５１２の結果として、丸くなった上面および下面５１４、５１６ならびに丸くなった側面５１８を有する。表面エネルギーによる上面および下面５１４、５１６ならびに側面５１８のラウンディングは、繊維５０８が最初にノズル４１０（図７）から出てきてから繊維５０８が冷えるまでの間、および繊維５０８が比較的に低い粘度および比較的に高い温度を有するときに起こる可能性がある。表面エネルギーによるラウンディングは繊維５０８のコーナ５２０（図１３）でより顕著であることがある。このような丸くなったコーナ５２０の結果、繊維５０８と繊維５０８を埋め込んで複合品にすることができるマトリックス（図示せず）との間の屈折率の差によって生じることがある屈折光学歪みおよび回折光学歪みによって複合品の光学性能が低下することがある。理解されるように、本開示に記載した被覆繊維１００（図１０）は、周囲のマトリックス層なしで繊維５０８が形成されたときには生じる可能性があるこのような丸くなった表面および／または丸くなったコーナの発生を有利に防ぐことができる。

図１４は、互いに比較的に近くに位置する一対の繊維体１０２を示す、被覆繊維１００（図１０）を使用して構築された複合品２７０の断面図である。繊維体１０２は、比較的に平坦なまたは比較的に平らな繊維体上面および下面１１２、１１４ならびに繊維体側面１１６を有する繊維体断面形状１０４を有利に有する。加えて、繊維体コーナ１２０（図１０）は比較的に鋭く、丸くなっていない。図１４はさらに、複合品２７０を通過する複数の光線３２０を示す。光線３２０の合成された角度３２４および経路長３２２は、光線３２０が繊維体１０２の主要部分を通過するのか、または光線３２０が繊維体１０２の１つもしくは複数の側面１１６を通過するのかによってわずかに異なることがある。例えば、第１の光線３２０Ａは、マトリックス材料１５０から繊維体１０２に入り、次いで繊維体１０２を出て、再びマトリックス材料１５０に入り、その結果、マトリックス材料１５０の屈折率と繊維体１０２の屈折率とが異なることにより、第１の光線３２０Ａは横方向に変位する。第５の光線３２０Ｅは、マトリックス材料１５０から繊維体１０２に入り、次いで、第１の光線３２０Ａが繊維体１０２を出た後の第１の光線３２０Ａの合成された角度３２４Ａと実質的に等しい合成された角度３２４Ｅで繊維体１０２を出る。加えて、第５の経路長３２２Ｅは、第１の経路長３２２Ａと実質的に等しい。

図１４は、第３の光線３２０Ｃも示す。第３の光線３２０Ｃは、マトリックス材料１５０を通過し、一方の繊維体１０２の繊維体側面１１６に入り、次いでギャップ３０６を横切り、隣接する繊維体１０２の繊維体側面１１６に入り、その後、繊維体１０２を出、マトリックス材料１５０に入る。繊維体側面１１６の形状は実質的に平らであるため、第３の光線３２０Ｃは、第１の光線３２０Ａおよび第５の光線３２０Ｅの合成された角度３２４Ａおよび３２４Ｅと実質的に等しい合成された角度３２４Ｃで繊維体１０２を出る。加えて、第３の経路長３２２Ｃは、第１の経路長３２２Ａおよび第５の経路長３２２Ｅと実質的に等しい。

図１４では、第２および第４の光線３２０Ｂおよび３２０Ｄが、一方の繊維体１０２の１つの繊維体側面１１６に入射し、その結果、第２および第４の光線３２０Ｂおよび３２０Ｄは、第１、第３および第５の光線３２０Ａ、３２０Ｃ、３２０Ｅの合成された角度３２４Ａ、３２４Ｃ、３２４Ｅとは異なる合成された角度３２４Ｂおよび３２４Ｄで繊維体１０２を出る。加えて、第２および第４の光線３２０Ｂ、３２０Ｄが１つの繊維体側面１１６だけを通過する結果として、第２および第４の光線３２０Ｂ、３２０Ｄは、第１、第３および第５の経路長３２２Ａ、３２２Ｃ、３２２Ｅよりも長い光学経路長３２２Ｂ、３２２Ｄを有することがある。合成された角度３２４および光学経路長３２２が異なると一般に光学歪みが生じるが、図１４の配置では、ギャップ３０６の大きさを最小化し、それぞれの層３００のギャップ３０６の数を最小化することによって、１つの繊維体側面１１６だけを通過する光の量を比較的に小さく抑えて、光学歪みが最小化されるようにすることができる。加えて、繊維体１０２とマトリックス層１５２（図７）を同時に形成する間、繊維体厚１２２（図４）をより正確に制御することによって、異なる繊維体１０２を通過する光線３２０の合成された角度３２４および光学経路長３２２の差を最小化することができる。

有利には、マトリックス層１５２（図７）を塗布することにより、繊維体側面１１６の形状を、表面のラウンディングおよびコーナのラウンディングを防ぐように制御することによって、複合品２７０の光学歪みを最小化することができる。加えて、層３００の隣接する繊維体１０２の繊維体側面１１６間のギャップ３０６の大きさを最小化することによって、合成された角度３２４の角偏差の差、および複合品２７０を通る光学経路長３２２の差を最小化することができる。例えば、本開示は、複数の繊維体１０２を（例えば引抜き、押出しなどによって）生成するのと同時に、繊維体１０２を取り囲むマトリックス材料１５０を塗布してマクロ繊維２００（図２４）を形成する、後述する実施形態を含む。マクロ繊維２００の繊維体１０２の相対的な大きさ、間隔および整列を正確に制御することができ、その結果、複合品２７０（図３）の中の繊維体１０２（図３）間の比較的に高度な整列、および繊維体１０２間のギャップ３０６、３０８（図３）の大きさの比較的に高い精度を達成することができる。

図１５は、繊維体断面形状１０４の位置によってマトリックス層１５２のマトリックス厚１５４が異なる被覆繊維１００を示す。例えば、繊維体１０２のコーナ領域１６２のマトリックス層１５２の厚さが、平らな繊維体上面および下面１１２、１１４に沿った上面または下面マトリックス厚１５６、１５８に比べて大きい。一実施形態では、コーナ領域マトリックス厚１６４が、上面または下面マトリックス厚１５６、１５８よりも少なくとも約１０パーセントだけ厚い。しかしながら、コーナ領域マトリックス厚１６４が上面または下面マトリックス厚１５６、１５８よりも厚い程度が約１０パーセント以下であってもよい。コーナ領域マトリックス厚１６４は、上面、下面または側面マトリックス厚１５６、１５８、１６０の測定方向と同じ方向（例えば表面１１２、１１４、１１６に対して垂直な方向）に沿って測定することができる。

コーナ領域マトリックス厚１６４をこのように増大させることにより、表面エネルギーによるコーナ領域１６２のマトリックス層１５２のラウンディングを低減させることができる。この点に関しては、図４のマトリックス層の全体的に鋭いコーナに比べてより丸い形状のコーナ領域マトリックス厚１６４を有するマトリックス層１５２を塗布することによって、表面エネルギー効果によるラウンディングを受けにくいマトリックス層１５２をコーナ領域に形成することができる。表面エネルギーによるコーナ領域１６２のマトリックス層１５２のラウンディングを低減させることによって、表面エネルギーによる繊維体コーナ１５２のラウンディングを低減させることができる。図１５の被覆繊維１００は、図４の被覆繊維１００に比べて厚いコーナ領域マトリックス厚１６４を含むが、図１５の被覆繊維１００のマトリックス層１５２の総断面積を、複合品２７０で所望の繊維体積分率２８２（図２）が達成されるような量で提供することができる。

図１６は、上面、下面または側面マトリックス厚１５６、１５８、１６０（図１５）に比べてコーナ領域マトリックス厚１６４が厚い、複数の被覆繊維１００（図１０）の端面図である。被覆繊維１００は、互いに接するように配置することができる。

図１７は、異なる被覆繊維１００のマトリックス材料１５０を加熱し混合した後の第２の状態にある繊維体１０２を示す。複合品２７０の複数の層３００の圧密化を助けるために、マトリックス材料１５０を加熱するのと同時に圧力を加えることができる。熱および／または圧力を加え、次いでマトリックス材料１５０を硬化または固化させて、複合品２７０を形成することができる。

図１８〜１９は、繊維体断面形状１０４の位置によってマトリックス層１５２のマトリックス厚１５４が異なる被覆繊維１００の別の実施形態である。例えば、図１８は、側面マトリックス厚１５４が互いに実質的に等しく、上面マトリックス厚１５６が下面マトリックス厚１５８よりも薄い、被覆繊維１００の一実施形態を示す。図１９は、それぞれの側面マトリックス厚１６０が上面マトリックス厚および下面マトリックス厚１５６、１５８よりも薄い、被覆繊維１００の一実施形態を示す。

図２０〜２２は、被覆繊維１００の代替形状を示す。図２０は、互いに実質的に平行な実質的に平らな繊維体上面および下面１１２、１１４を有する台形２３２の被覆繊維１００を示す。繊維体側面１１６の向きは互いに平行ではない。図２０の繊維体１０２の台形２３２の断面形状は、比較的に大きなアスペクト比で提供することができ、その結果、複合品２７０（図１）の光学性能を向上させることができる。

図２１は、繊維体下面１１４および一対の繊維体側面１１６を有する繊維体１０２を含む、三角形２３４の被覆繊維１００を示す。光学歪みを最小化するため、三角形２３４の繊維体１０２のアスペクト比は大きいことが好ましい。三角形２３４の繊維体１０２は、複合品２７０（図１）をレイアップするときに、互いに対する繊維体１０２の位置合せまたは整列を容易にすることができる。例えば、上向きの三角形２３４の繊維体１０２を互いの横並べた層３００（図示せず）を配置することができる。次いで、逆さにした（図示せず）三角形２３４の繊維体１０２の層３００を、上向きの三角形２３４の繊維体１０２間に入れ子式に重ねて、繊維体１０２の１つまたは複数の２重層（図示せず）を形成することができる。マトリックス材料１５０を加熱し、硬化または固化させて、複合品２７０を形成することができる。

図２２は、被覆繊維１００および２対の繊維体側面１１６を有する繊維体１０２の菱形２３６の断面形状１０４を示す。菱形２３６の複数の繊維体１０２を層（図示せず）３００として配置することができる。複合品２７０（図１）の光学性能を向上させかつ／または複合品２７０（図１）の繊維体積分率２８２（図１）を増大させるため、繊維体側面１１６が互いに比較的に近くに位置するように、繊維体１０２を配置することができる。

図２３は、シート２２８の断面形状１０４を有する被覆繊維１００および繊維体１０２の一実施形態を示す。シート２２８は、被覆繊維幅１２８と被覆繊維厚１３０の比である比較的に大きなアスペクト比で形成することができる。一実施形態では、シート２２８の被覆繊維幅１２８と被覆繊維厚１３０のアスペクト比が少なくとも約１０である。シート２２８構成の被覆繊維１００を形成することによって、複合品２７０（図１）を形成するのに必要な被覆繊維１００の総数を減らすことができ、それによって複合品２７０をレイアップするのに必要な時間を短縮することができる。

本開示は、平行四辺形２３０、台形２３２（図２０）、三角形２３４（図２１）、菱形２３６（図２２）およびシート２２８構成の繊維体１０２を例示するが、さまざまな代替形状および構成のうちの任意の形状および構成を有する繊維体１０２を形成することができ、繊維体１０２は、図に示した繊維体１０２だけに限定されない。一実施形態では、繊維体１０２が、複合品２７０の光学性能を向上させるために、繊維体上面および／もしくは下面１１２、１１４（図２０）に対して、ならびに／または複合品２７０（図１）の複合品表面２７２（図１）に対して垂直でない向きに形成された繊維体側面１１６を有する。しかしながら、複合品２７０の表面に対して垂直に形成された表面を有する断面形状の繊維体１０２を使用することもできる。例えば、長方形、正方形、または１つまたは複数の複合品表面２７２に対して実質的に垂直な側面を有する他の形状の繊維体１０２を使用することができる。加えて、繊維体１０２は、少なくとも部分的に丸くなった繊維体断面形状１０４を有することができる。例えば、繊維体断面形状１０４は、円、卵形、楕円形、閉じた半円形、腎臓形および他の形状を含むことができる。

図２４は、マトリックス材料１５０によって取り囲まれた複数の繊維体１０２を有するマクロ繊維２００の一実施形態を示す。マクロ繊維２００は、複数の繊維体１０２を引き抜きまたは押し出し、それと同時に、繊維体１０２にマトリックス材料１５０を塗布することによって形成することができる。マクロ繊維２００は、マクロ繊維２００の繊維体１０２の相対的な大きさ、間隔および整列を制御する手段を提供することができ、その結果、比較的に高い精度で複合品２７０（図１７）の繊維体１０２を整列させることができる。一実施形態では、マクロ繊維２００の繊維体１０２の少なくとも一部を、互いに対して概ね垂直にかつ／もしくは互いに対して概ね水平に整列させ、または、繊維体１０２を互いに対して均一に互い違いにすることができる。マクロ繊維２００では、繊維体１０２を、繊維体上面１１２と下面１１４の間にギャップ３０８を有する複数の層３００として配置することができる。複合品２７０の繊維体積分率２８２を最大化するため、それぞれの層３００の繊維体１０２を、繊維体側面１１６間のギャップ３０６が比較的に小さくなるように配置することができる。

図２５は、マトリックス材料１５０を加熱および混合する前の第１の状態にある複数のマクロ繊維２００を示す。マクロ繊維２００は、１つまたは複数の層３００として配置することができる。層３００の繊維体１０２は、同じ方向を向いているように示されているが、１つの層３００の繊維体１０２を、別の少なくとも１つの層３００の繊維体１０２とは異なる方向に向けることもできる。

図２６は、マトリックス材料１５０（図２５）を加熱した後の第２の状態にあるマクロ繊維２００（図２５）を示す。この加熱によって、マトリックス材料１５０の粘度を低下させ、異なるマクロ繊維２００のマトリックス材料１５０の混合を容易にすることができる。有利には、複数の繊維体１０２が特定の整列および／または向きを有するマクロ繊維２００を形成することによって、最終的な複合品２７０の中の繊維体１０２の整列および向きをより正確に制御することができ、それによって複合品２７０の光学性能を向上させることができる。

図２７は、平行四辺形２３０のマクロ繊維断面形状２０２を有するマクロ繊維２００の一実施形態を示す。マクロ繊維２００は、マクロ繊維厚２０８およびマクロ繊維幅２１０を有する。特定の断面形状２０２を有するマクロ繊維２００を使用することによって、複合品２７０（図１）の性能を向上させることができる。例えば、マクロ繊維側面２０４を重ね合わせると、衝撃事象（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｅｖｅｎｔ）時の隣接する繊維体１０２の係合をある程度促進することができ、このことによって、発射物を減速する際の繊維体１０２の総体的なエネルギー吸収能力を向上させることができる。異なるさまざまな断面形状のうちの任意の断面形状を有するマクロ繊維２００を使用することができる。例えば、マクロ繊維断面形状２０２は、円形、卵形、楕円形、閉じた半円形、腎臓形、多角形、三角形、正方形、長方形、菱形、平行四辺形、台形、またはさまざまな他のマクロ繊維断面形状２０２のうちの任意の断面形状を含むことができる。複合品２７０の所望の繊維体積分率２８２（図１）を達成するため、ある特定の量のマトリックス材料１５０を提供する断面積を有するマクロ繊維２００を使用することもできる。加えて、一実施形態では、互いに整列し、マトリックス材料１５０によって取り囲まれた横に並んだ複数の繊維体１０２からなる単一の層（図示せず）を有するマクロ繊維２００が使用される。

図２８には、マクロ繊維コーナ２０６が厚いマトリックス材料１５０を有するマクロ繊維２００の一実施形態が示されている。マクロ繊維コーナ２０６の厚さを厚くすると、前述の表面エネルギー効果に起因する繊維体コーナ１２０のラウンディングを防ぐことができる。

図２９〜３０は、繊維体上面、下面および側面１１２、１１４、１１６を有し、さらに、他の繊維体１０２と入れ子式に係合しまたは他の繊維体１０２とかみ合うための切欠き領域２３８を有する繊維体１０２を示す。図２９の実施形態には、切欠き領域２３８と、切欠き領域２３８に隣接した１つまたは複数の側領域２４０とを有する繊維体１０２が示されている。切欠き領域２３８の繊維体１０２の厚さ、側領域２４０の繊維体１０２の厚さよりも薄くすることができる。切欠き領域２３８は、切欠き領域２３８の水平部分に対して実質的に垂直に形成されているように示された切欠き側壁２４２によって画定することができる。

図３０は、複数の繊維体１０２を有する平行四辺形２３０のマクロ繊維２００を示す。マクロ繊維２００内において、複数の繊維体１０２は横ならびに配置され、複数の層３００を形成する。マクロ繊維２００は、少なくとも１つの層３００の少なくとも１つの繊維体１０２が、隣接する少なくとも１つの層３００の少なくとも１つの繊維体１０２の切欠き領域２３８の中に受け取られるように構成することができる。切欠き領域２３８は、繊維体１０２の少なくとも一部分を１つの繊維体１０２に機械的に結合することができるような態様の繊維体１０２の平面内かみ合い２４６を容易にすることができる。衝撃事象時、繊維体１０２のこの機械的な結合は、衝撃事象に関与する繊維体１０２の数を増やすことができ、それによって繊維体１０２のエネルギー吸収能力を増大させ、発射物を減速させる複合品の能力を向上させることができる。

図３１〜３２は、繊維体上面および下面１１２、１１４のうちの少なくとも一方の表面に対して垂直でない向きに形成された側壁によって切欠き領域２３８が画定された、繊維体１０２の他の実施形態を示す。垂直でない向きに形成された側壁は、隣接する繊維体１０２との平面内かみ合い２４６（図３２）と平面外イかみ合い２４８（図３２）の両方を提供することができる。このかみ合いの増大によって、繊維体１０２の機械的な結合を増大させることができ、それによって、衝撃事象時の繊維体１０２のエネルギー吸収能力を増大させることができる。

本明細書に開示したどの実施形態でも、繊維体１０２は、熱可塑性材料および熱硬化性材料を含む限定されない適当な任意の有機または無機ポリマー材料から形成することができる。例えば、繊維体１０２は、以下のうちの少なくとも１つを含む熱可塑性材料から形成することができる：ポリアクリレート、フルオロカーボン、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、延伸ポリマーおよび他の適当な熱可塑性材料。加えて、繊維体１０２は熱硬化性材料から形成することもでき、この熱硬化性材料は、以下のうちの任意の１つを含むことができる：ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリイミド、ビスマレイミド、ポリエステル、エポキシ樹脂、シルセスキオキサンおよび他の適当な熱硬化性材料。さらに、繊維体１０２は、炭素、炭化ケイ素、ホウ素または他の無機材料を含む無機材料から形成することもできる。さらに、繊維体１０２は、Ｅガラス（アルミノホウケイ酸ガラス）、Ｓガラス（アルミノケイ酸塩ガラス）、純粋なシリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラスおよび限定されない他の任意のガラス材料を含むガラス材料から形成することもできる。一実施形態では、繊維体１０２が金属材料から形成される。繊維体１０２が引き伸ばされる実施形態では、熱可塑性材料から繊維体１０２を形成することができる。

本明細書に開示されたどの実施形態でも、マトリックス材料１５０は、適当な任意の熱可塑性材料または熱硬化性材料を含むことができ、そのような材料には、繊維体１０２を形成することができる上記の熱可塑性または熱硬化性材料のうちの任意の材料が含まれる。さらに、本明細書に開示されたどの実施形態でも、マトリックス材料１５０は、適当な任意の金属材料および／またはガラス材料を含むことができる。一実施形態では、マトリックス材料１５０および／または繊維体１０２が、光学的に実質的に透明な材料から形成される。しかしながら、マトリックス材料１５０および／または繊維体１０２は、実質的に不透明な材料または実質的に透明でない材料から形成することができる。加えて、マトリックス材料１５０は、繊維体１０２のポリマー材料とは異なるポリマー材料からなることができる。しかしながら、マトリックス材料１５０および繊維体１０２は、実質的に同じポリマー材料または類似のポリマー材料から形成することもできる。必要に応じて、繊維体１０２は、マトリックス材料１５０よりも大きな分子量を有することができる。繊維体１０２の分子量を大きくすると、複合品２７０の強度特性および耐衝撃性能を向上させることができる。マトリックス材料１５０の分子量をより小さくすると、繊維体１０２の所望の形状および特性に影響を及ぼすことなく複合品２７０を加工することを可能にすることができる。マトリックス材料１５０と繊維体１０２とを同じ材料から形成することによって、マトリックス材料１５０と繊維体１０２材料は、実質的に等しい屈折率および／または実質的に等しい屈折率の温度係数を有することができ、それによって、複合品２７０の光学性能を、マトリックス材料１５０と繊維体１０２が異なる材料から形成される配置に比べて向上させることができる。一実施形態では、その有利に高い弾性率のため、繊維体１０２および／またはマトリックス材料１５０が、超高分子量ポリエチレンなどのポリエチレンから形成される。

図３３〜３６には、３構成要素繊維２５０として実現された被覆繊維１００の一実施形態が示されている。３構成要素繊維２５０は、マトリックス材料１５０で被覆された少なくとも１つの繊維体１０２を収容しまたは取り囲む犠牲材料２５２を含むことができる。犠牲材料２５２は、繊維体１０２および／またはマトリックス材料１５０を構成する材料とは異なる材料とすることができる。図３３は、繊維の長さに沿って延びる犠牲材料２５２を有する３構成要素繊維２５０の透視図である。図３４は、平行四辺形２３０の被覆繊維１００を示す、全体に丸いまたは全体に円形の断面形状を有する３構成要素繊維２５０の断面図である。一実施形態では、犠牲材料２５２が、繊維体１０２およびマトリックス層１５２の形成と同時にマトリックス層１５２に塗布される。

図３５は、犠牲材料２５２（図３３）を除去した後の被覆繊維１００の透視図である。犠牲材料２５２は、被覆繊維１００を形成した後に洗い流しまたは他の方法で除去することができる全体的に溶解可能な材料を含むことができる。一実施形態では、犠牲材料２５２が水もしくは溶媒に溶解可能であり、または他の化学的もしくは機械的手段によって除去される。有利には、犠牲材料２５２は、加工中の繊維体表面およびコーナのラウンディングを最小化し、繊維体１０２の他の歪みを防ぐことにより、処理中の繊維体１０２の寸法制御を向上させることができる。図３６は、被覆繊維１００の平行四辺形２３０の断面形状を示す。しかしながら、被覆繊維１００は、限定されない任意の形状または構成を有する３構成要素繊維２５０（図３３）として形成することができる。犠牲材料２５２は、製造を容易にするために全体に丸い形状を有するように示されているが、他の形状を有する犠牲材料２５２を塗布することもできる。

図３７は、被覆繊維１００の断面形状に近い形状を有する３構成要素繊維２５０の断面図である。加えて、３構成要素繊維２５０は、繊維体コーナ１２０のところが厚い犠牲材料２５２を有する。図示の実施形態は、溶解しまたは洗い流す材料の量を減らすことができ、それによって材料を節約し費用を低減させることができる。繊維体コーナ１２０のところの犠牲材料２５２（図３３）の厚さを厚くすると、上で論じた表面エネルギーによる歪みを低減させることができる。図３８は、犠牲材料２５２を除去した後の被覆繊維１００の断面図である。

図３９は、マトリックス材料１５０によって取り囲まれた複数の繊維体１０２を有する、図２７に示したマクロ繊維２００の実施形態に類似した３構成要素繊維２５０の断面図である。図３９の３構成要素繊維２５０の犠牲材料２５２は、繊維体１０２の幾何形状を保存し、繊維体１０２の整列を維持することができ、その結果、複合品２７０中における繊維体１０２の整列を向上させることができる。図４０は、犠牲材料２５２を除去した後のマクロ繊維２００の断面図である。

図４１は、犠牲材料２５２が複数のマクロ繊維２００を取り囲む実施形態の３構成要素繊維２５０の断面図である。犠牲材料２５２の層によってそれぞれのマクロ繊維２００を分離することができる。マクロ繊維２００はそれぞれ、複数の繊維体１０２が互いに横ならびに整列し、マトリックス材料１５０によって取り囲まれたテープ構成２１２を有する。平行四辺形２３０の繊維体１０２が示されているが、限定されない任意の形状の繊維体１０２を使用することができる。３構成要素繊維２５０の犠牲材料２５２は、前述の表面エネルギーによるマトリックス層１５２のコーナ領域１６２のラウンディングを軽減しまたは低減させることができる。加えて、３構成要素繊維２５０の犠牲材料２５２は、それぞれのマクロ繊維２００中における繊維体１０２の概ね平らな横並びの整列を維持することができる。図４２は、テープ構成２１２の複数の個々のマクロ繊維２００を示す、犠牲材料２５２を除去した後の図４１のマクロ繊維２００の断面図である。有利には、テープ構成２１２は、複合品２７０（図１）中に配置されたときに、繊維体１０２の整列および位置決めを維持することができ、その結果、複合品２７０の全体的な機械特性および全体的な光学特性を向上させることができる。

本明細書に開示した被覆繊維１００の実施形態はいずれも、限定されない任意の大きさ、形状および構成を有する複合品２７０に組み込むことができる。例えば、複合品２７０は、風防、キャノピー、窓、膜、外装パネル、構造パネル、建築パネルまたは非構造用複合品として構成することができる。さらに、複合品２７０は、限定されない任意の輸送用機器用途または非輸送用機器用途で使用されるように構成することができる。

図４３を参照すると、被覆繊維１００（図４）を製造する方法６００に含めることができる１つまたは複数のステップを示す流れ図が示されている。この方法は、繊維体１０２（図４）にマトリックス層を塗布するのと実質的に同時に繊維体１０２を形成することを含むステップ６０２を含むことができる。繊維体１０２は、特定のまたは所定の繊維体断面形状１０４（図４）を有することができる。繊維体断面形状１０４は、図に示しかつ／もしくはこれまでに説明した断面形状のうちの１つの断面形状とすることができ、または、さまざまな他の特定の断面形状のうちの任意の断面形状を有するように繊維体１０２を形成することもできる。マトリックス層１５２は、繊維体１０２の引抜きまたは押出し中に、例えば繊維体ダイ４１２（図９）から塗布することができる。例えば、マトリックス材料１５０は、マトリックス層ダイ４１４（図９）から押し出すことができる。マトリックス層ダイ４１４は、繊維体ダイ４１２と同じ位置に配置することができる。

図４３の方法６００のステップ６０４は、繊維体１０２（図４）の形成中に繊維体１０２を引き伸ばすことを含むことができる。繊維体１０２は、繊維−マトリックス形成装置４００（図７）から繊維体１０２を引き抜くときに、繊維延伸方向１２６に沿って（例えば繊維体１０２の長さに沿って（図７））引き伸ばすことができる。繊維体１０２を引き伸ばすと繊維分子が整列することがあり、それによって繊維体１０２の引張強度を増大させ、その結果、複合品２７０（図１）の特定の性能を向上させることができる。

マクロ繊維２００（図２４）の実施形態で被覆繊維１００（図２４）を実現することができる。マクロ繊維２００の実施形態は、互いに実質的に同時に形成された複数の繊維体１０２（図２４）を含むことができる。有利には、マクロ繊維２００の実施形態は、繊維体１０２の少なくとも一部分の相互整列を容易にすることができる。一実施形態では、図４１〜４２に示した横に並んだ複数の繊維体１０２を有するテープ構成２１２の複数のマクロ繊維２００が形成される。マクロ繊維２００中のマトリックス材料１５０（図２４）は、マクロ繊維２００が例えば複合品形成工具（図示せず）上でレイアップされたときに、繊維体１０２の整列を維持することができる。マクロ繊維２００中の繊維体１０２は、繊維体１０２のかみ合いを容易にするように形成することもできる。例えば、隣接する繊維体１０２の切欠き領域２３８とかみ合う切欠き領域２３８（図３０）を有する繊維体１０２を形成することができる。

一実施形態では、この方法が、繊維体１０２（図３３）およびマトリックス層１５２（図３３）の形成中に、これらを実質的に取り囲む犠牲材料２５２（図３３）を塗布するステップを含む。犠牲材料２５２は、繊維体１０２の寸法制御を向上させることができ、繊維体１０２の表面およびコーナのラウンディングを防ぐことができる。この方法６００は、犠牲材料２５２の少なくとも一部分を除去し、それによって、繊維体断面形状１０４（図４）の寸法制御が向上した１つまたは複数の繊維体１０２を形成するステップを含むことができる。

図４３の方法６００のステップ６０６は、繊維体１０２（図１０）にマトリックス層１５２（図１０）を、図１０に示した繊維体１０２の断面形状１０４（図１０）の周囲に沿ってマトリックス厚１５４（図１０）が実質的に均一になるように塗布することを含むことができる。あるいは、図１５に示すように繊維体１０２の断面形状１０４の位置によってマトリックス厚１５４が異なるように、マトリックス層１５２を塗布することもできる。例えば、マトリックス層１５２は、繊維体コーナ１２０（図１５）に、上面または下面マトリックス厚１５６、１５８（図１５）よりも薄いコーナ領域マトリックス厚１６４（図１５）を有することができる。コーナ領域マトリックス厚１６４を厚くすると、繊維体コーナ１２０を丸くする表面エネルギーによる効果を最小化することができる。

図４４を参照すると、複合品２７０（図１）を形成する方法７００に含めることができる１つまたは複数の操作を有する流れ図が示されている。方法７００は、複数の被覆繊維１００（図４）を用意するステップ７０２を含むことができる。前述のとおり、被覆繊維１００はそれぞれ、繊維体１０２（図４）からなることができ、繊維体１０２の形成中に、繊維体１０２をマトリックス材料１５０で被覆することができる。方法７００のステップ７０４は、マトリックス材料１５０を加熱するなどによってマトリックス材料１５０（図４）の粘度を低下させることを含むことができる。マトリックス材料１５０の粘度を低下させることによって、隣接する被覆繊維１００のマトリックス材料１５０の混合を容易にすることができる。

図４４の方法７００のステップ７０６は、マトリックス材料１５０（図１７）の硬化および硬質化または固化のうちの少なくとも１つを実行して、複合品２７０（図１７）を形成することを含むことができる。方法７００は、所定の構成の複合品２７０を形成するステップを含むことができる。例えば、前述のとおり、複合品は、風防、キャノピー、窓、膜、外装パネル、構造パネル、建築パネル、非構造用複合品、または他のさまざまな構成のうちの任意の構成として形成することができる。

図４５を参照すると、輸送用機器８９０（図４６）などで使用する複合品２７０（図１）を実現する方法８００に含めることができる１つまたは複数の操作を有する流れ図が示されている。複合品２７０を使用する方法８００は、複数の被覆繊維１００から形成された複合品２７０を用意するステップ８０２を含むことができる。前述のとおり、被覆繊維１００はそれぞれ、繊維体１０２と、繊維体１０２の形成と実質的に同時に繊維体１０２に塗布されたマトリックス層１５２とを含むことができる。

図４５の方法８００のステップ８０４は、複合品２７０（図１）を荷重がかかっていない状態に置き、または複合品２７０（図１）を荷重がかかっていない状態に維持することを含むことができる。荷重がかかっていない状態は複合品２７０の静止状態を含むことができる。例えば、複合品２７０は、静止しているかまたは実質的に動いていない輸送用機器８９０の一部分を構成することができる。一実施形態では、輸送用機器８９０が航空機９００を含む。

図４６を参照すると、本明細書に開示した複合品２７０（図１）の１つまたは複数の実施形態を組み込むことができる航空機９００の透視図が示されている。航空機９００は、一対の翼９０４および尾部９０８を有する胴体９０２を含むことができ、尾部９０８は、垂直安定板９１２および水平安定板９１０を含むことができる。航空機９００はさらに、操縦翼面９０６および推進ユニット９１４を含むことができる。航空機９００は一般に、本明細書に記載された複合品２７０のうちの１つまたは複数の複合品を組み込むことができるさまざまな輸送用機器のうちの１つの輸送用機器を表す。

一実施形態では、複合品２７０（図１）が複合パネル２７４（図１）を含む。荷重がかかっていない状態では、複合パネル２７４上の荷重を、複合パネル２７４の質量に作用する重力に起因する静荷重、または航空機９００に作用する他の静荷重に限定することができる。荷重がかかっていない状態の一例は、航空機９００が空港のタールマック舗装上に駐機しているときなどの、圧力が加わっていない航空機９００（図４６）の胴体９０２を含むことができる。

図４５の方法８００のステップ８０６は、複合品２７０（図１）を荷重がかかった状態に置くことを含むことができる。荷重がかかった状態では、輸送用機器が動いていることがあり、かつ／または複合パネル２７４が動荷重を受けていることがある。例えば、輸送用機器は、離陸時に滑走路上を移動している航空機９００（図４６）を含む。荷重がかかった状態はさらに、圧力が加わった航空機９００の胴体９０２を含むことができる。荷重がかかった状態では、複合品２７０上の荷重が、圧縮荷重、引張荷重、剪断荷重およびねじれ荷重のうちの任意の荷重、またはこれらの荷重の任意の組合せを含むことができる。

本開示の一態様によれば複合品が提供され、この複合品は、複数の繊維体と、少なくとも１つの繊維体の繊維表面を少なくとも部分的に被覆するマトリックス層とを含み、マトリックス層は、繊維体の形成と実質的に同時に塗布される。有利には、この複合品が、風防、キャノピー、窓、膜、外装パネル、構造パネル、建築パネルおよび非構造複合品のうちの少なくとも１つとして構成される。

本開示の一態様によれば、複合品を形成する方法が提供され、この方法は、複数の被覆繊維を用意するステップであり、被覆繊維がそれぞれ、繊維体の形成中にマトリックス材料で被覆された繊維体からなるステップと、マトリックス材料の粘度を低下させて、複数の被覆繊維のマトリックス材料の混合を生じさせるステップと、マトリックス材料の硬化および硬質化のうちの少なくとも一方を実行して複合品を形成するステップとを含む。

複合品を使用する方法は、複数の被覆繊維から形成された複合品を用意するステップであり、被覆繊維がそれぞれ、繊維体と、繊維体を形成するのと実質的に同時に繊維体に塗布されたマトリックス層とを含むステップと、複合品を荷重がかかっていない状態に置くステップと、複合品を荷重がかかった状態に置くステップとを含む。有利には、荷重がかかっていない状態が、実質的に移動していない輸送用機器に関連し、荷重がかかった状態が、移動している輸送用機器に関連する。有利には、荷重がかかっていない状態が、圧力が加わっていない航空機の胴体に関連し、荷重がかかった状態が、圧力が加わった航空機の胴体に関連する。

当業者には、本開示の追加の変更および改良が明白であろう。したがって、本明細書で説明し図示した部分の特定の組合せが、本開示のある種の実施形態だけを表すことは意図されておらず、そのような組合せが、本開示の趣旨および範囲に含まれる代替実施形態または代替装置を限定する役目を果たすことは意図されていない。

１００ 被覆繊維
１０２ 繊維体
１０４ 断面形状
１０６ 繊維体断面積
１１０ 繊維体表面
１１２ 繊維体上面
１１４ 繊維体下面
１１６ 繊維体側面
１１８ 角度
１２０ 繊維体コーナ
１２２ 繊維体厚
１２４ 繊維体幅
１２６ 繊維延伸方向
１２８ 被覆繊維幅
１３０ 被覆繊維厚
１５０ マトリックス材料
１５２ マトリックス層
１５４ マトリックス厚
１５６ 上面マトリックス厚
１５８ 下面マトリックス厚
１６０ 側面マトリックス厚
１６２ 繊維体コーナ領域
１６４ コーナ領域マトリックス厚
１６６ マトリックス断面形状
１６８ マトリックス断面積
２００ マクロ繊維
２０２ マクロ繊維断面形状
２０４ マクロ繊維側面
２０６ マクロ繊維コーナ
２０８ マクロ繊維厚
２１０ マクロ繊維幅
２２８ シート
２３０ 平行四辺形
２３２ 台形
２３４ 三角形
２３６ 菱形
２３８ 切欠き領域
２４０ 側領域
２４２ 切欠き側壁
２４６ 平面内かみ合い
２４８ 平面外かみ合い
２５０ ３構成要素繊維
２５２ 犠牲材料
２７０ 複合品
２７２ 複合品表面
２７４ 複合パネル
２７６ パネル表面
２７８ 総繊維体積
２８０ 総マトリックス体積
２８２ 繊維体積分率
３００ 層
３０４ 直交積層構成
３０６ ギャップ
３０８ ギャップ
３２０ 光線
３２０Ａ 第１の光線
３２０Ｂ 第２の光線
３２０Ｃ 第３の光線
３２０Ｄ 第４の光線
３２０Ｅ 第５の光線
３２０ 経路長
３２２Ａ 第１の経路長
３２２Ｂ 第２の経路長
３２２Ｃ 第３の経路長
３２２Ｄ 第４の経路長
３２２Ｅ 第５の経路長
３２４ 合成された角度
３２４Ａ 第１の光線の合成された角度
３２４Ｂ 第２の光線の合成された角度
３２４Ｃ 第３の光線の合成された角度
３２４Ｄ 第４の光線の合成された角度
３２４Ｅ 第５の光線の合成された角度
４００ 繊維−マトリックス形成装置
４０２ 繊維材料リザーバ
４０４ 繊維材料
４０６ マトリックス材料リザーバ
４０８ マトリックス材料
４１０ ノズル
４１２ 繊維体ダイ
４１４ マトリックス層ダイ
４１６ 繊維形成方向
５００ 繊維形成装置
５０２ ノズル
５０４ 繊維ダイ
５０６ 繊維延伸方向
５０８ 繊維
５１２ 表面エネルギー効果
５１４ 上面
５１６ 下面
５１８ 側面
５２０ コーナ
８９０ 輸送用機器
９００ 航空機
９０２ 胴体
９０４ 翼
９０６ 操縦翼面
９０８ 尾部
９１０ 水平安定板
９１２ 垂直安定板
９１４ 推進ユニット

Claims (15)

1. 複合品用の被覆繊維であって、
   少なくとも１つの繊維表面を有する繊維体（１０２）と、
   前記繊維体（１０２）の形成中に塗布された、前記繊維表面を少なくとも部分的に被覆するマトリックス層（１５２）と
   を備える被覆繊維。
2. 前記繊維体（１０２）の縦方向に沿って前記繊維体（１０２）が引き伸ばされた、請求項１に記載の被覆繊維。
3. 前記マトリックス層（１５２）のマトリックス厚が、前記繊維体（１０２）上で実質的に均一である、請求項１または２に記載の被覆繊維。
4. 前記マトリックス層（１５２）のマトリックス厚が、前記繊維体（１０２）上の位置によって異なる、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の被覆繊維。
5. 前記繊維体（１０２）が、前記繊維表面および少なくとも１つの繊維体コーナ（１２０）を含む断面形状を有し、
   前記マトリックス層（１５２）が、前記繊維体コーナ（１２０）におけるコーナ領域マトリックス厚および前記繊維表面における表面マトリックス厚を有し、
   前記コーナ領域マトリックス厚が、前記表面マトリックス厚よりも少なくとも約１０パーセントだけ厚い、
   請求項４に記載の被覆繊維。
6. 前記繊維体（１０２）が、円形、卵形、楕円形、閉じた半円形、腎臓形、多角形、三角形、正方形、長方形、菱形、平行四辺形および台形のうちの少なくとも１つを含む断面形状を有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の被覆繊維。
7. 前記断面形状が、被覆繊維幅と被覆繊維厚のアスペクト比が少なくとも約１０であるシートを含む、請求項６に記載の被覆繊維。
8. 前記シートが、１方向に引き伸ばされたシートと２方向に引き伸ばされたシートのうちの一方のシートである、請求項７に記載の被覆繊維。
9. 前記マトリックス層（１５２）の中に複数の前記繊維体（１０２）が包含されて、マクロ繊維（２００）を形成した、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の被覆繊維。
10. 複合品用の被覆繊維を製造する方法であって、
    少なくとも１つの繊維表面を有する繊維体（１０２）を形成するステップと、
    前記繊維体（１０２）を形成する前記ステップと実質的に同時に、前記繊維表面にマトリックス層（１５２）を塗布するステップと
    を含む方法。
11. 前記繊維体（１０２）上のマトリックス厚が実質的に均一になるように、前記マトリックス層（１５２）を塗布するステップ
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記繊維体（１０２）上の位置によってマトリックス厚が異なるように、前記マトリックス層（１５２）を塗布するステップ
    をさらに含む、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記繊維表面に前記マトリックスを、ある表面マトリックス厚で塗布するステップと、
    前記繊維体（１０２）の繊維体コーナ（１２０）に前記マトリックスを、前記表面マトリックス厚よりも少なくとも約１０パーセントだけ厚いコーナ領域マトリックス厚で塗布するステップと
    をさらに含む、請求項１０ないし１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 少なくとも１つの繊維表面をそれぞれが有する複数の前記繊維体（１０２）を、実質的に互いに同時に形成するステップと、
    前記繊維表面に前記マトリックス層（１５２）を、前記繊維体を形成する前記ステップと実質的に同時に塗布して、マクロ繊維（２００）を生成するステップと
    をさらに含む、請求項１０ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記繊維体の形成中に、前記繊維体および前記マトリックス層の周囲に犠牲材料を塗布するステップ
    をさらに含む、請求項１０ないし１４のいずれか一項に記載の方法。

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