JP2018138383A5 - - Google Patents
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Description
本明細書に記載された主題は、概して、材料系及び/又は材料系を製造する方法に関する。より具体的には、本明細書に記載された主題は、アルミニウム、ガラス複合材、及び/又は炭素複合材層を含む材料系、並びに/或いはアルミニウム、ガラス複合材、及び/又は炭素複合材層を含む材料系を製造する方法に関する。
材料系は、アルミニウム、ガラス複合材、及び/又は炭素複合材層を含み得る。このような材料系は、例えば、繊維金属積層材(fiber metal laminate:FML)として分類され得る。単純な金属構造体と比べると、FML材は、固有の利点を示す場合がある。このような利点には、例えば、腐食、疲労、火、及び/又は衝撃に対して改善された耐性が含まれ得る。追加的に又は代替的に、このような利点には、例えば、特殊な強度特性、及び/又は所与の体積ごとの重量減少が含まれ得る。
航空宇宙、自動車、及び鉄道輸送などの多くの産業では、材料系、及び材料系を製造する方法における従来技術の境界を押し広げることが継続的に求められている。したがって、材料系、及び材料系を製造する方法を改善する必要がある。
本開示は、材料系を対象としている。幾つかの実施例では、材料系は、第1のアルミニウム層、第1の第1のアルミニウム層に隣接する第1のガラス複合材層、及び/又は第1のガラス複合材層に隣接し、且つ第1のアルミニウム層とは反対側の第1の炭素複合材層を含み得る。第1のガラス複合材層は、第1の熱可塑性樹脂を含み得る。第1の熱可塑性樹脂は、第1のアルミニウム層と第1のガラス複合材層とを接合することができる。
幾つかの実施例では、第1の熱可塑性樹脂は、第1のガラス複合材層と第1の炭素複合材層とを接合することができる。
幾つかの実施例では、第1の熱可塑性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン(「PEEK」)又はポリエーテルケトンケトン(「PEKK」)を含んでもよい。
幾つかの実施例では、第1の炭素複合材層は、第2の熱可塑性樹脂を含み得る。
幾つかの実施例では、第2の熱可塑性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン(「PEEK」)又はポリエーテルケトンケトン(「PEKK」)を含んでもよい。
幾つかの実施例では、第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と同じであってもよい。
幾つかの実施例では、第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と異なっていてもよい。
幾つかの実施例では、当該系は、第1の炭素複合材層に隣接し、且つ前記第1のガラス複合材層とは反対側の第2のガラス複合材層をさらに含み得る。
幾つかの実施例では、当該系は、第2のガラス複合材層に隣接し、且つ第1の炭素複合材層とは反対側の第2のアルミニウム層をさらに含み得る。
幾つかの実施例では、当該系は、第2のガラス複合材層に隣接し、且つ第1の炭素複合材層とは反対側の第2の炭素複合材層をさらに含み得る。
幾つかの実施例では、第1のアルミニウム層は、複数の第1のアルミニウム副層を含み得る。
幾つかの実施例では、第1のガラス複合材層は、複数の第1のガラス複合材副層を含み得る。
幾つかの実施例では、第1の炭素複合材層は、複数の第1の炭素複合材副層を含み得る。
幾つかの実施例では、第1のガラス複合材層は、織りガラス(woven ガラス)を含み得る。織りガラスの複合材の強度は、織りガラスの配向によって変動し得る。
本開示は、材料系を製造する方法をさらに対象としている。幾つかの実施例では、材料系を製造する方法は、積層体の中でアルミニウム層がガラス複合材層に隣接し、積層体の中でガラス複合材層が炭素複合材層に隣接するように、アルミニウム層、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライ(thermoplastic prepreg ply)を含むガラス複合材層、及び炭素複合材層を積層すること、並びに/或いはアルミニウム層を軟化させるのに十分な温度で1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することを含み得る。
幾つかの実施例では、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライは、ポリエーテルエーテルケトン(「PEEK」)又はポリエーテルケトンケトン(「PEKK」)を含んでもよい。
幾つかの実施例では、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を600°F以上まで上昇させることを含み得る。
幾つかの実施例では、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、積層体の温度を600°F以上まで上昇させることを含み得る。
本開示は、材料系を製造する方法をさらに対象としている。幾つかの例示的な実施形態では、材料系を製造する方法は、積層体の中でガラス複合材層がアルミニウム層と炭素複合材層との間にあるように、アルミニウム層、熱可塑性樹脂を含むガラス複合材層、及び炭素複合材層を積層すること、並びに/或いは積層体を一体化するように、積層体の温度及び圧力を調節することを含み得る。
幾つかの実施例では、熱可塑性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン(「PEEK」)又はポリエーテルケトンケトン(「PEKK」)を含んでもよい。
先述の一般的な記載及び後述の詳細な記載は、両方とも例示及び説明のみのためのものであり、特許請求される本開示を限定するものではないことを理解されよう。
上述の及び/又はその他の態様及び利点は、添付の図面と併せて、下記の実施例の詳細な説明からより明らかになり、より容易に理解できよう。
例示的な態様は、添付の図面を参照して、これよりより完全に説明される。しかしながら、本開示の実施例は、様々な多くの形態で具現化され得、本明細書に記載された実施例に限定されると解釈するべきではない。むしろ、これらの実施例は、本開示が網羅的且つ完全となり、当業者に範囲が完全に伝わるように、提示されている。図面では、厳密に構造的な精度、細部、及び/又は縮尺を維持するよりも、幾つかの詳細を簡略化且つ/又は図示して理解を促す場合がある。例えば、層及び領域の厚さは、明瞭性のために強調される場合がある。
ある要素が、別の構成要素「の上にある(on)」、「に接続されている(connected to)」、「に電気的に接続されている(electrically connected to)」、又は「に連結されている(coupled to)」と記載されている場合、そのある要素は、別の構成要素の直接上にあるか、別の構成要素に電気的に接続されているか、又は連結されているか、或いは、介在する構成要素が存在し得ることを理解されたい。それに対して、ある構成要素が、別の構成要素「の直接上にある(directly on)」、「に直接接続されている(directly connected to)」、「に直接電気的に接続されている(directly electrically connected to)」、又は「に直接連結されている(directly coupled to)」と記載されている場合、介在する構成要素は存在しない。本明細書で使用されている「及び/又は(and/or)」という表現は、関連して列挙されたアイテムのうちの1つ又は複数のアイテムの任意の組み合わせ及びすべての組み合わせを含む。
様々な要素、構成要素、領域、層、及び/又はセクションを説明するために、第1、第2、第3などの用語を本明細書で使用する場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び/又はセクションは、これらの用語に制限されるべきでないことを理解されたい。これらの用語は、一方の要素、構成要素、領域、層、及び/又はセクションを他方の要素、構成要素、領域、層、及び/又はセクションから区別するためにのみ使用されている。例えば、第1の要素、構成要素、領域、層、及び/又はセクションは、実施例の教示から逸脱しない限り、第2の要素、構成要素、領域、層、及び/又はセクションと呼ばれてもよい。
「下方(beneath)」、「下(below)」、「より低い(lower)」、「上(above)」、「上方(upper)」などの空間に関連する用語は、一方の構成要素及び/又は特徴と、他方の構成要素及び/又は特徴、又はその他の1つ又は複数の構成要素及び/又は1つ又は複数の特徴との関係性を説明するよう、説明を容易にするために本明細書で使用され得る。空間に関連する用語は、図面で示す配向に加えて、使用又は操作における装置の様々な配向を含むことが意図されている。
本明細書で使用される用語は、特定の実施例の説明のみのためにあり、実施例を限定することは意図されていない。本明細書で使用されているように、単数形「1つの(a、an)」及び「その(the)」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限りは、複数形も含むことが意図されている。さらに、「備える」及び/又は「含む」(comprises、comprising、includes、及び/又はincluding)」という用語は、本明細書中で使用される場合、記載されている特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び/又は構成要素の存在を特定するが、その他の1つ又は複数の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び/又はこれらのグループの存在又は追加を排除するものではないことが理解されよう。
別段の定義がない限り、本明細書で使用されている全ての用語(技術用語及び科学用語を含む)は、実施例が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書で定義されているような用語は、関連分野の文脈における意味と一致する意味を有すると解釈するべきであり、本明細書に明確に定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味であると解釈するべきではないことを理解されよう。
本開示は、材料系、及び/又は材料系を製造する方法を対象としている。図1Aは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系100Aを示す。図1Aで示されるように、材料系100Aは、アルミニウム層102A、アルミニウム層102Aに隣接するガラス複合材層104A、及びガラス複合材層104Aに隣接し、且つアルミニウム層102Aとは反対側の炭素複合材層106Aを含む。ガラス複合材層104Aは、第1の熱可塑性樹脂を含み得る。第1の熱可塑性樹脂は、アルミニウム層102Aとガラス複合材層104Aとを接合し得る。
材料系100Aは、単純な金属構造体に比べて、例えば、所与の体積ごとの重量減少をもたらすことができる。
アルミニウム層102A、ガラス複合材層104A、及び炭素複合材層106Aは、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。
アルミニウム層102Aは、アルミニウム副層を有する場合があり、又は有さない場合があり、ガラス複合材層104Aは、ガラス複合材副層を有する場合があり、又は有さない場合があり、且つ/又は炭素複合材層106Aは、炭素複合材副層を有する場合があり、又は有さない場合がある。
本明細書で使用される用語「アルミニウム」は、原子番号13の金属元素のことを意味し、その任意のアイソトープが含まれる。
本明細書で使用される用語「合金」は、2つ以上の金属、或いは、炭素鋼のような、1つ又は複数の非金属元素を有する1つ又は複数の金属の固体混合物又は液体混合物を意味する。
本明細書で使用される用語「層」は、表面、本体、或いは表面又は本体の一部の上に積層、形成、又は散布された一定の厚さの材料を意味する。層は、表面、本体、或いは表面又は本体の一部を覆ってもよく、若しくは、表面、本体、或いは表面又は本体の一部を覆う材料の上に重なる部分又はセグメントを形成してもよい。層は、一定の又は可変の厚さを有してもよい。
本明細書で使用される用語「アルミニウム層」は、アルミニウムを含む層を意味する。アルミニウム層は、例えば、純アルミニウム、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含有する何らか他の物質を含んでもよい。アルミニウム層は、例えば、1100シリーズのアルミニウム(例えば、国際合金記号化制度(The International Alloy Designation System:IADS)に準拠する1100‐O、1100‐H12、1100‐H14、1100‐H16、1100‐H18、1100‐H22、1100‐H24、1100‐H26、1100‐H28、1100‐H112、又は1100‐H113アルミニウムのような市販のアルミニウム純合金)を含んでもよい。より一般的には、アルミニウム層は、例えば、1000シリーズのアルミニウム合金(例えば、IADSに準拠するアルミニウム合金1050、1060、1100、1145、1199、1200、1230、又は1350)、2000シリーズのアルミニウム合金(例えば、IADSに準拠するアルミニウム合金2008、2011、2014、2017、2018、2024、2025、2036、2048、2090、2117、2124、2127、2195、2218、2219、2224、2319、2324、2524、又は2618)、3000シリーズのアルミニウム合金(例えば、IADSに準拠するアルミニウム合金3003、3004、3005、3102、又は3105)、5000シリーズのアルミニウム合金(例えば、IADSに準拠するアルミニウム合金5005、5050、5052、5056、5059、5083、5086、5154、5182、5183、5252、5254、5356、5357、5454、5456、5457、5554、5556、5652、5654、5657、又は5754)、6000シリーズのアルミニウム合金(例えば、IADSに準拠する6003、6005、6005A、6009、6010、6013、6016、6053、6060、6061、6062、6063、6066、6070、6082、6101、6105、6111、6151、6162、6201、6205、6253、6262、6351、6463、又は6951)、7000シリーズのアルミニウム合金(例えば、IADSに準拠する7001、7005、7008、7022、7039、7049、7050、7055、7068、7072、7075、7076、7079、7108、7116、7129、7150、7175、7178、又は7475)を含んでもよい。
純アルミニウム、アルミニウム合金、及び/又は上述のアルミニウムを含む他の物質は、高温処理(例えば、≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°Fなど、熱可塑性処理又は一体化に必要とされる温度でありながら、純アルミニウム、アルミニウム合金、及び/又はアルミニウムを含む他の物質の溶融温度を下回る温度)に対応する。例えば、純アルミニウム、アルミニウム合金、及び/又は上述のアルミニウムを含む他の物質は、降伏強度が低い(例えば、≦7.2×103ゲージポンド毎平方インチ(psig)、≦5.8×103psig、≦5.1×103psig、又は≦4.3×103psig)場合があり、これにより、冷却中及び/又は冷却後、他の層の残留熱応力が減少する。他の要因も冷却中及び/又は冷却後に他の層の残留熱応力の減少を促進させることができる。この他の要因とは、純アルミニウム、アルミニウム合金、及び/又は上述のアルミニウムを含む他の物質の厚さ、純アルミニウム、アルミニウム合金、及び/又は上述のアルミニウムを含む他の物質の副層の存在及び数、並びに/或いは純アルミニウム、アルミニウム合金、及び/又は上述のアルミニウムを含む他の物質が特定の隣接層(例えば、ガラス複合材層)と直接接触しているかどうかなどである。
アルミニウム層の表面には、アルカリ脱脂、クロム酸陽極酸化(Chromic Acid Anodizing)又はその他の陽極酸化処理、プライミング(例えば、BR127防錆下塗り剤を用いて)、ゾルゲル、及び/又はクロム硫酸(chromic-sulfuric acid)内の酸洗浄などの表面処理が施され得る。この表面は、例えば、研磨によって粗くしてもよい。このような表面処理により、1つ又は複数のアルミニウム層と他の層との間の接合を強化することができる。
大幅な構造的支持をもたらすために、1つ又は複数のアルミニウム層に頼ることができる。通常、この場合、大幅な構造的支持をもたらすために1つ又は複数のアルミニウム層が頼りとされてない場合に比べて、1つ又は複数のアルミニウム層の数及び/又は厚さは大きい。大幅な構造的支持をもたらすように頼られているかどうかは別として、1つ又は複数のアルミニウム層の厚さは、例えば、≧0.005インチ且つ≦0.020インチ(例えば、0.005インチ、0.010インチ、0.015インチ、又は0.020インチ)であり得る。大幅な構造的支持をもたらすように頼られている場合、1つ又は複数のアルミニウム層の厚さは、0.0020インチを上回る場合もある。
本明細書で使用される用語「複合材(composite)」は、仕上がり状態で固形であり、互いに相溶せず、且つ化学的性質が異なる2つ以上の材料の、マクロスケールでの混合又は機械的組み合わせを意味する。
本明細書で使用される用語「粘着性(tenacity)は、繊維の重量当たりの強度を意味し、典型的にグラム毎デニールで表される。
本明細書で使用される用語「繊維(fiber)」は、(通常、結晶質の)固体の根本形態を意味する。この固体は、比較的高い粘着性、及び極めて高い長さ対直径の比率(例えば、数百以上対1)によって特徴付けられる。半合成繊維は、例えば、炭素又はガラスを使用して、繊維状に押し出された無機物質を含む。半合成繊維は、例えば、高重合体を使用して、繊維状に押し出された物質を含む。
本明細書で使用される用語「ガラス」は、非結晶質の、アモルファス状の固体を意味する。ガラスは、例えば、シリカ、ソーダ灰、及び石灰の混合物を含むセラミック材料を含んでもよい。ガラスは、例えば、Cガラス、Eガラス、Sガラス、又はTガラスのうちの1つ又は複数を含んでもよい。ガラスは、例えば、ガラス繊維(例えば、繊維ガラス)の形態であってもよい。ガラスは、例えば、S‐2ガラス(例えば、S‐2ガラス繊維)を含んでもよい。
ガラス繊維は、織物又は非織物(例えば、刻まれたり、敷き詰められたり、ランダムに配向されたりする)であってもよい。織り繊維の強度は、織り繊維の織り及び/又は配向の種類によって変動し得る(例えば、織り繊維が平行に配向された場合、群としての織り繊維の強度は、その配向に対して平行な方向においてより高いはずである)。織りの種類は、例えば、平織(例えば、1×1)、綾織(例えば、2×2)、七子織、魚織り(fish weave)、ハーネス織り(harness weave)、もじり織、朱子織、又は一方向性織り(unidirectional weave)であり得る。
本明細書で使用される用語「マトリックス」は、複合材の強度部材を共に保持する物質を意味し、この物質とは、複合材の2つ以上の材料のうちの1つである。
本明細書で使用される用語「樹脂」は、有機化合物の、半固体又は固体の複雑なアモルファス状の混合を意味する。
本明細書で使用される用語「モノマー」は、通常炭素を含み、分子量が比較的少なく、構造が単純な分子又は化合物を意味する。
本明細書で使用される用語「ポリマー」は、5つ以上の同一のモノマーの化学的結合によって形成されたマクロ分子を意味する。ポリマーは、例えば、無機又は有機であってもよい。有機ポリマーは、例えば、天然又は合成(例えば、人工)であってもよい。合成有機ポリマーは、例えば、無機又は有機であってもよい。
本明細書で使用される用語「高分子」は、≧5000グラム/モルの分子量を有する有機ポリマーを意味する。
本明細書で使用される用語「熱可塑性」は、熱に曝されたときに軟化し、室温まで冷却されたときに元の状態に戻る、上記で規定された高分子を意味する。熱可塑性ポリマーは、例えば、非結晶又は半結晶であってもよい。熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリアリールエーテルケトン(PAEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、又はポリフェニレンスルフィド(PPS)のうちの1つ又は複数を含んでもよい。ポリアリールエーテルケトンは、例えば、ポリエーテルケトン(PEK)、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)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、又はポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)のうちの1つ又は複数を含んでもよい。
本明細書で使用される用語「熱硬化性ポリマー」は、熱を加えると架橋し、不可逆的に凝固又は「固化(set)」する、上記で規定された高分子を意味する。
本明細書で使用される用語「ガラス複合材層」は、ガラスを含む複合材を含む層を意味する。ガラスは、例えば、ガラス繊維の形態であってもよい。ガラス複合材層内のガラス繊維は、特定の配向をもたない(全方向性)場合があり、又は、1つ又は複数の方向に配向される(例えば、一方向性、双方向性、又は多方向性)場合がある。ガラス繊維は、整列していてもよく、連続的であってもよく、且つ/又は一方向性であってもよい。
ガラス複合材層は、例えば、マトリックスを含む。マトリックスは、例えば、樹脂を含む。樹脂は、例えば、熱可塑性ポリマーを含んでもよい。熱可塑性ポリマーは、例えば、PEEK(PEEKは、比較的高いガラス転移温度(約290°F)及び融解温度(約650°F)を有し、高熱処理が可能である)、PEKK(PEKKは、比較的高いガラス転移温度(約315°F)及び融解温度(約640°F)を有し、高熱処理が可能である)、又はその他の熱可塑性ポリマーのうちの1つ又は複数を含んでもよい。ガラス複合材層は、例えば、1つ又は複数のガラス繊維強化ポリマーを含んでもよい。ガラス複合材層は、例えば、1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プラスチックを含んでもよい。
本明細書で使用される用語「プリプレグ」は、熱可塑性樹脂などのマトリクス材料が成形実行前に繊維強化材に既に存在している、「予め含浸された」複合繊維の略語である。プリプレグ製造技術は、様々な商業用途のための複合部品の製造に用いることができる。この商業用途には、例えば、航空機及び/又は宇宙船の製造が含まれる。プリプレグ製造方法を用いた複合部品製造は、複合製品の製作において速度を制限する場合がある。
本明細書で使用される用語「プリプレグプライ」は、プリプレグファブリック(prepreg fabric)及びプリプレグテープの両方を含む。
1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライの熱可塑性樹脂は、ガラス繊維のための結合をもたらす。熱可塑性樹脂は、十分に高いガラス転移温度、継続的使用温度、及び/又は晶子融点を示す場合があり、それにより、成形、型作り、及び/又は材料系の製造に関連するその他のプロセスのために、1つ又は複数のアルミニウム層(例えば、アルミニウム層102A)を軟化させることが可能となる。
大幅な構造的支持をもたらすために、1つ又は複数のガラス複合材層に頼ることができる。通常、この場合、大幅な構造的支持をもたらすために1つ又は複数のガラス複合材層が頼りとされてない場合に比べて、1つ又は複数のガラス複合材層の数及び/又は厚さは大きい。
大幅な構造的支持をもたらすように頼られているかどうかは別として、1つ又は複数のガラス複合材層の厚さは、例えば、≧0.0020インチ且つ≦0.0080インチ(例えば、0.0020インチ、0.0025インチ、0.0030インチ、0.0035インチ、0.0040インチ、0.0045インチ、0.0050インチ、0.0055インチ、0.0060インチ、0.0065インチ、0.0070インチ、0.0075インチ、又は0.0080インチ)であり得る。大幅な構造的支持をもたらすように頼られている場合、1つ又は複数のガラス複合材層の厚さは、0.0080インチを上回る場合もある。
大幅な構造的支持をもたらすように頼られているかどうかは別として、1つ又は複数のガラス複合材層の副層の厚さは、例えば、≧0.0020インチ且つ≦0.0040インチ(例えば、0.0020インチ、0.0025インチ、0.0030インチ、0.0035インチ、又は0.0040インチ)であり得る。大幅な構造的支持をもたらすように頼られている場合、1つ又は複数のガラス複合材副層の厚さは、0.0040インチを上回る場合もある。
本明細書で使用される用語「隣接」は、「近傍又は直接接触」を意味する。
ガラス複合材層の樹脂は、アルミニウム層とガラス複合材層(例えば、アルミニウム層102Aとガラス複合材層104A)を直接接合することができる。この場合、ガラス複合材層104Aは、アルミニウム層102Aに隣接してもよく、アルミニウム層102Aに直接接触してもよい。
追加的な層(図示せず)が、アルミニウム層102Aとガラス複合材層104Aとの間にあってもよい。この場合、ガラス複合材層104Aは、アルミニウム層102Aに隣接してもよいが、アルミニウム層102Aに直接接触しないことがある。追加的な層は、アルミニウム層102Aとガラス複合材層104Aとの間の接合を改善することができる。追加的な層は、アルミニウム層102Aとガラス合材層104Aとの間の接合に関連する作用(例えば、熱収縮、熱膨張、歪み、又は応力)を少なくとも部分的に緩和することができる。
追加的な層は、例えば、接着層であってもよい。かような追加的な層のための材料を選択する際には、気を付けるべきである。なぜなら、例えば、一部の接着剤は、1つ又は複数の相互作用メカニズム(例えば、ガルバニック腐食)を介してアルミニウム層102A及び/又はガラス複合材層104Aと相互作用し得る銀或いはその他の元素又は化合物を含むからである。
本明細書で使用される用語「炭素」は、原子番号6の非金属元素のことを意味し、その任意のアイソトープが含まれる。
本明細書で使用される用語「炭素複合材層」は、炭素を含む複合材を含む層を意味する。炭素は、例えば、炭素繊維の形態であってもよい。炭素複合材層内の炭素繊維は、特定の配向をもたない(全方向性)場合があり、又は、1つ又は複数の方向に配向される(例えば、一方向性、双方向性、又は多方向性)場合がある。炭素繊維は、整列していてもよく、連続的であってもよく、且つ/又は一方向性であってもよい。
炭素繊維は、織物であってもよい。織り繊維の強度は、織り繊維の織り及び/又は配向の種類によって変動し得る(例えば、織り繊維が平行に配向された場合、群としての織り繊維の強度は、その配向に対して平行な方向においてより高いはずである)。織りの種類は、例えば、平織(例えば、1×1)、綾織(例えば、2×2)、七子織、魚織り、ハーネス織り、もじり織、朱子織、又は一方向性織りであり得る。
炭素複合材層は、例えば、マトリックスを含む。マトリックスは、例えば、樹脂を含む。樹脂は、例えば、熱可塑性ポリマーを含んでもよい。熱可塑性ポリマーは、例えば、PEEK、PEKK、又はその他の熱可塑性ポリマーのうちの1つ又は複数を含んでもよい。炭素複合材層は、例えば、1つ又は複数の炭素繊維強化ポリマーを含んでもよい。炭素複合材層は、例えば、1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを含んでもよい。
1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライの熱可塑性樹脂は、炭素繊維のための結合をもたらす。熱可塑性樹脂は、十分に高いガラス転移温度、継続的使用温度、及び/又は晶子融点を示す場合があり、それにより、成形、型作り、及び/又は材料系の製造に関連するその他のプロセスのために、1つ又は複数のアルミニウム層(例えば、アルミニウム層102A)を軟化させることが可能となる。
大幅な構造的支持をもたらすために、1つ又は複数の炭素複合材層に頼ることができる。通常、この場合、大幅な構造的支持をもたらすために1つ又は複数の炭素複合材層が頼りとされてない場合に比べて、1つ又は複数の炭素複合材層の数及び/又は厚さは大きい。
大幅な構造的支持をもたらすように頼られているかどうかは別として、1つ又は複数の炭素複合材層の厚さは、例えば、≧0.0400インチ且つ≦0.0800インチ(例えば、0.0400インチ、0.0432インチ、0.0440インチ、0.0450インチ、0.0500インチ、0.0550インチ、0.0600インチ、0.0650インチ、0.0700インチ、0.0750インチ、又は0.0800インチ)であり得る。大幅な構造的支持をもたらすように頼られている場合、1つ又は複数の炭素複合材層の厚さは、0.0800インチを上回る場合もある。
大幅な構造的支持をもたらすように頼られているかどうかは別として、1つ又は複数の炭素複合材層の副層の厚さは、例えば、≧0.0040インチ且つ≦0.0080インチ(例えば、0.0040インチ、0.0044インチ、0.0045インチ、0.0050インチ、0.0054インチ、0.0055インチ、0.0060インチ、0.0065インチ、0.0070インチ、0.0075インチ、又は0.0080インチ)であり得る。大幅な構造的支持をもたらすように頼られている場合、1つ又は複数の炭素複合材副層の厚さは、0.0080インチを上回る場合もある。
第1のガラス複合材層及び/又は1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよく、第1の炭素複合材層及び/又は1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよく、第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と同じであってもよい。第1の熱可塑性樹脂が第2の熱可塑性樹脂と同じである場合、材料系の製造を簡略化することができる。第1のガラス複合材層及び/又は1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライと、第1の炭素複合材層及び/又は1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライとの間の接合は、第1の熱可塑性樹脂と第2の熱可塑性樹脂との親和性(compatibility)の故に、時間が経つとより均一となり、且つ/又はより安定し得る。
第1のガラス複合材層及び/又は1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよく、第1の炭素複合材層及び/又は1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよく、第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と異なっていてもよい。第1の熱可塑性樹脂が第2の熱可塑性樹脂と異なっている場合、材料系の製造中、より多くの設計上のオプションが利用可能であり得る。第1のガラス複合材層及び/又は1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライと、第1の炭素複合材層及び/又は1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライとの間の接合は、特に相互の化学的適合性を考慮して第1の熱可塑性樹脂及び第2の熱可塑性樹脂が選択された場合、初期段階で且つ/又は時間が経つとより強くなり得る。
1つ又は複数のガラス複合材層は、アルミニウム層と炭素複合材層との間の(例えば、直接的な)相互作用を防止するように構成され得る(例えば、ガラス複合材層104Aは、アルミニウム層102Aと炭素複合材層106Aとの間の相互作用を防止するように構成され得る)。1つ又は複数のガラス複合材層は、アルミニウム層と炭素複合材層との間の(例えば、直接的又は間接的な)相互作用に起因するガルバニック腐食を防止するように構成され得る(例えば、ガラス複合材層104Aは、アルミニウム層102Aと炭素複合材層106Aとの間の相互作用に起因するガルバニック腐食を防止するように構成され得る)。
1つ又は複数のガラス複合材層は、アルミニウム及び炭素複合材層における熱収縮の作用を少なくとも部分的に緩和することにより、且つ/又は、1つ又は複数のガラス複合材層内のガラス繊維の配向に関連する作用を通して、冷却中(例えば、一体化プロセス中)に、アルミニウム層と炭素複合材層との間の熱収縮の差に起因する熱応力を減少させるように構成され得る(例えば、ガラス複合材層104Aは、冷却中に、アルミニウム層102Aと炭素複合材層106Aとの間の熱収縮の差に起因する熱応力を減少させるように構成され得る)。1つ又は複数のガラス複合材層は、アルミニウム及び炭素複合材層における熱収縮の作用を少なくとも部分的に緩和することにより、且つ/又は、1つ又は複数のガラス複合材層内のガラス繊維の配向に関連する作用を通して、冷却後(例えば、一体化プロセスの後)に、アルミニウム層と炭素複合材層との間の冷却中の熱収縮の差に起因する残留熱応力を減少させるように構成され得る(例えば、ガラス複合材層104Aは、冷却後に、アルミニウム層102Aと炭素複合材層106Aとの間の冷却中の熱収縮の差に起因する残留熱応力を減少させるように構成され得る)。
1つ又は複数のガラス複合材層は、適合層として機能して、冷却中及び冷却後の両段階において、熱応力を減少させるように構成され得る。この適合機能は、隣接する層間の境界の近くの応力、その境界における応力、又はその境界にわたる応力の蓄積に起因して、隣接する層同士が分離することを回避する助けとなる。
ガラス複合材層の樹脂は、ガラス複合材層と炭素複合材層(例えば、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106A)を直接接合することができる。この場合、ガラス複合材層104Aは、炭素複合材層106Aに隣接してもよく、炭素複合材層106Aに直接接触してもよい。
炭素複合材層の樹脂は、ガラス複合材層と炭素複合材層(例えば、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106A)を直接接合することができる。この場合、ガラス複合材層104Aは、炭素複合材層106Aに隣接してもよく、炭素複合材層106Aに直接接触してもよい。
ガラス複合材層及び炭素複合材層の樹脂は、ガラス複合材層と炭素複合材層(例えば、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106A)を直接接合することができる。この場合、ガラス複合材層104Aは、炭素複合材層106Aに隣接してもよく、炭素複合材層106Aに直接接触してもよい。
追加的な層(図示せず)が、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106Aとの間にあってもよい。この場合、ガラス複合材層104Aは、炭素複合材層106Aに隣接してもよいが、炭素複合材層106Aに直接接触しないことがある。追加的な層は、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106Aとの間の接合を改善することができる。追加的な層は、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106Aとの間の接合に関連する作用(例えば、熱収縮、熱膨張、歪み、又は応力)を少なくとも部分的に緩和することができる。
追加的な層は、例えば、接着層であってもよい。かような追加的な層のための材料を選択する際には、気を付けるべきである。なぜなら、例えば、一部の接着剤は、1つ又は複数の相互作用メカニズムを介してガラス複合材層104A及び/又は炭素複合材層106Aと相互作用し得る元素又は化合物を含むからである。
1つ又は複数の層が、所与のアルミニウム層と所与の炭素複合材層との間にあってもよい。この1つ又は複数の層は、例えば、1つ又は複数のガラス複合材層及び/又は1つ又は複数の接着層を含んでもよい。この1つ又は複数の層は、1つ又は複数のアルミニウム層と1つ又は複数の炭素複合材層との間の(例えば、直接的な)相互作用を防止するように構成され得る(例えば、アルミニウム層102Aと炭素複合材層106Aとの間の相互作用を防止するように構成され得る)。この1つ又は複数の層は、1つ又は複数のアルミニウム層と1つ又は複数の炭素複合材層との間の(例えば、直接的又は間接的な)相互作用に起因するガルバニック腐食を防止するように構成され得る(例えば、アルミニウム層102Aと炭素複合材層106Aとの間の相互作用に起因するガルバニック腐食を防止するように構成される)。
図1Bは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系100Bを示す。図1Bで示されるように、材料系100Bは、アルミニウム層102B、アルミニウム層102Bに隣接するガラス複合材層104B、及びガラス複合材層104Bに隣接し、且つアルミニウム層102Bとは反対側の炭素複合材層106Bを含む。アルミニウム層102Bは、複数のアルミニウム副層102B1、102B2、102B3、102B4(例えば、102B1、102B2、...102Bn)を含み得る。アルミニウム副層の数(n)は、例えば、2、3、4、5、6以上の副層であり得る。
アルミニウム層102B、ガラス複合材層104B、及び炭素複合材層106Bは、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。同様に、複数のアルミニウム副層102B1、102B2、102B3、102B4は、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。
図1Cは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系100Cを示す。図1Cで示されるように、材料系100Cは、アルミニウム層102C、アルミニウム層102Cに隣接するガラス複合材層104C、及びガラス複合材層104Cに隣接し、且つアルミニウム層102Cとは反対側の炭素複合材層106Cを含む。ガラス複合材層104Cは、複数のガラス複合材副層104C1、104C2、104C3、104C4(例えば、104C1、104C2、...104Cn)を含み得る。ガラス複合材副層の数(n)は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12以上の副層であり得る。
アルミニウム層102C、ガラス複合材層104C、及び炭素複合材層106Cは、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。同様に、複数のガラス複合材副層104C1、104C2、104C3、104C4は、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。
図1Dは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系100Dを示す。図1Dで示されるように、材料系100Dは、アルミニウム層102D、アルミニウム層102Dに隣接するガラス複合材層104D、及びガラス複合材層104Dに隣接し、且つアルミニウム層102Dとは反対側の炭素複合材層106Dを含む。炭素複合材層106Dは、複数の炭素複合材副層106D1、106D2、106D3、106D4(例えば、106D1、106D2、...106Dn)を含み得る。炭素複合材副層の数(n)は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32以上の副層(例えば、8、16、24、32、40、又は64の副層)であり得る。
アルミニウム層102D、ガラス複合材層104D、及び炭素複合材層106Dは、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。同様に、複数の炭素複合材副層106D1、106D2、106D3、106D4は、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。
図1Eは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系100Eを示す。図1Eで示されるように、材料系100Eは、アルミニウム層102E、アルミニウム層102Eに隣接するガラス複合材層104E、及びガラス複合材層104Eに隣接し、且つアルミニウム層102Eとは反対側の炭素複合材層106Eを含む。アルミニウム層102Eは、複数のアルミニウム副層102E1、102E2(例えば、102E1、102E2、...102En)を含んでもよい。アルミニウム副層の数(n)は、例えば、2、3、4、5、6以上の副層であり得る。ガラス複合材層104Eは、複数のガラス複合材副層104E1、104E2、104E3、104E4(例えば、104E1、104E2、...104Eo)を含み得る。ガラス複合材副層の数(o)は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12以上の副層であり得る。炭素複合材層106Eは、複数の炭素複合材副層106E1、106E2、106E3(例えば、106E1、106E2、...106Ep)を含み得る。炭素複合材副層の数(p)は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32以上の副層(例えば、8、16、24、32、40、又は64の副層)であり得る。
アルミニウム副層の数は、ガラス複合材副層の数と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。アルミニウム副層の数は、炭素複合材副層の数と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。ガラス複合材副層の数は、炭素複合材副層の数と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
アルミニウム層102E、ガラス複合材層104E、及び炭素複合材層106Eは、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。複数のアルミニウム副層102E1、102E2は、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。複数のガラス複合材副層104E1、104E2、104E3、104E4は、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。複数の炭素複合材副層106E1、106E2、106E3は、同じ厚さを有してもよく、又は異なる厚さを有してもよい。
ガラス複合材層(例えば、ガラス複合材層104A、104B、104C、104D、104E)は、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。炭素複合材層(例えば、炭素複合材層106A、106B、106C、106D、106E)は、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と同じであってもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と異なっていてもよい。
第1の熱可塑性樹脂は、ガラス複合材層と炭素複合材層(例えば、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106A)を接合することができる。第2の熱可塑性樹脂は、ガラス複合材層と炭素複合材層(例えば、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106A)を接合することができる。第1及び第2の熱可塑性樹脂は、ガラス複合材層と炭素複合材層(例えば、ガラス複合材層104Aと炭素複合材層106A)を接合することができる。
図2Aは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系200Aを示す。図2Aに示されるように、材料系200Aは、第1のアルミニウム層202A、第1のアルミニウム層202Aに隣接する第1のガラス複合材層204A、第1のガラス複合材層204Aに隣接し、且つ第1のアルミニウム層202Aとは反対側の第1の炭素複合材層206A、及び第1の炭素複合材層206Aに隣接し、且つ第1のガラス複合材層204Aとは反対側の第2のガラス複合材層208Aを含む。
第2のガラス複合材層208Aは、複数の第2のガラス複合材副層(図示せず)を含んでもよい。第2のガラス複合材副層の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12以上の副層であり得る。副層は、それぞれ又はすべて、1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよい。
第1のガラス複合材層204Aは、1つ又は複数の第1のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第1のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第1の炭素複合材層206Aは、1つ又は複数の第1の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第1の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第2のガラス複合材層208Aは、1つ又は複数の第2のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第2のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第3の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第3の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第2の熱可塑性樹脂は、第3の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
第1の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。
図2Bは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系200Bを示す。図2Bで示されているように、材料系200Bは、第1のアルミニウム層202B、第1のアルミニウム層202Bに隣接する第1のガラス複合材層204B、第1のガラス複合材層204Bに隣接し、且つ第1のアルミニウム層202Bとは反対側の第1の炭素複合材層206B、第1の炭素複合材層206Bに隣接し、且つ第1のガラス複合材層204Bとは反対側の第2のガラス複合材層208B、及び第2のガラス複合材層208Bに隣接し、且つ第1の炭素複合材層206Bとは反対側の第2のアルミニウム層210Bを含む。
第2のアルミニウム層210Bは、複数の第2のアルミニウム副層(図示せず)を含んでもよい。第2のアルミニウム副層の数は、例えば、2、3、4、5、6以上の副層であり得る。
図2Cは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系200Cを示す。図2Cで示されているように、材料系200Cは、第1のアルミニウム層202C、第1のアルミニウム層202Cに隣接する第1のガラス複合材層204C、第1のガラス複合材層204Cに隣接し、且つ第1のアルミニウム層202Cとは反対側の第1の炭素複合材層206C、第1の炭素複合材層206Cに隣接し、且つ第1のガラス複合材層204Cとは反対側の第2のガラス複合材層208C、及び第2のガラス複合材層208Cに隣接し、且つ第1の炭素複合材層206Cとは反対側の第2の炭素複合材層212Cを含む。
第2の炭素複合材層212Cは、複数の第2の炭素複合材副層(図示せず)を含んでもよい。第2の炭素複合材副層の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32以上の副層(例えば、8、16、24、32、40、又は64の副層)であり得る。副層は、それぞれ又はすべて、1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよい。
第1のガラス複合材層204Cは、1つ又は複数の第1のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第1のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第1の炭素複合材層206Cは、1つ又は複数の第1の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第1の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第2のガラス複合材層208Cは、1つ又は複数の第2のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第2のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第3の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第2の炭素複合材層212Cは、1つ又は複数の第2の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第2の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第4の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第2の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第3の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第1の熱可塑性樹脂は、第4の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第2の熱可塑性樹脂は、第3の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第2の熱可塑性樹脂は、第4の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第3の熱可塑性樹脂は、第4の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
第1の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第2の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第3の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第4の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第4の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第4の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第4の熱可塑性樹脂は、例えば、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。
図2Dは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系200Dを示す。図2Dに示すように、材料系200Dは、第1のアルミニウム層202D、第1のアルミニウム層202Dに隣接する第1のガラス複合材層204D、第1のガラス複合材層204Dに隣接し、且つ第1のアルミニウム層202Dとは反対側の第1の炭素複合材層206D、第1の炭素複合材層206Dに隣接し、且つ第1のガラス複合材層204Dとは反対側の第2のガラス複合材層208D、第2のガラス複合材層208Dに隣接し、且つ第1の炭素複合材層206Dとは反対側の第2のアルミニウム層210D、第2のアルミニウム層210Dに隣接し、且つ第2のガラス複合材層208Dとは反対側の第3のガラス複合材層214D、第3のガラス複合材層214Dに隣接し、且つ第2のアルミニウム層210Dとは反対側の第2の炭素複合材層216D、第2の炭素複合材層216Dに隣接し、且つ第3のガラス複合材層214Dとは反対側の第4のガラス複合材層218D、及び/又は第4のガラス複合材層218Dに隣接し、且つ第2の炭素複合材層216Dとは反対側の第3のアルミニウム層220Dを含む。
各アルミニウム層は、複数のアルミニウム副層(図示せず)を含み得る。アルミニウム副層の数は、例えば、2、3、4、5、6以上の副層であり得る。各ガラス複合材層は、複数のガラス複合材副層(図示せず)を含み得る。ガラス複合材副層の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12以上の副層であり得る。各炭素複合材層は、複数の炭素複合材副層(図示せず)を含み得る。炭素複合材副層の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32以上の副層(例えば、8、16、24、32、40、又は64の副層)であり得る。
ガラス複合材層は、それぞれ又はすべて、1つ又は複数の第1のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、第1のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。第1の熱可塑性樹脂は、任意の他のガラス複合材層又は炭素複合材層内の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
炭素複合材層は、それぞれ又はすべて、1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、任意の他の炭素複合材層又はガラス複合材層内の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
図2Eは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る材料系200Eを示す。図2Eに示すように、材料系200Eは、第1のアルミニウム層202E、第1のアルミニウム層202Eに隣接する第1のガラス複合材層204E、第1のガラス複合材層204Eに隣接し、且つ第1のアルミニウム層202Eとは反対側の第1の炭素複合材層206E、第1の炭素複合材層206Eに隣接し、且つ第1のガラス複合材層204Eとは反対側の第2のガラス複合材層208E、第2のガラス複合材層208Eに隣接し、且つ第1の炭素複合材層206Eとは反対側の第2のアルミニウム層212E、第2のアルミニウム層212Eに隣接し、且つ第2のガラス複合材層208Eとは反対側の第3のガラス複合材層222E、第3のガラス複合材層222Eに隣接し、且つ第2のアルミニウム層212Eとは反対側の第3の炭素複合材層224E、及び/又は第3の炭素複合材層224Eに隣接し、且つ第3のガラス複合材層222Eとは反対側の第4のガラス複合材層226Eを含む。
第1のアルミニウム層202Eは、複数の第1のアルミニウム副層(図示せず)を含んでもよい。第1のアルミニウム副層の数は、例えば、2、3、4、5、6以上の副層であり得る。各ガラス複合材層は、複数のガラス複合材副層(図示せず)を含み得る。ガラス複合材副層の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12以上の副層であり得る。各炭素複合材層は、複数の炭素複合材副層(図示せず)を含み得る。炭素複合材副層の数は、例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32以上の副層(例えば、8、16、24、32、40、又は64の副層)であり得る。
ガラス複合材層は、それぞれ又はすべて、1つ又は複数のガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、ガラス繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよい。ガラス複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第1の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。ガラス複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第1の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。ガラス複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。ガラス複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第1の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。ガラス複合材層のそれぞれにおいて、第1の熱可塑性樹脂は、任意の他のガラス複合材層又は炭素複合材層内の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
炭素複合材層は、それぞれ又はすべて、1つ又は複数の炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライを含んでもよく、炭素繊維強化熱可塑性プリプレグプライは、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PEEKを含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PEKKを含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEI、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれ又はすべてにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、PAEK、PEEK、PEEKK、PEI、PEK、PEKEKK、PEKK、又はPPSのうちの1つ又は複数を含んでもよい。炭素複合材層のそれぞれにおいて、第2の熱可塑性樹脂は、任意の他の炭素複合材層又はガラス複合材層内の熱可塑性樹脂と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
図3Aは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、第1の層を成形ツール(例えば、マンドレル)上にレイアップすることを示す。図3Aで示されているように、第1の層302は、成形ツール300上にレイアップされ得る。成形ツール300は、実質的にどんな形でもよい。第1の層302は、例えば、アルミニウム層、ガラス複合材層、又は炭素複合材層を含んでもよい。成形ツール300から材料系をその後取り除くことを容易にするため、成形ツール300と第1の層302との間で分離膜又は類似物が使用され得る。第1の層302は、2つ以上の副層(図示せず)を含んでもよい。
図3Bは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、第2の層を図3Aの第1の層上にレイアップすることを示す。図3Bで示されているように、第2の層304が第1の層302上にレイアップされ、積層体318(図3D参照)の第1の部分が形成され得る。第2の層304は、(ガルバニック腐食に対する懸念の故に)アルミニウム層が炭素複合材層に直接接触しない限り、例えば、アルミニウム層、ガラス複合材層、又は炭素複合材層を含んでもよい。第2の層304は、2つ以上の副層(図示せず)を含んでもよい。第2の層304の形状は、第1の層302の形状と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第2の層304の厚さは、第1の層302の厚さと同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
積層体318は、第1の層302と第2の層304との間に追加的な層(図示せず)を含んでもよい。追加的な層は、第1の層302と第2の層304との接合を改善することができる。追加的な層は、例えば、接着層であってもよい。この場合、第2の層304は、第1の層302に隣接してもよいが、第1の層302に直接接触しないことがある。かような追加的な層のための材料を選択する際には、気を付けるべきである。なぜなら、例えば、一部の材料は、1つ又は複数の相互作用メカニズムを介して第1の層302及び/又は第2の層304と相互作用し得る元素又は化合物を含むからである。
図3Cは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、第3の層を図3Bの第2の層上にレイアップすることを示す。図3Cで示されているように、第3の層306が第2の層304上にレイアップされ、積層体318の第2の部分が形成され得る。第3の層306は、(ガルバニック腐食に関する懸念の故に)アルミニウム層が炭素複合材層に直接接触しない限り、例えば、アルミニウム層、ガラス複合材層、又は炭素複合材層を含んでもよい。第3の層306は、2つ以上の副層(図示せず)を含んでもよい。第3の層306の形状は、第1の層302の形状と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第3の層306の厚さは、第1の層302の厚さと同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第3の層306の形状は、第2の層304の形状と同じであってもよく、又は異なっていてもよい。第3の層306の厚さは、第2の層304の厚さと同じであってもよく、又は異なっていてもよい。
積層体318は、第2の層304と第3の層306との間に追加的な層(図示せず)を含んでもよい。追加的な層は、第2の層304と第3の層306との接合を改善することができる。追加的な層は、例えば、接着層であってもよい。この場合、第3の層306は、第2の層304に隣接してもよいが、第2の層304に直接接触しないことがある。かような追加的な層のための材料を選択する際には、気を付けるべきである。なぜなら、例えば、一部の材料は、1つ又は複数の相互作用メカニズムを介して第2の層304及び/又は第3の層306と相互作用し得る元素又は化合物を含むからである。
ガルバニック腐食に対する懸念に対処することに加えて、ガラス複合材層は、適合層として機能し、ガラス複合材層に隣接する層の中の歪み及び/又はガラス複合材層に隣接する層間の応力を減少させることができる(例えば、一方の側にアルミニウム層があり、他方の側に炭素繊維層がある)。かような適合層は、ガラス複合材層に隣接する層に関連する作用(例えば、熱収縮、熱膨張、歪み、又は応力)を少なくとも部分的に緩和させるか、且つ/又は、ガラス複合材層内のガラス繊維の配向に関連する作用を通して、層間の歪み及び/又は応力を減少させることができる。
所望の層の積層が得られるまで、層の追加が継続され得る。レイアップは、手動及び/又は自動で行われ得る。
アルミニウム層の表面には、アルカリ脱脂、クロム酸陽極酸化又はその他の陽極酸化処理、プライミング(例えば、BR127防錆下塗り剤を用いて)、ゾルゲル、及び/又はクロム硫酸内の酸洗浄などの表面処理が施され得る。この表面は、例えば、研磨によって粗くしてもよい。
積層体318は、成形ツール(例えば、マンドレル)上で(例えば、真空バッグを用いて)バギングされ得る。
積層及び一体化には、固定式圧縮成形(例えば、オートクレーブ)又は継続的圧縮成形(例えば、オートクレーブ外で又は真空バッグのみの使用)が用いられてもよい。
図3Dは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、第1の炭素複合材層、第1のガラス複合材層、第2の炭素複合材層、第2のガラス複合材層、及び/又はアルミニウム層を含む積層体318を示す。図3Dで示されているように、積層体318を得るために、第1の炭素複合材層308は、成形ツール300上にレイアップされ得、第1のガラス複合材層310は、第1の炭素複合材層308上にレイアップされ得、第2の炭素複合材層312は、第1のガラス複合材層310上にレイアップされ得、第2のガラス複合材層314は、第2の炭素複合材層312上にレイアップされ得、且つ/又はアルミニウム層316は、第2のガラス複合材層314上にレイアップされ得る。
第1のガラス複合材層310は、第1の炭素複合材層308に隣接してもよく、第2の炭素複合材層312は、第1のガラス複合材層310に隣接してもよく、第2のガラス複合材層314は、第2の炭素複合材層312に隣接してもよく、且つ/又はアルミニウム層316は、第2のガラス複合材層314に隣接してもよい。
第1の炭素複合材層308、第1のガラス複合材層310、第2の炭素複合材層312、第2のガラス複合材層314、又はアルミニウム層316のうちの1つ又は複数は、2つ以上の副層(図示せず)を含んでもよい。
積層体318は、第1の炭素複合材層308と第1のガラス複合材層310との間に、第1のガラス複合材層310と第2の炭素複合材層312との間に、第2の炭素複合材層312と第2のガラス複合材層314との間に、且つ/又は第2のガラス複合材層314とアルミニウム層316との間に追加的な層(図示せず)を含んでもよい。追加的な層は、関連する隣接する層同士の接合を改善することができる。追加的な層は、例えば、接着層であってもよい。この場合、層同士は、互いに隣接してもよいが、直接接触しないことがある。かような追加的な層のための材料を選択する際には、気を付けるべきである。なぜなら、例えば、一部の材料は、1つ又は複数の相互作用メカニズムを介して他の層と相互作用し得る元素又は化合物を含むからである。
第1のガラス複合材層310又は第2のガラス複合材層314の一方又は両方が、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを含んでもよい。1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライは、アルミニウム層316を軟化するのに十分な温度で一体化することができる。1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、例えば、オートクレーブ内で行うことができる。
第1のガラス複合材層310又は第2のガラス複合材層314の一方又は両方の1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°F(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)まで上昇させることと、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの圧力を≧50psig、≧100psig、≧150psig、≧200psig、≧250psig、又は≦300psig(例えば、100psig±5psig又は最低290psig)まで上昇させることと、並びに/或いは温度及び圧力を≧5分間、≧10分間、≧15分間、又は≧20分間(例えば、20分+15分/-5分)保持することを含む。例えば、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を710°F±10°Fまで上昇させ、圧力を100psig±5psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの範囲内で20分+15分/-5分保持してもよい。例えば、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を707°F±9°Fまで上昇させ、圧力を最低290psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で最低6分保持してもよい。
第1のガラス複合材層310又は第2のガラス複合材層314の一方又は両方の1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、積層体318の温度を≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°F(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)まで上昇させることと、積層体318の圧力を≧50psig、≧100psig、≧150psig、≧200psig、≧250psig、又は≦300psig(例えば、100psig±5psig又は最低290psig)まで上昇させることと、並びに/或いは温度及び圧力を≧5分間、≧10分間、≧15分間、又は≧20分間(例えば、20分+15分/-5分)保持することを含む。例えば、積層体318の温度を710°F±10°Fまで上昇させ、圧力を100psig±5psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で20分+15分/-5分保持してもよい。例えば、積層体318の温度を707°F±9°Fまで上昇させ、圧力を最低290psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で最低6分保持してもよい。
第1の炭素複合材層308又は第2の炭素複合材層312の一方又は両方が、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを含んでもよい。1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライは、アルミニウム層316を軟化するのに十分な温度で一体化することができる。1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、例えば、オートクレーブ内で行うことができる。
第1の炭素複合材層308又は第2の炭素複合材層312の一方又は両方の1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°F(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)まで上昇させることと、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの圧力を≧50ゲージポンド毎平方インチ(psig)、≧100psig、≧150psig、≧200psig、≧250psig、又は≦300psig(例えば、100psig±5psig又は最低290psig)まで上昇させることと、並びに/或いは温度及び圧力を≧5分間、≧10分間、≧15分間、又は≧20分間(例えば、20分+15分/-5分)保持することを含む。例えば、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を710°F±10°Fまで上昇させ、圧力を100psig±5psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの範囲内で20分+15分/-5分保持してもよい。例えば、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を707°F±9°Fまで上昇させ、圧力を最低290psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で最低6分保持してもよい。
第1の炭素複合材層308又は第2の炭素複合材層312の一方又は両方の1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することは、積層体318の温度を≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°F(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)まで上昇させることと、積層体318の圧力を≧50psig、≧100psig、≧150psig、≧200psig、≧250psig、又は≦300psig(例えば、100psig±5psig又は最低290psig)まで上昇させることと、並びに/或いは温度及び圧力を≧5分間、≧10分間、≧15分間、又は≧20分間(例えば、20分+15分/-5分)保持することを含む。例えば、積層体318の温度を710°F±10°Fまで上昇させ、圧力を100psig±5psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で20分+15分/-5分保持してもよい。例えば、積層体318の温度を707°F±9°Fまで上昇させ、圧力を最低290psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で最低6分保持してもよい。
かような熱可塑性プリプレグプライは、事前に生産しておき、例えば、押紙と共にロール上で保管することができる。熱可塑性プリプレグプライ用のプリプレグテープは、一方向性である場合、例えば、押出又は引出によって生産することができる。
熱可塑性プリプレグプライは、一体化する前に(例えば、オーブンの中で)乾燥させることができる。例えば、熱可塑性プリプレグプライは、一体化する前、最低10分間250°Fで乾燥させてもよい。
第1のガラス複合材層310又は第2のガラス複合材層314の一方又は両方が、第1の熱可塑性樹脂を含んでもよい。材料系を製造する際に積層体318を一体化するように、積層体318の温度及び圧力を調節することができる。積層体318の温度及び圧力を調節することは、第1の熱可塑性樹脂の温度を≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°F(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)まで上昇させることと、第1の熱可塑性樹脂の圧力を≧50psig、≧100psig、≧150psig、≧200psig、≧250psig、又は≦300psig(例えば、100psig±5psig又は最低290psig)まで上昇させることと、並びに/或いは温度及び圧力を≧5分間、≧10分間、≧15分間、又は≧20分間(例えば、20分+15分/-5分)保持することを含む。例えば、第1の熱可塑性樹脂の温度を710°F±10°Fまで上昇させ、圧力を100psig±5psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの範囲内で20分+15分/-5分保持してもよい。例えば、第1の熱可塑性樹脂の温度を707°F±9°Fまで上昇させ、圧力を最低290psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で最低6分保持してもよい。
第1の炭素複合材層308又は第2の炭素複合材層312の一方又は両方が、第2の熱可塑性樹脂を含んでもよい。材料系を製造する際に積層体318を一体化するように、第2の熱可塑性樹脂の温度及び圧力を調節することができる。積層体318の温度及び圧力を調節することは、第2の熱可塑性樹脂の温度を≧600°F、≧650°F、≧675°F、又は≧700°F(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)まで上昇させることと、第2の熱可塑性樹脂の圧力を≧50psig、≧100psig、≧150psig、≧200psig、≧250psig、又は≦300psig(例えば、100psig±5psig又は最低290psig)まで上昇させることと、並びに/或いは温度及び圧力を≧5分間、≧10分間、≧15分間、又は≧20分間(例えば、20分+15分/-5分)保持することを含む。例えば、第2の熱可塑性樹脂の温度を710°F±10°Fまで上昇させ、圧力を100psig±5psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの範囲内で20分+15分/-5分保持してもよい。例えば、第2の熱可塑性樹脂の温度を707°F±9°Fまで上昇させ、圧力を最低290psigに調節し、次いで温度及び圧力をそれらの温度及び圧力の範囲内で最低6分保持してもよい。
アルミニウム層316を軟化させるのに十分な温度で1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することについての、又は、積層体318を一体化するように積層体318の温度及び圧力を調節することについての温度対時間のプロファイルには、3つのフェーズ、すなわち、加熱フェーズ(概して正の傾斜)、保持フェーズ(概して傾斜ゼロ)、及び冷却フェーズ(概して負の傾斜)がある。加熱フェーズでは、昇温速度は、ほぼどんな値(例えば、F°/分)であってもよい。保持フェーズでは、温度及び圧力は、所定の帯域内で又は所定の最低値を越えて実質的に一定に保持され得る。冷却フェーズでは、例えば、熱誘起応力、結晶度の問題、装備の限界についての懸念により、降温速度(例えば、F°/分)が制限される場合がある。追加的に又は代替的に、温度が著しく下がるまで、圧力帯域を維持する必要がある場合がある。
図4Aは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、アルミニウム層を軟化するのに十分な温度で1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化するための、又は、材料系を製作する際に積層体を一体化するように積層体の温度及び圧力を調節するための、温度対時間のプロファイルを示す。図4Aで示されているように、加熱フェーズでは、昇温速度は、ほぼどんな値であってもよく、保持フェーズでは、温度(例えば、硬化温度)は、所定の帯域内(例えば、707°F±9°F又は710°F±10°F)で実質的に一定に保持されてもよく、冷却フェーズでは、降温速度は、温度が著しく減少するまで(例えば、温度が≦250°Fに至るまで)、制限(例えば、≦100°F/分)されてもよい。
図4Bは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、アルミニウム層を軟化するのに十分な温度で1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化するための、又は、材料系を製作する際に積層体を一体化するように積層体の温度及び圧力を調節するための、圧力対時間のプロファイルを示す。図4Bで示されているように、加熱フェーズでは、圧力は低く、保持フェーズでは、圧力は、所定の帯域内(例えば、20分+15分/-5分にわたって100psig±5psig又は最低6分間にわたって最低290psig)で実質的に一定に保持されてもよく、冷却フェーズでは、温度が著しく減少するまで圧力帯域が維持されなければならない場合がある(例えば、温度が≦250°Fに至るまで100psig±5psig又は最低290psig)。
図4Bで示されるように、調節圧力への圧力増加及び/又は調節圧力からの圧力減少は、比較的迅速であり得る。圧力グラフの先端及び/又は後端がよりゆるやかなスロープとなるように、調節圧力への圧力増加及び/又は調節圧力からの圧力減少は、比較的緩慢であってもよい。調節圧力への圧力増加及び/又は調節圧力からの圧力減少は、一連のより小さな工程で行われてもよい。
図4Cは、開示された材料系の幾つかの実施例に係る、アルミニウム層を軟化するのに十分な温度で1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化するための、又は、積層体の温度及び圧力を調節するための、温度及び圧力対時間のプロファイルを示す。図4Cで示されているように、加熱フェーズでは、昇温速度は、ほぼどんな値であってもよく、保持フェーズでは、温度(例えば、硬化温度)及び圧力は、所定の帯域又は所定の最小値(例えば、707°F±9°F及び最低6分間にわたって最低290psig)で実質的に一定に保持されてもよく、冷却フェーズでは、降温速度は、温度が著しく減少するまで(例えば、温度が≦410°Fに至るまで)、制限(例えば、≦108°F/分)されてもよく、且つ/又は最低圧力は、温度が著しく減少するまで維持されなければならない場合がある(例えば、温度が≦248°Fに至るまで最低290psig)。
加熱フェーズの間、温度が安定化且つ/又は標準化されるように加熱を一時中断することができ、次いで、加熱を継続することができる(例えば、滞留温度で加熱プロファイルにおける浸漬又はプレ一体化工程を効果的につくる。図示せず)。同様に、冷却フェーズの間、温度が安定化且つ/又は標準化されることを可能にするように冷却を一時中断することができ、次いで、冷却を継続することができる(例えば、冷却プロファイルにおける浸漬又はポスト一体化工程を効果的につくる。図示せず)。
様々な構成要素の断面形状を有する材料系を生成することができる。材料系は、例えば、円形且つ中実(例えば、ロッド)、円形且つ中空(例えば、チューブ)、四角形且つ中実、又は四角形且つ中空の断面を有してもよい。材料系は、例えば、ブレード、帽子、並びに/或いは大文字C、I、L、T、U、又はZに類似する断面を有してもよい。
実施例1
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(副層2‐3、及び12‐13)、及び炭素複合材層(副層4‐11)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性(quasi-isotropic strength property)を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、2つの副層を含み、炭素複合材層は、8つの副層を含む。
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(副層2‐3、及び12‐13)、及び炭素複合材層(副層4‐11)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性(quasi-isotropic strength property)を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、2つの副層を含み、炭素複合材層は、8つの副層を含む。
実施例2
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(副層2‐3、及び20‐21)、及び炭素複合材層(副層4‐19)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、2つの副層を含み、炭素複合材層は、16の副層を含む。
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(副層2‐3、及び20‐21)、及び炭素複合材層(副層4‐19)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、2つの副層を含み、炭素複合材層は、16の副層を含む。
実施例3
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(副層2‐3、及び12‐13)、及び炭素複合材層(副層4‐11)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、2つの副層を含み、炭素複合材層は、8つの副層を含む。
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(副層2‐3、及び12‐13)、及び炭素複合材層(副層4‐11)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、2つの副層を含み、炭素複合材層は、8つの副層を含む。
実施例4
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(層2及び11)、及び炭素複合材層(副層3‐10)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、1つの層を含み、炭素複合材層は、8つの副層を含む。
4層積層体は、アルミニウム層(層1)、2つのガラス複合材層(層2及び11)、及び炭素複合材層(副層3‐10)を含んでもよい。炭素複合材層は、疑似等方性強度特性を示し得る。以下の表では、各ガラス複合材層は、1つの層を含み、炭素複合材層は、8つの副層を含む。
例えば、ガラス複合材層用のEガラス、Sガラス、及び/又はS‐2ガラス繊維(例えば、933 S‐2ガラス繊維)は、サウスカロライナ州のAikenのAGYから、S‐2 Glass(登録商標)という商品名で入手可能である。
例えば、炭素複合材層用の炭素繊維(例えば、AS4D 4000炭素繊維)は、コネチカット州のスタンフォードのヘクセル・コーポレーション(Hexcel Corporation of Stamford)から、HexTow(登録商標)という商品名で入手可能である。
さらに、本開示は下記の条項に係る実施例を含む。
条項1
材料系であって、第1のアルミニウム層、前記第1のアルミニウム層に隣接する第1のガラス複合材層、及び前記第1のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1のアルミニウム層とは反対側の第1の炭素複合材層を含み、前記第1のガラス複合材層が、第1の熱可塑性樹脂を含み、且つ前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第1のアルミニウム層と前記第1のガラス複合材層とを接合する、材料系。
材料系であって、第1のアルミニウム層、前記第1のアルミニウム層に隣接する第1のガラス複合材層、及び前記第1のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1のアルミニウム層とは反対側の第1の炭素複合材層を含み、前記第1のガラス複合材層が、第1の熱可塑性樹脂を含み、且つ前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第1のアルミニウム層と前記第1のガラス複合材層とを接合する、材料系。
条項2
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第1のガラス複合材層と前記第1の炭素複合材層とを接合する、条項1に記載の系。
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第1のガラス複合材層と前記第1の炭素複合材層とを接合する、条項1に記載の系。
条項3
前記第1の熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項1又は2に記載の系。
前記第1の熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項1又は2に記載の系。
条項4
前記第1の炭素複合材層が、第2の熱可塑性樹脂を含む、条項1から3のいずれか一項に記載の系。
前記第1の炭素複合材層が、第2の熱可塑性樹脂を含む、条項1から3のいずれか一項に記載の系。
条項5
前記第2の熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項4に記載の系。
前記第2の熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項4に記載の系。
条項6
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第2の熱可塑性樹脂と同じである、条項4に記載の系。
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第2の熱可塑性樹脂と同じである、条項4に記載の系。
条項7
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第2の熱可塑性樹脂と異なる、条項4に記載の系。
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第2の熱可塑性樹脂と異なる、条項4に記載の系。
条項8
前記第1の炭素複合材層に隣接し、且つ前記第1のガラス複合材層とは反対側の第2のガラス複合材層をさらに含む、条項1から7のいずれか一項に記載の系。
前記第1の炭素複合材層に隣接し、且つ前記第1のガラス複合材層とは反対側の第2のガラス複合材層をさらに含む、条項1から7のいずれか一項に記載の系。
条項9
前記第2のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1の炭素複合材層とは反対側の第2のアルミニウム層をさらに含む、条項8に記載の系。
前記第2のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1の炭素複合材層とは反対側の第2のアルミニウム層をさらに含む、条項8に記載の系。
条項10
前記第2のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1の炭素複合材層とは反対側の第2の炭素複合材層をさらに含む、条項8又は9に記載の系。
前記第2のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1の炭素複合材層とは反対側の第2の炭素複合材層をさらに含む、条項8又は9に記載の系。
条項11
前記第1のアルミニウム層が、複数の第1のアルミニウム副層を含む、条項1から10のいずれか一項に記載の系。
前記第1のアルミニウム層が、複数の第1のアルミニウム副層を含む、条項1から10のいずれか一項に記載の系。
条項12
前記第1のガラス複合材層が、複数の第1のガラス複合材副層を含む、条項1から11のいずれか一項に記載の系。
前記第1のガラス複合材層が、複数の第1のガラス複合材副層を含む、条項1から11のいずれか一項に記載の系。
条項13
前記第1の炭素複合材層が、複数の第1の炭素複合材副層を含む、条項1から12のいずれか一項に記載の系。
前記第1の炭素複合材層が、複数の第1の炭素複合材副層を含む、条項1から12のいずれか一項に記載の系。
条項14
前記第1のガラス複合材層が、織りガラスを含み、前記第1のガラス複合材層の強度が、前記織りガラスの配向によって変動する、条項1から13のいずれか一項に記載の系。
前記第1のガラス複合材層が、織りガラスを含み、前記第1のガラス複合材層の強度が、前記織りガラスの配向によって変動する、条項1から13のいずれか一項に記載の系。
条項15
材料系を製造する方法であって、積層体の中でアルミニウム層がガラス複合材層に隣接し、前記積層体の中で前記ガラス複合材層が炭素複合材層に隣接するように、前記アルミニウム層、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを含む前記ガラス複合材層、及び前記炭素複合材層を積層することと、前記アルミニウム層を軟化させるのに十分な温度で前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することとを含む方法。
材料系を製造する方法であって、積層体の中でアルミニウム層がガラス複合材層に隣接し、前記積層体の中で前記ガラス複合材層が炭素複合材層に隣接するように、前記アルミニウム層、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを含む前記ガラス複合材層、及び前記炭素複合材層を積層することと、前記アルミニウム層を軟化させるのに十分な温度で前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することとを含む方法。
条項16
前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライが、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項15に記載の方法。
前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライが、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項15に記載の方法。
条項17
前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することが、前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を600°F以上まで上昇させることを含む、条項15又は16に記載の方法。
前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することが、前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を600°F以上まで上昇させることを含む、条項15又は16に記載の方法。
条項18
前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することが、前記積層体の温度を600°F以上まで上昇させることを含む、条項15又は16に記載の方法。
前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することが、前記積層体の温度を600°F以上まで上昇させることを含む、条項15又は16に記載の方法。
条項19
材料系を製造する方法であって、積層体の中でガラス複合材層がアルミニウム層と炭素複合材層との間にあるように、前記アルミニウム層、熱可塑性樹脂を含む前記ガラス複合材層、及び前記炭素複合材層を積層することと、前記積層体を一体化するように、前記積層体の温度及び圧力を調節することとを含む方法。
材料系を製造する方法であって、積層体の中でガラス複合材層がアルミニウム層と炭素複合材層との間にあるように、前記アルミニウム層、熱可塑性樹脂を含む前記ガラス複合材層、及び前記炭素複合材層を積層することと、前記積層体を一体化するように、前記積層体の温度及び圧力を調節することとを含む方法。
条項20
前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項19に記載の方法。
前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、条項19に記載の方法。
本明細書及び添付の図面で実施例が図示且つ説明されたが、その原理及び精神から逸脱しない限り、図示且つ/又は説明された実施例に対して変更を行うことができることを理解されたい。本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲及びその均等物によって規定される。
Claims (18)
- 材料系であって、アルミニウム層(202A)、
前記アルミニウム層に隣接するガラス複合材層(204A)、及び
前記ガラス複合材層に隣接し、且つ前記アルミニウム層とは反対側の炭素複合材層(206A)
からなり、
前記アルミニウム層が前記ガラス複合材層に直接接触しており、
前記ガラス複合材層が、第1の熱可塑性樹脂を含み、
前記炭素複合材層が少なくとも連続した第1、第2および第3の炭素複合材副層を含み、前記第2の炭素複合材副層が、前記第1の炭素複合材副層および前記第3の炭素複合材副層の間にあり、
前記第1の炭素複合材層が第1の繊維配向を有する繊維を含み、
前記第2の炭素複合材層が第2の繊維配向を有する繊維を含み、
前記第3の炭素複合材層が第3の繊維配向を有する繊維を含み、
前記第1の繊維配向は、前記第2の繊維配向に対して垂直であり、且つ
前記第3の繊維配向は、前記第1の繊維配向と前記第2の繊維配向の中間である、
材料系。 - 前記第1の熱可塑性樹脂が、前記ガラス複合材層(204A)と前記炭素複合材層(206A)とを接合する、請求項1に記載の系。
- 前記第1の熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、請求項1又は2に記載の系。
- 前記炭素複合材層(206A)が、第2の熱可塑性樹脂を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の系。
- 前記第2の熱可塑性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、請求項4に記載の系。
- 前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第2の熱可塑性樹脂と同じである、請求項4に記載の系。
- 前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第2の熱可塑性樹脂と異なる、請求項4に記載の系。
- 前記アルミニウム層(202A)が、複数のアルミニウム副層を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の系。
- 前記ガラス複合材層(204A)が、複数のガラス複合材副層を含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の系。
- 前記第1のガラス複合材層(204A)が、織りガラスを含み、
前記第1のガラス複合材層の強度が、前記織りガラスの配向によって変動する、請求項1から9のいずれか一項に記載の系。 - 材料系を製造する方法であって、
積層体の中でアルミニウム層がガラス複合材層に隣接し、前記積層体の中で前記ガラス複合材層が炭素複合材層に隣接するように、前記アルミニウム層(202A)、1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを含む前記ガラス複合材層(204A)、及び前記炭素複合材層(206A)を積層することと、
前記アルミニウム層を軟化させるのに十分な温度で前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することと
を含み、
前記アルミニウム層が前記ガラス複合材層に直接接触しており、
前記炭素複合材層が少なくとも連続した第1、第2および第3の炭素複合材副層を含み、
前記第2の炭素複合材副層が、前記第1の炭素複合材副層および前記第3の炭素複合材副層の間にあり、
前記第1の炭素複合材層が第1の繊維配向を有する繊維を含み、
前記第2の炭素複合材層が第2の繊維配向を有する繊維を含み、
前記第3の炭素複合材層が第3の繊維配向を有する繊維を含み、
前記第1の繊維配向は、前記第2の繊維配向に対して垂直であり、且つ
前記第3の繊維配向は、前記第1の繊維配向と前記第2の繊維配向の中間である、
方法。 - 前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライが、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)又はポリエーテルケトンケトン(PEKK)を含む、請求項11に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することが、前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライの温度を600°F以上まで上昇させることを含む、請求項11又は12に記載の方法。
- 前記1つ又は複数の熱可塑性プリプレグプライを一体化することが、前記積層体の温度を600°F以上まで上昇させることを含む、請求項11又は12に記載の方法。
- 材料系であって、
第1のアルミニウム層(202A)、
前記第1のアルミニウム層に隣接する第1のガラス複合材層(204A)、
前記第1のガラス複合材層に隣接し、且つ前記第1のアルミニウム層とは反対側の第1の炭素複合材層(206A)、及び
前記第1の炭素複合材層(206A)に隣接し、且つ前記第1のガラス複合材層(204A)とは反対側の第2のガラス複合材層(208A)
を含み、前記第1のガラス複合材層が、第1の熱可塑性樹脂を含み、且つ
前記第1の熱可塑性樹脂が、前記第1のアルミニウム層と前記第1のガラス複合材層とを接合する、材料系。 - 前記第1の炭素複合材層(206A)に隣接し、且つ前記第1のガラス複合材層(204A)とは反対側の第2のガラス複合材層(208A)をさらに含む、請求項15に記載の系。
- 前記第2のガラス複合材層(208B)に隣接し、且つ前記第1の炭素複合材層(206B)とは反対側の第2のアルミニウム層(210B)をさらに含む、請求項16に記載の系。
- 前記第2のガラス複合材層(208C)に隣接し、且つ前記第1の炭素複合材層(206C)とは反対側の第2の炭素複合材層(212C)をさらに含む、請求項16又は17に記載の系。
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