JP2020525586A - 強化用繊維及び形状記憶合金ワイヤを含む製品及びその製造方法 - Google Patents

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シャルロット ブリー ミークス
ロバート ウェスト
ロバート ウェスト
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Abstract

三次元（３Ｄ）プリフォームであって、強化用繊維及び形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤ並びに３Ｄプリフォームが埋め込まれたポリマーを含む複合材料から成り、３Ｄプリフォームが強化用繊維及び形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤを有することを特徴とする３Ｄプリフォーム。

Description

本発明は、一般に、強化用繊維及び形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤを含む三次元（３Ｄ）プリフォームに関する。本発明はまた、３Ｄプリフォームが埋め込まれたポリマーマトリックスを有する複合材料であって、３Ｄプリフォームが強化用繊維及び形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤを含む形式の複合材料に関する。
高い強度・重量比を有する複合材料は、比較的高いモジュラスの繊維を比較的低いモジュラスのポリマーマトリックス中に埋め込むことによって製造できる。これら材料は、例えば、多くの航空宇宙用途、自動車用途及び船舶用途において有用である。これら材料は、繊維プリフォームを作り、そしてポリマーで含浸させ又は繊維の予備含浸プライを層状化することによって製造できる。しかしながら、この種の多くの複合材料は、航空機構造体の場合、使用中に及ぼされる場合のある衝撃損傷（例えば、工具落下、滑走路上のデブリ又はバードストライク）に対する耐性が比較的貧弱な場合がある。加うるに、これら複合材料の層内特性は、比較的貧弱な場合があり、耐離層性が低い。さらに、これら複合材料は、一般に、薄いシートの形態で作られ、これら複合材料を切断して層状化し、それにより大きくかつより複雑な３Ｄ構造体を製作しなければならない。したがって、例えば、航空宇宙用途に適していると言える別のかつ／或いは改良型複合材料を提供することが望ましい。
本発明の第１の観点によれば、複合材料であって、３Ｄプリフォームが埋め込まれたポリマーマトリックスを含み、３Ｄプリフォームは、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを有することを特徴とする複合材料が提供される。
本発明の第２の観点によれば、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む３Ｄプリフォームが提供される。
本発明の第３の観点によれば、本発明の第１の観点に係る複合材料を製造する方法が提供され、この方法が未硬化ポリマーマトリックス中に埋め込まれた３Ｄプリフォームを形成するステップと、ポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。ある特定の実施形態では、この方法は、本発明の第２の観点に係る３Ｄプリフォームを形成するステップと、ポリマーマトリックスを３Ｄプリフォームに塗布するステップと、３Ｄプリフォームが埋め込まれたポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む。ある特定の実施形態では、この方法は、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを含む予備含浸（あらかじめ含浸が行われている）構造体を層状化することによって未硬化ポリマーマトリックス中に埋め込まれた３Ｄプリフォームを形成するステップと、予備含浸構造体を互いに結び付けて３Ｄプリフォームを形成するステップとを含む。予備含浸構造体は、例えば、ステッチング、タフティング及びｚピンニングのうちの１つ又は２つ以上によって３Ｄプリフォームを形成するよう互いに結び付けられるのが良い。
本発明の第４の観点によれば、本発明の第２の観点に係る３Ｄプリフォームを製造する方法が提供され、この方法は、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを用意するステップと、織成、組成、編成、ステッチング、タフティング及びｚピンニングのうちの１つ又は２つ以上によって３Ｄプリフォームを作製するステップとを含む。ある特定の実施形態では、この方法は、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせの層を形成するステップと、織成、ステッチング及びタフティングのうちの１つ又は２つ以上によってこれらの層を互いに結び付けるステップとを含む。
本発明の第５の観点によれば、製造物品を製造するための本発明の第１の観点に係る複合材料の使用が提供される。
本発明の第６の観点によれば、本発明の第１又は第２の観点に係る複合材料又は３Ｄプリフォームで作られ又はこれから成る製造物品が提供される。
ある特定の実施形態では、製造物品は、乗り物、例えば、航空機、船舶又は自動車の一部品である。ある特定の実施形態では、製造物品は、保護カバー（例えば、バッテリ、燃料タンク、ブレーキ系統のための）である。ある特定の実施形態では、製造物品は、車両の前方に向いた表面、例えば、前縁、ノーズコーン又はナセルである。
本発明の任意の観点のある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、各々が別個独立に、２つ又は３つ以上の層を有し、これら層は、互いの上に積み重ねられるとともに層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントによって互いに結合されている。ある特定の実施形態では、層のうちの１つ又は２つ以上は、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせから成る。ある特定の実施形態では、層の各々は、別個独立に、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせから成る。ある特定の実施形態では、これらの層の各々は、別個独立に、交絡されず（すなわち、一軸方向性である）、織成され、組成され又は編成される。ある特定の実施形態では、これら層のうちの１つ又は２つ以上（例えば、層の各々）は、未硬化ポリマーマトリックスを有する（すなわち、予備含浸層である）。
ある特定の実施形態では、２つ又は３つ以上の層を横切るフィラメントのうちの１本又は２本以上は、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせである。ある特定の実施形態では、２つ又は３つ以上の層を横切るフィラメントのうちの１本又は２本以上は、織成され、ステッチングされ、タフティングされ又はｚピンニングされる。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、直交３Ｄ織成プリフォーム、アングルインターロック３Ｄ織成プリフォーム又は層間３Ｄ織成プリフォームである。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、完全に交絡された織成プリフォーム、完全に組成されたプリフォーム又は完全に編成されたプリフォームである。
本発明の任意の観点のある特定の実施形態は、以下の利点のうち１つ又は２つ以上提供することができる。
・良好な耐衝撃性、
・良好な貫通抵抗、
・良好な層内特性（例えば、良好な層内剪断強度）、
・複雑な３Ｄ構造体を単一部品（例えば、Ｔ及びＸ形物）でかつ単一プロセス（例えば、厚さを増大するための層状化が不要である）でニアネットシェイプの状態で製作することができること、
・良好な曲げ弾性率、
・良好な圧縮強度、
・例えば、樹脂注入時間を減少させることができる高い多孔質、
・強化用繊維又はＳＭＡワイヤのクリンプ加工の減少。
本発明の上述の観点のうちの任意の特定の１つ又は２つ以上と関連して提供される細部、実施例及び好適例について本明細書においてさらに説明し、これらは、本発明の全ての観点に均等に当てはまる。本明細書において説明する実施形態、実施例、及び好適例の任意の組み合わせは、その考えられる全ての変形例において、本明細書において別段の指定がなければ又は文脈によって明確に相反しない限り、本発明に含まれる。
本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して本発明の諸観点を詳細に説明する。
図１の（ａ）は２Ｄ織成（織物）材料中の平織りパターンの一例を示し、図１の（ｂ）は２Ｄ織成材料中のあや織りの一例を示し、図１の（ｃ）は２Ｄ織成材料中の繻子織りパターンの一例を示し、図１の（ｄ）は２Ｄ織成材料中の３軸織成パターンの一例を示す。 図２の（ａ）は２Ｄ組成（組物）材料中の２軸組成パターンの一例を示し、図２の（ｂ）は２Ｄ組成材料中の３軸組成パターンの一例を示す。 編成パターンの一例を示す図である。 図４の（ａ）は３Ｄ直交製織材料の一例を示し、図４の（ｂ）は３Ｄアングルインターロック製織材料の一例を示し、図４の（ｃ）は３Ｄ層間製織材料の一例を示す。 タフティングを示す略図である。 ｚピンニングの例示の方法を示す図であり、Ａが強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤの層の未加工スタックであり、Ｂがｚピンプリフォームであり、Ｃが超音波ハンマであることを表す図である。 図７の（ａ）は完全交絡平織り材料の一例を示し、図７の（ｂ）は完全交絡あや織り材料の一例を示し、図７の（ｃ）は完全交絡繻子織り材料の一例を示す。 完全交絡補正材料の一例を示す図である。 完全交絡編成材料のパターンの一例を示す図である。 図１０の（ａ）及び（ｂ）はタフティングされたプリフォームの互いに反対側の表面の写真図であり、Ａが炭素繊維であり、Ｂが安定化糸であり、ＣがタフティングされたＳＭＡワイヤであることを示す図である。 図１１の（ａ）及び（ｂ）は直交３Ｄ織成プリフォームの例示の概略断面図であり、Ａが炭素繊維であり、ＢがＳＭＡワイヤであることを示す図である。 直交３Ｄ織成プリフォームの例示の概略断面図であり、Ａが炭素繊維であり、ＢがＳＭＡワイヤであることを示す図である。 直交３Ｄ織成プリフォームの例示の概略断面図であり、Ａが炭素繊維であり、ＢがＳＭＡワイヤであることを示す図である。
次に、本発明の現時点において好ましい実施形態が示されている添付の図面を参照して本発明について説明する。しかしながら、本発明は、多くの互いに異なる形態で実施でき、したがって、本明細書に記載されている実施形態に限定されるものと解されてはならず、これとは異なり、これら実施形態は、徹底性及び完全性を得るために提供されており、本発明の範囲を当業者に完全に伝達する。
本明細書において、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む３Ｄプリフォームが提供される。また、本明細書において、ポリマーマトリックス及びポリマーマトリックス内に埋め込まれた３Ｄプリフォームを有する複合材料が提供される。３Ｄプリフォームは、例えば、ポリマーマトリックスによって完全に埋め込まれるのが良い（すなわち、ポリマーマトリックスによって完全に覆われる）。変形例として、３Ｄプリフォームは、ポリマーマトリックスによって部分的に埋め込まれても良い（すなわち、部分的にポリマーマトリックスに覆われるとともに部分的に覆われていなくても良い）。
３Ｄプリフォーム
本明細書において説明する３Ｄプリフォームは、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む。「３Ｄプリフォーム」という用語は、任意の一体形三次元構造体を意味している。３Ｄプリフォームは、未硬化ポリマーマトリックス内に埋め込まれても良く、ポリマーマトリックス内に埋め込まれるのに適しているが、依然としてポリマーマトリックスと接触状態にはなくても良い。３Ｄプリフォームは、３つの相互に垂直な平面関係に配置された多数の繊維（例えば、繊維のトウ（tow））を含むのが良い。３Ｄプリフォームは、Ｘ（長手方向）及びＹ（横断方向）繊維がＺ（垂直方向）繊維と結び付けられる（例えば、撚り合わされ、交絡され又は絡み合わされる）よう第３の寸法を有する布であるのが良い。Ｚ方向繊維は、Ｘ／Ｙの２Ｄ平面以外の任意の方向に位置決めされるのが良い。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、互いに上に積み重ねられかつ層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントによって互いに結合されている２つ又は３つ以上の層を有する。用いられる層の正確な数は、各層の厚さ及び３Ｄプリフォーム又は複合材料の意図した利用に応じて様々であって良い。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、互いに上に積み重ねられた３つ以上、４つ以上、５つ以上、６つ以上、７つ以上、８つ以上、９つ以上、１０個以上の層を有する。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、互いに上に積み重ねられた約１００個まで、約９０個まで、約８０個まで、約７０個まで、約６０個まで、約５０個まで、約４０個まで、約３０個まで、約２０個までの層を有する。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、互いに上に積み重ねられた約４〜約３０個の層を有する。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、互いに上に積み重ねられた約２０〜約３０個の層を有する。「互いに上に積み重ねられ」という表現は、各層の主要な平面が互いに実質的に平行であるように各層が配置されていることを意味している。
積み重ねられると、各層内の強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤの隣の層中の強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤの方向に対する方向は、特定の布又は複合材料に関する性能要件に応じて配列される。ある特定の実施形態では、層は、各層中の強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤが一方又は両方の隣り合う層中の強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤに平行であるように積み重ねられる。ある特定の実施形態では、層は、各層中の強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤが一方又は両方の隣り合う層中の強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤに実質的に垂直であるように積み重ねられる。
「層」という用語は、一体形二次元（２Ｄ）構造体を意味している。ある特定の実施形態では、各層は、別個独立に、交絡されておらず、織成され、組成され又は編成されるのが良い。換言すると、各層の構造（例えば、これが交絡されていないにせよ、織成されているにせよ、組成されているにせよ、編成されているにせよいずれにせよ）は、互いに異なっていても良い。ある特定の実施形態では、各層の構造は、同一である。かくして、ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォーム中の層の全ては、交絡されていない。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォーム中の層の全ては、織成されている。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォーム中の層の全ては、組成されている。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォーム中の層の全ては、編成されている。
「交絡されていない（non-interlaced）」という用語は、層を構成する繊維（例えば、強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤ）が互いに交差せず、複雑に互いに結び付けられていないように一軸方向性であることを意味している。かくして、非交絡層内において、層の繊維（強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤ）は、これらが互いに実質的に又は完全に平行であるように配列されるのが良い。２つ又は３つ以上の層が非交絡層である場合、２つ又は３つ以上の層の各々の繊維（例えば、強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤ）は、これらが隣接の層の繊維に平行ではないように配列されるのが良い。例えば、２つ又は３つ以上の層の繊維（例えば、強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤ）は、これらが隣接の層の繊維に垂直であるように配列されるのが良い。例えば、２つ又は３つ以上の層の繊維（例えば、強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤ）は、これらが隣接の層の繊維に対して約３０°〜約６０°（例えば、約４５°）をなすよう配列されるのが良い。
非交絡層は、例えば、未硬化ポリマーマトリックス（プレプレグ）であらかじめ含浸されるのが良い。非交絡層は、例えば、安定化繊維又は糸によって互いに結合されるのが良い。安定化繊維又は糸は、例えば、熱可塑性繊維又は糸、例えば、ポリエステル繊維又は糸であるのが良い。安定化繊維又は糸は、例えば、アラミド繊維又は糸、例えば、ケブラー（Kevlar（登録商標））であるのが良い。安定化繊維又は糸は、布の補強又は耐衝撃特性に影響を及ぼさない繊維又は糸であればどのようなものであっても良い。安定化糸は、例えば、単層の２軸、３軸又は４軸布であるのが良い。安定化糸は、例えば、ノンクリンプ布（ＮＣＦ）又はノンクリンプ織布（ＮＣＷ）を形成するのが良い。ノンクリンプ布では、各層の繊維は、互いに対して任意の角度を位置決めできる。ノンクリンプ織布では、各層の繊維は、互いに対して０°又は９０°の角度をなして位置決めできる。
「織成され（woven）」という用語は、層が製織プロセスによって作られるのが良く、この製織プロセスは、特定のパターンに従って繊維の少なくとも２つの組の交絡を含む。例えば、織成層は、層平面内において互いに垂直に位置する繊維の２つの組（場合によっては、たて糸及びよこ糸と呼ばれる）から成るのが良い。例えば、織成層は、繊維の３つの組（場合によっては、プラスたて糸、マイナスたて糸及び充填と呼ばれる）又は層平面内で交絡された繊維の４つの組から成る。例えば、織成層は、２軸、３軸又は４軸織成層であるのが良い。
織成層は、例えば、任意適当なパターンに従って作製できる。例えば、織成層は、一軸方向における繊維（例えば、たて糸）がこれに垂直に位置する各繊維（例えば、よこ糸）の上下を交互に通過するような一様な平織りパターンを有しても良い。例えば、織成層は、一軸方向に位置する繊維（例えば、たて糸）がこれに垂直に位置する２本又は３本以上の繊維（例えば、よこ糸）の上下を通過するあや織りパターンを有しても良い。あや織りパターンでは、一軸方向における各繊維の交絡がこれに垂直に位置する繊維に沿って異なる点で開始されても良く、その目的は、織成層にあや織りパターンを与えることにある。例えば、織成層は、一軸方向における繊維（例えば、たて糸）がこれに垂直に位置する２本又は３本以上の繊維（例えば、よこ糸）の上下を交互に通過する襦子樹脂パターンを有しても良い。図１の（ａ）は２Ｄ織成層中に平織りパターンの例を示し、図１の（ｂ）はあや織りパターンの例を示し、図１の（ｃ）は樹脂織りパターンの例を示している。織成層は、例えば、２軸又は３軸であるのが良い。図１の（ｄ）は、３軸織成パターンを示している。交差部の少ない（例えば、繊維が上又は下を通されている場所が少ない）織成層は、滑らかな表面及び低いクリンプを有することができ、さらにまた、良好な湿潤性及びドレープ性を有することになる。しかしながら、交差部の少ない織成層はまた、寸法安定性が低い場合がある。
「組成され（braided）」という用語は、層が組成プロセスによって作られることを意味し、この組成プロセスは、特定のパターンに従う繊維の単一の組の交絡を含む。組成層は、例えば、セルベッジに対して斜めの方向に互いに交差する組成繊維から成る層であるのが良い。繊維密度は、例えば、同一であるのが良い。この層は、例えば、閉じられた布の外観を呈することができる。組成パターンは、例えば、ダイヤモンド、規則的又はヘルクレス（hercule ）組物であるのが良い。例えば、組成層は、２軸又は３軸組成層であるのが良い。図２の（ａ）は２軸組成層の例を示し、図２の（ｂ）は３軸組成パターンの例を示している。
「編成され（knitted）」という用語は、層が繊維のループのインターローピング（interloping ）を含むプロセスによって作られることを意味している。互いに連結されたループの隣り合う横列又は縦列もまた、互いに連結されるのが良い。かくして、編成層は、例えば、相互にインターロックしたループの２つ又は３つ以上の連続して位置する横列から成るのが良い。編成層は、例えば、１軸又は２軸であるのが良い。図３は、編成パターンの一例を示している。
ある特定の実施形態では、これら層のうちの１つ又は２つ以上は、別個独立に、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する。ある特定の実施形態では、これら層のうちの少なくとも約５０％、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、又は少なくとも約９５％が強化用繊維、ＳＭＡワイヤ、又はこれらの組み合わせから成る。ある特定の実施形態では、層の全て（１００％）が強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせから成る。
強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤは、例えば、トウ（それぞれ２本以上の強化用繊維の束、２本以上のＳＭＡワイヤの束、これらの束は、絡み合わされていない）の形態をしているのが良い。各トウは、例えば、製造（例えば、織成、組成又は編成）プロセスにおいて個々の繊維として取り扱い可能である。これらの層が強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせから成る場合、これらの層は、組み合わせ又は多重トウを有するのが良く、各トウは、１本又は２本以上の強化用繊維及び１本又は２本以上のＳＭＡワイヤから成る。例えば、各組み合わせトウは、強化用繊維のトウ及び強化用繊維のトウの側縁部上の少なくとも１本のＳＭＡワイヤを含むのが良い。ある特定の実施形態では、組み合わせトウのうちの１つ又は２つ以上は、強化用繊維のトウ及び２本のＳＭＡワイヤから成り、ＳＭＡワイヤは、強化用繊維のトウの両側縁に位置する。強化用繊維のトウ当たり３本以上のＳＭＡワイヤが必要な場合、それ以上のＳＭＡワイヤがそれぞれのトウの幅を横切って一定間隔で組み込まれるのが良い。例えば、強化用繊維のトウ当たり３本以上のＳＭＡワイヤが必要な場合、それ以上のＳＭＡワイヤが強化用繊維のトウ相互間に組み込まれるのが良い。
強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する層において、各層は、別個独立に、少なくとも約４０％体積分率の強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有するのが良い。例えば、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する層において、各層は、別個独立に、少なくとも約４５％体積分率、少なくとも約５０％体積分率、少なくとも約５５％体積分率、少なくとも約６０％体積分率、少なくとも約６５％体積分率、少なくとも約７０％体積分率、少なくとも約７５％体積分率、少なくとも約８０％体積分率、少なくとも約８５％体積分率、少なくとも約９０％体積分率、少なくとも約９５％体積分率、少なくとも約９６％体積分率、少なくとも約９７％体積分率、少なくとも約９８％体積分率又は少なくとも約９９％体積分率の強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有するのが良い。例えば、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する層の全ては、少なくとも約４０％体積分率、少なくとも約４５％体積分率、少なくとも約５０％体積分率、少なくとも約５５％体積分率、少なくとも約６０％体積分率、少なくとも約６５％体積分率、少なくとも７０％体積分率、少なくとも約７５％体積分率、少なくとも約８０％体積分率、少なくとも約８５％体積分率、少なくとも約９０％体積分率、少なくとも約９５％体積分率、少なくとも約９６％体積分率、少なくとも約９７％体積分率、少なくとも約９８％体積分率又は少なくとも約９９％体積分率の強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有するのが良い。強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する層において、各層は、別個独立に、約１００％までの体積分率、例えば１００％体積分率の強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有するのが良い。例えば、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する層の全ては、約１００％までの体積分率、例えば１００％体積分率の強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせから成る。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、強化用繊維から成る多数の層、ＳＭＡワイヤから成る多数の層又は強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせを含む。強化用繊維だけから成る層とＳＭＡワイヤ又は強化用繊維ワイヤの組み合わせから成る層の比は、例えば、約２０：１から約１：２０までの範囲にあるのが良い。例えば、強化用繊維だけから成る層とＳＭＡワイヤ又は強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせから成る層の比は、約１５：１から約１：１５までの範囲、約１０：１から約１：１０までの範囲、約５：１から約１：５までの範囲、約４：１から約１：４までの範囲、約３：１から約１：３まで又は約２：１から約１：２までの範囲にあるのが良い。例えば、強化用繊維だけから成る層とＳＭＡワイヤ又は強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせから成る層の比は、約２０：１から約１：１までの範囲、約１５：１から約１：１までの範囲、約１０：１から約１：１までの範囲、約５：１から約１：１までの範囲、約２０：１から約２：１までの範囲、約１５：１から約２：１までの範囲、約１０：１から約２：１又は約５：１から約２：１までの範囲にあるのが良い。例えば、強化用繊維のみから成る層とＳＭＡワイヤ又は強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせから成る層の比は、約６：１から約１：６まで又は約３：１から約１：３までの範囲にあるのが良い。
層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントは、場合によっては、ｚヤーン、たて糸ウィーバ又はバインダヤーン（特に、３Ｄ織成プリフォームの場合）という。１本又は２本以上のフィラメントは、これらの層を互いに連結する３Ｄプリフォームの厚さを貫通している。１本又は２本以上のフィラメントは、例えば、３Ｄプリフォームの厚さ全体を貫通しても良く、又は各々、ある特定の層だけ相互間を貫通しても良い。３Ｄプリフォームの層の各々は、３Ｄプリフォームの層の全てを互いに結合するために当該層を貫通した少なくとも１本のフィラメントを備えなければならない。
ある特定の実施形態では、層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントは、各々別個独立に、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせである。例えば、層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせである。ある特定の実施形態では、層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントのうちの１本又は２本以上は、強化用繊維である。ある特定の実施形態では、層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、強化用繊維である。ある特定の実施形態では、強化用繊維は、炭素繊維、例えば、炭素繊維のトウである。ある特定の実施形態では、層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントうちの１本又は２本以上は、ＳＭＡワイヤである。ある特定の実施形態では、層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、ＳＭＡワイヤである。
フィラメントが強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせである場合、各強化用繊維又はＳＭＡワイヤは、これらの層を貫通して別個独立に他の強化用繊維及びＳＭＡワイヤまで差し込まれるのが良い。各フィラメントは、例えば、トウ（絡み合わされていない強化用繊維の束又はＳＭＡワイヤの束）の形態をしているのが良い。フィラメントが強化用繊維とＳＭＡワイヤの組み合わせから成る場合、フィラメントは、組み合わせトウから成るのが良く、これら組み合わせトウは各々、１本又は２本以上の強化用繊維及び１本又は２本以上のＳＭＡワイヤから成る。組み合わせトウは、例えば、１本又は２本以上のＳＭＡワイヤが埋め込まれた強化用繊維のトウから成るのが良い。
ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントは、別個独立に、３Ｄプリフォーム中の３つ以上、４つ以上、５つ以上、６つ以上、７つ以上、８つ以上、９つ以上、又は１０個以上の層を横切るのが良い。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントは、全て、３Ｄプリフォーム中の３つ以上、４つ以上、５つ以上、６つ以上、７つ以上、８つ以上、９つ以上、又は１０個以上の層を横切るのが良い。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントは、別個独立に、３Ｄプリフォーム中の約１００個まで、約９０個まで、約８０個まで、約７０個まで、約６０個まで、約５０個まで、約４０個まで、約３０個まで、又は約２０個までの層を横切るのが良い。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントは、全て、３Ｄプリフォーム中の約１００個まで、約９０個まで、約８０個まで、約７０個まで、約６０個まで、約５０個まで、約４０個まで、約３０個まで、又は約２０個までの層を横切るのが良い。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントは、別個独立に、３Ｄプリフォーム中の層の全て（すなわち、一方の表面から他方の表面まで３Ｄプリフォーム中の層の１００％）を横切るのが良い。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントは、全て、３Ｄプリフォーム中の層の全て（一方の表面から他方の表面まで）を横切るのが良い。
ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントの各々は、全部で同一の層を横切っても良く或いは異なる数の層を横切っても良い。１本又は２本以上のフィラメントの各々は、別個独立に、３Ｄプリフォーム内の同一の層を横切っても良く又は別々の層を横切っても良い。例えば、各フィラメントは、全部で２つの層を横切っても良いが、次の対をなす層を横切っても良い（例えば、第１のフィラメントは、第１及び第２の層を横切っても良く、第２のフィラメントは、第２及び第３の層などを横切っても良い）。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの各々は、別個独立に、組成されても良く、ステッチングされても良く、タフティングされても良く又はｚピンニングされても良い。換言すると、３Ｄプリフォームのうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの各々は、織成、組成、ステッチング、タフティング又はｚピンニングにより構造体中に差し込まれる。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、織成される。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、組成される。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、ステッチングされる。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、タフティングされる。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントの全ては、ｚピンニングされる。
かくして、ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、３Ｄ織成プリフォームである。３Ｄ織成プリフォームは、例えば、３Ｄ織成インターロックプリフォームであっても良く３Ｄ直交織成プリフォームであっても良い。３Ｄ織成インターロックプリフォームは、３Ｄアングルインターロック織成プリフォームであっても良く３Ｄ層間インターロック織成プリフォームであっても良い。図４の（ａ）は３Ｄ直交製織パターンの一例を示し、図４の（ｂ）は３Ｄアングルインターロック製織パターンの一例を示し、図４の（ｃ）は３Ｄ層間製織パターンの一例を示している。これらプリフォームは、３Ｄプリフォームの２つ又は３つ以上の層を横切る１本又は２本以上のフィラメントがこれら層内で交絡されず、これら層間で直交的に置かれるに過ぎない。３Ｄ織成プリフォームでは、これらの層は、非交絡繊維から成るのが良い。
３Ｄ直交織成プリフォームでは、繊維は、３つの直交方向に配向されるとともに互いに交絡される。３Ｄアングルインターロック織成プリフォームでは、１本又は２本以上のフィラメントの各々又は全ては、プリフォームの層の全てを通って（すなわち、一方の表面から他方の表面に）繰り返しパターンで直交方向に延び、そして戻ってこれら層の全てを互いに結合する。１本又は２本以上のフィラメントは、かくして、３Ｄプリフォームの断面を通ってジグザグパターンをなしている。図４の（ｂ）においてプリフォームの層を横切るフィラメントは、ジグザグパターンをなしている（これについては、例えば、Ａでラベル表示されたフィラメントを参照されたい）。層間インターロック織成プリフォームでは、１本又は２本以上のフィラメントの各々又は全ては、１つの層から１つ又は２つ以上の隣接の層まで繰り返し延びて戻るが、プリフォームの層の全てを貫通することはない。例えば、層間インターロック織成プリフォームでは、１本又は２本以上のフィラメントの各々又は全ては、１つの層から１つの隣接層まで延びて戻る。層間インターロック織成プリフォームでは、多数のフィラメントがこれら層の全てを互いに結合するために必要とされる。図４の（ｃ）のプリフォームの層を横切るフィラメントは各々、２つの層を互いに結合する（例えば、Ａでラベル表示されたフィラメントを参照されたい）。
ステッチングでは、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を通って一軸方向に１本又は２本以上のフィラメントを差し込み、次に別の軌道／経路を経て同一の２つ又は３つ以上の層を通って逆方向に戻す。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層の全てを通ってステッチのうちの１つ又は２つ以上を挿入する。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層の全てを通ってステッチの全てを挿入する。タフティングとは異なり、各ステッチ（ループ）を材料に通して引き戻すことができない。
タフティングでは、３Ｄプリフォームの層のうちの２つ又は３つ以上を通って一軸方向に１本又は２本以上のフィラメントを差し込み、次に同一の軌道を経て同一の２つ又は３つ以上の層を通って逆方向に戻す。ある特定の実施形態では、層の全てを通ってフィラメントのうちの１本又は２本以上を差し込んで３Ｄプリフォームの表面上にフィラメントのループを残す。ある特定の実施形態では、層の全てを通ってフィラメントのうちの１本又は２本以上の全てを差し込んで３Ｄプリフォームの表面上にフィラメントループを残す。ある特定の実施形態では、層を通ってフィラメントのうちの１本又は２本以上（例えば、全て）を部分的に差し込んで３Ｄプリフォーム中にフィラメントのループを残す。３Ｄプリフォームの表面上のループは、定位置にはロックされず、これに作用する摩擦力に起因して定位置に維持するだけに過ぎない。図５は、タフティングの一例を示している。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のタフティングされたフィラメントを各々別個独立に切断してループを除去するのが良い。タフティングは、連続であるのが良く、このタフティングでは、連続した糸を用いてタフトを作り、各タフト（ループ）を次のタフトに結び付ける。変形例として、タフティングが不連続であっても良く、このタフティングでは、別個の糸を用いてタフトを作り、タフトを互いに結び付けない。ステッチングとは対照的に、各タフトを材料中に引き戻すのが良い。
ｚピンニングでは、３Ｄプリフォームのうちの層のうちの２つ又は３つ以上を通って１本又は２本以上のフィラメントを差し込む。各フィラメントは、３Ｄプリフォームの２つ又は３つ以上の層を１度だけ貫通する。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層の全てを通って１本又は２本以上のフィラメントを各々別個に差し込むのが良い。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層の全てを通って１本又は２本以上２本以上のフィラメントの全てを差し込む。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームの層を通ってフィラメントのうちの１本又は２本以上（例えば、全て）を部分的に差し込む。
多くのｚピンニング方法を用いることができる。ある特定の実施形態では、１本又は２本以上のフィラメントを圧力及び／又は音響振動によってフォーム床から３Ｄプリフォーム中に差し込み、この３Ｄプリフォームは、未硬化ポリマーマトリックス内に部分的に又は完全に埋め込まれても良く又は埋め込まれていなくても良い。図６は、例示のｚピンニング方法を示しており、このｚピンニング方法では、Ａは、強化用繊維及び／又はＳＭＡワイヤの層の未硬化スタックであり、Ｂは、ｚスピンプリフォームであり、Ｃは、超音波ハンマである。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、３つ又は４つ以上の組をなす繊維（例えば、繊維の３つの直交した組）を互いに交絡させて３Ｄ構造を形成する。これは、例えば、特に組成材料及び編成材料に利用できる。
完全に交絡された３Ｄプリフォームは、例えば、完全に交絡された織成３Ｄプリフォームであっても良く、完全に交絡された組成３Ｄプリフォームであって良く又は完全に交絡された編成３Ｄプリフォームであっても良い。
完全交絡織成３Ｄプリフォームでは、たて糸としてのヤーンを平面内主要方向において製織パターンに基づいて各層のところでよこ糸としてのヤーンと交絡させるのが良く、これに対し、ｚヤーンを平面外主要方向において製織パターンに基づいて各層のところで基づいてたて糸としてのヤーンと交絡させるのが良い。完全交絡織成３Ｄプリフォームは、例えば、完全平織りパターン、完全あや織りパターン又は完全襦子織りパターンを有することができる。完全交絡織成３Ｄプリフォームは、円形完全交絡織成３Ｄプリフォームであるのが良い。円形完全交絡織成３Ｄプリフォームを形成するため、周方向ヤーンを周方向における製織パターンに基づいて各円形層のところで軸方向ヤーンと交絡させるのが良く、これに対し、半径方向ヤーンを半径方向において製織パターンに基づいて各層のところで軸方向ヤーンと交絡させるのが良い。円形完全交絡織成３Ｄプリフォームは、完全平織りパターン、完全あや織りパターン又は完全襦子パターンを有することができる。完全交絡織成３Ｄプリフォームは、多軸織成プリフォームであるのが良い。多軸織布は、例えば、繊維の４つの組又は５つの組から成るのが良い。図７の（ａ）は完全交絡平織りプリフォームの一例を示し、図７の（ｂ）は完全交絡あや織り織成プリフォームの一例を示し、図７の（ｃ）は完全交絡襦子織りプリフォームの一例を示している。
完全交絡織成３Ｄプリフォームは、例えば、多軸織成プリフォームであるのが良い。図８は、完全交絡織成プリフォームの一例を示している。完全交絡編成３Ｄプリフォームは、例えば、多軸編成プリフォームであるのが良い。図９は、完全交絡編成プリフォームの一例を示している。
３Ｄプリフォームは、例えば、プリフォームの意図した使用に応じて任意適当な厚さを有するのが良い。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、約１ｍｍから約８００ｍｍまでの範囲にある厚さを有する。例えば、３Ｄプリフォームは、約１ｍｍから約７００ｍｍまで、約１ｍｍから約６００ｍｍまで、約１ｍｍから約５００ｍｍまで、約１ｍｍから約４００ｍｍまで、約１ｍｍから約３００ｍｍまで、約１ｍｍから約２００ｍｍまで又は約１ｍｍから約１００ｍｍまでの範囲にある厚さを有するのが良い。例えば、３Ｄプリフォームは、約１ｍｍから約９０ｍｍまで、約１ｍｍから約８０ｍｍまで、約１ｍｍから約７０ｍｍまで、約１ｍｍから約６０ｍｍまで、約５ｍｍから約５０ｍｍまで、約１０ｍｍから約４５ｍｍまで又は約２０ｍｍから約４０ｍｍまでの範囲ある厚さを有するのが良い。
強化用繊維
強化用繊維は、繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）複合材で用いられる通常の（非ＳＭＡ）形式のうちの任意のものであって良い。ある特定の実施形態では、強化用繊維は、５０ＧＰａを超える引張り弾性率を有する。ある特定の実施形態では、強化用繊維は、約６０ＧＰａ以上、約８０ＧＰａ以上、約１００ＧＰａ以上、約１２０ＧＰａ以上、約１４０ＧＰａ以上、約１５０ＧＰａ以上、約１６０ＧＰａ以上又は約１８０ＧＰａ以上の引張り弾性率を有する。ある特定の実施形態では、強化用繊維は、２００ＧＰａを超える引張り弾性率を有する。引張り弾性率は、例えば、ＡＳＴＭ・Ｄ３３７９により測定されるのが良い。
ある特定の実施形態では、強化用繊維は、炭素繊維（黒鉛を含む）、ガラス繊維、アラミド繊維（例えば、ケブラー（Kevlar（登録商標）））、高モジュラスポリエチレン繊維、硼素繊維又はこれらの組み合わせから選択されるのが良い。ある特定の実施形態では、強化用繊維は、炭素繊維（黒鉛を含む）、ガラス繊維、アラミド繊維（例えば、ケブラー（Kevlar（登録商標）））、高モジュラスポリエチレン繊維及び硼素繊維のうちの１つである。ある特定の実施形態では、強化用繊維は、炭素繊維である。
ある特定の実施形態では、炭素繊維は、約２００ＧＰａ以上、例えば、約２００ＧＰａから約４００ＧＰａまで又は約２００ＧＰａから約３００ＧＰａまでの範囲にある引張り弾性率を有する。ある特定の実施形態では、ガラス繊維及び／又はアラミド繊維（例えば、ケブラー（Kevlar（登録商標）））及び／又は超高分子量ポリエチレン繊維は、約５０ＧＰａ以上、例えば、約５０ＧＰａから約２００ＧＰａまで、約５０ＧＰから約１５０ＧＰａまで又は約５０ＧＰａから約１００ＧＰａまでの範囲にある引張り弾性率を有する。
強化用繊維は、例えば、約５μから約１０μｍまで、例えば、約６μｍから約９μｍまで、例えば、約７μｍから約８μｍまでの範囲にある直径を有する炭素繊維であるのが良い。
強化用繊維は、例えば、トウ（繊維の撚られていない束）の状態で存在するのが良い。トウは、例えば、約１，０００（１ｋ）〜約５０，０００本の個々の繊維（例えば、４８ｋ）を含むのが良い。例えば、トウは、約１，０００〜約４０，０００、約１，０００〜約３０，０００、約１，０００〜約２０，０００、約１０００〜約１０，０００、約２，０００〜約９，０００、約３，０００〜約８，０００又は約４，０００〜約７，０００本の個々の繊維から成るのが良い。
ＳＭＡワイヤ
ＳＭＡワイヤは、本明細書においてはＳＭＡ繊維と言う場合がある。明細書が一般に各層中の繊維に言及する場合、これは、強化用繊維又はＳＭＡワイヤを含む場合がある。
ワイヤ材料は、形状記憶合金系の応力‐ひずみ特性を提供する任意形式のものであって良い。特に、かかる合金は、それぞれの構造の動作温度又は動作温度範囲にあるひずみエネルギーを吸収するワイヤの能力が既知のマルテンサイト系双晶形成（形状記憶効果）、マルテンサイト系変態（超弾性）の既知のヒステリシス応答のうちのいずれか一方又は確かなこととしてこれら２つの組み合わせに起因する場合があるように調製されるのが良い。ある特定の実施形態では、この合金は、主として上述の動作温度又は動作温度範囲で応力に誘起されるマルテンサイト系双晶形成応答を示す形式のものである。ある特定の実施形態では、合金は、主として、上述の動作温度又は動作温度範囲で応力により誘起されるマルテンサイト系変態応答を示す形式のものである。ある特定の実施形態では、合金は、上述の動作温度又は動作温度範囲にある応力により誘起されるマルテンサイト系双晶形成と応力に誘起されるマルテンサイト系変態応答の組み合わせを示す形式のものである。
現時点において好ましい合金は、Ｔｉ‐Ｎｉタイプ（ニチノール）のものであり、ただし、他の候補物質としては、三元合金であるＴｉ‐Ｎｉ‐Ｃｕ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｎｂ又はＴｉ‐Ｎｉ‐Ｈｆ、もしくは銅を主成分とするＳＭＡ、例えばＣｕ‐Ｚｎ‐Ａｌ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｚｎ‐Ｍｎ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ‐Ｍｎ又はＣｕ‐Ａｌ‐Ｍｎ‐Ｎｉ、もしくは鉄を主成分とするＳＭＡ、例えばＦｅ‐Ｍｎ‐Ｓｉ、Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ｎｉ‐Ｍｎ‐Ｓｉ‐Ｃｏ、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｍｎ、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｃ又はＦｅ‐Ｎｉ‐Ｃｏ‐Ｔｉが挙げられる。ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォーム内の全てのＳＭＡワイヤは、同一の合金である。
ＳＭＡワイヤは、所定の動作温度又は所定の動作温度範囲で布の耐衝撃性（例えば、抵抗）を実質的に高める組成及び比率のものであるのが良い。複合材料中の又は３Ｄプリフォーム中のＳＭＡワイヤの体積分率は、代表的には、２％から２５％までの範囲、特に３％から１２％までの範囲にあるのが良い。
各ＳＭＡワイヤは、例えば、約５０μｍから約１０００μｍまでの範囲にある直径を有するのが良い。例えば、各ＳＭＡワイヤは、約１００μｍから約９００μｍまでの範囲、約１００μｍから約８００μｍまでの範囲、約１００μｍから約７００μｍまでの範囲、約１００μｍから約６００μｍまでの範囲、約１００μｍから約５００μｍまでの範囲、約１００μｍから４００μｍまで又は約１００μｍから約３００μｍまでの範囲にある直径を有するのが良い。各ＳＭＡワイヤは、例えば、約２００μｍから約３００μｍまでの範囲にある直径を有するのが良い。例えば、各ＳＭＡワイヤは、約２１０μｍから約２９０μｍまでの範囲、約２２０μｍから約２８０μｍまでの範囲、約２３０μｍから約２７０μｍまで又は約２４０μｍから約２６０μｍまでの範囲にある直径を有するのが良い。
本発明の変形例では、ＳＭＡワイヤは、円形断面のものではなく、楕円形、長円形、又は第１の寸法の方が第１の寸法に垂直な第２の寸法よりも実質的に長い「平べったい」断面を有する。非円形断面ＳＭＡワイヤは、例えば、３Ｄプリフォームの層の状態に織成されるのが良く、長い方の寸法は、層の平面に全体として平行である。扁平にされた断面を有するＳＭＡワイヤは、特に、ＳＭＡワイヤが各ワイヤ中に用いられるＳＭＡの量を減少させないで、強化用繊維と同一又はこれよりも小さい厚さを有するように用いられるのが良い。例えば、薄い層を得るために平べったくされたＳＭＡワイヤを用いることが特に有利な場合がある。
ＳＭＡワイヤが楕円形、長円形又は平べったい断面を有する場合、ＳＭＡワイヤは、約２００μｍから約４００μｍまでの範囲、約２００μｍから約３５０μｍまでの範囲、約２５０μｍから約３５０μｍまでの範囲、約２６０μｍから約３４０μｍまでの範囲、約２７０μｍから約３３０μｍまでの範囲、又は約２８０μｍから約３２０μｍまでの範囲にある長い方の断面直径を有するのが良い。ＳＭＡワイヤは、例えば、約２５０μｍから約３５０μｍまでの範囲、約２６０μｍから約３４０μｍまでの範囲、約２７０μｍから約３３０μｍまでの範囲又は約２８０μｍから約３２０μｍまでの範囲にある短い方の断面直径を有するのが良い。
同一断面積の丸ワイヤと比較して、これは、プリフォームの全厚の減少を達成することができる。加うるに、丸ワイヤと比較して大きな表面積は、マトリックスへのＳＭＡ結合具合を向上させることができる。
同様に、厚さが所与の場合、単一の扁平ワイヤは、２本又は３本以上の円形ワイヤの組み合わせとＳＭＡの同一の体積を有するのが良いが、均一体積が大きいことに起因してより丈夫であるはずである。コスト上の利点もまた得られ、と言うのは、ＳＭＡ材料の単位体積あたり、単一のワイヤは、製造するのが安価であるはずだからである。
ＳＭＡワイヤは、これらがそれぞれの構造の使用の際に温度変化に応答して形状を変化させるようになっていないので、通常、純粋に受動的な意味で機能し、運動を及ぼし又は力を加えるために加熱状態のＳＭＡ要素を採用した既知のアクティブな構造体とは対照的に、電圧をワイヤに故意に加え又は違ったやり方でこれらの熱転移を開始させるための手段が設けられていない。
ＳＭＡワイヤはまた、通常、非織成プリフォーム材料内であらかじめひずみが加えられていない。しかしながら、これらの手段のうちのいずれか一方を採用することができる。例えば、損傷した構造体を一時的に修復し又は加熱によってその変形を逆にすることによって破滅的な損傷を回避することが可能な場合がある。他の機能もまた、受動的な役割で呈することができ、例えば、ＳＭＡワイヤは、向上した減衰又は他のエネルギーの吸収特性をこの構造体に付与することができ又は落雷保護又は他の電気的結合をもたらすことができる。
ポリマーマトリックス
本発明の構造体中のマトリックス材料は、ＦＲＰ複合材で用いられている通常の形式のうちの任意のものであって良い。例えば、マトリックス材料は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂であるのが良く、ただし、熱硬化性樹脂は、これらの処理温度が低いので現在においては好ましく、処理温度が低いことは、混ぜ込まれるＳＭＡの変態温度に対する制約が少ないことを示唆している。
ある特定の実施形態では、ポリマーマトリックスは、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル、ポリビニルエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂、アミノ樹脂、フラン樹脂、ビスマレイミド、シアネートエステル、ポリイミド、フタロニトリル又はポリシラザンである。ある特定の実施形態では、ポリマーマトリックスは、エポキシ樹脂である。
製造方法
また、本明細書では、本明細書に開示した任意の観点又は実施形態に係る複合材料を製造する方法が提供される。さらに、本明細書においては、本明細書に開示した任意の観点又は実施形態に係る３Ｄプリフォームを製造する方法が提供される。
従来型ＦＲＰ複合製造方法を本発明で採用することができる。
複合材料を製造する方法は、例えば、未硬化ポリマーマトリックス内に埋め込まれた３Ｄプリフォームを作るステップと、ポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む。
ある特定の実施形態では、この方法は、３Ｄプリフォームを作るステップと、ポリマーマトリックスを３Ｄプリフォームに塗布するステップと、３Ｄプリフォームが埋め込まれたポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む。
ある特定の実施形態では、この方法は、ポリマーマトリックス内に埋め込まれた強化用繊維、ＳＭＡ又はこれらの組み合わせの層を積み重ねることによってプリフォームを作るステップと、これらの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントを差し込んで３Ｄプリフォームを作るステップと、ポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む。これらの層は、例えば、プレプレグ層（ポリマーマトリックスをあらかじめ含浸させた強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせの層）であるのが良い。ある特定の実施形態では、この方法は、強化用繊維、ＳＭＡ又はこれらの組み合わせの層を積み重ねることによってプリフォームを作るステップと、ポリマーマトリックスを塗布するステップと、これらの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントを差し込んで３Ｄプリフォームを作るステップと、ポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む。ある特定の実施形態では、これらの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントをステッチング、タフティング又はｚピンニングにより挿入する。ある特定の実施形態では、これら層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントをｚピンニングによって挿入する。ある特定の実施形態では、この方法は、強化用繊維、ＳＭＡ又はこれらの組み合わせの層を積み重ねることによってプリフォームを作るステップと、これらの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントを差し込んで３Ｄプリフォームを作るステップと、ポリマーマトリックスを塗布するステップと、ポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む。ある特定の実施形態では、これらの層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントをステッチング、タフティング又はｚピンニングによって挿入する。ある特定の実施形態では、これら層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントをｚピンニングによって挿入する。
３Ｄプリフォームを作る方法は、例えば、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを用意するステップと、織成、組成、編成、ステッチング、タフティング及びｚピンニングのうちの１つ又は２つ以上によって３Ｄプリフォームを作るステップとを含むのが良い。３Ｄプリフォームは、例えば、織成、組成、編成、ステッチング、タフティング及びｚピンニングのための既存の装置を用いて作られるのが良い。既存の装置は、例えば、作られるべき特定の所望の３Ｄプリフォームに応じて改造されるのが良い。
使用及び製造品
また、製造品を作るために本明細書において開示した任意の観点又は実施形態に係る複合材料及び／又は３Ｄプリフォームの使用が提供される。また、本明細書において開示する複合材料及び／又は３Ｄプリフォームから作られ又はこれらを有する製造品が提供される。
ある特定の実施形態では、製造品は、乗り物のための一部品である。ある特定の実施形態では、製造品は、航空機、船舶又は自動車のための一部品である。
ある特定の実施形態では、製造品は、車両の前方に向いた部品である。ある特定の実施形態では、製造品は、前縁、ノーズコーン又はナセルである。
ある特定の実施形態では、製造品は、保護カバーである。ある特定の実施形態では、製造品は、バッテリのための保護カバー、燃料タンクのための保護カバー又はブレーキ系統のための保護カバーである。
上記内容は、限定なく本発明のある特定の実施形態を広義に記載している。当業者には容易に明らかである変形例及び改造例は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内に含まれるものである。
実施例
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせの非交絡層から成り、これらの層は、層の全てを横切るタフティングされ又はステッチングされたフィラメントによって互いに結合される。タフティングされたフィラメントは、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせである。ある特定の実施形態では、非交絡層は、ノンクリンプ布を形成するよう安定化繊維又は糸を含む。ある特定の実施形態では、安定化繊維又は糸は、ポリエステルである。ＳＭＡワイヤは、例えば、Ｔｉ‐Ｎｉ合金であるのが良い。
図１０の写真は、炭素繊維で作られたノンクリンプ布（Ａでラベル表示されている）、ポリエステル安定化糸（Ｂでラベル表示されている）及びＳＭＡワイヤ（例えば、Ｔｉ‐Ｎｉ）のタフト（Ｃでラベル表示されている）を含む例示の３Ｄプリフォームの互いに反対側の表面を示している。しかしながら、ある特定の他の実施形態では、ＳＭＡワイヤは、プリフォームの２Ｄ層の状態で（強化用繊維と一緒に）存在しても良く、炭素繊維（例えば、炭素繊維のトウ）を用いてタフトを形成することができる。
ある特定の実施形態では、３Ｄプリフォームは、強化用繊維又は強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせによって互いに織成された強化用繊維又はＳＭＡワイヤの非交絡層から成る直交３Ｄ織成プリフォームである。ある特定の実施形態では、非交絡層は、各層中の繊維が隣接の層中の繊維に垂直であるように配向されている。ある特定の実施形態では、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む非交絡層は、プリフォームの最も外側の表面のうちの一方又は両方のところにのみ存在する。プリフォームの最も外側の表面は、例えば、各々強化用繊維及びＳＭＡワイヤから成る１つ又は２つ以上（例えば、５つまでの）層を有するのが良い。ある特定の実施形態では、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを有する非交絡層は、プリフォーム全体にわたって分布して配置されるのが良い。強化用繊維及びＳＭＡワイヤを有する非交絡層は、プリフォーム全体を通じて規則的に又は不規則に分布して配置されても良い。
図１１の（ａ）及び（ｂ）は、炭素繊維の非交絡層及び炭素繊維の頭部で互いに織成された炭素繊維とＳＭＡワイヤ（例えば、Ｔｉ‐Ｎｉ）の非交絡層を有する直交３Ｄ織成プリフォームを示している。非交絡層は、各層中の繊維が隣接の層中の繊維に垂直であるよう配向されている。１本のＳＭＡワイヤが炭素繊維のトウの各対相互間に配置されている。炭素繊維のトウは、Ａでラベル表示され、ＳＭＡワイヤは、Ｂでラベル表示されている（暗い陰影）。図１１の（ａ）では、プリフォームの一方のフェースの３つの連続して位置する最も外側の層は、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む。図１１の（ｂ）では、プリフォームの両方のフェースの２つの連続して位置する最も外側の層は、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む。
図１２は、炭素繊維の非交絡層及びＳＭＡワイヤ（例えば、Ｔｉ‐Ｎｉ）で互いに織成された炭素繊維とＳＭＡワイヤ（例えば、Ｔｉ‐Ｎｉ）の非交絡層を有する直交３Ｄ織成プリフォームを示している。非交絡層は、各層中の繊維が隣接の層中の繊維に垂直であるよう配向されている。１本のＳＭＡワイヤが炭素繊維のトウの各対相互間に配置されている。炭素繊維のトウは、Ａでラベル表示され、ＳＭＡワイヤは、Ｂでラベル表示されている（暗い陰影）。プリフォームの一方のフェースの２つの連続して位置する最も外側の層は、強化用繊維及びＳＭＡワイヤを含む。
図１３は、炭素繊維及びＳＭＡワイヤ（例えば、Ｔｉ‐Ｎｉ）のトウで互いに織成された炭素繊維の非交絡層を有する直交３Ｄ織成プリフォームを示している。これらの層を互いに織成するために用いられる炭素繊維及びＳＭＡワイヤのトウは、別々である（組み合わされていない）。図１３に示されているこれらの層を互いに結び付けるＳＭＡワイヤは、これらの層を互いに結び付けるものとして図示されている炭素トウの後ろに（材料中において深く）配置されている。非交絡層は、各層中の繊維が隣接の層中の繊維に垂直であるよう配向されている。炭素繊維のトウは、Ａでラベル表示され、ＳＭＡワイヤは、Ｂでラベル表示されている（暗い陰影）。
ある特定の実施形態では、エポキシ樹脂マトリックスをこれらのプリフォームとともに用いると、複合材料を形成することができる。
ある特定の実施形態では、これらプリフォームの炭素繊維は、直径が７．１μｍの約６０００本の個々の繊維の平べったい束から成る炭素繊維のトウであるのが良い。
ある特定の実施形態では、これらプリフォームのＳＭＡワイヤは、約２５０μｍ（例えば、約１５０μｍから約３００μｍの範囲にある）の直径のＮｉ‐Ｔｉワイヤである。
ある特定の実施形態では、これらのプリフォームのＳＭＡワイヤは、約２５０μｍ直径の丸ワイヤから約３１０μｍの大きい方の断面寸法及び約１９０μｍの短い方の断面寸法を有する長円形断面の状態に圧延された平べったいＮｉ‐Ｔｉワイヤである。
当業者の認識によれば、上述の好ましい実施形態には何ら限定されない。これとは異なり、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で多くの改造及び変形が可能である。
加うるに、開示した実施形態の変形例を図面の記載、開示内容、及び特許請求の範囲の記載の検討からクレーム請求された発明を実施する際に当業者によって理解されるとともに実現できる。原文特許請求の範囲において、“comprising”（訳文では「〜を有する」としている場合が多い）という用語は、他の要素又はステップを排除することはなく、不定詞“a”又は“an”は、複数を排除するものではない。ある特定の特徴が相互に異なる従属形式の請求項に記載されているという単なる事実は、これら特徴の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。

Claims (30)

  1. 複合材料であって、三次元（３Ｄ）プリフォームが埋め込まれたポリマーマトリックスを含み、前記３Ｄプリフォームは、強化用繊維及び形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤを有する、複合材料。
  2. 前記３Ｄプリフォームは、各々が別個独立に、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する２つ又は３つ以上の層を含み、前記層は、互いの上に積み重ねられるとともに前記層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントによって互いに結合されている、請求項１記載の複合材料。
  3. 前記３Ｄプリフォームは、強化用繊維及びＳＭＡワイヤの組み合わせトウを含む、請求項１又は２記載の複合材料。
  4. 前記層のうち２つ又は３つ以上を横切る前記フィラメントのうちの１本又は２本以上は、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせである、請求項２又は３記載の複合材料。
  5. 前記層の各々は、別個独立に交絡されておらず（例えば、ノンクリンプ布又はノンクリンプ織布）、織成され、組成され、又は編成されている、請求項２〜４のうちいずれか一に記載の複合材料。
  6. 前記２つ又は３つ以上の層を横切る前記フィラメントのうちの１本又は２本以上は、織成され、ステッチングされ、タフティングされ又はｚピンニングされている、請求項２〜５のうちいずれか一に記載の複合材料。
  7. 前記３Ｄプリフォームは、直交三次元織成プリフォーム、アングルインターロック三次元織成プリフォーム又は層間三次元織成プリフォームである、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の複合材料。
  8. 前記３Ｄプリフォームは、完全交絡織成プリフォーム、完全組成プリフォーム又は完全編成プリフォームである、請求項１記載の複合材料。
  9. 前記ＳＭＡワイヤは、各々が別個独立に、所定の動作温度又は該所定動作温度範囲で構造体の耐衝撃性又は貫通抵抗を実質的に高める組成及び比率のものである、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の複合材料。
  10. 各ＳＭＡは、別個独立に、Ｔｉ‐Ｎｉ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｃｕ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｎｂ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｈｆ、Ｃｕ‐Ｚｎ‐Ａｌ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｚｎ‐Ｍｎ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ‐Ｍｎ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｍｎ‐Ｎｉ、Ｆｅ‐Ｍｎ‐Ｓｉ、Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ｎｉ‐Ｍｎ‐Ｓｉ‐Ｃｏ、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｍｎ、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｃ及びＦｅ‐Ｎｉ‐Ｃｏ‐Ｔｉ合金から成る群から選択される、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の複合材料。
  11. 前記複合材料中の前記ＳＭＡワイヤの体積分率は、約２％から約２５％までの範囲にある、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の複合材料。
  12. 前記ＳＭＡワイヤは、各々が別個独立に、第１の方向において前記第１の方向に垂直な第２の方向よりも実質的に長い断面を有しかつ前記長い方の寸法が前記層の平面に全体として平行であるように前記３Ｄプリフォーム中に位置決めされている、請求項２〜７又は請求項９〜１１のうちいずれか一に記載の複合材料。
  13. 前記強化用繊維は、各々が別個独立に、５０ＧＰａを超え、例えば、２００ＧＰａを超える引張り弾性率を有する、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の複合材料。
  14. 前記強化用繊維は、各々が別個独立に、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維及び硼素繊維から選択される、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の複合材料。
  15. 前記三次元（３Ｄ）プリフォームであって、強化用繊維及び形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤを含む、３Ｄプリフォーム。
  16. 前記３Ｄプリフォームは、各々が別個独立に強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせを有する２つ又は３つ以上の層を含み、前記層は、互いの上に積み重ねられるとともに前記層のうちの２つ又は３つ以上を横切る１本又は２本以上のフィラメントによって互いに結合されている、請求項１５記載の３Ｄプリフォーム。
  17. 前記３Ｄプリフォームは、強化用繊維及びＳＭＡワイヤの組み合わせトウを含む、請求項１５又は１６記載の３Ｄプリフォーム。
  18. 前記層のうち２つ又は３つ以上を横切る前記フィラメントのうちの１本又は２本以上は、強化用繊維、ＳＭＡワイヤ又はこれらの組み合わせである、請求項１６又は１７記載の３Ｄプリフォーム。
  19. 前記層の各々は、別個独立に交絡されておらず（例えば、ノンクリンプ布又はノンクリンプ織布）、織成され、組成され、又は編成されている、請求項１６〜１８のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  20. 前記２つ又は３つ以上の層を横切る前記フィラメントのうちの１本又は２本以上は、織成され、ステッチングされ、タフティングされ、ｚピンニングされ又はこれらの組み合わせが行われている、請求項１６〜１９のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  21. 前記３Ｄプリフォームは、直交三次元織成プリフォーム、アングルインターロック三次元織成プリフォーム又は層間三次元織成プリフォームである、請求項１６〜２０のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  22. 前記３Ｄプリフォームは、完全交絡織成プリフォーム、完全組成プリフォーム又は完全編成プリフォームである、請求項１５記載の３Ｄプリフォーム。
  23. 前記ＳＭＡワイヤは、各々が別個独立に、所定の動作温度又は該所定動作温度範囲で構造体の耐衝撃性又は貫通抵抗を実質的に高める組成及び比率のものである、請求項１５〜２２のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  24. 前記ＳＭＡは、Ｔｉ‐Ｎｉ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｃｕ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｎｂ、Ｔｉ‐Ｎｉ‐Ｈｆ、Ｃｕ‐Ｚｎ‐Ａｌ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｚｎ‐Ｍｎ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｎｉ‐Ｍｎ、Ｃｕ‐Ａｌ‐Ｍｎ‐Ｎｉ、Ｆｅ‐Ｍｎ‐Ｓｉ、Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ｎｉ‐Ｍｎ‐Ｓｉ‐Ｃｏ、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｍｎ、Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｃ及びＦｅ‐Ｎｉ‐Ｃｏ‐Ｔｉ合金から成る群から選択される、請求項１５〜２３のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  25. 前記複合材料中の前記ＳＭＡワイヤの体積分率は、約２％から約２５％までの範囲にある、請求項１５〜２４のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  26. 前記ＳＭＡワイヤは、各々が別個独立に、第１の方向において前記第１の方向に垂直な第２の方向よりも実質的に長い断面を有しかつ前記長い方の寸法が前記層の平面に全体として平行であるように前記３Ｄプリフォーム中に位置決めされている、請求項１５〜２１又は請求項２３〜２５のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  27. 前記強化用繊維は各々、別個独立に、５０ＧＰａを超え、例えば、２００ＧＰａを超える引張り弾性率を有する、請求項１５〜２６のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  28. 前記強化用繊維は、各々が別個独立に、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維及び硼素繊維から選択される、請求項１５〜２７のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォーム。
  29. 請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の複合材料を製造する方法であって、前記方法は、３Ｄプリフォームを形成するステップと、ポリマーマトリックスを前記３Ｄプリフォームに塗布するステップと、前記３Ｄプリフォームが埋め込まれた前記ポリマーマトリックスを硬化させるステップとを含む、方法。
  30. 請求項１５〜２８のうちいずれか一に記載の３Ｄプリフォームを製造する方法であって、前記方法は、前記強化用繊維及び前記ＳＭＡワイヤを用意するステップと、織成、組成、編成、ステッチング、タフティング及びｚピンニングのうちの１つ又は２つ以上によって３Ｄプリフォームを作製するステップとを含む、方法。
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