JP3156130B2

JP3156130B2 - 大きな曲げ強さを持つ複合構造部材並びに製造方法

Info

Publication number: JP3156130B2
Application number: JP2000004914A
Authority: JP
Inventors: ピーターエイ．クイグレイ
Original assignee: ファイバースパーインコーポレイテッド
Priority date: 1990-06-14
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2001-04-16
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JP2000153567A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大きな曲げ強さを
持つ複合構造部材に関し、更に詳しくは、大きな曲げ強
さを与える独特の層状配列及び構造を有する複合構造部
材に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、当業者に公知の多種多様な複合材
料が、軽量かつ大きな強度を必要とする部分に用いられ
ている。このような材料は、一層あるいは多層構造で、
少なくともその一部は、ファイバー成分を埋め込んだポ
リマー・マトリックスから構成されている。各層のファ
イバー成分の配列が、最終構造体の強さ等の性質を決定
する要因となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】複合材料の多くは、過
剰な曲げ、圧縮、あるいは、ねじり力に弱く、容易に構
造破損を引き起こす。そこで、大きな力に耐え得る軽量
の構造体の開発が望まれている。

【０００４】従って、本発明は、大きな強度、特に大き
な曲げ強さ、を与える層状配列を有する複合構造体を提
供することを、目的とする。また、本発明の別の目的
は、大きな強度を持ち、且つ、軽量の、細長い複合構造
部材を提供することにある。更に、本発明は、そのよう
な複合構造部材を製造するための、簡便で効率のよい方
法を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、
以下の発明の開示から、自明に読み取ることができよ
う。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の、大きな強度を
持つ複合構造部材は、通常細長く、円形、長方形、正方
形等、様々な断面形状を有する管状、即ち、中空の複合
構造体で、複数の層から形成され、各層には、ポリマー
・マトリックス内に配置されたファイバー成分が含まれ
ている、ことを特徴とする。少なくとも三層から成る複
合構造体において、内層及び外層は、複合構造部材の長
手方向の軸に対して、±３０゜ないし±９０゜の角度に
配列される、連続した周方向のファイバーを含む。複合
部材は、このような周方向の内層及び外層を、少なくと
も一層ずつ含んでいる。周方向のファイバーは、破砕強
さを与え、軸方向に伸張するファイバーを補強し、座屈
破損を防ぐ。破砕強さに対する抵抗は、ファイバー方向
と部材の長手方向の軸との間の角度の（ｃｏｓｉｎ）²
あるいは（ｓｉｎ）² の関数として示される。複合構造
体は、更に、各組間に周方向の空隙を形成するように、
周方向に間隔を置いて複数本ずつ組み合わせられた、軸
方向に伸張する第一ファイバーを含む、少なくとも一層
の中間層を備える。また、軸方向に伸張する第一ファイ
バーの各組の間には、軸方向に伸張する一組の第二ファ
イバーが配置される。前記軸方向の第二ファイバーは、
複合部材の長手方向の軸に対して±５゜ないし±６０゜
の角度で配置される螺旋方向のブレードファイバーと混
交されている。軸方向の第一ファイバー及び第二ファイ
バーは、何れも、部材の長手方向の軸とほとんど平行
に、即ち、約０゜の角度をもって、配置される。また、
軸方向の第一ファイバー及び第二ファイバーの各組が２
本の隣接するファイバーを含むように構成される、こと
が望ましい。軸方向に伸張する第一ファイバー及び第二
ファイバーの組合せにより、複合体全体に亘って、壁の
厚さがほとんど均一になるように構成される。

【０００６】周方向のファイバー及びブレードファイバ
ーは、７０万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の係数を持つファイバ
ー材料、例えば、アラミド、カーボン（炭素）、グラフ
ァイト（黒鉛）、ガラス等から形成されたものであれば
よい。また、軸方向のファイバーは、曲げ応力に耐え得
る８４万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の係数を持つファイバー材
料、例えば、カーボン、グラファイト、セラミック、ボ
ロン（ほう素）、ガラス等から形成されたものであれば
よい。複合体のマトリックス成分、即ち、ファイバー以
外の構造体部分は、ファイバー成分に浸透し、これと結
合し、同時に、各層間を強固に結合させるように、通
常、ポリマー樹脂及び／あるいはセラミックを主要成分
として構成されている。特に、無水物、ポリアミド、あ
るいは、脂肪族アミンを触媒として用いた、エポキシ樹
脂、ポリエステル樹脂等の熱硬化性素材が、複合体の製
造に好適に用いられるマトリックス材料である。また、
熱可塑性材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド、
ポリエーテルスルフォン、ポリエチレンテレフタレー
ト、ナイロン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ア
セタール、ポリエーテルエーテルケトン等を用いてもよ
いし、マトリックス成分にセラミック材料を含む構成に
してもよい。

【０００７】すなわち、本発明のうち、請求項１に記載
の発明は、複数の層から成る複合構造部材で、各層がポ
リマー・マトリックス内に配置されたファイバー成分を
含み、前記複合部材が、Ａ．周方向に伸張するファイバーを含む、少なくとも一
層の内層と、Ｂ．周方向に伸張するファイバーを含む、少なくとも一
層の外層と、Ｃ．ｉ）各組間に周方向の空隙を形成するように、周方
向に間隔を置いて複数本ずつ組み合わせられた、軸方向
に伸張する第一のファイバーと、ｉｉ）前記周方向の空隙に配設され、周方向に間隔を置
いて複数本ずつ組み合わせられた、軸方向に伸張する第
二のファイバーで、螺旋方向のファイバーと混交される
第二のファイバーと、を含む少なくとも一層の中間層
と、を備え、前記内層、外層及び中間層が、部材の全長
さに亘って所定の壁厚さを持つように、固く細長い複合
構造部材を形成する、ことを特徴とする。請求項２に記
載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記内層
及び外層各々の複合体総弾性係数に対する寄与率が２５
％未満である、ことを特徴とする。請求項３に記載の発
明は、請求項２に記載の発明において、前記中間層を三
層含むことを特徴とする。請求項４に記載の発明は、請
求項１に記載の発明において、前記周方向に伸張するフ
ァイバーの直径が、０．０１７８ｃｍから０．１０２ｃ
ｍである、ことを特徴とする。請求項５に記載の発明
は、請求項４に記載の発明において、前記軸方向に伸張
するファイバーの直径が、０．０１７８ｃｍから０．１
０２ｃｍである、ことを特徴とする。請求項６に記載の
発明は、請求項１に記載の発明において、前記螺旋方向
のファイバーの直径が、前記軸方向に伸張するファイバ
ーの直径の２５％未満である、ことを特徴とする。請求
項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記周方向に伸張するファイバーが、７０万ｋｇｆ／ｃ
ｍ²以上の係数を持つ、アラミドファイバー、カーボン
ファイバー、グラファイトファイバー、及び、グラスフ
ァイバーから選択される、ことを特徴とする。請求項８
に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記
軸方向に伸張するファイバーが、８４万ｋｇｆ／ｃｍ²
以上の係数を持つ、カーボンファイバー、グラファイト
ファイバー、グラスファイバー、セラミックファイバ
ー、ボロンファイバー、及び、アラミドファイバーから
選択される、ことを特徴とする。請求項９に記載の発明
は、請求項１に記載の発明において、前記螺旋方向のフ
ァイバーが、７０万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の係数を持つ、
アラミドファイバー、カーボンファイバー、グラスファ
イバー、及び、グラファイトファイバーから選択され
る、ことを特徴とする。請求項１０に記載の発明は、請
求項１に記載の発明において、前記周方向に伸張するフ
ァイバーが、部材の長手方向の軸に対して、±３０゜な
いし±９０゜の角度に配置される、ことを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明に
おいて、前記軸方向に伸張するファイバーが、部材の長
手方向の軸に対して、約０゜の角度に配置される、こと
を特徴とする。請求項１２に記載の発明は、請求項１１
に記載の発明において、前記螺旋方向のファイバーが、
複合部材の長手方向の軸に対して±１５゜ないし±６０
゜の角度で配置される、ことを特徴とする。請求項１３
に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記
ポリマー・マトリックスが、エポキシ、ポリエステル、
及び、ビニルエステルから選択された材料から成る、こ
とを特徴とする。請求項１４に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、前記ポリマー・マトリックス
が、ポリフェニレンサルファイト、ポリスルフォン、ポ
リエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカー
ボネート、アセタール、ナイロン、及び、ポリエーテル
エーテルケトンから選択された材料から成る、ことを特
徴とする。請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記
載の発明において、ポリマー・マトリックス樹脂とファ
イバーとの容積比が５０％以下である、ことを特徴とす
る。請求項１６に記載の発明は、請求項１に記載の発明
において、最大積層ひずみ０．２５％以上の曲げ強さを
持つ、ことを特徴とする。請求項１７に記載の発明の構
成は、請求項１記載の複合構造部材から形成される、航
海帆船マストにある。請求項１８に記載の発明の構成
は、請求項１記載の複合構造部材から形成される、ホイ
ップアンテナケースにある。請求項１９に記載の発明
は、複合構造部材の製造方法で、Ａ．細長いマンドレルの周上を、周方向に伸張するファ
イバーと液状のポリマー樹脂とで覆い、第一層を形成
し、Ｂ．前記第一層の上に、軸方向に伸張する複数の第一フ
ァイバーと液状のポリマー樹脂とを載せ、中間層の第一
部分を形成し、Ｃ．前記第一部分の上に、螺旋方向のファイバーと混交
し、軸方向に伸張する複数の第二ファイバーと液状ポリ
マー樹脂とを載せ、中間層の第二部分を形成し、Ｄ．前記中間層の上に、周方向に伸張するファイバーと
液状のポリマー樹脂とを載せ、外層を形成し、Ｅ．前記外層を成形ラップで覆い、Ｆ．高温で部材を硬化させる、ことを特徴とする。請求項２０に記載の発明は、請求項
１９に記載の発明において、更に、Ａ．前記硬化終了後、部材から成形ラップを取り除き、Ｂ．前記硬化終了後、部材からマンドレルを取り外す、
ことを特徴とする。請求項２１に記載の発明は、請求項
１９に記載の発明において、前記中間層を三層順に形成
する、ことを特徴とする。

【０００８】また、本発明は、風力推進船舶用マスト部
材で、複合材料から製造されＡ．マストを船舶に固定するための手段と、帆を係合す
る手段と、を備える中空の細長い直立構造部材で、ポリ
マー・マトリックス内に配置されたファイバー成分を含
む複数の層から形成される直立構造部材と、Ｂ．前記直立部材のブーム部に取り付けられたブーム
と、Ｃ．前記直立部材のブーム部の厚さを増強するために、
前記ブーム部のポリマー・マトリックス内に配設された
繊維材料から成る強化層と、を備える、ことを特徴とす
る。さらに、そのマスト部材において、Ａ．ポリマー・マトリックス内に配置された周方向に伸
張するファイバーを含む、少なくとも一層の内層と、 ` Ｂ．ｉ）各組間に周方向の空隙を形成するように、
周方向に間隔を置いて複数本ずつ組み合わせられた、軸
方向に伸張する第一のファイバーと、ｉｉ）前記周方向の空隙に配設され、周方向に間隔を置
いて複数本ずつ組み合わせられた、軸方向に伸張する第
二のファイバーで、螺旋方向のファイバーと混交される
第二のファイバーと、を含む少なくとも一層の中間層
と、Ｃ．周方向に伸張するファイバーを含む、少なくとも一
層の外層と、を備えることを特徴とする。加えて、上記
マスト部材において、前記補強層が、前記直立部材のブ
ーム部の直径を、約０．０３８ｃｍ増加させる、ことを
特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１０】本発明の複合構造部材は、ポリマー・マト
リックス内に配置されたファイバー成分を含む、複数の
層から形成されている。複合体のこの独特な層配列が、
部材に大きな強度を与える要因である。前記複合部材
は、多くの場合、細長く、円形、楕円形、長方形、正方
形、多角形等、様々な断面形状を有する管状構造体であ
る。本発明に従う複合部材は、軽量で大きな強度を持つ
ことが要求される部分、例えば、帆船マストあるいはブ
ーム、アンテナ等に、用いられる。

【００１１】図１は、本発明の複合部材１０を形成する
複数の層状構造の、ファイバー成分配列を示す。図１に
示されるように、着脱可能なマンドレル上で製造される
複合部材１０は、ポリマー・マトリックス内に埋め込ま
れたファイバー成分を含む複数の層から形成される。図
２から図５にも示される内層１６は、複合部材の長手方
向の軸２０に対して、±３０゜ないし±９０゜の角度に
配置される、周方向のファイバー成分１８を備える。こ
の周方向の成分が、複合部材に、周方向強さを与える
が、この周方向強さは、９０゜の方向で最大となり、角
度が減少するにつれ、次第に小さくなる。故に、長手方
向の軸２０に対するファイバー成分１８の配列方向角度
は、望ましくは、±６０゜から±９０゜の間、更に望ま
しくは、±８０゜から±９０゜の間である。また、ファ
イバー成分は、好ましくは、４ないし１０本の連続単一
方向性ストランドを含むように構成される。例えば、小
型帆船マストを製造する場合、ファイバー成分１８は、
約８本のファイバーストランドから形成される。更に、
周方向の剛性と座屈強さを改善する目的で、編み込みあ
るいは織り込みファイバー成分１８（図示しない）を用
いてもよい。

【００１２】複合構造体の製造に通常用いられている様
々なファイバーの何れかにより、ファイバー成分を構成
すればよいが、７０万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の係数を持つ
ようなファイバーを用いることが好ましい。望ましいフ
ァイバー素材として、アラミド、カーボン（炭素）、グ
ラファイト（黒鉛）、及び、ガラスが挙げられるが、多
くの用例で特に好ましい素材は、オーウェンズ−コーリ
ング社からＥ−ガラスの商標で販売されているガラス繊
維（ガラス繊維）である。ファイバー成分１８の好まし
い繊維直径は、約０．０１７８ないし０．１０２ｃｍの
範囲である。直径が小さな方が構造強度を増大させるこ
とができるが、大きな直径の方が加工性に優れている。

【００１３】通常、最内層１６は、周方向に伸張するフ
ァイバー成分１８を含むだだ一つの内層として構成され
ているが、より大きな強度並びに剛性を持つ構造部材を
形成する必要がある場合には、内層を周方向のファイバ
ーを有する２層以上の層状構造から構成してもよい。内
層が多重層から形成される場合には、各層の周方向のフ
ァイバーが、長手方向の軸２０に対して、上記範囲内の
同一の角度で、且つ、正反対の方向に、配置されること
が望ましい。

【００１４】周方向の内層１６のすぐ外側には、一層な
いし多層の中間層が形成される。図１及び図３ないし図
６に、一層の中間層２２を含む実施例を示す。中間層２
２は、軸方向に伸張する、２つの独立したファイバー成
分２４及び３０を備える。軸方向に伸張する第一のファ
イバー成分２４は、複数の非編み込み連続ファイバー２
４Ａから成り、前記ファイバー２４Ａは、図３に示すよ
うに、空隙２８により隔てられた、各組２６ごとに、複
合体１０の周回りに配置される。個々のファイバー２４
Ａは、複合部材１０の全長に亘って伸張し、複合体の長
手方向の軸２０に対して約０゜の角度をもって配置され
る。各組２６は、周方向に互いに隣接して置かれた２本
の軸方向のファイバー２４Ａから構成されている。ま
た、各組２６は、周方向の空隙２８により互いに隔てら
れ、複合体の周上、等間隔に配置される。複合部材１０
の空隙２８は、均一の幅を持つように規定され、この寸
法は、適用部位に応じて選択される。本発明に従う複合
構造部材の径が、全体的あるいは部分的にテーパしてい
ることが多いが、このような場合には、空隙２８の寸法
は、テーパ部分の全長に亘って均一に変化する。

【００１５】軸方向の第二のファイバー成分３０は、複
合体１０の周上、空隙２８を隔てて配置される、軸方向
の第二のファイバー３２から構成される。軸方向の第一
のファイバー２４Ａと同様、軸方向の第二のファイバー
３２も、各組３４ごとに配列され、各組には、通常、二
本の独立ファイバー３２が含まれる。所定の複合体にお
いて、組３４の数が組２６の数と同一になるように構成
してもよい。即ち、この場合には、軸方向の第一及び第
二のファイバー２４Ａ，３２から成る組２６及び３４
が、複合体１０の周上に交互に、且つ、各組のファイバ
ーがそれぞれ複合部材１０の長手方向の軸２０に対して
約０゜の角度をもつように、配置される。

【００１６】所定の複合部材を構成する軸方向の第一の
ファイバー２４Ａの数は、複合体の直径及びその最終利
用法によって決められる。所定の複合体における軸方向
のファイバー２４Ａの数は、軸方向の編み込みファイバ
ー３２の数の５％ないし１００％であればよいが、更に
好ましくは、軸方向のファイバー３２の数の４０％ない
し１００％である。テーパしている複合部材１０におい
ては、各成分２４及び３０のファイバー数は、層の厚さ
を均一に保つように、あるいは、所望の層厚さとなるよ
うに、テーパの全長に亘って変化する。

【００１７】軸方向の非編み込みファイバー２４Ａの各
組２６は、軸方向のファイバー３２との兼合で複合体の
全長に亘ってほぼ均一な厚さの壁を形成するように、互
いに、所定の距離隔てて、周上に配置される。例えば、
４８本の軸方向のファイバー３２（例：ＢＡＳＦＧ３
０−５００１２Ｋファィバー）を含む、５．０８ｃｍ
直径の複合管体を作成する場合、２本ずつ組になって、
複合体の周上に等間隔で配置される、２４本の軸方向の
ファイバー２４Ａ（例：ＢＡＳＦＧ３０−５００１２
Ｋファイバー）の各組間の望ましい間隔は、約１．２７
ｃｍである。更に、図１及び図４ないし図６に示される
ように、軸方向の第二のファイバー成分３０は、２本の
螺旋方向のヤーン３６Ａ及び３６Ｂから成る編み込みフ
ァイバー成分３６と係合する。軸方向第二のファイバー
３２の各々が編み込みヤーン３６Ａ、３６Ｂの間に挟ま
れるように、ヤーン３６Ａ、３６Ｂを軸方向第二のファ
イバー３２と混交させる。編み込みヤーン３６Ａ，３６
Ｂは、軸方向の第一のファイバー２４Ａとは混交せず、
図６及び図１０に示すように、ファイバー２４Ａの表面
上を通る。

【００１８】軸方向の第二のファイバー３２としては、
ほぼまっすぐで、ヤーン３６Ａ，３６Ｂと混交しても、
うねり、たわみ等のヒダを生じない、最大強さを与える
ものが望ましい。これに応じて、各編み込みヤーン３６
Ａ，３６Ｂが、軸方向のファイバー３２回りに、層の厚
み全体に亘って縒り合わせられるように、各ヤーンの径
方向の振幅を大きく取る必要がある。

【００１９】各ヤーン３６Ａ，３６Ｂは、連続で、複合
部材１０の全長に亘って伸張するものが望ましい。但
し、非連続編み込みヤーンを縒り継いだり、重ね合わせ
て、用いてもよい。更に、好ましくは、ヤーン３６Ａ，
３６Ｂが、長手方向の軸２０に対して、±５゜ないし±
６０゜の角度で配置される。図１０に示されるように、
波形に走る軸方向のファイバー３２の波長λは、２本の
同じ種類の編み込みファイバー間、例えば、２本の編み
込みファイバー３６Ａ間の距離に等しい。前記波形の波
長は、軸方向の第二のファイバー３２の直径並びに弾性
係数、更に、マトリックス１４の素材の係数と強さに基
づいて決定される。最適波長が長くなればなるほど、フ
ァイバー３２とマトリックス１４は、より大きなひずみ
力に耐えることができるようになる。望ましい波長λ
は、約０．２５４ないし２．５４ｃｍである。

【００２０】本発明に従う所定の複合構造体において、
軸方向の第一及び第二のファイバー２４Ａ，３２は、同
一の直径をもち、同じ材料から形成される。これら軸方
向のファイバーの直径は、部分的に複合構造体の直径に
基づいて決まり、その望ましい範囲は、０．１７８から
０．１０２ｃｍである。軸方向の第一及び第二のファイ
バー２４Ａ，３２は、ポリエチレン、カーボン、グラフ
ァイト、セラミック、ボロン、アラミド、ガラス等、多
くのファイバー素材の何れかで構成されたものであれば
よい。特に大きな強度が必要とされる場合には、２３８
万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の係数、最大応力５００ｋｓｉ、
最小ひずみ１．４％である、カーボン等のファイバー素
材が好適に用いられる。また、１ヤーン当りのフィラメ
ント数約１２，０００、約６１５ｙｄ／ｌｂ（０．８０
７ｇ／ｍ）の歩留り、２１０万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の係
数をもつカーボンファイバーが、多くの適用例で好適に
用いられる。このようなファイバーの一例としては、Ｂ
ＡＳＦからセリオン・カーボンファイバーＧ３０−５０
０１２Ｋの商標で販売されているファイバーが挙げられ
る。

【００２１】編み込みヤーン３６Ａ，３６Ｂの直径は、
軸方向のファイバー２４Ａ，３２の直径より小さく、特
に望ましくは、２５％以上小さい。即ち、編み込みヤー
ン３６Ａ，３６Ｂの直径は、約０．０１２７ないし０．
０３８ｃｍの範囲である。編み込みヤーン３６Ａ，３６
Ｂは、アラミド、ガラス、カーボン、グラファイト等、
多くのファイバー素材の何れかから構成されたものであ
ればよい。編み込みヤーン３６Ａ，３６Ｂの材料として
望ましいものとしては、例えば、オーウェン・コーニン
グからＳ−２ガラスの商標で販売されているガラス繊維
が挙げられる。更にいえば、７０万ｋｇｆ／ｃｍ²以上
の係数及び６００ｋｓｉの最大応力をもつファイバーが
望ましい。

【００２２】本発明に従う複合構造部材は、多くの適用
例において、単一の中間層２２を備えていればよいが、
２層以上の中間層２２にすることが更に望ましい。例え
ば、小型帆船マストには、通常、３層の中間層２２が組
み入れられる。３層の中間層２２を備える柔軟性の高い
部材１０を製造する場合には、外側の２層を同一にし
て、最内層だけ軸方向のファイバーの数２４Ａ，３２を
減らすようにするとよい。このような構成により、軸方
向の剛性、曲げ強さ、並びに、周方向の破壊強さを大き
くすることができる。

【００２３】図１及び図５に示すように、ファイバーを
含む外層３８が、中間層２２のすぐ外側に隣接して固着
される。外層３８も、同様に、ポリマー樹脂等からなる
マトリックス内に埋め込まれた、周方向のファイバー成
分４０を含む（図１参照）。外層のファイバー成分４０
は、内層のファイバー成分１８と同じ角度をもつように
配置されるが、その巻き付け方向は、ファイバー成分１
８の巻き付け方向と正反対になる。このように構成する
ことにより、部材１０に、径方向荷重及び破砕荷重に耐
え得る十分な強さを与えることができる。内層のファイ
バー成分１８と同一の径を持つように、且つ、同じファ
イバー素材から、外層のファイバー成分４０を形成する
ことが好ましい。通常、単一の外層が用いられるが、適
用に応じて、２層以上の外層とすることもできる。

【００２４】内層１６及び最外層３８の引っ張り弾性係
数が、複合体の軸方向の総弾性係数（０度の方向で測
定）の各々２５％未満となるように構成する。１層ある
いは多層の中間層２２との組合せにより、そのバランス
を調整する。

【００２５】過激な外的条件に曝される場合、例えば、
破損片あるいはその他高速の物体から衝撃を受ける可能
性のある場合には、ファイバー成分１８を、約３０５万
ｋｇｆ／ｃｍ²の係数と１．６６％の最大ひずみを有す
る、ＢＡＳＦＧ４０−７００等のカーボン・ヤーン
で、また、ファイバー成分３８を、３５，０００ｋｇｆ
／ｃｍ²以上の最大応力と８４万ｋｇｆ／ｃｍ²以上の
引っ張り係数を有する、デュボン社のケブラーＨＴある
いはケブラー２９等のアラミド・ファイバーで構成する
ことが望ましい。また、外層のファイバーを混交、編み
込み、あるいは、織り込むことにより、更に大きな衝撃
強さを与えることができる。

【００２６】上述のように、複合部材１０の各層は、ポ
リマー等のマトリックス１４及びその中に配列されるフ
ァイバー成分から構成されている。マトリックスは、通
常、全ての層で同一で、その素材は、強度並びに信頼性
の高い複合部材を与えるべく、複数のファイバー成分１
８，２４，３０、及び、４０に十分浸透し、これと結合
できるものであればよい。大きな強度を持つ、周知の熱
硬化性あるいは熱可塑性ポリマーを、ポリマー・マトリ
ックス素材として好適に用いることができる。熱硬化性
ポリマーの例としては、無水物、ポリアミド、脂肪族ア
ミン等周知の硬化剤で硬化することのできる、エポキ
シ、ビニルエステル、ポリエステル等が挙げられる。ま
た、熱可塑性ポリマーの例としては、ポリフェニレンサ
ルファイド、ポリエーテルスルフォン、ポリエチレンテ
レフタレート、ナイロン、ボリプロピレン、ポリカーボ
ネート、アセタール、ポリエーテルエーテルケトン等が
挙げられる。特に好ましいポリマー・マトリックス材料
は、無水化合物で硬化される、低粘度のエポキシ樹脂で
ある。例えば、ダウ・ケミカル社により製造され、Ｄ．
Ｅ．Ｒ３３０エポキシ樹脂の商標で販売されている、エ
ポキシ樹脂を用いることができる。また、このようなエ
ポキシ樹脂の無水硬化剤、即ち、触媒として、テトラヒ
ドロフタル酸メチル無水物を用いることができる。

【００２７】本発明の複合構造部材の層状構造の利点の
一つは、中間層２２の層配列により、複合体１０全体に
亘って壁厚さを均一にすることができる、ということで
ある。軸方向の第一のファイバー成分２４が、軸方向の
第二のファイバー３２の各組３４間に形成された空隙
を、効果的に埋めている。このような空隙が存在すれ
ば、表面及びその厚さが不均一になり、複合体の曲げ強
さ、捻り強さ、及び径方向の強さを減少させる結果につ
ながる。図９のグラフに、本発明に従い製造された複合
体とそれ以外の構造体における、複合体長さと最大ひず
みとの関係を示す。曲線Ａは、本発明に従い製造された
複合体の曲げ強さを示しているが、この曲線からも、本
発明の構成により、曲げ強さが改善されることが、明白
に示される。曲線Ｂは、軸方向の第一のファイバー成分
２４を含まないことを除いては、同様に構成された、複
合体の曲げ強さを示す。曲線Ｃは、周方向のファイバー
成分１８，３８及び軸方向のファイバー成分２４を含ま
ないことを除いては、曲線Ａの複合体と同様に構成され
た複合体の曲げ強さを示す。

【００２８】本発明に従い製造された複合体は、壁厚さ
の均一性が高く、その結果、大きな曲げ強さを有してい
る。更に、Ｚ方向、即ち、径方向、厚さ方向の成分であ
る編み込みファイバー成分３６が、層間の結合をより強
固なものとし、複合体の強さの増大に大きく貢献してい
る。また、大きな係数を持つ軸方向のファイバーのヒダ
を少なくすることにより、他の混交あるいは編み込み複
合構造体に比べ、マトリックスに掛かる応力が小さくな
っている。このように、本発明の構成は、重量を増加さ
せることなく、複合部材の曲げ強さを大きくすることが
でき、本発明に従い製造された、軽量、且つ、高強度の
複合体は、様々な部位に適用可能である。

【００２９】本発明の複合体は、特に、０．２５％以上
の曲げひずみ（元の長さに対する全長の比の変化により
規定され、通常、ひずみ計で測定される）に耐える必要
のある部位に適している。例えば、本発明の複合構造部
材は、スキーのストック、ヨット・スパー、ゴルフクラ
ブのシャフト、棒高跳びの棒、釣竿、釣り船用張り出し
材、オールのシャフト、パドルのシャフト、ホッケース
ティックのシャフト、野球用バット、グライダー構造部
材等、軽量で高強度、特に大きな曲げ強さが要求される
部位に、好適に用いられる。また、このような複合材料
を、構造配管に用いることもできるし、航空機及び航空
宇宙船の構造部材、自動車の構造部材、管状収容体、ね
じりバネ、板バネ、ロボット等の製造に利用することも
できる。更に、通信アンテナ、海洋建造物、並びに、車
椅子、杖、担架、人工装具等の医療付属品に用いること
もできる。本発明の複合体の特に好ましい適用例とし
て、帆船及び小型帆船のマスト構造体が挙げられる。

【００３０】図７は、本発明の技術に従い製造され、帆
船マスト等の帆柱の製作に用いられる、スパー４２を示
す。スパー４２は、（図示されない）帆を支持する、直
立の管状ポスト４４を備える。スパー４２は、単一の内
層、３層からなる中間層、及び単一の外層を含む、上述
のような複合体により構成されている。ポスト４４の直
径は、スパー全長の約半分に亘り同一で、残りの半分の
長さに亘って、均一な割合で先細りにテーパしている。
スパーのテーパ部分の径は、約５．０８から２．１６ｃ
ｍの範囲で変化する。ポスト４４を構成する層及びマト
リックスに加え、スパー４２を、更に、ポリウレタン等
からなる環境保護塗料で覆うように構成してもよい。こ
の場合、直射日光によるマトリックス素材の劣化を防ぐ
ために、紫外線吸収剤を塗料に加えてもよい。

【００３１】（図示しない）ブームを取り付ける等、局
部的に掛かる過剰の曲げ力に耐え得るように、スパー４
２には、補強された中間ブーム部４６が設けられてい
る。様々なブームの位置並びに帆のデザインに対応でき
るように、ポスト４４は、約１００ｃｍの長さに亘っ
て、補強されている（図７参照）。補強されたブーム部
４６は、樹脂が含浸し、スパーに成形テープで接着され
る、約８．７５オンス／ヤード²のガラス織物（例：Ｅ
−ガラス）で外側を覆われている。ブーム部４６の直径
は、補強しない場合、約０．１６５ｃｍであり、補強す
ると、壁の厚みが約０．０３８ｃｍ増大する。ブーム部
を補強することにより、スパーの周方向の剛性が大きく
なり、ブームのスパーへの取り付けに起因する局所負荷
に耐えることができるようになる。また、ブーム部４６
に用いられる補強織物は、同じ種類で同じ層厚さを有す
る不織混ファイバー層と比べ、負荷を分散させるため、
より大きな局所負荷に耐え得るという、利点がある。但
し、図７に示される補強ブーム部４６は、適用例によっ
ては有用であるが、本発明に従う複合体から製造される
帆船マストすべてに必ずしも必要というわけではない。

【００３２】図８は、本発明に従う複合構造部材を製造
するための、複合体組立装置４９を示す。本発明の複合
構造部材を形成する様々な層を、マンドレルあるいは型
５０の回りに巻き付けて、部材を製造するが、マンドレ
ルの形は複合体により決まる。本発明の製造過程で用い
られるマンドレル５０は、テーパしているものでも、し
ていないものでもよく、また、アルミニウム、スチー
ル、プラスチック、ゴム等の素材から作られる。中空で
も、中実でもよいが、中空のマンドレルの方が好まし
い。

【００３３】図８に示すように、マンドレル５０の回り
に様々なファイバー及ぴポリマー・マトリックス層を張
り付け、巻き付けるための一連のステーションを横切る
ような形で、マンドレル５０を複合体製造ライン内に配
置する。まず、ステーション５２により、内層１６のフ
ァイバー１８がマンドレル５０上に巻き付けられる。ス
テーション５２は、マンドレル５０の横断方向５６と平
行な軸を中心として回転する、複数のファイバー・パッ
ケージ５４（例えば、４ないし８パッケージ）を保持す
る装置を備える。マンドレル５０の横断速度と、ステー
ション５２のファイバー・パッケージ５４の回転速度
（ｒｐｍ）との比により、内層１６のファイバー量とそ
の方向が決まる。例えば、帆船マストを製造する場合に
は、マンドレル５０が組み立て装置４９内を横切る速度
を約４フィート／分として、ステーション５２の８個の
ヤーン・パッケージの回転速度を、所定の設計要件及
び、複合体の所定の部分の直径に従い、４０から１７５
ｒｐｍまで変化させる。ステーション５２のすぐ次に、
エポキシ等の液状ポリマー樹脂を装置５８Ａから流し込
み、内層のファイバー成分１８全体に浸透・含浸させ
る。この場合、樹脂とファイバーとの容積比が、５０％
以下であることが望ましい。

【００３４】マンドレル５０が製造装置４９内を更に横
に進むと、次に、フィラメント巻き付けステーション６
０により、第一の中間層のファイバー成分が巻き付けら
れる。ヤーン・パッケージ６２Ａにより軸方向の第一の
ファイバー２４が、そして、ヤーン・パッケージ６２Ｂ
により軸方向の第二のファイバー３２が巻き付けられ
る。更に、ステーション６０において、（図示しない）
混交装置により、編み込みヤーン成分３６Ａ，３６Ｂが
巻き付けられる。ここで、ヤーン・パッケージ６２Ａ，
６２Ｂの数が、各層に存在する軸方向のファイバー２
４，４３の数と一致していることが望ましい。この時、
ステーション６０の一部を形成する樹脂塗布装置５８Ｂ
から樹脂が流し込まれ、第一の中間層のマトリックスが
形成される。

【００３５】上述と同様の方法で、フィラメント巻き付
けステーション６１，６４において、それぞれ、第二並
びに第三の中問層が形成される。また、ステーション６
１及び６４の一部を形成する樹脂塗布装置５８Ｃ，５８
Ｄにより、マトリックスを形成するポリマー樹脂が流し
込まれる。

【００３６】次に、マンドレル５０は、ステーション５
２と同一のフィラメント巻き付けステーション６６を通
過する。ステーション６６は、ステーション５２と同様
の方法で、外層３８のファイバー成分を巻き付ける。但
し、この場合、ステーション６６は、ステーション５２
と反対の方向に回転する。周方向のファイバー層を巻き
付けた後、装置５８Ｅにより、樹脂材料が流し込まれ
る。必要があれば、ここで（図示しない）ステーション
を追加し、周方向のファイバー層を更に巻き付け、樹脂
でコーティングしてもよい。

【００３７】各フィラメント巻き付けステーションにお
いて、巻き付けた後、ファイバーが緩んだり移動したり
せず、ぴんと張られるように、ファイバーの引っ張りを
調整する。また、編み込みファイバー３６の引っ張り
は、約１１ｂ／ファイバー以下の引っ張り力を保つ混交
装置を用いて、調整する。

【００３８】最後に、マンドレル５０は、約１．２７な
いし１．９１ｃｍの幅の熱可塑性テープ４１をマンドレ
ル５０、即ち、層の回りに巻き付ける、テープ巻き付け
装置６８を通過する。テープの引っ張りカを、３ないし
１５ボンドの間の値に保つことが、望ましい。テープの
引っ張り力により、マンドレルの回りに巻き付けられた
フィラメント及び樹脂を成形し、余分の樹脂を取り除く
と同時に、フィラメントと樹脂との間にトラップされた
空気を追い出す。帆船マストの製造に特に有用なテープ
の例として、１．２７ｃｍ幅で２ｍｍの厚さの、シリコ
ンコートされたポリエステルフィルムが挙げられる。

【００３９】マンドレル５０を製造装置４９に沿って移
動させるために、駆動機構７０が用いられる。このよう
な機構としては、マンドレル５０の横断速度を変えるこ
とができるものが望ましい。

【００４０】熱可塑性テープを張り付けた後、構造体を
約３００゜Ｆの温度の鉛直対流オーブンに約２時間入
れ、樹脂を硬化させる。オーブンから取り出して、構造
体を冷却した後、マンドレル５０を硬化した複合体から
取り外す。マンドレルを取り外す際には、樹脂が液状か
ら固体に変化したことに伴い複合体が縮むため、１，０
００ｌｂｓ以上の力で引っ張る必要がある。次に、熱可
塑性成形テープ４１を巻き戻し、層状構造体から取り外
す。

【００４１】テープを取り外した後、ポリウレタン塗料
を塗布できるように、硬化した樹脂からガラスを取り除
き、複合体の外径を均一にする、砂研磨装置で処理して
もよい。特に、帆船マストを製造する場合には、層状構
造体の研磨を行うことが望ましい。

【００４２】本発明の構造及び製造過程は、以下の実施
例に更に詳しく述べられているが、本発明は、何ら以下
の実施例に限定されるものではない。

【００４３】本実施例では、上述の構造を持つ帆船マス
トに関して詳述する。帆船マストの構造は、以下の通り
である。

【００４４】

【表１】

【００４５】本実施例のマストの製造には、以下の材料
が用いられた。

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】

【表５】

【００５０】

【表６】

【００５１】

【表７】

【００５２】

【表８】

【００５３】本実施例のマストを製造する際には、図８
に示す装置内で、マンドレルを４フィート／分の速度で
動かす。マンドレルは、陽極処理されたアルミニウムか
ら作られ、下記の表９に示されるように、６つのテーパ
を有している。

【００５４】

【表９】

【００５５】ステーション５８Ａにおいて、上述の液状
エポキシ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル上の、内層
の周方向のファイバー成分１８が巻き付けられた場所
に、流し込まれる。ファイバー１８のマンドレルヘの巻
き付け速度を変えることにより、周方向の剛性と破砕強
さを調節することができる。また、ファイバー１８の量
を変えることにより、様々な構造体の直径及び設計負荷
要件に従い、周方向の剛性を調整することができる。次
に、ファイバー巻き付け装置５２に８基の分配パッケー
ジを取り付け、マンドレルの回りに回転させる。下記の
表１０に、この工程において、マンドレルの回りに巻き
付けられるファイバー１８の量の変化を示す。

【００５６】

【表１０】

【００５７】マンドレルが組み器６０を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）組み器の
回りに等しい間隔で配置される１２本のファイバー３２
（２）組み器上で時計回りに回転する、２４本のファイ
バー３６Ａ（３）組み器上で反時計回りに回転する、２
４本のファイバー３６Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂ
は、３．８５ｒｐｍで回転する。同時に、ステーション
５８Ｂにおいて、液状エポキシ樹脂が、マンドレル回り
に組み上げられてゆくファイバーに流し込まれる。

【００５８】マンドレルが組み器６１を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂは、組み器上で、３．８
５ｒｐｍの定速で回転する。同時に、ステーション５８
Ｃにおいて、液状エポキシ樹脂が、マンドレル回りに組
み上げられてゆくファイバーに流し込まれる。

【００５９】マンドレルが組み器６４を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂを保持する装置の回転速
度は、３．８５ｒｐｍである。同時に、ステーション５
８Ｄにおいて、液状エポキシ樹脂が、マンドレル回りに
組み上げられてゆくファイバーに流し込まれる。

【００６０】その後、適当な周方向の剛性と破砕強さと
を与えるように設定された速度で、ファイバー成分４０
をマンドレルの回りに巻き付ける。ファイバー４０の量
を変えることにより、直径及び構造体の設計負荷に従
い、周方向の剛性を調節することができる。ファイバー
巻き付け装置６６には、８基の分配パッケージを取り付
け、マンドレルが装置を横切る際に、マンドレルの回り
に回転させる。表１１に、このプロセスでマンドレルの
回りに巻き付けられる、ファイバー４０の量の変化を示
す。

【００６１】

【表１１】

【００６２】ステーション５８Ｅにおいて、液状エポキ
シ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル上の、ファイバー
成分４０が巻き付けられた場所に、流し込まれる。マン
ドレル及び未硬化の液状エポキシ樹脂が含浸したファイ
バー層は、次に、テープ成形機６８を通る。（カリフォ
ルニア州サン・ディエゴのセンチュリー・デザイン株式
会社により販売されている）１．２７ｃｍ幅の２巻のセ
ロファンテープが、６０ｒｐｍの速度で、マンドレルの
回りに巻き付けられる。マンドレル及び未硬化層を横送
り装置７０から取り外した後、熱風対流オーブン内に鉛
直に懸架し、１４０℃で８時間硬化させる。硬化完了
後、当業者に周知のマンドレル取り外し法に従い、構造
体からマンドレルを取り外し、セロファンテープを上述
のように巻取る。

【００６３】次に仕上げ工程に入り、マストを４．６メ
ートルの長さに切断する（但し、この場合、構造体の底
部から２．５４ｃｍ分切り落とし、残りの余分な長さに
ついては、先端から切り落とす）。構造体を、芯なしウ
ェット研磨機を用いて、８０グリットの仕上げ用紙やす
りで、研磨する。研磨後、長さ１０２ｃｍ、幅３５．５
６ｃｍのガラス繊維平織物（８．７５オンス／ヤード²
のＥ−ガラス）にエポキシ樹脂並びに触媒を含浸させた
ものを、複合構造体回りに巻き付ける。この布で、マス
トの基部から７６．２ｃｍ離れた部分から、基部から１
７８ｃｍの部分までを覆う。強化グラスファイバーの回
りに螺旋形にテープを巻き付けた後、複合構造体を１４
０℃で硬化させる。硬化後、テープを外し、構造体を再
研磨する。最終工程において、２重量％の鉄酸化物顔料
を混ぜたポリウレタン塗料で、構造体を被覆する。得ら
れた構造体の性質は以下の通りであった。

【００６４】

【表１２】

【００６５】実施例２本実施例では、上述の構造を持つ帆船マストに関して詳
述する。帆船マストの構造は、以下の通りである。

【００６６】

【表１３】

【００６７】本実施例の構造体の製造には、以下の材料
が用いられた。

【００６８】

【表１４】

【００６９】

【表１５】

【００７０】

【表１６】

【００７１】

【表１７】

【００７２】

【表１８】

【００７３】

【表１９】

【００７４】

【表２０】

【００７５】本実施例の帆船マストにおいては、ファイ
バー２４Ａ及び３２が２種類のファイバー材料の組み合
わせから構成されており、これにより、実施例１に詳述
されている材料と比較して、衝撃低抗性並びに全体の曲
げ強さが改善されている。実施例１は５層の構造体であ
ったが、本実施例は６層からなる構造体である。マンド
レルは、テフロン陽極処理されたアルミニウムから作ら
れ、所望の剛性分布並びに外形を持つように、６つのテ
ーパを有している（表２１参照）。

【００７６】

【表２１】

【００７７】マンドレルが図８に示す装置内を通過する
ことにより、帆船マストが製造される。マンドレル５０
は、４フィート／分の速度で組み上げ装置内を移動す
る。ステーション５８Ａにおいて、液状エポキシ樹脂と
触媒の混合物が、マンドレル上の、ファイバー成分１８
が巻き付けられる場所に、流し込まれる。適当な周方向
の剛性と破砕強さとを与えるように調節された速度で、
ファイバー成分１８をマンドレルの回りに巻き付ける。
直径あるいは構造体の設計負荷の変動に従い、ファイバ
ー１８の量を変えることにより、周方向の剛性を適当な
値に保持することができる。ファイバー巻き付け装置５
２に８基の分配パッケージを取り付け、装置内を横に移
動するマンドレルの回りに回転させる。下記の表２２
に、マンドレルの回りに巻き付けられるファイバー１８
の量の変化を示す。

【００７８】

【表２２】

【００７９】マンドレルは、次に、同一のヤーン成分と
ファイバー配列を有する４基の組み上げステーションを
通過する。以下に図８の組み器６１に関して詳述する
が、組み器６０，６２、及び６３も同様に構成されてい
る。ステーション５８Ｃにおいて、マンドレル回りにフ
ァイバーが組み上げられ、液状マトリックス成分が前記
ファイバーに流し込まれる。マンドレルが組み器６１を
横切る時に、以下のファイバー成分が巻き付けられる。
（１）マンドレルの回りに対になって等しい間隔で配置
される総計２４本のファイバー２４Ａ：４５０型３０ロ
ビングのＥ−ガラス１８本及び１２ｋＧ３０５００の
カーボンファイバー６本（２）組み器の回りに等しい間
隔で配置される総計４８本のファイバー３２：４５０型
３０ロビングのＥ−ガラス３６本及び１２ｋＧ３０５
００のカーボンファイバー１２本（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度は、３．８５
ｒｐｍの定速に設定されている。

【００８０】次に、ステーション５８Ｄにおいて、マン
ドレル回りにファイバーが組み上げられ、液状マトリッ
クス成分が前記ファイバーに流し込まれる。その後、適
当な周方向の剛性と破砕強さとを与えるように設定され
た速度で、ファイバー成分４０をマンドレルの回りに巻
き付ける。ファイバー４０の量を変えることにより、直
径及び構造体の設計負荷に従い、周方向の剛性を調節す
ることができる。ファイバー巻き付け装置６６には、８
基の分配パッケージを取り付け、マンドレルが装置を横
切る際に、マンドレルの回りに回転させる。表２３に、
マンドレルの回りに巻き付けられる、ファイバー４０の
量の変化を示す。

【００８１】

【表２３】

【００８２】ステーション５８Ｅにおいて、液状エポキ
シ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル上の、ファイバー
成分４０が巻き付けられた場所に、流し込まれる。マン
ドレル及び未硬化の液状エポキシ樹脂が含浸したファイ
バー層は、次に、テープ成形機６８を通る。（カリフォ
ルニア州サン・ディエゴのセンチュリー・デザイン株式
会社により販売されている）１．２７ｃｍ幅の２巻のセ
ロファンテープが、６０ｒｐｍの速度で、マンドレルの
回りに巻き付けられる。マンドレル及び未硬化層を横送
り装置７０から取り外した後、熱風対流オーブン内に鉛
直に懸架し、１４０℃で８時間硬化させる。マンドレル
取り外し装置を用い、構造体からマンドレルを取り外
し、セロファンテープを上述のように巻取る。出来上が
ったマストを４８０センチメートルの長さに切断する
（但し、この場合、構造体の底部から２．５４ｃｍ分切
り落とし、残りの余分な長さについては、先端から切り
落とす）。芯なしウェット研磨機を用いて、マストを、
８０グリットの仕上げ用紙やすりで、研磨する。研磨
後、２重量％の黒鉄酸化物顔料を混ぜたポリウレタン塗
料で、マストを被覆する。得られた構造体の性質は以下
の通りであった。

【００８３】

【表２４】

【００８４】実施例３湾曲した構造部材：帆船ブーム本実施例では、湾曲断面を有する円形管の製造法並びに
設計に関して説明する。本実施例で製造される管体の寸
法は以下の通りである。管の全長：１８０ｃｍ管の内径：２．６７ｃｍ管体は、以下の３つの一体成形部品から構成される。（１）直線蔀＝長さ４２ｃｍ（２）湾曲蔀＝半径４０．６４：角度４１゜（３）直線部＝長さ３０．５ｃｍ本実施例の構造体は、実施例１の構造体と同じ材料で構
成されている。本実施例で用いられるマンドレルは、８
０デュロメータのシリコーンゴムコードから作られ、
２．５４ｃｍの一定の外径を持つ。

【００８５】帆船ブーム等の湾曲管を製造する場合に
は、２つの組み器６１，６４しか組み込まれていないこ
とを除き図８と同様な装置内を、マンドレルが移動す
る。マンドレル５０は、４フィート／分の速度で組み上
げ装置内を移動する。ステーション５８Ａにおいて、液
状エポキシ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル上の、フ
ァイバー成分１８が巻き付けられる場所に、流し込まれ
る。ファイバー成分１８は、５０ｒｐｍの速度で、時計
回りにマンドレルに巻き付けられる。ファイバー巻き付
け装置５２に８基の分配パッケージを取り付け、装置内
を横に移動するマンドレルの回りに回転させる。

【００８６】マンドレルが組み器６１を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。この場合、ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度
は、３．８５ｒｐｍの定速に設定されている。同時に、
ステーション５８Ｃにおいて、液状マトリックス成分
が、マンドレル回りに組み上げられてゆくファイバーに
流し込まれる。

【００８７】マンドレルが組み器６４を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度は、３．８５
ｒｐｍの定速に設定されている。同時に、ステーション
５８Ｄにおいて、液状マトリックス材料が、マンドレル
回りに組み上げられてゆくファイバーに流し込まれる。
その後、ファイバー成分４０を、５０ｒｐｍの速度で、
反時計回りに、マンドレルに巻き付ける。

【００８８】ステーション５８Ｅにおいて、液状エポキ
シ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル上の、ファイバー
成分４０が巻き付けられた場所に、流し込まれる。マン
ドレル及び未硬化の液状エポキシ樹脂が含浸したファイ
バー層は、次に、テープ成形機６８を通る。（カリフォ
ルニア州サン・ディエゴのセンチュリー・デザイン株式
会社により販売されている）１．２７ｃｍ幅の２巻のセ
ロファンテープが、６０ｒｐｍの速度で、マンドレルの
回りに巻き付けられる。マンドレル及び未硬化層を横送
り装置７０から取り外した後、湾曲部の外形を決めるジ
グあるいは型に固定する。ジグを熱風対流オーブンに入
れて、１４０℃で８時間硬化させる。当業者に周知のマ
ンドレル取り外し装置を用い、構造体からシリコーンマ
ンドレルを取り外し、セロファンテープを上述のように
巻取る。得られた構造体の性質は以下の通りであった。

【００８９】

【表２５】

【００９０】実施例４以下に、曲げ負荷及びねじり負荷の組合せに耐えるよう
に設計された複合構造部材の一例を説明する。最終的な
複合構造体の寸法は以下の通りである。

【００９１】

【表２６】

【００９２】本実施例の構造体は、実施例１の構造体と
同じ材料で構成されている。本実施例においても、図８
に示される製造装置と同様のものが用いられているが、
以下のように変更されている。（１）３基の組み器の代わりに４基の組み器が用いられ
ている。（２）組み器６０及ぴパッケージ６２Ｂ，６２Ａを除
く、２基の組み器及びヤーン・パッケージは、５６度の
角度まで、軸１００を中心に回転可能である。本実施例
の構造体の製造法を、図８を参照に詳述する。本実施例
で用いられるマンドレルは、テフロン陽極処理されたア
ルミニウムから作られ、その直径は、一定で、２．５４
ｃｍである。マンドレル５０は、２フィート／分の速度
で組み上げ装置内を移動する。ステーション５８Ａにお
いて、液状エポキシ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル
上の、ファイバー成分１８が巻き付けられる場所に、流
し込まれる。ファイバー成分１８は、７．５ｒｐｍの速
度で、反時計回りにマンドレルに巻き付けられる。ファ
イバー巻き付け装置５２に１６基の分配パッケージを取
り付け、装置内を横に移動するマンドレルの回りに回転
させる。

【００９３】マンドレルが組み器６０を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度は、１．９ｒ
ｐｍの定速に設定されている。同時に、ステーション５
８Ｂにおいて、液状マトリックス成分が、マンドレル回
りに組み上げられてゆくファイバーに流し込まれる。

【００９４】マンドレルが組み器６１を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度は、１．９ｒ
ｐｍの定遠に設定されている。更に、組み器全体・が、
時計回りに、７．５ｒｐｍの速度で回転する。同時に、
ステーション５８Ｃにおいて、液状マトリックス成分
が、マンドレル回りに組み上げられてゆくファイバーに
流し込まれる。

【００９５】マンドレルが第二組み器６１を横切る時
に、以下のファイバー成分が再び巻き付けられる。
（１）マンドレルの回りに対になって等しい間隔で配置
される２４本のファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに
等しい間隔で配置される４８本のファイバー３２（３）
組み器上で時計回りに回転する、２４本のファイバー３
６Ａ（４）組み器上で反時計回りに回転する、２４本の
ファイバー３６Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速
度は、１．９ｒｐｍの定遠に設定されている。同時に、
第二ステーション５８Ｃにおいて、液状マトリックス成
分が、マンドレル回りに組み上げられてゆくファイバー
に流し込まれる。

【００９６】マンドレルが組み器６４を横切る時に、以
下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マンドレ
ルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４本の
ファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔で配
置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で時計
回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）組み
器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー３６
Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂを保持する装置の回転速
度は、１．９ｒｐｍの定速に設定されている。更に、組
み器全体が、反時計回りに、７．５ｒｐｍの速度で回転
する。

【００９７】本実施例の装置で追加されている第二組み
器６１は、図８に示されていないが、組み器６０と同一
のものである。更に、ステーション５８Ｄにおいて、液
状マトリックス成分が、マンドレル回りに組み上げられ
てゆくファイバーに流し込まれる。その後、ファイバー
成分４０を、１．９ｒｐｍの速度で、時計回りに、マン
ドレルに巻き付ける。ステーション５８Ｅにおいて、液
状エポキシ樹脂と触媒の混合物が、マンドレル上の、フ
ァイバー成分４０が巻き付けられた場所に、流し込まれ
る。マンドレル及び未硬化の液状エポキシ樹脂が含浸し
たファイバー層は、次に、テープ成形機６８を通る。
（カリフォルニア州サン・ディエゴのセンチュリー・デ
ザイン株式会社により販売されている）１．２７ｃｍ幅
の２巻のセロファンテープが、３０ｒｐｍの速度で、マ
ンドレルの回りに巻き付けられる。マンドレル及び未硬
化層を横送り装置７０から取り外した後、熱風対流オー
ブン内に鉛直に懸架し、１４０℃で８時間硬化させる。
マンドレル取り外し装置を用い、構造体からマンドレル
を取り外す。次に、テープを上述の方法で、巻取る。得
られた構造体の性質は以下の通りであった。

【００９８】

【表２７】

【００９９】実施例５本実施例は、曲げ負荷とねじり負荷の組合せに耐えるよ
うに設計された、複合構造部材の一例である。構造体
は、連続的に製造される。本実施例の構造体の製造に
は、以下の材料が用いられた。

【０１００】

【表２８】

【０１０１】

【表２９】

【０１０２】

【表３０】

【０１０３】

【表３１】

【０１０４】

【表３２】

【０１０５】

【表３３】

【０１０６】本実施例では、複合体がダイ組立装置内を
移動する間に、マトリックスを十分硬化させることがで
きるように、硬化促進剤を触媒として加える。本実施例
で用いられた樹脂は、以下の通りである。エポキシ樹脂：Ｄｅｒ３３０（ダウ・ケミカル社
製）触媒：ＡＣ−ＤＰ−１（アンヒドライズ＆ケミカルズ社
製）本実施例で用いられるダイは、工具鋼から作られ、その
内径は、３．１ｃｍである。ダイの内表面は、クロムメ
ッキされ、２５ＲＭＳに仕上げられている。ダイの長さ
は、７５ｃｍであり、製造過程を通して、１５０℃の温
度に加熱保持されている。本実施例で製造される複合構
造体の寸法は以下の通りである。

【０１０７】

【表３４】

【０１０８】本実施例においても、図８に示される製造
装置と同様のものが用いられているが、以下のように変
更されている。（１）組み器１基が、巻き付けステーション５２の前に
配設されている。（２）ステーション５２の後に設置される組み器１基
は、７．５ｒｐｍの速度で、時計回りに回転する。その
後に、第３及び第４組み器が設置されている。（３）組み器＃５は、７．５ｒｐｍの速度で反時計回り
に回転する。（４）図８に示されるステーション６６と同様のフィラ
メント巻き付けステーションが組み込まれている。（５）テープ成形機６８の代わりに、７５ｃｍの長さの
加熱ダイを用いる。（６）複合体部分を所望の長さに切断するチョップ・ソ
ーが組み込まれている。本発明の複合構造体は、以下の
ように製造される。本実施例で用いられるマンドレル
は、テフロン陽極処理されたアルミニウムから作られ、
その直径は、一定で、２．５４ｃｍである。また、マン
ドレルは、第一の組み器前のカンチレバーにより支持さ
れている。複合体材料は、２フィート／分の速度で加熱
ダイ内を移動する。液状エポキシ樹脂と触媒の混合物
が、マンドレル上の、ファイバー成分２４Ａ，３２，３
６Ａ，３６Ｂが巻き付けられる場所に、流し込まれる。

【０１０９】マンドレルが第一の組み器＃１を横切る時
に、以下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マ
ンドレルの回りに対になって等しい間隔で配置される２
４本のファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間
隔で配置される４８本のファイバー３２（３）組み器上
で時計回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ
（４）組み器上で反時計回りに回転する、２４本のファ
イバー３６Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度
は、１．９ｒｐｍの定速に設定されている。更に、組み
器＃１全体が、７．５ｒｐｍの速度で、時計回りに回転
する。ステーション５８Ａにおいて、液状エポキシ樹脂
と触媒の混合物が、マンドレル上の、ファイバー成分１
８が巻き付けられる場所に、流し込まれる。ファイバー
成分１８は、７．５ｒｐｍの速度で、反時計回りにマン
ドレルに巻き付けられる。ファイバー巻き付け装置５２
に１６基の分配パッケージを取り付け、装置内を横に移
動するマンドレルの回りに回転させる。

【０１１０】マンドレルが第二の組み器＃２を横切る時
に、以下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）マ
ンドレルの回りに対になって等しい間隔で配置される２
４本のファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間
隔で配置される４８本のファバー３２（３）組み器上で
時計回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）
組み器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー
３６Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度は、１．
９ｒｐｍの定速に設定されている。同時に、液状エボキ
シ樹脂が、組み器によりマンドレル回りに組み上げられ
てゆくファイバーに流し込まれる。

【０１１１】マンドレルが組み器＃３及び＃４を横切る
時に、以下のファイバー成分が巻き付けられる。（１）
マンドレルの回りに対になって等しい間隔で配置される
２４本のファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい
間隔で配置される４８本のファイバー３２（３）組み器
上で時計回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ
（４）組み器上で反時計回りに回転する、２４本のファ
イバー３６Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度
は、１．９ｒｐｍの定速に設定されている。同時に、液
状エポキシ樹脂が、組み器＃３、＃４によりマンドレル
回りに組み上げられてゆくファイバーに流し込まれる。

【０１１２】マンドレルが組み器＃５を横切る時に、以
下のファイバー成分が再び巻き付けられる。（１）マン
ドレルの回りに対になって等しい間隔で配置される２４
本のファイバー２４Ａ（２）組み器の回りに等しい間隔
で配置される４８本のファイバー３２（３）組み器上で
時計回りに回転する、２４本のファイバー３６Ａ（４）
組み器上で反時計回りに回転する、２４本のファイバー
３６Ｂ。ファイバー３６Ａ，３６Ｂの回転速度は、１．
９ｒｐｍの定遠に設定されている。更に、組み器＃５全
体が、７．５ｒｐｍの速度で、反時計回りに回転する。
同時に、液状エポキシ樹脂が、第５の組み器＃５により
マンドレル回りに組み上げられてゆくファイバーに流し
込まれる。その後、ファイバー成分４０を、７．５ｒｐ
ｍの速度で、時計回りに、マンドレルに巻き付ける。ス
テーション５８Ｅにおいて、液状エポキシ樹脂と触媒の
混合物が、マンドレル上の、ファイバー成分４０が巻き
付けられた場所に、流し込まれる。

【０１１３】マンドレル及び未硬化の液状エポキシ樹脂
が含浸したファイバー層は、次に、当業者に周知のスチ
ール製ダイ内を通る。ダイには、３．２ｃｍ直径の孔が
開けられており、１５０℃に加熱される。層状複合体が
ダイ内を移動する間に十分硬化させる。構造体が十分に
一体化したことを確認した後、当業者に周知のカットオ
フ・ソーで所望の長さに切断する。更に、マトリックス
材料に十分な触媒効果を与えるように、加熱オーブン内
に入れて、１５０℃で２時間加熱する。得られた構造体
の性質は以下の通りであった。

【０１１４】

【表３５】

【０１１５】以上の説明から明らかなように、本発明の
構成により、（明確に記載されているものも、発明の詳
細な説明から読み取れるものも含めて）上述の目的が、
達成される。また、本発明の要旨から逸脱することな
く、上記の製造工程及び複合構造体の構成を様々に変更
できることはもちろんであり、上記の実施例及び付属の
図面は、何ら本発明を限定するものではなく、本発明を
具体的に説明するものに過ぎない。以下の特許請求の範
囲は、本発明の一般的な並びに所定の特徴を記載するも
のであり、本発明の要旨をそこから読み取ることができ
よう。

【０１１６】

【発明の効果】本発明によれば、大きな強度、特に大き
な曲げ強さ、を与える層状配列を有する複合構造体を提
供することができる。また、本発明によれば、大きな強
度を持ち、且つ、軽量の、細長い複合構造部材を提供す
ることができる。更に、本発明によれば、そのような複
合構造部材を製造するための、簡便で効率のよい方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】着脱可能なマンドレルを用いて製造される、本
発明に従う複合部材の、部分破断側面図である。

【図２】本発明の複合部材の形成過程で、前記複合体の
最内層を示す、断面図である。

【図３】本発明の複合部材の形成過程で、最内層並びに
中間層の一部を構成する軸方向の第一ファイバーを示
す、断面図である。

【図４】本発明の複合部材の形成過程で、最内層並びに
中問層を示す、断面図である。

【図５】内層、中間層及び外層から成る、本発明の複合
部材の断面図である。

【図６】図４の中間層の部分詳細断面図である。

【図７】本発明の複合部材から製造される、帆船マスト
の概略図である。

【図８】本発明に従う複合構造部材の製造方法を示す概
略図である。

【図９】様々な複合構造に関して、複合部材の長さと最
大曲げひずみとの関係を示すグラフである。

【図１０】軸方向のブレードフィラメントのうち一本を
示す、図６の複合部材断面を９０゜回転させた断面図で
ある。

【符号の説明】

１０・・複合部材、１４・・マトリックス、１６・・内
層、１８・・ファイバー成分、２０・・軸、２２・・中
間層、２４・・ファイバー成分、２６・・組、２８・・
空隙、３０・・ファイバー成分、３２・・ファイバー、
３４・・組、３６・・ファイバー成分、３８・・外層、
４０・・ファイバー成分、４１・・熱可塑性テープ、４
２・・スパー、４３・・ファイバー、４４・・管状ポス
ト、４６・・ブーム部、４９・・複合体組立装置、５０
・・マンドレル（型）、５２・・ステーション、５４・
・ファイバー・パッケージ、５６・・横断方向、５８Ａ
〜Ｅ・・樹脂塗布装置（ステーション）、６０〜６４，
６６・・ステーション、６８・・テープ巻き付け装置、
７０・・横送り装置、１００・・軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B32B 1/00 - 35/00 B29C 70/00 - 70/88 B63B 1/00 - 19/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の層から成る複合構造部材で、各層
がポリマー・マトリックス内に配置されたファイバー成
分を含み、前記複合部材が、Ａ．周方向に伸張するファイバーを含む、少なくとも一
層の内層と、Ｂ．周方向に伸張するファイバーを含む、少なくとも一
層の外層と、Ｃ．ｉ）各組間に周方向の空隙を形成するように、周方
向に間隔を置いて複数本ずつ組み合わせられた、軸方向
に伸張する第一のファイバーと、ｉｉ）前記周方向の空隙に配設され、周方向に間隔を置
いて複数本ずつ組み合わせられた、軸方向に伸張する第
二のファイバーで、螺旋方向のファイバーと混交される
第二のファイバーと、を含む少なくとも一層の中間層と、を備え、前記内層、
外層及び中間層が、部材の全長さに亘って所定の壁厚さ
を持つように、固く細長い複合構造部材を形成する、こ
とを特徴とする複合構造部材。
【請求項２】前記内層及び外層各々の複合体総弾性係
数に対する寄与率が２５％未満である、ことを特徴とす
る請求項１記載の複合構造部材。
【請求項３】前記中間層を三層含むことを特徴とす
る、請求項２記載の複合構造部材。
【請求項４】前記周方向に伸張するファイバーの直径
が、０．０１７８ｃｍから０．１０２ｃｍである、こと
を特徴とする請求項１記載の複合構造部材。
【請求項５】前記軸方向に伸張するファイバーの直径
が、０．０１７８ｃｍから０．１０２ｃｍである、こと
を特徴とする請求項４記載の複合構造部材。
【請求項６】前記螺旋方向のファイバーの直径が、前
記軸方向に伸張するファイバーの直径の２５％未満であ
る、ことを特徴とする請求項１記載の複合構造部材。
【請求項７】前記周方向に伸張するファイバーが、７
０万ｋｇｆ／ｃｍ ²以上の係数を持つ、アラミドファイ
バー、カーボンファイバー、グラファイトファイバー、
及び、グラスファイバーから選択される、ことを特徴と
する請求項１記載の複合構造部材。
【請求項８】前記軸方向に伸張するファイバーが、８
４万ｋｇｆ／ｃｍ ²以上の係数を持つ、カーボンファイ
バー、グラファイトファイバー、グラスファイバー、セ
ラミックファイバー、ボロンファイバー、及び、アラミ
ドファイバーから選択される、ことを特徴とする請求項
１記載の複合構造部材。
【請求項９】前記螺旋方向のファイバーが、７０万ｋ
ｇｆ／ｃｍ ²以上の係数を持つ、アラミドファイバー、
カーボンファイバー、グラスファイバー、及び、グラフ
ァイトファイバーから選択される、ことを特徴とする請
求項１記載の複合構造部材。
【請求項１０】前記周方向に伸張するファイバーが、
部材の長手方向の軸に対して、±３０゜ないし±９０゜
の角度に配置される、ことを特徴とする請求項１記載の
複合構造部材。
【請求項１１】前記軸方向に伸張するファイバーが、
部材の長手方向の軸に対して、約０゜の角度に配置され
る、ことを特徴とする請求項１０記載の複合構造部材。
【請求項１２】前記螺旋方向のファイバーが、複合部
材の長手方向の軸に対して±１５゜ないし±６０゜の角
度で配置される、ことを特徴とする請求項１１記載の複
合構造部材。
【請求項１３】前記ポリマー・マトリックスが、エポ
キシ、ポリエステル、及び、ビニルエステルから選択さ
れた材料から成る、ことを特徴とする請求項１記載の複
合構造部材。
【請求項１４】前記ポリマー・マトリックスが、ポリ
フェニレンサルファイト、ポリスルフォン、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカーボネー
ト、アセタール、ナイロン、及び、ポリエーテルエーテ
ルケトンから選択された材料から成る、ことを特徴とす
る請求項１記載の複合構造部材。
【請求項１５】ポリマー・マトリックス樹脂とファイ
バーとの容積比が５０％以下である、ことを特徴とする
請求項１４記載の複合構造部材。
【請求項１６】最大積層ひずみ０．２５％以上の曲げ
強さを持つ、ことを特徴とする請求項１記載の複合構造
部材。
【請求項１７】請求項１記載の複合構造部材から形成
される、航海帆船マスト。
【請求項１８】請求項１記載の複合構造部材から形成
される、ホイップアンテナケース。
【請求項１９】複合構造部材の製造方法で、Ａ．細長いマンドレルの周上を、周方向に伸張するファ
イバーと液状のポリマー樹脂とで覆い、第一層を形成
し、Ｂ．前記第一層の上に、軸方向に伸張する複数の第一フ
ァイバーと液状のポリマー樹脂とを載せ、中間層の第一
部分を形成し、Ｃ．前記第一部分の上に、螺旋方向のファイバーと混交
し、軸方向に伸張する複数の第二ファイバーと液状ポリ
マー樹脂とを載せ、中間層の第二部分を形成し、Ｄ．前記中間層の上に、周方向に伸張するファイバーと
液状のポリマー樹脂とを載せ、外層を形成し、Ｅ．前記外層を成形ラップで覆い、Ｆ．高温で部材を硬化させる、ことを特徴とする製造方法
【請求項２０】更に、Ａ．前記硬化終了後、部材から成形ラップを取り除き、Ｂ．前記硬化終了後、部材からマンドレルを取り外す、ことを特徴とする請求項１９の製造方法。
【請求項２１】前記中間層を三層順に形成する、こと
を特徴とする請求項１９の製造方法。