JP3608643B2 - 構造用複合材料のための結合多層織物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大きな応力および／または衝撃を受ける複合材料でできた部品の製作において使用されうる結合多層織物（ｌｉｎｋｅｄ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆａｂｒｉｃ）のたぐいの最適化された織物の織り方に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に基づく織物から製作可能な部品の例としては、民用飛行機のエンジン用幅広翼弦ファンブレード、民用あるいは軍用飛行機のエンジン用構造カウルアーム、航空機の前縁あるいは自己補剛パネルを挙げることができる。
【０００３】
従って、本発明の目的は、液体によって、たとえば「ＲＴＭ（樹脂トランスファ成形）」インジェクション方法によって、または気体によって予備含浸され得る、あるいは含浸され得る、かかる部品の製作のための予備織り成形物を構成する繊維織物である。そのために、予備織り成形物はいくつかの下記基準あるいは条件を満たさなければならない。
【０００４】
− 極めて高い機械的性能を持つが、アプリオリに織り合わせには脆弱である繊維の使用、たとえばハイモジュールカーボン繊維。
【０００５】
− 線密度が通常でない、たとえば４８あるいは９６キロフィラメントの、ひいてはそれ以上高いカーボン繊維の使用。
【０００６】
− 織物の厚さ方向において最適な結合率。
【０００７】
− 単位体積あたり繊維充填率が高い、特に構造用複合材料については充填率が５７％を超える複合材料の製作の可能性。
【０００８】
− 織物の横糸の線形性。
【０００９】
− 結合角度が小さいこと（特に横糸と縦糸との角度が１５゜未満であること）、および縦糸の非線形性を補償するために、また織物の面内における諸性質を調整するために（たとえば縦糸７０％、横糸３０％という割合で）織り合わせを不平衡化する可能性。
【００１０】
− 線形性を向上させるために不平衡化された織り合わせを（織り方を９０゜回転させることによって）逆にする可能性。
【００１１】
− 変形に対して大きな適性を持つ結合織物の取得。
【００１２】
「１Ｄ」および「２Ｄ」と呼ばれる織り構造、つまりそれらの繊維が一方向だけに、あるいは別々の二方向に延びる織り構造は明らかに上記制約を満たさない。「３Ｄ」と呼ばれる（つまり空間の三方向に従って繊維が配置された）多層構造は本発明の応用分野において対象とされる目標に部分的に近づくことができる。繊維の方向が三方向より多い多層構造（「４Ｄ」、「５Ｄ」、「９Ｄ」、「１１Ｄ」）については、これらの繊維は、特に自動化可能な製法による製作が非常に複雑であるため、工業的な方法では利用され得ない。
【００１３】
ここで、「３Ｄ」タイプの多層構造のケースに話しを戻して、より詳細に論ずる。
【００１４】
これらの構造のうちでは、縦糸の線形性が完全に守られるとともに他の角度に沿って補強糸を具備する利益がもたらされる、縫い合わせによって結合される「３Ｄ」多層織物が知られている。しかしながら、この結合方法は得られた複合材料に良好な耐衝撃性を付与することを可能にしない。
【００１５】
また、縦糸および横糸の最良の線形性をもたらす織り方であるとともに圧縮に対して良好な耐性を備えている、織り合わせによって結合される「３Ｄ」多層織物、特に「直交３Ｄ」織物も知られている。しかしながら、希望する単位体積あたり繊維率をここで得るには、「３Ｄ」織物は圧縮されるので、第三方向に沿って配置される糸は線形的ではなく、どちらかといえばむしろ波形であり、応力伝達に寄与しない。
【００１６】
「非直交３Ｄ」多層織物は、より適応化されているとはいえども、結合角度があまりにも大きすぎるという欠点を有している。多層タフタ、多層サテンあるいは多層サージのたぐいの単一織り方や、「３Ｘ」という呼称で知られているより精巧な織り方がその例である。
【００１７】
文献ＦＲ−Ａ−２６１０９５１で記述されている「２．５Ｄ」とも呼ばれる「非直交３Ｄ」タイプの特殊な織物は、膨張性が小さく、占有面積パーセンテージが大きい、ただし線形性が小さい最も最適化された織り方としてこれまでのところ知られている。しかしながら、この織物の制限的な定義は、耐衝撃性に不利に働く角度特異性をこの織物に付与するとともに、工業的規模での自動化にとって不利である多数の追加層を付加しない限りにおいて、織り構造が弱いときに（織り方を９０゜回転させることによって）可逆性の定義が制約される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はこれらの欠点を直すことであり、またそれ故に、応力伝達や圧縮強さを最適化することによって、先に検討した望ましい性質のすべてを保有した新しい織物を提供することである。なお、この織物は既知の工業的織り合わせ技術によって、および／または専門家によって容易に適応化され得る織り合わせ技術によって実現可能である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明は、基本織り方が、一方において、織物の厚さ方向に延びた少なくとも八つの列の各々に配分され、かつある所定のピッチにより分離された少なくとも三本の重ね合わされた横糸の列と、同ピッチにより分離された少なくとも四本の重ね合わされた横糸の列との交互によって五点形に配置された少なくとも二十八本の横糸と（従って横糸は少なくとも七つのレベル上に配置される）、他方において、少なくとも四つの平行な面上に配置された少なくとも十二本の縦糸とで構成される、構造用複合材料のための結合多層織物を目的にしている。なお、各面は少なくとも三本の重ね合わされた平行な縦糸を含んでいるとともに、
− ある最初の縦糸は、少なくとも四本の横糸のある列の上部端横糸を、少なくとも二ピッチ分だけ先行列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列の一本の上部中間横糸に結び付け、かつ少なくとも四ピッチ分だけ最初の列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列の一本の上部端横糸上に戻り、
− 少なくともある別の一本の縦糸は、少なくとも四本の横糸のある列の一本の上部中間横糸を、少なくとも二ピッチ分だけ先行列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列の一本の下部中間横糸に結び付け、かつ少なくとも四ピッチ分だけ最初の列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列の一本の上部中間横糸上に戻り、
− ある三番目の縦糸または最後の縦糸は、少なくとも四本の横糸のある列の一本の下部中間横糸を、少なくとも二ピッチ分だけ先行列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列の一本の下部端横糸に結び付け、かつ少なくとも四ピッチ分だけ最初の列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列の一本の下部中間横糸上に戻り、
また、平行な縦糸の位置は、ある一つの面から別の一つの面までにおいて、一ピッチ分だけ長辺方向においてずれている。
【００２０】
この定義に従えば、想定される応用に十分な変形性を保ったままで、耐剥離性が驚くほど向上するので、特に大きな耐衝撃性を提供してくれる、高い結合率を持つ多層構造が得られる。それに、横糸の五点形状の織り重ねは、ある与えられた織り構造について、縦糸の結合角度を小さくすることができるとともに、これらの糸上の角度的特異性を避けることができる。
【００２１】
いずれにせよ、本発明は構造用複合材料のための結合多層織物の実施形態を一例として表している添付の図を参照しながら以下の記述を読み進むに従ってより良く理解されるであろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１から図５は本発明に従ったある構造体の基本織り方を示している。この基本織り方は、連続する七つのレベルＮ１〜Ｎ７上にて五点形に配置され、かつ下記八つの列Ｃ１〜Ｃ８に配分された二十八本の横糸からなる：
− レベルＮ１、Ｎ３、Ｎ５、Ｎ７にそれぞれ位置する四本の重ね合わされた横糸１、２、３、４の最初の列Ｃ１、
− レベルＮ２、Ｎ４、Ｎ６にそれぞれ位置する三本の重ね合わされた横糸５、６、７の二番目の列Ｃ２、
− レベルＮ１、Ｎ３、Ｎ５、Ｎ７にそれぞれ位置する四本の重ね合わされた横糸８、９、１０、１１の三番目の列Ｃ３、
− レベルＮ２、Ｎ４、Ｎ６にそれぞれ位置する三本の重ね合わされた横糸１２、１３、１４の四番目の列Ｃ４、
− レベルＮ１、Ｎ３、Ｎ５、Ｎ７にそれぞれ位置する四本の重ね合わされた横糸１５、１６、１７、１８の五番目の列Ｃ５、
− レベルＮ２、Ｎ４、Ｎ６にそれぞれ位置する三本の重ね合わされた横糸１９、２０、２１の六番目の列Ｃ６、
− レベルＮ１、Ｎ３、Ｎ５、Ｎ７にそれぞれ位置する四本の重ね合わされた横糸２２、２３、２４、２５の七番目の列Ｃ７、
− レベルＮ２、Ｎ４、Ｎ６にそれぞれ位置する三本の重ね合わされた横糸２６、２７、２８の八番目の列Ｃ８。
【００２３】
四本の重ね合わされた横糸で形成される列Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７は、ある所定のピッチＰに相当している一定の間隔によって互いに分離される。また、同ピッチは、それらの先行列の間に挿入される、三本の重ね合わされた横糸で形成される列Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８を分離する。先に記述した基本模様は、当然のことながら、長辺方向（縦糸方向）において反復される。
【００２４】
横糸１〜２８は、四つの平行な面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４上に配置される基本織り方で総数十二本の縦糸によって、それらの横糸間で結合される。図１が縦糸の全体を非常に大ざっぱに示しているのに対して、図２〜図５はさまざまな面Ｐ１〜Ｐ４の縦糸をより明確に別々に表している。これらの面の各々は三本の重ね合わされた平行な縦糸を含んでいる。なお、その詳細な配置は次のとおりである。
【００２５】
面Ｐ１内において（図２）、ある最初の縦糸２９は列Ｃ１の上部端横糸１を列Ｃ５の上部中間横糸１６に結び付け、かつ次の基本模様において糸１に相当する上部端横糸上に戻る。ある二番目の縦糸３０は列Ｃ１の上部中間横糸２を列Ｃ５の下部中間横糸１７に結び付け、かつ次の基本模様において糸２に相当する上部中間横糸上に戻る。ある三番目の縦糸３１は列Ｃ１の下部中間横糸３を列Ｃ５の下部端横糸１８に結び付け、かつ次の基本模様において糸３に相当する下部中間横糸上に戻る。
【００２６】
面Ｐ２内において（図３）、ある最初の縦糸３２は列Ｃ３の上部端横糸８を列Ｃ７の上部中間横糸２３に結び付け、かつ次の基本模様において糸８に相当する上部端横糸上に戻る。ある二番目の縦糸３３は列Ｃ３の上部中間横糸９を列Ｃ７の下部中間横糸２４に結び付け、かつ次の基本模様において糸９に相当する上部中間横糸上に戻る。ある三番目の縦糸３４は列Ｃ３の下部中間横糸１０を列Ｃ７の下部端横糸２５に結び付け、かつ次の基本模様において糸１０に相当する下部中間横糸上に戻る。
【００２７】
面Ｐ３内において（図４）、ある最初の縦糸３５は列Ｃ５の上部端横糸１５を次の基本模様において列Ｃ１の上部中間横糸２に結び付け、かつ次の基本模様において糸１５に相当する上部端横糸上に戻る。ある二番目の縦糸３６は列Ｃ５の上部中間横糸１６を次の基本模様において列Ｃ１の下部中間横糸３に結び付け、かつ次の基本模様において糸１５に相当する上部中間横糸上に戻る。ある三番目の縦糸３７は列Ｃ５の下部中間横糸１７を次の基本模様において列Ｃ１の下部端横糸４に結び付け、かつ次の基本模様において糸１７に相当する下部中間横糸上に戻る。
【００２８】
最後に、面Ｐ４内において（図５）、ある最初の縦糸３８は列Ｃ７の上部端横糸２２を次の基本模様において列Ｃ３の上部中間横糸９に結び付け、かつ次の基本模様において糸２２に相当する上部端横糸上に戻る。ある二番目の縦糸３９は列Ｃ７の上部中間横糸２３を次の基本模様において列Ｃ３の下部中間横糸１０に結び付け、かつ次の基本模様において糸２３に相当する上部中間横糸上に戻る。ある三番目で最後の縦糸４０は列Ｃ７の下部中間横糸２４を次の基本模様において列Ｃ３の下部端横糸１１に結び付け、かつ次の基本模様において糸２４に相当する下部中間横糸上に戻る。
【００２９】
指摘しておけることであるが、ある一つの面から別の一つの面までにおいて、先に規定したピッチＰの値だけ長辺方向において単にずれている三本の平行な縦糸の同一コンフィギュレーションが反復される。
【００３０】
また当然のことながら、四つの面上にて規定されたこの基本コンフィギュレーションは、短辺方向において無限に反復され得る。かくして、さまざまな縦糸２９〜４０はいくつかの層を形成する。
【００３１】
全体として、同一基本模様の反復により、面内において無限の広がりが可能な結合多層織物が得られる。
【００３２】
この織物に従って製作される材料の例としては、図に表されているような七つのレベルの横糸を用いて、密度が１．８１に等しい高強度炭素繊維から製作される材料を挙げることができる。なお、この材料は前述の「ＲＴＭ」方法によるデンシフィケーション後において７ｍｍの厚さＥを持つ一方において、ピッチＰの値は１０．９ｍｍに等しく（この値は１ｍあたりの横糸の本数が９１．５本である織り構造に相当している）、縦糸の平均結合角度αは１０．４°である。単位体積あたり繊維率は６０％であり、また（横糸に織り込められる）縦糸のパーセンテージは７０％である。織地の単位面積あたり重量は７６０２ｇ／ｍ^２であり、横糸の単位面積あたり重量は２２８０ｇ／ｍ^２である（横糸は七つのレベルの横糸に配分される。すなわち、各レベルの横糸につき３２６ｇ／ｍ^２）。Ｅ＝２９０ＧＰａ、σ＝５０００ＭＰａといった機械的性質を本質的に備えている炭素繊維で製作されるこの織物は、高性能エポキシ樹脂を用いて、下記機械的性質を備えた複合材料を得ることを可能にする。
【００３３】
Ｅ 縦糸（引張） ＞ １００ＧＰａ
Ｅ 横糸（引張） ＞ ６０ＧＰａ
σ 縦糸（引張） ＞１０００ＭＰａ
σ 縦糸（圧縮） ＞ ５００ＭＰａ
σ 横糸（引張） ＞ ８００ＭＰａ
σ 横糸（圧縮） ＞ ４００ＭＰａ
靭性（Ｇ_１ｃ） ＞２５００Ｊ／ｍ^２
特に、伝播エネルギーを表している２５００Ｊ／ｍ^２というこの最後の値は、現在の技術に属している織物のケースで得られる値と比較されるべきである。すなわち、
− 「直交３Ｄ」構造による１０００Ｊ／ｍ^２
− 「３Ｘ」構造については１５００Ｊ／ｍ^２
− 「２．５Ｄ」構造については２５００Ｊ／ｍ^２
また指摘されることであるが、「２．５Ｄ」構造の圧縮強さは３００ＭＰａである。この値は本発明の織物で得られる５００ＭＰａという値と比較されるべきである。
【００３４】
本発明の対象である結合多層織物は、飛行機のエンジン用複合材料製幅広翼弦ファンブレードの製作に使用できる。
【００３５】
いうまでもないことであるが、本発明は例として上で記述した、この結合多層織物の実施形態だけに限定されない。つまり、本発明は、それどころか、同じ原理に準拠したあらゆる実施および適用の応用形態を包括する。従って、特に、先に記述した基本織り方は、厚さ方向において、いくつかの対の横糸レベルの付加により、また長辺方向（縦糸方向）において、いくつかの横糸列の付加により、本発明の原理から乖離しない限りにおいて、補完され得る。同じような考え方で、この織物は炭素繊維のみならず、ガラス繊維、アラミド繊維、シリカ繊維あるいはセラミックス繊維でも製作可能である。この結合多層織物は、その用途において、飛行機エンジンのファンブレードあるいは他の部品に限定されない。最後に、本発明の対象である結合多層織物は、この織物から最終的に得られるべき構造用複合材料に到達する上で、「ＲＴＭ」方法によってのみならず、他のあらゆる適切な技術によっても加工され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った結合多層織物の概略的全体断面図である。
【図２】一番目の面内に含まれる縦糸のより詳細な断面図である。
【図３】二番目の面内に含まれる縦糸を示している、図２と同様の図である。
【図４】三番目の面内に含まれる縦糸を示している、図２と同様の図である。
【図５】四番目の面内に含まれる縦糸を示している、図２と同様の図である。
【符号の説明】
１〜２８ 横糸
２９〜４０ 縦糸
Ｃ１〜Ｃ８ 横糸の列
Ｅ 厚さ
Ｎ１〜Ｎ７ レベル
Ｐ ピッチ
α 縦糸の平均結合角度

Claims (1)

1. 構造用複合材料のための結合多層織物であって、基本織り方が、一方では、織物の厚さ（Ｅ）方向に延びる少なくとも八つの列（Ｃ１〜Ｃ８）の各々に配分され、かつ所定のピッチ（Ｐ）で分離された少なくとも三本の重ね合わされた横糸の列（Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８）と、同ピッチ（Ｐ）で分離された少なくとも四本の重ね合わされた横糸の列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）との交互配列によって五点形に配置され、従って少なくとも七つのレベル（Ｎ１〜Ｎ７）上に配置された少なくとも二十八本の横糸（１〜２８）と、他方では、少なくとも四つの平行な面（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）上に配置され、各面が少なくとも三本の重ね合わされた平行な縦糸を含む少なくとも十二本の縦糸（２９〜４０）とから構成され、
   ある最初の縦糸（２９、３２、３５、３８）が少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）の上部端横糸（１、８、１５、２２）を、少なくとも二ピッチ（Ｐ）分だけ先行列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１、Ｃ３）の一本の上部中間横糸（１６、２３、２、９）に結び付け、かつ少なくとも四ピッチ（Ｐ）分だけ最初の列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）の一本の上部端横糸（１、８、１５、２２）上に戻り、
   少なくともある別の一本の縦糸（３０、３３、３６、３９）が少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）の一本の上部中間横糸（２、９、１６、２３）を、少なくとも二ピッチ（Ｐ）分だけ先行列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１、Ｃ３）の一本の下部中間横糸（１７、２４、３、１０）に結び付け、かつ少なくとも四ピッチ（Ｐ）分だけ最初の列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）の一本の上部中間横糸（２、９、１６、２３）上に戻り、
   ある三番目の縦糸または最後の縦糸（３１、３４、３７、４０）が少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）の一本の下部中間横糸（３、１０、１７、２４）を、少なくとも二ピッチ（Ｐ）分だけ先行列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１、Ｃ３）の一本の下部端横糸（１８、２５、４、１１）に結び付け、かつ少なくとも四ピッチ（Ｐ）分だけ最初の列から間隔を置いた少なくとも四本の横糸のある列（Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７）の一本の下部中間横糸（３、１０、１７、２４）上に戻り、
   平行な縦糸（２９、３０、３１；３２、３３、３４；３５、３６、３７；３８、３９、４０）の位置が、ある一つの面から別の一つの面までにおいて、一ピッチ（Ｐ）分だけ長辺方向においてずれていることを特徴とする構造用複合材料のための結合多層織物。

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