JP4881870B2 - 中間層が不織連続材料で形成された複合部材を形成するための方法およびプリフォーム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００３年５月２日に出願された同時係属中の米国特許出願連続番号第１０／４２８，５００号および２００４年５月２４日に出願された同時係属中の米国特許出願連続番号第１０／８５２，７１３号の一部継続出願であり、これらの各々は引用によって全文が本明細書に援用される。

発明の背景
発明の分野
本発明は、一方向繊維からなる層から構築された硬化複合物に関する。特に、本発明は、靭性が改良された硬化物を得るために多層プリフォームとともに非常に多孔質の軽量の材料を利用する。

関連技術の説明
一方向強化繊維からなる交互の層から構築された高性能の複合材料は、高強度および軽量を有利に兼ね備えている。したがって、高性能の複合材料は、このような特性が極めて重要である航空宇宙産業および他の産業で使用されている。概して、複合材料は、隣接する層が異なる角度で走る一方向繊維を有するいくつかの交互の層を積上げることによって準備される。このような一方向織物のいくつかの層を蓄積する最終的な効果は、擬似等方的にまたは１つ以上の特定の方向に並外れた強度を有する複合材料を提供することである。

このような複合材料は、プリプレグとしてまたはプリフォームとして生産され得る。プリプレグでは、樹脂などのマトリックス材料を浸漬または含浸した一方向織物の層は、複合材料から生産される部品の形状に積上げられる。その後、積上げられた部品は加熱されて、マトリックス材料を硬化させ、完成した複合部品を提供する。プリフォームアプローチでは、一方向強化繊維または織物、編み織物もしくは縦編み織物からなる層が、プリプレグ方法で積上げられるのと同様に積上げられる。しかしながら、プリフォーム方法では、これらの層は乾燥状態で、すなわちマトリックス材料を用いずに積上げられる。その後、積上げられた材料は液体成形プロセスにおいてマトリックス材料を注入され、プリプレグ方法と同様に、成形された部品は加熱されて、マトリックス材料を硬化させる。

強化繊維からなる交互の層または薄層は、特に特定の繊維方向に整列する方向に強度が大きい、プリプレグまたはプリフォームプロセスから作られる複合物を提供する。したがって、たとえば航空機の翼および胴体のように非常に強い軽量の部品が生産されることができる。強化繊維からなる交互の薄層は強度をもたらすが、靭性または耐衝撃性は主に硬化マトリックス材料の特性によって決定される。耐衝撃性のあるまたは補強されたマトリックス材料は概して、衝撃による損傷に対して耐性があるので、好ましい。これは、たとえば飛行中の異物の衝撃による故障、地上での整備の衝撃（たとえば、道具の落下、フォークリフトまたは他の乗物）によって生じる損傷などを回避するために航空機の翼がこのような複合材料から作られる場合に重要である。さらに、複合材料における衝撃損傷が概して肉眼では見えないので、このような主要な耐荷重構造が衝撃の後および非破壊的技術を用いた検出の前に全設計荷重を担持できることが重要である。

プリプレグでは、典型的にはエポキシベースの樹脂の調合物であるマトリックス材料は
、従来の樹脂に熱可塑性材料の粒子を加えることによって補強されてもよい。これらの熱可塑性粒子は、マトリックス樹脂に溶け、エポキシ樹脂に溶解する場合もあれば、溶けずに、プリプレグ動作（たとえば、米国特許第５，０２８，４７８号参照）中に各層の表面上に並ぶ場合もある。硬化の際に、硬化エポキシマトリックスにおける熱可塑性樹脂は、部品を通る亀裂伝播を制限するように機能する。プリフォーム材料はさらに、靭性および亀裂耐性をもたらすために、樹脂の注入および硬化の前にステッチされてもよい。しかしながら、ステッチングの１つの欠点は、特にステッチ密度が増大すると面内の機械的特性が低減することである。硬化前に樹脂に熱可塑性材料の粒子を加えるプリプレグアプローチは、プリフォーム物を準備するために使用される液体成形プロセスに直接に移すことはできない。液体成形プロセスの樹脂注入では、可溶性熱可塑性物質はマトリックス樹脂のメルトフロー粘性率を容認できないほどに増大させる傾向があるのに対して、不溶性熱可塑性補強粒子はプリフォームによってろ過される傾向があり、したがって、プリフォームにおけるプライの間に均一に位置しないことになる。

三菱への欧州特許ＥＰ １ １７５ ９９８号では、強化繊維で形成された積層品が提供され、熱可塑性樹脂の層は強化繊維からなる層の間に設けられる。熱可塑性樹脂の層は、多孔質フィルム、繊維、網目構造、編まれたループなどの形で記載される。積層品は、液体成形プロセス中の液体樹脂の流れを阻止しないように、強化繊維からなる層の間に十分な透過率を有する熱可塑性の層を使用する。ＥＰ １ １７５ ９９８号に記載されるプロセスなどのプロセスに固有の１つの欠点は、交互になった強化繊維からなる層および熱可塑性樹脂の層で作られたプリフォームが樹脂注入中に完全に安定しているとは言えないことである。その結果、強化繊維および熱可塑性樹脂の層は、液体成形プロセス中に動くかまたは移動する傾向がある。このような動きまたは移動は、樹脂を注入する前に層をともにステッチすることによって緩和され得る。ＥＰ １ １７５ ９９８号に記載されるプロセスの別の欠点は、これらのプロセスが主に手積み動作には効果的であるが、大型の航空機部品の製造または幅広い商品の連続的な生産の際により関連があるであろう自動化された積上げ動作には効果的でないことである。

強化繊維が互いに相対的な向きにしっかりと保持される、プリフォームプロセスによって作られる成形された物を提供することが望ましいであろう。さらに、幅および長さが航空機の翼などの大規模な部品を生産するのに適しているこのようなプリフォーム物を作るためのプロセスを提供することが望ましいであろう。

発明の概要
一実施の形態では、本発明は、一方向繊維からなる強化層で構成されるプリフォームおよび複合部材を提供する。繊維からなるスパンボンド織物、スパンレース織物またはメッシュ織物で作られた不織中間層が、強化層の間に配置され、強化層にステッチされる。プリフォームは液体成形プロセスにおいて使用されることができ、この液体成形プロセスによって、マトリックス材料がプリフォームに注入され、続いて加熱されて、マトリックス材料をゲル化し、固める。中間層は、液体成形動作中のマトリックス材料の流れを可能にするように透過性である。これらの層はステッチまたは編み糸でともに固定され、その結果、一方向繊維は、マトリックス材料の注入プロセスおよびその後の硬化中、所定の位置に保持されて、複合部材の所望の起伏のある形状で形成され得る繊維強化複合材料を生産する。中間層を構成する材料は、中間層なしでまたは強化繊維からなる層の間に他の材料が与えられた状態で形成される対応する部材と比較して、完成した複合部材の靭性または耐衝撃性を増大させ得る。たとえば、中間層の材料はモードＩまたはモードＩＩ耐衝撃性を増大させる可能性があり、材料は硬化の際のマトリックス材料との適合性で選択され得る。一実施の形態では、マトリックス材料はエポキシ樹脂であり、中間層繊維は、ポリア
ミド、ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル−ポリアリレート（たとえば、ベクトラン（登録商標））、ポリアラミド（たとえば、ケブラー（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（たとえば、ザイロン（登録商標））、ビスコース（たとえば、レーヨン（登録商標））、炭素繊維およびガラス繊維で作られる。

別の実施の形態では、本発明は複合材料を形成するための方法を提供する。上記方法は、強化材料の繊維で形成される強化層と、連続繊維からなる不織布で形成される中間層とを交互に配置することを含む。たとえば、不織布は、スパンボンド法、スパンレース法または織物メッシュ法によって形成されることができる。中間層の材料は、複合材料の耐衝撃性を増大させるように適合される。場合によっては、強化層および中間層がステッチングの前に実質的に結合されないように、中間層は実質的に粘着性のない材料で形成され得る。強化層および中間層はステッチされ、強化層は中間層を貫流するマトリックス材料を注入される。複合部材は、完成した部材の所望の輪郭に対応する構成でプリフォームが支持された状態でマトリックス材料を硬化させることによってプリフォームから形成されることができる。

繊維強化複合材料は、いくつかの液体成形プロセスにおいてプリフォームを成形し、プリフォームに熱硬化性樹脂を注入することによって作られてもよい。本発明において使用され得る液体成形プロセスは、真空が生成する圧力差を用いて樹脂がプリフォームに注入される真空支援樹脂トランスファー成形（vacuum-assisted resin transfer molding）（ＶＡＲＴＭ）を含むが、これに限定されない。別の方法は、樹脂が加圧下で密閉型の中のプリフォームに注入される樹脂トランスファー成形（resin transfer molding）（ＲＴＭ）である。第３の方法は、半固体樹脂がプリフォームの下またはプリフォームの上部に置かれ、適切なツーリングが部品上に位置し、部品がバッグに入れられ、次いでオートクレーブに置かれて、樹脂を融解し、樹脂をプリフォームに注入する樹脂フィルム注入（resin film infusion）（ＲＦＩ）である。ＲＦＩ方法は、１９８２年１月１９日に発行された「樹脂含浸プロセス（Resin Impregnation Process）」と題される米国特許第４，３１１，６６１号に記載され、この内容全体は引用によって本明細書に援用される。

本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されることになるだろう。

発明の詳細な説明
ここで、添付の図面を参照しながら本発明についてさらに十分に説明する。添付の図面には、本発明のいくつかの実施の形態が示されるが、本発明のすべての実施の形態が示されているわけではない。本発明は、多くの異なる形態で実施されることができ、説明される実施の形態に限定されるように解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施の形態は、この開示が完璧で完全であり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるために提供される。同様の数字は全体を通して同様の要素を指す。

図２は、本発明の一実施の形態による、交互になった強化繊維からなる層２および中間層６で作られる多軸織物１０を示す。各中間層６は典型的には、熱可塑性繊維からなるスパンボンド織物、スパンレース織物またはメッシュ織物などの不織構成である。中間層６は、強化層２の間に配置され、強化層２にニットステッチされる。中間層６は、強化繊維からなる層２に別の方法で結合または接続される必要はない。中間層６および強化層２がともに融解結合される織物はさらに、２００３年５月２日に出願された「液体成形された
織物ベースの複合物を補強するための非常に多孔質の中間層（Highly Porous Interlayers to Toughen Liquid-Molded Fabric Based Composites）」と題される米国出願連続番号第１０／４２８，５００号に記載される。いずれの場合でも、結果として生じる多軸織物１０は、幅が１２〜３００″であり、典型的には幅が少なくとも約５０″であるプリフォームを生産するためにいくつかのプロセスによって製造されることができる。たとえば、中間層６が不織構成、たとえばスパンボンド織物、スパンレース織物またはメッシュ織物である織物で形成される場合、各中間層６は自動化された方法によって、および編み、織りなどによって形成するのが困難であるかまたは不可能であり得る、比較的幅が広い状態で形成されることができる。織物１０はプリフォーム２０（図３）として使用されることができ、プリフォーム２０は、たとえばプリフォーム２０を型２４に配置し、液体成形プロセスにおいてプリフォーム２０に熱硬化性樹脂などのマトリックス材料を注入し、次いで型の中のプリフォーム２０を加熱して、マトリックス材料をゲル化および固めることによって、所望の構成を有する複合部材２２（図４）を形成するために使用される。中間層６は軽量および多孔質である可能性があり、それによって、強化繊維からなる層２の歪みを最小にし、強化材料からなる層２の注入中に中間層６を通るマトリックス材料の流れの抵抗を低減する。

強化繊維からなる層２は各々、典型的には一方向繊維からなる層である。多軸プリフォームおよび繊維強化複合材料において使用される一方向繊維からなるこのような層２は、当該技術分野において周知である。たとえば、一方向繊維は炭素繊維で作られることができる。一方向繊維の他の例は、ガラス繊維および鉱物繊維を含むが、これらに限定されない。一方向繊維からなる層２は、一方向炭素繊維が繊維の複数のスプールを含むクリールから取られ、所望の幅に広げられ、中間層６で多層化される積層プロセスによって準備されることができる。

各中間層６は典型的には、熱可塑性であり得る繊維からなるスパンボンド織物、スパンレース織物またはメッシュ織物で作られる。繊維は、部材２２の繊維強化複合材料を形成するために使用される熱硬化性マトリックス材料と適合性があるいずれのタイプの繊維の中から選択されてもよい。たとえば、中間層６の繊維は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル−ポリアリレート（たとえば、ベクトラン（登録商標））、ポリアラミド（たとえば、ケブラー（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（たとえば、ザイロン（登録商標））、ビスコース（たとえば、レーヨン（登録商標））、炭素繊維およびガラス繊維からなる群から選択されてもよい。

概して、中間層６は、マトリックス樹脂と化学的に適合性があり、注入および硬化中に溶解してマトリックスにならないさまざまな熱可塑性材料のいずれかで形成される。中間層６の材料は、中間層とマトリックスとの間のより優れた接触および／または付着を容易にすることに関する場合を除き、下にあるマトリックスにいささかも溶けない。高温圧縮強度などの複合物の特性を確実に損なわないように、中間層６の熱可塑性材料の融点は典型的にはマトリックス樹脂の硬化温度に近いか、またはマトリックス樹脂の硬化温度を上回る。熱可塑性材料はさらに、ケトン、水、ジェット燃料およびブレーキフルードのような溶媒に対して優れた耐性を有し、複合材料がこれらの溶媒に晒された場合に強度の劣化を確実に被らないようにする。本発明は任意の特定の動作理論に限定されないが、結果として生じる複合部材２２の耐衝撃性の所望の増大を中間層６がもたらすようにするために、熱可塑性材料は樹脂との何らかの化学的適合性（たとえば、化学結合、水素結合など）を持たなければならず、熱可塑性材料の固有の靭性は十分なものでなければならず（すな
わち、脆過ぎてはならない）、熱可塑性材料の弾性率は相当に高くなければならない（すなわち、熱可塑性材料が可塑化層のように作用し、特性を低減するほどに低くてはならない）と信じられている。

一実施の形態では、中間層６の繊維は２つ以上の材料から作られる。たとえば、２つ以上の材料は、スパンボンド織物、スパンレース織物またはメッシュ織物を作り出すために使用される異なる繊維を機械的に混合することによって準備されてもよい。代替的には、２つ以上の材料は、中間層６として使用される２つの構成要素の繊維、３つの構成要素の繊維、またはより多くの構成要素の繊維を形成するために使用されてもよい。すなわち、中間層６用に使用される織物の各繊維は、複数の材料を含み得る。複数の構成要素の繊維の非制限的な例が図１に概略的に示される。図１（ａ）は、たとえば繊維材料Ａおよび繊維材料Ｂを共有押出成形することによって作られた繊維を断面で示す。このような繊維は、２つの排出口を有するスピナレットによって生産されてもよい。図１（ｂ）は、４つのスピナレットによる押出成形によって生産されるであろうものなどの、材料ＡおよびＢから作られた２つの構成要素の繊維を示す。同様に、図１（ｃ）は、８つのスピナレットから紡がれた２つの構成要素の繊維を示す。別の実施の形態では、２つの構成要素の繊維は、図１（ｄ）に示されるものなどのコア被覆繊維の形で与えられる。コア−被覆繊維では、図１（ｄ）においてＢとして示されるあるタイプの繊維材料がコアとして押出成形され、図１（ｄ）においてＡとして示される別のタイプの繊維材料が被覆として押出成形される。たとえば、被覆の繊維材料Ａはポリウレタンである可能性があり、コアの繊維材料Ｂはポリアミドである可能性がある。

図１に示されるものなどの２つの構成要素の繊維および３つ以上の構成要素を含む他の繊維は、当該技術分野において周知であり、いくつかの従来の手順によって作られることが可能である。さらに、図１における繊維は円形の断面で概略的に示されているが、他の断面が用いられる場合があることが認識されるべきである。

中間層６の繊維は各々、たとえば中間層６および結果として生じる複合部材２２についての特定の用途に従って任意の大きさを有し得る。特に、中間層６を構成する繊維の直径は、１から１００ミクロンである可能性があり、たとえば１０から３０ミクロンなど、１０から７５ミクロンである可能性がある。別の実施の形態では、繊維の直径は１から１５ミクロンである。

中間層６用に使用される材料は、幅広い範囲の面密度も有し得る。面密度は、たとえば（ＳＡＣＭＡ ＳＲＭ ２−８８としても公知である）ボーイング社試験法ＢＳＳ７２６０に従う衝撃後圧縮試験によって検証されるように、所望の耐衝撃性を伝えるのに必要な量に従って選択されてもよい。所望の耐衝撃性レベルは、具体的な衝撃エネルギレベルを仮定して部品ごとに決定される。一実施の形態では、中間層の材料の面密度は、１〜５０グラム／平方メートルである。別の実施の形態では、各中間層６の面密度は、約５から１５グラム／平方メートルの間など、約２〜１５グラム／平方メートルである。任意の特定の複合部材２２の最適な単位面積当りの重量は試行錯誤によって決定され得るが、典型的には複合物の総重量の約２％から４％の間である。

中間層の材料はスパンボンド織物であってもよい。スパンボンド織物は、連続的に紡がれ、熱で結合される連続繊維から生産される。これらの織物は、主に衣料産業用に幅広い種類の供給源から市販されている。本発明において使用されるスパンボンド織物の単位面積当りの重量は典型的には、衣料で使用される織物の単位面積当りの重量よりも概して低い。

別の実施の形態では、各中間層６はスパンレース織物である。スパンレース織物は、連
続的に紡がれ、機械的に結合される連続繊維から準備される。これらの織物は、主に衣料産業用に幅広い種類の供給源から市販されている。本発明において使用されるスパンレース織物の単位面積当りの重量は典型的には、衣料産業で一般的に使用される織物の単位面積当りの重量よりも概して低い。

さらに別の実施の形態では、各中間層６は不織メッシュ織物を含む。たとえば、中間層６のメッシュ構成は、縦糸および横糸の方向に１インチ当たり約０．５から１５本の間の糸または繊維を含み得る。

図２および図３に示されるように、多軸プリフォーム２０は、強化層２および中間層６を取付けて多軸織物の中に安定させるために中間層６が強化層２の間に配置され、ステッチされる複数の強化層２を備える。典型的には、各多軸プリフォーム２０は４つ以上の強化層２を有するが、プリフォーム２０はより少ない層２を有する場合がある。たとえば、プリフォーム２０は２から１６個の間の強化層２の層（または、薄層）を有し得る。

多軸織物１０における一方向繊維からなる薄層は、擬似等方性または直交異方性パターンで布設されてもよい。このパターンは、完成した複合部材２２の所望の厚さを達成するために必要に応じて繰返されてもよい。繰返されるパターンは一定である場合もあれば、プリフォーム２０全体にわたって変化する場合もある。繰返されるパターンがプリフォーム２０全体にわたって変化する場合には、層２および中間層６の薄層をともにステッチすることなどによって、局所的に異なる厚さが機械的に所定の位置で保たれることができる。

たとえば、場合によっては、強化層２の薄層は擬似等方性パターンで布設される。擬似等方性パターンとは、繊維の面において等方性の材料に近似するパターンである。これは横等方性としても公知である。たとえば、図５および図６は、＋４５／−４５パターン、すなわち、織物１０の横方向に対して第１の層２ａが＋４５°で配置され、第２の層２ｂが−４５°で配置されるパターンを示す。薄層を擬似等方性の０／＋４５／９０／−４５パターンで配置することも可能である。他の擬似等方性パターンは、＋４５／０／−４５／−９０、−４５／０／＋４５／９０、および０／＋６０／−６０を含む。

代替的には、強化層２の薄層は直交異方性パターンで布設されてもよい。直交異方性とは、最終結果が、たった今説明された擬似等方性パターンのように面において擬似等方性でないように繊維またはユニットを有することを意味する。直交異方性パターンの一例は、４４％が０°、２２％が＋４５°、２２％が−４５°、および１２％が９０°の繊維を有するパターンである。この例では、擬似等方性（２５／５０／２５）の積上げよりも（０°方向に沿って）より大きな縦強度ならびに（±４５°方向に沿って）より低いせん断強度および（９０°方向に沿って）横強度が達成される。結果として生じる蓄積された薄層は、擬似等方性の積層板と比較して０°方向により高い強度および厚さをもたらすが、より低いせん断強度および厚さをもたらす（±４５°の層２によってもたらされる）。対応して、この例では、９０°の強度は擬似等方性の積層板よりも低い。直交異方性という用語はこの分野において十分に理解されている。たとえば、０°の織物は、平面の（すなわち、擬似等方性の）特性においてバランスの取れた平均値をもたらさない他のパターンと同様に、直交異方性である。

上述のように、織物が１組の４つの薄層を備えるように織物を構成することが一般的である。多層織物の層は通常、積層物と称される。所望であれば、プリフォームの構成は、所望の厚さを達成するために４つの薄層のパターンを備えることになる。たとえば、所望の厚さを蓄積することが所望であるときには、高温で樹脂を硬化させた後に作り出される熱応力に起因する硬化後の曲げおよび捩れを防ぐために鏡像の薄層積層物が使用される。
このような場合には、積上げ全体はバランスの取れた薄層の群で構成されるか、または薄層のバランスを取るために交互に積上げられるであろう。この手法はこの分野では一般的であり、平坦な部品を確実に製造するため、ならびに未知のおよび／または温度の影響を受けやすい構成を有する部品の問題を回避するためになされる。

先述のように、中間層６は、（その後の）液体成形プロセス中に樹脂を型２４に注入する間に層２の向きを所定の位置に維持するために、糸８で一方向繊維の層２にステッチされることができる（すなわち、編まれるかまたは縫付けられることができる）。たとえば、（まとめて参照数字８で称される）糸の各ステッチは、１つ以上の中間層６を１つ以上の層２に接続できる。したがって、縦編みの多軸織物１０は、強化層２の間の中間層６とともに強化層２をニットステッチすることによって組立てられてもよい。編みまたは縫付け糸８は、ポリエステル−ポリアリレート（たとえば、ベクトラン（登録商標））、ポリアラミド（たとえば、ケブラー（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（たとえば、ザイロン（登録商標））、ビスコース（たとえば、レーヨン（登録商標））、アクリル、ポリアミド、炭素、およびガラス繊維を含むがこれらに限定されないさまざまな材料から選択されてもよい。所望であれば、編みまたは縫付けステップは、多軸プリフォーム２０の最初の積上げ後に実施される。ステッチングによっておよび綴じによって局所的に異なる厚さを機械的に所定の位置で保つために、同一の種類の糸８が使用されてもよい。

図２は、複合部材２２を形成するために液体成形プロセスにおいて使用される多軸プリフォーム２０の織物１０を示す。図２では、熱可塑性繊維で作られる中間層６は、一方向織物の強化織物層２の間に配置される。プリフォーム２０の薄層２、６をまとめるために複数の縫付け糸８が使用される。図２に示されるように、各糸８（および各ステッチ）は、交互の方向にプリフォーム２０の層２および中間層６の各々を通って延在する。

このように、層２および中間層６のすべては、ステッチングによって接続されることができ、層２および中間層６のいずれも融解結合されず、または別の方法でともに結合されない。この点で、中間層６の材料は、場合によっては、層２に結合もしくは付着させるために粘着性または粘性をほとんどまたは全くもたらさない可能性がある。その代わりに、ステッチ８が層２と中間層６との間にいずれの必要な接続ももたらすことができ、および／または機械的な留め具が、層２および中間層６を一時的もしくは永久的に接続するために設けられることが可能である。したがって、織物１０、プリフォーム２０および／または複合部材２２は、「粘着付与剤」、すなわち層２および中間層６を結合するための材料を使用することなく、本発明によって形成されることが可能である。すなわち、ステッチ８は、最終的な積重ねプロセス中および注入プロセス中に層２および中間層６を接続できる。層２と中間層６との間に粘着付与剤がないために、マトリックス材料によるプリフォーム２０の浸透性は増大されることができ、その結果マトリックス材料による注入が容易になる。

さらに、中間層６は、中間層の材料の粘着性にかかわらず、耐衝撃性または靭性などの結果として生じる部材２２の特定の特性を改善する材料から形成され得る。したがって、結果として生じる複合部材２２の耐衝撃性は、場合によっては、粘着性を与える材料などの他の材料から中間層６がなる状態で形成される、同様の寸法の部材において達成され得る耐衝撃性、または中間層が間にない状態で複合物の層が隣接して配置されて形成される、同様の寸法の部材において達成され得る耐衝撃性よりも大きい可能性がある。複合織物１０または部材２２の耐衝撃性は概して、衝撃に起因する局所的な破壊を伝播させるのに必要なエネルギの量を増加させることによって、増大させることができる。

ハーゲル（Hagel）への米国特許第５，２４１，８４２号またはウンナー（Wunner）らへの米国特許第６，２７６，１７４号（これらの開示は引用によって援用される）に記載
されるような装置は、一方向炭素繊維のトウを与えることによって多軸プリフォームを準備するために使用され得る。一方向繊維からなる強化層を作り出すために、１つまたは複数のトウがピンを渡して引張られる。この実施の形態では、一方向炭素繊維からなる層２の間に中間層の材料を導入するために手段が設けられる。中間層の材料は、方向がないので、一方向炭素繊維のようにある角度をなして導入される必要はない。

図５は、本発明の一実施の形態による多軸織物１０を形成するプロセスを示す。示されるように、個々に参照数字２ａ、２ｂで称される２つの層が、１つの中間層６が間にある状態で積み重ねられるが、他の実施の形態では、より多くの層２および中間層６が設けられることができる。場合によっては、個々に参照数字６ａ、６ｂで称される熱可塑性材料からなる中間層も、示されるように織物１０の上部および／または底部に設けられることができる。任意の数の中間層が設けられ得る。たとえば、図５および図６に示される中間層６、６ａ、６ｂを参照すると、織物１０は層２ａの間に中間層６のみを含む場合もあれば、中間層６ａ、６ｂのうち１つまたは両方と組合せられて中間層６を含む場合もある。さらに、中間層６の各々の厚さは異なる可能性がある。たとえば、織物１０の上部の中間層６ａおよび織物１０の底部の中間層６ｂは、層２ａ、２ｂの間に配置された中間層６の約２分の１の厚さなど、より薄い可能性がある。示される実施の形態では、第１の層２ａは炭素からなる＋４５の層であり、第２の層２ｂは炭素からなる−４５の層である。織物１０の斜視図が図６に示される。図６に示されるように、層２ａ、２ｂおよび中間層６、６ａ、６ｂはローラ１７の間のニップを通過でき、織物１０は次いで、織物１０にステッチ８を形成する編みユニット５６によって処理される。

本発明の多軸プリフォームは、さまざまな液体成形プロセスによって硬化繊維強化複合材料にされてもよい。１つの真空支援樹脂トランスファー成形では、樹脂などのマトリックス材料が真空下で多軸プリフォームを入れる型に導入される。図４に示されるように、型２４は典型的には、プリフォーム２０が所望の構成で支持されるように、完成した複合部材２２の所望の輪郭に対応する１つ以上の面を規定する。マトリックス材料は、プリフォーム２０を注入し、一方向繊維からなる層２の間の中間層６を飽和させる。中間層６は、液体成形動作中のマトリックス材料の流れを可能にするように透過性の材料で作られる。さらに、層２と中間層６との間のステッチ８は、注入プロセス中に一方向繊維を所定の位置に保持する。図４に部分的にしか示されていない型２４は、真空を入れるための密閉容器のような装置であり得る。典型的には樹脂トランスファー成形と称される別の方法では、樹脂が加圧下で密閉型に注入される。本発明の硬化繊維強化複合材料を準備するために、これらのおよび他の液体成形プロセスが使用されてもよい。

上述のプロセスなどのプロセスにおいて、樹脂を型２４に注入した後、型２４は加熱されて、樹脂を硬化させ、完成した複合部材２２を生産する。加熱中に、樹脂または他のマトリックス材料はそれ自体と反応して、複合材料からなるマトリックスに架橋を形成する。加熱の初期期間後、樹脂はゲル化する。ゲル化時に、樹脂はもはや流動せず、むしろ固体のように挙動する。場合によっては、樹脂は、中間層６の熱可塑性繊維が融解し、強化繊維の束に流入するのを防ぐために、中間層６の熱可塑性繊維の融点未満の温度でゲル化され得る。ゲル化後に、硬化を完成させるために温度は最終温度まで上げられてもよい。最終硬化温度は、選択された熱硬化性樹脂の性質および特性に依存する。航空宇宙産業級のエポキシ樹脂の場合には、硬化を完成させるために、ゲル化後の温度を華氏３２５から３７５°の温度範囲まで上げ、１から６時間この温度に保つことが通常である。

たとえば、特定の例では、溶解してマトリックス樹脂になる熱可塑性物質は樹脂のモードＩ破壊靭性を増大させ得ることが公知である。衝撃を受ける複合物では、樹脂のモードＩ破壊靭性の増大には、衝撃に起因して発生するマトリックスの亀裂の量を低減する効果がある。代替的にはこれは、樹脂のモードＩ破壊靭性の増大が、同一のマトリックス樹脂
の補強されていないバージョンで作られた他の点では等価の複合物よりも、衝撃に起因するマトリックスの亀裂を複合物に形成するのに必要なエネルギがより多いと言うことができる。したがって、マトリックスモードＩ破壊靭性の増大は、特にマトリックスにおける亀裂の量を低減することによって、衝撃に起因する損傷の量を低減する。

非溶解層は、適切に選択されれば、複合物のモードＩＩ破壊靭性を増大させ得る。概して、非溶解層はむしろ、マトリックス樹脂の破壊靭性を変更することはほとんどない。衝撃を受ける複合物では、モードＩＩ破壊靭性の増大は、複合材料のプライの間に層間剥離が発生する傾向が低減されることによって明らかになる。代替的にはこれは、複合物のモードＩＩ破壊靭性の増大が、他の点では等価の補強されていない複合物よりも、複合物を剥離させるまたは損傷が横に（衝撃の方向に垂直におよび構造上の繊維の面において）進展するのに必要なエネルギがより多いと言うことができる。したがって、複合物のモードＩＩ破壊靭性の増大は、特に損傷が衝撃のポイントから離れて横に進展する傾向を低減することによって、衝撃に起因する損傷の量を低減し、その結果、衝撃に起因して損傷する材料の容積を制約し、複合物の衝撃後残留強度を増大させる。

したがって、中間層６が強化材料からなる層２の間にある状態で形成される複合部材などの、本発明によって形成された結果として生じる複合部材２２の破壊靭性は、他の複合部材の破壊靭性よりも大きい可能性がある。場合によっては、衝撃後圧縮（compression-after impact）（ＣＡＩ）強度は約１００％だけ増大されることができ、衝撃損傷面積は２７０ｉｎ−ｌｂの衝撃エネルギの１／２″衝撃タップ（tup）について約９０％減少されることが可能である。

場合によっては、プリフォーム２０および複合部材２２は、ステッチングの必要性が低減されるように耐衝撃性の増大が中間層６によってもたらされることによって特徴付けられ得る。すなわち、いくつかの従来の複合部材は耐衝撃性を増大させるためにステッチを含むが、耐衝撃性のこのような増大は、その代わりに本発明の中間層６によってもたらされることができる。したがって、本発明の一実施の形態によれば、複合材料のステッチングは、主に所望の構成で層２および中間層６を固定するために施されることができ、ステッチングの量は中間層６が無い状態で耐衝撃性を増大させるのに必要であろう量より少ない可能性がある。

実施例
以下に示される結果は、衝撃エネルギが２７０ｉｎ−ｌｂのＢＳＳ７２６０ タイプＩＩ、クラス１の衝撃を用いてＢＭＳ ８−２７６（民間航空機用に使用される補強されたプリプレグシステムについてのボーイング社材料仕様書）に従って作られ、試験された衝撃後圧縮（ＣＡＩ）パネルについてのものである。

試験パネルは以下のように準備された。パネルの積上げは、スパンボンド織物が融解結合された、アンカー・リインフォースメンツ（Anchor Reinforcements）（カリフォルニア州ハンティントンビーチ（Huntington Beach））からの一方向織物を使用する（＋４５／０／−４５／９０）_3Sであった。対照は、織物をまとめるために熱可塑性横糸繊維のみを使用した。３つのスパンボンド織物は、単位面積当りの重量が０．１２５ｏｚ／ｙｄ²、０．２５０ｏｚ／ｙｄ²および０．３７５ｏｚ／ｙｄ²で、スパンファブ（Spunfab）（オハイオ州カイヤホガフォールズ（Cuyahoga Falls））によって供給された。使用された３つの材料は、ＰＥ２９００すなわちポリエステル、ＶＩ６０１０すなわち三元ポリマー配合物、およびＰＡ１００８すなわちポリアミドであった。

Ｔ７００炭素繊維（日本、東京、東レ）を１９０ｇ／ｍ²含むそれぞれのスパンボンド織物をテープの上に融解結合することによって、幅１３インチの乾燥した一方向テープが
準備された。一方向テープは、プリプレグと同一の態様で切断され、上述のＢＭＳ ８−２７６に従って積上げられた。積上げられた織物は、アプライド・ポールラミック・インコーポレイテッド（Applied Poleramic, Inc.）（カリフォルニア州ベニシア（Benicia））からのエポキシ樹脂、すなわちＴＶ−１５を使用してＶＡＲＴＭ処理された。注入および硬化後に、結果として生じるパネルは、ＢＳＳ７２６０に従って、４″×６″の衝撃試験用標本に機械加工された。衝撃は、０．３１２５″の球形の鋼製タップを使用して行なわれた。各構成ごとに４つのパネルが試験された。

衝撃後に、すべての標本は超音波でＣ走査された。衝撃損傷面積は、Ｃ走査装置上の内蔵のソフトウェアツールを使用して振幅プロットに示された中心「穴」から直接に計算された。これらの結果が表１に示されている。

衝撃後圧縮強度の結果が表２に示されており、パネルの厚さおよびプライ当たりの厚さが表３に示されている。表１および表２は、ＰＡ１００８およびＶＩ６０１０の中間層の材料について衝撃損傷面積が大幅に減少し、これらの同一の材料について衝撃後圧縮強度が大幅に増大することをそれぞれに示している。表３は、中間層補強の概念がプライ当たりの厚さについて現行の商業用ボーイング社仕様書（ＢＭＳ ８−２７６）を満たすことを示している。

前述の説明および関連付けられる図面に提示される教示の利点を有する、本発明が関係する本発明の多くの修正および他の実施の形態が当業者に想起されるであろう。したがって、本発明は開示される具体的な実施の形態に限定されるべきではなく、修正および他の実施の形態は特許請求の範囲内に包含されるように意図されることが理解されるべきである。具体的な用語が本明細書において利用されているが、それらは総称的および説明の意味でのみ使用され、限定の目的で使用されるものではない。

本発明のさまざまな実施の形態に従って形成されるプリフォームおよび複合部材の中間層用の繊維を概略的に示す断面図である。 本発明のさまざまな実施の形態に従って形成されるプリフォームおよび複合部材の中間層用の繊維を概略的に示す断面図である。 本発明のさまざまな実施の形態に従って形成されるプリフォームおよび複合部材の中間層用の繊維を概略的に示す断面図である。 本発明のさまざまな実施の形態に従って形成されるプリフォームおよび複合部材の中間層用の繊維を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態によるプリフォームのステッチされた多軸織物を示す断面図である。 本発明のさらに別の実施の形態による、複合部材を形成するためのステッチされたプリフォームを示す斜視図である。 起伏のある型を使用して図３のプリフォームで形成される複合部材を示す正面図である。 本発明の別の実施の形態による、複数の層および中間層を有する多軸織物を準備するためのプロセスを概略的に示す正面図である。 図５のプロセスに従って形成される織物を概略的に示す斜視図である。

Claims (22)

1. 複合材料を形成するための方法であって、
   強化材料の繊維で形成される複数の強化層を設けるステップと、
   複数の中間層を設けるステップであって、各中間層は連続繊維からなる不織布で形成され、前記不織布をスパンボンド法、スパンレース法および織物メッシュ法からなる群のうち少なくとも１つによって形成するステップと、
   複数の強化層と複数の中間層を交互に重ね合わせるステップと、
   糸で強化層および中間層をステッチするステップと、
   マトリックス材料が複数の強化層と複数の中間層を貫流することにより、マトリックス材料を複数の強化層と複数の中間層に注入するステップとを備え、
   中間層の材料は、複合材料の耐衝撃性を増大させるように適合される、方法。
2. 前記第２の設けるステップは、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル−ポリアリレート、ポリアラミド、ポリベンゾオキサゾール、ビスコース、炭素繊維およびガラス繊維からなる群のうち少なくとも１つを含む材料からなる中間層を形成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステッチするステップは、複数のステッチを配置するステップを備え、各ステッチは強化層および中間層の各々を通って延在する、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の設けるステップは、強化層および中間層が前記ステッチするステップより前に実質的に結合されないように実質的に粘着性のない材料からなる中間層を設けるステップを備える、請求項１に記載の方法。
5. マトリックス材料を硬化させるステップをさらに備え、前記注入および硬化させるステップは、中間層の不織布形態が損なわれないままであるように中間層を通してマトリックス材料を送出し、マトリックス材料を硬化させるステップを備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記注入するステップの前に、複合材料の所望の輪郭に対応する起伏のある構成で、交互になった強化層および中間層を構成するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記配置するステップは、幅が少なくとも１２７ｃｍ（５０インチ）である構成で強化層および中間層を配置するステップを備える、請求項１に記載の方法。
8. 中間層を設ける前記ステップは、似ていない繊維の機械的混合物からなる不織布を形成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
9. 中間層を設ける前記ステップは、複数の構成要素の繊維からなる不織布を形成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
10. 複合部材を形成するためのプリフォームであって、
    強化材料の繊維で形成される複数の強化層と、
    複数の中間層とを備え、複数の強化層と複数の中間層は交互に重ね合わされ、マトリックス材料が複数の強化層と複数の中間層を貫流することにより、複数の強化層と複数の中間層にマトリックス材料が注入されるように、各中間層は、連続繊維からなる不織布で形成され、前記各中間層は、スパンボンド法、スパンレース法および織物メッシュ法からなる群のうち少なくとも１つによって形成される不織布を含み、前記プリフォームはさらに、
    強化層および中間層を通って延在し、強化層および中間層と係合するよう構成されるステッチングを備え、
    中間層の材料は、複合部材の耐衝撃性を増大させるように適合される、プリフォーム。
11. 中間層の材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル−ポリアリレート、ポリアラミド、ポリベンゾオキサゾール、ビスコース、炭素繊維およびガラス繊維からなる群のうち少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のプリフォーム。
12. 中間層の材料は実質的に粘着性がない、請求項１０に記載のプリフォーム。
13. 中間層の材料は、マトリックス材料が中間層の材料を通して注入され、硬化される間、損なわれないままであるように適合される、請求項１０に記載のプリフォーム。
14. プリフォームの幅は、少なくとも１２７ｃｍ（５０インチ）である、請求項１０に記載のプリフォーム。
15. 各中間層の織物は、似ていない繊維の機械的混合物を含む、請求項１０に記載のプリフォーム。
16. 各中間層の織物は、複数の構成要素の繊維を含む、請求項１０に記載のプリフォーム。
17. 予め定められた構成を規定する複合部材であって、
    強化材料の繊維で形成される複数の強化層と、
    複数の中間層とを備え、複数の強化層と複数の中間層は交互に重ね合わされ、各中間層は連続繊維からなる不織布で形成され、前記各中間層は、スパンボンド法、スパンレース法および織物メッシュ法からなる群のうち少なくとも１つによって形成される不織布を含み、前記複合部材はさらに、
    強化層および中間層を通って延在し、強化層および中間層と係合するよう構成されるステッチングと、
    複数の強化層と複数の中間層を貫流することにより、複数の強化層と複数の中間層に注入されるマトリックス材料とを備え、マトリックス材料は、予め定められた構成を規定する強化層および中間層とともに硬化され、
    中間層の材料は、複合部材の耐衝撃性を増大させるように適合される、複合部材。
18. 中間層の材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル−ポリアリレート、ポリアラミド、ポリベンゾオキサゾール、ビスコース、炭素繊維およびガラス繊維からなる群のうち少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の複合部材。
19. 中間層の材料は実質的に粘着性がない、請求項１７に記載の複合部材。
20. 複合部材の幅は、少なくとも１２７ｃｍ（５０インチ）である、請求項１７に記載の複合部材。
21. 各中間層の織物は、似ていない繊維の機械的混合物を含む、請求項１７に記載の複合部材。
22. 各中間層の織物は、複数の構成要素の繊維を含む、請求項１７に記載の複合部材。

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