JP5232240B2 - コンポジット構造に用いるハイブリッド三次元織り／積層支材 - Google Patents

Description

この発明は、強化コンポジット構造に用いる三次元織りプリフォームの幾何学的な構成に関し、そのコンポジット構造は、その構造の１あるいは２以上の端部が準等方性あるいは多方向性に強化され、しかも、他のすべての部分がほぼ一方向に強化されている。また、プリフォームは、強化繊維を厚さ方向に入れることにより、厚さ方向全体の補強も付加されている。

構造的な構成要素あるいは部品を製造するために、強化コンポジット材料を用いることは、今や一般的である。特に、重さが軽いこと、強固、丈夫、耐熱性、自らを支える能力、および形作る上で適合するという、好ましい特性が求められるところでは広く普及している。そのような構成要素あるいは部品は、たとえば、レース艇やレーシングカーなどのレクレーション分野だけでなく、航空、航空宇宙産業、人工衛星、およびその他のたくさんの分野で用いられる。三次元の布は、通常、３つの方向に方向付けられた繊維から構成される。各繊維は、他の繊維に対して垂直方向、すなわち、Ｘ、ＹおよびＺ軸方向に伸びる。

そのような布から形成される構成要素あるいは部品は、典型的に、マトリックス材料の中に埋め込んだ強化素材から構成される。強化の構成部分は、ガラス、炭素、セラミックス、アラミド（たとえば、デュポン社の商品名「ケブラー」）、ポリエチレン、および／または、物理的、熱的、化学的および／またはその他の好ましい特性、第１には応力に対する大きな耐久性を示すその他の材料から構成される。そのような強化材料、それらは結局は完成品の構成要素になるのであるが、それらを使用するとき、たとえば非常に大きな強度のようなそれら強化素材の望ましい特性が、完成したコンポジット部品に授けられることになる。構成要素である強化材料は、典型的には、織られたり編まれたり、あるいはその他のやり方で強化プリフォームのための好ましい形状および形に形成される。通常、選択理由である強化材料の特性を最大限に活用するように注意が図られる。また、そのような強化プリフォームについては、マトリックス材料と組み合わせることにより必要な完成品を得たり、あるいは、完成品の最終生産のために役立つ在庫品を得る。

必要な強化プリフォームを構成した後、マトリックス材料をそのプリフォームを加えて組み込む。それにより、強化プリフォームは、マトリックス材料で包まれ、マトリックス材料は強化プリフォームの構成要素の間のすき間部分を埋める。マトリックス材料としては、たとえば、エポキシ、ポリエステル、ビニル−エステル、セラミックス、炭素および／またはその他の材料で、必要とする物理的、熱的、化学的および／または他の特性を示すものなど、いろいろな材料を広く適用することができる。マトリックスとして用いる材料としては、強化プリフォームの材料と同じものでも良いし、異なるものでも良く、また、物理的、化学的、熱的あるいは他の特性が類似したものでも良いし、類似しないものでも良い。しかし、通常、それらは強化プリフォームと同じ材料ではなく、また、物理的、化学的、熱的あるいは他の特性が類似しない。なぜなら、第１にコンポジットを用いる通常の目的は、ただ一つの構成材料だけでは得ることができない組合せ特性を完成品で得ることにあるからである。

強化プリフォームおよびマトリックス材料は、そのように組み合わされた後、熱硬化処理あるいは他の公知の方法で同じ作業工程において硬化および安定化され、さらに、目的とする構成部品を製造するための他の作業工程に入る。そのように硬化した時点において、マトリックス材料の固体化したものが、通常、強化材料（たとえば、強化プリフォーム）に非常に強く付着していることに気付くことが大事である。結局、完成品上の応力が、繊維間の接着剤として機能するそのマトリックス材料を特に通して、補強された強化プリフォームの構成材料に有効に移され保持される。

一般に、シンプルな二次元織り布あるいは一方向性の繊維は、材料供給者から取引先へと送られ、取引先では、パターンを切り出し、積層して最終部品を形成する。最もシンプルな織り材料は平織りであり、実質的に、２つの方向だけの繊維を備える二次元の構造である。それらは、２組の糸を互いに垂直になるように織り交ぜることにより形成する。二次元に織るとき、一方の０°の糸を縦繊維あるいは縦糸といい、他方の９０°の糸を横繊維あるいは横糸という。樹脂トランスファー成形のために、一組の織り布を積層形態にし、それを金型の中に置き、樹脂を注入する。これらの布は、「切って縫う（cut and sew）」技術あるいは熱的な加工のいずれかによって前もって形成し、樹脂バインダを用いて「取付け（tacked）」を行う。

しかし、二次元の織り構造には限界がある。前もって形成する工程は、積層に多くの手間がかかる。また、二次元の織り構造は、０°および９０°の軸に沿う方向以外においては強度あるいは伸縮の耐性がなく、特に、繊維の軸から離れた角度における耐性がない。このような起こりうる制限を減じる一つの方法は、織りに対しバイアス繊維を加えることであり、加える繊維としては、中間の角度で（好ましくは横糸の繊維軸に±４５°となるよう）布を横切るように織り込んだものが良い。

シンプルな織りプリフォームは、また、単一の層である。これは、材料に可能な強度を制限する。これに対する可能な解決策の一つは、繊維のサイズを大きくすることである。もう一つの解決策は、多数の層あるいは重ねを用いる方法である。多層にする付加的な利点は、異なる層における縦糸および横糸の各軸が異なる方向を向くように方向付けることによって、上に述べたバイアス繊維と同様に働くことである。しかし、それらの層が、単一の層を樹脂で積層した積重ね体であるなら、層が剥がれるという問題がある。また、各層を一緒に縫うとすれば、縫い工程の間に織った繊維の多くにダメージを与え、全体の引っ張り強度に悪い影響がある。加えて、多数の層の積層および積重ねの両方において、通常、層を整列させるために積重ね作業に手間がかかる。代わりに、各層を織り工程の一部として織り込むことができる。しかし、布に対し、特にバイアス繊維を一体にして多層を織り込むことには、難しい問題がある。

コンポジット材料を用いて構造的な部品を製造する一例として、支材（strut）および支柱（brace）の製造がある。支材および支柱は、一般的に、その構造の各端にラグがある中央コラムを備える。それらのラグは、オスあるいはメス（クレビス）のいずれかの形態であり、支材あるいは支柱を構造に取り付け、構造を補強あるいは支えるために用いる。前に述べたように、コンポジット構造の強度の増大を図るために、支材および支柱のラグおよびコラム部分に対して多数の層あるいは積重ねを行う。多数の層を用いれば、個々の層を０°および９０°の方向だけでなく、たとえば±４５°となるよう別のバイアスの方向から補強することができるという利点がある。しかし、たとえば、樹脂で一緒に積層するとすれば、層の剥離が問題となる。

積層のラグについては、多くの例がある。その中のいくつかは、ハイブリッド材料（すなわち、炭素とチタンとを交互に重ね合わせ）を用いているが、積層ラグは三次元の織りコラムと結合されていない。積層コンポジットラグについて非常に大きな負荷に耐えられる構造の試験研究が、いくつかの政府資金のプログラムにおいて示されている。しかし、出願人が知る限り、それらのプログラムでは、三次元の織りプリフォームを用いるという考えはない。

このように、支材および支柱に用いる三次元プリフォームであって、積層ラグの端部あるいは部分および一体構造の三次元織り中央コラムを備えるものが求められる。プリフォームの中央部分に三次元構造を用いるならば、厚いコンポジットにおいて切断し揃えて重ね層を得るという手間を減じることができるし、今までの積層コンポジットに比べてダメージを受けることが少なくなる。また、端部で独立した層にするならば、積層に特別な特性をもつように仕立てることができる。特に、補強繊維を１あるいは２以上の角度で入れることによって、一部あるいはプリフォームを全体的に厚さ方向に補強することができる。

したがって、三次元の中央部分を独立の織り層で構成した補強積層ラグ端部と一体にした織りプリフォームが要望されるところである。

そこで、この発明の第１の目的は、織り込みコラム部分と、コンポジット構造に用いるため、独立の織り布が重なったラグ端部とを備える三次元織りプリフォームを提供することである。

さらに、この発明の目的は、厚いコンポジット構造のための織りプリフォームであって、その構造の１あるいは２以上の端部が準等方性あるいは多方向性に強化され、しかも、他のすべての部分がほぼ一方向に強化されているものを提供することである。

この発明の他の目的は、ラグ端部の一方あるいは両方を厚さ方向に補強し、ダメージを受けにくくし、しかも、厚さ方向全体の特性を改善した織りプリフォームを提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、集中した大きな負荷を保持するために用いることができるコンポジット構造を提供することにある。

この発明によれば、これらおよび他の目的ならびに利点を得ることができる。この点、この発明は、コンポジット構造を補強するために用いる織りプリフォーム、およびそのようなプリフォームを製造する技術を狙いとする。織りプリフォームは、一緒に織った複数の層をもつ中央部分を備える。プリフォームは、複数の個別の織り層であり、中央部分で織り込んだ複数の層と一体に織られ、プリフォームの全長に沿って伸びる第１の端部部分を含む。プリフォームは、また、複数の個別の織り層であり、中央部分で織り込んだ複数の層と一体に織られ、プリフォームの全長に沿って伸びる第２の端部部分を含む。第１および第２の端部部分における複数の個別の織り層の間に入っているのは、バイアス層である。さらに、ここに示す実施例の中には、単一のラグ端部およびコラム部分の端部をもつ織りフォームを構成する。

他の見方からすれば、この発明は、第１および第２の端部部分における個別の織り層およびバイアス層に加わった、厚さ方向にわたる補強をもつ三次元織りプリフォームに向かうものである。そのような厚さ補強によれば、マイクロメカニックスを変え、早期の故障の原因となる局所的な座屈を減じることによって、プリフォームの圧縮強度（耐圧強度）を増大することになる。さらには、厚さ方向にわたる補強により、厚さ方向の強度および剛性、ならびに剪断強度を増すことは勿論のこと、衝撃に伴う剥離を小さく抑えることによって、コンポジット部分のダメージを受けにくくすることができる。

さらに、他の見方からすれば、この発明は、ここで示す織りプリフォームを用いて構成した三次元の補強コンポジット構造に向かうものである。補強コンポジット構造は、一方向に強化された中央部分と、準等方性あるいは多方向性に強化された第１および第２の端部部分とを備える。あるいはまた、第１および第２の端部部分について、プリフォームの厚さ方向にある角度で補強繊維を入れることにより、厚さ方向の補強を行うこともできる。補強コンポジット構造は、また、一方の端部にコラム部分、そして、他方の端部にラグ部分をもつように構成することもできる。

この発明を特徴づけるいろいろな新規な特徴について、この開示の一部である添付の各請求項に特に示している。この発明、ならびに、それを使用することによって得る作用効果および特定の目的について良く理解するため、詳細な説明を参照されたい。そこには、この発明の好ましい実施形態が図面に示されている。図面中、対応する構成要素に対しては、同じ参照番号を付けてある。

オス形態であるラグ端部を伴う中央部分を備える、コンポジット構造の平面図である。 メスあるいはクレビス形態であるラグ端部を伴う中央部分を備える、コンポジット構造の平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームの平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームであり、対称的な形態のラグ端部をもつものの平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームであり、対称的な形態のラグ端部をもつものの平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームであり、非対称的な形態のラグ端部をもつものの平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームであり、非対称的な形態のラグ端部をもつものの平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームであり、メス形態のラグ端部をもつものの平面図である。 この発明の一実施例であるプリフォームであり、メス形態のラグ端部をもつものの平面図である。 この発明の一形態であるプリフォームの一部の拡大図であり、プリフォーム層を横切る補強繊維を示し、ラグ端部の補強繊維が層の面に対して垂直になった例である。 この発明の一形態であるプリフォームの一部の拡大図であり、プリフォーム層を横切る補強繊維を示し、ラグ端部の補強繊維が層面に垂直な方向に対して角度をもった例である。 この発明の一形態であるコンポジット構造の三次元の図であり、オス形態で丸い貫通開口があるラグ端部を伴う中央コラムを備えている。 この発明の一形態であるコンポジット構造の三次元の図であり、メスあるいはクレビス形態で丸い貫通開口があるラグ端部を伴う中央コラムを備えている。 この発明の一形態であるプリフォームのラグ端部であって、厚さ方向に補強したものを拡大した平面図であり、補強繊維がラグ端部全体に一様に分布されている。 この発明の一形態であるプリフォームのラグ端部であって、厚さ方向に補強したものを拡大した平面図であり、補強繊維が貫通開口の縁周りに集中している。

詳細な説明

さて、この発明について添付図面を参照しながらさらに詳しく説明する。図面には、発明の好ましい実施例を示している。しかし、この発明は、多くの異なる形で実施することができ、ここに図示した実施例に限定されるものではない。むしろ、図示した実施例は、この開示が一貫した完結したものであり、当業者に対し、この発明の範囲を充分に伝えるであろう。

以下の説明において、同様の参照番号は、図の全体を通して、同様か、あるいは対応する部分を示す。その上、以下の説明において、「上部」、「下部」、「最上部」および「最下部」ならびに類似の表現は、便宜上の用語であり、その用語に限定されるわけではない。

この発明は、プリフォームについての考え方であり、その構造の１あるいは２以上の端部を準等方性あるいは多方向性に強化し、しかも、他のすべての部分をほぼ一方向に強化したコンポジット構造あるいはビームである。この構成は、たとえば、支材および支柱のような集中した大きな負荷を保持しなければならない構造にとって好ましい。準等方的あるいは多方向的に強化した端部は、良好な支持特性、ならびに、よりバランスした張力、圧縮力、および剪断強度を提供し、構造のラグ端部として相応しい。これらのラグ端部としては、オスあるいはメス（クレビス）のいずれかの形態を取ることができる。一方向の（強化）部分は、軸方向の剛性が高いので、コラムの座屈や破壊を防ぐことができる。したがって、それは、支材や支柱の主コラムとして相応しい。図１に示す支材あるいは支柱２は、ラグ半部４と三次元の主コラム部分６とを備える。図１のラグ端部４は、オス形態である。また、図２は、三次元の主コラム部分１０と、メスあるいはクレビス形態のラグ端部１２を備える支材あるいは支柱８を示す。

プリフォームの中央部分に三次元構造を用いることによって、厚いコンポジットにおいて切断し揃えて重ね層を得るという手間を減じることができるし、今までの積層コンポジットに比べてダメージを受けることが少なくなる。また、端部で独立した層にするならば、積層に特別な特性をもつように仕立てることができる。明らかにしたように、ラグ端部は、準等方的あるいは多方向的に強化するのであるが、それらは、実際上どのような積層構造をも取ることができる。

この発明のプリフォームは、多数の層、およびそれと同様の多数の個別のバイアス層から構成される三次元の織り部分を備える。三次元織り部分品の中央コラム部分において、層のすべてを織り合わせるか、あるいは一体に織ることにより、織り材料の一体的なブロックを形作っている。この部分に用いる繊維構成は、厚いプリフォームについての今までのパターンのいずれでも良い。それに限定されるわけではないが、層重ね（ply-to-ply）、厚さ方向（through thickness）、角編み（angle interlock）、あるいは直交の構成がある。この構造の端部においては、個々の層を互いに独立に織り、０°および９０°の方向に補強した積層布を形成する。ここで、０°は、その構造の長手方向に沿っている。バイアス層あるいは重ねについては、たとえば±４５°方向のように０°／９０°方向に追加した方向の補強を別に構成するが、０°／９０°の層間に入り、通常の積層を形成する。このバイアス層あるいは重ねは、縦糸および横糸の繊維あるいはヤーンを用いて織ることができるし、不織あるいは編み、または０°あるいは９０°に方向付けした繊維配列でも良い。以下の図面において、縦糸方向は０°の方向に沿う方向、あるいは構造の長さに沿う方向であり、矢印１００で示す。

中央あるいはコラム部分を含むプリフォームを構成するすべての層は、ジャカード織り機および取込みシャットルを用いて、縦糸繊維あるいはヤーンと横糸繊維あるいはヤーンとを織っているが、層を織るために、通常の織り技術を用いることもできる。繊維あるいはヤーンとしては、合成あるいは天然の材料のいずれをも用いることができる。限定されるわけではないが、たとえば、炭素、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、コットン、ガラス、セラミックス、アラミドおよびポリエチレンなどがある。完成した織りプリフォームは、次に、織り／積層コンポジット構造に処理加工される。この処理加工に際しては、マトリックス材料を導入する。マトリックス材料としては、限定するわけではないが、たとえば、エポキシ、ポリエステル、ビニル−エステル、セラミックス、炭素および／または他の材料を用いることができる。他の材料としては、必要とする物理的、熱的、化学的および／または他の特性を示すものである。また、マトリックス材料の導入には、一般的な技術を用いることができ、限定するわけではないが、たとえば、樹脂トランスファー成形あるいは化学気相浸透などを用いる。

この発明の一実施例であるが、図３は、厚い中央部分１６を含む構造１４の一部分であり、その中央部分１６の各サイドに２つの薄いオス形態のラグ端部１８を一体に備えるものを示す。図３から分かるように、厚い中央部分１６は一体構造の三次元織りコラムであり、織り合わせるか、一体に織った多数の織り層から構成される。薄いオス形態のラグ端部１８を形作るため、厚い中央コラム１６からの縦糸繊維の層をプリフォームの外に織り出し、コラム１６から薄いラグ端部１８までが傾斜部２２となっている。

プリフォームの外に必要な数の縦糸繊維を織り出し、コラムを必要なラグ厚さまで傾斜させたら、縦糸繊維のさらなる層は、薄いラグ端部１８でプリフォームから外に織り出し、バイアス布層にギャップあるいは空所を形成する。薄いラグ端部１８の部分の残りの縦糸繊維については、コラムあるいは中央部分１６の中の複数の層５０と一体に織り、構造の長さ方向に連続させ、それにより、互いに独立に織った重ね層２４の個別の層を形成する。この重ね層あるいは布の積み重ねによって、薄いラグ端部１８を０°および９０°の方向に強化する。０°／９０°の重ね層２４は互いに織り合わさっていないので、たとえば±４５°方向のようなさらなる方向を強化するバイアス層２６は、０°／９０°の層２４間のギャップに入り、布の積み重ねを形成する。マトリックス材料が施されるとき、その積み重ねは積層構造を形作り、薄いラグ端部１８を準等方的あるいは多方向的に強化する。さらに、図３が示すように、構造は、連続した表面繊維２８を備えるが、それは厚いコラム１６の最も外部の縦糸繊維によるものである。

以上に述べた実施例では、中央部分１６の各サイドに２つの薄いラグ端部１８を伴うものの構造を示したが、それとは異なり、単に１つの薄いラグ端部を備える構造の実施例にすることもできる。そのような場合、一体構造の三次元織りの中央部分１６と同様な１つの端部と、上述したような薄いラグ端部の１つとを備える構造となる。このように構成される構造は、図３のものと非常に似たものである。

この発明の他の実施例を図４Ａ〜４Ｄに示す。その構造３０は、一体構造の三次元織り中央部分３４よりも厚い２つのラグ端部３２を備える。前の実施例の場合と同様、中央コラム部分３４は、織り合わせるか、一体に織った多数の織り層３５から構成される。しかし、この構成において、厚いラグ端部３２を形作るために、縦糸繊維３６をコラム部分３４から織り出すことは必要がない。その代わり、コラム部分３４を構成するために用いる縦糸繊維３６のすべてを、厚いラグ端部３２を構成するために用いる。しかし、コラム部分３４からの縦糸繊維３６は、厚いラグ端部３２で互いに織り合わせることをしない。それにより、バイアス層３８が厚いラグ端部３２における縦糸繊維４０の間に入り、それらが０°／９０°方向を強化する層となる。したがって、厚いラグ端部３２は、０°／９０°に方向付けした層あるいは布と、たとえば±４５°方向のように０°／９０°以外の方向に方向付けした別の層とから構成される布の重なりである。マトリックス材料が施されるとき、その重なりは、準等方的あるいは多方向的に強化した積層構造になる。さらに、図４Ａ〜４Ｄが示すように、この実施例による構造は、積層した厚いラグ端部３２から一体構造のコラム部分３４が段階的に厚さを変えた移行部となっている。そのような移行部により、ある部分から他の部分への負荷の移動を改善することができる。

図４Ａ〜４Ｄに示すように、バイアス層３８の長さおよび位置は、図によって異なる。図４Ａおよび４Ｂは、対称的な形をしたラグ端部３２を示す。すなわち、ラグ端部３２におけるバイアス層３８の長さおよび位置は、センターラインあるいは縦方向の軸線Ａ−Ａ回りに対称である。図４Ａは対称的な形を示すが、連続するバイアス層３８の長さは、ラグ端部３２の上部半分３９と下部半分４１で、センターラインＡ−Ａからラグ端部３２の最上部面４３および最下部面４５に行くにつれて大きくなっている。図４Ｂも対称的な形を示すが、連続するバイアス層３８の長さは、ラグ端部３２の上部半分３９と下部半分４１の両方で、センターラインＡ−Ａからラグ端部３２の最上部面４３および最下部面４５に行くにつれて小さくなっている。

図４Ｃおよび４Ｄは、非対称の形のラグ端部３２を示す。すなわち、ラグ端部３２における連続するバイアス層３８の長さは、ラグ端部３２の最下部面４５から最上部面４３に行くにつれて単に大きくなるか、小さくなっている。図４Ｃは非対称的な形であるが、ラグ端部３２に連続するバイアス層３８の長さは、ラグ端部３２の最下部面４５から最上部面４３に行くにつれて大きくなっている。また、非対称なラグ端部３２については、図４Ｄに示すように、連続するバイアス層３８の長さが、ラグ端部３２の最下部面４５から最上部面４３に行くにつれて小さくなるように構成することもできる。

以上に述べた実施例では、中央部分３４の各サイドに２つの厚いラグ端部３２を伴うものの構造を示したが、それとは異なり、単に１つの厚いラグ端部３２を備える構造の実施例にすることもできる。そのような場合、一体構造の三次元織りの中央部分３４と同様な１つの端部と、上述したような厚いラグ端部３２の１つとを備える構造となる。このように構成される構造は、図４Ａ〜４Ｄのものと非常に似たものである。

図５Ａには、この発明の他の実施例を示す。図５Ａは構造４４の一部分を示すが、その構造は２つのメス形態のラグあるいはクレビス４８を伴う、一体構造の三次元織り中央コラム部分４６を備える。図５Ａに示すように、メス形態のラグ端部４８は、中央コラム部分４６に対して曲がっている。それにより、メス形態のラグ端部４８は、中央コラム部分４６と一直線あるいは同一直線上になっていない。また、一体構造の三次元織りの中央部分４６を、２つのメス形態のラグあるいはクレビス４８と平行にすることもできる。さらに、前の実施例と同様に、中央コラム部分４６を、織り合わせるか、一体に織った多数の織り層で構成することができる。メス形態のラグあるいはクレビス４８を形作るため、一体構造のコラム部分４６を織るとき、二またに分け、クレビスの両半部分を形作る。クレビスの両半部分において、第１の部分である曲がり部分５６の０°／９０°の層５４は、連続的に一体に織り込む。

クレビスの平行な端部分６２のバイアス布層６０について、０°／９０°の強化層間にギャップを作るために、プリフォームの曲がり部分５６から縦糸繊維を織り出す。ラグ端部４８における残りの縦糸繊維は、中央コラム部分４６および曲がり部分５６の多数の織り層５０と一体に織られるのであるが、そのような縦糸繊維が互いに独立に織られ、クレビス４８の部分を０°および９０°の方向に強化する個別の層を形成する。０°／９０°の層５８は互いに織り合わさっていないので、たとえば±４５°方向のように０°／９０°以外の方向の強化は、０°／９０°の層５８間に入ったバイアス層６０が行う。そして、プリフォームにマトリックス材料が施されるとき、そのバイアス層は、クレビスの部分で布の積み重ねを形成し、準等方的あるいは多方向的に強化する役目を果たす。

図５Ｂは、構造４４の別の実施例であり、その構造は２つのメス形態のラグあるいはクレビス４８を伴う、一体構造の三次元織り中央コラム部分４６を備える。しかし、図５Ａの実施例とは異なり、図５Ｂのプリフォームでは、メス形態のラグあるいはクレビス４８を形作るため、縦糸繊維５５をコラム部分４６から織り出すことはしない。その代わりに、コラム部分４６を構成するために用いる縦糸繊維５５のすべてを使って、ラグ端部４８を構成する。しかし、コラム部分４６からの縦糸繊維５５を、ラグ端部４８の部分で互いに織り込まない。それによって、ラグ端部４８の部分の縦糸繊維５８（０°／９０°方向の強化層）の間にバイアス層６０を入れることができる。したがって、厚いラグ端部４８は、０°／９０°に方向付けした層あるいは布と、たとえば±４５°方向のように０°／９０°以外の方向に方向付けした別の層あるいは布とから構成される布の重なりである。マトリックス材料が施されるとき、その重なりは、準等方的あるいは多方向的に強化した積層構造になる。

以上に述べた実施例では、中央部分４６の各サイドに２つのメス形態のラグ端部あるいはクレビス４８を伴うものの構造を示したが、それとは異なり、単に１つのメス形態のラグ端部４８を備える構造の実施例にすることもできる。そのような場合、一体構造の三次元織りの中央部分４６と同様な１つの端部と、上述したようなメス形態のラグ端部あるいはクレビス４８の１つとを備える構造となる。このように構成される構造は、図５Ａあるいは５Ｂのものと非常に似たものである。

開示した実施例のすべてにおいて、バイアス層をラグ端部の部分に入れた後、プリフォームの摩耗抵抗を改良するため、ガラス材料の層を編んで被せることができる。

また、開示した実施例のすべてにおいて、ラグ端部について、厚さ方向の補強をし、０°／９０°の個別の織り層と±４５°のバイアス層を一緒に固定することもできる。そのような強化あるいは補強は、ラグ端部における個別の織り層とバイアス層とを横切るように貫通する補強繊維で行うことができる。その補強繊維は、ラグ端部の層の面に対し直角（垂直）にすることができるし、垂線に対して１または２以上の角度（たとえば、６０°の角度など）をもつようにすることもできる。垂直な補強によれば、厚さ方向の張力および圧縮の特性を最大にすることができ、また、垂直から外れた補強によれば、厚さ方向の剪断特性を改良することができる。図６Ａおよび６Ｂが、厚さ方向に補強したラグ端部７０を示し、補強繊維７１がラグ端部の層７２を横切っている。図６Ａは、特に、層７２の面に対して垂直になった補強繊維７１を示し、それに対し、図６Ｂは、層７２の面に対する垂線から外れた角度になっている。一般に、補強繊維については、プリフォームのラグ端部の全体に一様に分布させるのが良い。

厚さ方向の補強（強化）を行う技術には、この分野で知られたふさ技術やステッチ縫い技術を含む。ふさ技術／ステッチ縫い技術によって、補強繊維を挿入し、０°／９０°および±４５°の層を一緒に固定することができる。これらの繊維は、炭素繊維のような異なる材料で構成することができる。たとえば、これらの繊維を６ｋ炭素トウ、すなわち、６０００炭素フィラメントのヤーン束で構成することができる。

ふさ技術やステッチ縫い技術を用いるとき、プリフォーム層に対する垂線に平行か／角度をもたせて補強繊維をニードルで挿入する。たとえば、補強繊維を挿入するために用いるニードルとして、セラミックス被覆の中空のニードルであり、セプタム点がノンコアリングでニードルの中心に位置するものを用いる。ある場合には、ニードルのセプタム点を中心からそらすようにすることもできる。また、ニードルに対して電着加工をし、たとえばニードルに電着仕上げのヒールをもたせることができる。

ふさ技術やステッチ縫い技術による処理には、さらに、プリフォームを支え、プリフォーム材料がニードルによって引き出されることを防ぐために他の構成要素を含む。たとえば、外形がプリフォームと同じパッドであり、ラテックス被覆のスチロフォーム（商品名、発泡ポリスチレン）パッドを、ふさ技術／ステッチ縫い技術による処理の間、プリフォームに隣接するように置くことができる。

また、ふさ技術／ステッチ縫い技術で処理する際、挿入スピード、挿入深さ、ニードル間隔、ニードル数、クランプの必要性、および蒸留水による潤滑程度については、すべてプリフォームの厚さに応じて調節する。

当業者には明らかであるが、上述した構造については、今までに示したもののほか、多くの形態を取ることができる。たとえば、その構造は、メスあるいはクレビス形態のラグをもつ厚い一体構造の三次元織りコラムを備えることができる。その構造は、また、一端にオス形態のラグ、他端にメス形態のラグをもつ厚い一体構造の三次元織りコラムを備えることができる。さらに、その構造は、各端にメス形態のラグ、あるいは一端がオス形態のラグで他端がメス形態のラグをもつ薄い一体構造の三次元織りコラムを備えることができる。最後に、すべての形態について、両方のラグを主コラム部分に一直線あるいは同一直線上に配置、または、一方のラグを主コラム部分に同一直線上とし、もう一方のラグを主コラム部分に対して角度をもたせるように配置することができる。上述したことであるが、ラグ端部は、準等方的あるいは多方向的に強化しており、それらラグ端部については、実際上、どのような積層構造をも取ることができる。したがって、この発明の構造である、たとえば支材および支柱については、それが求められる仕様、および必要とされる用途に基づいて、異なる構成を設計し、いろいろなタイプの補強（強化）あるいは支柱として供することができる。

その上、上述した構造は、ラグ端部に１または２以上の開口を備える。たとえば、ラグ端部がメスあるいはクレビス形態の場合、二またの構成要素の一方あるいは両方に開口を設けることができる。また、開口については、ラグ端部を主コラム部分に同一直線上の方向に横切るようにしたり、主コラム部分に直交するようにすることもできるし、あるいは、それらの間に角度をもつようにすることもできる。さらに、これらの開口の形状は、たとえば、円形、楕円形、多角形、正方形、長方形など、いろいろな形にすることができる。図７は、三次元の主コラム部分７６およびラグ端部７７を備える支材あるいは支柱７５を示す。ラグ端部７７はオス形態であり、それを横切る円形の開口７８をもつ。図８は、三次元の主コラム部分８１およびラグ端部８２を備える支材あるいは支柱８０を示す。ラグ端部８２はメスあるいはクレビス形態であり、それを横切る円形の開口８３をもつ。開口は、プリフォームを構成する間に作ることができるし、ドリルなどを用いて後で作ることもできる。

ラグ端部を横切る開口がある実施例において、補強繊維は、一様に分布させることができるし、その代わりに、開口の周りに集中させることもできる。図９は、一例として、三次元の主コラム部分８６およびラグ端部８７を備える支材あるいは支柱８５の１／２を示す。そこには、個別の層およびバイアス層を示している。ラグ端部８７は開口８８を備え、個別の層およびバイアス層を横切る補強繊維８９がラグ端部を強化している。この場合、補強繊維はラグ端部の全体にわたって一様に分布している。図１０は、一例として、三次元の主コラム部分９１およびラグ端部９２を備える支材あるいは支柱９０の１／２を示す。そこには、個別の層およびバイアス層を示している。ラグ端部９２は開口９３を備え、個別の層およびバイアス層を横切る補強繊維９４がラグ端部を強化している。図１０において、補強繊維９４は開口９３の縁に集中している。

この発明の好ましい実施例ならびにその変形例について述べたが、この発明は、それらに限定されるわけではなく、この発明の考え方の範囲内でいろいろな変形をすることができる。したがって、特に、明細書（および特許請求の範囲）に記した発明の考え方から外れない範囲での変形が可能である。そのような変形は、いわゆる当業者にとって明らかであろう。

１４ 構造
１６ 中央部分（コラム部分）
１８ ラグ端部
３０ 構造
３２ ラグ端部
３４ 中央コラム部分
３６ 縦糸繊維
３８ バイアス層
４４ 構造
４６ 中央コラム部分
４８ ラグ端部
５８ 縦糸繊維
６０ バイアス層
７０ ラグ端部
７１ 補強繊維
７２ 層
７５ 支材（支柱）
７６ 主コラム部分
７７ ラグ端部
７８ 開口
８０ 支材（支柱）
８２ ラグ端部
８３ 開口
８５ 支材（支柱）
８６ 主コラム部分
８７ ラグ端部
８８ 開口
８９ 補強繊維
９０ 支材（支柱）
９１ 主コラム部分
９２ ラグ端部
９３ 開口
９４ 補強繊維

Claims (42)

1. コンポジット構造を強化するために用いるものであり、次の各構成および条件を備える織りプリフォーム。
   ａ）織り込んだ複数の層をもつ中央部分。
   ｂ）個別の織り層を複数もつ第１の端部部分。
   ｃ）個別の織り層を複数もつ第２の端部部分。
   ｄ）前記中央部分の複数の層の一部は、前記第１および第２の端部部分にまで伸び、それら第１および第２の端部部分における個別の複数の織り層と一体に織られ、しかも、前記プリフォームの全体の長さに広がり、三次元の織り構造を構成すること。
   ｅ）前記織り層は、前記第１および第２の端部部分において個別に織られることにより、織り布の重なりを形作ること。
   ｆ）前記第１および第２の端部部分における個別の複数の織り層の間に、バイアス層が入っていること。
   ｇ）前記第１および第２の端部部分には、厚さ方向の強化手段があり、その強化手段は、前記個別の織り層およびバイアス層を横切る補強繊維で構成されること。
2. 前記織りプリフォームは、前記織りプリフォームの全長にわたる複数の層と、前記織りプリフォームの全長の一部にわたる複数の層とから構成される、請求項１の織りプリフォーム。
3. 前記全長の一部にわたる層は、縦糸の繊維あるいはヤーンで構成され、それら縦糸の繊維あるいはヤーンは前記織りプリフォームから外に織り出され、前記中央部分から前記第１および第２の端部部分までの傾斜した移行変化部を形成する、請求項２の織りプリフォーム。
4. 前記第１および第２の端部部分における個別の織り層間に、前記バイアス層のためのギャップがあり、それらのギャップは、前記織りプリフォームから外に織り出された縦糸の繊維あるいはヤーンによるものである、請求項２の織りプリフォーム。
5. 前記第１および／または第２の端部部分は、オスあるいはメスの形態のラグである、請求項１の織りフォーム。
6. 前記第１および／または第２の端部部分は、前記中央部分と同一直線上の配置、あるいは角度をもった配置である、請求項１の織りフォーム。
7. 前記中央部分から前記第１および第２の端部部分までの移行変化部は、なめらかな傾斜、あるいは階段状のいずれかに変化する、請求項３の織りプリフォーム。
8. 前記中央部分は、その端の部分が二またになっている、請求項１の織りプリフォーム。
9. 前記二またになった端の部分は、メスあるいはクレビス形態のラグの２つの半部を形作る、請求項８の織りプリフォーム。
10. 前記中央部分は、前記第１および第２の端部部分よりも厚い、請求項１の織りプリフォーム。
11. 前記中央部分は、前記第１および第２の端部部分よりも薄い、請求項１の織りプリフォーム。
12. 前記第１の端部部分、前記第２の端部部分、および／または前記中央部分の前記層は、縦糸と横糸の繊維あるいはヤーンで織られている、請求項１の織りプリフォーム。
13. 前記中央部分は、層重ね（ply-to-ply）、厚さ方向（through thickness）、直交（orthogonal）、および角編み（angle interlock）のグループから選択される繊維組織をもつ、請求項１の織りプリフォーム。
14. 前記縦糸および横糸の繊維あるいはヤーンは、合成あるいは天然の材料であり、炭素、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、コットン、ガラス、セラミックス、アラミドおよびポリエチレンの中のグループから選択される、請求項１２の織りプリフォーム。
15. 前記織りプリフォームにガラス材料の層を編んで被せる、請求項１の織りプリフォーム。
16. 前記補強繊維は、前記層に対し垂直方向に配置される、請求項１の織りプリフォーム。
17. 前記補強繊維は、前記層に対し垂直の方向から外れた角度に配置される、請求項１の織りプリフォーム。
18. 前記補強繊維は炭素トウである、請求項１の織りプリフォーム。
19. 前記補強繊維は、前記プリフォームの端部部分にふさ付け（タフティング）あるいはステッチされる、請求項１の織りプリフォーム。
20. 前記第１および／または第２の端部部分は、その端部部分を横切る開口を備える、請求項１の織りプリフォーム。
21. 前記開口は、円形、楕円形、正方形、長方形、あるいは多角形である、請求項２０の織りプリフォーム。
22. 前記厚さ方向の強化は、前記端部部分の全体に一様に分布している、請求項２０の織りプリフォーム。
23. 前記厚さ方向の強化は、前記開口の縁周りに集中している、請求項２０の織りプリフォーム。
24. 請求項１の織りプリフォームで強化された三次元コンポジット構造。
25. コンポジット構造を強化するために用いるものであり、次の各構成および条件を備える織りプリフォーム。
    ａ）織り込んだ複数の層をもつコラム部分（支柱）。
    ｂ）個別の織り層を複数もつラグ端部部分であり、それら個別の複数の織り層は、前記コラム部分の織り込んだ複数の層に一体に織られ、しかも、前記プリフォームの全体の長さに広がる。
    ｃ）前記ラグ端部部分における個別の複数の織り層の間に、バイアス層が入っていること。
    ｄ）前記ラグ端部部分には、厚さ方向の強化手段があり、その強化手段は、前記個別の織り層およびバイアス層を横切る補強繊維で構成されること。
26. コンポジット構造を強化するために用いる織りプリフォームを製造する方法であり、次の各工程を備える、織りプリフォームの製造方法。
    ａ）複数の層をまとめて織り、一体構造の中央部分を形成する工程。
    ｂ）個別の複数の層を織り、第１の端部部分を形成する工程であり、前記個別の複数の層を前記中央部分における前記複数の層と一体に織ること。
    ｃ）個別の複数の層を織り、第２の端部部分を形成する工程であり、前記個別の複数の層を前記中央部分における前記複数の層と一体に織ること。
    ｄ）前記第１および第２の端部部分における個別の複数の織り層の間に、バイアス層を入れる工程。
    ｅ）前記第１および第２の端部部分に補強繊維を用いることにより、前記個別の層および前記バイアス層にふさ付け（タフティング）あるいはステッチを行う工程。
27. 縦糸の繊維あるいはヤーンを前記織りプリフォームから外に織り出し、前記中央部分から前記第１および第２の端部部分までの傾斜した移行変化部を形成する工程をさらに備える、請求項２６の製造方法。
28. 前記縦糸の繊維あるいはヤーンを前記織りプリフォームから織り出し、前記第１および第２の端部部分における個別の織り層を形成し、それによって、前記個別の織り層間に前記バイアス層のためのギャップを形成する工程をさらに備える、請求項２６の製造方法。
29. 前記第１の端部部分は、オスあるいはメスの形態のラグである、請求項２６の製造方法。
30. 前記第２の端部部分は、オスあるいはメスの形態のラグである、請求項２６の製造方法。
31. 前記第１の端部部分は、前記中央部分と同一直線上の配置、あるいは角度をもった配置である、請求項２６の製造方法。
32. 前記第２の端部部分は、前記中央部分と同一直線上の配置、あるいは角度をもった配置である、請求項２６の製造方法。
33. 前記中央部分から前記第１および第２の端部部分までの移行変化部は、なめらかな傾斜、あるいは階段状のいずれかに変化する、請求項２７の製造方法。
34. 前記中央部分は、その端の部分が二またになるように織られる、請求項２６の製造方法。
35. 前記二またになった端の部分は、メスあるいはクレビス形態のラグの２つの半部を形作る、請求項３４の製造方法。
36. 前記中央部分は、前記第１および第２の端部部分よりも厚い、請求項２６の製造方法。
37. 前記中央部分は、前記第１および第２の端部部分よりも薄い、請求項２６の製造方法。
38. 前記中央部分、前記第１の端部部分、および前記第２の端部部分は、縦糸と横糸の繊維あるいはヤーンで織られている、請求項２６の製造方法。
39. 前記中央部分は、層重ね（ply-to-ply）、厚さ方向（through thickness）、直交（orthogonal）、および角編み（angle interlock）のグループから選択される繊維組織をもつように織られる、請求項２６の製造方法。
40. 前記縦糸および横糸の繊維あるいはヤーンは、合成あるいは天然の材料であり、炭素、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、コットン、ガラス、セラミックス、アラミドおよびポリエチレンの中のグループから選択される、請求項２６の製造方法。
41. 前記織りプリフォームにガラス材料の層を編んで被せる、請求項２６の製造方法。
42. 前記第１および／または第２の端部部分を横切る１または２以上の開口を形成する工程をさらに備える、請求項２６の製造方法。
    
    

Images