JP6725301B2 - ナノ粒子が埋め込まれた超分子接着剤を用いた再構成可能な動的構造補強システム - Google Patents

Description

本開示は、概して振動の分野に関し、より具体的には、機械的振動を扱うシステムに関する。特に、本開示は、臨界振動周波数を避けるために振動環境に基づいて材料の剛性を変化させることができる材料を用いる、方法、装置及びシステムに関する。また特に、本開示は、臨界周波数を避けるために所望の複数の剛性モードに構造体を適合させることに関する。

車両などの多くの構造体は、動作中に振動する。さらに、各構造体は、その形状又は構成に依存する固有又は共振周波数を有する。各種のタイプの構造体は、固有又は共振周波数を避けるように、動作振動が構造体の固有周波数に一致しないように設計されることが多い。これは、共振周波数が機械的エネルギーを構造体の特定の箇所又は部分に集中させ、その箇所にて構造体の材料強度を超えて、ダメージ又は故障を潜在的に生じさせる場合があるから、構造体へのダメージを防ぐために成される。部品を製作するために用いられる例示的な材料は、非限定的に鉄塔、変速機マウント、着陸装置などを製作するために用いられる材料を含む。

振動力は、エンジン、電気モーターなどの動きによって、及び音波によってさえ生じ得る。大部分の場においては、振動が時折望ましい結果をもたらし得るが、大部分の振動力を無効化するか又は実質的に排除すること、或いは、材料の荷重経路を向け直して、材料及び／又は構造体の構造的健全性を保つことが望ましい。

この問題による影響を受ける車両の一部類は、回転翼航空機（例えばヘリコプタなどの回転翼機）などの航空機である。回転翼機は、高振動環境に頻繁に晒される。振動レベルは、１つ若しくは複数のロータ速度、環境要因及びペイロードなどの要因に基づいて変わる。回転翼機の分野において、付加的な振動力がロータの回転動作により回転翼機に引き起こされ得る。抑制されなければ、回転翼機の振動、又は他の大型の移動若しくは静止構造体は、航空機を構成する材料及び構成要素の構造的疲労を速める場合がある。例えば、非限定的に着陸、離陸、衝撃、ロータの回転中心のシフトなどを含む、航空機運航サイクル中に起きる各種の要因により回転翼機機体の固有周波数を励起させる場合がある。機体材料の固有周波数がロータの回転率に近い場合には、振動を増幅させる場合があり、振動は、非限定的に鉄塔、変速機マウント、着陸装置などを含む、部品を製作するために用いられる材料の強度を超えるレベルまで増加する。

振動レベルは、しばしば、所与の回転翼航空機のサイズ及び質量を決定若しくは限定するか、又は動作中のロータ速度を限定する。これらの問題を扱うために、既存の回転翼機機体は、望ましくない振動周波数（例えば共振周波数）を避けるために、構造体に重量を付加することにより頻繁に硬化される。回転翼機の場合、付加重量は顕著（例えば数百ポンド以上）となる場合がある。改良された荷重支持材料は、この問題を扱うのに役立つ場合があるが、概ね、それら自体では振動適合重量の低減を可能にすることはない。さらに、より多くのペイロードを可能にするため及び／又はより高い燃料効率を実現するためには、航空機をより軽量にすることがより望ましいと概ね考えられるので、寄生質量を付加することは、航空機の速度及びペイロード性能を制限する場合がある。

質量の選択的付加に加えて、固有又は共振周波数を避けるための別の方策は、特定の振動周波数のみが可能となるように、特定の動作範囲内においてのみ車両を動作させることである。しかし、この方策は、車両の実用性を限定する。

本出願は、上記問題のうちの１つ又は複数に関する。回転翼機の超過荷重に目立つほどに付加しないか、又は回転翼機の設計を振動力の配慮から独立させることを可能にするであろう、回転翼機に関する構造体の臨界周波数を避けるための装置、システム及び方法は有利であろう。

一態様によると、本開示は、振動力に応じて構造体の剛性を変化させるための方法であって、構造体内の多層システムを活性化させるステップを含む方法に関する。多層システムは、１）ナノ粒子が埋め込まれた接着剤を含む第１の層であって、接着剤が第１の弾性率値を有し、ナノ粒子が第１の配向に配向されている、第１の層と、２）第１の層に近接する第２の層であって、光活性化システムを備える第２の層と、３）エネルギー供給源と連通しているエネルギー入力部であって、第１の接着層と連通もしているエネルギー入力部と、を少なくとも備える。光活性化システムは、第２の層内に光を作り出すように第２の層において活性化される。第２の層により作り出された光は、第１の層に向けられる。接着剤の第１の弾性率値は、第２の弾性率値に変更される。エネルギーは、エネルギー入力部を介してエネルギー供給源から第１の層に送られ、第１の層内のナノ粒子の配向は、第２の配向に配向されるように予測可能に変化する。更なる態様において、方法は、振動力に応答して実施される。

更なる態様において、多層システムは、構造体と接触状態にある。

別の態様において、接着剤は超分子接着化合物を含む。

別の態様において、接着剤はメタロ超分子接着化合物を含む。

更に別の態様において、超分子接着化合物は、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化したテレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含む。

また別の態様において、ナノ粒子は、金属含有ナノ粒子、金属酸化物含有ナノ粒子、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、及びそれらの組合せを含む。

更に別の態様において、エネルギー供給源は電気エネルギー供給源である。

更なる態様において、エネルギー供給源は磁気エネルギー供給源及び／又は電磁気エネルギー供給源である。

また更なる態様において、第２の層は光ファイバ構成要素を備える。

別の態様において、光ファイバ構成要素は基材に織り込まれる。

更に別の態様において、基材は、炭素繊維、ガラス繊維、及びそれらの組合せを含む。

また更なる態様において、第２の層はＬＥＤアレイを備える。

別の態様において、エネルギー入力部は、第１の層に提供されるエネルギーの量を制御する。

更なる態様において、ナノ粒子は、エネルギー入力部により第１の層に提供されるエネルギーの量に基づいて所定の配向に再配向される。更なる態様において、ナノ粒子は、第２の配向に再配向されることが理解される。

別の態様において、第１の層に提供されるエネルギーは、配向を変化させるか、又は要求に応じてナノ粒子の少なくとも一部を再配向させる。

更なる態様において、好ましくは第２の層を活性化させて光を作り出すステップの前に、構造体と連通しており、信号を発生させることができる振動センサにより構造体内の振動を検知することによって、構造体内の振動が監視される。信号は、センサと連通している検出器にセンサから送信され、センサにより送信された信号は、第２の層と連通している検出器により受信される。

更なる態様において、構造体は静止構造体である。

別の態様において、構造体は車両である。

更に別の態様において、車両は、有人航空機、有人宇宙船、有人回転翼機、無人航空機、無人宇宙船、無人回転翼機、有人地上車両、無人地上車両、水面及び／又は水面下の有人水上車両、水面及び／又は水面下の無人水上車両、並びにそれらの組合せを含む群から選択される。

更なる態様において、第１の層は複数の領域を備え、ナノ粒子の配向は、第１の層の少なくとも第１の領域において選択的に変化する。更なる態様において、ナノ粒子の配向は、センサにより検知された信号に応答して選択的に変化する。

更に別の態様において、本開示は、ナノ粒子が埋め込まれた接着剤を含む第１の層であって、接着剤が第１の弾性率値を有し、ナノ粒子が第１の配向にある、第１の層と、第１の層に近接する第２の層であって、光活性化システムを備える第２の層と、エネルギー供給源と連通しているエネルギー入力部であって、第１の層と連通しているエネルギー入力部と、を備える多層構造体に関する。更なる態様において、第１の弾性率値は要求に応じて変更される。

更なる態様において、接着剤は超分子接着剤を含む。

別の態様において、接着剤はメタロ超分子接着化合物を含む。

別の態様において、超分子接着剤は、テレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含む化合物を含むが、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化している。

更に別の態様において、ナノ粒子は、金属含有ナノ粒子、金属酸化物含有ナノ粒子、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、及びそれらの組合せを含む。

更なる態様において、エネルギー供給源は、電気エネルギー供給源、磁気エネルギー供給源、電磁気エネルギー供給源及びそれらの組合せを含む群から選択される。

また別の態様において、第２の層は光ファイバ構成要素を含む。

更なる態様において、光ファイバ構成要素は基材に織り込まれる。

更に別の態様において、基材は、炭素繊維、ガラス繊維、及びそれらの組合せを含む。

更に別の態様において、エネルギー入力部は、第１の接着層に提供されるエネルギーの量を制御する。

別の態様において、第１の層に提供されるエネルギーの量は、第１の層内のナノ粒子を予測可能に再配向させる。

別の態様において、第１の接着層に提供されるエネルギーは、ナノ粒子の配向を要求に応じて変化させる。

更なる態様において、多層構造体は、構造体内の振動を検知するためのセンサであって、構造体と連通しており、信号を発生させることもできるセンサを更に備える。プロセッサはセンサと連通している。別の態様によると、多層構造体は、センサ及びプロセッサと連通しており、センサからの信号を受信できる、検出器を備える。

更なる態様において、多層構造体は静止構造体に組み込まれる。

更なる態様において、多層構造体は車両に組み込まれる。

更に別の態様において、車両は、有人航空機、有人宇宙船、有人回転翼機、無人航空機、無人宇宙船、無人回転翼機、有人地上車両、無人地上車両、水面及び／又は水面下の有人水上車両、水面及び／又は水面下の無人水上車両、並びにそれらの組合せを含む群から選択される。

更なる態様において、第１の層は複数の領域を備え、ナノ粒子の配向は、第１の層の少なくとも第１の領域において選択的に変化する。更なる態様において、ナノ粒子の配向は、センサにより検知された信号に応じて選択的に変化する。

本開示の態様は、構造体の剛性を変化させて構造体の臨界周波数を避けるための多層システムであって、ナノ粒子が埋め込まれた接着剤を含む第１の層であって、接着剤が第１の弾性率値を有し、ナノ粒子が第１の配向に配向されている、第１の層と、第１の層に近接する第２の層であって、光活性化システムを備える第２の層と、エネルギー供給源と連通しているエネルギー入力部であって、第１の層と連通しているエネルギー入力部と、を備える多層システムに更に向けられる。

更なる態様において、多層システムは、構造体と接触状態にある。

別の態様において、接着剤は超分子接着化合物を含む。

別の態様において、接着剤はメタロ超分子接着化合物を含む。

別の態様において、接着剤は、テレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含むが、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化した、超分子接着化合物を含む。

また別の態様において、ナノ粒子は、金属含有ナノ粒子、金属酸化物含有ナノ粒子、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）、及びそれらの組合せを含む。

更に別の態様において、エネルギー供給源は電気エネルギー供給源である。

更なる態様において、エネルギー供給源は磁気エネルギー供給源及び／又は電磁気エネルギー供給源である。

また更なる態様において、第２の層は光ファイバ構成要素を備える。

別の態様において、光ファイバ構成要素は基材に織り込まれる。

更に別の態様において、基材は、炭素繊維、ガラス繊維、及びそれらの組合せを含む。

また更なる態様において、第２の層はＬＥＤアレイを備える。

別の態様において、エネルギー入力部は、第１の層に提供されるエネルギーの量を制御する。

更なる態様において、第１の層に提供されるエネルギーの量は、第１の層内のナノ粒子を予測可能に再配向させる。更なる態様において、第１の層に提供されるエネルギーの量は、第１の層内のナノ粒子を所定の第２の配向に予測可能に再配向させる。

別の態様において、ナノ粒子の配向は、要求に応じて変化する。

更なる態様において、システムは、システムを組み込む構造体内の振動を監視するための少なくとも１つのセンサを更に備える。センサは、構造体と連通しており、信号を発生させることができるセンサにより、構造体内の振動を検知する。信号は、センサと連通しているプロセッサにセンサから送信される。

更なる態様において、システムは静止構造体に組み込まれる。

別の態様において、システムは車両に組み込まれる。

更に別の態様において、車両は、有人航空機、有人宇宙船、有人回転翼機、無人航空機、無人宇宙船、無人回転翼機、有人地上車両、無人地上車両、水面及び／又は水面下の有人水上車両、水面及び／又は水面下の無人水上車両、並びにそれらの組合せを含む群から選択される。

更なる態様において、システムの第１の層は複数の領域を備え、ナノ粒子の配向は、センサにより検知された信号に応答して第１の層の少なくとも第１の領域において選択的に変化する。

別の態様において、本開示は、ナノ粒子が埋め込まれた接着剤を含む第１の層であって、接着剤が第１の弾性率値を有し、ナノ粒子が第１の配向に配向されている、第１の層と、第１の層に近接する第２の層であって、光活性化システムを備える第２の層と、を備える多層システムを備える装置に向けられる。

このように本開示の変形を一般論として記述してきたが、次に、必ずしも縮尺に従って描かれていない添付の図面が参照される。

多層化システムを示す、本開示の一態様の分解図である。 埋込ナノ粒子を示す、図１Ａによる接着層の拡大図である。 光活性化システムを示す、図１Ａによる層の拡大図である。 本開示のある態様による、構造層に接着された多層化システムの側面図である。 接着層に向けられた光により活性化された第２の層内の光供給源を示す、図２のシステムの側面図である。 弾性率を変化させる接着層を示す、図３のシステムの側面図である。 接着層に加えられた電場を示す、図４のシステムの側面図である。 配向を再編成位置に変化させる接着層内のナノ粒子を示す、図５のシステムの側面図である。 不活性化された光供給源を示す、図６のシステムの側面図である。 本開示の態様による方法のフローチャートである。 本開示の態様による方法のフローチャートである。 本開示の態様を備える航空機の図面である。 航空機の一部を示す露出図である。

本開示は、要求に応じて構造体を各種の所定及び所望の剛性モードに変更又は「適合」させることにより、要求に応じて構造体の剛性を予測可能に変化させるための方法、システム及び装置に向けられる。用語「要求に応じて」は、構造体の剛性を予測可能に変更させるのに必要な応答時間を指す。本開示の一態様によると、構造体の剛性は、振動発生の検出に応答して実質的に同時に変更され得る。更なる態様によると、構造体又は構造体の領域の剛性を任意の振動発生に先んじて実質的に同時に変更させることができる。一態様において、開示される多層補強システムは、構造体に近接して配置されるか、又は構造体に接着されるか、又は構造体に連結される。多層システムは、第１の層内に、例えば、ナノ粒子が埋め込まれた超分子接着剤などの可逆性接着剤を含む。埋込ナノ粒子は、事前選択された第１の配向若しくは所定の第１の配向を有するか、又は接着剤内においてランダム配向を有する。一態様によると、第２の層は、接着層に近接して配置されるか、又は接着層に接着される。第２の層は光活性化システムを備える。一態様において、第２の層内の光活性化システムは、例えば炭素繊維基材構成要素などの基材内の光ファイバ及び繊維構成要素を備える。

剛性は、例えば構造体などの物体の剛性であると理解される。したがって、用語「剛性」は、例えば振動力又は「振動」などの加えられた力に応答して物体が変形に抵抗する程度を指す。

一態様において、接着剤は、光に対するその感度による「可逆性の」又は「転換可能な」接着特性を有し、要求に応じて「軟化」できるか又は予測可能かつ適合可能な弾性率の変化を持続できる、超分子接着剤である。超分子架橋成分を含むこのような超分子接着剤が知られている。架橋成分は、比較的短い高分子鎖が互いに結合して長い高分子鎖を形成することを可能にする。しかし、これらの高分子鎖の結合は可逆性である。このような接着剤は、Ａｄｏｌｐｈｅ Ｍｅｒｋｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（フリブール、スイス）のＨｅｉｚｍａｎｎ等により記述されている。ＡＣＳ Ａｐｐｌ．Ｍａｔｅｒ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ２０１４、６、４７１３−４７１９を参照のこと。本開示の態様によると、着目した超分子接着剤は、例えば、可視光エネルギー刺激、赤外線エネルギー刺激又は紫外線エネルギー刺激などへの露出などの適当な刺激への露出に際して、高分子の一時的分解を可能にする。

本開示の態様による超分子接着剤の粘性及び弾性率の変化は、構造体への接着剤の接着に著しく影響を及ぼす変化よりも小さいことが望ましいであろうが、十分な電気、磁気エネルギー、及び／又は電磁気エネルギーが接着層内の接着剤にもたらされるときに、埋込ナノ粒子がそれら自体が再配向するとともに予測可能に再編成可能であるように、接着剤の弾性率及び／又は粘性の所定の変化をもたらすであろう。用語「予測可能に再編成する」は、所望かつ所定の配向を実現することを指す。このような再編成は、埋込ナノ粒子の編成を第１の編成から第２の所望かつ所定の編成に変化させることを意図する。

ハインツマン等により記述されるように、適した超分子接着剤は、例えば、刺激として加えられる熱により、末端で水素結合ウレイドピリミジノン（ＵＰｙ）基により機能化されたテレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含む。本開示の態様は、例えば紫外線（ＵＶ）光などの光への接着剤の露出により化合物の高分子構造の欠陥を繋ぐことができる、メタロ超分子化合物を含む超分子接着剤の使用を意図する。ハインツマン等により開示されるように、このような接着剤は、テレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）をベースにしてもよいが、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化される。この高分子の構成単位は、ほぼ理論量のＺｎ^２＋塩及びＬａ^３＋塩を伴う高分子構造に形成されるものとして開示される。金属配位子モチーフは、入射紫外線光を吸収して熱に変換し、金属配位子モチーフの一時的解離を生じさせ、材料を低粘性液体に転換させる。光エネルギーが途絶えると、メタロ高分子は再形成し、それらの元の接着特性及び他の特性が復元される。

本開示の態様によると、超分子接着剤は、ハインツマン等により開示されるものに限定されず、振動力の存在に先んじて又は振動力の存在に応答して、要求に応じて構造体の剛性を予測可能に変化させるための適合可能な接着層のための媒体としての使用が意図される。したがって、意図される超分子接着剤は、非限定的に、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化しているテレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含む接着剤と、それらの誘導体及び前駆体とを含む。別の態様において、接着剤は超分子接着化合物を含む。

他の態様によると、超分子接着剤は、埋込ナノ粒子を用いて製造される。意図されるナノ粒子は、所定の配向又はランダム配向で、硬化した超分子接着材料に組み込まれる。しかし、本開示の態様によると、超分子接着層が光エネルギーに露出されるとき、接着剤の弾性率及び粘性は、予測可能に変化して、埋込ナノ粒子が、適当なエネルギー供給源から接着層に供給される電気、磁気、及び／又は電磁気エネルギーによる影響を受けることを可能にする。更なる態様によると、軟化状態にある接着層に提供される電気、磁気、及び／又は電磁気エネルギーの量、方向性、極性及び局所性は、ナノ粒子を所望の配向及び／又は再編成に予測可能に再配向及び／又は再編成させるように設計される。ナノ粒子が予測可能に再配向及び／又は再編成されると、接着層は、所望の弾性率／粘性に再設定することが可能となる。

光エネルギーは、（約８００ｍＷ／ｃｍ^２〜約１０００ｍＷ／ｃｍ^２に及ぶ強度を伴う）約２５０ｎｍ〜約４５０ｎｍに及ぶ波長を伴って、第２の繊維層内の織物基材に織り込まれた光ファイバ又はＬＥＤ光アレイから第１の接着層内の超分子接着剤に向けられる、可視、赤外線及び／又は紫外線スペクトル等であってもよい。別の態様において、光エネルギーは、（約９００ｍＷ／ｃｍ^２の強度を伴う）約３２０ｎｍ〜約３９０ｎｍに及ぶ波長を伴って、第２の繊維層内の織物基材に織り込まれた光ファイバ又はＬＥＤ光アレイから第１の接着層内の超分子接着剤に向けられる、可視、赤外線及び／又は紫外線スペクトル等であってもよい。第２の繊維層は、炭素繊維、ガラス繊維又はそれらの組合せを更に含んでもよく、一態様によると、炭素及び／又はガラス繊維は、光ファイバ構成要素（例えば光ファイバ配線）が織り込まれて第２の繊維層の繊維基材を形成する。

しかし、必要とされるこのような光波長及び強度は、ナノ粒子の再配向及び／又は再編成の所望の程度に応じて、並びに選択された超分子接着剤に応じて変わることが理解される。更なる態様によると、本開示は、例えば、例えば非限定的に炭素繊維、ガラス繊維及びそれらの組合せなどの役立つ繊維と共に第２の繊維層内の基材に織り込まれた光ファイバ配線などの、光ファイバ構成要素を介して光供給源からの光を送ることを意図する。一態様によると、炭素繊維の厚さは、約０．００４インチ〜約０．０２５インチに及ぶことができる。更なる態様によると、意図される光ファイバ配線の厚さは、典型的に、約３．９３×１０^−５インチからであるが、所望の厚さであってもよい。意図されるＬＥＤアレイは、繊維基材に近接するプレート又は繊維基材に織り込まれた細片とすることができる。意図されるＬＥＤアレイは、約０．０１５インチ〜約０．３８インチに及ぶ厚さを有する。

当業者により理解されるであろうように、軟化した超分子接着剤に埋め込まれたナノ粒子を予測可能に再配向及び／又は再編成させるために、所望の程度のナノ粒子の再編成を発生させるのに適した量の電気エネルギーが、必要とされ、少なくとも１つのエネルギー供給源から供給されて、第１の接着層と連通している少なくとも１つのエネルギー入力部を通して送られることが意図される。このような電気エネルギーの量及び入力は、ナノ粒子の再配向及び／又は再編成の所望の程度に応じて並びに選択された超分子接着剤に応じて変わることが更に理解される。電気エネルギー供給源は、要求に応じて、接着層と連通している少なくとも１つの電気入力部を介して第１の接着層に電気エネルギーを送ることが理解される。当業者により容易に理解されるであろうように、コンデンサ及び他の電気構成要素を接着層内及び／又は接着層の全体に組み込むことができることが更に理解される。

加えて、電気、磁気及び／又は電磁気エネルギーは、例えば、接着層の１つ又は複数の縁部に沿う、１つ又は複数の任意の所望の箇所において第１の接着層に提供されてもよく、或いは、電気入力及び他の接続は、所望に応じて接着層の全体で生じてもよい。複数の電気接続部が接着層に設けられるとき、第１の配向から任意の所望の再配向へのナノ粒子の所望の再配向及び／又は再編成を実現するための進行と協働して又はプログラムされた進行において、接着層へのエネルギーの解放を調整するために並びにエネルギーを接着層に向けるために、各種のコントローラー及びコンピュータプログラム及びプロセッサがともに用いられ得ることが理解される。このような設計は、多層システム及び多層化システムを統合する構造体の幾何形状のみにより制限される。電気、磁気及び／又は電磁気入力のパターン及び強度は、ナノ粒子の再配向及び再編成の方向、率、及び程度を制御することにより多層システムを決定するために寄与する。複数の接着剤及び繊維層を各種の電気エネルギー入力と組み合わせること、並びに１つ又は複数の接着層への電気信号の送出の制御をプログラムすることは、１回分の振動に対する要求に応じた応答を発生させるために、多層システムの剛性を、したがって、多層化システムが取り付けられ又は近接して位置する構造体の剛性を予測可能に変化させる。補強される構造体が航空機又は回転翼機の構成要素であるとき、振動応答は、要求に応じて飛行中に起きるように設計されることが理解される。

超分子接着剤を予測可能に軟化させるために提供される光エネルギーと、軟化した超分子接着剤内に埋め込まれたナノ粒子の配向及び／又は編成を予測可能に変化させるために接着層に提供されるエネルギーとの組合せは、構造体内の振動力の存在に先んじて又は応答して構造体の剛性を予測可能に変化させる材料の変化をもたらすために、超分子接着剤の特性を要求に応じて変更させる。本開示の方法、システム、構造体及び装置の態様は、このような構造体により動作中に経験される荷重経路を構造体が変更することを助長することが理解される。可能なナノ粒子の配向及び再配向のみにより限定されて、複数の潜在的には無限に変更される剛性モードが実現可能であることが意図される。

意図されるナノ粒子は、非限定的に、金属、金属酸化物、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）などを含むナノ粒子を含んでおり、必要な特性を有し、予測可能に再配向及び／又は再編成できる、任意のナノ粒子が用いられ得ることが理解される。ナノ粒子は、非対称に帯電されたり、負又は正に帯電されたりするなどしててよく、約１〜約１０００ｎｍに及ぶサイズを有し得る。特に有用なＣＮＴ及びＢＮＮＴは、広範に及ぶ長さ及びアスペクト比を伴う約４ｎｍの意図される直径を有しており、必要な特性を有し、予測可能に再配向及び／又は再編成できる任意のＣＮＴ及び／又はＢＮＮＴナノ粒子が用いられ得ることが理解される。埋込ナノ粒子を伴う軟化した接着層に提供されるエネルギーは、要求に応じて及び所望により１°〜３５９°の所定の程度のシフトにより、互いに共通する動きで三次元における再配向及び／又は再編成をナノ粒子に予測可能に生じさせることが更に理解される。

態様によると、可変及びプログラム可能な要求に応じた光入力は、接着層内の接着剤の弾性率を予測可能に変更させる。加えて、接着剤が所望の程度まで軟化する（接着剤の弾性率及び粘性が変更する）と、電気、磁気及び／又は電磁気供給源から提供される可変及びプログラム可能な要求に応じた電気、磁気及び／又は電磁気の帯電は、接着層に埋め込まれたナノ粒子の配向及び／又は編成を予測可能に変更させる。

本開示の多層システムは、本明細書に記述されるように、振動効果を要求に応じて緩和するための最適な三次元（３Ｄ）補強システムを実現するように、所望により１つよりも多い接着層及び１つよりも多い繊維層を含み得る。本明細書に提示される多層システムは、必要なときに構造体全体の何処かの振動レベルに局所的又は全体的に応答するために特有の構造体又は車両の実質的に全体的に組み込まれてもよく、或いは、例えば、典型的に重要な振動力を持続させることが知られている領域など、戦略的に置かれた領域のみに位置してもよいことが更に理解される。本明細書に開示されるナノ粒子埋込接着剤は、多層システムが、要求に応じて１つ若しくは複数の部品、１つ若しくは複数の領域、及び／又は機体全体の剛性を条件に応じて予測可能に変化させることを可能にする。本開示の態様によると、非限定的に構造部品及び機体を含む、部品の剛性は、要求に応じて接着剤の弾性率を予測可能に変更させることにより、要求に応じて予測可能に変化し、それにより多層システムのみならず、多層システムを組み込む構造体全体の剛性も選択的に増加又は減少させる。

本開示の態様によると、地上、海域（水面及び／又は水面下の水上）及び航空機／宇宙船／回転翼機の車両（有人又は無人であり得るそれらの全て又はいずれか）の使用に関して、本明細書に記述される多層システムは、このような車両（例えば質量、寸法、配置など）の全体設計が、車両の動作中に遭遇する持続的、周期的、並びに予測及び想定される振動力を緩和するために考慮される通常の配慮から独立して実現されることを可能にする。このような設計の独立性は、このような車両における「寄生」質量分散を排除し、燃料消費を減少させながら航続距離、速度及びペイロードなどの動作の増加を更に生じさせる。さらに、本実施形態の態様は、このような車両に加えて、例えば、発電機、風力タービンなどの静止構造体の構築に使用するための候補材料としての、次世代材料及び既存材料の使用を促すことができる。

図１Ａに示されるように、多層構造体１０は、埋込粒子を含む超分子接着層１２を備える。繊維層１４は、織込光ファイバを支持する織込繊維を含む。構造体１１は、接着層１２が接着されるか又は他の方法で隣接する構造体を表す。図１Ｂは、埋込ナノ粒子１３をより明瞭に示す超分子接着層１２の拡大図である。図１Ｃは、光ファイバ１７が織り込まれた繊維１６を含む繊維層１４をより明瞭に示す拡大図である。示されていないが、接着層１２は、繊維層１４と基部（不図示）の間に挟まれ得ることが理解される。この態様において、基部の第１の側は、接着層１２と接触するであろう。そして、基部の第２の側は、構造体１１と接触状態になるであろう。このように、接着層１２及び繊維層１４を備える、本開示の多層化システムを構造体１１に適用することができ、又は所望であれば、多層化システムは、接着層１２と接触している基部を備えてもよい。

図２は、構造層２０に接着されるか又は隣接する多層構造体を示す側面図である。示されるように、多層構造体は、ナノ粒子が埋め込まれ、構造層２０と繊維層２４の間に挟まれた、超分子接着層２２を備える。繊維層２４は、光ファイバ又はＬＥＤプレート２６が織り込まれた炭素繊維層２５を備える。エネルギー入力部２８は、超分子接着層２２と連通して示される。図示されていないが、繊維層２４内の光ファイバ２６は、光エネルギー供給源と連通していることが理解される。図２において、光が光ファイバを通じて伝達されていないことが理解される。したがって、繊維層２４は、「オフ」状態又は非動作モードにある。

図３は、図２に示される多層構造体の側面図であり、繊維層２４内の光ファイバ２６は、光エネルギー供給源（不図示）からの光を伝達している。したがって、図３において、繊維層２４は「オン」状態又は動作モードにあり、光エネルギーは、繊維層２４から超分子接着層２２に伝達される。

図４は、図２〜図３に示される多層構造体の側面図であり、繊維層２４内の光ファイバ２６は、光エネルギー供給源（不図示）からの光を伝達しており、繊維層２４は「オン」状態にあり、光エネルギーは、繊維層２４から超分子接着層２２に伝達されている。図４は、繊維層２４内の光ファイバ２６からの光エネルギーを吸収し、「軟化」するときにその弾性率及び粘性を変化させることにより反応する、超分子接着層２２を示す。

図５において、電気又は磁気エネルギーは、電気及び／又は磁気エネルギー供給源（不図示）により活性化され、エネルギーをエネルギー入力部２８を介して超分子接着層２２に向ける。一態様によると、電場及び／又は磁場は、所望の方向に活性化され、超分子接着層２２内に位置する埋込ナノ粒子の配向に予測可能に影響を及ぼす。図６において、超分子接着層内の埋込ナノ粒子は、（ナノ粒子の所定の動き、再編成及び再配向を指す矢印により示されるように）予測可能に再編成及び／又は再配向される。図７において、光供給源は、「オフ」状態にされ（「黒い」「層」２６により指す）、繊維層２４内の光ファイバ２６は、光エネルギーを超分子接着層２２に向けることを中断する。光エネルギーが存在しなくなると、超分子接着剤は、次いで「再硬化」するが、再編成及び／又は再配向された埋込ナノ粒子は、超分子接着層の振動特性を予測可能かつ望ましいように変化させており、超分子接着層が取り付けられるか又は接着されるか又は隣接する構造層２０の振動特性を変化させている。

本開示の一態様によると、材料の剛性、及び材料を含む部品及び／又は構造体の剛性を変化させる方法８０が、図８として表されるフローチャートに示される。ステップ８１において、第１の弾性率値を有し、第１の配向に配向されたナノ粒子が埋め込まれた超分子接着剤を含む第１の層と、第１の層に近接して配置された第２の繊維層とを備える、多層システムが作られる。第２の繊維層は光活性化システムを備える。ステップ８２において、多層システムは、振動に晒される構造体に統合される。ステップ８３において、第２の層は、活性化されて光エネルギーを作り出す。ステップ８４において、第２の繊維層により作り出された光エネルギーは、第１の接着層に向けられる。ステップ８５において、第２の繊維層からの光エネルギーを受けると、第１の接着層内の超分子接着剤は、第１の弾性率値から第２の弾性率値への弾性率の変更を受ける。ステップ８６は、電気及び／又は磁気エネルギーをエネルギー供給源から第１の接着層内の超分子接着剤へ送ることを含む。ステップ８７は、超分子接着剤内のナノ粒子の配向及び／又は編成を第２の配向へ予測可能に変化させることを含む。ステップ８６の電気及び／又は磁気エネルギー供給源は、電磁気エネルギー供給源でもよいことが理解される。

本開示の更なる態様によると、材料の剛性、及び材料を含む部品及び／又は構造体の剛性を変化させる方法９０が図９として表されるフローチャートに示される。ステップ８１において、第１の弾性率値を有し、ナノ粒子が埋め込まれた超分子接着剤を含む第１の層と、第１の層に近接して配置された第２の繊維層とを備える多層システムが作られる。第２の繊維層は光活性化システムを備える。ステップ８２において、多層システムは、振動に晒される構造体に統合される。ステップ８８において、多層システムが取り付けられる構造体内の振動は、少なくとも１つの振動センサにより構造体内の振動を検知することにより監視される。センサは、構造体と連通しており、信号を発生させることができる。ステップ８９において、信号は、センサと連通しているプロセッサにセンサから送信される。ステップ９１において、信号は、第２の繊維層の光活性化システムと連通しているプロセッサにより受信される。ステップ８３において、第２の繊維層は、活性化されて光エネルギーを作り出す。ステップ８４において、第２の繊維層により作り出された光エネルギーは、第１の接着層内の超分子接着剤に向けられる。ステップ８５において、第２の繊維層からの光エネルギーを受けると、第１の接着層内の超分子接着剤は、第１の弾性率値から第２の弾性率値への弾性率の変更を受ける。ステップ８６は、電気及び／又は磁気エネルギーをエネルギー供給源から第１の接着層内の超分子接着剤へ送ることを含む。ステップ８７は、センサにより検知された振動に基づいて、超分子接着剤内のナノ粒子の配向及び／又は編成を第２の配向に予測可能に変化させることを含む。ステップ８６の電気及び／又は磁気エネルギー供給源は、電磁気エネルギー供給源でもよいことが理解される。

図１０は、回転翼機１００の図面であり、本明細書に記述されるシステム及び装置を有する部品を備える胴体パネル１０２を示す。

図１１は、（図１０に示される）回転翼機１００の胴体部分１０２の断面図の代表的な図面であり、内装表皮材１０４及び支持側材１０６を含む内部形態を示す。本明細書に開示される多層システムの態様は、回転翼機の任意の１つ若しくは複数の構造形態及び／又は１つ及び複数の領域に組み込まれてもよく、或いは、内部領域及び外部領域などを含む回転翼機構造体の全体に亘る積層化システム又は積層化装置として組み込まれてもよいことが理解される。

本開示の多層化構造体は、荷重支持構造体若しくは非荷重支持構造体の適合可能な剛性が望ましいであろう、動作中に振動力に晒される任意の荷重支持構造体若しくは非荷重支持構造体に組み込まれるか、接着されるか、隣接して配置されるか、又は統合され得ることが理解される。例えば、幾つかの態様によると、多層化構造体は、例えば構造体の製造中に、ラミネート層として構造体に組み込まれ得る。他の態様によると、多層化システムは、当業者により容易に理解されるであろうように、例えば製造後工程による付加物などとして、航空機の内面、表皮、パネル、側材、フレーム構成要素などに結合されてもよく、又は接着されてもよく、又は隣接してもよい。実際に、本開示の方法、システム、装置及び構造体の態様は、非限定的に、航空機、宇宙船、回転翼機、ロケット、人工衛星、ドローン、地上車両、及び、水面及び水面下の水上車両、並びにそれらの組合せを含む、有人及び無人の車両のいずれか及び全てにおける実用性が見出されることが意図される。

更なる態様によると、開示される多層システムは、例えば、発電機、風力タービンなど、振動力に晒される静止構造体に組み込まれてもよく、或いは、例えば、地震、風、及び他の力が規則的又は不規則な振動力を引き起こし得る領域に存在し、そのような力を緩和して構造体の性能及び構造的健全性を保つことが望ましいであろう、大型構造体など、建造物及び他の静止構造体に組み込まれてもよい。

本開示の又は例示的な態様若しくは（１つ若しくは複数の）実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ又は複数あることを意味することを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含することを意図しており、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味している。この開示は、特定の実施形態に関して記述されてきたが、それらの実施形態の詳細は、限定として解釈されるものではない。本開示の好適な変形及び代替が例示及び記述されてきたが、それらに対して本開示の主旨及び範囲から逸脱することなく各種の変更及び置換を行うことができることが理解される。

１０ 多層構造体
１１ 構造体
１２ 超分子接着層
１３ 埋込ナノ粒子
１４ 繊維層
１６ 繊維
１７ 光ファイバ
２０ 構造層
２２ 超分子接着層
２４ 繊維層
２５ 炭素繊維層
２６ 光ファイバ
２８ エネルギー入力部
１００ 回転翼機
１０２ 胴体パネル、胴体部分
１０４ 内装表皮材
１０６ 支持側材

Claims (24)

1. 多層システムが組み込まれた構造体の剛性を変化させるための方法であって、
   前記多層システムが、
   ナノ粒子が埋め込まれた接着剤を含む第１の層であって、前記接着剤が第１の弾性率値を有し、前記ナノ粒子が第１の配向に配向されている、第１の層と、
   前記第１の層に接する第２の層であって、光ファイバ構成要素であって、基材に織り込まれた光ファイバ構成要素を含む第２の層と、
   エネルギー供給源と連通しているエネルギー入力部であって、前記第１の層と連通しているエネルギー入力部と、を備え、
   前記方法が、
   前記第２の層内に光を作り出すステップと、
   前記第２の層により作り出された光を前記第１の層に向けるステップと、
   前記接着剤の弾性率を前記第１の弾性率値から第２の弾性率値に変更させるステップと、
   エネルギーを前記エネルギー入力部を介して前記エネルギー供給源から前記第１の層に送るステップと、
   前記第１の層内の前記ナノ粒子の前記配向を変化させるステップと、を含む方法。
2. 前記接着剤が超分子接着化合物を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記超分子接着化合物がメタロ超分子接着化合物を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記超分子接着化合物が、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化したテレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記ナノ粒子が、金属含有ナノ粒子、金属酸化物含有ナノ粒子、炭素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ、及びそれらの組合せを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記エネルギー供給源が、電気エネルギー供給源、磁気エネルギー供給源、電磁気エネルギー供給源、及びそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記基材が、炭素繊維、ガラス繊維、及びそれらの組合せを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第２の層がＬＥＤアレイを更に備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記エネルギー入力部を介して前記第１の層に提供されるエネルギーの量に基づいて前記ナノ粒子を所定の配向に再配向させるステップを更に含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ナノ粒子の少なくとも一部分の前記配向を要求に応じて再配向させるステップを更に含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記構造体内の振動を振動センサにより検知することにより前記構造体内の振動を監視するステップであって、前記センサが、前記構造体と連通しており、信号を発生させることができる、ステップと、
    前記センサと連通している検出器に前記センサから信号を送信するステップと、
    前記検出器により前記センサ信号を受信するステップであって、前記検出器が前記第２の層と連通している、ステップと、を更に含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１の層が複数の領域を備え、
    前記方法が、前記ナノ粒子の前記配向を前記第１の層の少なくとも第１の領域において選択的に変化させるステップを更に含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. ナノ粒子が埋め込まれた接着剤を含む第１の層であって、前記接着剤が第１の弾性率値を有し、前記ナノ粒子が第１の配向に配向されている、第１の層と、
    前記第１の層に接する第２の層であって、光ファイバ構成要素であって、基材に織り込まれた光ファイバ構成要素を含む第２の層と、
    エネルギー供給源と連通しているエネルギー入力部であって、前記第１の層と連通しているエネルギー入力部と、を備える多層構造体。
14. 前記接着剤が超分子接着化合物を含む、請求項１３に記載の構造体。
15. 前記超分子接着化合物が、２，６−ビス（１’−メチルベンゾイミダゾール）−ピリジン配位子により終端化したテレケリックポリ（エチレン−ｃｏ−ブチレン）を含む、請求項１４に記載の構造体。
16. 前記ナノ粒子が、金属含有ナノ粒子、金属酸化物含有ナノ粒子、炭素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ、及びそれらの組合せを含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の構造体。
17. 前記エネルギー供給源が、電気供給源、磁気エネルギー供給源、電磁気エネルギー供給源、及びそれらの組合せを含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の構造体。
18. 前記基材が、炭素繊維、ガラス繊維及びそれらの組合せを含む材料を含む、請求項１３から１７のいずれか一項に記載の構造体。
19. 前記エネルギー入力部により前記第１の層に提供されるエネルギーの量が、前記第１の層内の前記ナノ粒子を予測可能に再配向させる、請求項１３から１８のいずれか一項に記載の構造体。
20. 前記ナノ粒子の前記配向が要求に応じて変化する、請求項１３から１９のいずれか一項に記載の構造体。
21. 前記構造体内の振動を検知するためのセンサであって、前記構造体と連通しており、信号を発生させることができるセンサと、
    前記センサと連通しているプロセッサと、を更に備える、請求項１３から２０のいずれか一項に記載の構造体。
22. 前記多層構造体が静止構造体に統合されている、請求項１３から２１のいずれか一項に記載の構造体。
23. 前記多層構造体が車両に統合されている、請求項１３から２２のいずれか一項に記載の構造体。
24. 前記車両が、有人航空機、有人宇宙船、有人回転翼機、無人航空機、無人宇宙船、無人回転翼機、有人地上車両、無人地上車両、有人水上車両、無人水上車両、及びそれらの組合せを含む群から選択される、請求項２３に記載の構造体。

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