JPH05508115A - 大きな曲げ強さを持つ複合構造部材並びに製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （翻訳文） 大きな曲げ強さを持つ複合構造部材並びに製造方法阻１坦摩 本出願は、１９８９年６月１４日に出願申請された、米国特許出願番号３６６゜ ４６４「大きな曲げ強さを持つ複合構造部材及びその製造方法」の一部継続出願 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。

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法 を提供することを目的とする。本発明の他の目的奢＝　以下の発明の開示から、 自明に読み取ることができよう。

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ｉｉ　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、熱可盟性 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。

図面の簡単な説明 図１１ｉ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は、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は１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は本発明の複合部材の形成過程で、最内層並びに中間層を示す、断面図であ る。

図５は、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は、図４の中間層の部分詳細断面図である。

図７は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８１ｉ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は　様々な複合構造に関して、複合部材の長さと最大的げひずみとの関係を 示すグラフである。

図１０は、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。

及五〇展！ｌ舅男 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。

図１は本発明の複合部材１ｏ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１図１に示されるよう１　着脱可能なマンドレル上で製造される複合部材 １０）戴　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）ｉ　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１１９０”の方向で最大となり、角度が減少するにつ ね　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１ｉ　望ましく１１　±６０＠から±９０″の間、更に望ましく１ １　±８０＠から±９０″′の間である。また、ファイバー成分は　好ましくｉ ｉ４ないし１ｏ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０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。

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、１，０００万ｐｓｉ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＃九　オーウェンズーコーリング社から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Ｉ上　約０．００７ないし０．０４０インチの範囲である。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。

通常、最内層１６は、周方向に伸張するファイバー成分１８を含むただ一つの内 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 友対の方向に、配置されることが望ましい。

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０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２２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２４Ａは、複合部材１０の全長に渡って伸張し、複合体の長手方向の軸２０に 対して約Ｏ°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かも構成されている。また、各組２６ は、周方向の空隙２８により互いに隔てられ、複合体の馬上、等間隔に配置され る８複合部材１０の空隙２８は、均一の幅を持つように規定さね　この寸法は、 適用部位に応じて選択される１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Ｊｌ　空隙２８の寸 法は、テーパ部分の全長に渡って均一に変化する。

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の数が紹２６の数と同一になるように構成してもよい、ＮＪち、こ の場合には　軸方向の第−及び第二のファイバー２４Ａ、３２かも成る組２６及 び３４が、複合体１０の周上に交互１こ　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０８の角度をもつように　配置される 。

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の数音フ　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／（−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１ ００％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１ｏ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、テーパの全長に渡って変化する。

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渡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０例えば、４８本の軸方向のファイバー３ ２（例：ＲＡＳＦ　Ｇ３０−５００　１２にファイバー）を含む、２インチ直径 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：ＲＡＳＦ　Ｇ３０−５００１ ２にファイバー）の各紐間の望ましい間隔ｌＬ　約０．５０インチである。

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）′Ｌ　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０編み込みヤーン３６Ａ、３６Ｂは、軸方向の第一の ファイ／＜−２４Ａとは混交せず、図６及び図１０に示すように、ファイバー２ ４Ａの表面上を通る。

軸方向の第二のファイバー３２として法　はぼまっすぐで、ヤーン−３６Ａ、３ ６Ｂ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３６Ａ、３６Ｂが、軸方向のファ イバー３２回りに、層の厚み全体に渡って緩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。

各ヤーン３６Ａ、３６Ｂ）：１　連続で、複合部材１０の全長に渡って伸張する ものが望ましい、但し、非連続編み込みヤーンを緩り継いだり、重ね合わて、月 いてもよい、更に　好ましく＃上　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０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＃上　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−３６Ａ間の距離に等しい、 前記波形の波長曇上　軸方向の第二のファイバー３２の直径並びに弾性係数、更 ｉＬ　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λＩ上　約０．１０ないし１ ．００インチである。

本発明に従う所定の複合構造体において、軸方向の第−及び第二のファイバー２ ４Ａ、３旧上　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）１０．０７０から０．０４０インチである。軸方向の第−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、セラミツ久ボ 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、３，４００万ｐｓｉ以上 の係数２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　（０，８０７ｇ／ｍ）の歩留り、３，０００７ｐ ｓｉ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、ＢＡＳＦからセリオン・カーボンファイ バーＧ３０−５００１２にの商標で販売されているファイバーが挙げられる。

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３６ Ａ、３６Ｂの直径は、約ｏ、ｏｏｓないし０．０１５インチの範囲である０編み 込みヤーン３６Ａ、３６Ｂ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、オーウエン・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、１，０００万ｐｓｉ以上の係数及び６００ｋｓ　ｉの最大応力をもつ ファイバーが望ましい。

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ｌｉ　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１ｏ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。

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＃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、その巻き付は方向は、ファイバー成分１８の巻き付は方向と正 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 荷重に耐え得る充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、軍−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。

内層１６及び最外層３８の引っ張り弾性係数が、複合体の軸方向の給弾性係数（ 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。

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４，３５０万ｐ ｓｉの係数と１．６６％の最大ひずみを有する、ＲＡＳＦ　Ｇ４０−７００等の カーボン・ヤーンで、また、ファイバー成分３８を、５０万（５００，０００） ｐｓｉ以上の最大応力と１，２００万ｐｓｉ以上の引っ張り係数を有する、デュ ポン社のケブラー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。

上述のように複合部材１０の各層１九　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１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１８．２４．３０、及び、４ｏに充分浸透し、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、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前　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。

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全体に渡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３ ４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一つながる。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（Ｊｔ　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ｌ戴　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。

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１本発明の構成トー　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ｔｉ　様々な部位に適用可能であ る。

本発明の複合体鷹特＋、＝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ね６　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をＬ　スキーのストツ久　 ヨツト°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−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、通信アンチ九海洋建造物、並びに　軍椅子、杖、担架１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。

図７は、本発明の技術に従い製造され６　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 の管状ボスト４４を備える。スパー４２Ｊｉ　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４ ４の直径ＩＬ　スパー全長の約半分に渡り同一で、残りの半分の長さに渡って、 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２．０から ０゜８５インチの範囲で変化する。ボスト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６ （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４２にｌ九　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１並びに帆のデザインに対応できるように、ボスト４４ｉ１　約 ４０インチの長さに渡って、補強されている（図７参照）、補強されたブーム部 ４６−１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ｔｉ　補強しない場合、約０．０６５インチであり、補強すると、壁の厚 みが約０．０１５インチ増大する。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一層と比べ　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４６Ｇ−Ｌ　適用例によっては有用であるが１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。

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 ０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、アルミニラ入　スチール、プラスチッ久　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。

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びポリマー・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５ ２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５２１１　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パツケージ ）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＃上　マ ンドレル５ｏが組み立て装置４９内を横切る速度を約４フイート／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１７５ｒｐｍ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。

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 はステーション６０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 。

更ぬ　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６２ Ａ、６２Ｂの数が、各層に存在する軸方向のファイバー２４．４３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から樹脂が洸し込まわ、第一の中間層のマトリックスが形成される。

上述と同様の方法で、フィラメント巻き付はステーション６１．６４において、 それぞわ、第二並びに第三の中間層が形成される。また、ステーション６１及び ６４の一部を形成する樹脂塗布装置５８Ｃ１５８Ｄ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。

次に、マンドレル５０＃戴　ステーション５２と同一のフィラメント巻き付はス テーション６６を通過する。ステーション６６）１　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０周方向のファイバ一層を 巻き付けた後、装置５８Ｈ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、周方向のファイバ一層を更に巻き付 け、樹脂でコーティングしてもよい。

各フィラメント巻き付はステーションにおいて、巻き付けた後、ファイバーが緩 んだり移動したすせず、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／フアイバー以下の 引っ張り力を保つ混交装置を用いて、調整する。

最後に、マンドレル５０は、約１／２ないし３／４インチ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、テープ巻き付は装置６８ を通過する。テープの引っ張り力を、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、１／２インチ幅で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。

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。

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時量大ね樹脂を硬化させる。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１ｉ　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、１．００ ０１ｂｓ以上の力で引っ張る必要がある０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。

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番九　層状構造体の研磨を行うことが望ま しい。

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。

寒惠■ユ 本実施例で１１　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 構造番上　以下の通りである。

全長：４６０センチメートル 外径：５．３センチメートルから３．０センチメートルまでテーパ壁厚さ：Ｏ， ＩＳセンチメートルから０．２４センチメートルの範囲成分（図面参照番号）： 内層の周方向ファイバー（１８）材料：Ｅ−ガラス 型二６７５型３０ロビング 供給元：オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１０．５Ｘ１０’ｐｓｉ 密度＝２．５ｇ／ｃｍ” 成分（参照番号）二軸方向のファイバー（２４Ａ）材料：カーボンファイバー 型：　１２ｋ　Ｇ３０５００ 供給元：　ＢＡＳＦ 性質：係数＝３４ＭＳＩ 密度＝１．７７ｇ／ａｍ” 成分（参照番号）：軸方向のファイバー（３２）材料：カーボンファイバー 型：１２ｋ　Ｇ３０５００ 供給元：　ＢＡＳＦ 性質：係数＝３４ＭＳＩ 密度＝１．７７ｇ／ｃｍ’ 成分（参照番号）：ｉｉみ込みヤーン（３６Ａ）材料：５２−ガラス 型：　５２ＣＧ１５０１／３ 供給元：オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１２．０Ｍ５Ｉ 密度＝２．４８ｇ／ｃｍ’ 成分（参照番号）：編み込みヤーン（３６Ｂ）材料：３２−ガラス 型：　５２ＣＧ１５０１／３ 供給元：オーウェンズーコーニンク 性質：係数＝１２，０Ｍ５Ｉ 密度＝２．４８ｇ／ａｍ３ 成分（参照番号）：周方向のファイバー（４ｏ）材料：Ｅ−ガラス 型＝６７５型３０ロビング 供給元；オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１０，５ｘｌＯ’ｐｓｉ 密度＝２．５０ｇ／ａｍ暑 成分（参照番号）：マトリックス材料（１４）材料：エポキシ樹脂、テトラヒド ロフタル酸メチル無水物、Ｎ、　Ｎ−ジメチルベンジルアミ７　（１００：　８ ０：　２重量部）型：　ＤＥＲ３３０，ＡＣ−７５ 供給元：ダウ・ケミカル社 本実施例のマストを製造する際にに　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１に示されるように　６つのテーパを有している。

太１ マンドレル外径（インチ）　テーバ長さくインチ）１．９１３　３０ １、　９０９　１２．０ １、　８５９　３６ ステーシヨン５８Ａにおいて、上述の液状エポキシ樹脂と触媒の混合物が５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のマンドレルへの巻き付は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１周方向の剛性 を調整することができる６次に　ファイバー巻き付は装置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２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。

森１ 位置　ファイバー１８の量　機械の回転速度（ｌｂｓ／１ｎａ）　ｒｐｍ 軸方向 基部　０．００４０　９６ １／８　０．００３９　９６ １／４　０．００３６　９０ ３／８　０．００３３　８４ １／２　０．００２２　６０ ５／８　０．００１６　４８ ３／４　０．００１２　４２ ７／８　０．００１１　４２ 先端　０．０００９　４２ 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、２４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。

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３６Ｂ、ファイバー３６ Ａ、３６Ｂは、組み器上で、３．８５ｒｐｍの定速で回転する。

同時に、ステーション５８Ｃ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。

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３６Ｂ、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５８Ｄ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。

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１ｉｌｌｓす ることができる。ファイバー巻き付は装置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３ 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。

光重 位置　ファイバー４０の量　機械の回転速度（ｌｂｓ／ｉｎｓ＞　ｒｐｍ 軸方向 基部　０．００５１　１２０ １／８　０．００５０　１２０ １／４　０．００６２　１５０ ３／８　０．００６１　１５０ １／２　０．００４８　１２０ ５／８　０．００３３　９６ ３／４　０．００２２　７２ ７／８　０．００１６　６０ 先端　０．００１４　６０ ステーシヨン５８Ｈ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一層ｔｉ　次にテ ープ成形機６８を通る。　（カリフォルニア州サン・デイエゴのセンチユリ−・ デザイン株式会社により販売されている）１／２インチ幅の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。

マントｌ／ル及び未硬化層を横送り装置７０から取り外した後、熱風対流オープ ン内に鉛直に懸架し、１４０’Ｃ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。

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１インチ分切り落とし、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、心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５研磨する。研磨後、長さ４０インチ、幅１４インチのガ 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３０インチ離れた部分から、基部から７０インチの部分までを覆う０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＠Ｃ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つ旭太濾 最終マスト重量　−３，９０１ｂｓ 重心　二　基部から４２％ 破砕強さ　＝　４４５１ｂｓ　（基部から２インチ断面）カラム座屈試験におけ る負荷及び最大たわみ＝　３３０１ｂｓ：　４０インチ ヱΔ土蓋塵 材料係数（０度）　＝　１０．２Ｍ５ｉ係数（９０，０度）　＝　３．０Ｍ５ｉ 係数（４５度）　＝　５．６９Ｍ５ｉ 密度　＝　１．８４ｇ／ｃｍ” Ｘ惠烈１ 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ＩＬ　以下の通りである。

全長：４８０センチメートル 外径＝５．３センチメートルから３．　０センチメートルまでテーパ壁厚さ：０ ．１８センチメートルから０．２４センチメートルの範囲層：６層 本実施例の構造体の製造には、以下の材料が用いられ旭成分（図面参照番号）： 内層の周方向ファイバー（１８）材料：Ｅ−ガラス 型：６７５型３ｏロビング 供給元二オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１０．５ｘｌＯ’ｐｓｉ 密度＝２．５０ｇ／ｃｍ暑 成分（参照番号）：軸方向のファイバー（２４Ａ）（本実施例では　ファイバー ２４Ａ）１２種類の別個のファイバーの組合せである） 材料：カーボンファイバー　Ｅ−ガフＸ型：１２ｋ　Ｇ３０５００　４５０型　 ３ｏロビング供給元：　ＢＡＳＦ　オーウェンズーコーニング性賀：係数＝３４ ＭＳＩ　１０．５ 密度＝１．７７ｇ／ｃｍ’　２．５ｇ／。ｍ３成分（参照番号）：軸方向のファ イバー（３２）（本実施例で１　ファイバー３２は、２種類の別個のファイバー の組合せである）材料：カーボンファイバー　Ｅ−ガラス型：１２ｋ　Ｇ３０５ ００　４５０型　３ｏロビング供給元：　ＢＡＳＦ　オーウェンズーコーニング 性質：係数−３４Ｍ５Ｉ　１０．５Ｍｓ　ｉ密度＝１．７７ｇ／ｃｍ”　２．５ ｇ／ｃｍ”成分（参照番号）：ｉｉみ込みヤーン（３６Ａ）材料：８２−ガラス 型：　５２ＣＧ１５０１／３ 供給元、オーウエンズーコーニング 性質：係数＝１２．０Ｍ５Ｉ 密度＝２．４８ｇ／ｃｍ’ 成分（参照番号）：編み込みヤーン（３６Ｂ）材料：８２−ガラス 型：　５２ＣＧ１５０１／３ 供給元：オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１２，０Ｍ５Ｉ 密度＝２．４８ｇ／ａｍ’ 成分（参照番号）二層方向のファイバー（４ｏ）材料：Ｅ−ガラス 型＝６７５型３０ロビング 供給元：オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１０．５Ｘ１０’ｐｓｉ 密度＝２．５０ｇ／ｃｍ３ 成分（参照番号）：マトリックス材料（１４）材料：エポキシ樹脂、テトラヒド ロフタル酸メチル無水物、Ｎ、　Ｎ−ジメチルベンジルアミンｃｉｏｏ：　ｓｏ ：　２重量部）型：　ＤＥＲ３３０，ＡＣ−７５ 供給元：ダウ・ケミカル社 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穫類のファイ 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、衝撃抵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１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ね　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５参照）。

衆互 マンドレル外径（インチ）　テーパ長さくインチ）１、　９１３　２６．　０ １、　９０９　６８．　０ 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囮　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。ファイバー巻き付は装置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。下記の表６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。

東旦 位置　ファイバー１８の量　機械の回転速度（ｌｂｓ／１ｎｓ）　ｒｐｍ 軸方向 基部　０．００４９　１２０ １／８　０．００４９　１２０ １／４　０．００６１　１５０ ３／８　０．００６１　１５０ １／２　０．００５３　１３２ ５／８　０．００４０　１０８ ３／４　０．００３２　９６ ７／８　０．００２５　８４ 先端　０．００１９　７２ 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乳液状 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１２ｋ　Ｇ ３０５ｏＯ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１２ｋ　Ｇ３０５００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３６Ｂ、ファイバー３６Ａ、３６Ｂの回転速度１ｉ３ ．　８５ｒｐｍの定速に設定されている。

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。ファイバー巻き付は装置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７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。

皇ヱ 位置　ファイバー４０の量　機械の回転速度（ｌｂｓ／１ｎｓ）　ｒｐｍ 軸方向 基部　０．００５９　１３２ １／８　０．００５９　１３２ １／４　０．００６９　１５６ ３／８　０．００６９　１５６ １／２　０．００５２　１２０ ５／８　０．００４４　１０８ ３／４　０．００３５　９６ ７／８　０．００３２　９６ 先端　０．００２９　９６ ステーシヨン５８Ｈ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４ｏ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一層＃九次にテー プ成形機６８を通る。　（カリフォルニア州サン・デイエゴのセンチユリ−・デ ザイン株式会社により販売されている）１／２インチ幅の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＠Ｃ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１インチ分切り落とし、残りの余分な長さについては、先端 から切り落とす）。

心なしウェット研磨機を用いて、マストを、８０グリツドの仕上げ用紙やすりで 、研磨する。研磨後、２重量％の無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。

最終マスト重量　＝５．４１ｂｓ 重心　＝　４５％（構造体基部から） 破砕強さ　＝　５５０１ｂｓ　（基部から２インチ断面）カラム座屈試験におけ る負荷及び最大たわみ＝　３３０１ｂｓ：　４８インチ 二二二玉脛 材料係数（０度）　＝　６．ＩＭｓｉ 係数（９０，０度）　＝　２．３Ｍ５ｉ係数（４５度）　＝　４．１Ｍｓ＋ 密度　＝　２．０５ｇ／ｃｍ’ Ｘ惠億ユ 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）直線部　＝　長さ４２ｃｍ （２）湾曲部　＝　半径１６インチ：角度４１゜（３）直線部　＝　長さ１２イ ンチ 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しする。

本実施例で用いられるマンドレルは、８０デユロメータのシリコーンゴムコード から作もｋ　１．０５インチの一定の外径を持つ。

帆船ブーム等の湾曲管を製造する場合にｉｉ　２つの組み器６１．６４し力）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５０ｉ１４フイート／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１８ｉ１　５Ｏｒｐｍの速度で、時計回りにマンドレルに巻き付けられる。

ファイバー巻き付は装置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。

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／＜ −３２（３）組み器上で時計回りに回転する、２４本のファイノ＜−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、この場合、フ ァイバー３６Ａ、３６Ｂの回転速度＋ｉ　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。

マンドレルが組み器６４を横切る時）こ　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 ノ（−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１１　３．８５ｒｐｍ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、マント１／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５反時計回りに、マンドレ ルに巻き付ける。

ステーション５８Ｈ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一層曇九　次に、 テープ成形機６８を通る。　（カリフォルニア州サン・デイエゴのセンチユリ− ・デザイン株式会社により販売されている）１層２インチ幅の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、１４００Ｃ 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。

最終管体重量　＝　１−　２１ｂｓ 材料係数（０度）　＝　１２．２Ｍ５ｉ係数（９０，０度）　＝　２．４Ｍ５ｉ 係数（４５度）　＝　５．９Ｍ５ｉ 密度　＝　１．５ｇ／ｃｍ３ Ｘ嶌烈Ａ 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。

全長：　３６５ｃｍ 外径：３．１ｃｍ 壁厚さ：０．３ｃｍ 層の数：６層 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及びパッケージ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 作ら托　その直径は一定で、１．００インチである。

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ＩＥＨ：１　７，５ｒｐｍの速度で１反時計回りにマンドレルに 巻き付けられる。ファイバー巻き付は装置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。

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＠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３６ Ａ、３６Ｂの回転速度＋ｉ　１．９ｒｐｍの定速に設定されている。

同時に　ステーション５８Ｂ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。

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３６Ｂ、ファイバー３６ Ａ、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 全体が、時計回りｋＬ　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。

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ゆ　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　第ニステーション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。

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３６Ｂ、ファイバー３６ Ａ、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。

本実施例の装置で追加されている第二組み器６１１ｉ　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 に巻き付けるや ステーション５８Ｈ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一層は　次に、テ ープ成形機６８を通る。　（カリフォルニア州サン・デイエゴのヤンチュリー・ デザイン株式会社により販売されている）１層２インチ幅の２巻のセロファンテ ープが、３Ｏｒｐｍ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２．１４０°Ｃで８時間硬化させる。

マント１ノ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。

最終管体重量　＝　４．５１ｂｓ 材料係数（０度）　＝　１２．５Ｍ５ｉ係数（９０，０度）　＝　４．６Ｍ５ｉ 係数（４５度）　＝　１２．９Ｍ５ｉ 密度　＝　１．５７ｇ／ｃｍ’ Ｘ鳳忽五 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ｌ戴　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６成分（図面参照番号）： 内層の周方向ファイバー（１８）材料；カーボンファイバー１２に 型：東しＴ７００Ｓ 供給元二東し 性質：係数＝３３．５Ｍ５ｉ 密度＝１．８ｇ／ａｍ３ 最大ひずみ；２．１％ 成分（参照番号）二軸方向のファイバー（２４Ａ）材料：カーボンファイバー 型：１２ｋ　Ｇ３０５００ 供給元二ＢＡＳＦ 性１ｌｉｔ：係数＝３４ＭＳＩ 密度＝１．７７ｇ／ｃ＋ｎ’ 成分（参照番号）：軸方向のファイバー（３２）材料：カーボンファイバー 型：１２ｋ　Ｇ３０５００ 供給元：　ＢＡＳＦ 性ｆ：係数＝３４ＭＳＩ 密度＝１．７７ｇ／ｃｍ３ 成分（参照番号）：ｉｉみ込みヤーン（３６Ａ）材料二Ｓ２−ガラス 型：　５２ＣＧ１５０１／３ 供給元二オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１２．０Ｍ５Ｉ 密度＝２．４８ｇ／ｃｍ３ 成分（参照番号）二編み込みヤーン（３６Ｂ）材料：８２−ガラス 型：　５２ＣＧ１５０１／３ 供給元二オーウェンズーコーニング 性質：係数＝１２．０Ｍ５Ｉ 密度＝２．４８ｇ／ａｍ３ 成分（参照番号）二層方向のファイバー（４ｏ）材料：カーボンファイバー１２ に 型：東しＴ７００Ｓ 供給元二東し 性質：係数＝３３．５Ｍ５ｉ 密度−１，８ｇ／ａｍ３ 最大ひずみ＝２．１％ 本実施例では、複合体がダイ組立装置内を移動する間に　マトリックスを充分硬 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：Ｄｅｒ　３３０　（ダウ・ケミカル社製）触媒：　ＡＣ−ＤＰ− １（アンヒトライズ＆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ｆ ｈ２５ＲＭｓ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”Ｃ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。

内径＝２゜５ｃｍ 外径：３．２ｃｍ 壁厚さ：０．３５ｃｍ 層の数ニア層 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、巻き付はステーション５２の前に配設されている。

（２）ステージ目ン５２の後に設置される組み器１基＋１　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ｔＫ５１ｔ、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はステーシ 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）　？Ｊ［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、１゜００インチである。また、マンドレルＩｉ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、 ３２．３６Ａ、３６Ｂが巻き付けられる場所をこ　流し込まれる。

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３６ Ａ（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＋Ｌ　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１８１２．７．５ｒｐｍの速度で、反時計回りにマンドレルに巻 き付けられる。ファイバー巻き付は装置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。

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３６ Ａ（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＋１　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。

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）１　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。

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ゆ　ファイバー ３６Ａ、３６Ｂの回転速度＋Ｌ　１，９ｒｐｍの定速に設定されている。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、７．５ｒｐｍ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５８Ｈ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一層は、次に。

当業者に周知のスチール製ダイ内を通る。ダイにｌｉ　３．２ｃｍ直径の孔が開 けられており、１５０°Ｃに加熱される０層状複合体がダイ内を移動する間に充 分硬化させる。構造体が充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。

更くマトリックス材料に充分な触媒効果を与えるように　加熱オープン内に入れ て、１５０”Ｃ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ち最終管体重量　＝　０．４２１ｂｓ ／ｆｔ材料係数（０度）　＝　１４．５Ｍ５ｉ係数（９０，０度）　＝　４．４ Ｍ５ｉ係数（４５度）　＝　１３．４Ｍ５ｉ 密度　＝　１；　５ｇ／ｃｍ’ 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＃九何も本発明を限定するものではなく５本発明の詳細な説明するものに過ぎ ない。

以下の特許請求の範囲ｌ九　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。

以下に本発明の特許請求の範囲を記載する。

国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 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 方向に間隔を畳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、局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 の全長さに渡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。
2. 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。
3. ３．前記中間層を三層含むことを特赦とする、請求項２記載の複合構造部材。
4. ４．前記周方向に伸張するファイバーの直径が、０．００７インチから０．０４ ０インチである、ことを特徴とする請求項１記載の複合構造部材。
5. ５．前記軸方向に伸張するファイバーの直径が、０．００７インチから０．０４ ０インチである、ことを特徴とする請求項４記載の複合構造部材。
6. 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。
7. ７．前記周方向に伸張するファイバーが、１，０００万ｐｓｉ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 。
8. ８．前記軸方向に伸張するファイバーが、１，２００万ｐｓｉ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。
9. ９．前記螺旋方向のファイバーが、１，０００万ｐｓｉ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。
10. 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、±３ ０°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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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ド、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、ポリカーボネード、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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. １９．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 、ことを特徴とするマスト部材。
20. ２０．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、周方向に間隔を畳いて複数本 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 とを特徴とする請求項１９記載のマスト部材。
21. ２１．前記補強層が、前記直立部材のブーム部の直径を、約０．０１５インチ増 加させる、ことを特徴とする請求項１９記載のマスト部材。
22. ２２．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。 ２２．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２２の製造方法。
23. ２３．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２２の製造方法 。