KR101920093B1 - 조절된 섬유-매트릭스 접착의 폴리머 섬유 복합체 물품 - Google Patents

조절된 섬유-매트릭스 접착의 폴리머 섬유 복합체 물품 Download PDF

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Abstract

복합체 물품은 매트릭스 내에 적어도 부분적으로 삽입된 복수의 섬유를 포함하고 있다. 섬유는 접착 레벨에서 매트릭스에 접착될 수 있다. 섬유와 매트릭스 간의 접착 레벨은 복합체 물품 내에서 공간적으로 변할 수 있다. 예를 들면, 접착 레벨은 섬유 중 하나의 길이를 따라 변할 수 있다. 접착 레벨은 또한 주어진 층에서 섬유 중에서 변할 수 있다. 추가로 접착 레벨은 복합체 물품의 층 사이에서 변할 수 있다.

Description

조절된 섬유-매트릭스 접착의 폴리머 섬유 복합체 물품{Controlled fiber-matrix adhesion for polymer fiber composites}
본 발명은 일반적으로 복합체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 개선된 탄도 성능을 가지는 섬유 강화 복합체 물품에 관한 것이다.
현재 현존하는 잘 알려진 장갑 패널은 여러 가지 재료의 적층 시트로 이루어질 수 있다. 예를 들면 현존하는 장갑 패널은 적당한 접착제를 사용하여 적층시킬 수 있는 하나 이상의 유리 시트 및/또는 아크릴로 이루어질 수 있다. 장갑 패널의 탄도 저항 또는 성능을 개선시키고자 하는 시도로 제작자들은 폴리카보네이트 재료를 적층된 유리 및 아크릴 시트에 추가하고 있다.
일반적으로 비록 충격 에너지를 흡수하고 발사체에 대한 보호를 제공할 수 있다고 할지라도, 현존하는 장갑 패널은 그들의 유용성을 떨어뜨리는 어떤 결함을 갖고 있다. 예를 들면, 유리는 비교적 치밀한 재료이므로 충분한 탄도 보호를 제공하기 위해서 요구되는 두께가 있는데 이것은 장갑 패널의 총 중량 및 벌크가 심각하게 증가하게 된다. 어떤 장갑 패널과 연계된 추가 단점으로는 어떤 장갑 패널을 만드는 유리 및 다른 재료의 기계적인 특성과 관련이 있다. 예를 들면, 운송 분야와 같은 어떤 적용 분야에서는 장갑 패널이 투명한 것을 원하고 있을 것이다.
불행하게도, 현재 이용할 수 있는 투명한 장갑 패널은 충격 이후에 광각 성능에서 심각한 손실을 겪을 것이다. 예를 들면, 현재 이용할 수 있는 장갑 패널에 대해 발사체로부터 장갑 패널의 국지면에 대한 충격은 장갑 패널의 나머지 중요한 부위에서의 광학 성능의 손실을 초래하게 될 것이다. 이러한 광학 성능의 손실은 충격 부위로부터 균열이 파급되는 결과를 가져오게 될 것이다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 개선된 탄도 성능과 최소의 중량을 구비하고 높은 광학 투명도를 제공하는 장갑 패널의 필요성이 종래부터 있어왔다.
장갑 패널과 연관된 상기에서 기재한 필요성은 본 발명에서 개시하는 내용에 의해서 특히 경감되게 된다. 한 구현예로서, 적어도 부분적으로 매트릭스에 삽입된 복수의 섬유를 포함하는 복합체 물품을 제공한다. 이 섬유는 접착의 레벨에서 매트릭스에 접착될 수 있다. 접착 레벨은 복합체 물품 내에서 공간적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 접착 레벨은 섬유 하나의 길이에 따라 변할 수 있다. 접착 레벨은 주어진 층의 섬유 중에서 변할 수 있다. 추가로, 접착 레벨은 복합체 물품의 층을 가로질러서 변할 수 있다.
추가 구현예로서, 개시하는 내용은 매트릭스 내에 적어도 부분적으로 삽입된 복수의 섬유를 포함하는 복합체 물품이다. 섬유와 매트릭스는 하나 이상의 접착 특성으로 서로 접착될 수 있다. 접착 특성은 복합체 물품 내에서 공간적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 접착 특성은 섬유의 길이를 따라 변할 수 있다. 접착 특성은 또한 층 내에서 섬유 중에서 변할 수 있다. 접착 특성은 추가로 적어도 2개 층 사이에서 변할 수 있다.
또한 개시하는 내용은 매트릭스 내에 적어도 부분적으로 삽입되는 복수의 섬유를 포함하며, 여기서 접착 레벨 및 접착 특성은 복수의 배열 중 어느 하나에 따라 복합체 물품 내에서 공간적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 접착 레벨 및/또는 접착 특성은 섬유의 길이를 따라 변할 수 있다. 접착 레벨 및/또는 접착 특성은 주어진 층의 섬유 중에서 변할 수 있다. 추가로 접착 레벨 및 접착 특성은 복합체 물품의 층을 가로질러서 변할 수 있다.
추가적으로 개시하는 내용은 복합체 물품의 제조 방법이다. 이 방법은 매트릭스 내에 적어도 부분적으로 복수의 섬유를 삽입하는 것으로 이루어진다. 이 섬유는 접착의 레벨에서 매트릭스에 접착될 수 있다. 접착 레벨은 복합체 물품 내에서 공간적으로 변할 수 있다. 예를 들어, 이 방법은 적어도 하나의 섬유 길이에 따라 접착 레벨이 변할 수 있으며, 섬유 층의 섬유 중에서 접착 레벨이 변할 수 있으며, 및/또는 복합체 물품의 층을 가로질러서 접착 레벨이 변할 수 있다.
본 발명의 특징, 기능 및 이점들은 여러 가지 구현예를 통해서 독립적으로 또는 다른 구현예와의 조합에 의해서 달성될 수 있으며, 첨부하는 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 도면을 참조하면 더욱 명확해 질 것이며, 전체적으로 동일 부품에 대해서는 동일 부호를 기재한다.
도 1은 실질적으로 투명한 매트릭스와 실질적으로 투명한 복수의 섬유로 이루어진 한 구현예로서 복합체 물품을 예시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 복합체 물품을 예시한 확대 사시도로서, 매트릭스 내에 복수의 섬유층이 삽입되어 있는 것을 예시한 것이다.
도 3은 도 1의 복합체 물품의 한 구현예의 일부를 예시한 확대 사시도로서, 매트릭스 내에 섬유층이 배열되어 있는 것을 예시한 것이다.
도 4a는 도 3의 4a 선을 따라 절단한 복합체 물품을 예시한 확대 단면도로서, 섬유 길이를 따라 매트릭스에 대한 섬유 간의 변하는 접착 레벨을 가지는 섬유 하나의 길이의 일부를 예시한 것이다.
도 4b는 도 3의 4b 선을 따라 절단한 확대 사시도로서, 섬유의 상부 및 하부 표면 간의 변하는 접착 레벨을 가지는 복합체 물품의 추가 구현예를 예시한 것이다.
도 5는 도 3의 5 선을 따라 절단한 복합체 물품의 확대 측면도로서, 복합체 물품의 층을 가로질러서 변하는 접착 레벨을 가지는 구현예를 예시한 것이다.
도 6은 섬유층이 실질적으로 서로 배향된 적어도 하나의 섬유층을 가지는 복합체 물품을 예시한 평면도로서, 하나의 층 내에 섬유의 그룹 중 변하는 접착 레벨을 추가로 예시한 것이다.
도 7은 도 6에서 예시한 복합체 물품의 선단도로서, 층의 스택 중에서 변하는 접착 레벨을 가지는 층 그룹을 예시한 것이다.
도 8은 복합체 패널을 충격하는 발사체의 충격 실험의 컴퓨터 시뮬레이션 및 섬유와 매트릭스간의 조절된 접착의 결과로 매트릭스에 대한 섬유의 이동을 예시한 것이다.
도 9는 충격 실험 때의 복합체 물품을 예시하는 단면도로서, 복합체 물품을 통과하는 발사체의 관통을 조절하는 방식으로 매트릭스에 대한 조절된 섬유 이동을 예시한 것이다.
도 10은 매트릭스에서 섬유의 축 변위의 차를 측정하기 위한 시험 준비를 개략적으로 예시한 것으로, 각 섬유는 다른 표면 구성 또는 표면 처리를 갖는다.
도 11은 도 10의 시험 준비를 위한 섬유 스트레스의 그래프이며, 다른 표면 또는 처리를 가지는 매트릭스와 섬유 간의 접착 레벨의 차이를 예시한 것이다.
도 12는 복합체 물품을 제조하는 절차로 이루어질 수 있는 하나 이상의 작업 공정으로 포함하는 플로우 차트를 예시한 것이다.
여기서 보여주고 있는 도면에 대한 설명은 본 발명의 바람직한 그리고 다양한 구현예를 예시할 목적으로 한 것이다. 도 1에서 보여주고 있는 것은 복합체 물품(10)이다. 이 복합체 물품(10)은 매트릭스(30)와 그 매트릭스(30) 내에 삽입된 복수의 섬유(32)로 이루어진 섬유-강화 복합체 패널(14)로 조립되어 있다. 섬유(32)는 실질적으로 광학적으로 투명한 섬유(32) 재료로 형성할 수 있다. 마찬가지로, 매트릭스(30)는 다른 재료 조성물로 형성될 수 있지만 실질적으로 투명한 폴리머성 매트릭스(30) 재료로 이루어질 수 있다. 복합체 물품(10)이 실질적으로 평행한 패널(14) 표면을 가지는 패널(14) 구성으로 도 1에 예시되어 있지만, 복합체 물품(10)은 제한 없이 폭 넓게 여러 가지 크기, 형상 및 구성 중에서 어느 하나로 제공될 수 있으며, 몇 개의 편평한 표면 및/또는 화합물 굴곡 표면을 포함할 수 있다.
바람직하게, 도 1에 예시한 바와 같은 복합체 물품(10)은 그의 전체에 걸쳐 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 변하는 접착 레벨을 제공할 수 있도록 특별하게 구성되어 있다. 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 공간적으로 변하는 접착 레벨(56)에 의해서, 충격 추이와 연관되어 있는 섬유의 수량 및/또는 길이가 조절될 수 있다. 더욱 상세하게, 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 공간적으로 변하는 섬유-매트릭스 접착 레벨에 의해서, 복합체 물품(10)을 통과해서 지나가는 발사체 또는 탄도 물체의 감속이 조절되게 된다.
더욱이, 개시 내용은 복합체 물품(10)의 구현예로서, 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 접착 레벨은 복합체 물품(10)을 통과하는 발사체의 거리 또는 관통의 함수로서 섬유(32)의 파괴 모드를 조절하는 방식으로 공간적으로 변하게 되어 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 개시 내용은 섬유(32)에서의 인장 변형(tensile strain)이 섬유(32)의 상대적으로 긴 길이를 통해서 분산될 수 있도록 탄도와 연관이 있는 각 섬유(32)의 수량과 길이를 선택적으로 증가시키는 기술적인 이점을 제공하기 위한 것이다. 탄도와 연관이 있는 섬유(32)의 길이를 증가시키는 것에 의해, 섬유에 의해서 흡수되는 발사체 에너지의 전체 수량은 증가하게 될 것이다.
추가로, 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 접착 레벨(56)을 선택적으로 변하게 함으로써, 섬유(32)가 발사체를 감속시키고 섬유(32)에 의해서 흡수될 수 있는 발사체 에너지의 양의 증가를 위해서 갖게 되는 시간의 증가에 기인하는 탄도 충격 의 지속기간의 증가를 위해서 선택된 섬유(32)의 상대적인 이동은 증가하게 될 것이다. 추가로, 본 개시 내용은 발사체에 의해서 충격을 박거나 손상을 입게 되는 복합체 물품(10)의 면적 크기를 조절하기 위한 수단으로서, 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 다른 위치에서 섬유-매트릭스(32,30)의 접착 레벨(56)을 조절하거나 공간적으로 변하게 하는 것도 고려하고 있다. 추가로, 본 개시 내용은 인접 층(94)이 서로 층간 박리 또는 분리되는 것을 조절하기 위한 수단으로서 섬유-매트릭스 레벨(56)을 조절하거나 공간적으로 변하게 하는 것을 고려하고 있다.
도 1과 관련하여, 예시한 것은 복합체 물품(10)으로서, 패널(14)로 형성되어 있으며, 매트릭스(30)에 삽입되어 있는 복수의 섬유(32)로 이루어져 있다. 앞서 나타낸 바와 같이, 비록 섬유(32)의 하나 이상의 부위를 불투명한 재료 또는 광학적인 투명도와 다른 레벨을 가지는 다른 재료로 형성할 수 있다고 할지라도 섬유(32)는 바람직하게 실질적으로 광학적으로 투명하다. 섬유(32)는 실질적으로 투명한 매트릭스(30)를 위한 구조적인 보강 역할을 할 수 있으며, 복합체 물품(10)의 기계적인 성능을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 섬유(32)는 인장 강도와 탄성 모듈러스를 증가시키기 때문에 복합체 물품(10)의 특정 강성을 개선(예, 복합체 물품(10)의 강성은 복합체 물품(10) 밀도에 의해서 분리되어짐)하는 방식으로 기계적인 보강을 제공하게 된다.
도 2와 관련해서, 예시한 것은 도 1에 나타낸 패널(14)의 확대 사시도이며, 매트릭스(30) 내에 층이 나열되어 있고 일반적으로 스트립 형태로 형성된 복수의 섬유(32)들이 예시되어 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 섬유(32)는 상부 및 하부 표면(40,42)과 같이 반대편으로 한 쌍을 이루는 실질적으로 편평한 섬유(32)면을 포함하는 신장된 횡단면의 형상을 가지고 있는 것을 보여주고 있다. 섬유(32)의 섬유 표면(36)은 복합체 물품(10)의 실질적으로 편평한 물품 표면(12)과 실질적으로 나란하게 배열되어 있다. 매트릭스(30) 내에서 섬유(32)의 배향은 복합체 물품(10)의 광학 성능을 개선시킬 수 있다.
도 3과 관련해서, 예시한 것은 섬유(32)가 매트릭스(30) 내에서 층(74)으로 배열되어 있는 복합체 물품(10)의 확대 사시도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 층(74)의 하나에서 섬유(32)는 일반적으로 서로 상대적으로 실질적으로 나란하게 배향될 수 있다. 도 3에서 예시한 구현예에서, 상기 층(74)은 섬유(32)가 바로 인접하는 층(74)에서 섬유(32)의 배향에 상대적으로 수직하게 배향되어 있는 직교형 구성으로 배열될 수 있다. 하지만, 상기 층(74)은 여러 종류의 선택적인 구성으로 배열할 수 있다. 예를 들어, 한 개층(74)의 섬유(32)는 상기 층(74)에서 한 개 이상의 섬유(32)에 대해 어떤 수직각이 아닌 각(예를 들면, 15°, 22.5°, 45°, 60°, 75° 등)으로 배향될 수 있다.
도 3과 관련해서, 복합체 물품(10)이 섬유(32)의 3개 층(74)을 가지는 것으로 예시하고 있지만, 어떤 다수의 층(74)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 복합체 물품(10)은 섬유(32)의 단일 층(74) 또는 섬유(32)의 10개 이상의 층(74)을 포함할 수 있다. 더욱이, 각 층(74)에서 섬유(32)는 도 3에 예시한 바와 같이 실질적으로 서로 나란하게 배향되는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 층(74)에서 일부 섬유(32)는 서로에 대해 나란하지 않게 배향될 수 있다. 추가로, 도 1-3은 각 층(74)의 섬유(32)가 일반적으로 서로 균일하게 공간을 두고 배열되어 있지만, 섬유(32)는 균일하지 않은 배열로 공간을 둘 수 있다. 추가로, 층(74)에서 섬유(32)는 직조 구성(도시하지 않음) 및/또는 도 1-3에 예시한 직조하지 않은 구성으로 배열될 수 있다. 추가로, 하나 이상의 층(74)의 하나 이상의 섬유(32)는 동일 층(74)의 섬유(32) 및/또는 인접 층(74)의 섬유(32)와 관련해서 접촉 또는 비접촉 상태로 배치할 수 있다.
도 4a와 관련해서, 섬유(32)의 길이를 따라 변하는 접착 레벨(56)을 가지는 하나의 섬유(32)를 예시한 확대도이다. 접착 레벨(56)은 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 경계면(52)에서 결합(54) 강도의 측정치로 특징지워질 수 있고, 섬유(32)의 길이를 따라 결합(54) 강도로 이루어질 수 있다. 본 발명의 개시 내용에서, 강도(strength) 및 변형율(strain)과 같은 특성은 동적 특성(dynamic properties) 및/또는 준정적 특성(quasi-static properties)의 항목으로 표시해야 한다는 것을 알아야 한다. 도 4a는 섬유(32) 길이를 따라 확장되어 있는 섬유(32)의 섬유축(50)을 예시한 것이다. 접착 레벨(56)은 섬유축(50)과 실질적으로 나란한 방향을 따라서 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 경계면(52)에서의 결합(54) 강도의 측정치일 수 있다. 그러나, 접착 레벨(56)은 섬유축(50)에 대해 평행하지 않은 방향 또는 가로 방향을 따라 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 경계면(52)에서의 결합(54) 강도의 측정치일 수 있다.
도 4a와 관련해서, 접착 레벨(56)은 섬유(32) 길이를 따라서 변할 수 있고, 도 4a에서 예시한 바와 같이, 섬유(32) 길이의 한 부위에서는 제1 접착 레벨(58)로 나타내고, 섬유(32) 길이의 다른 부위에서는 제2 접착 레벨(60)로 나타낸다. 이와 관련해서, 도 4a는 섬유(32) 길이를 따라 접착 레벨(56)의 단계별 변화를 예시하고 있다. 접착 레벨(56)의 이러한 변화는 섬유(32) 길이를 따라 주기적일 수 있고 섬유(32) 길이를 따라 접착 레벨(56)에서 다중 변화를 포함할 수 있다. 다른 한편으로 접착 레벨(56)의 변화는 섬유(32) 길이를 따라 접착 레벨(56)의 점진적인 증가 또는 감소와 같이 점진적으로 구성할 수 있다. 접착 레벨(56)의 단계적인 변화에 대해, 접착 레벨(56)의 증가 및/또는 감소는 섬유(32) 길이를 따라 접착 레벨(56)의 증가 및/또는 감소가 패턴으로 반복될 수 있다. 이 패턴은 접착 레벨(56)의 단일 단계별 변화로 이루어질 수 있거나 접착 레벨(56)의 다중 단계별 변화로 이루어질 수 있다. 섬유(32) 길이를 따른 접착 레벨(56)은 접착 레벨의 비교적 높고 접착 레벨이 비교적 낮은 것 사이에서 선택적일 수 있다. 주기적인 변화라는 것은 또한 섬유(32) 길이를 따라 접착 레벨(56)의 변화에 대해 일반적으로 균일, 단계별 변화, 정현적인 변화, 또는 여러 가지 다양한 구성으로 할 수 있다.
도 4a와 관련하여, 이러한 접착 레벨(56)의 변화는 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 결합(54) 강도 또는 특성을 개선시키는 것에 의해 일으킬 수 있다. 추가로, 접착 레벨(56)의 변화는 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 결합(54) 강도 또는 특성을 감소시키는 것에 의해 일으킬 수 있다. 예를 들어 섬유의 적어도 한 부위는 섬유(32) 길이의 그 부위에서 섬유(32)의 접착 레벨(56)을 감소시키기 위하여 이형제(68)를 제공 또는 코팅할 수 있다. 이형제(68)는 이에 한정하는 것은 아니지만, 고 표면 인장 코팅, FREKOTE™과 같은 몰드 이형제(68) 또는 어떤 다른 적당한 이형제(68)를 포함해서 여러 가지 적당한 이형제(68) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그 반대로, 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 접착 레벨(56)은 결합제(70)(도 4a)로 섬유(32)의 적어도 한 부위를 코팅하는 것에 의해서 증가시킬 수 있다. 결합제(70)는 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 접착성을 개선시키는 화학적인 코팅으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 이에 한정하는 것은 아니지만 글리시독시 트리메톡시실란을 포함하는 실란과 같은 결합제(70)가 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 결합(54)을 증가시키는데 섬유(32)의 적어도 한 부위를 따라 적용할 수 있다. 접착은 섬유(32)의 한 부위로부터 오염물을 제거하는 것에 의해 증가시킬 수 있다. 이러한 오염물은 오임을 포함할 수 있으며, 이것은 오염되지 않은 섬유(32)에 비해서 매트릭스(30)에 대한 섬유의 접착 레벨(56)을 감소시킬 수 있다. 섬유 표면(36)(도 4a)은 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 접착 레벨(56)을 감소시킬 수 있는 오일과 같은 오염물을 제거하기 위해서 세정 또는 처리할 수 있다. 예를 들어, 섬유(32)는 오염물을 제거하기 위해서 알코올 또는 아세톤으로 세정할 수 있다.
도 4a와 관련해서, 섬유(32)의 적어도 한 부위의 접착 레벨(56)은 섬유(32)의 표면 구성을 국지적 물리적으로 개조시키는 것에 의해 상승시킬 수 있다. 예를 들어 접착 레벨(56)은 섬유(32)의 적어도 한 부위의 표면 조도(72: surface roughness)를 증가시키는 것에 의해 상승시킬 수 있다. 이와 관련하여, 섬유(32)의 적어도 한 부위는 나머지 섬유(32) 길이에 비교해서 섬유(32)의 적어도 한 부위의 표면 조도(72)의 증가를 위해서 벗겨지거나 그렇치 않으면 처리될 수 있다. 표면 조도(72)의 증가는 작은 돌출부를 형성하는 국지적으로 비교적 섬유(32) 표면의 박막 부위를 변형시키는 것에 의해 일어날 수 있다. 상기 작은 돌출부는 섬유 표면(36)으로부터 외부 방향으로 측면으로 확장될 수 있으며 매트릭스(30)에 의해서 감싸여질 수 있다. 그리고 섬유(32)의 축 방향에서와 같이 섬유(32)와 매트릭스의 상대적인 이동에 대한 저항성의 증가를 제공하게 된다. 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 접착 레벨(58)로 표시된 섬유(32) 길이의 부위는 동일한 섬유(32)를 따른 제2 접착 레벨(6)과 비교해서 섬유의 한 부위의 접착 레벨(56)을 증가시키는 표면 조도(72)를 포함한다.
도 4b와 관련해서, 예시한 것은 섬유(32) 길이의 한 부위의 확대 단면도이다. 여기서, 섬유(32)의 상부 표면(40)은 제1 접착 레벨(58)을 가지며, 이 제1 접착 레벨(58)은 제2 접착 레벨(60)을 가질 수 있는 섬유(32)의 하부 표면 보다 높다. 제2 접착 레벨(60)은 섬유(32) 하부 표면(42)에 이형제(68)를 적용하기 때문에 제1 접착 레벨(58) 보다 낮을 수 있다. 이와 마찬가지로, 섬유(32)의 상부 표면(40)은 접착 레벨(56)을 증가시키기 위해서 표면 조도(72)가 증가하도록 처리하는 것을 포함할 수 있다. 추가로 상부 표면(40)에 그의 결합 레벨을 상승시키기 위해서 결합제(70)를 적용할 수 있다.
도 5와 관련해서, 예시한 것은 도 3의 선 5를 따라 절단한 복합체 물품(10)의 확대 단면도로서, 매트릭스(30) 내에 삽입된 복수의 섬유(32)의 층(74)을 예시하고 있다. 도에서 보는 바와 같이, 섬유(32)의 중간층(82)은 제1 접착 레벨(56)을 가지며 동시에 섬유의 최외곽층 또는 최상층(80)은 제2 접착 레벨(60)을 가질 수 있다. 여기서 제2 접착 레벨(60)은 제1 접착 레벨(58)과 다를 수 있다. 마찬가지로, 도 5에 예시한 섬유(32)의 최하층(84)은 최상층(80)의 접착 레벨(56)과 유사하할 수 있는 접착 레벨(56)로 제공될 수 있거나, 섬유(32)의 중간층(82)의 접착 레벨(56)과 유사한 접착 레벨(56)로 제공될 수 있다. 선택적으로, 섬유(32)의 최하층(84)은 중간층(82) 또는 최상층(80)과 다른 접착 레벨(56)로 제공될 수 있다.
이와 관련하여, 도 5는 복합체 물품(10)의 층(74) 중에서 또는 횡 방향으로의 접착 레벨(56)이 공간적으로 변하는 구현예를 예시한 것이다. 접착 레벨(56)이 공간적으로 변하는 배열은 다른 조합으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 예시한 층(74)의 횡 방향으로의 접착 레벨(56)의 변화는 도 4a와 4b에서 예시한 접착 레벨(56)의 변화와 유사한 어느 하나의 층(74)에서 섬유의 길이 방향에 따른 접착 레벨(56)의 변화와 조합될 수 있다. 이와 마찬가지로, 주어진 층(74)의 섬유(32) 중에서의 접착 레벨(56)의 변화는 복합체 물품(10)의 다른 층(74)의 횡 방향으로의 접착 레벨(56)의 변화와 조합될 수 있다. 추가로, 섬유-매트릭스 접착 레벨(56)은 복합체 물품(10)의 기하학적인 구조에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 접착 레벨(56)은 복합체 물품(10)에서 패널 폭(16)(도 6) 또는 패널 길이(17)(도 6), 패널 두께(18)(도 7) 또는 다른 기하학적인 파라미터에 따라 변할 수 있다.
간단히 도 7과 관련해서, 층(74) 중에서의 접착 레벨(56)의 변화는 층(74)의 스택(78) 내의 섬유(32)의 접착 레벨(56)을 점차적으로 변하는 것(예, 점진적으로 증가 또는 점진적으로 감소)을 포함할 수 있다. 층(74)의 스택(78)은 복합체 물품(10)에서의 층(74)의 수량을 나타낼 수 있다. 스택(78)의 층에서 횡 방향으로의 접착 레벨(56)의 변화는 단계별로 제공될 수 있으며, 여기서 접착 레벨(56)은 한 그룹의 층(74)으로부터 다른 그룹의 층(74)으로 가면서 변하게 된다. 한 그룹(76)의 층(74)은 단일 층(74)을 포함해서 어떤 수량으로 층(74)들이 인접해서 이루어질 수 있다. 하나 이상의 그룹(76)의 층(74)은 이하에서 상세하게 설명하겠지만, 접착 레벨(56)이 인접하는 그룹(76)의 층(74)의 접착 레벨(56) 보다 비교적 높은 접착 레벨(56)을 가질 수 있다.
더욱이, 층(74)의 횡 방향으로의 접착 레벨(56)의 변화는 층 그룹(76)의 패턴으로 제공될 수 있으며, 층 스택(78)에서 횡 방향으로 반복하는 패턴일 수 있다. 층 그룹(76)에서 각 층(74)의 섬유(32)는 인접하지 않는 그룹(76)의 층(74)의 접착 레벨(56)과 실질적으로 동일한 접착 레벨(56)을 가질 수 있다. 한 구현예에서, 층 그룹(76)에서 각 층(74)의 섬유(32)는 실질적으로 접착 레벨(56)이 동일하다. 그러나, 앞에서 나타낸 바와 같이, 본 개시 내용은 층(74)의 그룹(도 7)에 걸친 접착 레벨(56)의 변화와 조합해서 주어진 층(74) 내의 섬유(32)(도 6) 중에서 접착 레벨(56)의 변화를 포함해서 복합체 물품(10) 내에서 접착 레벨(56)의 변화를 위한 배열 조합을 고려하고 있다.
도 6과 관련하여, 예시하는 것은 패널(14) 구성에서 복합체 물품(10)의 매트릭스(30) 내에 삽입된 복수의 섬유(32) 층(74)(도 7)을 예시한 평면도로서, 여기서 패널(14)은 패널 폭(16)과 패널 길이(17)를 갖는다. 도 6은 복합체 물품(10)의 한 구현예를 예시한 것으로 접착 레벨(56)이 층(74)(도 7)의 섬유(32) 중에서 변할 수 있다. 예를 들어, 층(74)에서 하나 이상의 섬유(32)는 동일한 층(74)에서 하나 이상의 섬유(32) 보다 높은 접착 레벨(56)을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 도 6은 동일한 층(74)의 섬유(34) 그룹을 예시하고 있다. 섬유(34) 그룹은 주어진 층(74)(도 7) 내에서 어떤 수량의 인접하는 섬유(32)로 이루어질 수 있으며, 인접하는 섬유 그룹(34)과 다른 접착 레벨(56)을 가질 수 있다.
도 6은 패널(14)의 가장자리를 따라 위치하는 섬유 그룹(34)을 예시한 것이다. 섬유 그룹(34)은 제2 접착 레벨(60)을 가지는 것으로 예시되어 있다. 도 6은 제2 접착 레벨(60)을 가지는 제1 섬유 그룹(34) 사이에 위치하는 제1 접착 레벨(58)의 다른 섬유 그룹(34)을 예시하고 있다. 제1 접착 레벨(58)은 제2 접착 레벨(60)과 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 접착 레벨(58)을 가지는 섬유 그룹(34)의 위치에서, 복합체 패널(14)에 비교적 높은 강성을 제공하기 위해 제1 접착 레벨(58)이 제2 접착 레벨(60) 보다 높을 수 있다. 어떤 주어진 층(74)에서 접착 레벨(56)은 어떤 적당한 배열로 분포할 수 있으며, 도 6에 예시한 배열에 한정하는 되는 것은 아니다.
도 6과 관련해서, 어떤 주어진 층(74)(도 7)의 섬유(32) 중에서 접착 레벨(56)의 변화 또는 변경은 주어진 층(74)의 횡 방향을 따라 점진적인 증가 또는 감소 변화를 포함해서 어떤 적당한 방식으로 제공될 수 있다. 추가로, 접착 레벨(56)은 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 경계면에서의 결합(54) 강도 또는 특성을 개선시키거나 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 경계면(52)에서의 결합(54) 강도 또는 특성을 감소시키는 것에 의해서 변경할 수 있다. 예를 들어, 섬유(32) 그룹은 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 접착 레벨(56)을 감소시키기 위해서 이형제(68)로 코팅할 수 있다. 다른 한편으로, 폴리머 골격 강성 및/또는 섬유(32) 조성물의 사슬 길이를 변경하는 것과 같이 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 화학적인 결합(54)을 증가시키기 위해서 섬유(32)에 결합제(70)를 적용할 수 있다. 추가로, 섬유(32)의 표면은 오일과 같은 오염물을 제거하여 접착 레벨(56)을 증가시키기 위해서 섬유(32)를 세정하는 것과 같이 처리 또는 진행할 수 있다.
섬유(32)의 접착 레벨(56)은 또한 원래 또는 제작 상태의 섬유(32)의 표면 거칠기(72)에 비해서 섬유(32)의 표면 거칠기(72)를 상승시키는 것에 의해 증가시킬 수 있다. 도 6은 어떤 섬유(32)의 부위를 분별하기 위해 표면 거칠기(72)의 국부 적용을 예시한 것이다. 표면 거칠기(72)의 국부 적용은 섬유(32) 길이의 위치에서 접착 레벨(56)을 증가시킬 수 있다. 이 방식에서, 복합체 물품(10)에서 발사체 또는 대상물의 충격에 대해 원하는 응답을 이루어내기 위해서 주어진 층(74)에서의 섬유(32)는 접착 레벨(56)을 상승 또는 감소시키기 위해서 국지적으로 처리될 수 있다.
추가로, 섬유(32) 그룹의 접착 레벨(56)은 동일 층(74)(도 7)의 다른 섬유 그룹(34)에 있는 섬유(32)의 섬유(32) 조성과 비교해서 다른 폴리머 섬유(32) 조성물을 가지는 섬유(32)를 사용하는 것에 의해 상승시킬 수 있다. 예를 들어, 불소로 처리하지 않은 섬유(32)를 가지는 섬유 그룹(34)의 접착 레벨(56)과 비교해서 매트릭스에 대한 감소된 접착을 제공하기 위해서 불소로 처리된 섬유(32)가 층(74)(도 7)의 한 그룹 내에 포함될 수 있다. 추가로 섬유(32)에 대한 감소된 접착을 제공하기 위해서 접착 레벨(56)은 다른 매트릭스(30) 조성을 가지는 매트릭스(30)를 사용하는 것에 의해 변경될 수 있다.
도 7과 관련해서, 예시하고 있는 것은 복수의 층(74)을 가지는 복합체 물품(10)의 측면도를 개략적으로 예시한 것이다. 도 5와 관련하여 앞에서 언급한 바와 같이, 층(74)의 그룹은 층 스택(78) 중에서 접착 레벨(56)을 변하게 하여 제공될 수 있다. 층(74)의 그룹은 단일 층(74)을 포함하는 어떤 수량의 인접하는 층(74)으로 이루어질 수 있다. 도 7은 제1 접착 레벨(58)을 가지는 복합체 물품(10)의 최상 부위에서의 층(74)의 그룹과 또한 제1 접착 레벨(58)을 가지는 최하 그룹을 예시하고 있다. 최외각층(80) 사이에 위치하는 중간층(82)의 그룹은 접착 레벨(58) 보다 낮을 수 있는 제2 접착 레벨(60)을 가지는 것으로 예시되어 있다. 다른 한편으로, 층(80)의 최외곽 그룹은 제1 접착 레벨(58)을 가질 수 있고, 복합체 물품(10)의 나머지 층(74)은 제1 접착 레벨(58) 보다 높을 수 있다.
이와 관련하여, 도 7은 층(74)과 층 스택(78) 사이의 접착 레벨(56)의 변화를 예시한 것이다. 층 스택(78)에서 층(74)의 횡 방향의 접착 레벨(56)의 변화는 층 스택(78)에서 횡 방향의 접착 레벨(56)의 점진적인 증가 또는 감소 또는 변화와 같이 점진적일 수 있다. 접착 레벨(56)은 층 스택(78)에서 나머지 층(74)과 비교해서 층 스택(74) 내의 층(74) 그룹의 소정의 수량에 대해 높을 수 있다. 더욱이, 접착 레벨(56)은 스택(78)의 주어진 층(74) 내에서 변할 수 있다. 접착 레벨(56)은 층(74) 내에서 주어진 섬유(32)의 길이를 따라 또한 변할 수 있다. 예를 들어 도 7은 층(74)에서 하나 이상의 섬유(32)에 대해 표면 거칠기(72)의 국지 적용을 예시한 것이다. 접착 레벨(56)을 증가 또는 감소시키기 위해 섬유(32)에 다른 처리를 제공할 수 있다.
아직 도 7과 관련해서, 접착 레벨(56)은 복합체 물품(10) 내에서 변할 수 있다. 매트릭스(30)에 대한 원하는 섬유의 이동도를 제공하기 위해 복합체 패널(14)과 같은 복합체 물품(10) 내에서 변할 수 있다. 예를 들어, 복합체 물품(10)은 도 7에 예시한 바와 같이 반대편에 패널 표면(20)을 가지고 패널 두께(18)로 정의하는 탄도 패널(14)로서 실시될 수 있다. 패널(14)은 구성될 수 있다. 패널 표면(20)에서 가장 가까운 층(74)에 있는 섬유(32)는 패널 표면(20)의 반대편에서 가장 가까운 층(74)과 비교해서 대략 최고 90% 까지 다른 접착 레벨(56)을 갖는다. 탄도 패널(14)로서의 실시에 대해 패널 표면(20)은 도 7에 예시한 바와 같이 타격면(22)과 배후면(26)으로 이루어질 수 있다. 타격면(22)은 발사체와 같은 대상체로부터 충격을 수용할 수 있는 구조로 되어 있으며, 대상체로부터 충격을 수용하기 위하여 배향, 위치 또는 그렇치 않으면 배열되어 있을 수 있다. 배후면(26)은 타격면(22) 반대편의 판넬(14) 측면에 있을 수 있다.
타격면(22)에 가까운 층(74)에서의 섬유(32)의 접착 레벨(56)은 배후면(26)에 가까운 층(74)에서의 섬유(32)의 접착 레벨(56) 보다 클 수 있다. 타격면(22)에 가까운 층(74)에서 접착 레벨(56)을 높게 제공하는 것에 의해, 타격면(22)에 가까운 패널(14)의 부위(24)는 배후면(26)에 가까운 패널(14)의 부위(28) 보다 더 우수한 강성을 가질 수 있다. 타격면(22)의 우수한 강성은 발사체의 첨단 부위에서 변형을 일으키고 동시에 후방 부위는 계속 이동하는 타격면(22)에 충격을 가한 최초 부위에서 발사체의 에너지 흡수가 용이할 수 있다. 이와 관련하여, 비교적 단단한 타격면(22)은 층(74)의 비교적 높은 접착 레벨(56) 때문에 체재 시간(dwell time)을 상승시킬 수 있으며, 이때 발사체의 첨단 부위가 변형될 수 있다. 발사체의 첨단 부위의 변형은 발사체의 첨단 부위가 버섯 모양으로 확대되는 것으로 이루어질 수 있으며, 이것은 섬유(32)와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있고, 발사체를 감속시키기 위하여 최대 백분율의 섬유(32)를 포함할 수 있다. 추가로, 타격면(22) 가까이에서 비교적 높은 접착 레벨(56) 때문에 타격면(22) 가까이에서 복합체 물품(10)의 부위에서 비교적 높은 강성은 타격면(22)에 결합될 수 있는 추가되는 유리 및/또는 세라믹(도시하지 않음)에 대한 단단한 지지체를 제공할 수 있게 된다.
추가 구현예로서, 복합체 물품(10)은 복합체 물품(10)의 인접하는 층(74)에 비해서 적어도 하나의 층(74)(도 7)에서 조절된 층간 박리를 제공하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 7을 참고하면, 복합체 물품(10)은 적어도 한 쌍의 층(74)이 복합체 물품(10)의 하나 이상의 나머지 층 사이의 접착 레벨(56)에 비해서 낮은 접착 레벨(56)로 함께 결합되는 것과 같이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 예시한 복합체 물품(10)은 한정하는 것은 아니지만, 복합체 물품(10)의 층 스택(78) 내에서 적어도 한 쌍의 인접하는 층(74) 사이의 제로 강도 결합을 포함하는 낮은 접착 레벨(56)로 조립될 수 있다. 비한정 구현예로서, 하나 이상 인접하는 층(74)에 대해 비교적 낮은 접착 레벨(56)을 가지는 층(74)은 층 스택(78)의 깊이를 통해서 대략적으로 중간에 위치할 수 있다. 그러나, 낮은 접착 레벨(56)을 가지는 한쌍 이상의 층(74)을 위한 층 스택(78) 내에서의 위치의 선택은 층 스택(78) 내에서 어떤 위치일 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 인접하는 층(74)으로서 비교적 낮은 접착 레벨(56)을 가지는 층(74)는 복합체 물품(10)의 배후면(26)에 인접하는 복합체 물품(10)의 부위에 위치할 수 있다.
이렇게 비교적 낮은 접착 레벨(56)은 복합체 물품(10)으로부터 그러한 층(74)(도 7)의 적어도 일부의 층간 박리의 조절이 용이할 수 있으며 그러한 층간 박리된 층(74) 또는 그의 부위는 탄도 이벤트와 같은 파괴 이벤트 시에 측면으로 (예를 들어, 일반적으로 층(74)의 평면과 나란하게) 또는 횡 방향으로(예를 들어, 일반적으로 층(74)의 평면과 수직하게) 이동을 가능하게 할 것이다. 예를 들어, 비교적 낮은 접착 레벨(56)을 가지는 층(74)을 층 스택(78) 내의 중간층(82)(도 7) 사이와 같이 중간 위치에 위치시키는 것에 의해, 복합체 물품(10)의 낮은 부위가 조절된 방식으로 복합체 물품(10)의 상부 부위로부터 층간 박리될 수 있다. 이러한 조절된 층간 박리는 복합체 물품(10)의 상부 부위에 비교해서 낮은 부위의 측면(예, 평면에서)으로의 이동 및/또는 횡 방향(예, 평면 밖으로)으로의 이동을 가능하게 하여 층간 박리된 층(74)이 발사체의 운동 에너지를 흡수하고 및 발사체를 감속시키게 한다.
이와 관련하여, 복합체(10)의 층간 박리된 층(74)(도 7) 또는 부위들은 복합체 물품(10)의 나머지 부위 보다 넓은 범위로 유리하게 변형 및 편향될 수 있다. 이러한 층간 박리된 층(74)의 증가된 편향 또는 변형은 층(74)이 층간 박리됨으로써 발사체의 에너지 흡수와 발사체의 감속을 용이하게 할 수 있다. 낮은 접착 또는 접착이 없는 층의 통과-두께 위치의 선택은 섬유(32)와 매트릭스(30)의 재료 특성, 층간 박리된 층(74)의 원하는 파괴 모드를 포함하는 복합체 물품(10)의 원하는 파괴 모드 및 다른 인자 들을 기초로 할 수 있다.
도 5와 관련해서, 섬유(32)는 어떤 적당한 구성으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 섬유(32)는 도 5에 예시한 바와 같이, 섬유(32)가 일반적으로 길게 연장된 단면 형상을 갖도록 각각 섬유 두께(46) 및 섬유 폭(48)을 가질 수 있다. 단면 형상은 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 경계면에 빛의 산란을 최소화할 수 있도록 비교적 납작하게 또는 실질적으로 편평한 섬유 표면(36)으로 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 일반적으로 실질적으로 편평한 상부 및 하부 표면(40)을 가지는 길게 연장된 형상의 섬유(32)는 복합체 물품(10)의 광학 품질을 개선시킬 수 있다.
추가로, 실질적으로 편평한 섬유 표면(36)(도 5)은 바람직하기로는 실질적으로 복합체 물품(10)의 물품 표면(12)에 나란하게 배향된다. 그러나, 섬유 표면(36)은 물품 표면(12)에 대해 어떤 원하는 배향으로 배향될 수 있도록 섬유(32)는 매트릭스(30) 내에 삽입될 수 있다. 추가로, 도 5에서는 실질적으로 편평하게 예시되어 있지만, 섬유 표면(36)은 약간 굴곡(예, 약간 오목하게, 약간 볼록하게, 크라운형으로)될 수 있으며, 엄밀히 실질적으로 편평하거나 평탄한 프로필에 한정하는 것은 아니다. 추가로, 측면 가장자리(44)가 서로 접촉 관계에 있도록 섬유(32)가 배열될 수 있다고 할지라도 측면 가장자리(44)가 서로 공간을 두고 배치되도록 섬유를 배열하는 것이 바람직하다. 추가로, 일반적으로 사각형 형상으로 예시하였지만, 섬유(32)는 여기에 한정하는 것은 아니며, 다각형, 사변형, 사각형, 직사각형 및 어떤 다른 적당한 형태를 포함하는 어떤 적당한 단면 형상으로 제공될 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 섬유(32)는 어떤 적당한 섬유(32) 재료로 이루어질 수 있으며, 바람직하기로는, 광학적으로 투명한 섬유(32) 재료로 이루어지는 것이다. 이와 마찬가지로, 매트릭스(30)는 어떤 적당한 매트릭스(30) 재료로 형성될 수 있으며, 바람직하기로는 실질적으로 광학적으로 투명한 폴리머성 매트릭스(30) 재료로 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 접착 결합(54) 간의 경계면(52)(도 5)은 실질적으로 광학적으로 투명할 수 있다. 그러나, 복합체 물품(10)은 매트릭스(30), 섬유(32) 및/또는 경계면(52)을 불투명하게 구성하거나 복합체 물품(10)의 길이나 폭을 따라 실질적으로 광학적으로 투명한 것에서 실질적으로 불투명한 것으로 변하는 광학 투명도가 변하는 레벨을 가지도록 구성할 수 있다.
매트릭스(30) 및 섬유(32)는 어떤 적당한 열가소성, 열경화성 수지 또는 유리 재료로 형성할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스(30) 및/또는 섬유(32)는 다음과 같은 재료 중 적어도 하나로 이루어지는 열가소성 재료로 형성할 수 있다. 즉, 플로로카본, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 및 어떤 다른 적당한 열가소성 재료가 있다. 이와 마찬가지로, 섬유(32)와 매트릭스(30)는 열경화성 재료로 형성할 수 있으며, 다음 중에서 어느 하나를 포함한다. 즉, 폴리우레탄, 페놀, 폴리이미드, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 에폭시 및 어느 다른 적당한 열경화성 재료가 있다. 추가로, 섬유(32) 및/또는 매트릭스(30)는 E-유리(알리미노-보로실리케이트 유리), S-유리(알루미노 실리케이트 유리), 순수 실리카, 보로실리케이트 유리 및/또는 광학 유리로 이루어진 유리로 형성할 수 있다.
추가로, 복합체 물품(10)(도 1~10)은 다양한 다른 형상, 크기 및 형태 중 어느 하나로 구성할 수 있다. 예를 들면, 복합체 물품(10)은 어떤 운송 또는 비운송 분야에 사용하기 위하여 구성할 수 있다. 이와 관련하여, 복합체 물품(10)은 항공기와 같은 운송 수단의 투명화를 위해서 구성될 수 있다. 예를 들어, 복합체 물품(10)은 항공기의 바람막이 또는 덮개(비행기 조종석의 투명한)를 구성할 수 있다. 복합체 물품(10)은 멤브레인, 구조형 패널, 건축상의 패널(14) 또는 물품으로 구성할 수 있다. 또한 복합체 물품(10)의 어떤 다른 실t시를 위해 구성할 수 있다.
복합체 물품(10)은 추가로 복합체 물품(10) 내에서 접착 특성(도 5)이 변하도록 구성할 수 있다. 여기서, 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 접착 특성(62)은 복합체 물품(10) 내에서 공간적으로 변하게 할 수 있다. 접착 특성(62)은 도 5에서 예시한 바와 같이 경계면(52)에서와 같이 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 접착 결합(54)의 특성을 나타낼 수 있다. 접착 특성(62)은 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 접착 레벨(56)의 공간 변화와 관련하여 위에서 기재한 어떤 배열 수량에서 복합체 물품(10) 내 또는 전체적으로 공간적으로 변할 수 있다.
접착 특성(62)은 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 변할 수 있는 상대 강도, 강성, 연성, 파괴 변형율 및 다른 접착 특성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 섬유(32)의 일부를 따라 또는 전체 섬유(32) 길이를 따라 접착 결합(54)에서 접착 특성(62)의 주기적인 변화와 같이 접착 특성은 하나 이상의 섬유(32)의 길이를 따라 변할 수 있다. 추가로, 접착 특성(62)은 복합체 물품(10) 내에서 층(74)(도 5)의 섬유 중에서 변할 수 있다. 예를 들어, 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 접착 강성은 층(74) 내에서 섬유(32)로부터 섬유(32)까지 변할 수 있다. 이와 관련하여, 하나 이상의 층(74) 또는 층의 그룹은 인접하는 층(74)의 그룹 보다 비교적 높은 강성을 가질 수 있다. 접착 특성(62)은 복합체 물품(10)의 국지 부위에서의 강성을 상승시키기 위해서 층(74)으로부터 층(74)(도 5-6)까지 변할 수 있거나 또는 층 그룹(76)(도 7) 사이에서 변할 수 있다.
예를 들어, 도 4a-4b는 섬유(32)의 한 부위에서의 제1 접착 특성(64)과 동일한 섬유(32)의 다른 부위에서의 접착 특성(66)을 예시한 것이다. 도 6은 패널(14)의 가장자리에 인접해서 위치하는 섬유 그룹(34)에서의 제1 접착 특성(64)과 제1 접착 특성(64)을 가지는 섬유 그룹(34)의 중간에 위치하는 섬유 그룹(34)에서 제2 접착 특성을 예시한 것이다. 마찬가지로, 도 7은 패널(14)의 최상 부위 가까이에 있는 층 그룹(76)에서 제1 접착 특성과 제1 접착 특성(64)을 가지는 층 그룹(76) 아래에 위치하고 있는 층 그룹(76)에서 제2 접착 특성(66)을 예시한 것이다.
예를 들어, 복합체 물품(10)은 도 7에 예시한 최상부 물품 표면(12)과 같이 물품 표면(12)과 가장 가까운 층(74))에 대해 섬유(32)와 매트릭스(30) 간의 접착 결합(54)의 강성을 접착 특성(62)(도 4a-7)이 높게 되도록 구성할 수 있다. 역으로, 반대편 또는 최하부 물품 표면(12)과 가까운 층(74)에서 섬유(12)와 매트릭스(30) 간의 접착 결합(54)은 도 7에서 예시한 최상부 물품 표면(12) 가까이에 있는 층(74)에서 접착 결합(54)의 강성보다 낮을 수 있다. 추가로 섬유-매트릭스 접착 레벨(56)(도 6-7)은 탄도 상황과 같은 상황시 서로 인접하는 층(74)의 층간 박리 또는 분리를 조절하기 위해서 공간적으로 변할 수 있다. 이와 관련하여 접착 특성(62)은 접착 레벨(56)의 공간 변화와 관련해서 상기에서 기재한 것과 유사하게 원하는 배열에서 복합체 물품(10) 내에서 공간적으로 변할 수 있다.
도 12와 관련하여, 예시한 것은 복합체 물품(10)을 제조하기 위한 방법에서 실시할 수 있는 하나 이상의 절차에 대한 플로우차트를 예시한 것이다. 도 12의 단계 302는 도 1-5에 예시한 것과 유사한 매트릭스(30) 내에서 적어도 부분적으로 복수의 섬유가 삽입되는 것을 포함할 수 있다. 섬유(32)는 적어도 부분적 또는 전체적으로 매트릭스(30) 내에 삽입될 수 있다. 추가로 섬유(32)는 도 2-3에서 예시한 바와 같은 크로스-플라이 배열을 포함하는 어떤 적당한 배열로 배향될 수 있다. 그러나, 섬유(32)의 층(74)은 인접하는 층(74)에 대해 다양한 각도 중 어떤 하나의 각도로 배향될 수 있다.
도 12의 방법의 단계 304는 매트릭스(30)에 섬유(32)를 원하는 접착 레벨(62)(도 4a-7)로 결합하는 것을 포함할 수 있다. 접합 레벨(56)은 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 경계면에서 결합(54)의 강도로 대표될 수 있으며, 섬유(32) 길이를 따른 결합(54)의 강도로 이루어질 수 있다. 접착 특성(62)은 상대 강도, 강성, 연성, 파괴 변형율 및 접착 결합(54)의 다른 특성을 포함할 수 있으며 복합체 물품(10) 전체적으로 변할 수 있다.
도 12에 예시한 방법의 단계 306은 복합체 물품(10)의 원하는 구성 또는 수행 목표에 따라 복합체 물품(10) 내에서 공간적으로 접착 레벨(56)(도 4a-7)과 접착 특성(62)(도 4a-7) 중 적어도 하나에서 변화를 포함할 수 있다. 예를 들면, 단계 308은 적어도 하나의 섬유(32)의 길이 또는 길이의 일부를 따라 접착 레벨(56)과 접착 특성(62)이 변하는 것으로 이루어질 수 있다. 도 4a와 관련하여 상기에서 기재한 바와 같이, 섬유(32) 길이의 한 부위에서의 접착 레벨(56)은 섬유(32) 길이의 다른 부위에서 접착 레벨(56)과 다를 수 있고 그리고 결합제, 이형제(68)(도 4a-6)를 적용하는 것에 의해 실시할 수 있거나 섬유(32) 길이의 일부를 따라 섬유 표면(36)에 대한 표면 거칠기(72)(도 4a-6)를 적용하는 것에 의해 실시할 수 있다. 추가로 접착 레벨(56)은 섬유(32)와 매트릭스(30) 사이의 화학적으로 변경시키는 것에 의해 변하게 할 수 있다. 예를 들어, 나머지 섬유(32)와 비교해서 매트릭스(30)에 대한 접착 레벨을 증가 또는 감소시키기 위해서, 복합체 물품(10)에서 하나 이상의 섬유는 나머지 섬유(32)와 다른 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 불소로 처리된 섬유(32)가 불소로 처리되지 않은 섬유(32)와 비교해서 매트릭스에 대한 감소된 접착을 제공할 수 있다.
도 12에 예시한 방법의 단계 310는 도 6에 예시한 것과 유사하게 층(74)의 적어도 하나의 섬유(32) 중에서 접착 레벨(56) 및/또는 접착 특성(62)이 변하는 것으로 이루어진다. 예를 들어, 도 6은 서로 인접하게 배치되어 있는 하나 이상의 섬유로 이루어질 수 있는 섬유 그룹(34)을 예시한 것이며, 다른 접착 레벨(56) 또는 접착 특성(62)을 제공할 수 있다. 층(74)의 섬유(32) 중에서 접착 레벨(56) 및/또는 접착 특성(62)은 결합제(70), 이형제(68), 표면 거칠기(72) 또는 다른 섬유(32) 또는 매트릭스(30) 조성을 적용하는 것에 의해 변하게 할 수 있다.
단계 312는 층 스택(78) 내에서 층(74) 사이 또는 층(74) 그룹의 횡 방향으로 접착 레벨(56) 및/또는 접착 특성(62)이 변하는 것으로 이루어질 수 있다. 이와 관련하여, 도 7은 인접하는 층(74) 그룹의 접착 레벨(56)과 다른 접착 레벨(56)을 가지는 하나 이상의 층(74)을 포함할 수 있는 층 그룹(76)을 예시하고 있다. 층 그룹(76)은 균일하거나 반복될 수 있고 층 스택(78)의 횡 방향으로 점진적으로 증가 또는 감소할 수 있는 패턴으로 제공될 수 있다. 접착 레벨(56)은 복합체 패널(14)에 발사체의 충격과 같은 상황을 위해 복합체 물품(10)의 원하는 응답을 이룰 수 있도록 최적화될 수 있다.
도 8과 관련해서, 예시한 것은 복합체 물품(10)의 컴퓨터 시물레이션으로서, 여기서 복합체 물품(10)은 매트릭스(30)에 삽입된 섬유(32)의 층(74)을 가지는 패널(14)로 구성되어 있으며, 섬유(32)의 축 방향으로 따라 매트릭스 내에서 섬유(32)의 상대 이동을 예시하고 있다. 앞에서 표시한 바와 같이, 섬유(32)의 접착 레벨(56)은 이벤트에 포함될 수 있는 섬유(32)의 길이를 조절하는 방식으로 매트릭스(30)에 대해서 원하는 정도로 섬유(32)의 이동이 용이하도록 재단되어 있다. 접착 레벨(56)은 패널(14)을 충격할 때 발사체의 조절된 변위를 제공하도록 재단될 수 있다. 진실로, 접착 레벨(56)은 섬유(32) 파괴 전에 발사체의 운동 에너지를 섬유(32)가 최대한 흡수할 수 있도록 섬유(32)의 변위를 최대로 하는 것을 용이하게 조절될 수 있다.
이와 관련하여, 접착 레벨(56)은 충격 상황시 섬유(32)가 이동하는 거리를 규제하도록 섬유(32)의 변위를 조절할 수 있다. 접착 레벨(56)은 복합체 물품(10)의 주어진 적용 및 기능을 위해서 최적화될 수 있다. 접착 레벨(56)은 바람직하게 매트릭스(30)에 대한 섬유(32)의 과도한 풀아웃(pullout)을 피하기 위한 방식으로 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 변하게 하는 것이 바람직하다. 매트릭스(30)에 대한 섬유(32)의 과도한 풀아웃은 섬유(32) 파손 없이 섬유(32) 사이를 끼어드는 발사체에서 기인하게 될 것이다. 반대로, 과도하게 높은 접착 레벨(56)은 섬유(32)의 최대 변형에 도달할 때 섬유(32)의 조기 파손으로 인한 인장 부하에 대해 반응하는 비교적 짧은 섬유(32) 길이에서 기인할 것이다.
추가로, 복합체 물품(10)은 충격 상황시 복합체 물품(10)의 파괴 모드를 조절하도록 구성될 수 있다. 파괴 모드는 복합체 물품(10)에서 접착 레벨(56) 및/또는 접착 특성(62)의 변화를 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다. 예를 들면, 층(74)으로부터 층까지의 접착 레벨(56)을 변화시키는 것에 의해, 복합체 물품(10)의 파괴 모드는 복합체 물품(10) 또는 패널(14)의 깊이의 함수로서 조절될 수 있다. 이와 관련하여, 본 개시 내용은 탄도 성능을 개선시키기 위한 시도에서 전체 패널(14) 강성의 증가를 좌우할 수 있는 직관적인 접근에 대해 상반될 수 있는 복합체 물품(10) 전체에 걸쳐 접착 레벨(56)을 변화시키기 위한 배열을 제공한다.
반대로, 본 개시내용은 탄도 성능을 개선시키는 방식에서 패널(14) 강성의 조절을 위해 접착 레벨(56)과 접착 특성(62)의 공간적인 변화를 용이하게 한다. 예를 들어, 복합체 물품(10)은 타격면(22)에 인접하는 패널(14)의 부위에서 패널(14) 강성이 국지적으로 증가하도록 구성할 수 있으며, 복합체 패널(14)의 나머지 깊이 전체에 걸쳐 비교적 낮은 접착 레벨(56)이 되도록 구성할 수 있다. 패널(14)의 나머지 부위에서의 감소된 강성은 매트릭스(30)에 대해서 많은 정도로 섬유(32) 이동을 용이하게 할 수 있다. 그래서 섬유(32)의 파괴 이전에 발사체의 감속을 용이하게 할 수 있게 많은 부위의 섬유(32)를 충격 이벤트에 포함시킬 수 있다.
도 9와 관련하여, 예시한 것은 복합체 패널(14)의 타격면(22)에 발사체(112)에 의한 충격 이후에 복합체 패널(14)의 배후면(26)을 보여주는 컴퓨터 시뮬레이션 충격 이벤트(100)이다. 컴퓨터 시뮬레이션 충격 이벤트(100)에서 도 1-5에 예시한 것과 유사하고, 지시 방향(108)을 따라 크로스-플라이 형상으로 배열된 섬유(32)로 이루어진 패널(14)을 충격하는 발사체(112) 또는 대상체(110)는 5.5mm의 스틸 볼이었다. 도 9에서, 발사체(112)의 이동 방향은 화살표 114로 예시되어 있다. 컴퓨터 시뮬레이션된 충격 이벤트(100)에서의 복합체 패널(14)은 배후면(26)을 통해서 관통하기 전에 발사체(112)의 감속 및 포획이 용이한 접착 레벨(56)로 구성되어 있다. 도 9에서 보는 바와 같이, 충격 이벤트는 지시 방향(102)을 따라 섬유(32) 이동을 초래하게 되며, 추가로 층(74)의 층간 박리 및 매트릭스 분열(104)은 물론 섬유 해체(106)를 초래하게 된다. 이와 관련하여, 도 9는 복합체 패널(14)을 통해서 발사체(112)의 완벽한 관통을 방해하는 섬유(32)의 축 변위를 초래하는 공간적으로 변하는 접착 레벨(56) 및 접착 특성(62)을 나타내고 있다.
도 10과 관련하여, 예시한 것은 파괴 이벤트에서 섬유(204)의 성능으로 접착 레벨(56)의 효과를 결정하기 위하여 섬유(204) 구성과 다른 매트릭스(206)의 접착 레벨(56)(도 4a-7)의 변화를 증명하기 위한 풀아웃 시험의 시험 셋업(200)이다. 잘 알려진 최고의 인장 강도 및 강성을 가지는 복수의 섬유(204)가 다른 표면 처리로 제조되었다. 표면 처리 중 하나는 아세톤으로 섬유(204)를 세정하는 것에 의해 오염물을 제거하는 것을 포함한다. 다른 표면 처리는 섬유(204)의 하나를 벗기는 것에 의해 표면 거칠기(72)(도 4a-6)를 적용하는 것을 포함한다. 또한 표면 처리는 섬유(204)와 매트릭스(206) 간의 접착 레벨(56)이 감소되게 FREKOTE™을 사용하여 섬유(204) 중 하나에 이형제(68)(도 6)를 적용하는 것을 포함한다. 시료(202) 중 하나는 수용된 조건하에서 섬유(204)로 제조하였으며, 여기서 섬유(204)는 섬유 표면(36)(도 5)에 오일이 포함되어 있다. 도 10에서와 같이, 복수의 시료(202)는 에폭시 매트릭스(206) 내에 삽입된 다른 섬유(204)로 제조되었으며, 매트릭스(206) 외부로 확장되어 있는 섬유(204) 테일을 갖는다. 섬유(204) 매트릭스(206) 복합체의 시료(202)는 하중 셀(208)에 부착되어 있는 시료 홀더(210)에 삽입되어 있다. 섬유(204) 테일은 캡스턴(212)에 부착되어 있다. 도 10에 예시한 바와 같이 인장 하중이 적용되고 캡스턴(212)이 변위된 것으로 기록되었다.
도 11과 관련하여, 예시한 것은 섬유 응력(214)의 그래프로서, 섬유(204)(도 10)과 매트릭스(도 10) 사이의 경계면(52)(예, 도 4a-5)에서 도달할 수 있는 접착 레벨(56)(예, 도4a-7)에서의 표면 처리 또는 그의 부족의 중요성을 예시하고 있다. 도 11에서 보는 바와 같이, 매트릭스(206)로부터 풀아웃되기 전 35 ksi의 응력이 얻어진 것이 'as-received" 섬유(도 11에서 "As Received"로 표시)이다. 반대로 아세톤으로 세정된 섬유(204) 구성(도 11에서 "Acetoned"으로 표시)이고, 아세톤으로 세정되고 이형제(68)가 코팅된 섬유(204) 구성(도 11에서 "Frekoted")으로 매트릭스(206)로부터 풀아웃 전에 대략 9 ksi의 섬유 응력(214)이 얻어졌다. 섬유(204)(도 10) 구성은 마모시키는 것에 의해 표면 거칠기(72)(예, 도 4a-6)를 적용한 섬유(204)(도 10)의 구성은 매트릭스(206)로부터 풀아웃되기 전에 81ksi의 인장 응력이 얻어지는 높은 접착 레벨(56)을 제공한다. 명백히, 다른 섬유(204) 구성의 풀아웃시에 얻어진 섬유 응력(214)은 모두 섬유(204)(도 10)와 매트릭스(206)(도 10) 간의 경계면(52)(예, 도 4a-5)이 매트릭스(206)와 함께 접착 레벨(56)(예, 도 4a-7)을 증가시킬 수 있도록 최적화되어 있는 것을 나타내는 섬유(204)의 150 ksi의 인장 응력 이하이다.
본 개시 내용의 추가적인 개조 및 개선하는 것은 이 기술분야의 통상의 기술자에게는 자명할 수 있다. 따라서, 여기서 개시하고 예시한 부분의 특별한 조합은 본 개시 내용의 어떤 구현예를 나타내려고 하는 의도가 있는 것이며, 본 개시 내용의 정신과 범위 내에서 선택적인 구현예 또는 장치의 한정을 제공할 의도는 있지 않다.
10: 복합체 물품
12: 물품 표면
14: 복합체 패널
16: 패널 폭
17: 패널 길이
18: 패널 두께
22: 타격면
26: 배후면
30: 매트릭스
32: 섬유
36: 섬유 표면
40: 상부 표면
42: 하부 표면
44: 측면 가장자리
50: 섬유축
52: 경계면
54: 접착 결합
56: 접착 레벨
58: 제1 접착 레벨
60: 제2 접착 레벨
62: 접착 특성
68: 이형제
70: 결합제
72: 표면 거칠기
74: 층
78: 스택
80: 최외곽층 또는 최상층
82: 중간층
84: 최하층
200: 시험 셋업
202: 시료
204: 섬유
206: 매트릭스
208: 로드셀
210: 시료 홀더
212: 캡스턴
214: 섬유 응력

Claims (13)

  1. 복수의 층(74)을 구비하는 복합체 물품으로서,
    상기 복수의 층이,
    매트릭스(30) 내에 적어도 부분적으로 삽입되어, 접착 레벨에서 상기 매트릭스(30)에 접착되는 복수의 섬유(32)를 갖추되;
    상기 접착 레벨이 상기 섬유(32) 중 적어도 하나의 길이를 따라 변하고;
    상기 접착 레벨의 변화가, 비교적 높은 접착 레벨과 비교적 낮은 접착 레벨 사이의 섬유 길이에 따른 접착 레벨의 주기적인 변화를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 층(74)의 적어도 하나의 섬유(32) 사이에서의 접착 레벨의 변화는 인접하는 섬유의 그룹과 다른 접착 레벨을 가지는 섬유의 그룹을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 상기 층의 일부는 층 스택(78)을 형성하고, 상기 층을 가로지르는 접착 레벨의 변화는 인접하는 층의 그룹의 접착 레벨과 다른 접착 레벨을 가지는 층(74)의 그룹을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 섬유(32) 중 하나의 적어도 한 부위는 상기 섬유의 접착 레벨을 감소시키는 이형제(68)를 갖는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 섬유(32) 중 하나의 적어도 한 부위는 상기 섬유의 접착 레벨을 상승시키는 결합제(70)를 가지는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 섬유(32) 중 하나의 적어도 한 부위는 상기 섬유의 나머지 부위와 비교해서 다른 표면 거칠기를 가지고 결과적으로 높은 접착 레벨로 되는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 섬유 중 적어도 하나는 광학적으로 투명한 섬유를 포함하고 있고; 상기 매트릭스(30)는 광학적으로 투명한 폴리머성 매트릭스를 포함하고 있으며; 상기 섬유와 상기 매트릭스(30)는 광학적으로 투명한 경계면을 정의하고 있는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 중 적어도 하나와 상기 복수의 섬유 중 적어도 하나는
    플루오로카본, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 중 적어도 하나를 포함하는 열가소성 물질; 폴리우레탄, 페놀, 폴리이미드, 비스말레이미드, 폴리에스테르, 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 열경화성 물질 및 유리 중에서 적어도 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합체 물품.
  10. 복합체 물품을 제조하는 방법으로서,
    다수의 층(74)을 제공하는 단계;
    매트릭스(30) 내에 적어도 부분적으로 복수의 섬유(32)를 삽입하는 단계;
    접착 레벨에서 상기 매트릭스(30)에 상기 섬유(32)를 부착시키는 단계; 및
    상기 접착 레벨을 상기 섬유(32) 중 적어도 하나의 길이를 따라 변화시키는 단계를 구비하되,
    상기 접착 레벨의 변화가, 비교적 높은 접착 레벨과 비교적 낮은 접착 레벨 사이의 섬유 길이에 따른 접착 레벨의 주기적인 변화를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합체 물품의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 층의 섬유(32) 사이에서 상기 접착 레벨을 변화시키는 단계는 층의 섬유(32)의 그룹 중에서 점진적인 방식과 섬유(32)의 그룹에서 접착 레벨을 변화시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 물품의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 다수의 층(74)의 적어도 일부는 층의 스택(78)을 형성하고, 적어도 두 개의 층(74) 사이의 접착 레벨을 변화시키는 단계는 상기 층의 스택(78) 내의 상기 다수의 층(74)의 적어도 하나의 그룹 중에서 접착 레벨을 변화시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 물품의 제조방법.
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