KR102214131B1 - 복합 물품에서의 결합된 섬유 - Google Patents

복합 물품에서의 결합된 섬유 Download PDF

Info

Publication number
KR102214131B1
KR102214131B1 KR1020167006482A KR20167006482A KR102214131B1 KR 102214131 B1 KR102214131 B1 KR 102214131B1 KR 1020167006482 A KR1020167006482 A KR 1020167006482A KR 20167006482 A KR20167006482 A KR 20167006482A KR 102214131 B1 KR102214131 B1 KR 102214131B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fibers
connection
layer
fiber
composite structure
Prior art date
Application number
KR1020167006482A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160098162A (ko
Inventor
마이클 피. 코자르
마크 에스. 윌렌스키
다니엘 씨. 스탠리
Original Assignee
더 보잉 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US14/106,742 external-priority patent/US9242427B2/en
Application filed by 더 보잉 컴파니 filed Critical 더 보잉 컴파니
Publication of KR20160098162A publication Critical patent/KR20160098162A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102214131B1 publication Critical patent/KR102214131B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/20—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in a single direction, e.g. roofing or other parallel fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/22—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least two directions forming a two dimensional structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/08—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer the fibres or filaments of a layer being of different substances, e.g. conjugate fibres, mixture of different fibres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0471—Layered armour containing fibre- or fabric-reinforced layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0492—Layered armour containing hard elements, e.g. plates, spheres, rods, separated from each other, the elements being connected to a further flexible layer or being embedded in a plastics or an elastomer matrix
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2007/00—Flat articles, e.g. films or sheets
    • B29L2007/002—Panels; Plates; Sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/768—Protective equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Aiming, Guidance, Guns With A Light Source, Armor, Camouflage, And Targets (AREA)
  • Woven Fabrics (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

복합 구조체는 적어도 부분적으로 매트릭스 내에 매립된 복수의 섬유(30)를 포함할 수 있다. 섬유는 적어도 하나의 접속 사이트(80)에서 서로 접속될 수 있다.

Description

복합 물품에서의 결합된 섬유 {COUPLED FIBERS IN COMPOSITE ARTICLES}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 복합물에서의 선택적으로 결합된 섬유라는 명칭으로 2010년 12월 15일에 출원되어 심사계류 중인 미국 출원 시리얼 번호 제12/968,575호의 연속 출원으로서 그 우선권을 주장하고 있다.
분야
본 발명은, 일반적으로 복합물, 특히 향상된 탄도 성능을 위해 결합된 섬유를 가진 섬유 강화 복합 구조체(composite structures)에 관한 것이다.
복합 구조체는 전형적으로 섬유가 매트릭스(matrix)에 매립되어 있는 섬유로 강화된 매트릭스를 구비한다. 복합 구조체는 섬유의 길이를 따라 부하(load)를 전송하도록 설계되어 있다. 하나의 섬유로부터의 부하는 매트릭스 재료를 통과함으로써 동일한 층의 다른 섬유 또는 인접한 층의 섬유로 전송될 수 있다. 그렇지만, 매트릭스는, 충분히 높은 부하가 매트릭스를 가로질러 하나의 섬유로부터 다른 섬유로 전송될 때 매트릭스가 실패하도록 섬유보다 전형적으로 약하다. 매트릭스의 실패는, 섬유가 복합 구조체 내에서 측면으로(횡방향으로) 이동하도록 한다.
복합 패널(composite panel)이 발사체에 의해 충격을 받을 수 있는 탄도 이벤트(ballistic event) 중에, 측면으로 또는 옆으로(sideways) 이동하는 섬유의 능력(ability)은 복합 패널의 전체의 탄도 성능에 일반적으로 불리하다. 예를 들어, 측면으로 이동하는 매트릭스 내의 섬유의 능력은 발사체가 섬유 사이에 끼워 넣어지도록 한다. 섬유 사이에서의 발사체의 끼워 넣어짐(wedging)은 발사체가 섬유를 파쇄하지 않고 복합 패널의 두께를 관통하도록 한다. 이와 관련하여, 섬유의 횡방향 이동 및 발사체의 후속의 끼워 넣어짐은 패널의 탄도 성능 능력을 감소시킨다.
알 수 있는 바와 같이, 탄도 성능이 향상될 수 있도록 섬유의 횡방향 이동에 감소된 민감성(susceptibikity)을 제공하는 복합 구조체에 대한 기술의 필요성이 존재한다. 섬유의 횡방향 이동에 대한 감소된 민감성은 또한 복합 구조체의 정적 및/또는 의사 정적 로딩(quasi-static loading) 중에 복합 구조체의 구조적 성능이 향상될 수도 있다.
탄도 응용(ballistic application) 및 구조적 응용(structural application)에 대한 복합 구조체와 관련된 전술한 요구는, 실시예에서 매트릭스 내에 매립(embed)된 복수의 섬유(fiber)를 갖는 복합 구조체를 제공하는 본 발명에 의해 구체적으로 해결되고 완화된다. 섬유는 서로 실질적으로 평행하게 배향될 수 있는 제1 섬유와 제2 섬유를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 섬유는 하나 이상의 접속 사이트(connection sites)에서 서로 접속될 수 있다.
다른 실시예에서는, 매트릭스 내에 매립된 복수의 섬유를 갖는 복합 구조체(composite structure)가 개시되어 있다. 섬유는 서로 실질적으로 평행하게 배향될 수 있는 제1 섬유와 제2 섬유를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 섬유는 제1 평면(plane)에 배열될 수 있으며, 복수의 접속 사이트에서 서로 접속될 수 있다.
서로에 대해 실질적으로 평행한 관계로 복수의 섬유를 배열하는 단계를 포함할 수 있는 복합 구조체를 제조하는 방법이 추가적으로 개시되어 있다. 복수의 섬유는 제1 및 제2 섬유를 포함할 수 있다. 이 방법은 적어도 하나의 접속 사이트에서 제1 섬유를 제2 섬유에 접속하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 방법은 매트릭스 내에 복수의 섬유를 매립하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 적어도 부분적으로 매트릭스 내에 매립된 복수의 섬유를 포함할 수 있는 복합 구조체가 개시되어 있다. 섬유는 복수의 접속 사이트에서 서로 접속될 수 있다. 각 접속 사이트는 접속 유형(connection type) 및 접속 품질(connection quality)을 가질 수 있다. 접속 사이트 중 적어도 2개는 다른 접속 유형 및/또는 다른 접속 품질을 가질 수 있다.
다른 실시예에서는, 적어도 부분적으로 매트릭스 내에 매립된 복수의 섬유를 포함하는 복합 구조체가 개시되어 있다. 섬유는 2개 이상의 층(layer)에 배열될 수 있다. 적어도 하나의 층의 섬유 중 적어도 하나는 다른 층의 섬유 중 적어도 하나에 접속될 수 있다.
본 발명은 또한 복합 구조체를 제조하는 방법을 포함하고 있다. 이 방법은 복수의 섬유를 제공하는 것, 접속 사이트에서 적어도 섬유의 일부를 서로 접속하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 추가적으로 다른 접속 유형 및/또는 다른 접속 품질을 접속 사이트 중 적어도 2개에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 매트릭스 내에 섬유를 매립하는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서는, 2개 이상의 층에 복수의 섬유를 배열하는 것을 포함할 수 있는 복합 구조체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 적어도 하나의 층의 섬유 중 적어도 하나를 다른 층의 섬유 중 적어도 하나에 접속하는 것, 및 섬유를 매트릭스 내에 매립하는 것을 포함할 수 있다.
논의된 특징, 기능 및 이점은, 본 발명의 다양한 실시예에서 독립적으로 달성될 수 있거나 또는 다음의 설명 및 아래의 도면을 참조하여 알 수 있는 다른 실시예, 추가의 상세(詳細)에 결합될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징은, 전체에서 같은 번호가 같은 부품을 지칭하는 도면을 참조하면 더욱 명백하게 될 것이다:
도 1은 매트릭스 및 복수의 섬유를 포함하는 실시예에서의 복합 구조체의 사시도이다;
도 2는 도 1의 복합 구조체의 분해 사시도로서, 섬유가 접속 사이트에서 주기적인 구간에 서로 접속되는 실시예에서 섬유의 복수의 층을 예시한 도면이다;
도 3은 도 1의 복합 구조체의 일부의 확대 사시도로서, 매트릭스 내에서 섬유의 층(layer)의 배열을 예시하고 서로의 섬유의 면내 결합(in-plane coupling)을 더 예시한 도면이다;
도 4는 도 3에 예시되어 있는 것과 유사한 복합 구조체의 확대 단면도로서, 일반적으로 확대된 단면 형상을 갖는 섬유의 실시예를 예시한 도면이다;
도 5는 복수의 접속 사이트에서 서로 접속된 섬유의 단일 층의 개략도로서, 면내의 인접한 섬유 결합을 나타내는 도면이다;
도 6은 층이 단방향 구성(unidirectional configuration)으로 배열되고 섬유가 층을 가로질러 복수의 접속 사이트에서 접속되어 있는 섬유의 개략도로서, 복합 물품(composite article)의 단방향 구성의 면외(out-of-plane)의 인접한 섬유 결합을 나타내는 도면이다;
도 7은 단방향 구성으로 배열된 섬유의 층의 쌍의 개략도로서, 인접한 섬유를 접속하는 복수의 접속 사이트를 예시하고 복합 물품의 단방향 구성의 면내 및 면외의 인접한 섬유 결합을 나타내는 도면이다;
도 8은 크로스-플라이 구성(cross-ply configuration)으로 배열된 섬유의 층의 쌍의 개략도로서, 엇갈림식 배열(staggered arrangement)로 층을 가로질러 섬유를 접속하는 복수의 접속 사이트를 예시하고 복합 물품의 크로스-플라이 구성의 면외의 인접한 섬유 결합을 나타내는 도면이다;
도 9는 크로스-플라이 구성으로 배열된 섬유의 층의 쌍의 개략도로서, 층을 가로질러 섬유를 접속하는 복수의 접속 사이트를 예시하고 복합 물품의 크로스-플라이 구성에 있어서 인접한 층에서의 인접 및 비인접 섬유와 하나의 층에서의 섬유의 결합을 나타내는 도면이다;
도 10은 복수의 층을 포함하는 복합 구조체의 도면으로서, 면내 구성에 있어서 복수의 접속 사이트와 접속된 섬유의 최외층(outermost layer)을 나타내는 도면이다;
도 11은 복합 구조체에 충격을 주는 발사체의 컴퓨터 시뮬레이션된 충격 이벤트의 도면으로서, 섬유 사이에서의 발사체의 끼워 넣어짐(wedging)을 방지하는 섬유의 면내 결합을 예시한 도면이다;
도 12는 복수의 접속 사이트를 갖는 복합 구조체를 제조하기 위한 방법에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작의 흐름도를 예시한 도면이다;
도 13a는 제1 및 제2 접속 영역에 배열된 접속 사이트에서 상호 접속된 섬유를 갖는 복합 구조체의 개략적인 평면도이다;
도 13b는 도 13a의 복합 구조체의 개략적인 측면도로서, 제1 및 제2 접속 사이트를 따라 제1 및 제2 층의 섬유의 면외 결합을 예시한 도면이다;
도 13c는 도 13a의 복합 구조체의 개략적인 단면도로서, 제1 및 제2 접속 사이트를 따라 제2 및 제3 층의 섬유의 면외 결합을 예시한 도면이다;
도 14는 단방향 구성의 복합 구조체의 개략적인 측면도로서, 다른 섬유에 접속되지 않은 나머지 층과 제1 및 제2 층의 섬유의 면외 결합을 예시한 도면이다;
도 15는 단방향 구성의 복합 구조체의 개략적인 측면도로서, 모든 다른 층(예를 들어 교호의 층(alternating layers))에서의 섬유의 면외 결합을 예시한 도면이다;
도 16은 크로스-플라이 구성의 복합 구조체의 개략적인 측면도로서, 층의 쌍 사이에서의 섬유의 면외 결합을 예시한 도면이다;
도 17은 크로스-플라이 구성의 복합 구조체의 개략적인 측면도로서, 층의 다른 쌍 사이에서 접속 품질의 변화를 갖는 섬유의 면외 결합을 예시한 도면이다;
도 18은 적어도 2개의 다른 접속 유형 및/또는 접속 품질을 갖는 복수의 접속 사이트에서 서로 접속된 단방향 섬유의 단일 층의 개략도이다;
도 19는 제1 섬유 사이의 접속 사이트와는 다른 접속 유형 및/또는 접속 품질을 갖는 복수의 접속 사이트에서 서로 접속된 제1 섬유를 갖는 제1 층 및 복수의 접속 사이트에서 서로 접속된 제2 섬유를 갖는 제2 층의 개략도이다;
도 20은 다른 접속 유형 및/또는 접속 품질을 갖는 제1, 제2 및 제3 접속 사이트에서 접속된 각각의 제1 섬유, 제2 섬유 및 제3 섬유를 갖는 제1, 제2 및 제3 층의 개략도이다;
도 21은 필름(film), 시트(sheet) 또는 플레이트(plate)를 포함하는 평면 소자로서 구성된 제2 층에 접속된 섬유의 제1 층을 갖는 복합 구조체의 개략도이다;
도 22는 직조 섬유 직물 플라이(woven fiber fabric ply)를 포함하는 평면 소자로서 구성된 제2 층에 접속된 섬유의 제1 층을 갖는 복합 구조체의 개략도이다;
도 23은 접속된 직조 섬유 직물 플라이의 교차하는 섬유가 접속되어 있는 직조 섬유 직물 플라이로서 구성된 제1 층의 개략도이다;
도 24는 각각이 개별의 층에서 섬유를 결합하거나 또는 다른 층에서 섬유를 결합하기 위한 글로벌 접속 사이트 패턴(global connection site pattern)의 부분으로서 원형 형상(circular shape)을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 25는 각각이 글로벌 접속 사이트 패턴의 부분으로서 폐쇄된 원형 형상(closed circular shape, 폐환형 형상)을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 26은 각각이 폐쇄된 원형 형상을 갖고 도 25에 도시된 국부적인 접속 영역보다 높은 밀도로 배열된 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 27은 각각이 글로벌 접속 사이트 패턴의 부분으로서 정현파 형상(sinusoidal shape)을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 28은 서로 다른 두께를 갖는 정현파 형상을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 29는 각각이 글로벌 접속 사이트 패턴의 부분으로서 초승달 형상(crescent shape)을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 30은 각각이 글로벌 접속 사이트 패턴의 부분으로서 X자 형상을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 31은 각각이 X자 형상을 갖고 도 30에 도시된 국부적인 접속 영역보다 높은 밀도로 배열된 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 32는 각각이 X자 형상을 갖고 도 31에 도시된 국부적인 접속 영역보다 높은 밀도로 배열된 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 33은 각각이 글로벌 접속 사이트 패턴의 부분으로서 막대 형상(bar shape)을 갖는 복수의 국부적인 접속 영역의 개략도이다;
도 34는 가용성 피복(fusible sheath)에 의해 둘러싸인 코어를 갖는 심초 섬유(core-sheath fiber)의 단면도이다;
도 35는 서로에 대해 이어진(butted) 심초 섬유의 쌍의 단면도이다;
도 36은 피복을 함께 융합하여 서로에 대해 상호 접속된 심초 섬유의 쌍의 단면도이다;
도 37은 크로스-플라이 구성으로 배열된 심초 섬유의 복수 층의 개략적인 분해도이다;
도 38은 함께 가압되고 함께 융합된 피복을 갖는 도 37의 층의 개략적인 측면도이다;
도 39는 층을 매트릭스 재료로 주입한 후의 복합 구조체의 개략적인 측면도이다;
도 40은 제1 기능성 섬유 및 제2 기능성 섬유를 함유한 제1 및 제2 층의 크로스-플라이 구성의 개략적인 사시도이다;
도 41은 크로스-플라이 구성으로 배열된 복수의 제1 기능성 섬유 및 제2 기능성 섬유의 개략적인 분해도이다;
도 42는 제2 기능성 섬유가 제1 기능성 섬유와 접촉하는 위치에서 제2 기능성 섬유를 제1 기능성 섬유에 화학적으로 결합시키도록 함께 가압된 도 41의 층의 개략적인 측면도이다;
도 43은 화학적으로 결합된 층을 매트릭스 물질로 주입한 후의 복합 구조체의 개략적인 측면도이다;
도 44는 변화하는 접속 유형 및/또는 변화하는 접속 품질의 복수의 접속 사이트에서 접속된 섬유를 갖는 복합 구조체를 제조하는 방법에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작을 예시하는 흐름도이다; 및
도 45는 적어도 하나의 층에서의 섬유가 다른 층의 섬유에 접속되는 복수의 층을 갖는 복합 구조체를 제조하는 방법에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작을 예시하는 흐름도이다.
이제 도면을 참조하면, 이들 도면은 본 발명의 바람직한 각종 실시예의 예시를 목적으로 하고 있고, 도 1에 도시된 것은 복합 구조체(10)의 실시예이다. 복합 구조체(10)는, 실질적으로 광학적으로 투명 및/또는 적외선 투과 고분자 매트릭스(infrared transparent polymeric matrix; 22) 및 이 고분자 매트릭스(22) 내에 매립될 수 있는 마찬가지로 실질적으로 광학적으로 투명 및/또는 적외선 투과 섬유(30)의 다수를 포함하는 섬유 강화 복합 패널(fiber-reinforced composite panel; 14)로서 제조될 수 있다. 패널 표면(16)을 갖는 패널(14) 구성이 도 1에 예시되어 있지만, 복합 구조체(10)는, 제한 없이, 매우 다양한 크기, 형상 및 구성 중 어느 하나로 제공될 수 있고, 평면 및/또는 복합 곡률 표면(compound curvature surface)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1의 패널(14)의 분해도로서, 길다란 단면 형상을 갖고 층(layer; 60)에 배열되는 스트립(strip)으로서 형성되는 복수의 섬유(30)를 예시한 도면이 도시되어 있다. 도 2에서, 중간의 섬유는 참조 번호 31로 표시되어 있다. 층(60)의 어느 하나에서의 섬유(30)는, 임의의 크기, 형상 및 구성으로 제공될 수 있으며, 길다란 단면 형상에 한정되는 것은 아니다. 층(60) 내의 섬유(30)의 비평행 배향(non-parallel orientation)이 고려되지만, 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 섬유(30)는 임의의 주어진 층(60)에서 실질적으로 서로에 대해 평행한 관계로 배향될 수 있다. 바람직하게는, 여기에 개시된 바와 같은 복합 구조체(10)는 도 2에 도식적으로 예시된 바와 같이 하나 이상의 접속 사이트에서 서로에 대해 섬유(30)의 결합을 제공한다. 예를 들어, 도 2는 각각이 실질적으로 서로 평행하게 배열된 복수의 섬유(30)를 포함하는 3개의 층(60)을 예시하고 있다. 층(60)의 각각에서의 섬유(30)는, 섬유(30) 중 하나 이상의 길이를 따라 임의의 소망하는 간격을 두고 이격될 수 있는 복수의 접속 사이트(80)에서 인접한 섬유(30)에 접속되어 있다. 하나 이상의 접속 사이트(80)에서의 섬유(30)의 결합은, 복합 구조체(10)를 통해 부하 경로(예를 들어, 부하 경로의 방향 및/또는 길이)를 크게 변경할 수 있고 탄도 충격 이벤트(ballistic impact event)와 같은 실패 이벤트(failure event) 동안에 발생할 수 있는 등의 복합 구조체(10)를 통한 손상 전파를 제한할 수 있는 인접 섬유(30) 및/또는 비인접 섬유(30) 사이의 상호 작용 및/또는 협력(cooperation)을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 하나 이상의 접속 사이트(80)에서의 섬유(30) 결합의 추가가, 복합 구조체(10)의 층간 전단 강도(interlaminar shear strength), 박리 저항(delamination resistance), 강성(stiffness), 압축 강도(compression strength), 파괴 인성(fracture toughness) 및 손상 허용량(damage tolerance) 등과 같은 특성을 개선하는 것을 포함하는 복합 구조체(10)의 기계적 특성을 바람직하게 향상 및/또는 제어할 수 있다.
도 2는 복합 구조체(10)의 일반적으로 평탄화된 섬유(30) 사이에서 연장되는 비교적 얇은 선으로 개략적으로 표시되어 있는 접속 사이트(80)를 예시하고 있다. 도 1∼도 9의 개략도 및 도 13a∼도 33의 개략도에서는, 각 층(60)의 섬유(30)는 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 결합하는 개념을 설명하기 위해 서로로부터 과장된 간격으로 도시되어 있는 것에 주목해야 한다. 그렇지만, 실제의 복합 구조체(10)의 층(60)에서의 섬유(30)가 서로에 대해 비교적 근접하여 이격될 수 있고, 몇몇 실시예에서는 각 층(60)에서의 평행한 섬유(30)는 서로 접촉할 수 있지만 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 결합될 수 있을 뿐이다. 게다가, 도 1∼도 4의 개략도는 복합 구조체(10)의 크기에 대하여 과장된 단면 크기로 섬유(30)를 나타내고 있다. 예를 들어, 도 2는 복합 구조체(10)의 세 개(3개)의 층(60)의 각각에서 일곱 개(7개)의 개별 섬유를 나타내고 있지만, 실제의 복합 구조체(10)는 각 층(60)에 수만 개 이상의 섬유(30)를 가질 수 있다. 더욱이, 실제의 복합 구조체(10)는 백 개의 층(60)을 가질 수 있다. 게다가, 실제의 복합 구조체(10)에서는, 각 섬유(30)의 두께는 비교적 작을 수 있다. 예를 들어, 각 섬유(30)의 두께는 대략 5 미크론(micron) 내지 대략 5,000 미크론(예를 들어, 0.0002 내지 0.20 인치)의 범위로 될 수 있다. 그렇지만, 섬유(30)는, 제한 없이, 임의의 섬유 두께(50)로 제공될 수 있다.
도 2의 접속 사이트(80)의 도식적인 표현은 각 층(60)에서의 섬유(30)의 면내 결합(in-plane coupling; 82)을 예시한다. 그렇지만, 본 발명은 후술되는 바와 같은 다양한 다른 구성 중 임의의 구성에서 섬유(30)의 면외 결합(out-of-plane coupling; 84) 또는 섬유(30)의 면내 결합(82)과 면외 결합(84)의 결합을 고려한다. 섬유(30)는, 접착 결합(adhesive bonding), 화학 결합(chemical bonding), 열융합(thermal fusing), 기계적 피닝(mechanical pinning, 기계적으로 핀으로 고정하는 것) 및/또는 다른 적합한 접속 유형을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 접속 유형(88)을 이용하여 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 결합될 수 있다. 접착 결합은 적당한 접착제를 이용하여 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 결합하는 것을 포함할 수 있다. 화학 결합은, 후술되는 바와 같이 섬유(30) 재료의 화학 조성의 결과로서 섬유(30)가 서로 접촉하는 위치에서 섬유(30)의 외부 표면을 반응적으로 결합하는 것을 포함할 수 있다. 열융합은 각 접속 사이트(80)에서 함께 섬유(30)를 융합 또는 용접하기 위해 각 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 국부적으로 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유(30)는 섬유(30)를 함께 융합하기 위해 섬유(30)의 유리 전이 온도(glass transition temperature) 이상의 온도로 각 접속 사이트(80)에서 레이저(도시하지 않음)에 의해 국부적으로 가열될 수 있다.
접속 사이트(80)에서 서로에 대한 섬유(30)의 결합의 기술적 효과는, 복합 구조체(10)를 통한 발사체의 침투(penetration)에 저항할 때의 복합 구조체(10)의 개선에 있다. 보다 구체적으로는, 복합 구조체(10)의 도처에 있는 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 섬유(30)를 결합하는 것에 의해, 섬유(30) 사이에 끼워 넣어질 때의 발사체의 능력이 감소된다. 더욱이, 복합 구조체(10)의 도처에 있는 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 섬유(30)를 결합하는 것은, 발사체에 의한 충격으로 인해 손상될 수 있는 복합 구조체(10)의 크기 또는 영역을 제어하기 위한 수단을 제공한다. 이와 관련하여, 복합 구조체(10)의 도처에 있는 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 섬유(30)를 결합하는 것은, 섬유(30)가 비교적 높은 변형률(strain rate, 변형 속도)로 될 수 있을 때의 탄도 이벤트 동안에 탄도 성능을 향상시키기 위해 복합 구조체(10)의 강성을 튜닝 또는 조정하기 위한 수단을 제공한다. 게다가, 섬유(30)의 결합은 그러한 복합 구조체(10)의 구조적 성능을 향상시키기 위해 정적 부하 및/또는 의사 정적 부하로 되는 복합 구조체(10)에 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 매트릭스(22) 내에서 층(60)에 배열된 섬유(30)를 예시하는 복합 구조체(10)의 확대 사시도가 도시되어 있다. 도 3에서, 층(60)의 각각은 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배향된 섬유(30)를 포함하고 있다. 각 층(60)의 섬유(30)는, 도 2에 예시되어 있는 것과 유사한 복합 구조체(10)의 크로스-플라이 구성(72)을 형성하는 인접한 층(60)의 섬유(30)에 대하여 수직으로 배향되어 있다. 그렇지만, 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에 있어서는, 섬유(30)는 복합 구조체(10) 내에서 서로에 대하여 임의의 배향으로 배열될 수 있으며, 도 2 및 도 3에 예시된 배열(arrangement)에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 층(60)의 각각에서의 섬유(30)는 복합 구조체(10)의 단방향 구성(70)(도 6)을 형성하는 인접한 층(60)에서의 섬유(30)에 대해 평행하게 배향될 수 있다. 더욱이 또한, 주어진 층(60)에서의 섬유(30)는 인접한 층(60)에서의 섬유(30)의 배향에 대하여, 제한 없이, 임의의 각도로 배향될 수 있다. 예를 들어, 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 하나의 층(60)의 섬유(30)가 층(60)의 인접한 하나의 층의 섬유(30)에 대하여 임의의 비수직 각도(non-perpendicular angle; 즉, 15°, 22.5°, 45°, 60°, 75° 등)로 배향될 수 있다.
복합 구조체(10)는 섬유(30)의 3개의 층(60)을 갖는 것으로서 도 3에 예시되어 있지만, 임의의 수의 층(60)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 복합 구조체(10)는 섬유(30)의 단일 층(60) 또는 수십이나 수백 개의 층(60)을 포함할 수 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 하나 이상의 층(60)의 섬유(30)가 인접한 층(60)의 섬유(30)와 접촉 또는 비접촉 관계로 되도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스(matrix; 22)는 서로 비접촉 관계로 섬유(30)를 유지할 수 있다. 그렇지만, 몇몇 실시예에서는, 섬유(30)의 층(60)은 도 2 및 도 3에 예시되고 후술되는 바와 같이 도 5∼도 9의 변형 실시예에 예시된 바와 같은 접속 사이트(80)에서 섬유(30)의 결합을 제외하고 비접촉 관계로 배열되어 있다. 예를 들어, 도 3∼도 4는 개략적으로 섬유(30)가 서로 비접촉 관계로 있도록 이격된 층(60)을 과장된 방식으로 예시하고 있다. 그렇지만, 층(60)은 일반적으로 매트릭스(22)에서 서로에 대하여 접촉하는 관계로 되도록 배열될 수 있다. 섬유의 일부는 섬유(30)의 길이를 따라 몇몇 위치에서 서로 접촉할 수 있고, 다른 위치들에서 층(60) 사이에 매트릭스(22)의 비교적 얇은 막이 있을 수 있다. 층(60) 사이의 간격(spacing)은 각 섬유(30)를 둘러싸거나 코팅하는 매트릭스(22)의 두께에 부분적으로 의존한다. 예를 들어, 섬유(30)는 섬유(30)를 둘러싸는 매트릭스(22)의 코팅을 갖는 프리프레그 섬유(prepreg fiber; 30)로서 제공될 수 있다.
이 기술에서 잘 알려진 프로세스에서의 복합 구조체(10)의 제작 중에, 섬유(30)는 층(60)에서 서로의 맨 위(top)에 놓일 수 있고, 부드럽게 하고 인접한 섬유(30) 사이에서의 매트릭스(22)의 혼재를 허용하도록 가열될 수 있으며, 가열 후 복합 구조체(10)는 매트릭스(22)를 고화하고 마무리(finish)된 복합 구조체(10)를 생성하기 위해 냉각된다. 각 섬유(30) 상의 매트릭스(22)의 두께는 섬유(30)의 층(30) 사이의 간격을 결정할 것이다. 이 기술에서 알려진 바와 같이, 복합 구조체(10)의 설계 중에는, 섬유(30) 상의 매트릭스(22) 코팅 두께는 복합 구조체(10)의 소망하는 섬유 체적비(fiber-volume fraction)를 달성하도록 선택될 수 있다. 비교적 멀리 이격된 층(60)을 갖는 복합 구조체(10)는 더 적은 총 섬유(30), 따라서 함께 보다 가깝게 이격된 층(60)을 갖는 복합 구조체(10)보다 더 낮은 총 섬유(30) 체적(즉, 더 낮은 섬유 체적비)을 가질 것이다. 이와 관련하여, 섬유 체적비는 경화된 복합 구조체(10)의 총 부피와 관련한 경화된 복합 구조체(10)에서의 섬유(30)의 총 부피를 나타낸다.
비교적 높은 섬유 체적비를 갖는 경화된 복합 구조체(10)는, 더 낮은 섬유 체적비를 갖는 경화된 복합 구조체(10)보다 더 높은 특정 강도 및/또는 더 높은 특정 강성을 가질 수 있다. 따라서, 이 기술에서 알려진 바와 같이, 일부 응용(application)의 경우, 비교적 높은 섬유 체적비를 갖도록 복합 구조체(10)를 설계 및 제작하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 예에서는, 복합 구조체(10)의 섬유 체적비는 더 높은 섬유 체적비를 달성할 수 있지만 약 50∼70%의 범위로 할 수 있다. 그렇지만, 복합 구조체(10)는 100%의 섬유 체적비(즉, 복합 구조체(10)가 매트릭스(22)를 함유하고 있지 않음)가 전형적으로는 바람직하지 않도록 복합 구조체(10)의 수명 동안 서로에 대한 위치에 섬유(30)를 유지하는데 충분한 매트릭스(22) 재료를 포함하지 않으면 안된다. 복합 구조체(10)에 바람직할 수 있는 특정 강도 및 강성은 다른 응용에 대해서는 달라질 수 있다는 점에 주목해야 한다. 게다가, 이 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 복합 구조체(10)의 섬유 체적비 및 층(60)이 접촉 또는 비접촉 관계에 있는지 여부는, 제조 고려 사항, 중량 고려 사항, 비용 고려 사항 및 다양한 다른 고려 사항에 기초를 둘 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3에 예시되어 있는 것과 유사한 복합 구조체(10)의 단면도로서, 매트릭스(22) 내의 세 개(3개)의 층(60)에서의 섬유(30)의 배열의 실시예를 예시하는 도면이 도시되어 있다. 도 4에서, 상부 및 하부 층(60) 사이에 위치된 중간 섬유(31)는 참조 번호 31로 표시되어 있다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 상부 층(60)과 하부 층(60)에서의 2개의 섬유(30)는 다른 방법으로 빛이 곡면에 부딪치거나 곡면을 통과할 때 발생할 수 있는 빛의 산란을 최소화하기 위해 비교적 평평하거나 실질적으로 평탄한 섬유(30) 면, 즉 상부 및 하부 표면(44, 46)을 갖는 길다란 단면 형상을 구비할 수 있다. 도 4의 중간 섬유는 도 4가 취해진 도 3에서의 섬유(30, 31)의 배향에 대응하는 측면도에 예시되어 있다.
바람직하게는, 섬유(30) 상부 및 하부 표면(44, 46)의 실질적으로 평탄한 구성은, 복합 구조체(10)의 광학적 왜곡(optical distortion)을 감소시킨다. 예를 들어, 복합 구조체(10)가 건물이나 자동차의 윈도우와 같은 투명성이 있는 경우, 광학적 왜곡의 감소는 복합 구조체(10)를 통해 관찰되는 개체(object)의 광학 투명도를 향상시킬 수 있다. 섬유(30)의 일반적으로 길다란 단면 형상은, 바람직하게는 섬유의 두께(50)에 대한 섬유(52)의 폭의 비로서 정의될 수 있는 비교적 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는다. 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 섬유(30)가 비교적 평평하거나 실질적으로 평탄한 섬유 면을 갖는 길다란 단면 형상을 구비할 수 있고, 섬유(30) 단면은 임의의 종횡비로 제공될 수 있지만 종횡비를 갖는 섬유는 약 3으로부터 약 500까지 변화할 수 있다. 더욱이, 섬유 두께(50)는 임의의 적합한 두께로 제공될 수 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 섬유(30)의 두께가 약 5 미크론 내지 약 5,000 미크론(예를 들어 0.0002 내지 0.20 인치)의 범위로 될 수 있다. 그렇지만, 섬유(30)는, 제한 없이, 임의의 섬유 두께(50)로 제공될 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 섬유(30)의 길다란 단면 형상은 바람직하게는 복합 구조체(10)의 구조 표면(12)에 실질적으로 평행하게 되도록 배향되는 실질적으로 평탄한 섬유(30) 면(즉, 상부 및 하부 표면(44, 46))의 쌍을 포함할 수 있다. 그렇지만, 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 섬유(30)는 섬유(30) 면이 구조 표면(12)에 대하여 임의의 배향으로 배열되도록 매트릭스(22) 내에 매립되어 배향될 수 있다. 실질적으로 평탄한 것으로서 예시했지만, 섬유(30) 면은 약간 볼록하거나 약간 오목한 것을 포함하여 약간 구부러지거나 또는 왕관이 씌워져 있는 것과 같은 형상으로 될 수 있고, 엄격하게 실질적으로 평탄하거나 또는 평평한 프로파일에 한정되는 것은 아니다. 또한 더욱이, 이는 섬유(30) 면이 하나 이상의 섬유(30) 면에 하나 이상의 표면 특징(도시하지 않음)을 포함할 수 있으며, 도 4에 예시된 엄격하게 직사각형의 길다란 단면 형상에 한정되지 않는다고 고려된다.
도 4는 도 3의 복합 구조체(10)의 단면을 도식적으로 예시하고 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 도 3의 복합 구조체(10)의 섬유는 이 기술에서 알려진 바와 같이 각 층(60)에서의 섬유(30)의 길이 방향이 인접한 층(60)에서의 섬유(30)의 길이 방향으로 수직으로 배향되는 크로스-플라이 구성(72)으로 되어 있다. 이와 관련하여, 도 4는 도 3의 라인 4를 따라 취해진 상부, 중간 및 하부 층(60)에서의 섬유(30)의 단면을 나타내고 있다. 도 4의 상부 층(60)에서는, 단면은 상부 층(60)에서의 섬유(30)의 길이 방향에 수직하다. 도 4의 중간 층(60)에서는, 섬유(31)의 단면은 중간 층(60)에서의 섬유(31)의 길이 방향에 평행하다. 도 4의 하부 층(60)에서는, 단면은 하부 층(60)에서의 섬유(30)의 길이 방향에 수직하다.
상부 및 하부 층(60)에서는, 인접한 섬유(30)의 측면 에지(side edge; 48)는 서로 이격되어 도시되어 있다. 그렇지만, 도시되지 않은 실시예에서는, 층(60)에서의 섬유(30)는 섬유(30)의 측면 에지(48)가 섬유(30)의 인접한 것의 측면 에지(48)와 접촉하는 관계로 위치되도록 배열될 수 있다(예를 들어 도 35∼도 36 참조). 그렇지만, 상술한 바와 같이, 섬유(30)는 임의의 바람직한 간격으로 배열될 수 있으며, 도 4에 예시된 섬유(30) 간격에 한정되는 것은 아니다.
이제 도 5를 참조하면, 서로 분리된 평행한 섬유(30)의 층(60)의 개략도가 도시되어 있다. 이와 관련하여, 도 5는 도 2에 예시된 면내 결합(82) 구성과 유사한 면내 결합(82) 구성으로 섬유(30)를 접속하는 접속 사이트(80)를 개략적으로 예시하고 있다. 섬유(30)는 비교적 무거운 선 중량(line weight)으로 예시되어 있고, 섬유(30)를 나타내는 선 중량에 비해 비교적 더 가벼운 선 중량으로 예시되어 있는 접속 사이트(80)에서 선택적으로 결합될 수 있다. 도 5에서의 섬유(30)의 배열은, 섬유(30)가 적어도 하나의 접속 사이트(80)에서 서로 접속될 수 있는 단일 층(single layer; 60)을 나타낸다.
도 5에 예시된 섬유(30)는, 충격 이벤트 동안에 복합 구조체(10)의 소망하는 응답을 제공하기 위해, 이하에 상세히 설명되는 바와 같은 접속 품질(100)을 가질 수 있는 접속 유형(88)을 이용하여 접속 사이트(80)에서 서로 선택적으로 결합될 수 있다. 보다 구체적으로는, 도 5는 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속될 수 있는 복수의 섬유(30) 중 제1 섬유(32)와 제2 섬유(34)를 예시하고 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 접속 사이트(80)는 섬유(30)의 길이를 따라 다양한 배열로 분포될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 섬유(30)의 길이를 따라 접속 사이트(80)의 비교적 균일한 간격(86)을 예시하고 있다. 그렇지만, 인접한 섬유(30)를 접속하는 접속 사이트(80)는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 섬유(30)의 길이를 따라 소정의 주기성(periodicity)으로 이격될 수 있다.
제1 및 제2 섬유(32, 34)는, 접착 결합, 융합(fusing) 및/또는 기계적 피닝 또는 다른 적합한 접속 유형(88)에 의해 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속될 수 있다. 접착 결합은, 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 섬유(30)를 직접 결합하는 에폭시와 같은 적합한 접착제를 이용하여 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 결합하는 것을 포함할 수 있다. 그렇지만, 다른 적합한 접착제는 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 함께 결합하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 접속 유형(88)은 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 함께 융합 또는 용접하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유(30)는 섬유(30)를 함께 융합 또는 용접하기 위해 섬유(30) 또는 섬유 코팅의 유리 전이 온도 또는 용융 온도 이상으로 국부적으로 가열될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 층(60)에서의 섬유(30)의 측면 에지(48)(도 4)는 동일 층(60)에서의 인접한 섬유(30)의 측면 에지(48)에 접촉하는 관계로 위치될 수 있다. 측면 에지(48)는, 접속 사이트(80)를 형성하도록 섬유(30)를 함께 국부적으로 융합 또는 용접하기 위해 국부적으로 가열될 수 있다. 도 31∼도 33에 예시된 다른 실시예에서는, 섬유(30)는 가용성 재료로 형성된 가용성 피복(fusible sheath; 58)에 의해 둘러싸인 코어(57)를 갖는 것으로서 설명될 수 있는 심초 섬유(core-sheath fiber; 56)로 제공될 수 있다. 가용성 피복(58)은, 2개의 심초 섬유(56)의 가용성 피복(58)이 적어도 하나의 위치에서 서로 접촉하여 위치될 수 있고 가용성 피복(58)은 그 위치에서 가용성 피복(58)을 함께 용융 및 융합하기 위해 접촉의 위치에서 국부적으로 가열될 수 있다는 의미에서, 가용성이 있다. 가용성 피복(58)은, 제한 없이, 금속 재료, 세라믹 재료, 복합 재료(예를 들어 에폭시, 열가소성 재료 등)을 포함하는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 가용성 피복(58)은 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 접속 사이트(80)에서 다른 섬유(30)의 가용성 피복(58)에 열가소성으로 융합(thermoplastically fused)될 수 있는 열가소성 재료로 형성될 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 다른 실시예에서는, 섬유(30)는 국부적으로 기계적 피닝(mechanical pinning)에 의해 기계적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 함께 기계적으로 결합하기 위한 표면 특징(surface features)은, 섬유(30)를 함께 결합하기 위해 섬유(30)의 측면 에지(48)(도 4) 상으로 도입될 수 있다. 이와 관련하여, 섬유(30)의 임의의 적합한 부분은 접속 사이트(80)에서 함께 기계적으로 결합될 수 있다. 비제한적인 실시예(non-limiting embodiment)에서, 기계적 피닝은 섬유(30)의 상대적인 축방향 이동을 감소 또는 방지하기 위해 섬유(30)를 따라 국부적인 지점(local point)에서 표면 거칠기를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 노치(notch, 도시하지 않음), 가리비(scallop, 도시하지 않음) 또는 다른 특징은, 섬유(30)를 함께 기계적으로 고정(pin)하고 서로에 대한 섬유(30)의 상대적인 축방향 이동을 제한하거나 이동에 저항하도록 섬유 표면(42)(도 4)에 적용될 수 있다. 섬유(30) 사이의 결합 또는 접속은 섬유(30)의 상대적인 이동의 정도(degree)를 제한할 수 있다. 보다 구체적으로는, 접속 사이트(80)에서 서로에 대한 섬유(30)의 접속은 서로에 대한 섬유(30)의 이동의 정도를 제한하거나 및/또는 매트릭스(22)에 대한 섬유(30)의 이동을 제한할 수 있다.
접속 유형(88)의 선택은 접속성(connectivity)의 소망하는 정도에 기초를 둘 수 있다. 예를 들어, 접속 유형(88)은 서로에 대한 섬유(30)의 이동량을 제한하기 위해 매트릭스(22)의 실패 스트레인보다 낮을 수 있는 접속 실패 스트레인을 제공하도록 선택될 수 있다. 본 발명의 문맥(context)에서, 스트레인(strain)은 섬유(30) 사이의 접속이 실패 또는 중단되는 스트레인을 나타내는 실패 스트레인을 포함한다. 게다가, 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나의 실시예의 문맥에서, 강도, 스트레인 및 탄성 계수와 같은 특성은, 동적 특성 및/또는 의사-정적 특성의 용어이다. 접속 품질(100)은 접속 사이트(80)에서의 접속 강도, 접속 실패 스트레인 및 탄성 계수로서 표현될 수 있다. 접속 강도는 섬유 사이의 접속 사이트(80)에서 접속을 차단하는 데 필요한 힘의 크기를 나타낼 수 있다. 접속 강도는 절대값 또는 상대값이라는 용어로 특징지워질 수 있다. 예를 들어, 접속 사이트(80)에서의 접속 강도의 절대값은 2개의 섬유(30) 사이의 접속을 차단하는 데 필요한 힘의 파운드(pound)의 용어로 특징지워질 수 있다. 접속 강도는 또한 복합 구조체(10) 내에서 매트릭스 재료의 강도의 백분율(percentage)로서 상대적인 용어로 특징지워질 수 있다. 접속 실패 스트레인은 섬유(30) 사이의 접속이 실패 또는 중단되는 스트레인을 나타낼 수 있고, 위에서 언급한 바와 같이 매트릭스(22)의 실패 스트레인의 백분율(플러스 또는 마이너스)로서 특징지워질 수 있다. 접속 사이트(80)의 탄성계수(elastic modulus)는, 접속 사이트(80)의 인장 탄성계수(tensile modulus) 또는 영률(Young’s modulus)로서 설명될 수 있고, 힘이 인가될 때 신장하도록 섬유(30) 사이의 접속의 상대적인 강성 또는 경향으로서 특징지워질 수 있다.
접속 유형(88)이 비교적 낮은 접속 스트레인을 포함하는 배열에서는, 비교적 강한 상호 작용이 충격 이벤트 동안 결합된 섬유(30) 사이에서 발생할 수 있다. 실시예에서는, 섬유(30) 사이의 접속은 매트릭스(22)의 실패 스트레인에 대해 적어도 대략 25%만큼 달라지는 실패 스트레인을 갖는 접속으로서 특징지워질 수 있다. 예를 들어, 접속은 매트릭스(22)의 실패 스트레인보다 적어도 25% 높은 실패 스트레인을 가질 수 있다. 또는, 접속은 매트릭스(22)의 실패 스트레인보다 적어도 25% 낮은 실패 스트레인을 가질 수 있다. 그렇지만, 접속은 매트릭스(22)의 실패 스트레인의 임의의 백분율을 갖는 실패 스트레인을 포함할 수 있다.
게다가, 도 5에 예시된 제1 및 제2 섬유(32, 34) 등과 같은 섬유(30) 사이의 접속은, 매트릭스(22)의 인장 강도에 대한 접속 강도에 의해 정의될 수 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나의 실시예에서는, 섬유(30) 사이의 접속 강도는 매트릭스(22)의 인장 강도에 대해 적어도 대략 25%만큼 달라지는 인장 강도를 갖는 접속으로서 특징지워질 수 있다. 예를 들어, 접속 강도는 매트릭스(22)의 인장 강도보다 25% 높을 수 있다. 또는, 접속 강도는 매트릭스(22)의 인장 강도보다 25% 낮을 수 있다. 그렇지만, 접속 강도는 매트릭스(22)의 인장 강도의 임의의 백분율을 갖는 매트릭스(22)의 인장 강도를 포함할 수 있으며, 매트릭스(22)의 인장 강도에 대해 적어도 대략 25%만큼 달라지는 접속 강도에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 결합된 섬유(30)가 동일한 층(60)에서 서로에 대해 바로 인접하여 위치되는 면내 결합(82) 구성으로 섬유(30)의 결합을 예시하고 있다. 이와 관련하여, 도면은 인접한 섬유(30)의 결합을 일반적으로 예시하고 있지만, 이는 섬유(30)의 결합이 인접하지 않은 섬유(30)의 결합을 포함할 수 있다는 것이 고려된다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 층(62)은 서로 인접하여 위치되어 있고 접속 사이트(80)에서 서로 결합되어 있는 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 포함하고 있다. 본 출원에서, 제1 층(62)은 복합 구조체(10)의 층 스택(layer stack; 66)으로 임의의 층(60)을 지정할 수 있고, 층 스택(66)의 최외층(outermost layer; 60)(예를 들어, 상부 층(60) 또는 하부 층(60)) 또는 층 스택(66) 내에 내부 층(60)을 포함할 수 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 접속 사이트(80)는 간격(86)의 패턴이나 주기성을 포함하는 임의의 소망하는 간격으로 이격될 수 있다. 이러한 패턴이나 간격(86)의 주기성은 섬유(30) 및/또는 복합 구조체(10)의 제조를 가능하게 할 수 있다. 그렇지만, 도면 중 어느 하나에서 접속 사이트(80)의 간격(86)은, 랜덤 또는 접속 사이트(80)의 랜덤 및 주기적인 간격(86)의 조합일 수 있으며, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 복합 구조체(10)의 임의의 주어진 부분의 소망하는 실패 응답을 달성하기 위해 임의의 소망하는 방식으로 변화될 수 있다. 게다가, 주어진 층(60)의 섬유(30)를 접속하는 접속 사이트(80)는 도 24∼도 33의 비제한적인 예에 예시된 바와 같이 그리고 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 글로벌 접속 사이트 패턴(global connection site pattern; 110)으로 배열될 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 섬유(30)의 면내 결합(82)은 일반적으로 도 5에 예시된 바와 같은 기준 좌표계(reference coordinate system; 24)의 x-y 평면에 평행한 것으로서 설명될 수 있는 섬유(30)의 평면 층(60)을 정의할 수 있다. 도 6∼도 9에 예시된 바와 같은 면외 결합(84)은 일반적으로 기준 좌표계(24)의 z-축을 따라 배향되는 결합과 같은 x-y 평면과 일치하지 않는 결합을 포함할 수 있다. 그렇지만, 면외 결합(84)은 도 9에 예시된 면외 결합(84)을 포함하는 x-y 평면에 대해 임의의 각도에서의 결합을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 접속 사이트(80)를 이용하는 섬유(30)의 면외 결합(84)을 예시하고 있다. 보다 구체적으로는, 도 6은 복수의 섬유(30)를 각각 포함하는 제1 층(62) 및 제2 층(64)을 예시하고 있다. 본 출원에서는, 위에서 언급한 바와 같이, 제1 층(62)은 복합 구조체(10)의 층 스택(66)으로 임의의 층(60)을 지정할 수 있다. 마찬가지로, 제2 층(64)은 복합 구조체(10)의 층 스택(66)으로 임의의 층(60)을 지정할 수 있고, 층 스택(66)의 두 개(2개)의 최외층(60)(예를 들어, 2개의 상부 층(60) 또는 2개의 하부 층(60)) 또는 층 스택(66) 내에 두 개(2개)의 내부 층(60)을 포함할 수 있다. 도 6에서는, 제1 층(62)은 제1 섬유(32)를 포함할 수 있다. 제2 층(64)은 제2 섬유(34)를 포함할 수 있다. 제1 층(62)의 제1 섬유(32)는 제2 층(64)의 제2 섬유(34)에 인접하여 위치될 수 있다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 층(62, 64)의 각 층은 도 6에서의 배열이 층(60)의 단방향 구성(70)을 형성하도록 서로에 대해 실질적으로 평행하게 각각 배향되는 복수의 섬유(30)를 포함하고 있다.
도 6에서, 층(60)의 각각에서의 섬유(30)는 인접하게 배치된 섬유(30)가 도 6에 예시된 기준 좌표계(24)의 z-축에 평행할 수 있는 방향을 따라 접속 사이트(80)에서 접속되는 면외 결합(out-of-plane coupling; 84)을 가능하게 하기 위해 서로 일반적으로 정합(align)될 수 있다. 도 6의 접속 사이트(80)는 균일한 간격으로 배열되는 것으로서 예시되어 있지만, 접속 사이트(80)는 다양한 다른 간격(86) 배열 중의 어느 하나로 이격될 수 있다. 예를 들어, 접속 사이트(80)는 섬유(30)의 길이에 따라 소정의 주기성으로 이격될 수 있다. 접속 사이트(80)의 간격(86)에 대한 주기성은, 도 5 및 도 6에 예시된 바와 같이 실질적으로 균일한 간격(86)을 포함할 수 있다. 그렇지만, 주기성은 섬유(30)의 길이에 따라 기하학적으로 변화 또는 진행하는(점진적으로 증가 또는 감소하는) 간격을 포함할 수 있다. 접속 사이트(80)는 랜덤 간격 또는 간격의 정현파 주기성 또는 응용에 맞추어질 수 있는 다른 적합한 간격 배열을 포함하는 다양한 다른 배열로 이격될 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 도 5에 예시된 면내 결합(82) 구성을 도 6에 예시된 면외 결합(84) 구성과 결합하는 섬유(30)를 선택적으로 결합하기 위한 구성의 다른 실시예가 도시되어 있다. 예를 들어, 도 7은 제1 층(62)이 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 포함하고 제2 층(64)이 제3 및 제4 섬유(36, 38)를 포함하는 배열을 예시하고 있다. 제3 및 제4 섬유(36, 38)는 제1 및 제2 섬유(32, 34)에 실질적으로 평행하게 배향되어 있다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 층(62, 64)의 각각에서의 섬유(30)는 도 7이 층(60)의 단방향 구성(70)을 예시하도록 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 도 7은 제1 층(62)에서의 제1 및 제2 섬유(32, 34)가 복수의 접속 사이트(80)에서 상호 접속되는 것으로서 예시되어 있는 면내 결합(82)을 예시하고 있다. 마찬가지로, 제2 층(64)에서의 제3 및 제4 섬유(36, 38)는 복수의 접속 사이트(80)에서 상호 접속되는 것으로서 예시되어 있다.
도 7에서, 면외 결합(84)은 하나 이상의 접속 사이트(80)를 이용하여 제1 층(62)의 제1 섬유(32)를 제2 층(64)의 제3 섬유(36)와 접속하고 제1 층(62)의 제2 섬유(34)를 제2 층(64)의 제4 섬유(38)와 접속함으로써 제공된다. 도 7은 서로 바로 인접하여 배치되어 있는 섬유(30)의 결합을 예시하고 있다. 그렇지만, 본 발명은 인접하지 않은 섬유(30)의 결합을 고려한다. 더욱이, 도 7은 제2 층(64)의 섬유(30)와 정합되는 제1 층(62)의 섬유(30)의 결합을 예시하고 있다. 그렇지만, 다른 층(60)의 섬유(30)는 반드시 서로 수직으로 정합되지 않을 수도 있지만, 수평으로(즉, y-축에 대하여) 오프셋될 수 있다는 것이 고려된다.
도 8을 참조하면, 층(60)의 크로스-플라이 구성(72)을 위한 섬유(30) 결합을 예시한 배열이 도시되어 있다. 도 8은 다른 층(60)에서의 섬유(30)에 대한 하나의 층(60)에서의 섬유(30)의 면외 결합(84)을 예시하고 있다. 예를 들어, 도 8에는 서로에 대해 바로 인접하여 위치되어 있는 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 포함하는 제1 층(62)이 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 제1 층(62)의 섬유(30)는 실질적으로 서로 평행하다. 도 8의 제2 층(64)은 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배향되지만 제1 및 제2 섬유(32, 34)에 대하여 실질적으로 수직으로 배향되는 제3, 제4 및 제5 섬유(36, 38, 40)를 포함하고 있다. 이와 관련하여, 제1 및 제2 층(62, 64)은 도 2 및 도 3에 예시된 복합 구조체(10)에서 구현된 바와 같이 층(60)의 크로스-플라이 구성(72)을 예시하고 있다.
도 8을 계속 참조하면, 제3 및 제5 섬유(36, 40)는 제4 섬유(38)에 바로 인접하여 위치되고 제4 섬유(38)의 반대편에 위치됨을 알 수 있다. 제1 및 제2 층(62, 64)의 면외 결합(84)은 제1 섬유(32)와 제3 및 제5 섬유(36, 40) 사이의 최단 거리의 대략적인 위치에 있을 수 있는 알려진 접속 사이트(80)에서 제3 및 제5 섬유(36, 40)의 각각에 제1 섬유(32)를 접속함으로써 가능하게 될 수 있다. 마찬가지로, 제2 섬유(34)는 대략 제2 섬유(34)와 제4 섬유(38) 사이의 최단 거리에 위치된 접속 사이트(80)에서 제4 섬유(38)에 결합될 수 있다. 도 8에 예시된 배열은, 엇갈림식 배열로 섬유(30)의 면외 결합(84)을 나타낸다. 도 8은 하나의 층(60)의 섬유(30)가 인접 층(60)의 섬유(30)에 일반적으로 수직으로 배향되는 크로스-플라이 구성을 예시하고 있지만, 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에 대한 크로스-플라이 구성은 복합 구조체(10)의 임의의 다른 층(60)의 섬유에 대해 평행하지 않은 각도(즉, 15°, 22.5°, 45°, 60°, 75° 등)로 배향되는 하나 이상의 층의 섬유(30)를 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 8에 예시된 실시예의 변형이 도시되어 있고, 도 9는 제2 층(64)의 인접한 섬유(30)와 제1 층(62)의 면외 결합(84)을 예시하고 있다. 도 9는 인접하지 않은 섬유(30)의 엇갈림식 면외 결합(84)을 추가적으로 예시하고 있다. 예를 들어, 도 9는 제3 및 제5 섬유(36, 40)가 제1 섬유(32)에 접속되는 접속 사이트(80)의 위치에서 제3 및 제5 섬유(36, 40)에 더 접속 또는 결합되는 제2 섬유(34)를 예시하고 있다. 이와 관련하여, 도 9는 단일의 접속 사이트(80)에서 단일의 접속만을 갖는 섬유(30) 결합에 대하여 결합된 섬유(30) 사이에서 개선되거나 더 강한 상호 작용을 제공할 수 있는 단일의 접속 사이트(80)에서 다수의 섬유(30)의 결합을 예시하고 있다.
도 5∼도 9는 충격 이벤트 등에 대해 복합 구조체(10)에서의 소망하는 응답을 달성하기 위해 다른 층(60)의 섬유(30)를 결합하기 위한 구성을 예시하고 있다. 예를 들어, 도 5∼도 9는 인접 및 비인접 섬유(30)에 대한 그리고 단방향 구성(70) 및 크로스-플라이 구성(72)에 대한 면내 결합(82), 면외 결합(84) 및 면내 결합(82)과 면외 결합(84)의 조합을 예시하고 있다. 그렇지만, 앞서 언급한 바와 같이, 하나의 층(60)의 섬유(30)는 인접한 층(60)의 섬유(30)에 대한 임의의 평행하지 않은 배향을 포함하는 인접한 층(60)의 섬유(30)에 대하여 임의의 배향으로 배열될 수 있고, 단방향 구성(70) 및 크로스-플라이 구성(72)에 한정되지 않는다.
여기에 개시된 실시예 중 어느 하나의 실시예에 있어서는, 섬유(30) 및/또는 매트릭스(22)는 임의의 실질적으로 광학적으로 투명한 재료 및/또는 적외선 투과성 재료로 구성될 수 있다. 광 투과성(optical transparency)은 가시광 스펙트럼에서의 투과성을 포함할 수 있다. 적외선 투과성은 적외선 스펙트럼에서의 투과성을 포함할 수 있다. 그렇지만, 복합 구조체(10)의 광 투과성이 바람직하지 않은 응용에 있어서는, 섬유(30) 및 매트릭스(22)는 실질적으로 불투명한 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는 감소된 광 투과성을 제공하는 재료로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 섬유(30) 및 매트릭스(22)는 광학 및/또는 적외선 스펙트럼에서 실질적으로 투명한 것과 실질적으로 불투명한 것 사이의 임의의 소망하는 레벨의 투과성을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 실시예에서, 매트릭스(22) 및/또는 섬유(30)는 다음의 재료: 플루오로 카본, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에테르 에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르 케톤케톤(polyetherketoneketone), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 및 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 열가소성 재료로 형성될 수 있다. 게다가, 매트릭스(22) 및/또는 섬유(30)는 폴리우레탄, 페놀 수지(phenolic), 폴리이미드, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스테르 및 에폭시를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 열경화성 재료로 형성될 수 있다. 또한 더욱이, 매트릭스(22) 및/또는 섬유(30)는 E-유리(E-glass, 즉 알루미노 붕규산 유리(alumino-borosilicate glass)), S-유리(S-glass, 즉 알루미노 실리케이트 유리(alumino silicate glass)), 순수한 실리카, 붕규산 유리, 광학 유리 및 다른 적합한 유리를 포함하는 유리 또는 유리 재료로 형성될 수 있다. 섬유(30) 및/또는 매트릭스(22)는 또한 탄소, 탄화 규소(silicon carbide), 붕소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 무기 재료로 형성될 수 있다. 섬유(30)는 추가적으로 강철(steel), 티타늄, 구리, 알루미늄 및 다른 금속 재료 또는 금속 합금을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속 재료로 형성될 수 있다. 매트릭스(22) 및/또는 섬유(30)는 또한 세라믹 재료로 형성될 수도 있다.
도 10를 참조하면, 크로스-플라이(72) 구성으로 배열된 복수의 층(60)을 갖는 복합 구조체(10)의 도면이 도시되어 있다. 도 10에 예시된 복합 구조체(10)는, 복합 구조체(10)의 최상부에 위치된 최외층(68)과 복합 구조체(10)의 최하부 측의 최외층(68)을 갖는 층(60)의 스택(66)을 포함하고 있다. 실시예에서, 복합 구조체(10)는 탄도 보호(ballistic protection)를 제공하기 위한 패널(14)로서 구성될 수 있다. 최외층(68)의 섬유(30)는 패널(14)의 타격면(strike face; 18)에 바로 인접하여 배치될 수 있다. 타격면(18)은 발사체로부터의 충격을 받도록 의도 또는 구성된 패널(14)의 측면을 구비할 수 있다. 패널(14)의 배면(back face; 20)은 도 10에 예시된 바와 같이 패널(14)의 반대측에 위치될 수 있다. 최외층(68)은, 도 10에 예시된 각 최외층(68)이 도 5에 개략적으로 예시된 것과 유사한 섬유(30)의 면내 결합(82)을 나타내도록 복수의 접속 사이트(80)에서 서로에 결합되는 복수의 실질적으로 평행한 섬유(30)를 구비하는 것으로서 도 10에 각각 예시되어 있다. 층(60)은 적합한 매트릭스(22)에 매립될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스(22)는 에폭시와 같은 수지를 포함할 수 있다. 다른 비제한적인 실시예에서는, 섬유(30) 및 매트릭스(22)는 위에서 언급한 바와 같이 다양한 다른 재료 및 재료의 조합으로 형성될 수 있지만, 섬유(30)는 세라믹 또는 유리 매트릭스(22)에 매립된 금속 섬유(30)를 선택적으로 구비할 수 있다.
도 11을 참조하면, 화살표(208)로 표시된 방향을 따라 이동하는 발사체가 부분적으로 도 10에 예시된 패널(14)과 유사한 패널(14)을 통과하는 컴퓨터에 의해 모의된 충격 이벤트(200)가 도시되어 있다. 도 11은 패널(14)의 배면(20) 상에서의 발사체 충격의 효과를 예시하고 있다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 발사체는 복수의 접속 사이트(80)(도 5∼도 9)에서 섬유(30)의 결합의 결과(도 5∼도 9)로서 복합 구조체(10)를 완전히 통과하지 않고 감속 및 캡처될 수 있다. 배면(20)은 매트릭스 크래킹(matrix cracking; 202) 및 섬유 디스본딩(fiber disbonding; 204)을 나타내는 것으로서 컴퓨터 시뮬레이션에 예시되어 있지만, 이면(20)의 최외층(68)(도 10)에서의 섬유(30)의 결합은 결합된 섬유(30) 사이에서의 발사체의 웨지 스루(wedge through)를 방지할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 도 11에 예시된 면내 결합(82)과 같은 섬유(30)의 결합은 접착 결합, 용융, 기계적 피닝 및 다른 적합한 수단에 의해 달성될 수 있다. 더욱이, 섬유(30)의 결합은 복합 패널(14)이 의도한 환경 또는 응용에 조정 또는 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나에 있어서는, 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)의 주기성은 충격 이벤트 동안 결합된 섬유(30) 사이의 상호 작용의 소망하는 양을 제공하도록 선택될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)는 탄도 충격 이벤트 동안 복합 구조체(10)를 통해 부하 경로(예를 들어 부하 경로의 방향 및/또는 길이)를 변경하고 탄도 충격 이벤트 동안 복합 구조체(10)를 통한 손상 전파를 제한할 수 있는 다중 섬유(30)의 상호 작용 및/또는 협력을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 접속 사이트(80)를 매개로 한 섬유(30) 결합은 복합 구조체(10)의 층간 전단 강도(interlaminar shear strength), 강성(stiffness), 압축 강도, 파괴 인성(fracture toughness) 및 손상 허용량(damage tolerance)을 개선 및/또는 제어할 수 있다. 섬유(30)의 접속성의 정도는 소망하는 탄도 성능을 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나에 있어서는, 하나 이상의 접속 사이트(80)는 상대적 이동을 방지하는 방식으로 섬유(30)를 함께 묶어 발사체의 웨지-스루를 최소화 또는 제거하기 위해 매트릭스(22)의 수율 및/또는 실패 스트레인보다 더 낮을 수 있는 접속 항복 및/또는 실패 스트레인으로 구성될 수 있다(도 11). 결합은 패널(14)의 영향을 받지 않는 부분의 광 투과성을 유지하기 위해 충격 이벤트 동안 손상의 제한된 양을 제공하도록 맞춰질 수 있다(도 11).
도 12를 참조하면, 복합 구조체(10)를 제조하는 방법으로 구현될 수 있는 하나 이상의 동작들을 포함하는 흐름도의 도면이 도시되어 있다. 도 12의 단계 302는, 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 포함할 수 있는 복수의 섬유(30)를 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배열하는 단계를 구비할 수 있다. 이와 관련하여, 도 5∼도 9는 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배향되는 복수의 층(60)의 각각에서의 섬유(30)를 예시하고 있다. 도면에서 섬유(30)는, 층(60)의 폭을 가로질러 비교적 균일한 간격(spacing; 86)으로 배열되는 것으로서 예시되어 있다. 그렇지만, 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 탄도 이벤트(ballistic event)에 소망하는 응답을 제공하기 위해 또는 광학적 또는 기계적 성능의 소망하는 레벨을 제공하기 위해 섬유(30)의 불균일 또는 변화하는 간격을 주시하고 있다.
도 12를 계속 참조하면, 복합 구조체(10)를 제조하는 방법의 단계 304는, 도 5에 예시된 것과 마찬가지로 제1 섬유(32)를 제2 섬유(34)에 접속하는 것을 구비할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 섬유(32)와 제2 섬유(34) 사이의 접속이 복수의 접속 사이트(connection site; 80)에서 구현될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 접속 사이트(80)는 접착 결합(adhesive bonding; 도 5), 융합(fusing; 도 5), 기계적 피닝(mechanical pinning) 및 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 결합하기 위한 다른 수단을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 접속 유형(88)(도 5)을 이용하여 달성될 수 있다.
섬유(32)는 도 5에 예시되어 있는 것과 유사한 면내(in-plane; 82) 구성으로 결합될 수 있으며, 여기서 제1 섬유(32)는 제1 층(62)에서의 복수의 섬유(30) 중 제2 섬유(34)에 접속될 수 있고, 제1 및 제2 섬유(32, 34)는 서로 인접하여 위치될 수 있다. 또는, 방법은 도 6에 예시된 것과 마찬가지로 제1 층(62) 및 제2 층(64)을 포함하는 2개의 층(60)에 복수의 섬유(30)를 배열하는 것을 포함할 수 있다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 층(62)은 제1 섬유(32)를 포함할 수 있고, 제2 층(64)은 제2 섬유(34)를 포함할 수 있다. 방법은 서로 인접하여 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 위치시키는 것 및 섬유(30)의 면외 결합(out-of-plane coupling; 84)을 제공하기 위해 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 접속시키는 것을 포함할 수 있다.
도 12의 단계 304는, 면내 결합(82) 및 면외 결합(84)의 조합으로 복수의 층(60)의 섬유(30)를 결합하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7은 제1 층(62)과 제2 층(64)에서의 복수의 섬유(30)를 예시하고 있다. 제1 층(62)은 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 포함하는 것으로서 예시되어 있다. 제3 및 제4 섬유(36, 38)는 제2 층(64)에 포함되어 있다. 제1 층(62)에서의 섬유(30)는 도 7이 층(60)의 단방향 구성(70)을 나타내도록 제2 층(64)에서의 섬유(30)에 평행하다. 단계 304는, 접속 사이트(80)에서 면내 결합(82)을 제공하기 위해 복수의 접속 사이트(80)에서 제3 및 제4 섬유(36, 38)를 접속하는 것을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 섬유(32, 34)도 마찬가지로 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 면내 결합(82)될 수 있다. 면외 결합(84)은 복수의 접속 사이트(80)에서 제3 및 제4 섬유(36, 38)의 각각에 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 접속함으로써 단계 304에서 달성될 수 있다.
도 8에 예시된 배열을 구축함에 있어서, 제1 층(62)에서의 복수의 섬유(30)가 서로 실질적으로 평행하게 배향될 수 있고 서로 바로 인접하여 위치될 수 있는 제1 및 제2 섬유(32, 34)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 층(64)은 서로에 대해 실질적으로 평행하고 제1 층(62)의 제1 및 제2 섬유(32, 34)에 대해 수직하게 배향될 수 있는 제3, 제4 및 제5 섬유(36, 38, 40)를 포함할 수 있다. 단계 304는, 제1 섬유(32)와 제3 및 제5 섬유(36, 40)의 각각과의 사이의 최단 거리에 대략적으로 위치된 접속 사이트(80)에서 제1 섬유(32)를 제3 및 제5 섬유(36, 40)의 각각에 접속하는 것을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 섬유(34)는 제2 섬유(34)와 제4 섬유(38)를 가로지르는 최단 거리의 위치에서 접속 사이트(80)에서 제4 섬유(38)에 접속될 수 있다.
이와 관련하여, 단계 304는 층(60)의 크로스-플라이 구성(cross-ply configuration; 72)의 구축을 포함할 수 있으며, 층(60)의 섬유(30)는 엇갈림식 면외 결합(84) 구성으로 접속되어 있다. 도 9는 제1 섬유(32)가 제3 및 제5 섬유(36, 40)에 접속되어 있는 접속 사이트(80)에서 제2 섬유(34)를 제3 및 제5 섬유(36, 40)에 접속함으로써 섬유(30) 사이의 접속의 추가 레벨을 나타낸다. 이와 관련하여, 도 9는 면외(84) 구성에서 엇갈림식 인접 및 비인접 섬유(30) 결합을 위한 수단을 예시하고 있다.
섬유(30)(도 5∼도 9)는, 에폭시와 같은 적합한 접착제를 이용하여 인접하는 섬유(30)에 결합되는 섬유(30)의 측면 에지(48)(도 4) 또는 다른 부분의 국부적인 가열에 의해 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 접착 결합하는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 적합한 접속 수단에 의해 접속 사이트(80)에 접속될 수 있다. 섬유(30)는 또한 인접하는 섬유(30)의 국부적인 부분에 열 에너지 또는 가열의 국부적인 인가에 의해 용융 또는 용접함으로써 접속 사이트(80)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 국부적인 가열은 국부적인 영역에서의 섬유(30) 재료가 함께 융합되고 그 후에 냉각하는 것이 가능하도록 유리 전이 온도 또는 용융 온도 이상으로 섬유(30)를 가열하는 것을 구비할 수 있다. 비제한적인 실시예에서, 섬유(30)의 국부적인 가열은 섬유(30)를 국부적으로 융합하기 위해 접속 사이트(80)에 열을 국부적으로 가할 수 있는 가열 요소를 포함할 수 있다. 또는, 국부적인 가열은 섬유(30)를 초음파로 가열하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 섬유(30) 사이의 접속은, 섬유(30)의 국부적인 증가된 표면 거칠기의 인가 등에 의해 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 기계적으로 고정하거나, 또는 접속 사이트(80)의 위치에서 섬유(30)를 국부적으로 변형시키는 등에 의해 섬유(30)에 기계적 특징을 형성함으로써 가능하게 될 수 있다. 예를 들어, 국부적인 노치는 인접한 섬유(30)에 형성된 대응하는 기계적 특징을 맞물리게 하기 위한 섬유 표면(42)(도 4)에 형성될 수 있다.
접속 사이트의 접속 품질(100)(도 5∼도 9)도 또한 위에서 언급한 바와 같이 결합된 섬유(30) 사이의 상호 작용의 소망하는 정도를 제공하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 접속 품질(100)은 접속 항복 스트레인(connection yield strain) 및/또는 접속 실패 스트레인(connection failure strain)일 수 있는 접속 스트레인을 구비할 수 있다. 접속 항복 스트레인은 결합된 섬유(30) 사이 또는 섬유(30)와 평면 소자(planar element; 78) 사이의 접속이 소성 변형(예를 들어, 비탄성 변형)하는 접속 스트레인을 나타낼 수 있다. 접속 실패 스트레인은 결합된 섬유(30) 사이 또는 섬유(30)와 평면 소자(78) 사이의 접속이 실패 또는 중단되는 스트레인을 나타낼 수 있다. 접속 품질(100)은 또한 접속 강도 및/또는 접속 사이트(80)의 탄성계수를 구비할 수 있다. 접속 강도는, 충격 이벤트 동안 결합된 섬유(30)의 상호 작용의 높은 정도를 제공하기 위해 매트릭스(22)의 인장 강도보다 더 높을 수 있다. 실시예에서, 접속 스트레인은 매트릭스(22)의 실패 스트레인보다 더 낮을 수 있다. 접속 품질(100)은, 충격 이벤트 동안 결합된 섬유(30)의 상호 작용의 낮은 정도를 제공하거나 및/또는 서로에 대해 결합된 섬유(30)의 이동의 비교적 더 많은 양을 가능하게 하기 위해, 매트릭스(22)의 실패 스트레인보다 더 높을 수 있는 접속 스트레인 및 매트릭스(22)의 인장 강도보다 더 낮을 수 있는 접속 강도를 택일적으로 구비할 수 있다. 접속 사이트(80)의 탄성계수는 접속 사이트(80)의 인장 탄성계수 또는 영률로서 설명될 수 있고, 후술되는 바와 같이 섬유(30) 사이 및/또는 섬유(30)와 평면 소자(78) 사이의 접속의 상대적인 강성을 나타낼 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 각 접속 사이트(80)(도 5∼도 9)는 접속 품질(100)(도 5∼도 9)을 포함할 수 있고, 접속 항복 및/또는 매트릭스(22)의 실패 스트레인과 적어도 약 25% 다른 실패 스트레인(도 5∼도 9) 및/또는 매트릭스(22)의 인장 강도와 적어도 약 25% 다른 접속 강도(도 5∼도 9)를 구비할 수 있다. 그렇지만, 접속 품질(100)은 복합 구조체(10)의 소망하는 응답을 달성하기 위해 매트릭스(22)의 실패 스트레인 및 인장 강도에 대해 접속 스트레인 및 접속 강도의 임의의 소망하는 조합을 구비할 수 있다. 접속 품질(100)은, 온도 및 습도 등과 같은 환경 요인을 포함하지만 이에 한정되지 않는 요소 및/또는 발사체 속도, 질량, 경도(hardness), 형상 크기(geometric size), 단면 영역 및 다른 요인을 포함하지만 이에 한정되지 않는 이벤트 파라미터의 함수를 고려하여 선택될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 섬유(30)는 접착 결합, 화학 결합, 열융합, 기계적 피닝 및/또는 다른 접속 유형 등과 같은 접속 유형(88)을 이용하여 함께 결합될 수 있다. 두 섬유 사이의 접착 결합의 접속 강도 및 접속 스트레인 등과 같은 접속 품질(100)은 소정의 강도 및 스트레인 특성을 갖는 접착제를 이용하여 제어될 수 있다. 접착제의 접속 강도 및/또는 접속 스트레인은 접착제의 제조업자에 의해 제공되는 광고된 특성(advertised property)일 수 있다. 또는, 접착제의 접속 강도 및/또는 접속 스트레인은 접착제에 의해 함께 결합되는 떨어진 두 컴포넌트를 끌어당기는데 필요한 힘의 양을 측정함으로써 제어된 조건 하의 실험실 환경에서와 같이 실험적으로 결정될 수 있다. 접착제의 접속 실패 스트레인도 또한 접속 강도가 측정될 때 측정될 수 있다. 이 기술에서 알려진 바와 같이, 접속 스트레인은 결합의 실패의 지점에서 두 컴포넌트 사이의 접착 결합의 변위 또는 신축의 양의 측정이다. 두 섬유(30) 사이의 화학 결합의 접속 강도 및/또는 접속 스트레인은 섬유(30)의 적어도 하나의 화학적 조성을 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어 이하에 설명되는 바와 같이, 제1 기능성 섬유(140)(도 40)는 제1 기능성 섬유(140)와 제2 기능성 섬유(142)가 서로 접촉하게 되는 위치에서 제2 기능성 섬유(142)(도 40)의 재료와 화학적으로 반응하여 화학 결합을 형성하는 화학적 조성을 갖는 재료로 형성될 수 있다.
화학적 조성의 다른 조합은, 두 컴포넌트의 다른 화학 조성의 결과로서 화학적으로 결합되는 떨어진 두 컴포넌트를 끌어당기는데 필요한 힘의 양을 측정하는 일련의 테스트를 수행함으로써 실험실 환경에서 테스트될 수 있다. 이러한 실험실 테스팅으로부터의 접속 강도 및 접속 스트레인 데이터는, 화학 결합이 제1 기능성 섬유(140)를 제2 기능성 섬유(142)와 접속하는 접속 사이트(80)에서 소망하는 접속 강도 및 접속 스트레인을 갖도록, 제1 기능성 섬유(140)의 화학적 조성 및 제2 기능성 섬유(142)의 화학적 조성을 선택하는데 사용될 수 있다. 섬유(30)의 열융합 및 섬유(30)의 기계적 피닝의 접속 강도 및 접속 스트레인도 또한, 접착 결합 및 화학 결합을 위해 위에서 언급한 것과 유사한 방식으로 실험실 환경에서 결정될 수 있다. 예를 들어 두 섬유(30) 사이의 열융합의 접속 강도 및/또는 접속 스트레인은 2개의 섬유(30) 사이에서 열융합된 접속의 크기 또는 길이를 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 2개의 섬유(30) 사이의 비교적 긴 열융합 접속 사이트(80)는 2개의 섬유(30) 사이의 비교적 짧은 열융합 접속 사이트(80)보다 더 높은 접속 강도를 가질 것이다. 다른 유형의 기계적 피닝은, 실험실에서 결정될 수 있거나 및/또는 각 기계적 피닝 구성의 각 유형에 대응하는 접속 강도 및 접속 스트레인을 결정하기 위해 잘 알려진 강도 분석 기술을 이용하여 분석적으로 결정될 수 있다. 열융합의 다른 유형 및 기계적 피닝의 다른 유형의 접속 강도 및 접속 스트레인을 나타내는 실험실 테스트 데이터는, 복합 구조체(10)에서 섬유(30)를 접속함에 있어 구현되는 접속의 유형을 선택하기 위해 이용될 수 있다. 접속 강도 및 접속 스트레인은 또한 각 접속 유형의 강도 특성을 결정하기 위한 강도 분석을 수행함으로써 결정될 수도 있다.
바람직하게는, 섬유(30)의 결합(도 5∼도 9)은 탄도 이벤트 또는 충격 이벤트 동안 섬유(30) 사이의 발사체(도 11)의 끼워 넣어짐(wedging)에 대해 섬유(30)의 저항을 증가시킴으로써 패널(14) 또는 다른 복합 구조체(10)의 탄도 성능을 향상시키기 위한 수단을 제공한다. 게다가, 섬유(30)의 결합은 탄도 이벤트 또는 충격 이벤트에 의해 손상되는 영역의 정도 또는 크기의 제어를 가능하게 할 수 있다. 마찬가지로, 접속 사이트(80)에서의 섬유(30)의 결합은 패널(14)의 영향을 받지 않는 부분에서의 광학적 왜곡을 굽히거나 최소화하는 것에 대해 패널 강성 또는 저항의 소망하는 정도를 획득하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
복합 구조체(10)에서 섬유(30)를 접속하기 위해 사용되는 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)의 선택은, 위에서 언급한 바와 같이 다른 접속 유형(88)의 강도 분석 및/또는 실험실 테스팅의 결과에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 주어진 접속 유형(88)의 접속 강도 및/또는 접속 스트레인은 실험실에서 결정될 수 있다. 강도 분석의 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 실제 복합 구조체(10)의 유한 요소 모델(finite element model) 또는 컴퓨터 모델(도시하지 않음)은 복합 구조체(10)에서의 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)에서 소망하는 접속 강도 및/또는 접속 스트레인의 예측을 가능하게 하도록 구축될 수 있다. 실제 복합 구조체(10)의 컴퓨터 모델은 복합 구조체(10)에 포함되는 섬유(30)의 컴퓨터 모델을 포함할 수 있다. 컴퓨터 모델에서 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)는 위에서 언급한 바와 같이 대응하는 접속 강도 및/또는 분석적으로 및/또는 실험적으로 결정된 것과 같은 접속 강도를 갖는 접속 유형(88)에 할당될 수 있다. 결정은 복합 구조체(10)가 서비스 중에 부담할 수도 있는 부하(예를 들어, 부하의 크기 및 방향)에 관하여 이루어질 수 있다.
로딩 시나리오(loading scenario)의 컴퓨터 시뮬레이션은, 부하에 대해 복합 구조체(10)의 반응을 결정하기 위해 복합 구조체(10)의 컴퓨터 모델에 적용될 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션의 결과는 시뮬레이션된 로딩 하에서 복합 구조체(10)의 상대적인 편차(relative deflection)를 표시할 수 있다. 컴퓨터 모델의 상대적인 편차는 접속 유형(80) 및/또는 접속 품질(100)을 이용하여 접속되는 섬유(30)를 포함하는 복합 구조체(10)의 강성을 나타낼 수 있다. 다중 컴퓨터 시뮬레이션은, 부하를 받은 경우에 복합 구조체(10)의 응답(즉, 강성)을 결정하기 위해, 복합 구조체(10)의 섬유를 접속하는 다양한 다른 접속 사이트(80)에서 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 실제의 복합 구조체(10)의 접속 사이트(80)에 혼입되는 최적의 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)에 관한 결정이 이루어질 수 있다.
도 12의 단계 306은, 유사한 매트릭스(22) 내에 섬유(30)를 적어도 부분적으로 매립하는 것을 구비할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 매트릭스(22)는 바람직하게는 실질적으로 광학적으로 투명한 재료 및/또는 적외선 투명 재료로 형성된다. 마찬가지로, 섬유(30)는 바람직하게는 실질적으로 광학적으로 투명한 재료 및/또는 적외선 투명 재료로 형성된다. 단계 306은 섬유(30)가 소망하는 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)과 접속되는 접속 사이트(80)를 갖는 복합 구조체(10)를 형성하기 위해 매트릭스(22) 및/또는 섬유(30)를 경화 또는 고화하는 것을 포함할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 접속 사이트(80)에서 구현되는 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)은 분석적으로 선택되거나 및/또는 위에서 설명한 데이터와 같이 실험적으로 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 복합 구조체(10)는 경화(curing) 또는 고화(solidifying, 응고)를 가능하게 하기 위해 가열 및/또는 가압이 실시될 수 있다.
도 13a∼도 13c를 참조하면, 단방향 구성(70)의 복합 구조체(10)로서, 국부적인 접속 영역(114, 116)에 배열된 접속 사이트(80)에서 상호 접속된 섬유(30)를 갖는 복합 구조체(10)의 일례의 개략도가 도시되어 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 복수의 섬유(30)는 복합 구조체(10)의 매트릭스(22) 내에 적어도 부분적으로 매립될 수 있다. 각 접속 영역(114, 116)은 동일 층(60)의 섬유(30)가 함께 결합될 수 있거나 및/또는 다른 층(60)의 섬유(30)가 함께 결합될 수 있는 위치를 나타낼 수 있다. 도 13a는 복수의 제1 접속 영역(114) 및 복수의 제2 접속 영역(116)의 배열을 나타내는 복합 구조체(10)의 개략적인 상면도이다. 도시된 실시예에서, 수평으로 배향된 제1 접속 영역(114)은 수평으로 배향된 제2 접속 영역(116)보다 서로 더 가갑게 되어 있다. 수직으로 배향된 제1 접속 영역(114)은 수직으로 배향된 제2 접속 영역(116)보다 더 이격될 수 있다. 그렇지만, 복합 구조체(10)는 임의의 배열 또는 간격으로 배향되고, 도 13a에 도시된 구성에 한정되지 않는 접속 영역을 갖출 수 있다. 게다가, 접속 영역은 임의의 형상 크기, 형상, 배향 및 구성으로 제공될 수 있으며, 도 13a에 도시된 비교적 좁은, 선형으로 형성된 제1 및 제2 접속 사이트(114, 116)에 한정되는 것은 아니다.
도 13b는 도 13a의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 도 13b에서, 섬유(30)는 비교적 큰(예를 들어 두꺼운) 선 중량(line weight)으로 예시되어 있고, 섬유(30)를 나타내는 무거운 선 중량과 비교하여 비교적 가벼운(예를 들어 얇은) 선 중량으로 예시되어 있는 접속 사이트(80)에서 선택적으로 함께 결합되어 있다. 도 13b는 제1 접속 영역(114)을 따라 제1 및 제2 층(62, 64)의 섬유(30)의 면외 결합(84) 및 제2 접속 영역(116)을 따라 제2 및 제3 층(64, 65)에서의 섬유(30)의 면외 결합(84)을 예시하고 있다. 제1, 제2, 제3 층(62, 64, 65)에서의 섬유(30)는 각 층에서의 섬유(30)와 평행한 단방향 구성(70)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 제1, 제2, 제3 층(62, 64, 65) 중 어느 하나에서의 섬유(30)는 동일한 층에서의 다른 섬유(30)에 대해 임의의 배향 및 다른 층에서의 다른 섬유(30)에 대해 임의의 배향으로 배열될 수 있다. 게다가, 층(62, 64, 65) 중 어느 하나는 직조 섬유 직물 플라이(74)(도 22)로서 또는 이하에서 논의되는 바와 같이 필름(film), 시트(sheet) 또는 플레이트(plate) 등과 같은 평면 소자(78)(도 22)로서 제공될 수 있다. 더욱이, 복합 구조체(10)는 하나 이상의 접속 영역을 따라 상호 접속된 섬유(30)를 갖는 임의의 개수의 층(60)을 포함할 수 있고, 도 13b에 예시된 3층(62, 64, 65) 구성에 한정되는 것은 아니다.
도 13c는 도 13a의 복합 구조체(10)의 개략적인 단면도(end view)로서, 제1 접속 영역(114)을 따라 제1 및 제2 층(62, 64)의 섬유(30)의 면외 결합(84)을 예시하고 있고, 또한 제2 접속 영역(116)을 따라 제2 및 제3 층(64, 65)의 섬유(30)의 면외 결합(84)을 예시하고 있다. 그렇지만, 위에서 언급한 바와 같이, 복합 구조체(10)는 동일 층(60)에서의 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)를 나타내거나 및/또는 다른 층(60)에서의 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)를 나타내는 접속 영역을 갖출 수 있다. 동일 층(60) 및/또는 다른 층(60)에서의 섬유(30)가 결합되는 국부적인 접속 영역(114, 116)을 제공함으로써, 복합 구조체(10)의 성능은 복합 구조체(10)가 의도한 환경 또는 응용에 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 국부적인 접속 영역(114, 116)은, 복합 패널(14)의 충격을 받지 않는 부분의 광 투과성을 유지하기 위해, 또는 복합 패널(14)에 대한 다른 탄도 성능 특성 또는 광학적 성능 특성을 제공하기 위해 충격 이벤트 동안 복합 패널(14)의 특정 위치에서 섬유(30) 결합 및 섬유(30) 상호 작용을 제공할 수 있다. 게다가, 접속 영역 중 어느 하나에서의 접속 사이트(80)는 다른 접속 유형(88) 및/또는 다른 접속 특성(100)을 가질 수 있으며, 각각의 접속 사이트(80)에서의 동일한 접속 유형(88) 및/또는 동일한 접속 품질(100)에 한정되는 것은 아니다.
도 14는 열 개(10개)의 층(60)을 포함하는 층 스택(66)을 갖고 층(LAYER) 1 및 2 사이와 같은 바로 인접한 층(60) 사이에서 섬유(30)의 면외 접속(84)을 예시하는 단방향 구성(70)의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 나머지 층 3∼10 중 어느 하나에서의 섬유(30)는 다른 층(60)에서의 섬유(30)에 접속되지 않을 수 있다. 도 14에서의 섬유(30)는 다른 층(60)의 섬유(30)에 평행한 각 층(60)의 섬유(30)에서 단방향 구성(70)으로 배열되어 있지만, 층(60) 중 어느 하나에서의 섬유(30)는 다른 층(60)의 섬유(30)에 평행하지 않을 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 층(60)에서의 섬유(30)는 (예를 들어, 하나의 층(60)에서의 섬유(30)가 다른 층(60)에서의 섬유(30)에 수직한) 크로스-플라이 구성(72) 또는 다른 각도 배향으로 제공될 수 있다. 바람직하게는, 2개 이상의 층(60)에서의 섬유(30)를 상호 접속함으로써, 복합 구조체(10)의 탄도 성능이 맞추어질 수 있다. 예를 들어, 복합 구조체(10)의 최외층(60)(예를 들어, 층(LAYER) 1∼2)에서 섬유(30)를 접속하는 것은, 결합되지 않은 섬유(30)를 갖는 내부 층(60)(예를 들어, 층(LAYER) 3∼9)의 감소된 강성에 대하여 최외층(60)의 강성의 증가를 초래할 수 있는 최외층(60)에서의 상호 접속된 섬유(30) 사이의 상호 작용을 증가시킬 수 있다.
도 15는 단방향 구성(70)의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 복합 구조체(10)는 열 개(10개)의 층(60)으로 층 스택(66)을 갖고 층 스택(66)의 교호의 층(60)에서 섬유(30)의 면외 결합(84)을 예시한 것이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는, 층(LAYER) 1, 3, 5, 7, 9에서의 섬유(30)가 결합될 수 있으며, 층(LAYER) 2, 4, 6, 8, 10에서의 섬유(30)가 결합되지 않을 수 있다. 도 15는 적어도 하나의 층(60)에서의 섬유(30) 중 적어도 하나가 적어도 하나의 다른 층(60)에서의 섬유(30) 중 적어도 하나에 접속될 수 있는 다종다양한 실시예의 일례를 나타낸다. 섬유(30)는 복수의 접속 사이트(80)에서 접속될 수 있다. 복합 패널(14)과 같은 복합 구조체(10)에서는, 2개의 층(60) 사이에서 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)가 2개 이상의 다른 층(60) 사이에서 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)와는 다른 접속 유형(88) 및/또는 다른 접속 품질(100)을 가질 수 있다. 게다가, 층(60) 중 어느 하나에서는, 섬유(30)는 동일하거나 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있는 접속 사이트(80)와 동일 층(60) 내의 다른 섬유(30)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 여기에 개시된 다층 복합 구조체 중 어느 하나에서는, 최외층(60)의 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)는 저강도/고스트레인 접속(108)을 가질 수 있는 내부 층(60) 사이에 접속된 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)의 접속 품질(100)에 대해 고강도/저스트레인 접속(106)을 포함하는 접속 품질(100)을 가질 수 있다.
도 16은 다른 결합 밀도를 갖는 층(60)의 다른 쌍에서의 섬유(30) 사이의 면외 결합(84)을 예시하는 교차-플라이 구성(72)의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 예를 들어, 도 16은 층 1의 섬유(30) 전부가 층 2의 하나 이상의 섬유(30)에 접속되는 것을 예시하고 있다. 층 2-3, 4-5, 6-7 및 8-9는 결합되지 않을 수 있다. 층 3-4 사이의 결합 밀도는 층 1-2 사이의 결합 밀도보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 층 3의 모든 다른 섬유(30)는 층 4의 하나 이상의 섬유(30)에 결합될 수 있다. 결합된 층 쌍 중 나머지 쌍은 감소하는 결합 밀도를 가질 수 있다. 예를 들어, 층 5의 모든 네 번째의 섬유(30)는 층 6의 하나 이상의 섬유(30)에 결합될 수 있다. 층 7의 모든 아홉 번째의 섬유는 층 8의 하나 이상의 섬유에 결합될 수 있다. 층 9-10 사이의 결합 밀도는 층 7-8 사이의 결합 밀도보다 작을 수 있다. 특정 층(60) 쌍에서 증가된 결합 밀도를 제공함으로써, 결합된 층(60) 쌍은 감소된 결합 밀도를 갖는 층 쌍의 글로벌 강성(global stiffness)에 대하여 증가된 글로벌 강성을 나타낼 수 있다.
결합된 층(60) 쌍의 글로벌 강성은 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)에서의 로컬 강성(local stiffness)과 다르다는 점에 주목하여야 한다. 예를 들어, 도 16의 복합 구조체(10)는 최외층 1-2에 의해 정의된 복합 구조체(10)의 영역에서 비교적 높은 강성을 갖고 층 3 내지 10으로부터 복합 구조체(10)의 하방으로 감소하는 강성을 가질 수 있다. 최외층에서의 복합 구조체(10)의 비교적 높은 강성 및 내부 층(60)의 감소된 강성은 복합 구조체(10)의 탄도 성능을 바람직하게 향상시킬 수 있다. 도 16의 실시예에서는, 층 쌍에서 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)는 동일한 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 갖는 것으로서 도시되어 있다.
도 17은 도 16에 도시된 실시예와 유사한 층(60)의 다른 쌍에서의 면외 결합(84)을 갖고 또한 다른 층 쌍 사이의 접속 사이트(80)에서의 접속 품질(100)의 변화를 예시한 크로스-플라이 구성(72)의 복합 구조체(10)의 다른 실시예의 개략적인 측면도이다. 예를 들어, 층 1-2 사이의 섬유(30)를 접속하는 접속 사이트(80)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 제1 접속 품질(100a)을 가질 수 있다. 제1 접속 유형(88a)의 예는, 접착 결합, 화학 결합, 열융합, 기계적 피닝을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 위에서 언급한 바와 같이, 접착 결합은 접착제를 이용하여 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 결합하는 것을 구비할 수 있다. 화학 결합은, 도 40∼도 43에 도시되고 이하에 설명되는 바와 같이, 제1 기능성 섬유(140)가 제2 기능성 섬유(142)와 접촉하는 위치에서 제1 기능성 섬유(140)(도 40)를 제2 기능성 섬유(142)(도 40)에 반응적으로 결합하는 것을 구비할 수 있다.
열융합은, 도 34∼도 39에 도시되고 이하에 설명되는 바와 같이 가용성 피복(fusible sheath; 58)이 서로 접촉하는 위치에서 심초 섬유(core-sheath fiber; 56)의 가용성 피복(58)을 심초 섬유(56)의 가용성 피복(58)으로 국부적으로 가열 또는 융합하는 것을 구비할 수 있다. 예를 들어, 가용성 피복(58)은 2개의 심초 섬유(56)의 가용성 피복(58)을 함께 국부적으로 융합하기 위해 가용성 피복(58)의 유리 전이 온도 이상의 온도로 접속 사이트(80)에서 레이저(도시하지 않음)에 의해 국부적으로 가열될 수 있다. 도 17에서, 나머지 결합된 층 쌍 사이에서 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)과 다를 수 있는 제2 접속 유형(88b) 및/또는 제2 접속 품질(100b)을 가질 수 있다. 제2 접속 유형(88b)의 예도 또한 접착 결합, 화학 결합, 열융합, 기계적 피닝을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 알 수 있는 바와 같이, 동일 층(60)의 접속 사이트(80)는 복합 구조체(10)의 소망하는 탄도 성능을 달성하기 위해 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있다.
도 18은 단방향 섬유(30)의 단일(예를 들어, 제1) 층(62)의 개략도이다. 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나의 실시예에서는, 복합 구조체(10)는 도시되지 않은 추가적인 층(60)을 포함할 수 있다. 이러한 부가적인 층(60)은 섬유(30)로 구성될 수 있거나 및/또는 후술하는 바와 같이 평면 소자(60)로서 구성될 수 있는 부가적인 층(도 19)으로 구성될 수 있다. 도 18에서, 단방향 섬유(30)는 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배향될 수 있고 복수의 접속 사이트(80)에서 면내 결합(82)을 통해 서로 접속될 수 있다.
도 18에서, 제1 층(62) 내의 접속 사이트(80)는 적어도 2개의 다른 접속 유형(88a, 88b) 및/또는 접속 품질(100a, 100b)을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 서로 다른 접속 유형(88)이 제1 층(62) 내에 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 층(60)은 제1 섬유(32), 제2 섬유(34), 제3 섬유(36) 및 제4 섬유(38)를 포함할 수 있다. 제1 섬유(32)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)의 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 제2 섬유(34)에 접속될 수 있다. 제3 섬유(36)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)과 다를 수 있는 제2 접속 유형(88b) 및/또는 제2 접속 품질(100b)의 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 제4 섬유(38)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 도 18은 섬유(30) 사이에서 연장되는 실선에 의해 표시된 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)의 접속 사이트(80)를 갖는 제1 층(62)의 외측 영역, 및 섬유(30) 사이에서 연장되는 파선에 의해 표시된 제2 접속 유형(88b) 및/또는 접속 품질(100b)의 접속 사이트(80)를 갖는 제1 층(62)의 내부 부분의 접속 사이트(80)를 예시하고 있다.
복합 구조체(10)는 소정의 층(30) 내에 패턴화된 다른 접속 유형(88)을 포함할 수 있다. 접속 유형(88)의 패턴은 임의의 방식으로 제공될 수 있으며, 도 18에 예시된 접속 패턴에 한정되는 것은 아니다. 위에서 논의된 바와 같이, 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나의 실시예에서는, 접속 유형(88)은 접속 사이트(80)에서 섬유(30)를 상호 접속하기 위해 접착 결합, 융합, 기계적 피닝, 화학 결합 및/또는 다른 수단을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 접속 품질(100)은 접속 사이트(80)에서 접속 강도로서 표현될 수 있다. 접속 품질(100)은 또한 접속 사이트(80)에서 접속 실패 스트레인으로서 표현될 수 있다. 상술한 바와 같이, 접속 실패 스트레인은 섬유(30) 사이의 접속이 실패 또는 중단되는 스트레인을 나타낼 수 있고, 위에서 논의된 바와 같이 매트릭스(22)의 실패 스트레인의 백분율(플러스 또는 마이너스)로서 특징지워질 수 있다. 게다가, 접속 품질(100)은 접속 사이트(80)의 탄성계수(elastic modulus)나 인장 탄성률(引張彈性率, tensile modulus)로서 표현될 수 있으며, 상술한 바와 같이 접속 사이트(80)의 상대적인 강성으로서 특징지워질 수 있다.
도 19는 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속된 제1 섬유(32)를 갖는 제1 층(62), 및 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속된 제2 섬유(34)를 갖는 제2 층(64)을 갖는 복합 구조체(10)의 개략도이다. 제1 층(62) 내에 제1 섬유(32)를 결합하는 접속 사이트(80)는 제2 층(64) 내에 제2 섬유(34)를 결합하는 접속 사이트(80)와는 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)의 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 섬유(32)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)의 복수의 접속 사이트(80)에서 함께 결합될 수 있다. 제2 섬유(34)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)과는 다를 수 있는 제2 접속 유형(88b) 및/또는 접속 품질(100b)의 복수의 접속 사이트(80)에서 함께 접속될 수 있다. 게다가, 도시되지 않았지만, 하나 이상의 제1 섬유(32)는 동일한 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100) 또는 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)의 것일 수 있는 복수의 접속 사이트(80)에서 하나 이상의 제2 섬유(34)에 결합될 수 있다. 제1 및 제2 층(62, 64)은 단방향 구성으로, 크로스-플라이 구성으로, 또는 제1 층(62)의 섬유가 제2 층(64)의 섬유와 평행이 아닌 다른 배열로 제공될 수 있다.
도 20은 제1, 제2 및 제3 층(62, 64, 65), 다른 접속 유형(88a, 88b, 88c) 및/또는 다른 접속 품질(100a, 100b, 100c)을 갖는 각각의 제1, 제2 및 제3 접속 사이트(80a, 80b, 80c)에서 결합된 각각의 제1 섬유(32), 제2 섬유(34) 및 제3 섬유(36)를 가진 복합 구조체(10)의 개략도이다. 제1 층(62)의 제1 섬유(32) 사이의 접속 사이트(80)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)의 실선으로서 표시되어 있다. 제2 층(64)의 제2 섬유(34) 사이의 접속 사이트(80)는 제2 접속 유형(88b) 및/또는 접속 품질(100b)의 파선으로서 표시되어 있다. 제3 층(65)의 제3 섬유(36) 사이의 접속 사이트(80)는 제3 접속 유형(88c) 및/또는 접속 품질(100c)의 가상선(phantom line)으로서 표시되어 있다. 그렇지만, 층(60) 중 어느 하나는 제1, 제2 및/또는 제3 접속 유형(88a, 88b, 88c) 및/또는 접속 품질(100a, 100b, 100c)의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도 21은 각각이 단방향 섬유(30)로 이루어진 제1 층(62) 및 제3 층(65)을 갖는 복합 구조체(10)의 개략도이다. 제2 층(64)은, 평면 소자(78)로서 구성될 수 있다. 제1 및 제3 층(62, 65) 중 적어도 하나에서의 섬유(30) 중 적어도 하나는 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 평면 소자(78)에 접속될 수 있다. 섬유(30)와 평면 소자(78) 사이의 접속은, 복합 구조체(10)가 발사체에 의해 충격을 받을 때와 같은 섬유(30)와 평면 소자(78) 사이의 상호 작용을 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여, 섬유(30)와 평면 소자(78) 사이의 접속 사이트(80)는 발사체가 충돌 및/또는 복합 구조체(10)를 통과할 때와 같은 탄도 이벤트 동안 섬유(30)의 이동을 제한할 수 있다. 섬유(30)와 평면 소자(78)의 접속 사이트(80)는 다른 층(60)에서의 섬유(30)의 결합과 관련하여 상술한 바와 같이 섬유(30) 사이의 발사체의 끼워 넣어짐(wedging)을 감소시키거나 방지할 수 있다. 게다가, 섬유(30)와 평면 소자(78) 사이의 접속 사이트(80)는, 탄도 이벤트 동안 복합 구조체(10)를 통과하는 발사체를 늦추기 위해 평면 소자(78)의 능력을 향상시킬 수 있는 (예를 들어 평면 소자(78)에 수직한) 평면 소자(78)의 면외 강성(out-of-plane stiffness)을 증가시킬 수 있다.
도 19는 복수의 접속 사이트(80)에서 평면 소자(78)에 결합되는 제1 및 제3 층(62, 65)의 섬유(30)를 예시하고 있다. 평면 소자(78)에 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)는 동일하거나 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있다. 평면 소자(78)는 필름(film), 시트(sheet) 또는 플레이트(plate)일 수 있다. 필름, 시트 또는 플레이트는 복합 또는 비복합 재료(composite or non-composite material)로 형성될 수 있고, 비섬유 재료(non-fibrous material) 또는 섬유 재료를 포함할 수 있다. 비복합 재료는 연신 고분자 재료(stretched polymeric material) 또는 필름 또는 미연신 고분자 필름을 포함할 수 있다. 연신 고분자 필름(stretched polymeric film)은 단방향으로 신장되거나 또는 양방향으로 신장될 수 있다. 필름은 필름의 형성 중에 또는 필름의 형성 후에 의도적으로 신장될 수 있다. 필름의 연신(stretching)은 필름 분자가 실질적으로 필름의 인장 강도를 증가시킬 수 있게 정합되도록 할 수 있다. 다른 섬유(30) 층(60)과 함께 매트릭스 재료 내에 매립될 때, 연신 필름은 복합 구조체(10)의 특정 성능을 향상시킬 수 있다. 실시예에서는, 평면 소자(78)는 유리, 복합 재료, 세라믹 재료, 금속 포일과 같은 금속 재료 등의 재료로 형성될 수 있으며, 직조 재료 또는 직물(fabric) 및 펠트(felt)를 포함하는 부직조 재료(non-woven material)를 더 포함할 수 있다.
도 22는 직조 섬유 직물 플라이(woven fiber fabric ply; 74)에 접속된 섬유(30)의 제1 층(62)을 갖는 복합 구조체(10)의 개략도이다. 실시예에서, 직조 섬유 직물 플라이(74)는 복수의 섬유(30)를 함유할 수 있다. 섬유(30)는 폴리머 재료, 유리, 세라믹 재료 및/또는 금속 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 다른 재료 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 실시예에서, 제1 층(62)의 섬유(30)는 직물 섬유(30)가 교차하는 하나 이상의 위치에서 제2 층(64)의 직조 섬유 직물 플라이(74)에 결합될 수 있다. 섬유(30)를 직조 섬유 직물 플라이(74)에 결합하는 접속 사이트(80)는 동일하거나 및/또는 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있다.
도 23은 복합 구조체(10)에 포함될 수 있는 제1 층(62)의 개략도이다. 제1 층(62)은 직조 섬유 직물 플라이(74)로 구성될 수 있다. 직조 섬유 직물 플라이(74)의 섬유(30)는 섬유(30)가 면내 결합(82)을 통해 교차하는 접속 사이트(80)(예를 들어 노드(76))에서 서로 결합될 수 있다. 접속 사이트(80)에서의 섬유(30)의 결합은 탄도 이벤트 동안 등의 충격 시에 섬유(30)의 상호 작용을 증가시킬 수 있다. 섬유(30)의 증가된 상호 작용은, 섬유(30)가 결합되지 않았다면 다른 방법으로 포함되는 것보다 탄도 이벤트에서 더 많은 양의 섬유(30)를 포함할 수 있다. 섬유(30)의 증가된 상호 작용은 발사체의 속도를 감소시킬 수 있다. 접속 사이트(80)는 동일하거나 및/또는 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있다. 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)은 직조 섬유 직물 플라이(74)를 함유한 복합 구조체(10)의 탄도 성능 및/또는 광학 성능을 조정하기 위한 수단으로 변경될 수 있다. 직조 섬유 직물 플라이(74)는, 폴리머(polymer), 금속, 유리, 세라믹 및/또는 다른 재료를 포함하는 다양한 재료 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 24∼도 33은 개별 층(60)에서의 섬유(30)를 접속하기 위해, 다른 층(60)에서의 섬유(30)를 접속하기 위해 및/또는 하나 이상의 평면 소자(78)에 섬유(30)를 접속하기 위해 복합 구조체(10)에서 구현될 수 있는 글로벌 접속 사이트 패턴(global connection site pattern; 110)의 비제한적인 예의 개략도이다. 일반적으로, 섬유(30), 층(60) 및/또는 평면 소자(78)의 결합은, 복합 구조체(10)에 충격을 주거나 및/또는 복합 구조체(10)를 통과하는 발사체를 늦출 때에 접속된 컴포넌트의 에너지 흡수 능력을 증가시킬 수 있는 이러한 결합된 섬유(30), 층(60) 및/또는 평면 소자(78) 사이의 상호 작용을 증가시킬 수 있다.
복합 구조체(10)를 가로질러 균일하게 섬유(30)를 검출하는 대신에, 글로벌 접속 사이트 패턴(110)으로 접속 사이트(80)를 배열함으로써, 제조 비용 및 시간이 절감된다. 게다가, 글로벌 접속 사이트 패턴(110)으로 접속 사이트(80)를 배열함으로써, 복합 구조체(10)는 발사체에 의해 충격을 받게 될 때 특정 탄도 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 개방 원(open circle; 118)(도 24) 또는 폐쇄 원(closed circle; 120)(도 25∼도 26)의 배열로서 글로벌 접속 사이트 패턴(110)을 제공함으로써, 다른 섬유(30)에 접속되어 있지 않은 섬유(30)는 원(118, 120)으로 나타낸 영역에서 다른 섬유(30)에 접속된 섬유(30)보다 탄도 이벤트 동안 더 큰 크기로 신장될 수 있다. 비결합된 섬유(30)의 증가된 신장은, 그러한 섬유(30)가 다른 섬유(30)에 결합되어 있는 섬유(30)보다 탄도 이벤트 동안에 발사체의 더 많은 양의 에너지를 흡수하도록 할 수 있다. 그렇지만, 결합된 섬유(30)는 탄도 이벤트 동안의 변형(deformation)에 대해 개선된 저항성을 가질 수 있고, 따라서 탄도 이벤트를 뒤따르는 그러한 영역에서 광 투과성의 더 큰 손실을 초래하는 탄도 이벤트 기간 동안 더 큰 크기로 변형될 수 있는 결합되지 않은 섬유에 대해 원(118, 120)의 영역에서 복합 구조체(10)의 광 투과성의 원래의 레벨을 유지하는 것을 도울 수 있다. 국부적인 접속 영역(112)의 기하학적 형상, 크기 및 간격은 복합 구조체의 물리적 환경, 조우할 것으로 예상되는 탄도 발사체의 크기 및 다양한 다른 인자에 기초해서 설계될 수 있다.
실시예에서, 하나 이상의 글로벌 접속 사이트(110)는 층(60) 내에서 섬유(30)를 결합하기 위해 개별 층(60)에서 구현될 수 있다. 또는, 층(60) 내에 섬유(30)를 결합하는 것 이외에, 하나 이상의 층(60)에서의 섬유(30)를 다른 층(60)에서의 섬유(30)와 접속하기 위한 하나 이상의 글로벌 접속 사이트 패턴(110)이 구현될 수 있다. 또한, 필름, 시트, 플레이트, 또는 직조 섬유 직물 플라이 등과 같은 평면 소자(78)에 하나 이상의 층(60)에서의 섬유(30)를 결합하기 위한 하나 이상의 글로벌 접속 사이트 패턴(110)도 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 24에 있어서는, 글로벌 접속 사이트 패턴(110)은 원(118)의 형상으로 배열된 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속된 단방향 섬유(30)의 층(60)의 개략적인 상면도로서 특징지워질 수 있다. 도 24에 도시된 글로벌 접속 사이트 패턴(110)은 또한 층(60)의 스택의 개략적인 측면도로서 특징지워질 수 있으며, 원형 형상(118)으로 배열된 접속 사이트(80)의 위치를 나타내는 국부적인 접속 영역(112)에서 층(60)의 결합을 예시하고 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어떤 실시예에서는, 층(61) 위로부터 보여지는 바와 같이 하나 이상의 글로벌 접속 사이트 패턴(110)이 실질적으로 하나 이상의 층(61)의 전체에 걸쳐 적용될 수 있거나, 또는 층(61) 위로부터 보여지는 바와 같이 패턴이 하나 이상의 층(61)의 국부적인 부분에 적용될 수 있다. 예를 들어, 글로벌 접속 사이트 패턴(110)은 주변 에지(132)를 따라 섬유(30) 규제(제한)를 증가시키거나 감소시키도록 복합 패널(14)의 주변 에지(132)를 따라 섬유(30) 사이의 접속 사이트(80)의 국부적인 농도를 제공하기 위해 복합 패널(14)의 주변 에지(132)를 따라 국부적으로 인가될 수 있다. 다른 예에서는, 하나 이상의 글로벌 접속 사이트 패턴(110)은 복합 패널(14)의 국부적인 기계적 특성을 변경하기 위해 복합 패널(14)의 특징 주위 또는 특징에 인접한 복합 패널(14)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 접속 영역(112)은 체결 구멍(fastener hole; 132) 근처에 섬유(30)를 결합하는 접속 사이트(80)의 농도를 증가시키기 위해 복합 패널(14)의 체결 구멍(130)의 주위에 인가될 수 있다. 체결 구멍(132) 주위의 섬유(30)의 결합은, 강성, 손상 허용량(damage tolerance; 예를 들어, 박리 저항), 및 체결 구멍(132) 주위의 복합 패널(14)의 다른 국부적인 특성(예를 들어, 기계적, 탄도 특성)을 국부적으로 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 측면으로부터 보여지는 바와 같이 하나 이상의 글로벌 접속 사이트 패턴(110)이 복합 구조체(10)의 층 스택(66)을 가로질러 적용될 수 있거나, 또는 하나 이상의 접속 영역이 복합 구조체(10)의 특성(예를 들어, 기계적, 탄도 특성)을 국부적으로 변경시키기 위해 복합 구조체(10)의 층 스택(66)의 국부적인 부분에 적용될 수 있다.
도 25는 글로벌 접속 사이트 패턴(110)의 부분으로서 폐쇄된 원형 형상(120)을 각각 갖는 복수의 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. 섬유(30) 및/또는 층(60)은 폐쇄된 원형 형상(120)에 의해 둘러싸인 영역 내에서 서로 접속될 수 있다. 국부적인 접속 영역(112) 사이의 간격은 복합 구조체(10) 내의 층(60) 및/또는 비결합된 층(61) 내의 비결합된 섬유(30)를 나타낼 수 있다. 비결합된 층(61)은, 섬유(30)가 길이 방향으로 신장될 수 있거나 및/또는 섬유(30)가 발사체의 에너지를 흡수하기 위해 충격 이벤트 동안 측면으로 이격될 수 있는 복합 구조체(10)에서의 위치를 나타낼 수 있다.
도 26은 각각이 폐쇄된 원형 형상(120)을 갖고 도 23에 도시된 폐쇄된 원형 형상(120)보다 더 높은 밀도로 배열된 복수의 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. 폐쇄된 원형 형상(120)의 더 높은 밀도는 폐쇄된 원형 형상(120)의 더 낮은 밀도에 대해 복합 구조체(10)의 탄도 성능 및/또는 광학 성능에 차이를 유발할 수 있다. 여기에 개시된 실시예 중 어느 하나의 실시예에서는, 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)은 국부적인 접속 영역(112)의 각각에서 동일할 수 있다. 또는, 다른 국부적인 접속 영역(112)은 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있다.
도 27은 글로벌 접속 사이트 패턴(110)의 부분으로서 정현파 형상(sinusoidal shape; 124)을 각각 갖는 복수의 국부적인 접속 영역(112)을 개략적으로 예시하고 있다. 일반적으로 섬유(30)의 길이 방향 배향에 대해 길이 방향으로 정합되지만, 정현파 형상(124)은 소망하는 탄도 성능 특성을 달성하기 위해 섬유(30)에 대해 임의의 각도(예를 들어, 45° 등)로 배향될 수 있다. 도 28은 서로 다른 두께의 정현파 형상(124)을 갖는 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. 도 26에서의 정현파 형상(124)의 서로 다른 두께는, 도 25에 도시된 배열에 대하여 복합 구조체(10)의 다른 성능 특성을 초래할 수 있는 더 많은 수의 접속 사이트(80)를 포함할 수 있다.
도 29는 글로벌 접속 사이트 패턴(110)의 부분으로서 초승달 형상(crescent shape; 126)을 각각 갖는 복수의 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. 초승달 형상(126)은 임의의 크기, 모양, 밀도 및 구성으로 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 도 24∼도 33에 예시된 국부적인 접속 사이트(80) 패턴은 복합 구조체(10)의 섬유(30) 및/또는 층(60)을 접속하기 위해 구현될 수 있는 매우 다양한 다른 글로벌 접속 사이트 패턴(110) 중 임의의 것의 몇 가지 예이다.
도 30은 글로벌 접속 사이트 패턴(110)의 다른 실시예의 부분으로서 X자 형상(122)을 각각 갖는 복수의 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. X자 형상(122)은, X자 형상(122) 사이에 위치된 영역에서 섬유(30)의 제어된 제약(constraint)을 허용하기 위해 도 30에 도시된 바와 같이 서로 이격될 수 있다. 게다가, X자 형상(122)은 주어진 층(60)에서의 섬유(30)의 일부가 동일한 층(60)에서의 다른 섬유(30)에 비결합되거나, 또는 복합 구조체(10)의 층의 일부가 다른 층에 비결합되도록 서로 이격될 수 있다.
도 31은 도 30에 도시된 X자 형상(122)의 국부적인 접속 영역(112)보다 더 높은 밀도로 배열된 복수의 X자 형상(122)의 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. 더 높은 밀도는 더 큰 결합을 초래할 수 있고, 따라서 충격 이벤트 동안 섬유(30) 및/또는 층(60)의 증가된 상호 작용을 초래할 수 있다. 도 32는 도 30 또는 도 31에서의 국부적인 접속 영역(112)의 농도에 대한 X자 형상(122)의 국부적인 접속 영역(112)의 더 증가된 밀도의 개략도이다. 임의의 복합 구조체(10) 실시예에서는, 다른 유형의 국부적인 접속 영역(112)이 단일의 복합 구조체(10)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 복합 구조체(10)는 X자 형상(122), 폐쇄된 원형 형상(120) 및/또는 임의의 다른 기하학적 형상 또는 크기의 조합을 포함할 수 있다.
도 33은 글로벌 접속 사이트 패턴(110)으로 배열된 막대 형상(bar shape; 128)을 각각 갖는 복수의 국부적인 접속 영역(112)의 개략도이다. 막대 형상(128)은 섬유(30) 및/또는 층(60)의 방향에 대해 일반적으로 수직하게 배향되어 있지만, 막대 형상(128)은 섬유(30) 또는 층(60)에 대해 임의의 배향 또는 배향의 조합으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 막대 형상(128)은 섬유(30)의 길이 방향에 대해 및/또는 층(60)의 길이 방향에 대해 45° 각도로 또는 다른 각도로 배향될 수 있다.
도 34는 가용성 피복(fusible sheath; 58)에 의해 둘러싸인 코어(core; 57)를 갖는 섬유(30)의 일종인 심초 섬유(core-sheath fiber; 56)의 단면도이다. 심초 섬유(56)는 복합 구조체(10)의 실시예 중 어떤 실시예에 포함될 수 있다. 예를 들어, 복합 구조체(10)의 하나 이상의 층(60)은 단방향 심초 섬유(56)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 복합 구조체(10)의 하나 이상의 층(60)은 함께 직조될 수 있는 복수의 심초 섬유(56)로 제조된 직조 섬유 직물 플라이(74)(도 21)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 코어(57)는 피복(58)보다 더 높은 강도를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코어(57)는 섬유(56)의 인장 강도를 향상시키기 위해 코어(57)의 형성 중 또는 코어(57)의 형성 후에 연신될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 심초 섬유(56)는 복합 구조체(10)의 개선된 광학 성능을 제공하기 위해 일반적으로 평평한 단면 형상으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 다른 평평한 형상은 일반적으로 직사각형 형상과 같은 형상으로서 제공될 수 있지만, 도 34는 평행사변형 형상을 갖는 심초 섬유(56)를 예시하고 있다. 실시예에서, 심초 섬유(56)는 일반적으로 서로 평행할 수 있는 일반적으로 평면인 상부 및 하부 표면(44, 46)을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 평평하거나 및/또는 실질적으로 평면의 섬유(56) 면은 다른 방법으로 빛이 일반적으로 둥근 단면 형상을 갖는 심초 섬유(56)에 부딪치거나 통과할 때 발생할 수 있는 빛의 산란을 최소화함으로써 복합 구조체(10)의 광학 왜곡을 감소시킬 수 있다. 복합 구조체(10)를 통과한 빛의 산란을 최소화함으로써, 광학 왜곡은 투명한 복합 구조체(10)를 통해 관찰되는 개체의 선명도를 향상시킬 수 있도록 감소될 수 있다.
도 35는 병렬 배열(side-by-side arrangement)로 서로에 대해 이어진 한 쌍의 심초 섬유(56)의 단면도이다. 심초 섬유(56)는 복수의 단방향 심초 섬유(56)를 함유하는 섬유(30)의 층(60)에 포함될 수 있다. 또는, 위에서 언급한 바와 같이, 심초 섬유(56)는 복수의 단방향 심초 섬유(56)로 제조된 직조 섬유 직물 플라이(74)에 포함될 수 있다.
도 36은 피복(58)을 국부적으로 가열하는 등에 의해 측면에서 함께 피복(58)을 융합한 후의 심초 섬유(56)를 예시하고 있다. 하나 이상의 심초 섬유(56)의 피복(58)은 또한 섬유(30)가 매트릭스(22)에 매립된 후의 위치 또는 위치들에서 매트릭스(22)에 융합될 수도 있다. 실시예에서, 피복(58)은 매트릭스(22)가 형성되는 것과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 가용성 피복(58)은 매트릭스(22)의 열가소성 재료와 실질적으로 유사할 수 있는 열가소성 재료로 형성될 수 있다. 그렇지만, 가용성 피복(58)은 금속 재료, 세라믹 재료, 복합 재료(예를 들어 에폭시, 열가소성 재료 등) 등과 같은 재료의 임의의 유형으로 형성될 수 있다. 심초 섬유(56)로 제조된 직조 섬유 직물 플라이(74)에서는, 가용성 피복(58)은 섬유(30)가 직조 섬유 직물 플라이(74)에서 서로 교차하는 위치에서 함께 융합(92)될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 가용성 피복(58)도 융합(92)되거나, 또는 그렇지 않으면 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 다른 층(60)에 접속될 수 있다.
도 37은 크로스-플라이 구성(cross-ply configuration; 72)으로 배열된 심초 섬유(56)의 복수의 층(60)의 분해된 개략적인 측면도이다. 도시된 실시예에서, 심초 섬유(56)의 각각은 일반적으로 직사각형 단면 형상 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 코어(57)는 비교적 높은 강도의 재료로 형성될 수 있다. 가용성 피복(58)은 코어(57)를 덮는 열가소성 재료로 형성될 수 있다. 하나 이상의 층(60)에서의 심초 섬유(56)는 심초 섬유(56) 사이에 간극(gap)을 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 복합 구조체(10)가 심초 섬유(56)의 상부 및/또는 하부 표면에 법선 또는 수직한 방향을 따라 볼 때, 하나의 층(60)의 심초 섬유(56)가 적어도 다른 층(60)의 심초 섬유(56) 사이의 간극과 부분적으로 정합(align)되도록, 교호의 층(60)의 심초 섬유(56)는 엇갈림식 대형(staggered formation) 또는 유사한 대형으로 배열될 수 있다. 도 37은 복합 구조체(10)의 크로스-플라이 구성(72)을 예시하고 있지만, 심초 섬유(56)는 제한 없이 임의의 소망하는 배열 또는 패턴으로 배향될 수 있다.
도 38은 심초 섬유(56)의 가용성 피복(58)이 서로 접촉하도록 함께 가압되는 층(60)을 갖는 도 37의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 열은 함께 피복(58)을 융합하기 위해 인가될 수 있다. 예를 들어, 피복(58)이 열가소성 재료로 형성되는 실시예에 대해, 도 38은 심초 섬유(56)의 상부 및 하부 표면의 열가소성 융합을 예시하고 있다. 열은, 심초 섬유(56)의 가용성 피복(58)이 서로 접촉하는 하나 이상의 위치를 국부적으로 가열하기 위해 레이저 또는 다른 가열 메카니즘(heating mechanism)을 이용하여 국부적으로 인가될 수 있다. 또는, 복합 구조체(10)는 오븐 또는 오토클레이브(autoclave) 또는 다른 가열 방식을 이용하는 등에 의해 가열될 수 있다. 실시예에서, 열은 피복(58)이 함께 융합하도록 하는 방식으로 인가될 수 있다. 예를 들어, 열가소성 피복(58)은 피복(58)의 접촉하는 부분이 적어도 부분적으로 함께 용융 및 융합되도록 하기 위해 열가소성 재료의 용융 온도까지 가열될 수 있다.
도 39는 가용성 피복(58)의 열가소성 융합을 뒤따르는 도 38의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 복합 구조체(10)는 심초 섬유(56) 사이의 간극 또는 개방 공간을 채우기 위해 매트릭스(22) 재료로 함침 또는 주입될 수 있다. 열 및/또는 압력은 복합 구조체(10)를 경화 및/또는 고화시키도록 인가될 수 있다.
도 40은 제1 층(62) 및 제2 층(64)의 크로스-플라이 구성(72)의 개략적인 사시도이다. 위에서 언급한 바와 같이, 제1 층(62) 및 제2 층(64)은 층 스택(layer stack; 66) 내의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 제1 층(62)은 제1 섬유(32)를 함유할 수 있고, 제2 층(64)은 제2 섬유(34)를 함유할 수 있다. 적어도 제1 섬유(32)의 일부는 제1 기능성 섬유(first-functional fibers; 140)로서 제공될 수 있다. 적어도 제2 섬유(34)의 일부는 제2 기능성 섬유(142)로서 제공될 수 있다. 제1 기능성 섬유(140)는, 이 제1 기능성 섬유(140)가 제2 기능성 섬유(142)와 접촉하는 위치에서 제2 기능성 섬유(142)와 화학적으로 반응(예를 들어, 제2 기능성 섬유(142)에 화학적으로 결합)할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 기능성 섬유(140)는 제한 없이 제2 기능성 섬유(142)와 반응하거나 및/또는 화학적으로 결합하지만 그 자신과 반응하거나 화학적으로 결합하지 않는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 기능성 섬유(142)는 제한 없이 제1 기능성 섬유(140)와 반응하거나 및/또는 화학적으로 결합하지만 그 자신과 반응하거나 화학적으로 결합하지 않는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 제1 기능성 섬유(140)는 다른 제1 기능성 섬유(140)와 반응하지 않을 수 있다(예를 들어, 다른 제1 기능성 섬유(140)에 화학적으로 결합하지 않을 수 있다). 마찬가지로, 제2 기능성 섬유(142)는 다른 제2 기능성 섬유(142)와 반응하지 않을 수 있다(예를 들어, 다른 제2 기능성 섬유(142)에 화학적으로 결합하지 않을 수 있다). 제1 기능성 섬유(140) 및 제2 기능성 섬유(142)는 위에서 언급한 바와 같이 서로 화학적으로 반응하고 있다. 반대로, 위에서 언급한 바와 같이, 심초 섬유(56)는 2개의 심초 섬유(56) 사이에 국부적인 접속을 형성하기 위해 다른 심초 섬유(56)의 가용성 피복(58)과 국부적으로 융합(예를 들어 함께 용융)될 수 있는 가용성 피복(58)을 가질 수 있다.
실시예에서, 제1 기능성 섬유(140)는 상술한 섬유 재료 중 어느 하나로 형성되어 에폭시 수지 재료로 코팅된 에폭시-관능 섬유(epoxy-functional fiber; 140a)(도 41∼도 43 참조)로서 제공될 수 있거나 또는 에폭시-관능 섬유(140a)는 고체 에폭시 수지로 형성될 수 있다. 실시예에서, 제2 기능성 섬유(142)는 아민-기능성 섬유(amine-functional fiber; 142a)(도 41∼도 43 참조)를 포함할 수 있다. 아민-기능성 섬유(142a)는 에폭시-관능 섬유(140a)와 접촉하여 배열될 때 에폭시 수지와 화학적으로 반응하는 아민 화합물 또는 다른 화합물로 형성될 수 있다. 에폭시-관능 섬유(140a)와 아민-기능성 섬유(142a) 사이의 접촉은, 적어도 에폭시-관능 섬유(140a)와 아민-기능성 섬유(142a) 사이의 접촉의 위치에서의 가교(cross-linking) 및/또는 부분적 경화 및 화학 결합(96)을 초래할 수 있다.
복합 구조체(10)의 몇몇 실시예에서는, 비록 에폭시-관능 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a)가 직조 배열을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비평행 관계로 배향될 수 있지만, 제1 층(62)은 서로 평행 관계로 배열된 에폭시-관능 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a)를 포함할 수 있다. 아민-기능성 섬유(142a)는 에폭시-관능 섬유(140a)와 번갈아 나올 수 있다. 예를 들어, 도 40에서는, 제1 층(62)의 모든 제3 섬유가 아민-기능성 섬유(142a)일 수 있고, 제1 층(62)의 나머지 섬유가 에폭시-관능 섬유(140a)일 수 있다. 제2 층(64)의 섬유는 제1 층(62)의 섬유에 대하여 수직(또는 다른 각도)으로 배향될 수 있고, 또한 아민-기능성 섬유(142a)인 모든 제3 섬유 및 에폭시-관능 섬유(140a)인 나머지 섬유를 포함할 수 있다.
섬유(30)를 기능화하는 방법은, 플라즈마 처리(plasma treatment), 코로나 처리(corona treatment), 습식 화학적 방법(wet chemical method), 폴리머 블렌딩(polymer blending) 및/또는 다른 방법을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 섬유(30)는 섬유의 전체 길이를 따라 기능화될 수 있다. 또는, 섬유(30)는 섬유(30)의 길이를 따른 패턴에 따라 기능화될 수 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 섬유(30)는 섬유(30) 길이를 따라 특정의 증가(certain increment)로 소망하는 기능을 갖출 수 있다. 예를 들어 섬유(30)는 섬유(30)의 길이를 따라 1/2 인치 증가로 에폭시 기능(예를 들어 에폭시 코팅), 또는 임의의 다른 균일 또는 불균일한 패턴을 갖출 수 있다. 다른 섬유(30)는 섬유(30)의 길이를 따라 소망하는 증가로 아민 관능기(amine functionality)를 가질 수 있다. 섬유는 복합 구조체(10) 내에 섬유(30) 결합의 소망하는 패턴을 제공하는 방식으로 기능화될 수 있다.
다른 실시예에서, 복합 구조체(10)는 자기 반응적으로 코팅된 섬유(도시하지 않음)를 갖출 수 있다. 자기 반응적으로 코팅된 섬유는, 그 자신과 접촉할 때에 화학적으로 반응(예를 들어 화학적으로 결합)하는 자기 반응성 코팅(도시하지 않음)을 가질 수 있지만, 베어 섬유(bare fiber, 즉 코팅되지 않은 섬유)와는 화학적으로 반응 또는 결합하지 않는다. 자기 반응성 코팅은 매트릭스(22)와 반응할 수 있거나 또는 반응하지 않을 수 있다. 실시예에서, 복합 구조체(10)는 제1 층(62) 및 제2 층(64)에 배열된 섬유(30)를 포함할 수 있다. 제1 층(62) 및 제2 층(64)은 제1 섬유(32) 및 제2 섬유(34)를 각각 함유할 수 있다.
제1 섬유(32)의 적어도 일부는 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 포함할 수 있고, 제1 층(62)의 나머지 섬유는 비코팅된 섬유(30) 또는 자기 반응성 코팅으로 코팅되지 않은 섬유(30)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 섬유(34)의 적어도 일부는 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 포함할 수 있고, 제2 층(64)의 나머지 섬유(30)는 비코팅된 섬유(30) 또는 자기 반응성 코팅으로 코팅되지 않은 섬유(30)를 포함할 수 있다. 이러한 복합 구조체(10)에서, 자기 반응적으로 코팅된 섬유는 자기 반응적으로 코팅된 섬유가 서로 접촉하는 위치에서 다른 자기 반응적으로 코팅된 섬유에 접속될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기-반응성 코팅은 자기-반응성 코팅이 그 자신과 반응하여 화학적으로 결합하는 것을 개시하거나 일으키도록 하기 위해 외부 반응 개시 소스(external reaction-initiating source, 도시하지 않음)로부터 열 및/또는 에너지의 인가를 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 하나의 섬유(30)의 자기-반응성 코팅이 다른 섬유(30)의 자기 반응성 코팅과 접촉하는 위치에서, 열, 방사선(radiation), 습기(moisture) 또는 다른 반응 개시 메카니즘이 글로벌 패턴(global pattern) 또는 로컬 패턴(local pattern)으로 섬유(30)에 적용될 수 있다. 외부 반응 개시 소스는 그러한 섬유(30)가 서로 접촉하는 위치에서 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 결합하기 위해 국부적인 패턴으로 열을 인가할 수 있는 레이저를 구비할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 섬유(30)의 결합은 하나 이상의 섬유(30)의 길이를 따라 소망하는 패턴(예를 들어 매 1/2 인치)으로 자기-반응성 코팅을 적용함으로써 제어될 수 있다. 더욱이, 복합 구조체(10)의 적어도 하나의 층(60)은 자기 반응적으로 코팅된 섬유(30)와 코팅되지 않은 섬유(30) 또는 베어 섬유(30)(예를 들어, 자기 반응적으로 코팅되지 않은 섬유(30))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합 구조체(10)의 하나의 층(60)은 자기 반응적으로 코팅된 섬유(30)와 코팅되지 않은 섬유(30)를 교대로 포함할 수 있다. 또한 더욱이, 층 스택(66) 내에서 다른 층(60)은 복합 구조체(10) 내에서 섬유(30)를 결합하기 위한 다른 배열을 제공하기 위해 자기 반응적으로 코팅된 섬유(30) 및 코팅되지 않은 섬유(30)의 다른 패턴을 포함할 수 있다. 복합 구조체(10) 내의 특정 층(60)은 실질적으로 자기 반응적으로 코팅된 섬유(30)로 구성될 수 있는 반면에, 복합 구조체(10)의 다른 층(60)은 실질적으로 코팅되지 않은 섬유(30)로 구성될 수 있다.
제1 기능성 섬유(140), 제2 기능성 섬유(142) 및 다른 기능성 섬유(30)의 화학적 구조(chemical makeup) 및/또는 기능성의 선택은, 섬유(30) 사이의 화학 반응(예를 들어 화학 결합)이 필요에 따라 발생할 수 있도록 제1 기능성 섬유(140) 및 제2 기능성 섬유(142)의 화학적 호환성에 기초를 둘 수 있다. 제1 기능성 섬유(140) 및 제2 기능성 섬유(142)의 화학적 구조 및/또는 기능성의 선택은 또한 소망하는 접속 품질(100)(예를 들어, 강도, 탄성계수(elastic modulus), 접속 항복(connection yield) 및/또는 실패 스트레인(failure strain) 등)에 기초를 둘 수 있다. 게다가, 제1 기능성 섬유(140) 및 제2 기능성 섬유(142)의 화학적 구조 및/또는 기능성의 선택은 복합 구조체(10)의 소망하는 광학적 특성(optical properties)에 기초를 둘 수 있다. 예를 들어, 제1 기능성 섬유(140) 및 제2 기능성 섬유(142)의 화학적 구조 및/또는 재료는 굴절률(refractive index) 및/또는 섬유(30) 재료의 굴절률의 온도 계수 및 주어진 온도 변화에 대한 매트릭스 및 복합 구조체(10)가 사용 중에 받을 수 있는 빛의 파장에 기초하여 선택될 수 있다. 자기 반응적으로 코팅된 섬유(30)의 화학적 구조 및/또는 재료의 선택은 또한, 섬유(30) 재료, 코팅 재료 및 매트릭스 재료를 적절하게 매치시키기 위해 화학적 호환성, 소망하는 접속 품질(100) 및/또는 소망하는 광학 특성(예를 들어 굴절률)에 기초를 둘 수도 있다.
기능화/코팅의 존재, 농도, 유형 또는 품질은 또한 임의의 개별 섬유(30), 층(60) 내의 섬유간(fiber-to-fiber), 및/또는 층간(layer-to-layer)의 길이를 따라 변화될 수도 있다. 예를 들어, 위에서 언급한 바와 같이, 에폭시 코팅의 접속 유형(88) 또는 접속 품질(100)은 섬유(30)의 길이를 따라 변화될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 임의의 층(60)의 섬유(30)는, 제한 없이, 임의의 배향으로 배열될 수 있고, 도 40에 도시된 교차-플라이 구성(72)에 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 임의의 층(60)의 섬유(30)는 층(60)의 에폭시-관능 섬유(140a)의 부분에 대하여 아민-기능성 섬유(142a)의 임의의 부분으로 구성될 수 있다. 게다가, 주어진 층(60)에서의 섬유(30) 중 어느 하나는 비-에폭시-관능 섬유(140a) 또는 비-아민-기능성 섬유(142a)일 수 있다. 예를 들어, 제1 층(62)은 실질적으로 모두 에폭시-관능 섬유(140a)로 구성될 수 있는바, 실질적으로 아민-기능성 섬유(142a)가 없는 상태로 될 수 있다. 제2 층(64)은 실질적으로 모두 아민-기능성 섬유(142a)를 포함할 수 있는바, 실질적으로 에폭시-관능 섬유(140a)가 없는 상태로 될 수 있다. 에폭시-관능 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a)를 함유하는 층(60)에 대해, 섬유(30)는 층 내에서 임의의 배열로 번갈아 배열될 수 있다. 예를 들어, 섬유(30)는 에폭시-관능 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a) 사이에서 번갈아 배열될 수 있다. 많은 다양한 배열이 에폭시-관능성 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a)를 배열하기 위해 구현될 수 있다.
도 41은 층(60)에 배열된 복수의 에폭시-관능 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a)의 분해된 개략적인 측면도이다. 도시된 실시예에서, 에폭시-관능 섬유(140a) 및 아민-기능성 섬유(142a)의 각각은, 그러한 섬유(140a, 142a)가 제한 없이 임의의 단면 형상으로 제공될 수 있지만, 일반적으로 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다. 섬유(140a, 142a)는 초기에 도 41에 도시된 크로스-플라이 구성과 같은 소망하는 배향으로 배열될 수 있다. 도시된 실시예에서는, 빛의 산란을 최소화하여 복합 구조체(10)의 광학 성능을 향상시키기 위해, 복합 구조체(10)가 섬유(140a, 142a)의 상부 및/또는 하부 표면에 대해 법선 방향을 따라 보았을 때 하나의 층(60)의 섬유(140a, 142a)가 다른 층(60)의 섬유(140a, 142a) 사이의 간극과 적어도 부분적으로 정합되도록 교호의 층(60)의 섬유(140a, 142a)가 엇갈림식 대형으로 배열될 수 있다.
도 42는 층(60)의 섬유(140a, 142a)를 서로 접촉하여 위치시키도록 함께 가압된 도 41의 층(60)의 개략적인 측면도이다. 에폭시-관능 섬유(140a)가 아민-기능성 섬유(142a)와 접촉하는 위치에서, 에폭시 수지와 아민 화합물 사이에 화학 반응이 발생할 수 있다. 화학 반응은 아민-기능성 섬유(142a)와 에폭시-관능 섬유(140a)가 서로 접촉하는 위치에서 화학 결합(96)을 초래할 수 있다. 화학 결합(96)은 에폭시 수지의 국부적인 경화(curing) 및/또는 담금질(hardening)로서 특징지워질 수 있고, 에폭시-관능 섬유(140a)와 아민-기능성 섬유(142a) 사이의 접속 사이트의 형성을 초래할 수 있다. 수분 경화(moisture cure), 자외선-방사선 경화(ultraviolet-radiation cure), 가시광선 경화(visible light cure) 및 다른 방사선 경화 방법 등과 같은 다른 경화 방법은, 에폭시-관능 섬유(140a)와 아민-기능성 섬유(142a) 사이에서 화학 결합(96)을 경화시키기 위해 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 에폭시-관능 섬유(140a)와 아민-기능성 섬유(142a) 사이의 화학 결합(96)의 접속 품질(100)은 아민 화합물 또는 에폭시 화합물의 화학적 성질(chemistry)을 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 아민 화합물 또는 에폭시 화합물의 사슬(chain)의 길이를 변경하는 것, 및/또는 아민 화합물 또는 에폭시 화합물의 사슬의 화학적 성질을 변경하는 것은, 에폭시-관능 섬유(140a)와 아민-기능성 섬유(142a) 사이의 화학 결합(96)에서 인장 강도, 항복 스트레인(yield strain), 실패 스트레인(failure strain) 및/또는 탄성계수를 제어하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
도 43은 매트릭스(22) 재료와 화학적으로 결합된 층(60)을 주입한 후의 복합 구조체(10)의 개략적인 측면도이다. 실시예에서, 에폭시 매트릭스와 같은 매트릭스(22) 재료는, 매트릭스(22)가 에폭시-관능 섬유(140a), 아민-기능성 섬유(142a) 및/또는 복합 구조체(10)에 포함될 수 있는 비-에폭시-관능 섬유 및 비-아민-기능성 섬유 등과 같은 섬유(30)의 다른 유형 사이의 임의의 간극을 채우도록, 화학적으로 결합된 층(60)으로 주입될 수 있다. 열 및/또는 압력은 매트릭스(22)를 경화 및/또는 고화하기 위해 인가될 수 있다.
복합 구조체(10)는, 섬유(30)를 다른 섬유(30)와 결합하거나 및/또는 섬유(30)를 평면 소자(78)(도 21)와 결합하기 위한 배열 및 방법 중 하나 이상을 이용하여 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)의 다수의 양태(aspect, 樣態)를 통합할 수 있는 복합 3차원 실시예에 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 이러한 복합 3차원 실시예는 구체적으로는 향상된 탄도 성능을 달성하기 위해 탄도 패널 내의 접속 품질(100) 및/또는 접속 유형(88)의 3차원 위치를 제어할 목적으로 탄도 패널에 대한 결합 유형 및/또는 결합 품질의 3차원 구조를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
도 44는 복합 구조체(10)를 제조하는 방법(400)에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작을 예시하는 흐름도이다. 방법(400)의 단계 402는, 제1 층(62)에 섬유(30)의 적어도 일부를 배열하는 것을 포함할 수 있는 복수의 섬유(30)를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 제1 층(62)의 섬유(30)는 서로 실질적으로 평행하게 배열될 수 있다. 그렇지만, 섬유(30)는 서로에 대해 임의의 각도 배향(angular orientation)으로 배열될 수 있다. 섬유(30)는 또한 층 스택(66)의 2층 이상의 층(60)에 배열될 수도 있다. 예를 들어, 방법(62)은 도 17에 도시된 바와 같이 제1 섬유(30)를 갖는 제1 층(62)에 섬유(30)의 적어도 일부를 배열하는 것, 및 제2 섬유(30)를 갖는 제2 층(64)에 섬유(30)의 적어도 일부를 배열하는 것을 포함할 수 있다.
방법(400)의 단계 404는 분리된 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 섬유(30)의 적어도 일부를 접속하는 것을 포함할 수 있다. 단계 406는 다른 접속 유형(88) 및/또는 다른 접속 품질(100)을 갖는 적어도 2개의 접속 사이트(80)를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이 방법은 다른 접속 유형(88) 및/또는 다른 접속 품질(100)의 적어도 2개의 접속 사이트(80)에서 제1 층(62)의 섬유 중 적어도 2개를 접속하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 접속 품질(100)은 제1 및 제2 섬유(32, 34) 사이의 제1 접속 사이트(80a)에서의 고강도/저스트레인 접속(106), 및 제1 및 제2 섬유(32, 34) 사이의 제2 접속 사이트(80b)에서의 저강도/고스트레인 접속(108)을 포함할 수 있다.
2개 이상의 층(60)을 갖는 복합 구조체(10)에 대해, 방법(400)은 동일하거나 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있는 복수의 접속 사이트(80)에서 제1 층(62)의 제1 섬유(30) 중 적어도 하나를 제2 층(64)의 제2 섬유(30) 중 적어도 하나에 접속하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 이 방법은 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)의 접속 사이트(80)에서 제1 층(62)의 제1 섬유(30) 중 적어도 2개를 접속하는 것, 및 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)과는 다를 수 있는 제2 접속 유형(88b) 및/또는 접속 품질(100b)의 접속 사이트(80)에서 제2 층(64)의 제2 섬유(30) 중 적어도 2개를 접속하는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 방법(400)은 도 18에 도시된 바와 같이 제1 섬유(32), 제2 섬유(34), 제3 섬유(36) 및 제4 섬유(38)를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 제1 섬유(32)와 제2 섬유(34)는 동일한 층(60) 또는 다른 층(60)에 포함될 수 있다. 마찬가지로, 제3 섬유(36)와 제4 섬유(38)도 동일한 층(60) 또는 다른 층(60)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제3 섬유(36) 및 제4 섬유(38)가 제1 섬유(32) 및 제2 섬유(34)와 동일한 층(60) 또는 제1 섬유(32) 및 제2 섬유(34)와는 다른 층(60)에 포함될 수 있다. 제1 섬유(32)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)의 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 제2 섬유(34)에 접속될 수 있고, 제3 섬유(36)는 제1 접속 유형(88a) 및/또는 접속 품질(100a)과는 다를 수 있는 제2 접속 유형(88b) 및/또는 접속 품질(100b)의 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 제4 섬유(38)에 접속될 수 있다. 실시예 중 어느 하나의 실시예에서는, 방법(400)의 단계 408는 매트릭스(22) 내에 섬유(30)를 매립하는 것, 및 매트릭스(22)가 경화하도록 하는 것을 포함할 수 있다.
실시예에서, 방법(400)은 도 21에 도시된 바와 같이 복수의 섬유(30)를 함유하는 직조 섬유 직물 플라이(74)로서 제1 층(62)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 적어도 직조 섬유 직물 플라이(74)의 섬유(30)의 일부는, 섬유(30)가 교차하고 노드(76)로서 설명될 수 있는 위치에서 상호 접속될 수 있다. 실시예에서, 접속 사이트(80)는, 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)이 직조 섬유 직물 플라이(74)의 섬유(30)의 교차점(즉, 노드(76))에서 다른 접속 사이트(80)에서 변화할 수 있도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 방법(400)은 도 34∼도 36 또는 도 37∼도 39에 도시된 바와 같이 심초 섬유(56)로서 섬유(30)의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 심초 섬유(56)의 각각은 열가소성 재료로 형성된 피복(sheath; 58)에 의해 둘러싸인 코어(57)로 구성될 수 있다. 코어(57)는 피복(58)의 강도에 대해 고강도 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 피복(58)은 열가소성 재료일 수 있는 매트릭스(22)와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 이 방법은 도 34∼도 36에 도시된 바와 같이 층(60)에서 서로에 대해 병렬 접촉 관계로 심초 섬유(56)를 배열하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 방법은 심초 섬유(56)의 상부 및 하부 표면이 서로 접촉할 수 있도록 심초 섬유(56)의 층을 배열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 심초 섬유(56)의 2개 이상의 층(60)은 도 37∼도 39에 도시된 바와 같이 크로스-플라이 구성(72)으로 배열될 수 있다.
방법(400)은 심초 섬유(56)의 층(60)을 함께 가압하는 것 및 피복(58)에 열을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열은 피복(58)이 서로 접촉하는 하나 이상의 위치에서 인가될 수 있다. 열의 인가는, 접속 사이트(80)에서 함께 피복(58)을 열가소성 융합시키는 등에 의해 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 서로에 대해 심초 섬유(56)의 적어도 일부를 접속하는 것을 초래할 수 있다. 피복(58)의 열가소성 융합 후에, 심초 섬유(56)는 매트릭스(22) 재료로 함침되거나 또는 주입될 수 있다. 이 방법은 복합 구조체(10)를 형성하기 위해 매트릭스(22) 재료를 경화시키는 것을 더 포함할 수 있다. 특정 실시예에서는, 심초 섬유(56)는 직조 섬유 직물 플라이(74)로 직조될 수 있다(도시하지 않음). 심초 섬유(56)의 피복(58)은 섬유(30)가 교차하는 위치(예를 들어 노드(74))에서 함께 열가소성 융합(92)될 수 있다.
도 41∼도 42에 예시된 다른 실시예에서, 이 방법은 제1 섬유(32)를 함유하는 제1 층(62) 및 제2 섬유(34)를 함유하는 제2 층(64)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 적어도 제1 섬유(32)의 일부는 에폭시-관능 섬유(140a) 및/또는 아민-기능성 섬유(142a)일 수 있다(도 41∼도 43). 적어도 제2 섬유(34)의 일부도 또한 에폭시-관능 섬유(140a) 및/또는 아민-기능성 섬유(142a)일 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 아민-기능성 섬유(142a)는 아민 화합물로 형성될 수 있다. 제1 층(62) 및 제2 층(64)의 각각에서의 아민-기능성 섬유(142a) 및 에폭시-관능 섬유(140a)는 서로에 대해 교호의 관계(alternating relation, 번갈아 배열되는 관계)로 배열될 수 있다. 제1 및 제2 층(62, 64)은 도 41에 도시된 크로스-플라이 구성 또는 임의의 다른 구성 등과 같은 소망하는 구성으로 배열될 수 있다.
이 방법은 제1 및 제2 층(62, 64)을 함께 가압하는 등에 의해 제1 층(62)을 제2 층(64)과 접촉하여 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 층(62, 64) 사이의 접촉은 아민-기능성 섬유(142a)가 에폭시-관능 섬유(140a)와 접촉하는 접속 사이트(80)에서 화학 결합(96)을 초래할 수 있다. 이 방법은 매트릭스(22) 재료로 제1 및 제2 층(62, 64)을 주입하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다. 복합 구조체(10)를 형성하도록 매트릭스(22) 재료를 경화하기 위해 열 및/또는 압력이 인가될 수 있다.
도 45는 복합 구조체(10)를 제조하는 다른 방법(500)에 포함될 수 있는 하나 이상의 동작을 예시하는 흐름도이다. 방법(500)의 단계 502는 도 13a∼도 17에 도시된 바와 같이 2개 이상의 층(60)에 복수의 섬유(30)를 배열하는 것을 포함할 수 있다. 방법(500)의 단계 504는, 적어도 하나의 층(60)의 섬유(30) 중 적어도 하나를 다른 층(60)의 섬유(30) 중 적어도 하나에 접속시키는 것을 포함할 수 있다. 실시예에서, 방법(500)은 하나의 층(60)의 적어도 하나의 섬유(30)를 바로 인접한 층(60)의 적어도 하나의 섬유(30)에 접속시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 13a∼도 13c는 제1 접속 영역(114)을 따라 제1 및 제2 층(62, 64)에서의 단방향 구성(70)의 섬유(30)의 결합을 예시하고, 제2 접속 영역(116)을 따라 제2 및 제3 층(64, 65)에서의 섬유(30)의 결합을 예시하고 있다.
다른 실시예에서, 도 14는 층 1-2에서의 섬유(30)의 결합을 예시하고 있는 반면에, 도 15는 교호의 층 1, 3, 5, 7, 9에서의 섬유(30)의 결합을 예시하고 있다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 층(60)에서의 섬유(30)는 다른 층(60)에서의 섬유(30)에 접속되지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 14에서는, 층 3∼10은 서로 또는 임의의 다른 층(60)에 접속되지 않을 수 있다. 도 15에서는, 층 2, 4, 6, 8 및 10은 서로 또는 임의의 다른 층(60)에 접속되지 않을 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 층 스택(66)의 임의의 수의 층(60)에서의 섬유(30)는 복합 구조체(10)의 소망하는 광학 성능 및/또는 탄도 성능 특성을 달성하기 위해 임의의 배열로 결합될 수 있다.
도 24∼도 33을 참조하면, 방법(500)은 하나 이상의 기하학적 패턴으로 접속 사이트(80)를 배열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이 방법은 층(60)의 글로벌 접속 사이트 패턴(110)으로 배열된 복수의 접속 사이트(80)에서 적어도 하나의 층(60)의 섬유(30)를 접속하는 것, 및/또는 글로벌 접속 사이트 패턴(110)으로 적어도 하나의 층(60)을 접속하는 것을 포함할 수 있다. 글로벌 접속 사이트 패턴(110)의 각각은 하나 이상의 국부적인 접속 영역(112)을 포함할 수 있다. 국부적인 접속 영역(112) 각각은 층(60)의 섬유(30)가 서로 접속되거나, 및/또는 층(60)이 서로 접속되는 접속 사이트(80)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 24∼도 33은 국부적인 접속 영역(112)의 기하학적 형상의 몇 가지 예를 예시하고 있다. 그렇지만, 알 수 있는 바와 같이, 국부적인 접속 영역(112)은, 제한 없이, 많은 다른 기하학적 크기, 형상 및 구성으로 제공될 수 있다.
특정 실시예에서는, 방법(500)은 도 21∼도 22에 도시된 바와 같이 평면 소자(78)로서 층(60) 중 하나 이상을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 평면 소자(78)는 필름, 시트, 또는 플레이트로서 제공될 수 있다. 평면 소자(78)는 비-섬유 평면 소자(78)를 포함할 수 있다. 그렇지만, 평면 소자(78)는 섬유 재료(fibrous material)일 수 있다. 예를 들어, 평면 소자(78)는 다진 섬유, 펠트 또는 임의의 다른 유형의 섬유 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 평면 소자(78)는 상술한 바와 같이 연신 필름 또는 미연신 필름 등과 같은 금속 호일(metal foil, 금속박) 또는 폴리머 필름을 포함할 수 있다. 평면 소자(78)는 또한, 복합 재료 및/또는 세라믹 재료를 포함할 수도 있다. 방법(500)은 도 21∼도 22에 도시된 바와 같이 층(60) 중 적어도 하나에서의 섬유(30) 중 적어도 하나를 복수의 접속 사이트(80)에서 평면 소자(78)에 접속하는 것을 포함할 수 있다. 평면 소자(78)를 하나 이상의 섬유(30)에 접속하는 접속 사이트(80)는 동일하거나 및/또는 다른 접속 유형(88) 및/또는 접속 품질(100)을 가질 수 있다.
방법(500)은 도 40∼도 43의 개략도에 도시된 바와 같이 제1 섬유(32) 및 제2 섬유(34)를 각각 함유하는 제1 층(62) 및 제2 층(64)에 섬유(30)를 배열하는 것을 포함할 수 있다. 적어도 제1 섬유(32)의 일부는 제1 기능성 섬유(140)로서 제공될 수 있다. 적어도 제2 섬유(34)의 일부는 제2 기능성 섬유(142)로서 제공될 수 있다. 방법(500)은, 제2 층(64)과 접촉하여 제1 층(62)을 배열시키는 것, 및 제1 기능성 섬유(140)가 제2 기능성 섬유(142)와 접촉하는 위치에서 제1 기능성 섬유(140)를 제2 기능성 섬유(142)와 화학적으로 반응(예를 들어, 화학적으로 결합)시키는 것을 더 포함할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 방법(500)은 제1 섬유(32) 및/또는 제2 섬유(34)에 플라즈마 처리, 코로나 처리, 습식 화학적 방법, 폴리머 블렌딩 및 다양한 기능화 및 코팅 방법 중 어느 하나를 실시함으로써 제1 기능성 섬유(140) 및/또는 제2 기능성 섬유(142)를 제조하는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 방법(500)은 제1 섬유(32)를 함유하는 제1 층(62) 및 제2섬유(34)를 함유하는 제2 층(64)에 섬유(30)를 배열하는 것, 제1 섬유(32)의 적어도 일부 및 자기 반응적으로 코팅된 섬유의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 자기 반응적으로 코팅된 섬유로서 제2 섬유(34)의 적어도 일부를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다. 제1 층(62)은 제2 층(64)과 접촉하여 위치될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이 방법은 자기 반응적으로 코팅된 섬유가 서로 접촉하는 위치에서 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 서로와 화학적으로 반응(예를 들어, 화학적으로 결합)시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 방법은 자기 반응적으로 코팅된 섬유가 서로 접촉하는 위치에서 화학 반응을 개시시키기 위해 열, 방사선 및/또는 습기 등과 같은 외부 반응 개시 소스에 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 다음의 절(clause)에 따른 실시예들을 포함한다:
절 1. 적어도 부분적으로 매트릭스(22) 내에 매립된 복수의 섬유(30)를 구비하되,
섬유는 적어도 하나의 접속 사이트(80)에서 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 2. 절 1에 있어서, 접속 사이트는 다음 중 적어도 하나를 포함하는 접속 유형을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 구조체:
접착 결합;
융합;
기계적 피닝; 및
화학 결합.
절 3. 절 1에 있어서, 매트릭스 및 섬유 중 적어도 하나는 다음의 재료 중 적어도 하나로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체:
플루오로 카본, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리에테르 에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르 케톤케톤(polyetherketoneketone), 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 및 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 중 적어도 하나를 포함하는 열가소성 재료;
폴리우레탄, 페놀 수지(phenolic), 폴리이미드, 비스말레이미드(bismaleimide), 폴리에스테르 및 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 열경화성 재료; 및
E-유리(E-glass, 즉 알루미노 붕규산 유리(alumino-borosilicate glass)), S-유리(S-glass, 즉 알루미노 실리케이트 유리(alumino silicate glass)), 순수한 실리카, 붕규산 유리, 광학 유리를 포함하는 유리;
강철, 티타늄, 구리, 알루미늄 및 금속 합금을 포함하는 금속 재료; 및
세라믹 재료.
절 4. 적어도 부분적으로 매트릭스 내에 매립된 복수의 섬유를 구비하되,
섬유는 2개 이상의 층에 배열되고;
적어도 하나의 층의 섬유의 적어도 하나는 다른 층의 섬유의 적어도 하나에 접속되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 5. 절 4에 있어서, 적어도 하나의 층의 섬유는 다른 층의 섬유에 접속되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 6. 절 4에 있어서, 적어도 하나의 층의 섬유의 적어도 일부는 층의 글로벌 접속 사이트 패턴으로 배열된 접속 사이트에서 서로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 7. 절 4에 있어서, 층 중 적어도 하나는 필름, 시트 또는 플레이트로서 구성된 평면 소자로서 구성되어 있고;
층 중 적어도 하나에서의 섬유의 적어도 하나는 복수의 접속 사이트에서 평면 소자에 접속되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 8. 절 7에 있어서, 평면 소자는 다음의 재료 중 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체:
연신 고분자 재료 또는 미연신 고분자 재료;
유리;
금속 재료;
복합 재료;
세라믹 재료; 및
직조 재료 또는 부직포 재료.
절 9. 절 4에 있어서, 섬유는 제1 섬유 및 제2 섬유를 각각 함유하는 제1 층 및 제2 층에 배열되고;
적어도 제1 섬유의 일부는 제1 기능성 섬유를 포함하며;
적어도 제2 섬유의 일부는 제2 기능성 섬유를 포함하고;
제1 기능성 섬유는, 제1 기능성 섬유가 제2 기능성 섬유와 접촉하는 위치에서 제2 기능성 섬유와 화학적으로 반응하고 제2 기능성 섬유에 접속되며;
제1 기능성 섬유는 다른 제1 기능성 섬유와 반응하지 않고;
제2 기능성 섬유는 다른 제2 기능성 섬유와 반응하지 않는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 10. 절 4에 있어서, 섬유는 제1 섬유 및 제2 섬유를 각각 함유하는 제1 층 및 제2 층에 배열되고;
적어도 제1 섬유의 일부는 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 포함하며;
적어도 제2 섬유의 일부는 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 포함하고;
자기 반응적으로 코팅된 섬유는 그 자신과 접촉할 때 화학적으로 반응하는 자기 반응성 코팅을 가지며;
자기 반응적으로 코팅된 섬유는 자기 반응적으로 코팅된 섬유가 서로와 접촉하는 위치에서 다른 자기 반응적으로 코팅된 섬유에 접속되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
절 11. 2개 이상의 층에 복수의 섬유를 배열하는 단계;
적어도 하나의 층의 섬유 중 적어도 하나를 다른 층의 섬유 중 적어도 하나에 접속하는 단계; 및
매트릭스 내에 섬유를 매립하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 물품을 제조하는 방법.
절 12. 절 11에 있어서, 적어도 하나의 층의 섬유는 다른 층의 섬유에 접속되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 방법.
절 13. 절 11에 있어서,
하나 이상의 국부적인 접속 영역 및/또는 글로벌 접속 사이트 패턴으로 배열된 복수의 접속 사이트에서 적어도 하나의 층에 섬유를 접속하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
절 14. 절 11에 있어서, 필름, 시트 또는 플레이트로서 구성된 평면 소자를 제공하는 단계; 및
복수의 접속 사이트에서 층 중 적어도 하나의 섬유 중 적어도 하나를 평면 소자에 접속하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
절 15. 절 11에 있어서, 적어도 섬유의 일부를 심초 섬유로서 제공하되, 심초 섬유의 각각이 융합 재료로 형성된 피복에 의해 둘러싸인 코어로 구성되는 단계;
심초 섬유 중 적어도 2개의 피복을 서로 접촉하여 위치시키는 단계;
피복이 서로 접촉하는 하나 이상의 위치에서 피복에 열을 인가하는 단계; 및
심초 섬유 사이에 하나 이상의 접속 사이트를 형성하기 위해 피복을 함께 융합하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
절 16. 절 11에 있어서, 섬유를 제1 섬유 및 제2 섬유를 각각 함유하는 제1 층 및 제2 층에 배열하는 단계;
적어도 제1 섬유의 일부를 제1 기능성 섬유로서 제공하는 단계;
적어도 제2 섬유의 일부를 제2 기능성 섬유로서 제공하는 단계;
제1 층을 제2 층과 접촉하여 위치시키는 단계; 및
제1 기능성 섬유가 제2 기능성 섬유와 접촉하는 위치에서 제1 기능성 섬유를 제2 기능성 섬유와 화학적으로 반응시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
절 17. 절 11에 있어서, 섬유를 제1 섬유 및 제2 섬유를 각각 함유하는 제1 층 및 제2 층에 배열하는 단계;
적어도 제1 섬유의 일부를 자기 반응적으로 코팅된 섬유로서 제공하는 단계;
적어도 제2 섬유의 일부를 자기 반응적으로 코팅된 섬유로서 제공하는 단계;
제1 층을 제2 층과 접촉하여 위치시키는 단계; 및
자기 반응적으로 코팅된 섬유가 서로 접촉하는 위치에서 자기 반응적으로 코팅된 섬유를 서로와 화학적으로 반응시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
본 발명의 추가적인 변형 및 개선은 당업자에게 명백하게 될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명되고 예시된 부품의 특정 조합은 본 발명의 특정 실시예만을 나타내기 위한 것이고, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변형 실시예 또는 장치를 제한하기 위한 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 적어도 부분적으로 매트릭스(22) 내에 매립된 복수의 섬유(30)를 각각 포함하는 복수의 층을 구비하되,
    섬유는, 국부적인 접속 영역에 배치된 접속 사이트(80)가 배열되는 접속 사이트 패턴에서는, 상기 복수의 층에 포함된 개별 층 내에서 그리고 상기 복수의 층에 포함된 다른 층간에서, 서로 접속되어 있으며, 상기 접속 사이트 패턴의 외부에서는 서로 접속되지 않는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 접속 사이트(80)는 접속 유형 및 접속 품질을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속된 복수의 섬유를 함유하는 제1 층(62)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 접속 유형 및/또는 접속 품질의 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속된 제1 섬유(32)를 갖는 제1 층(62); 및
    제1 접속 유형 및/또는 접속 품질과는 다른 제2 접속 유형 및/또는 접속 품질의 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속된 제2 섬유(34)를 갖는 제2 층(64)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 및 제2 섬유(32, 34)가 복수의 접속 사이트(80)에서 서로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 층(62)은 복수의 섬유(30)를 함유하는 직조 섬유 직물 플라이(74)를 포함하고;
    적어도 직조 섬유 직물 플라이(74)의 접속 사이트(80)의 일부는 섬유가 직조 섬유 직물 플라이(74)에서 교차하는 곳에 위치되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    접속 사이트(80)는 섬유를 접속하는 접속 사이트(80)의 접속 강도, 접속 항복 및/또는 실패 스트레인, 및/또는 탄성 계수를 포함하는 접속 품질을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    섬유(30)는 제1 섬유(32) 및 제2 섬유(34)를 포함하고;
    접속 품질은 제1 및 제2 섬유 사이의 제1 접속 사이트(80a)에서의 고강도/저스트레인 접속과 제1 및 제2 섬유 사이의 제2 접속 사이트(80b)에서의 저강도/고스트레인 접속을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 섬유(30)의 일부는 심초 섬유로서 구성되어 있고;
    심초 섬유의 각각은 가용성 재료로 형성된 피복에 의해 둘러싸인 코어로 구성되며;
    심초 섬유 중 적어도 2개의 피복(58)은 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 함께 융합되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    섬유(30)는 광학적으로 투명한 재료 및/또는 적외선 투명 재료로 형성되고;
    매트릭스(22)는 광학적으로 투명한 재료 및/또는 적외선 투명 고분자 매트릭스(22)로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  11. 복수의 섬유(30)를 각각 포함하는 복수의 층을 제공하는 단계;
    섬유를, 국부적인 접속 영역에 배치된 접속 사이트(80)가 배열되는 접속 사이트 패턴에서는, 상기 복수의 층에 포함된 개별 층 내에서 그리고 상기 복수의 층에 포함된 다른 층간에서, 서로 접속하고, 상기 접속 사이트 패턴의 외부에서는 서로 접속하지 않도록 하는 단계; 및
    매트릭스(22)에 섬유를 포함하는 상기 복수의 층을 매립하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 물품을 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    다른 접속 유형 및/또는 다른 접속 품질을 갖는 적어도 2개의 접속 사이트(80)를 제공하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    적어도 섬유(30)의 일부를 제1 층(62)에 배열하는 단계; 및
    다른 접속 유형 및/또는 다른 접속 품질을 갖는 적어도 2개의 접속 사이트(80)에서 제1 층의 섬유 중 적어도 2개를 접속하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    적어도 섬유의 일부를 제1 섬유(32)를 갖는 제1 층(62)에 배열하는 단계;
    적어도 섬유의 일부를 제2 섬유(34)를 갖는 제2 층(64)에 배열하는 단계;
    제1 접속 유형 및/또는 접속 품질의 접속 사이트(80)에서 제1 섬유 중 적어도 2개를 접속하는 단계; 및
    제1 접속 유형 및/또는 접속 품질과는 다른 제2 접속 유형 및/또는 접속 품질의 접속 사이트에서 제2 섬유 중 적어도 2개의 접속하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    제1 층(62)을 복수의 섬유(30)를 함유하는 직조 섬유 직물 플라이(74)로서 제공하는 단계; 및
    섬유가 교차하는 하나 이상의 접속 사이트(80)에서 직조 섬유 직물 플라이의 섬유(30) 중 적어도 일부를 접속하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020167006482A 2013-12-14 2014-08-18 복합 물품에서의 결합된 섬유 KR102214131B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/106,742 2013-12-14
US14/106,742 US9242427B2 (en) 2010-12-15 2013-12-14 Coupled fibers in composite articles
PCT/US2014/051424 WO2015088594A1 (en) 2013-12-14 2014-08-18 Coupled fibers in composite articles

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160098162A KR20160098162A (ko) 2016-08-18
KR102214131B1 true KR102214131B1 (ko) 2021-02-09

Family

ID=51535509

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020167006482A KR102214131B1 (ko) 2013-12-14 2014-08-18 복합 물품에서의 결합된 섬유

Country Status (8)

Country Link
EP (2) EP3079885B1 (ko)
JP (1) JP6611719B2 (ko)
KR (1) KR102214131B1 (ko)
CN (2) CN105813828B (ko)
AU (2) AU2014360838B2 (ko)
CA (1) CA2922997C (ko)
RU (2) RU2661586C1 (ko)
WO (1) WO2015088594A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11376812B2 (en) 2020-02-11 2022-07-05 Helicoid Industries Inc. Shock and impact resistant structures
CN111572998B (zh) * 2020-05-22 2022-01-04 温州市恒生包装有限公司 一种多向止裂热缩膜
US11346499B1 (en) 2021-06-01 2022-05-31 Helicoid Industries Inc. Containers and methods for protecting pressure vessels
US11852297B2 (en) 2021-06-01 2023-12-26 Helicoid Industries Inc. Containers and methods for protecting pressure vessels
WO2024006078A1 (en) 2022-06-27 2024-01-04 Helicoid Industries Inc. High impact-resistant, reinforced fiber for leading edge protection of aerodynamic structures

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000226758A (ja) 1999-02-02 2000-08-15 Japan Vilene Co Ltd 補強用複合不織布
JP2010155460A (ja) * 1999-03-23 2010-07-15 Toray Ind Inc 複合炭素繊維基材、プリフォームおよび炭素繊維強化プラスチックの製造方法
US20120156422A1 (en) * 2010-12-15 2012-06-21 The Boeing Company Selectively coupled fibers in composites

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5742927A (en) * 1980-08-28 1982-03-10 Secr Defence Brit Production of high strength and high elastic ratio reinforcing fiber and composite material containing same
JPS63152637A (ja) * 1986-12-16 1988-06-25 Toray Ind Inc 樹脂の補強用プリフオ−ム材
US5212010A (en) * 1991-05-28 1993-05-18 Ketema, Inc. Stabilizing fabric with weave reinforcement for resin matrices
TW244340B (ko) * 1992-07-21 1995-04-01 Akzo Nv
US5508096A (en) * 1994-03-16 1996-04-16 Aerotrans Integral composite structure incorporating multiple resin-based systems and method of manufacture
CA2415823C (en) * 2000-07-07 2011-01-11 V2 Composite Reinforcements Inc. Reinforcing mat having thermally fused stitching
FR2836690B1 (fr) * 2002-03-04 2004-08-27 Eads Launch Vehicles Procede pour la realisation d'une piece monolithique composite thermostructurale a double paroi et piece obtenue
DE102005028765B4 (de) * 2005-06-22 2016-01-21 Airbus Operations Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Verstärkungsprofils
DE602006018344D1 (de) * 2005-09-27 2010-12-30 Milliken & Co Formbare Konstruktion mit Bindungsschnittstelle
US7294384B2 (en) * 2005-09-27 2007-11-13 Milliken & Company Moldable construction incorporating bonding interface
RU2352465C1 (ru) * 2007-12-19 2009-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский военный институт ракетных войск им. Главного маршала артиллерии Неделина М.И." Министерство обороны Российской Федерации Пожаростойкое покрытие

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000226758A (ja) 1999-02-02 2000-08-15 Japan Vilene Co Ltd 補強用複合不織布
JP2010155460A (ja) * 1999-03-23 2010-07-15 Toray Ind Inc 複合炭素繊維基材、プリフォームおよび炭素繊維強化プラスチックの製造方法
US20120156422A1 (en) * 2010-12-15 2012-06-21 The Boeing Company Selectively coupled fibers in composites

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160098162A (ko) 2016-08-18
EP3650208A1 (en) 2020-05-13
AU2014360838B2 (en) 2018-06-14
CA2922997C (en) 2022-03-15
CN110077008A (zh) 2019-08-02
AU2018204172B2 (en) 2020-04-09
JP2017501053A (ja) 2017-01-12
AU2018204172A1 (en) 2018-06-28
RU2661586C1 (ru) 2018-07-17
CN105813828B (zh) 2019-04-26
WO2015088594A1 (en) 2015-06-18
EP3079885A1 (en) 2016-10-19
AU2014360838A1 (en) 2016-03-17
CN105813828A (zh) 2016-07-27
CA2922997A1 (en) 2015-06-18
JP6611719B2 (ja) 2019-11-27
EP3079885B1 (en) 2021-02-24
RU2677169C1 (ru) 2019-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2018204172B2 (en) Coupled fibres in composite articles
US8609219B2 (en) Selectively coupled fibers in composites
US9242427B2 (en) Coupled fibers in composite articles
AU2011341611B2 (en) Composite material comprising fibers with interlocking shapes, and method to manufacture it
EP3351889B1 (en) Controlled fiber-matrix adhesion for polymer fiber composites
US11046048B1 (en) Selective modifiers for composite material property enhancement
Boyapati Finite element analysis of low-profile FRP bridge deck (Prodeck 4)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant