(57)【要約】      （修正有）【課題】樹脂混合物の特性を変え得、かつ製造される物品の処理、製造可能性、及び性能を改良し得る高分子ナノ粒子を含む樹脂混合物、それを含む組成物の提供。【解決手段】樹脂（１１４）、及び前記樹脂中に含まれ、かつ樹脂混合物（１１８）を生成する、複数の高分子ナノ粒子（２００）を含む、組成物。高分子ナノ粒子の少なくとも一部は、非エラストマー熱硬化性成分を有する高分子ナノ粒子、及びエラストマー成分を有しない熱可塑性材料から形成された高分子ナノ粒子を含み、樹脂混合物は、前記高分子ナノ粒子を含まない樹脂よりも、増大された靱性、増大された耐火性、増大された電気伝導性、低減された硬化収縮に関連した歪、低減された反応熱に関連した歪、及び低減された反応熱に関連した樹脂の分解という特性のうちの少なくとも１つを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂（１１４）、及び
前記樹脂中に含まれ、かつ樹脂混合物（１１８）を生成する、複数の高分子ナノ粒子（２００）を含む、組成物。
【請求項２】
前記高分子ナノ粒子（２００）の少なくとも一部は、
非エラストマー熱硬化性成分を有する高分子ナノ粒子（２００）、及び
エラストマー成分を有しない熱可塑性材料から形成された高分子ナノ粒子（２００）を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記樹脂混合物（１１８）は、前記高分子ナノ粒子（２００）を含まない樹脂よりも、
増大された靱性、増大された耐火性、増大された電気伝導性、低減された硬化収縮に関連した歪、低減された反応熱に関連した歪、及び低減された反応熱に関連した樹脂の分解という特性のうちの少なくとも１つを有する、請求項１又は２に記載の組成物。
【請求項４】
前記樹脂及び／又は前記高分子ナノ粒子（２００）は、
熱可塑性材料である、アクリル、フルオロカーボン、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、及びポリフェニルスルホン、
熱硬化性材料である、ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化ポリマー（ポリフェニレンスルフィド）、導電性高分子（例えば、ポリアニリン）、ベンゾオキサジン、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリエステル、エポキシ、及びシルセスキオキサンのうちの少なくとも１つから成る、請求項１から３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項５】
前記高分子ナノ粒子（２００）の一部は、他の高分子ナノ粒子とは異なる材料から形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項６】
前記高分子ナノ粒子（２００）は、前記樹脂混合物（１１８）の体積の１０パーセント以上を構成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項７】
前記高分子ナノ粒子（２００）は、前記樹脂混合物（１１８）の体積の７５パーセントまでを構成する、請求項１から６のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項８】
前記高分子ナノ粒子（２００）は、近似的に１０ナノメートルから２００ナノメートルの断面幅を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項９】
前記高分子ナノ粒子（２００）は、種々の粒子サイズを有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１０】
前記高分子ナノ粒子（２００）の少なくとも１つは、コア（２１０）を封入したシースを含んだ、固体球、中空球、及びコア・シースナノ粒子の構成のうちの少なくとも１つを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１１】
前記コア（２１０）は、前記シースとは異なる材料から形成される、請求項１０に記載の組成物。
【請求項１２】
前記シースは、前記樹脂内で可溶性又は準可溶性である、請求項１０に記載の組成物。
【請求項１３】
組成物を生成する方法であって、
樹脂（１１４）を提供すること、
複数の高分子ナノ粒子（２００）を少なくとも部分的に硬化し又は固化すること、
樹脂混合物（１１８）を生成するために、前記複数の粒子を前記樹脂と混合すること、及び
前記樹脂混合物（１１８）を硬化することを含む、方法。
【請求項１４】
前記高分子ナノ粒子（２００）の少なくとも一部は、
非エラストマー熱硬化性成分を有する高分子ナノ粒子（２００）、及び
エラストマー成分を有しない熱可塑性材料から形成された高分子ナノ粒子（２００）を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記樹脂（１１４）と混合する前に、前記高分子ナノ粒子（２００）を外部で形成することを更に含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記樹脂混合物（１１８）を硬化する前に、前記樹脂混合物（１１８）中に強化繊維を少なくとも部分的に埋め込むことを更に含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して複合材料に関し、より具体的には、複合材構造体の特性を変えるための複合材レイアップにおけるナノ粒子の組み込みに関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材構造体の製造は、複合材レイアップの強化繊維に未硬化樹脂を適用することを含み得る。樹脂が流動して繊維に浸透し得るように、複合材レイアップの温度を上げて樹脂の粘度を下げ得る。複合材レイアップは、樹脂を硬化して固化された又は固められた状態にするため、所定の時間だけ高温で保持され得る。樹脂が硬化した後、複合材構造体は周囲温度まで受動的に又は能動的に冷却され得る。
【０００３】
多くの複合材料システムでは、樹脂は強化繊維の熱膨張係数（ＣＴＥ）とは異なるＣＴＥを有し得る。例えば、エポキシ樹脂は炭素繊維のＣＴＥよりも１桁大きいＣＴＥを有することがある。ＣＴＥが異なることにより、複合材構造体が硬化温度から冷めるにつれて、樹脂と繊維で異なる大きさの収縮を引き起こし得る。繊維に対する樹脂の収縮の差は、樹脂に熱誘起応力を引き起こし得る。熱誘起応力は樹脂に好ましくない亀裂又は微小亀裂を引き起こし得る。微小亀裂はまた、複合材構造体の動作環境の温度変化により、複合材構造体の耐用年数内に起こり得る。
【０００４】
微小亀裂を低減又は防止する従来技術の試みには、液状樹脂への強靭化剤の添加が含まれる。従来の熱硬化性樹脂は、未硬化液状樹脂を生成するため、液状高分子を使用して生成され得る。代替的に、未硬化液状樹脂を生成するために混合している間に、固体高分子が、液体に溶解されてもよい。微小亀裂に対する樹脂の抵抗力を高めるため、液状の強靭化剤が未硬化液状樹脂に添加されてもよい。残念ながら、樹脂への強靭化剤の添加は、硬化中の樹脂の最終的なガラス転移温度を低下させることがあり、又は強靭化剤は樹脂の硬化温度を上昇させること、及び／又は樹脂の過剰な硬化収縮を引き起こし得る。加えて、強靭化剤はしばしば樹脂の粘度を高め、製造可能性を損なうことがあり得るため、樹脂に添加し得る強靭化剤の量は、実際上は制限される。熱硬化性樹脂／複合材を完全に硬化するには、最新の熱硬化性樹脂は、典型的には、比較的高い硬化温度（例えば、３５０〜６００°Ｆ）を必要とする。このような高い硬化温度は、繊維と樹脂との間のＣＴＥの差による熱誘起応力及び歪みを増す結果となり得る。
【０００５】
理解可能なように、樹脂の靱性などの樹脂の特性を改良するためのシステム及び方法における需要が存在し、それは、反応の高熱、高い硬化温度、及び樹脂の過剰な硬化収縮を含んだ１以上の望ましくない特性を避けるが、その効果はそれらに限られるものではない。
【発明の概要】
【０００６】
複合材構造体に関連する上述の需要は、組成物を提供する本開示によって具体的に対処される。樹脂混合物を生成するため、組成物は、樹脂、及び樹脂中に含まれる複数の高分子ナノ粒子を含むことがある。高分子ナノ粒子は、樹脂混合物の特性を変え得、かつ高分子ナノ粒子を用いて製造される物品の処理、製造可能性、及び性能を改良し得る。
【０００７】
樹脂混合物を生成するための、樹脂、及び樹脂中の固化された高分子ナノ粒子を含み得る複合材構造体も、また、開示される。強化繊維が、樹脂混合物に埋め込まれてもよい。
【０００８】
加えて、組成物を生成する方法が開示される。方法は、樹脂を提供するステップ、複数の高分子ナノ粒子を少なくとも部分的に硬化し、又は固化するステップ、及び複数の高分子ナノ粒子を樹脂と混合して樹脂混合物を生成するステップを含み得る。方法は、付加的に、樹脂混合物を硬化して複合材構造体を形成することを含み得る。
【０００９】
特徴、機能及び利点は、本開示のさまざまな実施形態において独立して達成可能であり、又は以下の説明及び図面を参照して更なる詳細が理解可能である、更に他の実施形態において組み合わされてもよい。
【００１０】
本開示のこれらの特徴及び他の特徴は、図面を参照することでより明確となる。全体を通して類似の参照番号は類似の部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】強化繊維、及び高分子ナノ粒子を含有する樹脂を有する樹脂混合物を含む複合材構造体のブロック図である。
【図２】各々が複数の連続した強化繊維から形成される単方向性プライの積み重ねを含む複合材構造体の斜視図である。
【図３】異なる角度で配向された単方向性複合材プライの強化フィラメントを示す複合材構造体の一部分の断面を示す。
【図４】図３のライン４に沿って切り取られた複合材構造体の一部分の拡大図で、樹脂中に複数の高分子ナノ粒子が認められる。
【図５】織物の複合材プライの積み重ねを含んだ複合材構造体の斜視図である。
【図６】図５のライン６に沿って切り取られた複合材構造体の一部分の断面図で、織物の窪み及び／又は繊維トウの交差部分に配置された高分子ナノ粒子を示す。
【図７】未改質樹脂中にナノ粒子を有しない未改質樹脂の概略図である。
【図７Ａ】図７の未改質樹脂の硬化収縮の概略図である。
【図８】複数の高分子ナノ粒子を含有する樹脂を含んだ未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図８Ａ】図７Ａの未改質樹脂の硬化収縮にと比較した図８の樹脂混合物の低減された硬化収縮の概略図である。
【図９】各々が成形された粒子を封入する可溶性のシースを有する、複数のコア・シースナノ粒子を含有する未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図９Ａ】成形された粒子が樹脂中に留まるように、シースの溶解後に硬化した図９の樹脂混合物の概略図である。
【図１０】強化フィラメントと融合したコア・シースナノ粒子を含有した樹脂混合物内の強化フィラメントの概略図で、隣接する強化フィラメント間に間隔を空ける最小フィラメントを維持するために選択された粒子断面幅を有するコア・シースナノ粒子を示している。
【図１１】融合可能なシースを有するコア・シースナノ粒子の概略図である。
【図１２】強化フィラメントと融合したコア・シースナノ粒子のシースの概略図である。
【図１３】未改質樹脂中に高分子ナノ粒子を有しない硬化した未改質樹脂の概略図である。
【図１３Ａ】硬化した未改質樹脂に適用された二軸引張、及び結果として樹脂を通して一様に分散された歪の概略図である。
【図１４】複数の多孔性高分子ナノ粒子を含有する樹脂を含んだ硬化した樹脂混合物の概略図である。
【図１４Ａ】硬化した樹脂混合物に適用された二軸引張の概略図で、樹脂内の歪を低減するための多孔性高分子ナノ粒子のゆがみをもたらしている。
【図１５】未改質樹脂中に高分子ナノ粒子を有しない未硬化未改質樹脂の概略図である。
【図１５Ａ】硬化中の未改質樹脂によって発生した反応熱の概略図である。
【図１６】複数の少なくとも部分的に硬化した高分子ナノ粒子を含有する未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図１６Ａ】図１６の樹脂混合物の硬化中の樹脂の反応熱の一部を吸収した部分的に硬化した高分子ナノ粒子の概略図である。
【図１７】複数の可溶性高分子ナノ粒子を含有する未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図１７Ａ】図１７の樹脂混合物の硬化中などの樹脂の中への可溶性高分子ナノ粒子の溶解の概略図である。
【図１８】複数の準可溶性高分子ナノ粒子を含有する未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図１８Ａ】図１８の樹脂混合物の硬化中の準可溶性高分子ナノ粒子の部分的な溶解の概略図である。
【図１９】複合材構造体を製造する方法に含まれ得る、１以上の操作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで図面を参照すると、これらの図面は本開示の様々な実施形態を例示するためのもので、図１は、複合材構造体１００のブロック図を示す。複合材構造体１００は、樹脂混合物１１８の組成物１１２（図２）、及び樹脂混合物１１８内に埋め込まれた強化繊維１２０（図２）を含み得る。樹脂混合物１１８は、複数の高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１４を含み得る。高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４を硬化する前に、少なくとも部分的に固化及び／又は予備硬化され得、そのことは樹脂１１４中の高分子ナノ粒子２００の安定性を保証し得る。幾つかの実施例では、樹脂１１４と混合される前に部分的に予備硬化された高分子ナノ粒子２００は、樹脂硬化又は固化サイクルの間に後硬化（ｐｏｓｔ‐ｃｕｒｅｄ）され得る。高分子ナノ粒子２００は、樹脂の特性を調整するために、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂に加えられ得る。有利なことには、高分子ナノ粒子２００は、特性値の広い範囲にわたって、広い範囲又は樹脂特性を調整する能力を促進し得る、材料の広域スペクトル内に提供され得る。
【００１３】
例えば、高分子ナノ粒子２００の付加は、強化繊維１２０と樹脂１１４との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）差異を低減し得る。高分子ナノ粒子２００（図１）の付加は、また、増大された靱性、増大された耐火性、増大された電気伝導性、低減された硬化収縮に関連した歪、低減された反応熱に関連した歪、低減された反応熱に関連した樹脂の分解を提供し得、更に他の改良を提供し得る。幾つかの改良は、別の側面において樹脂１１４の微小亀裂をもたらし得る、樹脂１１４（図１）内の熱誘起内部応力を低減するか又は妨げる効果を有し得る。幾つかの実施例では、樹脂１１４への高分子ナノ粒子２００の付加は、複合材構造体１００の弾性係数を変化させ得、靱性及び／又は歪特性を改良し得、電気伝導性、耐食性、及び可燃性、煙、及び／又は毒性特性を改良し得る。
【００１４】
有利なことには、高分子ナノ粒子２００の、比較的小さい及び／又は概して丸められたか又は球状の形は、樹脂混合物１１８が、樹脂１１４中の高分子ナノ粒子２００の比較的高い負荷レベルにおいて処理される間に、比較的低い粘度を保持することを可能にし得る。樹脂混合物１１８（図１）の比較的低い粘度は、樹脂が、より速くかつより信頼できる処理のために、強化繊維１２０（図２）の中へ流れ、かつ強化繊維１２０（図２）を通過することを促進し得る。本開示は、複合材構造体１００に対する樹脂混合物１１８中の高分子ナノ粒子２００（図１）の導入を表しているが、樹脂１１４中の高分子ナノ粒子２００の樹脂混合物１１８は、非限定的に、添加物、被覆、及び他の様々な適用のうちの任意の１つを含んだ、他の適用において導入され得る。高分子ナノ粒子２００は、プリプレグ及び樹脂注入システムの両方のために、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂に付加され得る。高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４の特性を調整するため、並びに高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂を用いて製造される物品の処理、製造可能性、及び性能を改良するために、付加され得る。
【００１５】
図２は、単方向性プライ１１０の薄板状の積み重ねとして形成された、複合材構造体１００の実施例を示す。単方向性プライ１１０の各々の１つは、複数の平行な、連続的繊維トウ１２０（例えば、強化繊維）又は並行して配置された単方向性テープ１２４を含み得る。強化繊維１２０は、複数の強化フィラメント１２２から作られてもよい。単一の繊維トウ１２０又は単方向性テープ１２４は、幾千の強化フィラメント１２２（例えば、１０００から１００，０００又はそれ以上の強化フィラメント）の束１２２を含み得る。幾つかの例では、強化フィラメントは、５〜３０ミクロンの断面幅又は直径のフィラメントを有し得る。例えば、炭素強化フィラメントは、近似的に５〜７ミクロンの断面幅のフィラメントを有し得る。ガラス強化フィラメントは、１０〜２５ミクロンの断面幅のフィラメントを有し得る。示されていないが、本開示の複合材繊維１２０は、また、繊維マットの中に組み込まれ得るような短繊維も包含し得る。本開示では、強化繊維、繊維トウ、及び複合材繊維という用語は交換可能に使用されてもよい。
【００１６】
幾つかの実施例では、複合材構造体１００は、高分子ナノ粒子２００を含有した樹脂１１４で予め含浸され得る複合材プライ１０６（例えば、プリプレグ複合材プライ）から形成され得る。例えば、複合材構造体１００（図２）の１以上の複合材プライ１０６（図２）は、縫合繊維の形態及び短繊維の形態（例えば、短く切断された繊維マット）を含んだ、プリプレグ繊維トウ１２０（図２）、プリプレグ単方向性テープ１２４（図２）、プリプレグ織物１２６（図６）、編まれたプリプレグ、及び他の形態のプリプレグから形成され得る。他の実施例では、複合材構造体１００は、未改質樹脂１１６（図８）を用いて予め含浸され得る複合材プライ１０６を用いてレイアップされ得、その後、高分子ナノ粒子２００が、複合材レイアップ１０２（図２）の１以上の位置に適用され得る。
【００１７】
代替的に、複合材構造体１００は、樹脂１１４が注入され得る１以上の乾燥繊維母材１３０として形成され得る。例えば、複合材構造体１００（図２）は、乾燥繊維トウ、乾燥単方向性テープ、乾燥繊維シート、乾燥織物、及び／又は乾燥繊維の他の形態をレイアップすることによって形成され得る。乾燥繊維母材１３０（図２）は、湿潤レイアップ処理において、その中に樹脂１１４（図２）が注入される、複合材プライ１０６（図２）の積み重ね内に配置され得る。幾つかの実施例では、未改質樹脂１１６が乾燥繊維母材１３０（図２）に注入され得、その後、高分子ナノ粒子２００（図１）は、複合材レイアップの１以上の位置に適用され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２の樹脂が豊富なポケット１３２（図６）に適用されてもよい。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８（図２）は、高分子ナノ粒子２００が複合材レイアップ１０２全体にわたって大量に分散するように、乾燥繊維母材１３０の中に注入され得る。
【００１８】
本明細書で開示されている実施例のうちの任意の１つでは、樹脂１１４（図２）は、熱可塑性材料又は熱硬化性材料から生成されてもよい。熱可塑性材料は、アクリル、フルオロカーボン、ポリアミド、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリールエーテルケトン（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトン（ＰＥＫＥＫ）など)、及びポリエーテルイミドのうちの少なくとも１つを含み得る。熱硬化性材料は、ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化ポリマー（ポリフェニレンスルフィド）、導電性高分子（例えば、ポリアニリン）、ベンゾオキサジン、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリエステル、エポキシ、及びシルセスキオキサンのうちの少なくとも１つを含み得る。それに加えて、本明細書で開示される実施例のうちの任意の１つでは、強化フィラメント１２２又は強化繊維１２０（図２）が、炭素、炭化ケイ素、ホウ素、セラミック、及び金属材料などから生成されてもよい。強化フィラメント１２２又は強化繊維１２０は、また、Ｅガラス（アルミノホウケイ酸塩ガラス）、Ｓガラス（アルミノケイ酸塩ガラス）、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラス、及び他のガラス組成物などの、ガラスから生成されてもよい。
【００１９】
上で示されたように、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４を硬化する前に、予備硬化又は固化され得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子２００（図１）が、樹脂１１４の硬化に先立って、それらの幾何学的形状を保持し得るように、少なくともゲル状まで予備硬化され得る。以下に示されるように、一実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４（図２）中で可溶性又は準可溶性であってもよい。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４のガラス温度未満、及び／又は樹脂１１４の硬化温度未満で、固体のままであり得る。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４のガラス転移温度より上、及び／又は樹脂１１４の硬化温度より上で、少なくとも部分的に樹脂１１４内で溶解し得る。
【００２０】
高分子ナノ粒子２００は、それらから樹脂が生成され得る、上述した熱可塑性材料及び熱硬化性材料のうちの任意の１つから形成され得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００のうちの幾つかは、非エラストマー熱硬化性成分を有し得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００のうちの幾つかは、エラストマー成分なしに、熱可塑性材料から形成され得る。それに加えて、樹脂混合物１１８中の高分子ナノ粒子２００の一部は、同一樹脂混合物１１８（図２）中の他の高分子ナノ粒子２００とは異なる材料組成１１２を有することがある。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、原樹脂１１４と同じ化学組成１１２を有し得るが、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４（図２）を硬化するのに先立って部分的に又は完全に硬化され得、そのことは、有利なことに、未改質樹脂１１６（図８）の硬化収縮及び反応熱と比べて、影響を与え得る樹脂混合物１１８の硬化収縮及び反応熱を低減し得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００（図４）は、コア２１０を封入するシース２０８（図９）を含んだ、コア・シースナノ粒子２０６として提供され得る。コア２１０（図１０）は、シース２０８の化学組成とは異なる化学組成を有し得る。例えば、シース２０８は、熱可塑性材料から形成され得、かつコアは、熱硬化性材料から形成され得る。樹脂１１４の導入に先立って、シース２０８の温度はそのガラス転移温度よりも上に加熱され得、そのことは、シース２０８が強化フィラメント１５８に接着接合し、又は融合することを可能にし得、一方、シース２０８は、コア２１０が樹脂１１４の硬化後に残るように、樹脂１１４の処理（例えば、硬化）の間に固体のままである。
【００２１】
高分子ナノ粒子２００は、１０〜２００ナノメートルの断面幅２０２（図１０）又は粒子直径で提供され得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、１０〜１００ナノメートルの間の断面幅２０２を有し得る。しかしながら、他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、２ミクロンまでの断面幅２０２を有し得る。比較的小さい断面幅２０２の高分子ナノ粒子２００を提供することは、プリプレグ操作の間、又は樹脂注入の間に過度に大きいナノ粒子の除去を妨げ又は低減し得る。これに関して、過度に大きいナノ粒子は、隣接する強化繊維又はトウ１２０（図２）の間のナノ粒子の流れを妨げ得る。
【００２２】
幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、種々の粒子サイズで提供され得る。例えば、複合材レイアップ１０２（図４）中の高分子ナノ粒子２００（図４）の一部は、同じ複合材レイアップ１０２中の他の高分子ナノ粒子２００よりも大きい断面幅を有し得る。これに関して、高分子ナノ粒子２００の種々の粒子断面幅は、局所的に樹脂の粘度を制御し、及び／又は局所的に樹脂の靱性を改良するための手段を提供し得る。それに加えて、種々の粒子断面幅の使用は、複合材レイアップ１０２内のナノ粒子に対する液状の樹脂の種々の体積比を可能にし得る。
【００２３】
高分子ナノ粒子２００は、また、１以上の幾何学的形状で提供され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００（図４）は、樹脂の粘度を増大させることを避けるために、概して、球状又は丸められた外側形状を有し得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、固体球、中空球として、及び／又はコア・シースナノ粒子２０６（図９）として提供され得る。しかしながら、高分子ナノ粒子２００は、好ましくは、樹脂１１４（図４）の粘度に対する低減された影響を有し得る、非球状の形で提供され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、楕円状若しくは楕円形の形状などの概して丸い形状で、又は非限定的に、立方体、直方体、ピラミッド、及び他の形状を含んだ、３次元のファセット形状として提供され得る。
【００２４】
有利なことには、比較的小さな断面幅２０２（図１０）及び／又は概して丸い形状（例えば、球形）の高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４（図４）内で高分子ナノ粒子２００の濃度を比較的高くして、樹脂の粘度の増加を比較的低くすることができる。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４及び高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８の体積の最大７５％まで構成することができる。好ましくは、高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子２００の体積百分率の範囲の下限として、樹脂混合物１１８の体積の最小１０％を構成してよい。しかしながら、幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、範囲の下限で、体積の５％以上を構成してもよい。更に他の例では、高分子ナノ粒子２００は、範囲の下限で、樹脂混合物１１８の１０％以上を構成してもよい。更なる例では、高分子ナノ粒子２００は、範囲の下限で、体積の１５％以上を構成してもよい。
【００２５】
ある種の応用では、高分子ナノ粒子２００の体積百分率の範囲の上限として、樹脂混合物１１８の体積の最大６５％で高分子ナノ粒子２００を提供することが望ましいことがある。しかしながら、幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、範囲の上限として、体積の５０％以下を構成してもよい。ある種の応用では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４の高分子ナノ粒子２００の体積百分率の範囲に関する上述の下限及び上限の任意の組み合わせで提供されてもよい。高分子ナノ粒子２００の体積百分率の範囲に関する上述の下限及び上限の非限定的な組み合わせの実施例には、高分子ナノ粒子２００が樹脂混合物１１８の体積百分率で５〜７５％を構成する配合が含まれる。別の実施例には、樹脂混合物１１８の体積百分率で１０〜７５％を構成する高分子ナノ粒子２００が含まれ得る。更に他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１８の体積百分率で１５〜６５％を構成してもよい。更に別の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１８の体積百分率で２０〜５０％を構成してもよい。有利なことには、概して丸い形又は球形の高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４内での高分子ナノ粒子２００の濃度が直線的に上昇するにつれて、樹脂１１４の特性を直線的に改善し、樹脂の粘度の影響は最小限又は無視し得る程度に抑えることができる。
【００２６】
高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子２００の樹脂１４４に対する付加に先立って、外部で作成され得る。しかしならが、幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４（図２）内のその場成長（ｉｎ‐ｓｉｔｕ  ｇｒｏｗｔｈ）によって作製され得る。高分子ナノ粒子２００（図２）を外部で作製することは、非限定的に、エマルション重合、ナノ沈殿、超臨界流体の急速拡大（ＲＥＳＳ）、超臨界流体の溶媒の中への急速拡大（ＲＥＳＯＬＶ）、及び自己組織化などを含む１以上の技術によって提供され得る。高分子ナノ粒子の作製は、また、ナノプリンティング、ナノリソグラフィー、又は多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）化合物の基板若しくは核、又はカーボンナノチューブ、バッキーボール、及びナノシリカなどの他の非常に小さい官能化された基板上で、高分子ナノ粒子２００を成長させることを含む他の技術によって提供され得る。
【００２７】
図３は、複合材構造体１００の一部分の断面を示す。示されている実施例では、複合材構造体１００の複合材プライ１０６の各々の１つは、単方向性テープ１２４から形成される。しかしながら、複合材プライ１０６の１以上は、（図示せぬ）単方向性シートなどの他の繊維形態から形成され得る。１つの複合材プライ１０６内の繊維１２０は、積み重ね内の隣接する（例えば、上述の又は以下の）複合材プライ１０６内の繊維１２０と平行しないように向きを合され得る。しかしながら、複合材プライ１０６の１以上は、隣接する複合材プライ１０６内の繊維１２０と平行に向きを合される繊維１２０（図２）を含み得る。例えば、図２では、積み重ねの中間の２つの複合材プライ１０６は、紙の平面と平行に方向付けられたフィラメント１２２を含む。
【００２８】
図４は、図３の複合材構造体１００の一部分の拡大図で、樹脂１１４中に複数の高分子ナノ粒子２００が認められる。示した例では、高分子ナノ粒子２００は、複合材層にわたって一様に分散され得る。例えば、複合材レイアップ１０２は、高分子ナノ粒子２００を含有した樹脂混合物１１８で予め含浸された単方向性テープ１２４から形成され得る。複合材レイアップ１０２の処理の間に、樹脂１１４の粘度は低減され、高分子ナノ粒子２００が複合材レイアップ１０２にわたって一様に分散されることを可能にする。しかしながら、示される別の実施例では、複合材レイアップ１０２は、未改質樹脂１１６（図８）で予め含浸された単方向性テープ１２４から形成され得る。単方向性テープ１２４のレイアップの間及び／又はその後に、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ内のターゲット位置に選択的に適用され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００を含有する溶液は、複合材レイアップ１０２の樹脂が豊富なポケット１３２（図６）に適用されてもよい。樹脂が豊富なポケット１３２とは、複合材レイアップ１０２又は複合材構造体１００内の樹脂高含有部分、すなわち、特定の位置における繊維１２０の体積に対して大きい体積の樹脂１１４を有する位置として説明され得る。
【００２９】
高分子ナノ粒子２００は、単方向性テープ１２４の隣接するペアの対向する側部の間の樹脂が豊富なポケット１３２、及び／又は隣接する複合材プライ１０６の上側及び下側表面の間の層間領域１０８内に適用され得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、複合材構造体１００にわたって選択的に適用され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２の特定の複合材プライ１０６（例えば、中間のプライのみ、又は一番端のプライのみ）において又はそれらの間に適用され得、一方、他の複合材プライ１０６は、高分子ナノ粒子２００を欠いているかもしれない。高分子ナノ粒子２００は、手動の配置によって及び／又は（図示せぬ）ロボット装置を使用して、樹脂が豊富なポケット１３２（図６）内に配置され得る。高分子ナノ粒子２００は、強化フィラメント１２２及び／又は繊維トウ１２０の製造の間に、強化フィラメント１２２及び／又は繊維トウ１２０（図２）に適用され得、かつそれは後に、単方向性テープ、単方向性シート、織物、及び他の繊維形態へと形成され得る。上述したように、高分子ナノ粒子２００は、また、プリプレグ操作の間に、繊維形態に適用され得る。
【００３０】
幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、ナノ粒子２００が主として繊維層内に配置されるようなやり方で適用され得、又は高分子ナノ粒子２００（図４）は、樹脂１１４（図４）の複合材レイアップ１０２（図４）の中への注入に先立って、繊維１２０（図２）に対してのみ適用され得る。高分子ナノ粒子２００は、また、ターゲット機能を提供するために、複合材構造体１００（図４）の外側表面に選択的に適用され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、金属成分と相互作用又は係合する複合材構造体１００の外側表面又は外側部分に適用され得る。一実施例では、高分子ナノ粒子２００は、金属製のスティフナ、ストリンガ、スパー、リブ、ブラケット、又は他の金属製の部品と隣接接触するように配置され得る複合材板の位置に適用され得る。図示せぬ更なる実施例では、高分子ナノ粒子２００は、（図示せぬ）フィルム内に巨視的なパターンで提供され得る。高分子ナノ粒子２００のフィルムは、特定の性能に対する需要に対処するために、複合材レイアップ１０２の１以上の位置に適用され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００のフィルムは、疲労によって誘起された微小亀裂の伝播を低減し又は妨げるために、複合材積層板１０４のレイアップに適用され得る。
【００３１】
図５は、２方向織物１２６（図６）の複合材プライ１０６の積み重ねとして配置された、複合材構造体１００を示す。織物１２６のプライの各々の１つは、繊維トウ１２０を織ること又は撚ることによって、形成され得る。一実施例では、複合材プライ１０６は、未改質樹脂１１６（例えば、プリプレグ）で予め含浸され得る。しかしながら、他の実施例では、複合材プライ１０６は、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８で予め含浸され得る。
【００３２】
図６は、図５の複合材構造体１００の一部分の断面図で、織物１２６の窪み１２８及び／又は繊維トウ１２０の交差部分における、樹脂が豊富なポケット１３２内の高分子ナノ粒子２００のターゲット配置を示す。示される実施例では、織物１２６は、未改質樹脂１１６（図６）で予め含浸され得る。複合材プライ１０６をレイアップする処理の間に、高分子ナノ粒子２００は、織物１２６の繊維トウの窪み１２８及び／又は交差部分などにおいて、樹脂が豊富なポケット１３２の中に配置され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００を含有する溶液は、１以上のプライの織物１２６の窪み１２８の中に噴霧され得る。以下により詳細に説明されるように、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４の靱性を改良すること、硬化温度を低くすること、硬化収縮を低減することによって、又は樹脂１１４内の微小亀裂若しくは亀裂伝播をもたらし得る熱誘起内部応力を低減し若しくは妨げ得る他のメカニズムによって、樹脂が豊富なポケット１３２内の亀裂開始及び／又は亀裂成長を緩和し又は妨げ得る。
【００３３】
複合材プライ１０６のレイアップに続いて、プリプレグ織物１２６（図６）内の樹脂１１４は、樹脂１１４の粘度を低減するために加熱され得、かつ樹脂１１４が、流れて、隣接する織物１２６のプライの樹脂１１４（図６）と混ざり、樹脂が豊富なポケット１３２（図６）内の高分子ナノ粒子２００と混ざることを可能にする。複合材レイアップ１０２（図６）は、複合材構造体１００を形成するために固まり得、かつ硬化され得る。複合材構造体１００を製造する別の実施例では、織物１２６のプライの複合材レイアップ１０２は、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８で予め含浸され得る。付加的な高分子ナノ粒子２００（図６）は、１以上の織物１２６のプライの窪み１２８（図６）において、樹脂が豊富なポケット１３２の中へ配置され得る。複合材レイアップ１０２は、樹脂１１４を固化され又は硬くされた状態へと硬化するために、高温で保持され得、その後、複合材レイアップ１０２は、受動的又は能動的に周囲温度まで冷却され得る。更なる製造の実施例では、織物１２６は、積み重ね内に配置された乾燥繊維母材として提供され得、かつ湿潤レイアップ処理において高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８（図６）を注入され得、その後、樹脂１１４は複合材構造体１００（図６）を形成するために硬化され得る。
【００３４】
図７は、未改質樹脂１１６内にナノ粒子を有しない未硬化未改質熱硬化性樹脂１１４（図６）の概略図である。図７Ａは、熱硬化性樹脂１１４の硬化の間に、図７の未改質樹脂１１６の自由体積硬化収縮２５０の概略図である。上で示されたように、樹脂１１４の硬化収縮２５０は、機械的負荷又は熱サイクルの下で、樹脂１１４内の微小亀裂を引き起こし得る熱誘起内部応力をもたらし得る。樹脂１１４内の熱誘起応力は、また、硬化された複合材構造体１００の形の歪及び／又は反りをもたらし得る。
【００３５】
図８は、複数の高分子ナノ粒子２００を含有する熱硬化性樹脂１１４（図６）の未硬化樹脂混合物１１８の概略図である。上で示されたように、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４の中への組み込みに先立って、作製され得る。高分子ナノ粒子２００は、原樹脂１１４と同じ材料から作られ得、又は作られ得ず、かつ樹脂１１４との混合及び／又は硬化に先立って、少なくとも部分的に硬化され及び／又は固化され得る。
【００３６】
図８Ａは、図７Ａの未改質樹脂１１６の硬化収縮２５０に対する、図８の樹脂混合物１１８の低減された硬化収縮２５０の概略図である。有利なことには、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４（図６）又は樹脂１１４のゲル化点の後などの樹脂硬化サイクルの間の存在しない硬化収縮よりも、低い硬化収縮を有し得る。高分子ナノ粒子２００のより低い硬化収縮は、最小限の樹脂１１４の累積した硬化収縮における低減のために、かつまた、最小限の樹脂１１４の収縮を物理的に抑制する固化された高分子ナノ粒子２００のために、樹脂混合物１１８の全体の体積の硬化収縮を低減し得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１８の全体の熱膨張係数（ＣＴＥ）を低減し得、かつそれによって、さもなければ樹脂の潜在的な微小亀裂を伴って発達し得る熱誘起内部応力を低減し得る、粒子のＣＴＥを有し得る。高分子ナノ粒子２００によって提供されるような硬化収縮における低減及び／又は好適なＣＴＥは、また、硬化した複合材構造体１００（図６）の形状における歪を低減し得る。
【００３７】
図９は、複数のコア・シースナノ粒子２０６を含有する未硬化樹脂混合物１１８の概略図である。コア・シースナノ粒子２０６の各々の１つは、成形された粒子２１２を封入する可溶性シース２０８を含み得る。シース２０８は、樹脂１１４内のコア・シースナノ粒子２０６の分散能を改良し、かつ樹脂の粘度の影響を最小限に抑えるため、概して、丸い形又は球形であり得る。コア・シースナノ粒子２０６は、複合材積層板、接着剤、被覆、及び射出成形されたプラスチックにおいて使用され得るように、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂内に導入され得る。成形された粒子２１２のサイズ、形状、及び構成は、非限定的に、複合材構造体１００の硬度、強度、及び靱性などの非対称な特性を含んだ、特定の機能性を提供するように選択され得る。幾つかの実施例では、成形された粒子２１２は、複合材構造体１００への雷撃の事象などにおいて、複合材構造体１００（図６）の電荷分散能を改良するために、電気的伝導性を有し得る。
【００３８】
図９Ａは、成形された粒子２１２のみが残るように、樹脂１１４の硬化の間でシース２０８の溶解後の図９の硬化した樹脂混合物１１８の概略図である。幾つかの実施例では、樹脂１１４内の可溶性シース２０８の溶解は、樹脂混合物１１８の靱性を改良し得る。有利なことには、球形のシース２０８を使用することによって、成形された粒子２１２は、樹脂が流れる間の凝集なく、樹脂１１４内に一様に分散され得る。幾つかの実施例では、成形された粒子２１２を１以上の共通の方向に配列するために、（図示せぬ）電場又は磁場が、硬化の前に樹脂１１４に適用され得る。例えば、成形された粒子２１２は、樹脂１１４内の亀裂伝播の方向に好適な影響を与えるために、ある方向に沿って配列され得る。成形された粒子２１２が、蝶ネクタイ状の立体配置で示されているが、成形された粒子２１２は、非限定的に、円筒、環状体、立方体、ピラミッド、３次元的にファセットされた多角形、及び他の形状を含んだ、任意の数の望ましい形状が提供され得る。成形された粒子２１２は、金属材料、高分子材料、セラミックス、ガラス、及び／又はそれらの任意の組み合わせから形成され得る。
【００３９】
図１０は、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８内の複数の強化フィラメント１２２の断面図である。高分子ナノ粒子２００は、強化フィラメント１２２が互いに接触することを妨げるために、かつ繊維１２０（図６）の浸透性を制御するために、スペーサとして働き得る。コア高分子ナノ粒子２００は、隣接する強化フィラメント１２２間の最小フィラメント間隔２０４を維持するように選択され得る、所定の粒子断面幅２０２を伴って形成され得る。このやり方において、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４が、強化フィラメント１２２間で流れるための明瞭な経路を提供し、かつ樹脂注入の間の強化フィラメント１２２及び／又は繊維１２０からの一様な湿潤を可能にする。それに加えて、フィラメント１２２又は繊維１２０の間の直接的接触を妨げることによって、高分子ナノ粒子２００は、さもなければ繊維と繊維との接触位置において開始し得る、応力集中及び微小亀裂を避け得、又は妨げ得る。幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、単一の一様なフェーズから形成される非コア・シースナノ粒子（例えば、図８）として構成され得る。そのような非コア・シースナノ粒子の外側部分は、強化フィラメント１２２と融合し得る。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、コア２１０を取り囲むシース２０８を有するコア・シースナノ粒子２０６として構成され得る。そのようなコア・シースナノ粒子２０６のシース２０８は、コア・シースナノ粒子２０６がスペーサとして働くように、強化フィラメント１２２と融合し得る。
【００４０】
図１１は、融合可能なシースを有するコア・シースナノ粒子２０６の概略図である。上で示されたように、コア２１０は、シース２０８とは異なる材料から形成され得る。例えば、コア２１０は、熱硬化性材料から形成され得、又は比較的高いガラス転移温度を有し得、かつシース２０８は、比較的低いガラス転移温度を有し得る。図１２は、強化フィラメント１２２と融合したコア・シースナノ粒子２０６のシース２０８の概略図である。コア２１０は、高分子ナノ粒子２００（図９）を強化フィラメント１２２に適用する処理の間の変形を妨げるように構成され得る。コア・シースナノ粒子２０６は、フィラメント１２２及び繊維１２０の作製の後で、かつ樹脂１１４（図６）を複合材レイアップ１０２（図６）の中へ注入する前に、強化フィラメント１２２及び繊維トウ１２０（図６）に適用され得る。幾つかの実施例では、コア・シースナノ粒子２０６は、プリプレグの前に又は後に、強化フィラメント１２２及び繊維トウ１２０に適用され得る。
【００４１】
図１３は、未改質樹脂１１６内に高分子ナノ粒子２００を有しない硬化した未改質樹脂１１６の概略図である。図１３Ａは、硬化した未改質樹脂１１６に適用された二軸引張２５２の概略図で、結果として未改質樹脂１１６を通して一様に分散された歪を示す。未改質樹脂１１６内の歪の分散は、複合材構造体１００（図４）の潜在的な欠点を表している。例えば、（図示せぬ）負荷は、複合材構造体１００に配置され、強化フィラメント１２２は、典型的には、収縮に対抗して樹脂を抑制する。収縮するという未改質樹脂１１６の低減された能力は、未改質樹脂１１６の引っ張り歪能力を制限する。未改質樹脂１１６の歪能力における制限の結果として、複合材構造体１００の性能が制限され得る。例えば、複合材構造体１００が、引っ張り荷重をかけられる場合に、未改質樹脂１１６の比較的低い破壊歪は、強化フィラメント１２２がそれらの破壊歪に到達する前に、未改質樹脂１１６の破壊（例えば、微小亀裂）をもたらし得る。
【００４２】
図１４は、複数の高度な歪能力を有する高分子ナノ粒子２１４を含有する樹脂１１４を含む硬化した樹脂混合物１１８の概略図である。高度な歪能力を有する高分子ナノ粒子２１４は、高分子骨格の性質のために、又は高分子ナノ粒子２１４の多孔性のために、本質的に高度な歪能力を有する。更なる実施例では、高分子ナノ粒子２１４は、比較的高い歪能力を提供し得る、比較的大きい自由体積を有し得る。図１４Ａは、硬化した樹脂混合物１１８に適用された二軸引張２５２の概略図で、高度な歪能力を有する高分子ナノ粒子２１４の機械的な歪２１６を示す。有利なことには、高分子ナノ粒子２１４の歪は、硬化した樹脂混合物１１８に、高分子ナノ粒子２００（図８）を欠いた、未改質樹脂１１６（図８）の歪能力よりも大きい、少なくとも１つの方向に沿った歪２５４能を提供する。
【００４３】
図１５は、未硬化未改質熱硬化性樹脂１１６の概略図である。図１５Ａは、硬化中の未改質樹脂１１６によって解放された又は発生した反応熱２５６の概略図である。未改質樹脂１１６の硬化中に解放された熱は、樹脂１１６の分解温度限界よりも上で樹脂１１６を加熱することをもたらし得、及び／又は樹脂１１６内の非一様な硬化速度をもたらし得る。均等でない硬化速度の非一様性は、最終複合材構造体１００の種々の領域内における内部応力の生成のために、複合材構造体１００（図６）の形に歪をもたらし得る。複合材構造体１００の形の歪及び／又は樹脂１１６の分解は、複合材構造体１００の機械的性能における低減をもたらし得る。
【００４４】
図１６は、複数の少なくとも部分的に硬化した高分子ナノ粒子２１８を含有した、未硬化熱硬化性樹脂混合物１１８の概略図である。高分子ナノ粒子２１８は、樹脂１１４の製造中に樹脂１１４の中へ組み込まれ得る。図１６Ａは、硬化中の樹脂１１４によって発生した反応熱２５６の少なくとも一部の、高分子ナノ粒子２１８による熱の吸収２２４の概略図である。有利なことには、高分子ナノ粒子２１８は、樹脂硬化サイクル中の樹脂１１４よりも低い熱の解放量を有し得る。高分子ナノ粒子２００の熱解放における低減は、樹脂硬化中に発生したエネルギーの量における低減のために、かつヒートシンクとして働く高分子ナノ粒子２１８のために、樹脂混合物１１８の硬化中に発生する熱の量の全体を低減し得る。有利なことには、樹脂混合物１１８の熱解放における正味の低減は、複合材構造体１００の形の歪を低減し得、及び／又は樹脂１１４の機械特性の劣化を低減し又は妨げ得る。
【００４５】
図１７は、複数の可溶性高分子ナノ粒子２２０を含有した未硬化樹脂混合物１１８の概略図である。一実施例では、高分子ナノ粒子２２０は、樹脂１１４を強靭化するために熱可塑性材料から形成され得る。高分子ナノ粒子２２０は、樹脂１１４の粘度における最小の影響を伴って、樹脂１１４にわたって比較的一様に分散され得る。図１７Ａは、樹脂混合物１１８の硬化中などの、図１７の樹脂１１４の中への可溶性高分子ナノ粒子２２０の溶解の概略図である。高分子ナノ粒子２２０の溶解は、樹脂混合物１１８の特性を変え得る。例えば、高分子ナノ粒子２２０は樹脂１１４の靱性を増大し得る。高分子ナノ粒子２２０の組成は、高分子ナノ粒子２２０が硬化サイクルの特定のポイントで溶解するように、選択され得る。例えば、高分子ナノ粒子２２０は、複合材レイアップ１０２への樹脂の注入又はそこを通過する樹脂の流れの後に、完全に溶解するように構成され得る。
【００４６】
図１８は、複数の準可溶性高分子ナノ粒子２２２を含有した未硬化樹脂混合物１１８の概略図である。図１８Ａは、図１８の樹脂混合物１１８の硬化中の準可溶性高分子ナノ粒子の部分的な溶解の概略図である。示される実施例では、高分子ナノ粒子２２２は、各々の高分子ナノ粒子２２２の中心から外側へ原樹脂１１４に向かって延伸する靱性の勾配を提供するために、樹脂硬化の間又はその後に部分的に溶解するように構成され得る。準可溶性高分子ナノ粒子２２２は、樹脂１１４にわたり比較的一様に分散され得、かつ制御された互いからの距離において、樹脂混合物１１８内に局所的に強靭化された領域を提供し得る。
【００４７】
図示されぬ実施例では、コア・シースナノ粒子２０６が樹脂１１４（図１８）に付加され得、ここで、各々のコア・シースナノ粒子２０６（図１２）は、非可溶性のコア２１０（図１２）を封入する可溶性又は準可溶性のシース２０８（図１２）を有する。準可溶性又は可溶性のシース２０８は、非可溶性のコア２１０と原樹脂１１４との間の接着接合を提供し得る。このやり方において、コア・シースナノ粒子２０６は、発熱反応なしに、コア２１０を原樹脂１１４に密接に接着し得る。他の実施例では、２以上の種々のタイプの少なくとも準可溶性高分子ナノ粒子２２２が、硬化サイクル中に２以上の種々のポイントを提供するために樹脂混合物１１８内に含まれ得、それらのポイントでは、種々の高分子ナノ粒子２００が少なくとも部分的に樹脂１１４の中へ溶解し得る。
【００４８】
図示されぬ別の実施例では、樹脂混合物１１８（図１７）は、樹脂１１４の硬化特性を改質するために、触媒又は硬化剤のいずれかを熱硬化性樹脂１１４（図１７）の中へ解放するように構成された、複数の可溶性又は準可溶性の高分子ナノ粒子２２０（図１７）、２２２（図１８）を含有するように準備され得る。代替的に、コア・シースナノ粒子２０６（図１２）は、触媒又は硬化剤のいずれかを熱硬化性樹脂１１４の中へ解放するために、所定の温度において制御されたやり方で溶解するように構成された、シース２０８（図１２）を含み得る。上で示されたように、高分子ナノ粒子２０６、２２０、２２２は、任意の適切な熱硬化性又は熱可塑性材料から形成され得る。高分子ナノ粒子２０６、２２０、２２２の材料は、部分的に又は完全に硬化された状態の樹脂材料を含み得る。高分子ナノ粒子２０６、２２０、２２２は、樹脂のアウトタイム（ｏｕｔ‐ｔｉｍｅ）を増大させ、及び／又は樹脂１１４の硬化温度をより低くするための手段として、樹脂硬化サイクル中の幾つかの顕著なポイントにおいて、触媒又は硬化剤を漸進的に溶解及び解放するように構成され得る。
【００４９】
図１９は、複合材構造体１００の製造方法３００に含まれ得る１以上の操作を示すフロー図である。方法のステップ３０２は、樹脂１１４を提供することを含んでもよい。樹脂１１４（図２）は、上述の組成物のうちの任意の１つである熱硬化性樹脂１１４又は熱可塑性樹脂１１４であり得る。
【００５０】
方法３００のステップ３０４は、樹脂１１４（図４）内に含むために、高分子ナノ粒子２００（図４）などの複数の粒子を少なくとも部分的に硬化し又は固化することを含み得る。高分子ナノ粒子２００は、１０〜２００ナノメートルの断面幅２０２（図１０）の粒子を有し得る。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、近似的に１０〜１００ナノメートルの断面幅の粒子を有し得る。しかしながら、高分子ナノ粒子２００は、２ミクロンまでの断面幅２０２の粒子を有し得る。幾つかの実施例では、方法は、樹脂１１４と混合する前に、外部で高分子ナノ粒子２００を作製することを含み得る。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、上述した形成技術のうちの少なくとも１つを使用して、樹脂１１４内に形成され得る。高分子ナノ粒子２００は、コア２１０を封入するシース２０８を含んだ、固体球、中空球、又はコア・シースナノ粒子２０６であり得る。
【００５１】
方法３００のステップ３０６は、樹脂混合物１１８を生成するために、複数の高分子ナノ粒子２００を樹脂１１４と混合することを含み得る。有利なことには、高分子ナノ粒子２００（図６）の比較的小さいサイズ（例えば、１０〜２００ナノメートル）、及び概して丸い又は楕円の形状のために、高分子ナノ粒子２００は、樹脂の粘度又は樹脂の流れに対する最小の影響を伴って、比較的高い負荷レベルにおいて樹脂１１４（図６）の中へ混合され得る。一実施例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１４及び高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１８（図６）の体積の最大７５％まで構成してもよい。好ましくは、高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子２００の体積百分率の範囲の下限として、樹脂混合物１１８の体積の最小１０％を構成してもよい。しかしながら、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１８の高分子ナノ粒子２００の体積百分率の範囲に関する上述の下限及び上限の任意の組み合わせで提供されてもよい。幾つかの適用に対して、高分子ナノ粒子２００は樹脂１１４にわたって実質的に一様に分散されてもよい。他の適用では、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２内のターゲット位置に明確に配置され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、上で示されたように、複合材構造体１００（図６）に関連する樹脂が豊富なポケット１３２（図６）内に含まれ得る。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、１以上の複合材プライ１０６（図４）の間の層間領域１０８（図４）、又は複合材レイアップ１０２（図４）の他の位置に、限定され得る。
【００５２】
方法３００のステップ３０８は、樹脂混合物１１８が硬化する前に、強化繊維１２０（図６）を樹脂混合物１１８（図６）に少なくとも部分的に埋め込むことを含み得る。繊維１２０は、繊維トウ１２０、単方向テープ性１２４（図４）、織物１２６、編まれた繊維、又は様々な他の繊維形状のうちの任意の１つとして提供され得る。幾つかの実施例では、繊維形状は、複合材構造体１００を形成するために、複合材レイアップ１０２を形成し、かつ硬化する前に、樹脂１１４（図６）で予め含浸され得る。他の実施例では、繊維１２０は、高分子ナノ粒子２００（図６）を含有する樹脂混合物１１８が、複合材レイアップ１０２（図６）を硬化する前に注入され得、又は適用され得る、乾燥繊維母材１３０（図５）として提供され得る。
【００５３】
幾つかの実施例では、方法は、高分子ナノ粒子２００を、複合材レイアップ１０２の樹脂が豊富なポケット１３２（図６）に適用することを含んでもよい。例えば、織物１２６から形成された複合材プライ１０６をレイアップする処理の間に、高分子ナノ粒子は、織物１２６の窪み１２８及び／又は繊維トウの交差部分において、樹脂が豊富なポケット１３２に選択的に適用され得る。一実施形態では、高分子ナノ粒子２００を含有する溶液は、１以上の複合材プライ１０６の樹脂が豊富なポケット１３２（図６）の中に噴霧されてもよい。付加的に、高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子２００の内容物が強化フィラメント１５８の表面にわたって変化するように、強化フィラメント１５８上に（図示せぬ）プリントパターンで組織的に付加され得る。プリントパターンは、強化フィラメント１５８を含有する複合材構造体１００の１以上の特性を変える効果を有し得る。
【００５４】
方法３００のステップ３１０は、樹脂混合物１１８（図１０）を複合材レイアップ１０２内で硬化することを含み得る。複合材レイアップ１０２（図４）の硬化は、樹脂１１４（図１０）の粘度を低減し、かつ樹脂１１４が複合材レイアップ１０２（図４）の繊維１２０（図５）に浸透することを可能にするために、熱及び／又は圧力の適用を含み得る。高分子ナノ粒子２００（図９）の付加は、上述したように、樹脂１１４の特性を改良し得、及び／又は複合材構造体１００（図６）の製造可能性及び／又は性能を改良し得る。
【００５５】
幾つかの実施例では、方法は、強化フィラメント１２２が互いに接触することを妨げ、かつ繊維１２０（図６）の浸透性を制御するために、スペーサとして働くように、１以上の強化フィラメント１２２（図１０）に複数の高分子ナノ粒子２００を結合することを含み得る。高分子ナノ粒子２００は、強化フィラメント１２２が（図示せぬ）繊維生成装置から引かれる際に、強化フィラメント１２２に適用され得る。他の実施例では、高分子ナノ粒子２００は、繊維トウ１２０が、単方向性テープ、単方向性シート、織物、編まれた繊維、及び他の繊維形状へと形成される際に、強化フィラメント１２２に適用され得る。高分子ナノ粒子２００は、また、プリプレグ操作の間に１以上の強化フィラメント１２２に結合又は適用され得、樹脂１１４は、繊維トウ、単方向性テープ、織物、編まれた繊維、及び他の繊維形状に適用され得る。
【００５６】
幾つかの実施例では、高分子ナノ粒子２００は、強化フィラメント１２２に融合され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、熱可塑性材料から形成され得、又は高分子ナノ粒子２００は、各々がコア２１０を取り囲む熱可塑性シース２０８を有する、コア・シースナノ粒子２０６として構成され得る。強化フィラメント１２２及び／又は高分子ナノ粒子のシース２０８は、コア・シースナノ粒子２０６が強化フィラメント１２２に接触するときに、コア・シースナノ粒子２０６の外側部分が強化フィラメント１２２に接着又は融合することをもたらす温度まで、加熱され得る。
【００５７】
本開示の例示的な実施形態は、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙部品の製造及び保守方法（図示せず）の文脈において記述され得る。製造前の段階では、部品の製造及び／又は保守は、航空宇宙構成要素の仕様及び設計、並びに材料の調達を含み得る。製造段階では、航空宇宙部品及びサブアセンブリの製造、並びにシステムインテグレーションが行われる。その後、航空機、宇宙性、衛星、又は他の航空宇宙部品は認可及び納品を経て運航に供される。
【００５８】
１つの例では、製造及び保守方法によって製造された航空宇宙構成部品は、複数のシステム及び内装を有する機体を含む。複数のシステムの例には、推進システム、電気システム、油圧システム、及び環境システムのうちの１以上が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれ得る。航空宇宙産業の例を示したが、様々な例示的な実施形態は、自動車産業などの他の産業にも適用され得る。
【００５９】
本明細書で具現化されている装置及び方法は、航空宇宙部品の製造及び／又は保守方法の段階のうちの少なくとも１つにおいて採用され得る。具体的には、複合材構造体１００（例えば、図１）、被覆、射出成形プラスチック、及び／又は接着剤は、航空宇宙部品の製造及び保守方法の段階のうちのいずれか１つにおいて製造されてもよい。例えば、限定しないが、複合材構造体は、部品及びサブアセンブリの製造、システムインテグレーション、定期的な製造及び保守、又は航空機の製造及び保守における他の何らかの段階のうちの少なくとも１つで製造されてもよい。更には、複合材構造体は、１以上の航空宇宙部品で使用されてもよい。例えば、複合材構造体は、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙部品の機体の構造、内装、又は他の部品に含まれてもよい。
【００６０】
本開示の一態様によれば、その内部に複数の高分子ナノ粒子２００が含まれ、かつ樹脂混合物を生成する、樹脂を含む組成物が提供される。好ましくは、組成物では、樹脂混合物が、複合材構造体、被覆、射出成形プラスチック、及び／又は接着剤内に含まれる。好ましくは、組成物では、複合材構造体は、少なくとも部分的に樹脂混合物内に埋め込まれた強化繊維、及び繊維トウ、単方向性テープ、織物、及び編まれた繊維といった繊維形状のうちの少なくとも１つに含まれた強化繊維を含む。好ましくは、組成物では、高分子ナノ粒子の少なくとも１つは、コアを封入したシースを含んだ、固体球、中空球、及びコア・シースナノ粒子の構成のうちの少なくとも１つを有する。好ましくは、組成物では、コアは非球形状を有する。好ましくは、組成物では、高分子ナノ粒子は、高分子ナノ粒子のその場成長、及び高分子ナノ粒子の樹脂への付加の前に、高分子ナノ粒子を外部で作製するといった方法のうちの少なくとも１つによって形成され得る。
【００６１】
本開示の一態様によれば、樹脂、樹脂混合物を生成するために樹脂内に含まれる固化された高分子ナノ粒子、及び樹脂混合物内に埋め込まれた強化繊維を含んだ、複合材構造体が提供される。
【００６２】
本開示の更なる修正及び改良が、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書に説明され図示されている部分の特定の組み合わせは、本開示のある種の実施形態のみを表すことを意図し、本開示の趣旨及び範囲に含まれる代替的な実施形態又は装置を限定することを意図していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１５】
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【図１５Ａ】
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【図１６】
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【図１６Ａ】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１８】
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【図１８Ａ】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月23日(2020.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【外国語明細書】
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