(57)【要約】      （修正有）【課題】既知の構造材料と比較して、より少ない質量の構造材料で欠陥に対する耐性を維持又は増大させる技術を提供する。【解決手段】固有の破損歪みを有し、かつ固有の弾性率を有する複数の実質的に平行な繊維２２を含むプライ２０を含む。マトリックス材料は、プライを少なくとも部分的にカプセル化する。プライは、複数のより低い強度長部分２４又は複数のより低い弾性率長部分を含む。複数のより低い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ固有の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する。複数のより低い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ固有の弾性率よりも小さい弾性率を有する。より低い強度長部分の指定されたパターン、又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンは、プライ内で特定された選択位置に分散される。プライが力を受け取るとき、指定されたパターンにわたって負荷を分散させる。【選択図】図２
2020003201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動エネルギー吸収方法であって、
固有の破損歪みを有し、かつ固有の弾性率を有する複数の実質的に平行な繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）を含むプライ（２０、４０、７０）、
前記プライを少なくとも部分的にカプセル化するマトリックス材料、
前記複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ前記固有の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する複数のより低い強度長部分（２４、２４ａ、２４ｂ、７４）、又は前記複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ前記固有の弾性率よりも小さい弾性率を有する複数のより低い弾性率長部分、及び
前記プライ内で特定された選択位置に分散された、前記より低い強度長部分の指定されたパターン、又は前記より低い弾性率長部分の指定されたパターン
を含む複合品を提供することと、
前記プライ及び前記マトリックス材料を塑性的に変形させること、
前記より低い強度長部分で前記複数の繊維を分離すること、又は前記より低い弾性率長部分で前記複数の繊維を塑性的に延伸すること、並びに
前記複数の繊維が分離されている前記プライに間隙（３４、３４ａ、３４ｂ、８４、８４ａ、８４ｂ）を形成すること、又は前記複数の繊維が塑性的に延伸される前記プライにシヤ境界（３８、８８）を形成すること
によって、前記プライが分離閾値を超える運動エネルギーから力を受けるとき、前記指定されたパターンにわたって負荷を分散させることと
を含む運動エネルギー吸収方法。
【請求項２】
前記プライが第１のプライであり、前記複数の繊維が複数の第１の繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）であり、前記指定されたパターンが第１の指定されたパターンであり、前記複合品が、
固有の破損歪みを有し、かつ前記第１のプライの前記複数の第１の繊維と実質的に平行にならないように配向された複数の実質的に平行な第２の繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）を含む第２のプライ（２０、４０、７０）と、
前記第２のプライを更に少なくとも部分的にカプセル化する前記マトリックス材料と、
前記複数の第２の繊維の個々の第２の繊維に沿って分散され、かつ前記複数の第２の繊維の前記固有の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する複数のより低い強度長部分（２４、２４ａ、２４ｂ、７４）、又は前記複数の第２の繊維の個々の第２の繊維に沿って分散され、かつ前記固有の弾性率よりも小さい弾性率を有する複数のより低い弾性率長部分と、
前記第２のプライ内で特定された選択位置に分散された、前記より低い強度長部分の第２の指定されたパターン、又は前記より低い弾性率長部分の第２の指定されたパターンと
を含み、
前記第２のプライ及び前記マトリックス材料を塑性的に変形させること、
前記より低い強度長部分で前記複数の第２の繊維を分離すること、又は前記より低い弾性率長部分で前記複数の繊維を塑性的に延伸すること、並びに
前記複数の第２の繊維が分離されている前記第２のプライに間隙（３４、３４ａ、３４ｂ、８４、８４ａ、８４ｂ）を形成すること、又は前記複数の繊維が塑性的に延伸される前記プライにシヤ境界（３８、８８）を形成すること
によって、前記第２のプライが前記分離閾値を超える運動エネルギーから力を受けるとき、前記第２の指定されたパターンにわたって負荷を分散させること
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の繊維が複数の第１の繊維であり、前記固有の破損歪みが第１の固有の破損歪みであり、前記複合品が、
前記第１の固有の破損歪みとは異なる第２の固有の破損歪みを有する複数の実質的に平行な第２の繊維を更に含む前記プライと、
前記複数の第２の繊維の個々の繊維に沿って更に分散される前記複数のより低い強度長部分と
を更に含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記固有の破損歪みが、前記複数の繊維の前記個々の繊維に対して同一である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記マトリックス材料はまた、前記複数の繊維を少なくとも部分的に互いに接合して接合繊維にし、
前記間隙が、前記接合繊維の長手方向を横切って分離し、前記間隙同士の間を延びる前記接合繊維の分離したセグメント（３６、８６）を形成し、
前記固有の破損歪みが、前記分離したセグメント内の前記接合繊維の前記個々の繊維に対して同一であり、
前記負荷を分散させることが、平行に分離されたセグメント同士の間、前記複合品の前記プライと他のプライとの間、又はその両方で、前記マトリックス材料を剪断することを更に含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記間隙が、前記繊維の長手方向に沿って分離し、前記より低い強度部分から分割されたリボンを形成し、
前記負荷の前記分散が、分割されたリボンの周囲、前記複合品の前記プライと他のプライとの間、又はその両方で、前記マトリックス材料を剪断することを更に含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記複合品を提供することが、前記プライを形成する前又は後に、前記複数の繊維の選択された長部分の破損歪みをそれらの固有の破損歪み未満まで低下させ、前記複数のより低い強度長部分を形成することを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記破損歪みを低下させることが、それらの前記破損歪みがゼロであり、より低い強度長部分の前記指定されたパターンに達するように、前記プライを形成した後に、前記選択された長部分を完全に切断することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記破損歪みを低下させることが、それらの前記破損歪みがゼロよりも大きいが、それらの前記固有の破損歪みよりも小さく、より低い強度長部分の前記指定されたパターンに達するように、前記プライを形成する前又は後に、熱的、化学的、照射及び部分的な切断のプロセスの中から選択された少なくとも１つのプロセスによって前記選択された長部分を劣化させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記プライが裏側プライであり、前記複合品が、前側プライと、前記前側プライを前記裏側プライから分離する接着力の低下した領域とを更に含み、若しくは前記複合品が、前記裏側プライの全体の破損歪みよりも低い全体の破損歪みを有する前側プライを含み、又はその両方であり、
前記負荷を分散させることが、運動エネルギーを有する物体を用いて前記負荷を加えること、及び物体が前記前側プライを通過した後に、前記物体を前記裏側プライで捕らえることを更に含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
運動エネルギー吸収性複合品であって、
複数の実質的に平行な繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）を含むプライ（２０、４０、７０）と、
前記プライを少なくとも部分的にカプセル化するマトリックス材料と、
前記複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散された複数のより低い強度長部分（２４、２４ａ、２４ｂ、７４）、又は前記複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散された複数のより低い弾性率長部分と、
前記複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散された複数のより高い強度長部分（２６）であって、前記個々の繊維の前記より高い強度長部分が、同一の前記繊維の２つのそれぞれのより低い強度長部分によって定義され、かつそれらの間を延び、前記より低い強度長部分が、前記より高い強度長部分の間で同一である前記より高い強度長部分の破損歪みよりも小さい破損歪みを有するような、複数のより高い強度長部分（２６）、又は、前記複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散された複数のより高い弾性率長部分であって、前記より高い弾性率長部分が、同一の前記繊維の２つのそれぞれのより低い弾性率長部分によって定義され、かつそれらの間を延び、前記より低い弾性率長部分が、前記より高い弾性率長部分の間で同一である前記より高い弾性率長部分の弾性率よりも小さい弾性率を有するような、複数のより高い弾性率長部分と、
前記プライ内で特定された選択位置に分散された、前記より低い強度長部分の指定されたパターン、又は前記より低い弾性率長部分の指定されたパターンと、
前記より低い強度長部分の前記指定されたパターン又はより低い弾性率長部分の前記指定されたパターンによって定義される、前記より高い強度長部分の対応する指定されたパターン又は前記より高い弾性率長部分の対応する指定されたパターンと
を含む運動エネルギー吸収性複合品。
【請求項１２】
前記より低い強度長部分が前記複数の繊維における劣化を構成し、それらの破損歪みがゼロより大きいが、前記より高い強度長部分の前記破損歪みよりも小さい、請求項１１に記載の複合品。
【請求項１３】
前記プライが第１のプライであり、前記複数の繊維が複数の第１の繊維であり、前記複合品が、
前記第１のプライの前記複数の第１の繊維と実質的に平行にならないように配向された複数の実質的に平行な第２の繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）を含むことを除いて、前記第１のプライと同一構成の第２のプライ（２０、４０、７０）と、
前記第２のプライを更に少なくとも部分的にカプセル化する前記マトリックス材料と
を更に含む、請求項１１又は１２に記載の複合品。
【請求項１４】
前記複数の繊維が複数の第１の繊維であり、前記複数のより高い強度長部分が複数の第１のより高い強度長部分であり、前記複合品が、
前記複数の第１のより高い強度長部分の前記破損歪みと異なる破損歪みを有する複数の第２のより高い強度長部分を除き、前記複数の第１の繊維と同一構造の、かつ前記複数の第１の繊維に平行である複数の実質的に平行な第２の繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）を更に含む前記プライを更に含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の複合品。
【請求項１５】
前記プライが裏側プライ（１１４ｂ）であり、前記複合品が、前側プライ（１１４ａ）と、前記前側プライを前記裏側プライから分離する接着力の低下した領域とを含み、若しくは前記複合品が、前記裏側プライの全体の破損歪みよりも低い全体の破損歪みを有する前記前側プライ（１１４ａ）を更に含む、又はその両方である、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の複合品。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
航空機、宇宙船、及びその他の構造体は、様々な異物の影響を受ける可能性がある。例としては、破片（タイヤトレッド、岩石など）、ひょう、微隕石などがある。構造体の破損は内部の構成要素に著しく損傷を与え、構造的完全性に影響を与え、航空機、宇宙船及びその他の移動体構造に壊滅的な損失をもたらすことさえありうるだろう。
【０００２】
航空機、宇宙船、及び燃料を運搬するその他の移動体の構造は、地面衝撃の間に燃料格納の欠陥を経験することがある。そのような事象の間の燃料格納の欠陥に抵抗することを目的として、様々な自己密封式燃料ブラダー及び衝撃格納構造体が存在する。そのような目標を念頭に置いて設計された既知の燃料ブラダー及び格納構造体は、布地又は単方向繊維のいずれかで作られることが多い。しかし、なおも同一の欠陥耐性を提供するか又は欠陥耐性を増大させながら、燃料ブラダー及び格納構造体の質量を減少させることが望ましい。
【０００３】
したがって、構造体の欠陥を減らすためのより効率的な材料は、異物による衝撃を受けやすい航空機、宇宙船、及びその他の移動体の構造にとって有益であることが理解されよう。より効率的な材料は、時に強度対重量比と称される、より高い特定の強度（強度／密度）を示す。同様に、より効率的な欠陥耐性の燃料ブラダー及び格納構造体が有益だろう。より高い効率を有する材料は、既知の構造材料と比較して、より少ない質量の構造材料で欠陥に対する耐性を維持又は増大させる。
【発明の概要】
【０００４】
運動エネルギー吸収方法は、固有の破損歪みを有し、かつ固有の弾性率を有する複数の実質的に平行な繊維を含むプライを含む複合品を提供することを含む。マトリックス材料は、プライを少なくとも部分的にカプセル化する。プライは、複数のより低い強度長部分又は複数のより低い弾性率長部分を含む。複数のより低い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ固有の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する。複数のより低い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ固有の弾性率よりも小さい弾性率を有する。より低い強度長部分の指定されたパターン、又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンは、プライ内で特定された選択位置に分散される。方法は、プライが分離閾値を上回る運動エネルギーから力を受け取るとき、指定されたパターンにわたって負荷を分散させることを含む。負荷を分散させることは、プライ及びマトリックス材料を塑性的に変形させること、及びより低い強度長部分で複数の繊維を分離すること、又はより低い弾性率長部分で複数の繊維を塑性的に延伸することを含む。負荷を分散させることはまた、複数の繊維が分離されているプライの中に間隙を形成すること、又は複数の繊維が塑性的に延伸されるプライにシヤ境界を形成することを含む。
【０００５】
運動エネルギー吸収性複合品は、複数の実質的に平行な繊維を含むプライと、プライを少なくとも部分的にカプセル化するマトリックス材料とを含む。複数のより低い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散され、又はより低い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散される。複合品は、複数のより高い強度長部分又は複数のより高い弾性率長部分を含む。複数のより高い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散され、個々の繊維のより高い強度長部分が、同一の繊維の２つのそれぞれのより低い強度長部分によって定義され、かつそれらの間を延び、より低い強度長部分は、より高い強度長部分の間で同一であるより高い強度長部分の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する。複数のより高い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散され、より高い弾性率長部分が、同一の繊維の２つのそれぞれのより低い弾性率長部分によって定義され、かつそれらの間を延び、より低い弾性率長部分は、より高い弾性率長部分の間で同一であるより高い弾性率長部分の弾性率よりも小さい弾性率を有する。より低い強度長部分の指定されたパターン、又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンは、プライ内で特定された選択位置に分散される。より高い強度長部分又はより高い弾性率長部分の対応する指定されたパターンは、より低い強度長部分又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンによって定義される。
【０００６】
運動エネルギー吸収性複合品は、複数の実質的に平行な繊維を含むプライと、プライを少なくとも部分的にカプセル化し、複数の繊維を少なくとも部分的に互いに接合して接合繊維にするマトリックス材料とを含む。接合繊維の第１のより低い強度長部分又は接合繊維の第１のより低い弾性率長部分は、プライで特定された第１の選択位置にある。接合繊維の第２のより低い強度長部分又は接合繊維の第２のより低い弾性率長部分は、プライで特定された第２の選択位置にあり、第１の位置から分離される。接合繊維のより高い強度長部分又は接合繊維のより高い弾性率長部分は、第１の位置から第２の位置まで延びる。より高い強度長部分は、第１及び第２のより低い強度長部分両方のそれぞれの破損歪みよりも大きい破損歪みを有し、又はより高い弾性率長部分は、第１及び第２のより低い弾性率長部分の両方のそれぞれの弾性率よりも大きい弾性率を有する。
【０００７】
上述の特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することができ、又は更に別の実施形態において組み合わせることが可能であるが、それらの更なる詳細は、以下の説明及び図面を参照して理解することができる。
【０００８】
いくつかの実施形態が、続く添付図面を参照して以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料ブラダーとそれの地面との衝突の側面図を示す。
【図２】複合プライの上面図を示す。
【図３】引張負荷を加えた後の図２の複合プライの上面図を示す。
【図４】２つの複合プライの上面図を示す。
【図５】多軸引張負荷を加えた後の図４の２つの複合プライの上面図を示す。
【図６】一連のプライに衝突する物体の側面図である。
【図７】複合プライの上面図である。
【図８】図７の複合プライに衝突する物体の上面図である。
【図９】２つの複合プライに衝突する物体の上面図である。
【図１０】複合プライ片の部分的な切欠上面図である。
【図１１】Ａ、Ｂ及びＣは、一連の層に衝突する物体の連続側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
既知の格納構造体は、繊維破損、層同士の間の剪断（層間剥離）、及び異物への損傷を介してエネルギーを吸収することを含むいくつかの機構の結果として、異物の構造体破壊を阻止しうる。これらの機構の位置と範囲は、既知の格納構造体に特別には設計されないため、必要以上に重量がある格納構造体になる。設計により既知の不具合のある機構を実装しなければ、機構は、衝撃事象の間、最も効率的な場所及び／又は時間に呼び出されることがなく、最も効率的な方法でエネルギーを吸収することがない。
【００１１】
多くの場合、既知の格納構造体は、単純なクロスプライレイアップで単一種類の繊維との複合材をほとんど使用して作られる。記載されたいくつかの機構は、異物による衝撃の間にそのようなレイアップにおいて発生する可能性があるが、機構が発生する程度及びそれらの位置は制御されない。本明細書に記載の方法及び装置は、単位質量当たりのエネルギーをより多く吸収するために指定位置及び／又はパターンで戦略的に弱められた複合プライを使用して格納構造体を設計することを可能にし、既知の格納構造体と比較して材料効率を高める。そのような複合プライは、望ましい機構を呼び出し、より多くの運動エネルギーを吸収するようにそのような機構を制御する。
【００１２】
プライ内の指定されたパターン内の１つ又は複数の繊維内に弱化部分又は不連続部を形成することによって、そのプライを含む複合体がそのパターンによって決定される線に沿って破損する可能性がある。また、負荷はより広く分散され、より多くの運動エネルギーを吸収する機構として、より多くの繊維を樹脂から引き出さすことができるようになる。そのような効果を複合体の厚さ全体に分散させるために、複数のプライが弱化されることもある。
【００１３】
破壊していない複数のプライを含む裏側プライ又は裏側層が、複合体に含まれてもよい。異物が最初に前側プライ又は複数のプライを含む前側層に衝突し、いくらかのエネルギーを吸収して大量の層間剥離複合体を作り出す可能性がある。破損していない１つ又は複数の裏側プライは、異物を捕える、又は大量の層間剥離した複合体と共に異物を捕えることがある。
【００１４】
結果として、より高い効率を有する材料は、所定の経路に沿って破壊を方向付けることによって、欠陥に対する耐性を維持又は増大させる。このような制御を欠く既知の複合粒子と比較して、複合品に重量を加えずに、破壊モードに対する上記制御の向上が行われる。本明細書の方法及び装置は、複合材料の破壊を広く発生させ、より多くの複合材料が衝撃事象に巻き込まれる原因となる。
【００１５】
制御は、熱的、化学的、照射、及び機械的プロセスの中から選択される少なくとも１つのプロセスを使用して複合材料の選択された部分又は領域を劣化させることによって実施されうる。１つの熱プロセスは、複合材料をパターンで過熱するためにレーザーを照射することを含む。１つの化学プロセスは、繊維、マトリックス材料、又はその両方を局所的に弱化させることを含む。１つの照射プロセスは、鎖切断が繊維及び／又はマトリックス材料を局所的パターンで弱化させるために、紫外光源を使用する。機械的プロセスは、繊維及び／又はマトリックス材料を部分的に切断すること、又は繊維の切断を完了することを含みうる。
【００１６】
地面衝撃事象の間、燃料ブラダー内の液体燃料は、繊維に非常に鋭い衝撃負荷を受けさせ、それによってブラダー壁の破壊を潜在的に引き起こす可能性がある流体力学的ラムを生成する。既知のブラダーは、不具合を克服するよう非常に堅牢に設計されてきたが、堅牢に設計されたブラダー壁は非常に重い。図１は、燃料ブラダー１０ａが地面に落下し、衝撃により変形して、衝撃を受けた燃料ブラダー１０ｂが生じることを示す。衝撃を受けた燃料ブラダー１０ｂ内の壁の歪みは、含有燃料によって引き起こされる流体力学的ラムから繊維が受ける衝撃負荷の一例を示す。燃料ブラダーを囲む衝撃格納構造体が提供され、同様に衝撃に対する性能基準を満たすように非常に堅牢に設計されうる。
【００１７】
堅牢な設計には、ＫＥＶＬＡＲや他の合成繊維といった非常に堅い素材が含まれる場合があり、また堅牢な設計に合わせて重いこともある。本明細書に記載された方法及び装置により、地面衝撃による衝動によって加えられた運動エネルギーを吸収するための機構として、負荷分散及び選択的な繊維の破壊が可能になる。このように、個々の繊維へのピーク負荷を減少させ、構造壁をより効率的に設計可能にし、よって性能を維持しつつ、より軽量な構造がもたらされる。同一概念により、異物による衝撃を受けやすい構造の設計が可能になり、その結果、物体の運動エネルギーが吸収され、個々の繊維に対するピーク負荷が、既知の構造体と比較して減少することがある。燃料ブラダー及び衝撃格納構造に加えて、地面衝撃又は異物による衝撃を受けやすい航空機、宇宙船、及び他の移動体の構造の任意の他の構成要素が、本明細書で説明される方法及び装置を受容しうる。
【００１８】
繊維のより低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分などの計画された破壊的な機構は、そのような目的を支援するための１つの設計特性を構成する。他の補助的な設計特性が、本明細書に記載される。繊維の少なくとも一部をより弱化させ及び／又はより容易に伸張させることによって、衝撃事象の間に通常影響を受けない又はそれほど影響を受けない複合体の領域に、負荷が分散されうる。結果として、複合体のターゲットとされる剥離、並びにいくつかの繊維、及び場合によってはいくつかのマトリックスの選択的剪断により、破損することなく運動エネルギー吸収が可能になる。
【００１９】
図２は、運動衝撃から繊維応力が加えられていないときの負荷印加前の複合材料のプライの上面図を示す。繊維同士の間の間隙に存在するだろうマトリックス材料は、簡単にする目的で、図２には示されていないが、通常、少なくとも部分的に繊維をプライ２０にカプセル化するだろう。プライ２０は、それらの組成及び／又は製造方法によって決定される固有の破損歪みを有する複数の実質的に平行な繊維を含む。破損歪みは、材料が破損する工学的（すなわち、公称）歪みである。既知の繊維材料の例としては、ナイロン、ポリエチレン、アラミド（例えばＫＥＶＬＡＲ）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン、例えばＤＥＬＲＩＮ）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、例えばＴＥＦＬＯＮ）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリエステル（例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）など）、ＰＰ（ポリプロピレン）、及びＰＶＡ（ポリビニルアルコール）が挙げられる。その他も同様に知られている。本明細書で説明した方法及び装置の利点を依然として提供しながら、実質的に平行な経路が完全に平行な経路から最小量ではずれてもよいことが本明細書の説明から理解されよう。
【００２０】
２つの構造体がプライ２０において繊維２２として示される。繊維２２が２つの個々の繊維を表すことがあると理解されよう。その代わりに、繊維２２は、図２の構造を提供するために、群部材がマトリックス材料で接合された、個々の繊維の２つの平行な群を表すこともある。繊維２２は、弱化した又は不連続である繊維２２の長さの一部を指定するより低い強度長部分２４を含む。図２のより低い強度長部分２４の長さは、繊維が指定された位置で簡単に切断されるときに存在しうるよう非常に短い。しかしながら、繊維の劣化が熱的、化学的、照射又は他の劣化を含むとき、繊維２２の弱化がより長い繊維部分にわたって起こりうる。
【００２１】
繊維２２はまた、それらの固有の破損歪みを示す繊維２２の未修正部分を表す、より高い強度長部分２６を含む。図２において繊維２２として示される構造体が、個々の繊維、又はマトリックス材料によって互いに接合された繊維の群でありうるので、より低い強度長部分２４が単一の繊維上にありうるか、又は複数の繊維にわたって位置合わせされうると理解されよう。
【００２２】
図２において個々の繊維又は繊維の群を指定する垂直線は、実際の複合プライにおいて必ずしも容易に特定可能であるとは限らないだろう。図７は、繊維が切断によって劣化したときに複合プライが実際にどのように見えうるかをより正確に表したものである。熱的、化学的、照射、又は他のプロセスによって劣化した繊維は、より高い強度長部分２６と比較して、より低い強度長部分２４において必ずしも異なるようには見えないかもしれない。その結果、図２に指定された長部分２４は、実際には特定できないかもしれない。図２において繊維２２を特定する境界が、より低い強度長部分２４における所与の劣化によって影響を受ける繊維又は繊維群を認識するのに便利であることが理解されるであろう。
【００２３】
図３は、矢印３２で特定される方向に沿って引張負荷をかけた後の図２のプライ２０を表すプライ３０を示す。図２の繊維２２は、個々に取られるか又は繊維群として取られるかにかかわらず、図３において分離され、より低い強度部分２４が分離されるプライ３０に間隙３４を形成する。間隙３４は、図２に示す繊維２２の長手方向を横切って分離し、図３の間隙３４の間に延びる分離したセグメント３６を形成する。図３には図示されない別の破損モードでは、長手方向を横切るのではなく、繊維の長手方向に沿って間隙が分離して、より低い強度部分から分割されたリボンが形成されることがある。したがって、繊維は複数のストランド又はリボンに分割され、それにより、繊維の間で物体にくさびを入れる際のくさび破損を低減するのに役立つ。
【００２４】
セグメント３６は、個々の繊維であってもよく、又はマトリックス材料によって互いに接合された繊維群を含んでもよい。図３はまた、引張負荷を加える間に間隙３４が開く際にセグメント３６同士の間に形成されるシヤ境界３８を示す。図３に示されていない追加のシヤ境界が存在しうることが理解されよう。しかしながら、図３は、引張負荷印加中のセグメント３６の移動と共に生じるシヤ境界３８を示す。
【００２５】
セグメント３６のような予め含浸された複合体の個々の片同士の間のシヤにより、経時的に運動エネルギーの吸収が可能になりうる。そのようなシヤを引き起こす力の分離閾値は、マトリックス材料、プライ同士の間の任意の接着剤又は剥離材料、及びより低い強度長部分２４を配置するために選択されるパターンに対する組成及び／又は製造プロセスによって制御されうる。そのような制御により、地面衝撃事象における燃料ブラダーのピークの流体力学的圧力の低下、又は衝撃物体のより緩やかな減速のための衝撃力の分散が可能になる。図３のシヤ境界はまた、セグメント３６同士の間にのみ示され、実際の複合構造に存在するだろう他のプライ同士の間には示されない。既知のマトリックス材料の例には、熱可塑性ポリウレタンを含む熱可塑性プラスチックと、ポリエステル、エポキシ、及びゴムのような材料（ネオプレンのようにわずかに架橋されている）を含む熱硬化性物質と、シリコーンなどが含まれる。その他も同様に知られている。
【００２６】
閾値未満では、複合物の永久変形は起こらない。航空機、宇宙船及び他の移動体の構造は、永久に変形せずに多種多様な力に耐えられる。本明細書における方法及び装置は、そのような力に耐える能力を必ずしも変化させるのではなく、その代わりに、構造体の破損からより高レベルの運動エネルギーの吸収までの閾値を超える変形の性質を変化させる。
【００２７】
図３に示されていない別の破損モードでは、より低い強度長部分２４のすべて又は一部の代わりに、より低い弾性率長部分（図示せず）が使用されてもよい。より低い弾性率長部分は、上述したより低い強度長部分２４と同じ方法で、図２及び図３で指定することができるだろう。図２及び図３は、より低い弾性率長部分を含むとき、以下に示されることを除き、他の点では同一であろう。
【００２８】
より低い弾性率長部分は、固有の弾性率の繊維２２と比較して、より低い弾性率を有する繊維２２の長さの一部だろう。より低い弾性率長部分は、熱的、化学的、照射又は他の劣化を含む繊維劣化によって提供されうる。概念上、強度の低い長部分と類似しているが、より低い弾性率長部分は、繊維を切断するときのように不連続性を有する可能性があり、またそれを含まないが、必ずしもより低い強度を有するわけではない。
【００２９】
繊維２２は、図２のより高い強度長部分２６と同様に、それらの固有の弾性率を示す繊維２２の未修飾部分を表す、より高い弾性率長部分（図示せず）を含むだろう。図２において繊維２２として示される構造体が、個々の繊維、又はマトリックス材料によって互いに接合された繊維の群でありうるので、より低い弾性率長部分が単一の繊維上にありうるか、又は複数の繊維にわたって位置合わせされうると理解されよう。
【００３０】
図３は、より低い強度長部分２４が分離されているプライ３０の間隙３４を示す。より低い弾性率長部分が繊維２２中に存在する場合、矢印３２により特定される方向に沿って引張負荷が加えられた後に、間隙３４が必ずしも生成されるわけではないだろうが、間隙が生成されることがある。繊維に沿った弾性率の差により、より低い弾性率長部分は、運動エネルギーからの分散負荷の下で弾性的に変形する可能性が高い。より低い弾性率長部分が負荷の下で優先的に弾性的に延伸する際に、それらは、最終的にそれらの降伏強度に達し、それらが破壊されるまで可塑的に延伸し始める。それが発生する場合は、その破壊、及び両方の種類の伸張プロセスが、エネルギーを吸収する。繊維の破壊により、間隙３４などの間隙が形成される。
【００３１】
少なくとも塑性的に延伸するとき、及びおそらく弾性的に延伸するとき、シヤ境界は、後述するように、複合体の特性に応じて、図３のシヤ境界３８で示されるように形成されうる。図３に示されていない追加のシヤ境界が存在しうることが理解されよう。しかしながら、図３は、引張負荷印加中のセグメント３６の移動と共に生じるシヤ境界３８を示す。より低い弾性率長部分を延伸するときに、より高い弾性率長部分の動きで、同様のシヤ境界が生じうる。
【００３２】
図４は、クロスプライで存在するように９０度回転したトッププライと重ね合わせた、図２の２つのプライ２０の上面図を示す。本明細書における方法及び装置は、１０°、３０°、４５°、６０°などの他の角度でプライを含むことができるが、簡単にするために示されない。例えば、１０°の繊維の１つ又は複数のプライが含まれうる。別の方法又は装置では、３０°の繊維の１つ又は複数のプライが含まれうる。更に別の方法又は装置では、６０°の繊維の１つ又は複数のプライが含まれうる。
【００３３】
図４では、図２に示す配向の底部プライ中の繊維又は繊維群は、隠線で繊維２２ａとして表される。９０°配向の最上層の繊維又は繊維群は、繊維２２ｂとして表される。簡単にするために、それぞれの繊維のうちの２つのみが、参照番号によって特定される。対応するより低い強度長部分２４ａは、繊維２２ａのための隠線で示され、より低い強度長部分２４ｂは、繊維２２ｂのために示される。図２の参照番号２６で特定されるようなより高い強度長部分は、単純にするためだけに図４では特定されないが、図２に関する説明から理解されるように存在している。
【００３４】
図５は、矢印３２ａ（図３におけるように）及び矢印３２ｂによって特定される方向に沿った多軸引張負荷を示す。図５は、多軸引張負荷印加後のプライ５０として表される図４のプライ４０を示す。図４のより低い強度長部分２４ａで生じる間隙３４ａが、図５に示される。図４のより低い強度長部分２４ｂの位置に生じる間隙３４ｂが示される。図３に関する議論から、セグメント３６のようなセグメントは、多軸引張負荷印加後にプライ５０内に存在するだろうが、簡単にするために参照番号で特定されないと理解されよう。このようなセグメントは、図３と同様に特定可能な図５のシヤ境界から容易に特定可能である。
【００３５】
したがって、異なる角度で複数のプライを有する複合体では、プライ同士の間の平面内でシヤも生じることがあり、セグメント同士の間のシヤ境界によって特定されるエネルギーに追加的なネルギーが吸収される。図３についての議論と同様に、シヤを生じさせる力を可能にする分離閾値は、マトリックス材料組成及び／又は製造プロセス、プライ同士の間の任意の接着剤又は剥離材料、及びより低い強度長部分のパターン形成によって制御されうる。
【００３６】
図２及び図３に関して上述した同様の方法で、図４及び図５のより低い強度長部分のすべて又は一部の代わりに、より低い弾性率長部分（図示せず）が使用されてもよい。
【００３７】
図２から図５の分散負荷は、図１のように、液体を含む燃料ブラダーが地面に衝突するときに実現されうる。液体は、ブラダーの側壁を押し、ブラダーの底部に外向きの圧力を生じさせる。比較的硬いブラダーでは、ブラダーの底部における外向きの圧力が、急速に上昇し、高い機械的負荷のためにブラダーの破損を引き起こす可能性がある。そのような状況での破損を軽減するために、図３及び図５のように、分散負荷を使用して変形する間に、外向きの圧力の運動エネルギーをブラダー壁内に吸収することができるだろう。外向きの圧力は、繊維２２又は繊維２２ａ／２２ｂをそれらのそれぞれのより低い強度長部分２４又は２４ａ／２４ｂで分離し、及び／又は含まれる場合には、より低い弾性率長部分で繊維を塑性的に延伸する。これは、繊維が負荷印加後に必ず弾性的に収縮するということではない。確かに、繊維２２又は２２ａ／２２ｂを含む燃料ブラダーは、地面衝突事象の際に塑性的に変形することがあるが、それにもかかわらず、燃料を含む集中的な繊維破損を減少させる。
【００３８】
構造体に影響を与える物体の影響を軽減する際に、同様の原則が適用される。図６は、ｘ方向が繊維長に沿った横方向寸法を表し、ｚ方向が組み合わされたプライの厚さを通る垂直寸法を表す一連のプライに配置された繊維６０を示す。図６は、各プライ中の１つの繊維の側面図を示す。物体６２は、厚さを通る方向、すなわち垂直寸法で、繊維６２に衝突する。図６は、物体６２の衝突中に多くの繊維６０が破損し、物体６２が厚さ内へ移動するにつれ物体６２の前方で剪断されたことを示す。
【００３９】
繊維６０の剪断は、物体６２の運動エネルギーのいくらかを吸収し、物体６２による構造体の破損を回避するのを助ける。それでも、破損回避には、本明細書に記載の方法及び装置と比較して、より大きな質量の繊維及びマトリックスが必要である。既知の損傷耐性構造体は、単純なクロスプライレイアップにおいて単一種類の繊維を有する複合体をほとんど使用して作られる。これらのレイアップは、本明細書に記載されているものと同様の機構を介して物体を停止させる可能性があるが、異なる機構の範囲及び位置は制御されない。本明細書の方法及び装置は、破損耐性構造体が衝撃を与える物体の速度を落とす際に、変形形状に影響を与えるだけでなく、特定の位置で繊維分離、面内及びプライ間の層間剥離、及びシヤ破壊を引き起こす方法を提供する。そのような構造体は破損に抵抗するが、必ずしも損傷に抵抗するわけではない。所望の位置及び所望のモードでの変形及びシヤ破壊を通して負荷を分散させることによって、構造体は、より効率的になり、したがって、そのような特徴のない既知の構造と比較してより軽量になりうる。
【００４０】
図３及び５は、地面との衝突中に燃料ブラダーの底部に外向きの圧力が加えられたとき（図１参照）に負荷がどのように分散されうるかを示す。図８は、物体６２が繊維に衝突するときなどのより集中的な衝撃を示す。図７は、より低い強度長部分７４を有するプライ７０の上面図を示す。プライ７０の個々の繊維は、マトリックス材料にカプセル化されているので、図７では明らかではない。本明細書に記載される様々なプロセスを使用してより低い強度長部分７４が形成されうるが、図７は、個々の繊維又は繊維分及びマトリックス材料を通して切断したより低い強度長部分を示す。
【００４１】
図８は、プライ８０として表される物体６２による衝撃の後の図７のプライ７０の上面図を示す。図３及び図５では、引張負荷をかけた後に間隙が開く。図８において、物体６２の運動エネルギーによって加えられる分散負荷は、より低い強度長部分７４で繊維を分離し、プライ８０内に間隙８４を形成する。長部分７４での繊維の分離及び繊維同士の間のシヤは、マトリックス材料に明らかなシヤ境界８８を形成する。間隙８４及びシヤ境界８８を用いて、繊維のより高い強度長部分を含むセグメント８６が明らかになる。図３及び図５のセグメントと同様に、セグメント８６は、個々の繊維でもよく、又は繊維群を含んでもよい。実際には、隣接する繊維を切断することなく、個々の繊維を切断することが困難であることもある。
【００４２】
特に、物体６２の衝撃に最も近い間隙８４は、衝撃から離れたところで間隙８４よりも大きな程度で分離する。それにもかかわらず、図８は、運動エネルギーによって加えられる負荷の分散を明らかにする。分散した分離はまた、プライ８０にわたってシヤ境界８８を分散させる。間隙８４及びシヤ境界８８のパターンは、物体６２の衝撃をより緩やかに減速するのに役立つ。図２及び図３に関して上述した同様の方法で、図７及び図８のより低い強度長部分のすべて又は一部の代わりに、より低い弾性率長部分（図示せず）が使用されてもよい。
【００４３】
図９は、２つのプライ９０の上面図を示す。外観上、図７のような別のプライが９０°回転し、プライ７０が、回転したプライの上に重ねられる。図９は、プライ９０に衝突する物体６２の上面図を示す。図８に示されるのと同じ間隙、セグメント、及びシヤ境界は、プライ９０の底部プライ内で明らかであるが、重なる場合は隠線で示され、大部分は、簡単にするため、参照番号で特定されていない。プライ９０の最上プライは、９０°回転した同一の間隙、セグメント、及びシヤ境界を含み、大部分は、簡単にするため、参照番号で特定されていない。しかし、図９は、底部プライの繊維の間隔で開く間隙８４ａと、最上部プライの繊維の間隔で開く間隙８４ｂを示す。
【００４４】
当然のことながら、図９は複合プライ中に存在するだろう材料の全シートの部分図である。そのようなシートの最活性領域が図９に示されており、そこでは負荷の大部分が、繊維分離及びマトリックス剪断を通して分散する。図４に関して上述したように、他の角度でのプライの配向がまた、使用されてもよい。異なる配向の複数のプライを有する複合体では、プライ同士の間にシヤが生じることがあり、追加の運動エネルギーを吸収する。特に、図９の間隙は、２つの異なる方向に開く。したがって、２つのプライのセグメント同士の間のシヤは、衝突する物体６２の力によって加えられるこの応力を軽減し、シヤ境界を形成する運動を可能にする。面内ならびにプライ同士の間の剪断は、更に大きな吸収のためにエネルギーを分散させる。図２及び図３に関して上述したのと同様に、図９のより低い強度長部分の全部又は一部の代わりに、より低い弾性率長部分（図示せず）が使用されてもよい。
【００４５】
様々な種類の繊維及びマトリックス樹脂を使用することにより、プライ８０の性能は、更に制御されうる。例えば、セグメント８６は、剛性、弾性率、及び強度などの異なる特性を有することがあり、カプセル化マトリックスは、マトリックス接着性、弾性率、延性、及び強度などの異なる特性を有することがある。その結果、繊維及び／又はマトリックス材料の特性がプライ８０にわたって変化するとき、間隙の形成及びシヤ境界の形成は、図８に示されるものとは異なりうる。繊維及びマトリックス材料の特性がプライ３０、５０、又は９０にわたって変化するときも同じことが当てはまる。
【００４６】
本明細書の文脈において、「接着」は、表面が互いにくっつく傾向を説明する周知の特性を指す。また、「延性」とは、脆い材料とは対照的に、材料が破損する前に塑性的に変形する周知の特性を指す。いくつかのシステムでは、延性は、破損時の伸び率として定量化されうる。更に、「強度」は、加えられた応力に耐えつつ破損を回避する材料の能力を指す。いくつかのシステムでは、強度は、極限引張強度として定量化されうるが、これは応力−歪み曲線の最大工学（すなわち公称）応力を意味する。更にまた、「弾性率」（すなわち、「塑性弾性率」）は、材料が弾性変形に抵抗する能力を説明する。いくつかのシステムでは、弾性率は、弾性領域における応力−歪み曲線の勾配として定量化されうる。接着性、延性、強度、及び弾性率は、当業者に知られている様々な技術によって測定されうる。
【００４７】
図１０は、複合品１００が少なくとも３つの異なる複合体片を含む、類似の原理を適用する例を提供する。図１０は、複合体１０２、複合体１０４及び複合体１０６の部分的な切欠上面図を示す。３片の複合体は、大きさ、形状、及び弾性率、繊維の種類、マトリックス樹脂の種類、マトリックス樹脂量、繊維方向などの特性が変化することがある。複合体１０２、複合体１０４及び複合体１０６の特性及び位置指定の選択は、破損モードを制御し、かなりの量の運動エネルギーを吸収するために、選択された複合体を重ね合わせて使用されうる。異なるサイズ、形状、及び特性を考慮すると、複合体の断片同士の間のシヤは、実装される設計制御に従って異なるだろう。プライ同士の間のマトリックス材料又は接着剤が、異なるサイズ、形状、及び特性を有する片の並置により剪断されるにつれ、剪断を介したより大きなエネルギー吸収が可能になる。
【００４８】
複合品の動作は、３つの一般的なカテゴリーで説明されうる。まず、物体の衝撃は、負荷が構造体の強度及び弾力性を通して吸収される状態で、塑性変形を生じない。次に、物体の衝撃が塑性変形を生じさせるが、構造体は破損しない。最後に、物体の衝撃が、塑性変形と破損の両方をもたらす。本明細書における方法及び装置は、後者の２つのカテゴリーに適用される。本明細書では、衝突する物体の運動エネルギーから加えられる負荷を分散させることによる破損回避に関して、重要な説明がある。しかしながら、たとえ負荷が本明細書の方法及び装置に従って分散されたとしても、それにもかかわらず分配された負荷が材料の強度を超えるときには、破損の可能性がある。
【００４９】
その結果、図１１Ａ、図１１Ｂ、及び図１１Ｃは、本明細書に記載される他の方法及び装置と併せて使用されうる追加の手段を説明する。図１１Ａにおいて、複合体１１０は、層１１４ａ／１１４ｂを含み、これらは、物体１１２によって衝突されようとしている個々のプライ又はプライの群でありうる。複合材体は、設計境界１１６によって裏側層１１４ｂから離れて指定された前側層１１４ａを含む。接着力が低下した領域が設計境界１１６に存在してもよく、若しくは前側層１１４ａ及び裏側層１１４ｂが異なるように機能してもよく、又はその両方であってもよい。図１１Ｂは、前側層１１４ａに衝突し、それらの前側層１１４ａを通って移動する物体１１２を示す。図１１Ｂでは、物体１１２からの運動エネルギーの力により負荷を分散させるための本明細書に記載の方法及び装置が利用されうる。例えば、層１１４ａ、１１４ｂ、又はその両方は、複数のより低い強度長部分、複数のより低い弾性率長部分、又はその両方を含みうる。
【００５０】
負荷分散が物体１１２を停止させるのに不十分である場合、図１１Ｃは、裏側層１１４ｂが剥離して前側層１１４ａとの接触から解放される際に、裏側層１１４ｂが捕捉層１１８になることを示す。接着力が減少した領域で設計境界１１６での解放特性を制御することによって、裏側層１１４ｂが解放され、様々なエネルギー吸収機構が可能になる。例えば、接着力が低下した領域を剪断すると、運動エネルギーが吸収される。また、捕捉層１１８になる際の裏側層１１４ｂ同士の間の剪断性能は、そのような層同士の間の剪断が可能になるよう制御することができる。捕捉層１１８同士の間の剪断は、捕捉層１１８の自由運動を促進し、更に運動エネルギーを吸収する。その結果、本明細書における負荷分散及び他の方法並びに装置に加えて、機構に頼ることによって、構造体の破損が回避されうる。
【００５１】
代替的に又は追加的に、本明細書の方法及び装置からの負荷分散の概念は、捕捉層１７８を生成するために裏側層１１４ｂに組み込まれてもよい。一例として、物体が最初に衝撃する前側層１７４ａは、全体の破損歪みがより小さくなり、それらの破損が追加の運動エネルギーを吸収し、他方で、次に衝突される裏側層１１４ｂは、全体の破損歪みがより高い破損を回避する。このようにして、物体の衝突は、裏側層１１４ｂを解放し、捕捉層１７８になる。最初に衝突された繊維、次に衝突された繊維、又はそれらの両方が、より低い及びより高い全体の破損歪みを確立するために、厚さを通して位置の関数として変化する複数のより低い強度長部分、複数のより低い弾性率長部分、又はこれらの両方を含みうる。従って、運動エネルギーの吸収は、位置の関数としても異なることがある。
【００５２】
本明細書に記載の装置を製造するための様々な既知の方法を使用することができる。プライ内で特定される選択された位置に分散されたより低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分を提供するために、既知の方法の修正が実施されてもよい。図７によれば、より低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分をもたらす劣化は、プライ形成後又は複数のプライのレイアップの後に、熱的、化学的、照射又は機械的なプロセスで適用されうる。繊維長に沿って分散したより低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分のパターンを有する繊維がプライを製造するための既知の方法に従って使用されうると更に考えられる。初期の繊維中のより低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分の指定されたパターン結果として、指定されたパターンに従ってプライ全体にそのような長部分を分散させるための様々な可能性が存在する。
【００５３】
１つの設計の検討事項は、より低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分を実施するための複合体の横方向領域及び／又は厚さ領域を選択することを含む。すなわち、弱化した若しくは不連続な繊維及び／又は劣化した繊維の実施は、プライ内、プライ間（ｐｌｙ−ｔｏ−ｐｌｙ）、又はその他のいずれかで横方向領域及び／又は厚さ領域にわたって、複合品全体に有益かつ不均一に適用されうる。より低い強度長部分とより低い強度部分の長さとの間の距離は、変化することがあり、設計された変形パターンをもたらすように選択されうる。同様に、より低い弾性率長部分とより低い弾性率長部分の長さとの間の距離は、変化することがあり、設計された変形パターンをもたらすように選択されうる。より低い強度長部分及び／又はより低い弾性率長部分に対する位置を指定するための他のパターンの考慮事項は、全体的な変形パターンを支配しうる。したがって、エネルギー吸収は、複合品中の位置の関数として制御されうる。
【００５４】
一実施形態によれば、運動エネルギー吸収方法は、固有の破損歪みを有し固有の弾性率を有する複数の実質的に平行な繊維を含むプライを含む複合品を提供することを含む。マトリックス材料は、プライを少なくとも部分的にカプセル化する。プライは、複数のより低い強度長部分又は複数のより低い弾性率長部分を含む。複数のより低い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ固有の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する。複数のより低い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維に沿って分散され、かつ固有の弾性率よりも小さい弾性率を有する。より低い強度長部分の指定されたパターン、又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンは、プライ内で特定された選択位置に分散される。
【００５５】
本方法は、プライが分離閾値を超える運動エネルギーから力を受けるときに指定されるパターンにわたって負荷を分散させることを含む。負荷を分散させることは、プライ及びマトリックス材料を塑性的に変形させること、及びより低い強度長部分で複数の繊維を分離すること、又はより低い弾性率長部分で複数の繊維を塑性的に延伸することを含む。負荷を分散させることはまた、複数の繊維が分離されているプライの中に間隙を形成すること、又は複数の繊維が塑性的に延伸されるプライにシヤ境界を形成することを含む。
【００５６】
本複合品において、追加の特性が実施されてもよい。例として、プライは第１のプライであり、複数の繊維は複数の第１の繊維であり、指定されたパターンは第１の指定されたパターンでありうる。したがって、複合品は、固有の破損歪みを有し、かつ第１のプライの複数の第１の繊維と実質的に平行にならないよう配向された複数の実質的に平行な第２の繊維を含む第２のプライを更に含みうる。マトリックス材料は更に、第２のプライを少なくとも部分的にカプセル化しうる。第２のプライは、複数のより低い強度長部分又は複数のより低い弾性率長部分を含みうる。複数のより低い強度長部分は、複数の第２の繊維の個々の第２の繊維に沿って分散され、かつ複数の第２の繊維の固有の破損歪みよりも小さい破損歪みを有しうる。複数のより低い弾性率長部分は、複数の第２の繊維の個々の第２の繊維に沿って分散され、かつ固有の弾性率よりも小さい弾性率を有しうる。より低い強度長部分又はより低い弾性率長部分の第２の指定されたパターンは、第２のプライにおいて特定された選択位置に分散されうる。したがって、方法は、第２のプライが分離閾値を超える運動エネルギーから力を受けるときに、第２の指定されたパターンにわたって負荷を分散させることを更に含みうる。分散は、第２のプライ及びマトリックス材料を塑性的に変形させること、及び複数の第２の繊維をより低い強度長部分で分離すること、又は複数の繊維をより低い弾性率長部分において塑性的に延伸することを含む。複数の第２の繊維が分離している第２のプライに間隙が生じるか、又は複数の繊維が塑性的に伸張しているプライにシヤ境界が生じる。第２の指定されたパターンは、第１の指定されたパターンと同一であっても異なっていてもよい。
【００５７】
別の例として、複数の繊維は、複数の第１の繊維であり、固有の破損歪みは、第１の固有の破損歪みでありうる。したがって、複合品は、第１の固有破損歪みとは異なる第２の固有破損歪みを有する複数の実質的に平行な第２の繊維を更に含むプライを更に含みうる。複数のより低い強度長部分は、複数の第２の繊維の個々の繊維に沿って更に分散されてもよい。
【００５８】
固有の破損歪みは、複数の繊維の個々の繊維について同一でありうる。マトリックス材料はまた、複数の繊維を少なくとも部分的に互いに接合し、接合繊維にすることができる。間隙は、接合繊維の長手方向にわたって分離し、間隙同士の間を延びる接合繊維の分離したセグメントを形成してもよい。固有の破損歪みは、分離したセグメント内の接合繊維の個々の繊維について同一でありうる。負荷の分散は、平行に分離されたセグメント同士の間、複合品のプライと他のプライとの間、又はその両方でマトリックス材料を剪断することを更に含みうる。
【００５９】
間隙は、繊維の長手方向に沿って分離し、より低い強度部分から分割されたリボンを形成しうる。したがって、負荷の分散は、分割されたリボンの周り、複合品のプライと他のプライとの間、又はその両方で、マトリックス材料を剪断することを更に含みうる。
【００６０】
複合品を提供することは、プライを形成する前又は後に、複数のより低い強度長部分を形成するために、複数の繊維の選択された長部分の破損歪みをそれらの固有の破損歪み未満まで低下させることを含みうる。次に、１つの選択肢として、破損歪みの減少は、プライを形成した後に、破損歪みがゼロとなり、より低い強度長部分の指定されたパターンに到達するように、選択された長部分を完全に切断することを含みうる。別の選択肢として、破損歪みを減少させることが、それらの破損歪みがゼロより大きいが、それらの固有の破壊歪みよりも小さくなり、より低い強度長部分の指定されたパターンに達するように、プライを形成する前又は後に、熱的、化学的、照射及び部分的な切断のプロセスの中から選択された少なくとも１つのプロセスによって選択された長部分を劣化させることを含みうる。
【００６１】
複合品では、プライは裏側プライであり、複合品は、前側プライと、前側プライを裏側プライから分離する接着力の低い領域とを更に含みうる。あるいは、複合品は、裏側プライの全体の破損歪みよりも低い全体の破損歪みを有する前側プライを更に含みうる。あるいは、接着力が低下した領域及び異なる全体的な破損歪みの両方が使用されてもよい。負荷分散は、運動エネルギーを有する物体を用いて負荷を加えること、及び物体が前側プライを通過した後にその物体を裏側プライで捕らえることを更に含みうる。
【００６２】
本方法で実施されうる追加の特性は、本明細書の他の実施形態で実施されてもよい。
【００６３】
別の実施形態では、運動エネルギー吸収性複合品は、複数の実質的に平行な繊維を含有するプライと、プライを少なくとも部分的にカプセル化するマトリックス材料とを含む。複数のより低い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散され、又はより低い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散される。複合品は、複数のより高い強度長部分又は複数のより高い弾性率長部分を含む。複数のより高い強度長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散され、個々の繊維のより高い強度長部分が、同一の繊維の２つのそれぞれのより低い強度長部分によって定義され、かつそれらの間を延び、より低い強度長部分は、より高い強度長部分の間で同一であるより高い強度長部分の破損歪みよりも小さい破損歪みを有する。複数のより高い弾性率長部分は、複数の繊維の個々の繊維ごとに沿って分散され、より高い弾性率長部分が、同一の繊維の２つのそれぞれのより低い弾性率長部分によって定義され、かつそれらの間を延び、より低い弾性率長部分は、より高い弾性率長部分の間で同一であるより高い弾性率長部分の弾性率よりも小さい弾性率を有する。より低い強度長部分の指定されたパターン、又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンは、プライ内で特定された選択位置に分散される。より高い強度長部分又はより高い弾性率長部分の対応する指定されたパターンは、より低い強度長部分又はより低い弾性率長部分の指定されたパターンによって定義される。
【００６４】
本複合品において、追加の特性が実施されてもよい。例として、より低い強度長部分は、複数の繊維において劣化を構成し、それらの破損歪みは、ゼロよりも大きいが、より高い強度長部分の破損歪みよりも小さいことがある。劣化は、熱的、化学的、照射、及び部分的切断の劣化から選択される少なくとも１つのプロセスを含みうる。
【００６５】
プライは第１のプライであり、複数の繊維は複数の第１の繊維でありうる。複合品は、第１のプライの複数の第１の繊維と実質的に平行ではないように配向された複数の実質的に平行な第２の繊維を含むことを除いて、第１のプライと同じ構造の第２のプライを更に含みうる。マトリックス材料は更に、第２のプライを少なくとも部分的にカプセル化しうる。
【００６６】
複数の繊維は複数の第１の繊維であり、複数のより高い強度長部分は複数の第１のより高い強度長部分でありうる。複合品は、複数の第１のより高い強度長部分の破損歪みと異なる破損歪みを有する複数の第２のより高い強度長部分を除き、複数の第１の繊維と同一構造かつその複数の第１の繊維と平行な複数の実質的に平行な第２の繊維を更に含む、プライを更に含みうる。
【００６７】
追加の手段として、プライは裏側プライであり、複合品は更に、前側プライと、前側プライを裏側プライから分離する接着力の低下した領域とを含みうる。あるいは、複合品は、裏側プライの全体の破損歪みよりも低い全体の破損歪みを有する前側プライを更に含みうる。あるいは、接着力が低下した領域及び異なる全体的な破損歪みの両方が使用されてもよい。
【００６８】
本複合品で実施されうる追加の特性は、本明細書の他の実施形態で実施されてもよい。
【００６９】
更なる実施形態では、運動エネルギー吸収性複合品は、複数の実質的に平行な繊維を含むプライと、プライを少なくとも部分的にカプセル化し、複数の繊維を少なくとも部分的に互いに接合して接合繊維にするマトリックス材料とを含む。接合繊維の第１のより低い強度長部分又は接合繊維の第１のより低い弾性率長部分は、プライで特定された第１の選択位置にある。接合繊維の第２のより低い強度長部分又は接合繊維の第２のより低い弾性率長部分は、プライで特定された第２の選択位置にあり、第１の位置から分離される。接合繊維のより高い強度長部分又は接合繊維のより高い弾性率長部分は、第１の位置から第２の位置まで延びる。より高い強度長部分は、第１及び第２のより低い強度長部分両方のそれぞれの破損歪みよりも大きい破損歪みを有し、又はより高い弾性率長部分は、第１及び第２のより低い弾性率長部分の両方のそれぞれの弾性率よりも大きい弾性率を有する。
【００７０】
本複合品において、追加の特性が実施されてもよい。例として、第１及び第２のより低い強度長部分は、接合繊維を完全に貫通する切れ目を構成し、それらの破損歪みはゼロであってもよい。その代わりに、第１及び第２のより低い強度長部分は、接合された繊維の劣化を構成し、それらの破損歪みは、ゼロより大きいが、より高い強度長部分の破損歪みより小さいことがある。
【００７１】
複合品は、運動エネルギーから分離閾値を超えるより高い強度長部分に力を加えることにより、プライ及びマトリックス材料を塑性的に変形させ、第１及び第２の位置の両方で繊維を分離し、より高い強度長部分を含む分離したセグメントを形成するように構成されうる。次いで、セグメントは、より高い強度長部分以上、かつより高い強度長部分と第１及び第２のより低い強度長部分とを組み合わせた長さ以下の長さを有する。そのような場合、分離は、第１の位置でプライに第１の間隙を、第２の位置でプライに第２の間隙を形成しうる。セグメントは、より高い強度長部分とプライの他の繊維との間、プライと複合品の他のプライとの間、又はその両方におけるマトリックス内のシヤによって更に画定されうる。
【００７２】
接合繊維は、プライ内で特定され、かつ第１及び第２の位置から分離された追加の選択された位置に一連の追加的なより低い強度長部分と、追加のより低い強度長部分の追加の位置によって画定される一連の追加的なより高い強度長部分とを含みうる。より低い強度長部分及び追加のより低い強度長部分の指定されたパターンは、プライ内で特定される選択された位置に分散されうる。より高い強度長部分及び追加のより高い強度長部分の対応する指定されたパターンは、より低い強度長部分及び追加のより低い強度長部分の指定されたパターンによって定義されうる。
【００７３】
この複合品は、運動エネルギーから分離閾値を超えるより高い強度長部分及び追加のより高い強度長部分への力の適用が、プライ及びマトリックスを塑性的に変形させ、第１及び第２の位置の両方でかつ追加の位置で繊維を分離し、より高い強度長部分及び追加のより高い強度長部分を含む一連の分離したセグメントを形成するように構成されうる。
条項１．  運動エネルギー吸収性複合品であって、
複数の実質的に平行な繊維（２２、２２ａ、２２ｂ）を含むプライ（２０、４０、７０）と、
プライを少なくとも部分的にカプセル化し、複数の繊維を少なくとも部分的に互いに接合して接合繊維にするマトリックス材料と、
プライ内で特定される選択された第１の位置における接合繊維の第１のより低い強度長部分（２４、２４ａ、２４ｂ、７４）又は接合繊維の第１のより低い弾性率長部分と、
プライ内で特定され、かつ第１の位置から分離される選択された第２の位置における接合繊維の第２のより低い強度長部分（２４、２４ａ、２４ｂ、７４）又は接合繊維の第２のより低い弾性率長部分と、
第１の位置から第２の位置まで延びる、接合繊維のより高い強度長部分（２６）又は接合繊維のより高い弾性率長部分とを含み、より高い強度長部分が第１及び第２のより低い強度長部分両方のそれぞれの破損歪みよりも大きい破損歪みを有し、又はより高い弾性率長部分が第１及び第２のより低い弾性率長部分両方のそれぞれの弾性率よりも大きい弾性率を有する、運動エネルギー吸収性複合品。
条項２．  第１及び第２のより低い強度長部分が、接合繊維を完全に貫通する切れ目を構成し、それらの破損歪みがゼロである、条項１に記載の複合品。
条項３．  第１及び第２のより低い強度長部分が、接合された繊維の劣化を構成し、それらの破損歪みは、ゼロより大きいが、より高い強度長部分の破損歪みよりも小さい、条項１に記載の複合品。
条項４．  複合品が、運動エネルギーから分離閾値を超えるより高い強度長部分に力を加えることにより、プライ及びマトリックス材料を塑性的に変形させ、第１及び第２の位置の両方で繊維を分離し、より高い強度長部分を含む分離したセグメント（３６、８６）を形成し、セグメントが次いで、より高い強度長部分以上、かつより高い強度長部分と第１及び第２のより低い強度長部分とを組み合わせた長さ以下の長さを有するように構成される、条項１に記載の複合品。
条項５．  接合繊維が、
プライ内で特定され、かつ第１及び第２の位置から分離される選択された追加の位置における一連の追加のより低い強度長部分（２４、２４ａ、２４ｂ、７４）と、
追加のより低い強度長部分の追加の位置によって画定される一連の追加的なより高い強度長部分と、
プライ内で特定される選択された位置に分散されたより低い強度長部分及び追加のより低い強度長部分の指定されたパターンと、
より低い強度長部分及び追加のより低い強度長部分の指定されたパターンによって定義された、より高い強度長部分及び追加のより高い強度長部分の対応する指定されたパターンと
を含む条項１に記載の複合品。
【００７４】
本複合品で実施されうる追加の特性は、本明細書の他の実施形態で実施されてもよい。
【００７５】
本発明者らは、個々の方法及び装置について本明細書に記載されている様々な選択肢が、相容れない場合を除いて、そのように限定されることを意図していないことを明確に意図する。本明細書の個々の方法の特性及び利点はまた、他に具体的に示されていなくても、本明細書に記載の装置及び他の方法と組み合わせて使用することもできる。同様に、本明細書の個々の装置の特性及び利点は、他に具体的に示されていなくても、本明細書に記載の方法及び他の装置と組み合わせて使用することもできる。
【００７６】
法令に従って、実施形態は、構造的及び方法論的特性に関して多かれ少なかれ特定の言語で説明されてきた。しかしながら、実施形態は、図示され説明された特定の特性に限定されないことを理解されたい。したがって、実施形態は、均等論に従って適切に解釈される添付の特許請求の範囲の適切な範囲内のそれらの任意の形態又は修正形態で特許請求される。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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