(57)【要約】      （修正有）【課題】構成要素である複合材構成要素の複合材の電気的特性を維持又は改善しながらも、重量が削減された導電性材料を有する複合材の提供。また、電気伝導性の複合材の製造方法、及び電気伝導性の複合材が配置されている構成要素の製造方法の提供。【解決手段】導電性ポリマーと、１又は複数の金属が配置されている繊維材料とを含有する組成物、さらに組成物が配置された構成要素、例えば乗り物構成要素、構成要素の製造方法を提供する。具体的には、金属コーティングされた繊維材料を酸化剤及びモノマーと接触させ、金属コーティングされた繊維材料及び導電性ポリマーを含有する第１の組成物を形成すること、並びに第１の組成物をポリマーマトリックス又は樹脂と接触させて、第２の組成物を形成することを含むものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性ポリマーと、
１又は複数の金属が配置されている繊維材料と、
を含有する、組成物。
【請求項２】
ポリマーマトリックス又は樹脂をさらに含有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
ポリマーマトリックス又は樹脂を、組成物の合計重量に対して約５０重量％から約９９重量％含有する、請求項２に記載の組成物。
【請求項４】
導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、又はこれらの混合物から選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
導電性ポリマー及び金属コーティングされた繊維を、組成物の合計重量に対して約１重量％から約２０重量％の充填量で含有する、請求項２に記載の組成物。
【請求項６】
金属が、ニッケル、チタン、パラジウム、鉄、コバルト、銅、アルミニウム、クロム、又はこれらの混合物から選択される、請求項５に記載の組成物。
【請求項７】
導電性ポリマーの、金属コーティングされた繊維に対する比が、約０．００２：１から約４：１である、請求項６に記載の組成物。
【請求項８】
繊維が、炭素、ナイロン、グラスファイバー、ポリアクリロニトリル、又はこれらの組み合わせから選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項９】
ポリマーマトリックス又は樹脂が、ポリウレタン、エポキシ、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、ゴム、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリアリールエーテルケトン、又はこれらの組み合わせから選択される、請求項２に記載の組成物。
【請求項１０】
ポリマーマトリックス又は樹脂が、エポキシである、請求項９に記載の組成物。
【請求項１１】
複合材である、請求項２に記載の組成物。
【請求項１２】
複合材が、構成要素に配置されており、複合材が、厚さで０．０１μｍ〜約１００μｍの厚さを有する、請求項１１に記載の組成物。
【請求項１３】
約０．１オーム／スクウェアから約２５メガオーム毎スクウェアの抵抗を有する、請求項１１に記載の組成物。
【請求項１４】
構成要素が、乗り物構成要素である、請求項１２に記載の組成物。
【請求項１５】
乗り物構成要素が、回転翼、着陸装置、補助電力ユニット、航空機の機首、燃料タンク、テールコーン、パネル、２つ以上のパネル間にあるコーティングされたラップジョイント、翼−胴体アセンブリ、構造的な航空機複合材、胴体−ボディ接合部、又は翼のリブ−外板接合部である、請求項１４に記載の組成物。
【請求項１６】
金属コーティングされた繊維材料を、酸化剤及びモノマーと接触させて、金属コーティングされた繊維材料及び導電性ポリマーを含有する第１の組成物を形成すること、並びに
第１の組成物を、ポリマーマトリックス又は樹脂と接触させて、第２の組成物を形成すること
を含む、構成要素の製造方法。
【請求項１７】
酸化剤が、鉄含有酸化剤、セリウム含有酸化剤、又はナトリウム含有酸化剤である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
酸化剤が、鉄−パラトルエンスルホネート、過マンガン酸鉄、硫酸鉄、二クロム酸鉄、硫酸セリウム（ＩＶ）、二クロム酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、又はこれらの混合物から選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１の組成物を、約４０℃から約８０℃の温度に加熱することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
第２の組成物を、約４０℃から約８０℃の温度に加熱することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の態様により、コーティングされた繊維を含有する組成物、該組成物が配置された金属基材、金属基材を有する乗り物構成要素、及び電気伝導性ポリマーが配置されている金属コーティング繊維材料の製造方法が提供される。
【背景技術】
【０００２】
乗り物、例えば宇宙航空用の乗り物は、かつてないほど高い複合材割合で設計及び作製されている。複合材は例えば、宇宙航空用途、例えば航空機の機体及び／又は外板（例えば、胴体、翼など）を形成する複合材パネルにおいて、様々な一次的及び二次的構造の構造体で使用され得る。複合材を使用することにより、航空宇宙用乗り物の様々な構成要素について強度を向上させることができ、またその耐用期間が長くなる。
【０００３】
複合材構成要素（例えば外板パネル）を有する航空宇宙用乗り物にとっては、落雷からの保護のため、及び／又は（存在する場合には）乗り物のアビオニクス及び電子工学と関連した外的な電磁干渉をさらに低減するために、さらなる材料を適用することが望ましいことがある。それにも拘わらず、このようなさらなる材料は、乗り物の重量を不所望にも増大させ、製造にかかる時間及びコストを増大させる。さらに、コンダクティビティが高い複合材構成要素を形成する場合、複合材構成要素の一部として大量の導電性材料が必要となる。
【０００４】
複合材構成要素の強度及び延性全般をさらに改善させるために、複合材の電気的特性を維持又は改善しながらも、重量が削減された導電性材料を有する複合材が必要とされている。電気伝導性の複合材の製造方法、及び電気伝導性の複合材が配置されている構成要素の製造方法も、必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、導電性ポリマーと、１又は複数の金属が配置されている繊維材料とを含有する組成物を提供する。
【０００６】
別の態様では、構成要素が、本開示の組成物を該構成要素の上に含む。構成要素は、金属を含むことができる。
【０００７】
別の態様では、構成要素の製造方法が、金属コーティングされた繊維材料を、酸化剤及びモノマーと接触させて、金属コーティングされた繊維材料及び導電性ポリマーを含有する第１の組成物を形成すること、並びに第１の組成物をポリマーマトリックス又は樹脂と接触させて、第２の組成物を形成することを含む。
【０００８】
先に簡潔に要約した本開示の上記特徴が詳細に、より具体的な開示の説明で理解されるように、幾つかの態様について言及するが、その一部は、添付図面に記載の通りである。しかしながら、添付図面は本開示の典型的な態様を説明するものに過ぎず、本開示の範囲を制限するものとみなされるべきではない。本開示は、その他の同等に効果的な態様についても主張されるものだからである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】１つの態様による乗り物構成要素を備える航空機である。
【図２】１つの態様による、本開示の組成物が配置された構成要素を製造する方法のフロー図である。
【図３】１つの態様による、金属コーティングされた繊維を、テンプレート重合により導電性ポリマーでコーティングする方法のフロー図である。
【図４】１つの態様による、本開示の組成物が配置された構成要素を製造する方法のフロー図である。
【図５】１つの態様に従って、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）スペクトルにより、ＰＥＤＯＴ−ＮｉＣＦのスペクトルと、ＮｉＣＦのスペクトルとを重ね合わせたものである。
【図６Ａ】１つの態様に従った、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）によるＮｉＣＦのスペクトルが、そのまま示されている。
【図６Ｂ】１つの態様による、ＮｉＣＦ−Ｆｅ−ＰＴＳＡのＥＤＳスペクトルである。
【図６Ｃ】１つの態様による、ＰＥＤＯＴ−ＮｉＣＦのＥＤＳスペクトルである。
【図７】１つの態様により、本開示の例について統計分析的に読み取った情報である。
【００１０】
理解を容易にするために、図面において共通する同一の要素を示すために、できる限り同じ参照番号を付した。１つの態様の要素及び特徴は、さらに言及せずとも、別の態様に有利に組み込み可能なことが、考慮される。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示の態様により、コーティングされた繊維、組成物が配置された金属基材、金属基材を有する乗り物構成要素、電気伝導性ポリマーが配置された金属コーティング繊維材料の製造方法が提供される。組成物は、導電性ポリマーと、金属コーティングされた繊維とを含有する。例えば、組成物は、導電性ポリマーと、金属コーティングされた繊維との接触生成物を含有することができる。少なくとも１つの態様では、導電性ポリマーが、金属コーティングされた繊維に配置されている。組成物はさらに、ポリマーマトリックス又は樹脂を含有することができる。本明細書で使用するように、「組成物」には、成分の混合物、１つ若しくは複数の反応生成物、及び／又は成分の１つ若しくは複数の接触生成物が含まれる。本開示はさらに、本開示の組成物が配置された金属基材をもたらす。本明細書で使用するように、金属基材には、純粋な金属基材、及び金属含有基材が含まれる。本開示の組成物の製造方法は、金属コーティングされた繊維を、導電性ポリマー又は１つ若しくは複数のモノマーと接触させて（例えばコーティングして）、導電性ポリマーを形成することを含む。本方法はさらに、金属コーティングされた繊維を導電性ポリマー又はモノマーと接触させる前に、金属コーティングされた繊維の表面を、酸化剤で酸化させることを含み得る。本開示の組成物及び方法により、電気的特性が改善された導電性材料、例えば導電性複合材が得られる。例えば、導電性ポリマー、金属コーティングされた繊維、及びポリマーマトリックス又は樹脂を含む本開示の組成物は、乗り物において導電性複合材シートとして使用できる。導電性複合材シートの量は、従来の複合材シートに比べてかなり削減可能であり、乗り物について重量が削減される。重量削減により、慣用の複合材シートに比して、剛性及び脆性を低下させることができる。
【００１２】
組成物
本開示の組成物は、導電性ポリマーと、金属コーティングされた繊維とを含有する。組成物はさらに、ポリマーマトリックス又は樹脂を含有することができる。
【００１３】
少なくとも１つの態様において、導電性ポリマーは、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリアセチレン（ＰＡＣ）、ポリ（ｐ−フェニルビニレン）（ＰＰＶ）、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリチオフェン、又はこれらの混合物から選択される。本開示の導電性ポリマーは、静電気拡散性のため、及び／又は落雷からの表面保護のためのコンダクタンスをもたらすことができる。例えば、本開示の導電性ポリマーは、電磁干渉（ＥＭＩ）遮蔽、放射線遮蔽、イオン化照射遮蔽、落雷からの保護、周囲環境からの保護、周囲環境からの絶縁、耐ひっかき性などを、本開示の組成物が配置された表面に、もたらすことができる。少なくとも１つの態様において、組成物は、導電性ポリマーと、金属コーティングされた繊維とを、組成物の合計重量に対して約１重量％から約３０重量％の充填量（loading）で、例えば約１重量％から約２０重量％、例えば５重量％〜約１５％、含有する。導電性ポリマー及び金属コーティングされた繊維についての本開示の％での充填量によって、複合材の電気的な特性を維持又は改善しながらも、複合材構成要素の強度及び延性全般が、金属コーティングされた繊維が無い組成物に比して、改善される。さらに、導電性ポリマー及び金属コーティングされた繊維についての本開示の％での充填量によって、金属コーティングされた繊維を備えないが、導電性が同じ（又は類似の）複合材に比して、複合材の重量全体が削減される。導電性ポリマーの、金属コーティングされた繊維に対する比は、約０．００２：１〜約４：１、例えば約０．００４：１〜約４：１、例えば約０．００２：１〜約２：１である。さらに、金属コーティングされた繊維は、アスペクト比（長さを直径で割ったもの）が、約１０〜約１００、例えば約５０〜約１００であり得る。より高いアスペクト比は、電気的特性を維持又は改善しながら、より低い％での充填率の値をもたらす。
【００１４】
本開示による金属コーティングされた繊維は、中性の金属コーティングされた繊維と、酸化された金属コーティング繊維とを含む。金属コーティングされた繊維の金属には、導電性ポリマーと接触させるために適切なあらゆる金属が含まれる。金属は、単体の金属、例えば中性又は酸化された単体金属、及び／又はその合金であり得る。少なくとも１つの態様では、金属が、ニッケル、チタン、パラジウム、鉄、コバルト、銅、アルミニウム、及びクロムから選択される。本開示の金属は、本開示の導電性ポリマーに加えて、静電気拡散性のため、及び／又は落雷からの表面保護のためのコンダクタンスをもたらすことができる。例えば、本開示の金属は、電磁干渉（ＥＭＩ）遮蔽、放射線遮蔽、イオン化照射遮蔽、落雷からの保護、周囲環境からの保護、周囲環境からの絶縁、耐ひっかき性などを、本開示の組成物が配置された表面に、もたらすことができる。少なくとも１つの態様において、金属コーティングされた繊維は、金属コーティングを、金属コーティングされた繊維の合計重量に対して約１５重量％〜約７０重量％、例えば約１５重量％〜約３０重量％、含有する。
【００１５】
繊維により、複合材の強度を向上させることができ、この繊維には、炭素（例えば炭素繊維、例えばHexcel（登録商標)Corporation社製の汎用のHexForce（登録商標）炭素繊維、又は東レ株式会社のTORAYCA（登録商標）炭素繊維）、金属化されたポリマー（例えば金属化されたポリマー繊維）、ナイロン（例えばナイロン繊維）、ポリエステル（例えばポリエステル繊維）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＰＥＫ）（例えばＰＥＥＫ繊維）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）（例えばＰＥＫＫ繊維）、グラスファイバー（例えばグラスファイバー繊維）、金属メッシュ又は箔（例えば銅箔のエキスパンドメタル）、ポリアクリロニトリツ（ＰＡＮ）（例えばＰＡＮ繊維）、エレクトロスパンＰＡＮナノ繊維、高密度湿式紡糸カーボンナノチューブのスレッド、グラスファイバー（例えばＥガラス、Ｓガラス）、アラミド繊維（例えばケブラー）、フルオロポリマー繊維（例えば超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、テフロンなど）、炭化ケイ素（例えば炭化ケイ素繊維）、アルミナ（例えばアルミナ繊維）、ホウ素（例えばホウ素繊維、例えばSpecialty Materials（登録商標）製のホウ素繊）、麻（例えば麻繊維）、石英（例えば石英繊維）、セラミック（例えばセラミック繊維）、バサルト（例えばバサルト繊維）、及びこれらの組み合わせ又はハイブリッド（例えばHexcel（登録商標）Corporation製のハイブリッド型強化繊維Hexcel HexForce（登録商標））が含まれる。
【００１６】
前述のように、本開示の組成物はさらに、ポリマーマトリックス又は樹脂を含有することができる。ポリマーマトリックス／樹脂によって、本開示の組成物にさらなる強度がもたらされる。マトリックス材料によって例えば、繊維強化シートとナノ材料複合材シートをともに結合及び保持して連続的な固体状にするための媒体をもたらすことができる。少なくとも１つの態様において、ポリマーマトリックス／樹脂は、ポリウレタン、エポキシ（例えばニュージーランド国、Woodland Park在のCytec Industries, Inc.製のCycom（登録商標)977-3エポキシ樹脂）、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、又はゴムから選択される。本開示のポリマーマトリックス樹脂は、熱硬化性ポリマー又は熱可塑性ポリマーのうち少なくとも１つを含むことができる。少なくとも１つの態様において、ポリマーマトリックス／樹脂は、ポリウレタン、エポキシ、ビスマレイミド、ポリイミド、又はポリアリールエーテルケトンのうち少なくとも１つである。エポキシは、構成要素、例えば乗り物構成要素、例えば航空機構成要素において耐久性コーティングをもたらすことができる熱硬化性樹脂である。ビスマレイミド樹脂は、エポキシに似た望ましい変形性及び機械的特性を有し、エポキシよりも高温で取り扱うことができる。ポリアリールエーテルケトンは、構成要素に本開示の組成物の接着性をもたらすことができるとともに、構成要素が乗り物構成要素である場合には、乗り物がさらされる化学的、熱的、及び物理的な条件にも耐えられる熱硬化性樹脂である。ポリイミドは、熱硬化性ポリマーよりも高い破断ひずみを有する。なぜならば、熱可塑性ポリマーは、塑性変形に耐え得るからである。少なくとも１つの態様において、組成物は、ポリマーマトリックス又は樹脂を、組成物の合計重量に対して約１重量％から約９９重量％、例えば約５０重量％から約９５重量％、例えば８０重量％から約９５％、含有する。
【００１７】
本開示の組成物はさらに、誘電担体材料を含有することができる。誘電担体材料は、ＵＨＭＷＰＥ、フルオロポリマー、ポリイミド、又はこれらの組み合わせであり得る。誘電担体材料により、落雷を表面に保つ際に、さらなる利点が幾つかもたらされ、電流が下層にある複合材構造へと流れるのを防止する。
【００１８】
少なくとも１つの態様では、基材が構成要素、例えば乗り物構成要素と、構成要素上に配置された、本開示による１つ若しくは複数の組成物とを備える。構成要素に（例えば層として）配置された組成物は、厚さ約０．０１μｍ〜約１００μｍ、例えば約１μｍ〜約５０μｍ、例えば約２μｍ〜約２０μｍ、例えば約１０μｍで適用される。組成物の厚さが増加することにより、抵抗が増大するが、組成物に重量も加わる。本開示の組成物によって、電気的特性と重量全般との間で良好なバランスをもたすことができる。少なくとも１つの態様では、組成物の抵抗は、約０．１Ω毎スクウェア（Ω／□）〜約２５メガΩ毎スクウェア（ＭΩ／□）、例えば約０．５Ω毎スクウェア〜約１５メガΩ毎スクウェア、例えば約１Ω毎スクウェア〜約１０メガΩ毎スクウェア、例えば約２Ω毎スクウェア〜約５メガΩ毎スクウェア、例えば約３Ω毎スクウェアである。コンダクティビティにより、静電気拡散性がもたらされる。
【００１９】
抵抗
抵抗の測定は、電極と測定装置（例えばKeithley 4200 SCS）とのあらゆる適切なセットを用いて、行うことができる。抵抗測定は、ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法により行うことができる。四端子測定法では、平行なソースと、試料表面にわたって電流及び電圧をそれぞれ感知した測定値が用いられる。電流極性と電圧極性は、二極性を試験するために各接合部にわたり切り替えられる。試料の形状は、一定に保つのが望ましく、これによって試料を直接比較することができる。電荷方向性における差異を考慮するため、電流及び電圧の測定は、各配置構成にわたり回転させる（表１参照）。
表１．抵抗測定のための電極配置構成
2020033542.tif 000002
【００２０】
Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法による抵抗測定は、２つの隣接する電極にわたり電流を流し、電極の平行な配置構成における試料にわたる電圧低下を感知することによって行われる。
【００２１】
シート抵抗は、測定された組成についてＶの、Ｉに対する比から算出できる。厳密に等方性の抵抗を示す試料の場合、ＲＡ＝ＲＢ＝ＲＣ＝ＲＤである。等方性抵抗の場合、例えばＲＡ＝ＲＢの場合、シート抵抗は、測定した２つの抵抗の平均により決定される（以下の等式１参照）。異方性の抵抗を有する（ｘ方向及びｙ方向で異なる抵抗を示す）試料については、シート抵抗の算出がより複雑になるが、これについては後続の段落で述べることにする。ＲＡ≠ＲＣであり、かつＲＢ≠ＲＤである場合の全ての試料については、測定が無効である。等式２は、組成物の厚さｄが既知の場合（抵抗は通常、Ω・ｃｍで表示されるため、ｄはｃｍで用いる）、バルク抵抗ρをどのように決定するかを示しており、この等式は本来のＶａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ定理から導き出される。バルク抵抗ρは、電気伝導率σ（Ｓ・ｃｍ−１）を算出するために使用することができ、これは反比例である（等式２）。
等式１
2020033542.tif 000003
等式２
2020033542.tif 000004
【００２２】
ＲＡ≠ＲＢの場合には、Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ等式から電気伝導率の値を求めることが、より困難になる。電気伝導率が等方性でない場合、電気伝導率は、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向を有するテンソル値になる。非常に薄い組成物の場合、正確な電気伝導率の値は、直交する電気伝導率測定値の積について平方根を取ることにより得られる（下記等式３参照）。この計算は、電気伝導率のテンソル軸と揃えて方向を測定した場合にのみ、真となる。この技法により測定された２つの抵抗のうち大きい方が、最小の電気伝導率テンソルに厳密に沿っているとともに、抵抗測定値のうち小さい方が、最大の電気伝導率テンソルに厳密に沿っていると、仮定される。電気伝導率テンソルと、電極／試料の方向とが揃っていない場合、不正確な電気伝導率が測定されることになる。
等式３
2020033542.tif 000005
【００２３】
ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ測定チップについては、番号が測定の軸に対応し、シグマＸという記載（σＡ、σＢ及びσＣ）は、電気伝導率テンソル方向を表す。試料の軸とテンソル軸が一致していない場合、測定された電気伝導率は不正確となる。ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法プリント電極（Keithley 4200 SCS付き）により、試料を測定するために適したデバイス試験台が得られる。
【００２４】
測定時の湿度による作用を制御する方策として、Dropsensの既製電極で正確にｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ測定を行うために、小さな試料ステーションを使用して、これをKeithley 4200 SCSにのみ接続してもよい。
【００２５】
複合材
少なくとも１つの例において、本開示の組成物は、ポリマーマトリックス／樹脂を含有するとともに複合材であり、これについては以下でより詳細に説明する。複合材は、本来的な性質が異なる少なくとも２つの相分離構成要素を有する固体材料である。複合材は例えば、一緒に混合された（例えば織られた）本開示による繊維の三次元構造であってよく、単方向のテープであってよく、又は材料の単一のプライ（ply）であり得る。複合材は、マット、トウ、積層材（層状構造若しくはプライ）、組みひも、又はフィラメントから選択される複合材構造を有することができる。複合材によって、コンダクティビティが多方向で改善され、引張特性及び衝撃強さが均一になり、電気的な均一性が向上する（単方向繊維と比較して）。
【００２６】
金属基材
少なくとも１つの態様では、金属基材が、該金属基材の上に配置された本開示の組成物を備える。金属基材には、鋼、アルミニウム、チタン、マグネシウム、タンタル、銅、及びこれらの合金が含まれる。組成物は、（直接又は間接的に）金属基材上に配置できる。（金属基材上に配置された）組成物は、約１ミクロン〜約１ミリメーターの厚さ、例えば約１ミクロンから約１００ミクロンの厚さ、例えば約１ミクロンから約１０ミクロンの厚さを有することができる。基材上に配置された本開示による組成物の厚さは、コーティングされた基材の重量を著しく増加させないほど薄くてもよいが、それにも拘わらず、その他の利点（例えば基材腐食からの保護）を得るために相応しい量の組成物を提供することができる。金属基材は、乗り物構成要素であるか、若しくはこれを形成していてよく、又は乗り物構成要素の構成要素であるか、若しくはこれを形成していてよい。乗り物構成要素は、乗り物の構成要素であり、例えば航空機の構造的構成要素、例えば１つ若しくは複数の着陸装置、パネル又はジョイントである。乗り物構成要素の例には、回転翼、着陸装置、補助電力ユニット、航空機の機首、燃料タンク、テールコーン、パネル、２つ以上のパネル間にあるコーティングされたラップジョイント、翼−胴体アセンブリ、構造的な航空機複合材、胴体−ボディ接合部、翼のリブ−外板接合部及び／又はその他の内部構成要素が含まれる。
【００２７】
図１は、本開示の少なくとも１つの態様による乗り物構成要素を備える航空機である。図１に示したように、航空機１００は、航空機構造１０２を備え、この航空機構造には、乗り物構成要素、例えば細長い胴体１０４、胴体１０４から横方向に延びる翼１０６、及び胴体１０４から縦方向に延びる尾翼１０８が含まれる。本開示の組成物は、これらの航空機構成要素の１又は複数の表面上に配置することができ、これによって表面上に組成物を備える１又は複数の航空機構成要素が形成される。
【００２８】
或いは、本開示の組成物は、例えば、風力タービン、衛星、その他の乗り物、例えば車、船舶などの１又は複数の構成要素上に配置することができる。
【００２９】
繊維の組成
少なくとも１つの態様において、本開示の組成物の（金属コーティングされた繊維の）繊維には、炭素繊維、例えばグラフェン、黒鉛、及びカーボンナノチューブが含まれ得る。カーボンファイバーにより、軽量でありながらも強い繊維材料が得られる。図２は、本開示の組成物が配置された構成要素、例えば乗り物構成要素を製造するための方法２００のフロー図である。例えば黒鉛は、ポリアクリロニトリル繊維から製造することができる。ブロック２０２に示したように、方法２００は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ポリマーを湿式紡糸又は乾式紡糸することによって、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）（アクリルテキスタイル繊維）を製造することを含む。乾式紡糸法では丸くて平滑な繊維が得られるのに対して、湿式紡糸法（凝固浴への押出）では、様々な「非円形」断面を有するものが得られ、これには、犬用の骨型、楕円形、及びインゲンマメ型の断面が含まれる。これらの非円形断面によって、相対的な表面積が大きくなり、効果的な結合が改善される。こうした繊維は、紡糸プロセスの間に伸びることができる。伸びが大きいほど、繊維の直径は小さくなり、また繊維軸に沿った分子鎖の好ましい配向性が高くなり、加工に際してより剛性が高い炭素繊維が生じる。ＰＡＮ繊維トウは、約１０３本の繊維〜約１０５本の繊維、例えば約１０４本の繊維を含むことができる。炭素繊維（例えば黒鉛）を形成するためには、ＰＡＮをまず、空気中で酸化により約２５０℃で安定化させる。この時点でＰＡＮは、より高温での溶融に耐えるために充分なガラス転移温度（Ｔｇ）を有する。繊維が酸化の間に縮むのを防止するため、このような繊維は、安定化の間、張力をかけた状態に保ち、これにより生じる変形を通じて、はしご構造をさらに繊維軸と揃える。それから材料を、不活性雰囲気、例えば不活性ガス、例えば窒素の中で、約１２００℃〜１６００℃の温度で炭化する。この熱処理が進むにつれて、芳香族ベンゼン環が結合して、多核芳香族フラグメント（例えばよりグラフェンに近い構造）が形成される。芳香族網目構造は徐々に、ほとんどが炭素原子へと変形し、架橋によってより密になり、繊維における通気孔を通じてＮ２が発生する。熱処理を１５００〜１６００℃で行うと、繊維の引張力は、約２４０ＧＰａのヤング弾性率の中間値について１．５％上回る。
【００３０】
より高い弾性率が望ましい場合（これによって繊維の強度と引張力は低下することになる）、繊維は、熱処理の最終的な黒鉛化段階にかけることができる。ブロック２０４に示したように、方法２００は、繊維を炉（例えば黒鉛化用の炉）に導入すること、及びこの炉を約２，０００℃〜約２，７００℃の温度、例えば約２５００℃の温度に加熱することを含む。黒鉛化熱処理は、不活性雰囲気、例えば不活性ガス、例えばアルゴン中で行うことができ、これによって繊維における欠陥の形成が低減又は防止される。このプロセスの間、芳香族炭素の基底面層が成長し、隣接層同士がさらに融合して黒鉛形状を有する繊維になることによって、繊維の平面配向性が増大し、こうして弾性モジュラスは、この黒鉛化熱処理を経ていない繊維材料と比較して高くなる（例えば約３００ＧＰａ〜約４００ＧＰａ、例えば約３８０ＧＰａ）。このような繊維（例えば炭素繊維）は、フィラメント直径が約１μｍ〜約２０μｍ、例えば約８μｍであってよく、また約２×１０４本のフィラメント〜約３×１０４本のフィラメント、例えば２．５×１０４本のフィラメントを有するタウ（フィラメントの束）を形成することができる。本開示の繊維（例えば炭素繊維）は、厚さが約１μｍ〜約１ｍｍ、例えば約１μｍ〜約１０μｍであってよく、密度が約０．５ｇ／ｃｍ３〜約１ｇ／ｃｍ３、例えば約０．７ｇ／ｃｍ３であってよい。
【００３１】
前述のように、本開示の繊維は、金属コーティングされた繊維である。ブロック２０６に示したように、方法２００は、繊維を金属でコーティングすることを含む。金属は、あらゆる適切な金属堆積法により、本開示の繊維上に配置させることができる。少なくとも１つの態様において、金属は、浸漬、化学蒸着又はめっき（例えば無電解めっき）によって、繊維上に配置される。金属コーティングは、０．５ミクロン〜約２０ミリメーターの厚さ、例えば約０．５ミクロンから１００ミクロンの厚さ、例えば１ミクロンから５ミクロンの厚さを有することができる。
【００３２】
少なくとも１つの例では、金属が、自己触媒型（無電解）めっき（電流を印加せずに堆積させるめっきプロセス）によって繊維上に堆積される。このプロセスは、化学反応であり、自己触媒式である。堆積速度は通常、１２．５μｍ〜２５μｍである。最大で厚さ６５０μｍまで行われることもあるが、堆積速度が遅いため、コーティングは通常、実際には５０μｍ未満である。電界が存在しないため、無電解めっきの厚さは、電界めっきに比べて均一になる傾向がある。例えばニッケル及び銅を、無電解めっきで使用することができる。ニッケルの場合、堆積物は密で、比較的硬く（４３〜５５ＨＲＣ、３４３℃で２時間後にはおよそ６５ＨＲＣに上昇）、そして脆い。
【００３３】
金属コーティングされた繊維のコーティング
ブロック２０８に示したように、方法２００は、金属コーティングされた繊維を、導電性ポリマーでコーティングすることを含む。繊維のコーティングには、テンプレート重合コーティング法、又はポリマーコーティング法が含まれ得る。
【００３４】
テンプレート重合コーティング：
導電性ポリマーを金属コーティングされた繊維と混合しようとする場合、従来は、コーティングされた繊維を余剰な導電性ポリマー（例えば、金属コーティングされた繊維の近くに配置されなかった導電性ポリマー）から分離することが困難であった。しかしながら、テンプレート重合コーティング法では、金属コーティングされた繊維の存在下でモノマーを重合させて、金属コーティングされた繊維の上に配置されたポリマーを、その場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）形成する。
【００３５】
図３は、金属コーティングされた繊維を、テンプレート重合により導電性ポリマーでコーティングする方法３００を説明するフロー図である。図３に示したように、方法３００は、金属コーティングされた繊維材料を、酸化剤及びモノマーと接触させて、金属コーティングされた繊維材料及び導電性ポリマーを含有する第１の組成物を形成すること３０２を含む。方法３００は、第１の組成物をポリマーマトリックス又は樹脂と接触させて、第２の組成物を形成すること３０４を含む。
【００３６】
少なくとも１つの態様において、金属コーティングされた繊維の表面は、モノマー重合の間、又はその前に、酸化剤によって酸化されている。モノマーの重合により、金属コーティングされた繊維の表面（例えば酸化された表面）に配置されたポリマーが、形成される。酸化剤は、中性の金属又は合金の表面を酸化可能なあらゆる適切な酸化剤であり得る。酸化剤には、鉄含有酸化剤、セリウム含有酸化剤、又はナトリウム含有酸化剤が含まれ得る。使用する酸化剤は、酸化力の強さに基づき選択することができる。例えば、鉄含有酸化剤は通常、金属表面に対して、ナトリウム含有酸化剤よりも強力なオキシダントである。より強力な酸化剤によって、比較的弱い酸化剤よりも、金属表面を迅速に酸化させることができるが（例えば浸漬及びすすぎ）、強い酸化剤に長くさらし過ぎることによって、金属を酸化させ過ぎないように注意する必要がある。少なくとも１つの態様において、鉄含有酸化剤は、鉄−パラ−トルエンスルホネート（Ｆｅ（ＩＩＩ）−（ＰＴＳＡ）３）、過マンガン酸鉄（Ｆｅ（ＩＩＩ）−（ＭｎＯ４−）３）、硝酸第二鉄、硫酸鉄（Ｆｅ（ＩＩＩ）２（ＳＯ４）３）、二クロム酸鉄（Ｆｅ（ＩＩＩ）２（ＣｒＯ４）３）又はこれらの混合物から選択される。少なくとも１つの態様において、セリウム含有酸化剤は、硫酸セリウム（ＩＶ）、硝酸アンモニウムセリウム（ＩＶ）、又はこれらの混合物から選択される。少なくとも１つの態様において、ナトリウム含有酸化剤は、二クロム酸ナトリウム（Ｎａ２Ｃｒ２Ｏ７）、ＮａＯＣｌ（漂白剤）、塩素酸ナトリウム、亜塩素酸ナトリウム、ナトリウムジクロロヨーデイト、亜硝酸ナトリウム、過ホウ酸ナトリウム、過炭酸ナトリウム、過ヨウ素酸ナトリウム、ペルオキシ二硫酸ナトリウム、又はこれらの混合物から選択される。
【００３７】
少なくとも１つの態様において、酸化剤は、カリウム含有酸化剤である。カリウム含有酸化剤は、フェリシアン化カリウム、過マンガン酸カリウム、ペルオキシ二硫酸カリウム、ペルオキシ一硫酸カリウム、又はこれらの混合物から選択することができる。
【００３８】
酸化剤は、過硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８）であり得る。その他の酸化剤の例には、ベンゾイルペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルヒドロペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルヒポクロライト、ｔｅｒｔ−ブチルナイトライト、四臭化炭素、クロロアミン−Ｔ、クロラニル、クロロメチル−４−フルオロ−１，４−ジアゾニアビシクロ［２．２．２］オクタン  ビス（テトラフルオロボレート）、３−クロロペルオキシ安息香酸、三酸化クロム、過酸化水素、過酸化水素尿素付加物、ヨウ素（Ｉ２）、酸化マンガン（ＩＶ）、四酸化オスミウム、オキソン、オゾン、過酢酸、過ヨウ素酸、過酸、ｔｅｒｔ−ブチルヒドロペルオキシド、五酸化バナジウム、ｔｅｒｔ−ブチルヒポクロライト、又はこれらの混合物が含まれる。
【００３９】
酸化剤を金属コーティングされた繊維と接触させて、酸化された金属コーティング繊維を形成することができる。酸化剤を金属コーティングされた繊維と接触させる前に、酸化剤又は金属コーティングされた繊維を、溶媒、例えばイソプロピルアルコール又はアセトニトリルに入れることができる。少なくとも１つの態様では、溶媒中の酸化剤の濃度が、約１ｗ／ｗ〜約５０ｗ／ｗ、例えば約５ｗ／ｗ〜約２５ｗ／ｗ、例えば約７％ｗ／ｗ〜約１２％ｗ／ｗ、例えば約８％ｗ／ｗである。酸化された金属コーティング繊維を形成するために、金属コーティングされた繊維が、溶液に含まれていてよい。溶媒／溶液中における金属コーティングされた繊維の濃度は、約１ｗ／ｗ〜約５０ｗ／ｗ、例えば約５ｗ／ｗ〜約２５ｗ／ｗ、例えば約１０％ｗ／ｗ〜約２０％ｗ／ｗ、例えば約１５％ｗ／ｗであり得る。酸化剤の溶液と金属コーティングされた繊維とは混合され、任意選択的に加熱される。加熱は、約２０℃〜約１５０℃の温度、例えば約４０℃〜約８０℃の温度、例えば約６０℃の温度で行うことができる。混合は、約１時間〜約７２時間、例えば約１２時間〜約４８時間、例えば約２０時間〜約３０時間にわたり、例えば約２４時間、行うことができる。酸化された金属コーティング繊維は、溶液から析出させることができ、ろ過及び乾燥させることができる。
【００４０】
或いは、酸化された金属コーティング繊維は、酸化剤を金属コーティングされた繊維と接触させて接触生成物（例えば混合物）を形成し、この接触生成物をローラミリングすることによって、形成することができる。ローラミリングは、約１時間〜約７２時間、例えば約１０時間〜約３６時間、例えば約２４時間、行うことができる。酸化剤を金属コーティングされた繊維と接触させる前に、酸化剤又は金属コーティングされた繊維を、溶媒、例えばイソプロピルアルコール又はアセトニトリルに入れることができる。少なくとも１つの態様では、溶媒中の酸化剤の濃度が、約１ｗ／ｗ〜約５０ｗ／ｗ、例えば約５ｗ／ｗ〜約２５ｗ／ｗ、例えば約７％ｗ／ｗ〜約１２％ｗ／ｗ、例えば約８％ｗ／ｗである。酸化された金属コーティング繊維を形成するために、金属コーティングされた繊維が、溶液に含まれていてよい。溶媒／溶液中における金属コーティングされた繊維の濃度は、約１ｗ／ｗ〜約５０ｗ／ｗ、例えば約５ｗ／ｗ〜約２５ｗ／ｗ、例えば約１０％ｗ／ｗ〜約２０％ｗ／ｗ、例えば約１５％ｗ／ｗであり得る。
【００４１】
酸化された金属コーティング繊維をモノマーと接触させて、ポリマーが配置された金属コーティング繊維を含有する組成物が形成される。少なくとも１つの態様において、モノマーは、３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）（重合するとポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェンが形成される）、アニリン（重合するとポリアニリンが形成される）、ピロール（重合するとポリピロールが形成される）、及びこれらの誘導体又は混合物である。モノマーは、酸化された金属コーティング繊維をモノマーと接触させる前に、溶媒、例えば酢酸ブチルに入れることができる。酸化された金属コーティング繊維は、モノマーの溶液に入れることができる。溶液は混合してもよく、任意選択的に加熱してもよい。混合は、約１分〜約２４時間、例えば１０分〜約６時間、例えば約１時間〜約３時間、例えば約２時間、行うことができる。加熱は、約２０℃〜約１５０℃の温度、例えば約４０℃〜約８０℃の温度、例えば約６０℃の温度で行うことができる。ポリマーが配置された金属コーティング繊維は、溶液から析出させることができ、ろ過及び乾燥させることができる（例えば真空下で熱により、例えば約６０℃で）。或いは、この溶液は、ローラミリングしてもよく、任意選択的に加熱してもよい。ローラミリングは、約１分〜約７２時間、例えば６時間〜約３６時間、例えば約１０時間〜約２４時間、例えば約１９時間、行うことができる。加熱は、約２０℃〜約１５０℃の温度、例えば約４０℃〜約８０℃の温度、例えば約６０℃の温度で行うことができる。ポリマーが配置された金属コーティング繊維は、乾燥させることができる（例えば真空下で熱により、例えば約６０℃で）。
【００４２】
ポリマーコーティング法：
ポリマーコーティング法では、ポリマーを金属コーティングされた繊維（中性又は酸化されていてよい）と、モノマーを使用せずに接触させて、金属コーティングされた繊維上にポリマーを形成する。導電性ポリマーを金属コーティングされた繊維と混合する場合には、コーティングされた繊維を余剰な導電性ポリマー（例えば、金属コーティングされた繊維の近くに配置されなかった導電性ポリマー）から分離することが困難であるが、幾つかの導電性ポリマー、例えばポリアニリン及びＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ（ＰＳＳ＝ポリスチレンスルホネート）は、本開示のポリマーコーティング法により、金属コーティングされた繊維上に配置可能なことが判明した。
【００４３】
ポリマーコーティングは、導電性ポリマーを金属コーティングされた繊維と接触させて、ポリマーが配置された金属コーティング繊維を形成することを含む。ポリマーコーティングは、導電性ポリマー又は金属コーティング繊維を溶媒、例えば水、イソプロピルアルコール、アセトニトリル、又は酢酸ブチルに入れて、溶液を形成することを含む。それから、導電性ポリマー又は金属コーティングされた繊維を溶液に入れて、混合する。少なくとも１つの態様において、混合は、導電性ポリマーと金属コーティングされた繊維とを含む溶液を超音波処理にかけることを含む。混合は、約３０秒〜約７２時間、例えば約１分〜約１時間、例えば約１分〜約３０分間、例えば約１分〜約１０分間、例えば約５分間、行うことができる。それから、溶媒を蒸発させ、ポリマーが配置された金属コーティングされた繊維を、任意選択的に加熱によって（例えば約７０℃の温度で）、乾燥させる。
【００４４】
繊維複合材の組成
ブロック２１０において、方法２００は、（ポリマー＋金属）コーティングされた繊維を、繊維含有複合材の中に配することを含む。（或いは、金属コーティングされた繊維は、導電性ポリマーコーティング法を行う前に、複合材に配されている）。複合材は複合材構造として、マット、トウ、積層材（層状構造又はプライ）、組みひも又はフィラメントを有する。硬化後の生成物形態で所望の強度及び剛性をもたらすため、複合材には、乗り物構成要素の製造の間に、１又は複数の方向に配向された充分な濃度の繊維を配することができる。繊維トウは、織られて布地となっていてよく、例えば平織又はサテン織の布であり得る。平面的な充填（in-plain loading）のためには、積層構造又は合板構造が使用され、これには、単方向若しくは二方向の配向繊維の層又は積み重ね物が含まれる。或いは、繊維は１又は複数のテキスタイル技術、例えば織り、ブレード織り、又はフィラメントワインディングによって配される。
【００４５】
よって、繊維について所望の機械的特性を得るために、積層材における繊維層又はパイルは、０°の当初充填方向に対して約０°〜約９０°の角度で配される。少なくとも１つの態様において、繊維マットは、０°配向性と、±４５°配向性と、９０°配向性との組み合わせを有し、これによって硬化後、また使用時に負荷がかかった際、構成要素のひずみが減少又は防止される。積層材は、剛性が非常に高く、（平面的に）０°の繊維濃度が最も高い方向で非常に強く、積層材は、直交異方性であると言われる。
【００４６】
プライの構成が、０°±６０°又は０°±４５°、及び９０°で等しい数のパイルで作製されている場合、平面的な機械的特性は、充填方向によってはそれほど変わらず、この場合に複合材は、疑似等方性であると言われる。疑似等方性の構成は、応力集中係数が等方性材料に似ているため、局所的な応力が高いところ、例えば機械的な接合部でも使用される。
【００４７】
少なくとも１つの態様では、繊維複合材が、１又は複数のさらなる繊維／複合材とともに織られている。さらなる繊維には、グラスファイバー又はアラミド繊維が含まれる。少なくとも１つの態様において、１又は複数のさらなる繊維は、０°又は経糸方向（巻取方向）で、又は９０°（横糸）方向で織られている。
【００４８】
少なくとも１つの態様では、繊維がカールする（波打つ）のを避けるために、繊維複合材を形成することが、織りの間に編み糸によって、炭素繊維を静止位置に保持することを含む。これらの非カール布地は、０°、９０°及び／又は±４５°配向した繊維を、あらゆる所望の割合で含むことができる。繊維の波打ちが減少又は排除されるため、非カール布地に基づく複合材は、織られた材料に基づく複合材に比して、圧縮強度が著しく改善される。張力及び圧縮の双方における剛性も、織られた材料に基づく複合材に比して約１０％、向上する。
【００４９】
複合材及び構成要素の組成
ブロック２１２において、方法２００は、第１の組成物（例えば繊維複合材）をポリマーマトリックス／樹脂と組み合わせて、第２の組成物を形成することを含む。第１の組成物は、金属コーティングされた繊維を含有し、この繊維には、ポリマーが配置されている。組み合わせることは、本開示の繊維複合材を液状ポリマーマトリックス／樹脂に含浸させ、それからこのポリマーマトリックス／樹脂を（例えば加熱又は冷却により）硬化／固化させて、連続的な固体マトリックスを形成することを含む。例えば、熱硬化性ポリマーは、加熱によって硬化させるか、又は熱可塑性樹脂は、冷却によって結晶化させる。或いは、１種の繊維又は繊維の複合材（例えば繊維トウ、又は整列繊維のシート）を、固体のポリマーマトリックス／樹脂又はポリマーマトリックス／樹脂前駆体によりコーティングするか、又はこれと混合し、第２の組成物は、熱及び圧力下でコーティングとともに流す（そして必要であれば硬化する）ことによって形成される。
【００５０】
少なくとも１つの態様では、ポリマーが、熱硬化性ポリマー又は熱可塑性ポリマーである。熱硬化性ポリマーは、架橋によって硬化する長鎖分子であり、容易には溶融又は再成形されない三次元網目構造を形成する。このようなポリマーによって、比較的低温及び低圧で複合材を作製することができる。こうしたポリマーは、（起こるのであれば）重合及び架橋の前に、低粘度段階を経るからである。少なくとも１つの態様において、ポリマーマトリックス樹脂は、エポキシ、ビスマレイミド、又は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若しくはポリエーテルケトン）のうち少なくとも１つである。
【００５１】
エポキシは、例えば航空機用コーティング、及び機械的な特性が重要となり得るその他の用途に使用するために充分な機械的特性を有し、収縮が少なく、繊維と適度な接合を形成する。エポキシは、硬化の間に低粘度段階を経るので、液状樹脂成型技術、例えば樹脂トランスファー成形が使用できる。１２０℃及び１８０℃で硬化するエポキシ含有組成物は、約１００〜約１５０℃の最大使用温度を有することができる。
【００５２】
ビスマレイミド樹脂は、エポキシに似た望ましい変形性及び機械的特性を有し、エポキシよりも高温で取り扱うことができる。約２００℃で硬化するビスマレイミド含有組成物は、１８０℃を超える最大使用温度を有することがある。
【００５３】
本開示のポリマーマトリックス／樹脂は、熱可塑性ポリマーであり得る。熱可塑性ポリマーは、溶融及び再成形が可能な直鎖（架橋されていない）ポリマーである。航空機用コーティングとして使用するための高性能熱可塑性樹脂には、ポリマー、例えばポリエーテルエーテルケトン（最大約１２０℃で硬化可能）、ポリエーテルケトン（約１４５℃で硬化可能）、及びポリイミド（最大約２７０℃で硬化可能）が含まれる。熱可塑性ポリマーは、熱硬化性ポリマーよりも高い破断歪を有するとともに、塑性変形に耐え得るので、有利である。
【００５４】
熱可塑性ポリマーは重合させるのが容易なため、溶融させると、非常に粘度の高い液体を形成することができる。作製技術は、樹脂フィルム（又は樹脂繊維）インフュージョン、及びプリプレグ技術に基づいていてよい。繊維は、（溶媒溶液からの）ポリマーによってコーティングし、それから、出来上がった部分を高温及び高圧で圧密化する。或いは、熱可塑性フィルムのシートが、乾燥繊維のシート間で層状になっていてよく、又は熱可塑性プラスチックの繊維が、炭素繊維によって織られていてよく、複合材が熱間プレス加工によって圧密化されていてよい。さらに、熱可塑性プラスチックは、水分をほとんど吸収しないため、熱硬化性複合材よりも良好なホット・ウェット保持特性（hot/wet property retention）を有するが、実際には高温処理が必要となる。
【００５５】
本開示のポリマーマトリックス／樹脂は、組成物の形状を形成し、荷重を繊維へと、また繊維の外へと移動させることができ、ある繊維が駄目になった場合には隣接繊維が保護されるように繊維を分離することができ、かつ／又は繊維を周囲環境から保護することができる。繊維は、ポリマーマトリックス／樹脂と相互作用を起こして（例えばこれに結合して）、組成物全体に靭性をもたらすことができる。繊維がポリマーと相互作用を起こす１又は複数の場所を、界面又は中間相と呼ぶことがある。
【００５６】
繊維又は繊維複合材を、ポリマー樹脂／マトリックスと組み合わせて、本開示の組成物を形成することは、繊維を液状ポリマーにより含浸又はコーティング（例えば浸漬又はスプレー）して、混合物を形成し、それから硬化させることを含む。これは、レジントランスファー成形と呼ばれることもあり、例えばポリマーが低粘度（例えば１，０００センチポアズ（ｃｐｓ）未満）である場合に、使用できる。
【００５７】
或いは、繊維（又は繊維複合材）をポリマーマトリックス／樹脂と組み合わせて本開示の組成物を形成することは、溶融したポリマーフィルムを圧力下で繊維（又は繊維マット）にインフュージョンして、それから硬化させることを含む。これは、樹脂フィルムインフュージョンと呼ばれることもある。
【００５８】
或いは、本開示の繊維（又は繊維複合材）を、ポリマー樹脂／マトリックスと組み合わせて、複合材を形成することは、繊維シートの束又はタウを、液状樹脂により事前に含浸させ（プリプレグ）、続いて配列し（積み重ねて）、その後に、温度及び圧力下で圧密化及び硬化させることを含み得る。熱硬化性複合材について室温で始めた場合、温度は約３５０°Ｆの温度まで上昇させることができ、周囲圧力が（例えば約２００ｐｓｉまで）高められ、材料に応じて最大数時間にわたり高温、高圧条件が維持され、それから室温／大気圧にする。
【００５９】
少なくとも１つの態様において、複数の硬化された複合材（例えばポリマーが配置され、液状ポリマーマトリックス／樹脂で含浸又はコーティングされた金属コーティング繊維）は、積み重ねられ、約２５０°Ｆから約６００°Ｆの室温で圧密化されて、圧密化された組成物が形成される。
【００６０】
ブロック２１４に示したように、方法２００は、本開示の組成物を金属基材上に堆積させることを含む。金属基材には、鋼、アルミニウム、チタン、マグネシウム、タンタル、銅、及びこれらの合金が含まれる。堆積には、この分野で知られたあらゆる適切な「レイ・アップ」法又は「照合（collation）」法が含まれ得る。例えば、本開示の組成物は、金属基材の形状に適合させるために切断して、金属上に堆積させることができる。堆積された組成物を真空バッグに入れて、約１分から約３０分間の間、９８０ｍｂａｒ以下の圧力に吸引することによって、堆積された組成物を「減量（debulk）」する。組成物は、タイルとして、又は連続的なピースとして堆積させることができる。通気性材料（breather material）を使用することができ、通気性材料を真空バッグの真空部に接続することができる。
【００６１】
ブロック２１６では、組成物を硬化させて、部材、例えば乗り物のコーティングされた乗り物構成要素、例えば航空機、車、電車、船舶又は風力タービンのコーティングされた乗り物構成要素を、作製する。少なくとも１つの態様において、本開示の組成物は、約２０℃〜約３００℃の温度、例えば約１００℃〜約２００℃の温度で硬化される。乗り物構成要素は、乗り物のあらゆる適切な構成要素、例えば構造的構成要素、例えば航空機の１又は複数の着陸装置、パネル又はジョイントなどである。乗り物構成要素の例には、回転翼、補助電力ユニット、航空機の機首、燃料タンク、テールコーン、パネル、２つ以上のパネル間にあるコーティングされたラップジョイント、翼−胴体アセンブリ、構造的な航空機複合材、胴体−ボディ接合部、翼のリブ−外板接合部及び／又はその他の内部構成要素が含まれる。少なくとも１つの態様において、乗り物は、航空機、車、電車又は船舶である。少なくとも１つの態様において、部材は、風力タービンの部材である。
【００６２】
図４は、本開示の組成物が配置された構成要素を製造するための方法４００のフロー図である。図４に示したように、方法４００は、繊維を炉に導入すること（ブロック４０２）、不活性ガスを炉に導入すること（ブロック４０４）、及び炉を約２，０００℃〜約２，７００℃の温度に加熱すること（ブロック４０６）を含む。方法４００は、金属コーティングされた繊維材料を導電性ポリマーと接触させて、導電性ポリマーが配置された金属コーティング繊維を含有する第１の組成物を形成すること（ブロック４０８）を含む。方法４００は、第１の組成物をポリマーマトリックス樹脂と混合して、第２の組成物を形成すること（ブロック４１０）を含む。方法４００は、第２の組成物を金属基材上に堆積させること（ブロック４１２）を含む。方法４００は、第２の組成物を約２０℃から約３００℃の温度で硬化させること（ブロック４１４）を含む。
【００６３】
態様
条項１
導電性ポリマーと、
１又は複数の金属が配置されている繊維材料と、
を含有する組成物。
条項２
ポリマーマトリックス又は樹脂をさらに含有する、条項１に記載の組成物。
条項３
ポリマーマトリックス又は樹脂を、組成物の合計重量に対して約５０重量％から約９９重量％含有する、条項１又は２に記載の組成物。
条項４
導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、又はこれらの混合物から選択される、条項１から３のいずれかに記載の組成物。
条項５
導電性ポリマー及び金属コーティングされた繊維を、組成物の合計重量に対して約１重量％から約３０重量％の充填量で含有する、条項１から４のいずれかに記載の組成物。
条項６
金属が、ニッケル、チタン、パラジウム、鉄、コバルト、銅、アルミニウム、クロム、又はこれらの混合物から選択される、条項１から５のいずれかに記載の組成物。
条項７
導電性ポリマーの、金属コーティングされた繊維に対する比が、約０．００２：１から約４：１である、条項１から６のいずれかに記載の組成物。
条項８
繊維が、炭素、ナイロン、グラスファイバー、ポリアクリロニトリル、又はこれらの組み合わせから選択される、条項１から７のいずれかに記載の組成物。
条項９
ポリマーマトリックス又は樹脂が、ポリウレタン、エポキシ、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、ゴム、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリアリールエーテルケトン、又はこれらの組み合わせから選択される、条項１〜８のいずれかに記載の組成物。
条項１０
ポリマーマトリックス又は樹脂が、エポキシである、条項１〜９のいずれかに記載の組成物。
条項１１
複合材である、条項１〜１０のいずれかに記載の組成物。
条項１２
複合材が、構成要素に配置されており、複合材が、厚さで０．０１μｍ〜約１００μｍの厚さを有する、条項１〜１１のいずれかに記載の組成物。
条項１３
約０．０１オーム／スクウェア（Ω／□）〜約２５ＭΩ／□の抵抗を有する、条項１〜１２のいずれかに記載の組成物。
条項１４
構成要素が、乗り物構成要素である、条項１〜１３のいずれかに記載の成分物。
条項１５
乗り物構成要素が、回転翼、着陸装置、補助電力ユニット、航空機の機首、燃料タンク、テールコーン、パネル、２つ以上のパネル間にあるコーティングされたラップジョイント、翼−胴体アセンブリ、構造的な航空機複合材、胴体−ボディ接合部、又は翼のリブ−外板接合部である、条項１４に記載の組成物。
条項１６
金属コーティングされた繊維材料を、酸化剤及びモノマーと接触させて、金属コーティングされた繊維材料及び導電性ポリマーを含有する第１の組成物を形成すること、並びに
第１の組成物を、ポリマーマトリックス又は樹脂と接触させて、第２の組成物を形成すること
を含む、構成要素の製造方法。
条項１７
酸化剤が、鉄含有酸化剤、セリウム含有酸化剤、又はナトリウム含有酸化剤である、条項１６に記載の方法。
条項１８
酸化剤が、鉄−パラトルエンスルホネート、過マンガン酸鉄、硫酸鉄、二クロム酸鉄、硫酸セリウム（ＩＶ）、二クロム酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、又はこれらの混合物から選択される、条項１６又は１７に記載の方法。
条項１９
第１の組成物を、約４０℃〜約８０℃の温度に加熱することをさらに含む、条項１６〜１８のいずれかに記載の方法。
条項２０
第２の組成物を、約４０℃〜約８０℃の温度に加熱することをさらに含む、条項１６〜１９のいずれかに記載の方法。
条項２１
導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、又はこれらの混合物から選択される、条項１６から２０のいずれかに記載の方法。
条項２２
金属が、ニッケル、チタン、パラジウム、鉄、コバルト、銅、アルミニウム、クロム、又はこれらの混合物から選択される、条項１６から２１のいずれかに記載の方法。
条項２３
繊維が、炭素、ナイロン、グラスファイバー、ポリアクリロニトリル、又はこれらの組み合わせから選択される、条項１６から２２のいずれかに記載の方法。
【００６４】
実施例
マトリックス樹脂内にある一般的な金属コーティングされた繊維の電気伝導率は、充填％によって左右されるパーコレーションと、繊維のアスペクト比に依存している。導電性ポリマーコーティングは、繊維同士をブリッジすることができ、これによって、より高い電気伝導率と、組成物（例えば複合材）へと入れる繊維についてより少ない充填量とがもたらされることが判明した。
【００６５】
材料：３，４−エチレンジオキシチオフェン（９７％、Alfa Aesar）（ＥＤＯＴ）；鉄（ＩＩＩ）（ｐ−トルエンスルホネート）（Ｆｅ（ＩＩＩ）（ＰＴＳＡ）３）（Sigma）；酢酸ブチル（ＢｕＡｃ）（Sigma）；イソプロパノール（ＩＰＡ）；ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳＡ（Clevios）；ＰＲ１６６４  ポリウレタン（ＰＰＧ）、Ｐａｒｔｓ  Ａ及びＢ。
【００６６】
前駆体
１．ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ｐ−トルエンスルホネート（ＰＥＤＯＴ−ＰＴＳＡ）でコーティングされたＮｉＣＦ
手順１
８．３％ｗ／ｗのＦｅＰＴＳＡ−ＩＰＡ溶液を、７．３グラムのＦｅＰＴＳＡを８１．１グラムのＩＰＡに溶解させることによって、調製した。２２．１グラムのＥＤＯＴを８９．８グラムのＢｕＡｃに溶解させることによって、ＢｕＡｃ中で１９．８％ｗ／ｗのＥＤＯＴ溶液を、調製した。
【００６７】
１．８７グラムのＮｉＣＦを、１１．４５グラムのＦｅＰＴＳＡ溶液に、ｖｏｒｔｅｘミキサを用いて分散させた。それからこれをホットプレートにより６０℃で、撹拌しながら２４時間、加熱した。２．２９グラムのＮｉＣＦ−Ｆｅ−ＰＴＳＡ粉末を、真空ろ過により回収し、空気乾燥させた。図６Ａには、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）によるＮｉＣＦのスペクトルが、そのまま示してある。図６Ｂは、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）による、ＮｉＣＦ−Ｆｅ−ＰＴＳＡのスペクトルである。
【００６８】
それから、３６．７２グラムのＥＤＯＴ溶液を、２．２９グラムのＮｉＣＦ−Ｆｅ−ＰＴＳＡに加え、２時間、６０℃で撹拌しながら加熱した。ＰＥＤＯＴでコーティングされたＮｉＣＦを２．０２グラム、真空ろ過によって回収し、真空下、６０℃で乾燥させた。図６Ｃは、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）による、ＰＥＤＯＴ−ＮｉＣＦのスペクトルである。図６Ｃにおける実線は、全データの平均である。
【００６９】
フーリエ変換赤外線分光分析（ＦＴＩＲ）による、ＰＥＤＯＴ−ＮｉＣＦ及びＮｉＣＦのスペクトルが、図５に示されている（スペクトルを重ね合わせて、ＮｉＣＦ（太い曲線）及びＰＥＤＯＴ−ＮｉＣＦ（細い曲線）。ＦＴＩＲスペクトルは、ＮｉＣＦ上にＰＥＤＯＴ−ＰＴＳＡコーティングが形成されていることを示している。
【００７０】
手順２
７．０グラムのＦｅＰＴＳＡを、７３グラムのアセトニトリルに溶解させた。１８．１グラムのＮｉＣＦを溶液に加えて、第２の溶液を形成し、これを２４時間、ローラミルにかけた。真空ろ過によって生成物を回収し、アセトニトリルで３回洗浄し、空気乾燥させた。生成物（ＦｅＮｉＣＦ）が２１．５２グラム、回収された。
【００７１】
２４．３グラムのＥＤＯＴを、１０１．６グラムの酢酸ブチルに溶解させた。それから、先に調製した５．２４グラムのＦｅＮｉＣＦを、１０５．４グラムのＥＤＯＴ溶液に入れて混合して第２の溶液を形成し、これを１９時間、ローラミルにかけた。２４時間にわたり７０℃で乾燥した後、生成物（ＰＥＤＯＴ−ＮｉＣＦ）が５．０８グラム、真空ろ過により回収された。ＦＴＩＲスペクトル（図示せず）を得たが、これもＮｉＣＦ上のＰＥＤＯＴ−ＰＴＳＡコーティングを示していた。
【００７２】
２．ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳＡ）でコーティングされたＮｉＣＦ
１０グラムのＰＥＤＯＴ−ＰＳＳＡ（Clevios PHC V4、H. C. Starck GmbHから入手可）を、４００ｍｌの脱イオン水に溶解した。１グラムのＮｉＣＦを、７．５グラムのＰＥＤＯＴ−ＰＳＳＡ溶液に加えて、第２の溶液を形成した。この混合物を５分間にわたり超音波処理し、時計ガラスに置き、７１℃で空気乾燥させた。ＰＥＤＯＴは、ＮｉＣＦ上にかなり集積している（「丸い塊（ｇｌｏｂ）」又は「ゲル（ｇｅｌ）」）ように見えた。
【００７３】
回収されたＰＥＤＯＴ−ＰＳＳＡ  ＮｉＣＦについてＦＴＩＲスペクトル（図示せず）を得たが、ＰＥＤＯＴに特徴的なピークが見られなかったのは多分、ＮｉＣＦ上にポリマーがかなり集積しているからであり、本開示のテンプレート重合法の利点が際立っている。
【００７４】
抵抗測定
曲がりくねった電気回路を覆うように、粉末を注意深く広げて測定した抵抗（Ｒ）が、表１にオームで示されている。
表１
2020033542.tif 000006
【００７５】
フィルムを顕微鏡のスライドガラスにキャストし、抵抗計を用いて抵抗を測定した（オーム／スクウェア）。
2020033542.tif 000007
２つのフィルムの厚さは、ほぼ同じであった。よってこのデータは、フィルムのコンダクティビティが約３倍増加したことを示している。
【００７６】
ＪＭＰ  １３分析
ＪＭＰ分析は、応答における差異が統計的に有意であるか否かを判定するための方法である。ＪＭＰは、ＳＡＳ（Campus Drive, Cary, NC 27513）の事業体であり、version 13のソフトウェアを使用した。
【００７７】
ＪＭＰ分析は、連続変数Ｙと、カテゴリカルなＸ変数との関係性を調べるための手段である。一元配置（the Oneway）、すなわちＸプラットフォームにＹを当てはめることにより、連続変数Ｙの分布が、１つのカテゴリカルなＸ変数により規定されるグループにわたってどのように異なるかを調査することができる。例えば、同種の薬剤Ｘについて異なるカテゴリーが、患者の痛みレベルにどの程度影響を与えるかを数値的尺度（Ｙ）で知りたい場合が考えられる。一元配置のプラットフォームは、ＸプラットフォームへのＹの当てはめという名義的又は順序的な性質により、連続的である。分析結果はプロットで現れ、相互的な分析及び追加分析は、例えば以下のように行うことができる：変数を一元配置分析して平均を求め、これらが等しいかどうかを検査；ノンパラメトリック検査；変数の等分散性を検査；平均を比較円で示しながら、平均について多重比較検査；グループごとに重ねた外れ値の箱ひげ図；一元配置分散分析に関する検出力詳細など。
【００７８】
一元配置ＪＭＰ分析の概観
変数の一元配置分析では、グループ平均間の差異について検査する。応答における合計変数は、２つの部分に区分される：グループ内変数と、グループ間変数である。グループ間変数がグループ内変数よりも大きい場合、グループ平均間の差異が有意であるとみなされる。
【００７９】
ＰＥＤＯＴ−ＰＴＳ−ＮｉＣＦについてのＪＭＰ分析
図７は、本開示の例についてＪＭＰ分析で読み取った情報である。本開示の例についてのＪＭＰデータ分析は、手順１及び２により合成したＰＥＤＯＴ−ＰＴＳ−ＮｉＣＦ材料の抵抗が、ＮｉＣＦに比して、（Tukey Kramer分析法により）統計的に有意に低い（ほぼ三分の一）ことを示している。
【００８０】
ポリウレタンマトリックスへのＮｉＣＦの調合
１．５グラムのＰＲ１６６４（Ｐａｒｔ  Ｂ）を、１．８グラムのジメチルカーボネート（ＤＭＣ）に溶解させた。それから、１．５グラムのＮｉＣＦ粉末を、ＤＭＣ溶液に添加し、Thinky社のミキサで混合した。０．３グラムのＰＲ１６６４（Ｐａｒｔ  Ａ）を、ＮｉＣＦ分散液に添加し、再度Thinky社のミキサで混合した。このコーティング法により、ポリウレタンマトリックスへの効果的な混合が得られるとともに、変性ＮｉＣＦ及び非変性ＮｉＣＦのためのコーティング法が得られた。
【００８１】
表２は、ポリウレタン内に配置された、ＮｉＣＦの充填量、及び任意選択的に導電性ポリマーの充填量を変化させた例（合計５重量％〜２０重量％）について測定した抵抗を示す。ポリアニリンによるＮｉＣＦのコーティングは、トルエン中に溶解したＰＡＮＩと、ＮｉＣＦとを混合することによって行った（その後トルエンは除去）。
2020033542.tif 000008
【００８２】
ＰＥＤＯＴ−ＰＴＳＡによるＮｉＣＦのコーティングは、酸化表面重合法（テンプレート重合法）により実証された。得られたコーティングは、ＮｉＣＦ粉末のコンダクティビティが三倍強化されていることが判明した。このような新規構造によって、ＮｉＣＦ１ｇあたりより高い電気伝導率の調合物が得られるとともに、電気的特性が強化されたより軽量なコーティングが得られることになる。
【００８３】
さらに、本開示は、以下の条項に従った例を含む：
条項１
導電性ポリマーと、１又は複数の金属が配置された繊維材料とを含有する、組成物。
条項２
ポリマーマトリックス又は樹脂をさらに含有する、条項１に記載の組成物。
条項３
ポリマーマトリックス又は樹脂を、組成物の合計重量に対して約５０重量％から約９９重量％含有する、条項２に記載の組成物。
条項４
導電性ポリマーが、ポリアニリン、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）、ポリピロール、又はこれらの混合物から選択される、条項１から３のいずれかに記載の組成物。
条項５
導電性ポリマー及び金属コーティングされた繊維を、組成物の合計重量に対して約１重量％から約２０重量％の充填量で含有する、条項２に記載の組成物。
条項６
金属が、ニッケル、チタン、パラジウム、鉄、コバルト、銅、アルミニウム、クロム、又はこれらの混合物から選択される、条項５に記載の組成物。
条項７
導電性ポリマーの、金属コーティングされた繊維に対する比が、約０．００２：１から約４：１である、条項６に記載の組成物。
条項８
繊維が、炭素、ナイロン、グラスファイバー、ポリアクリロニトリル、又はこれらの組み合わせから選択される、条項１から７のいずれか一項に記載の組成物。
条項９
ポリマーマトリックス又は樹脂が、ポリウレタン、エポキシ、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、ゴム、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリアリールエーテルケトン、又はこれらの組み合わせから選択される、条項２に記載の組成物。
条項１０
ポリマーマトリックス又は樹脂が、エポキシである、条項９に記載の組成物。
条項１１
複合材である、条項２に記載の組成物。
条項１２
複合材が、構成要素に配置されており、複合材が、厚さで０．０１μｍ〜約１００μｍの厚さを有する、条項１１に記載の組成物。
条項１３
約０．１オーム／スクウェア〜約２５メガオーム／スクウェアの抵抗を有する、条項１１に記載の組成物。
条項１４
構成要素が、乗り物構成要素である、条項１２に記載の組成物。
条項１５
乗り物構成要素が、回転翼、着陸装置、補助電力ユニット、航空機の機首、燃料タンク、テールコーン、パネル、２つ以上のパネル間にあるコーティングされたラップジョイント、翼−胴体アセンブリ、構造的な航空機複合材、胴体−ボディ接合部、又は翼のリブ−外板接合部である、条項１４に記載の組成物。
条項１６
構成要素の製造方法であって、金属コーティングされた繊維材料を、酸化剤及びモノマーと接触させて、金属コーティングされた繊維材料及び導電性ポリマーを含有する第１の組成物を形成すること、並びに第１の組成物をポリマーマトリックス又は樹脂と接触させて、第２の組成物を形成することを含む、製造方法。
条項１７
酸化剤が、鉄含有酸化剤、セリウム含有酸化剤、又はナトリウム含有酸化剤である、条項１６に記載の方法。
条項１８
酸化剤が、鉄−パラトルエンスルホネート、過マンガン酸鉄、硫酸鉄、二クロム酸鉄、硫酸セリウム（ＩＶ）、二クロム酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、又はこれらの混合物から選択される、条項１６に記載の方法。
条項１９
第１の組成物を、約４０℃〜約８０℃の温度に加熱することをさらに含む、条項１６〜１８のいずれか一項に記載の方法。
条項２０
第２の組成物を、約４０℃〜約８０℃の温度に加熱することをさらに含む、条項１９に記載の方法。
【００８４】
全般的に、本開示の組成物及び方法によって、金属コーティングされた繊維と、導電性ポリマーとを含有する組成物が得られ、この組成物をポリマーマトリックス又は樹脂に組み込めば、繊維の電気伝導率を向上させることができ、例えば本開示の組成物が、金属表面、例えば乗り物構成要素に配置された複合材である場合には、かなりの重量を削減することができる。本開示の組成物（及び複合材）によってまた、例えば従来の複合材に比して、複合材の電気的特性を維持又は改善しながら、複合材構成要素の強度及び延性が全般的に改善される。
【００８５】
本開示の様々な態様の記載は、説明という目的のために提示されたに過ぎず、網羅的であること、又は開示された実施形態に制限することを意図しているわけではない。開示された態様の範囲及び思想から外れない多くの変形例及びバリエーションは、当業者にとって明らかであろう。本明細書で使用する用語は、態様の原則、技術に関する実際の適用若しくは技術的改善をうまく説明するため、又は本明細書に開示された態様が当業者に理解されるように選択されたものである。前述のことは、本開示の態様に向けられており、本開示についてその他の態様、及びさらなる態様は、基本的な範囲から離れることなく、工夫できる。
【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６Ａ】
2020033542.tif 000014
【図６Ｂ】
2020033542.tif 000015
【図６Ｃ】
2020033542.tif 000016
【図７】
2020033542.tif 000017
【外国語明細書】
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