(57)【要約】      （修正有）【課題】複合材構造体に関して樹脂の強靭性及びその他の特性を改善するためのシステム及び方法。【解決手段】樹脂混合物を形成するための、樹脂及び樹脂内の複数の高分子ナノ粒子の提供。さらには、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子を樹脂に混合して樹脂混合物を形成することが含まれる。加えて、樹脂混合物を硬化すること、及び樹脂の硬化前又は硬化中に少なくとも部分的に高分子ナノ粒子を樹脂に溶解することが追加的に含まれてもよい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂（１１２）、
樹脂混合物（１１４）を形成するため、前記樹脂内に含まれる複数の高分子ナノ粒子（２０４）であって
前記樹脂内で可溶性又は準可溶性の前記高分子ナノ粒子
を含む組成物。
【請求項２】
前記樹脂混合物（１１４）は硬化すると、前記高分子ナノ粒子を欠いている硬化済み樹脂の強靭性と比較してより大きな強靭性を有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記高分子ナノ粒子（２０４）は、前記樹脂（１１２）内で準可溶性あり、前記高分子ナノ粒子の粒子中心と硬化後の前記樹脂との間に機械的特性の勾配を引き起こす又は生み出す、請求項１又は２に記載の組成物。
【請求項４】
前記高分子ナノ粒子（２０４）は、第１の高分子ナノ粒子及び前記第１の高分子ナノ粒子とは異なる特性を有する第２の高分子ナノ粒子を含む、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（２０４）は、１０〜２００ナノメートルの断面幅を有する、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（２０４）は、体積比で前記樹脂混合物（１１４）の１０％以上を構成し、且つ前記高分子ナノ粒子は、体積比で前記樹脂混合物の７５％までを構成する、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（２０４）の少なくとも一部は、シース内に埋め込まれた非球形粒子として形成されたコア（２４４）を封入するシース（２０４）を有するコア・シースナノ粒子（２４０）であり、
前記樹脂混合物が硬化した後に前記非球形粒子のみが留まるように、前記シースは前記樹脂（１１２）内で可溶性である、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】
前記非球形粒子は、以下の材料、すなわち金属材料、高分子材料、並びにセラミクス及びガラスを含む無機材料のうちの少なくとも１つで形成される、請求項７に記載の組成物。
【請求項９】
前記高分子ナノ粒子（２０４）の少なくとも一部の前記非球形粒子は、他の非球形粒子の粒子軸と平行になるように能動的に配向された粒子軸を有する、請求項７又は８に記載の組成物。
【請求項１０】
可溶性及び／又は準可溶性の高分子ナノ粒子（２０４）を樹脂（１１２）に混合して樹脂混合物（１１４）を形成すること、
前記樹脂混合物を硬化すること、及び
前記樹脂の硬化前又は硬化中に、少なくとも部分的に前記高分子ナノ粒子を前記樹脂に溶解すること
を含む、組成物を製造する方法。
【請求項１１】
前記高分子ナノ粒子（２０４）は前記樹脂（１１２）内で準可溶性であり、前記方法は、
前記樹脂の硬化に応答して、前記高分子ナノ粒子の粒子中心と前記樹脂との間に機械的特性の勾配を形成することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記樹脂（１１２）の前記硬化中に、所定の値を下回る温度及び時間で、前記高分子ナノ粒子（２０４）を固体の状態に保持すること、及び
前記樹脂の前記硬化中に、所定の値を上回る温度及び時間で、少なくとも部分的に前記高分子ナノ粒子を前記樹脂に溶解すること
を更に含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記高分子ナノ粒子（２０４）は、コア（２４４）を封入するシース（２４２）を有するコア・シースナノ粒子（２４０）を含み、前記方法は、前記コアが不溶性材料から形成されることを更に含み、前記方法は、
前記シースが前記コアを前記樹脂に結合するように、前記樹脂の硬化前又は硬化中に、少なくとも部分的に前記シースを前記樹脂（１１２）に溶解することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子（２０４）を樹脂に混合する前記ステップは、
前記樹脂（１１２）に第１の高分子ナノ粒子及び第２の高分子ナノ粒子のうちの少なくとも１つを混合すること、及び
第１の及び／又は第２の高分子ナノ粒子を含まない樹脂の特性とは異なる樹脂特性をもたらす、第１の高分子ナノ粒子及び第２の高分子ナノ粒子のうちの少なくとも１つを溶解すること
を含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記樹脂（１１２）に高分子ナノ粒子（２０４）を混合する前記ステップは、
コア・シースナノ粒子（２４０）を前記樹脂（１１２）に混合することであって、各コア・シースナノ粒子は少なくとも１つの成形済み又は非球形粒子を封入するシース（２４２）を有する混合すること、及び
前記成形済み又は非球形粒子のみが前記樹脂混合物内に留まるように、前記樹脂混合物（１１４）の前記硬化前又は硬化中に前記シースを溶解すること
を含む、請求項１０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、複合材構造体でのナノ粒子の使用に関する。
【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むことがある。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ることがある。複合材レイアップは、樹脂を固めて凝固又は硬化した状態にするため、所定の時間だけ高温で保持されることがある。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或いは能動的に冷却される。
【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を有することがある。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すことがある。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すことがある。熱誘起応力は樹脂に好ましくない微小亀裂を引き起こすことがある。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ることもある。加えて、微小亀裂は、物体の衝突に反応して、複合材構造体の外側領域の近傍で起こることがある。
【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、未硬化液状樹脂を形成するため、液状高分子を使用して形成されることもある。代替的に、固体高分子は、未硬化液状樹脂を形成するため、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、液状又は固体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、或い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すことがある。
【０００５】
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一般的に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る。
【０００６】
以上から明らかなように、当該技術分野では、複合材構造体に関して樹脂の強靭性及びその他の特性を改善するためのシステム及び方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
樹脂に関連する上記の必要性は、樹脂混合物を形成するために、複数の高分子ナノ粒子を含有する樹脂を含み得る組成物を提示する本開示によって具体的に対処される。高分子ナノ粒子は、樹脂の中で可溶性又は準可溶性であってもよい。高分子ナノ粒子の完全溶解又は部分溶解は、樹脂混合物の一又は複数の特性の変化をもたらすことがある。
【０００８】
また、樹脂、樹脂混合物を形成する樹脂中の複数の高分子ナノ粒子、及び樹脂混合物内に埋め込まれた複数の強化繊維を含み得る複合材構造体が開示されている。樹脂内で可溶性又は準可溶性であり得る高分子ナノ粒子の少なくとも一部は、樹脂及び／又は複合材構造体の一又は複数の特性における改善となること、或いは改善を引き起こすことがある。
【０００９】
加えて、組成物の製造方法が開示される。本方法には、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子を樹脂に混合して樹脂混合物を形成することが含まれる。本方法には、樹脂混合物を硬化すること、及び樹脂の硬化前又は硬化中に少なくとも部分的に高分子ナノ粒子を樹脂に溶解することが追加的に含まれてもよい。
【００１０】
上述の特徴、機能及び利点は、本開示の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
【００１１】
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により明確となる。ここでは全図を通して類似の番号は類似の部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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一方向プライのスタック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一方向プライの強化フィラメントを示す複合材構造体の一部の断面を示す。
【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】図４のライン５に沿って切り取られた未硬化樹脂混合物の概略図で、樹脂混合物中の複数の完全可溶性高分子ナノ粒子を図解している。
【図５Ａ】完全可溶性高分子ナノ粒子の樹脂への実質的に完全な溶解を示す、図５の硬化した樹脂混合物の概略図である。
【図６】樹脂混合物中の複数の準可溶性高分子ナノ粒子を示す、未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図６Ａ】樹脂中の準可溶性高分子ナノ粒子の部分溶解を示す、図６の硬化した樹脂混合物の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの準可溶性高分子ナノ粒子の概略図で、粒子の中心から準可溶性高分子ナノ粒子を取り囲む基材樹脂へ向かって広がる強靭性の勾配を概略的に示している。
【図７】樹脂混合物中の複数の準可溶性高分子ナノ粒子を示す未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図７Ａ】樹脂中の準可溶性高分子ナノ粒子の部分溶解を示す、図７の硬化した樹脂混合物の概略図で、純粋なナノ粒子コアを保持する準可溶性高分子ナノ粒子を更に示す。
【図７Ｂ】図７Ａの準可溶性高分子ナノ粒子の概略図で、純粋なナノ粒子コアから準可溶性高分子ナノ粒子を取り囲む基材樹脂まで延在する強靭性の勾配を概略的に示している。
【図８】樹脂混合物内の複数のコア・シースナノ粒子を示す未硬化樹脂混合物の概略図で、各コア・シースナノ粒子はコアを封入するシースを有する。
【図８Ａ】樹脂の硬化後にコアのみが留まるようにシースが樹脂の中へ溶解することを示す、図８の硬化した樹脂混合物の概略図である。
【図９】複数の２種類の高分子ナノ粒子を複数含有する未硬化樹脂混合物の概略図である。
【図９Ａ】樹脂内で２種類の高分子ナノ粒子が部分的に溶解し、各高分子ナノ粒子の位置の周囲に強靭性の勾配が生ずることを示す、図９の硬化した樹脂混合物の概略図である。
【図１０】各々が成形済み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１０Ａ】成形済み粒子が樹脂内に留まるように、シースの溶解後に硬化した図１０の樹脂混合物の概略図である。
【図１１】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１２】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１３】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１４】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１５】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１６】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１７】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１８】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図１９】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図２０】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図２１】コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子の様々な構成の一例である。
【図２２】樹脂混合物内で不規則に配向された複数のコア・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２２Ａ】成形済み粒子を封入するコア・シースナノ粒子を含有する未硬化樹脂混合物に印加される電場又は磁場の概略図で、電気力線又は磁力線に対する粒子軸の能動的な整列を示している。
【図２２Ｂ】未硬化樹脂混合物内のコア・シースナノ粒子の概略図で、２つの異なる方向に沿って配向された成形済み粒子を示している。
【図２２Ｃ】未硬化樹脂混合物内のコア・シースナノ粒子の概略図で、電場又は磁場に応答して２つの異なる方向に沿って配向された成形済み粒子の一部を示しており、成形済み粒子の一部は不規則に配向されている。
【図２３】亀裂の伝播方向に影響を及ぼす共通の方向に沿って配向された成形済み粒子の概略図である。
【図２４】組成物の製造方法に含まれ得る一又は複数の操作を示すフロー図である。
【図２５】複合材構造体の亀裂の向きを変える方法に含まれうる、一又は複数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】
【００１３】
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には組成物１１０を含む複合材構造物１００のブロック図が示されている。組成物１１０は樹脂混合物１１４を含み得る。幾つかの例では、組成物１１０は更に強化繊維１１８を含むことがある。強化繊維１１８は複数の強化フィラメント１２０から作られてもよい。樹脂混合物１１４は高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１２を含み得る。高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内で可溶性又は準可溶性であってもよい。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は樹脂１１２内で完全可溶性であってもよい。他の例では、高分子ナノ粒子２００は樹脂１１２内で部分的に可溶性であってもよい。溶解した高分子ナノ粒子２００の一部は、樹脂の硬化又は固化サイクル中に硬化又は固化されることがある。
【００１４】
樹脂１１２内での完全可溶性高分子ナノ粒子２０２（図５）又は準可溶性高分子ナノ粒子２０４の溶解は、樹脂１１２の特性の改善、及び／又は高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１２（図２）によって製造される複合材構造体１００の特性又は性能の向上をもたらすことがある。例えば、樹脂１１２内での高分子ナノ粒子２０２の部分的又は完全な溶解は、樹脂１１２の一又は複数の領域で、或いは樹脂１１２を含有する複合材構造体１００（図２）の一又は複数の領域で、樹脂１１２の強靭性の向上をもたらすことがある。樹脂１１２の強靭性の向上は、樹脂１１２内での亀裂（図示せず）の発生又は成長を、低減又は防止し得る。他の例では、樹脂１１２内での高分子ナノ粒子２０２の部分的又は完全な溶解は、樹脂１１２及び／又は複合材構造体１００において、耐燃性の向上、煙及び／又は毒性の低減をもたらすことがある。樹脂１１２に高分子ナノ粒子２００を添加することによってもたらされ得る追加的な改善には、耐食性の向上、導電性の向上、硬化縮小に関連する歪みの低減、反応熱に関連する樹脂の劣化の低減、弾性率の改善、及び、樹脂１１２又は樹脂１１２を含有する複合材構造体１００の強度及び／又は歪み特性の向上が含まれる。
【００１５】
高分子ナノ粒子２００はまた、樹脂１１２又は複合材構造体１００の一又は複数の特性を非等方性にすることがある。その際、樹脂１１２（図２）内での高分子ナノ粒子２００の溶解により、強靭性、熱膨張係数（ＣＴＥ）、剛性（例えば、弾性率（ｍｏｄｕｌｕｓ））、強度、伝導度（電気伝導度又は熱伝導度）及び／又は樹脂１１２の破壊歪みが、樹脂１１２の異なる方向に沿って異なる値を有することがある。例えば、高分子ナノ粒子２００（図２）の溶解により、樹脂１１２の弾性率又は破壊歪みは、強化繊維１１８の非横断方向に沿った樹脂１１２の弾性率又は破壊歪みと比較して、強化繊維１１８の横断方向に沿って高くなることがある。有利には、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２及び／又は複合材構造体１００の特性を、その特性値の広い範囲にわたって変える又は改善することを可能にする幅広い材料で提供される。
【００１６】
加えて、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内での高分子ナノ粒子２００の負荷レベルが高くても、樹脂混合物１１４（図５）が比較的低い粘性を保持し得る、比較的小さなサイズで提供されてもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００は、断面幅２０６（図５）又は直径約１０〜２００ナノメートルの粒子で提供されることがある。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、１０〜１００ナノメートルの断面幅２０６を有することがある。有利には、比較的小さな断面幅の高分子ナノ粒子２００は、例えば、プリプレグ操作中、又は樹脂１１２を複合材レイアップ１０２（図２）の繊維１１８に融合するプロセス中に、強化フィラメント１２０又は繊維１１８（図２）が、過度に大きなナノ粒子を除去するのを防止することができる。その際、過度に大きな断面幅を有する高分子ナノ粒子２００は、分子ナノ粒子２００が隣接する強化フィラメント１２０の間、及び／又は隣接する繊維トウの間を通過するのを防止することができる。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４内又は複合材レイアップ１０２内で、樹脂とナノ粒子の体積比を様々に変え得る種々の断面幅又は直径で提供されることがある。
【００１７】
高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子負荷レベルが高くても比較的低い粘度を保持し、且つナノ粒子が他のナノ粒子又は繊維１１８又はフィラメント１２０（図２）とかみ合うのを防止するように、概して丸い形で、或いは球形で提供されることがあるが、そうでない場合には、非球形又は尖ったエッジや隅部を有する複雑な形状の粒子が共に生ずることがある。高分子ナノ粒子２００は、硬化サイクル中に、及び／又は樹脂１１２内での高分子ナノ粒子２００の完全溶解又は部分溶解に先立って、ある程度まで丸い形或いは球形を保持するように構成されることがある。例えば、高分子ナノ粒子２００（図２）は、少なくとも樹脂１１２のガラス転移温度まで、及び／又は樹脂１１２の硬化温度未満で、丸い形或いは球形を保持することができる。
【００１８】
有利には、所定の値を下回る温度で、概して丸い形或いは球形を保持することによって、高分子ナノ粒子２００は、樹脂が流動して複合材レイアップ１０２に浸透するにつれて、樹脂混合物１１４（図２）内に取り込まれる。高分子ナノ粒子２００は概して丸い形又は球形に限定されないことに留意されたい。例えば、高分子ナノ粒子２００（図２）は、長方形又は楕円形で提供されること、或いは、円筒形、管形、立方体、長方形、ピラミッド、又は他の形状などの３次元形状で提供されることがある。比較的小さな断面幅２０６（図５）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１１２内で高分子ナノ粒子２００の濃度を比較的高くして、樹脂の粘度を比較的低くすることができる。
【００１９】
幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２及び高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１４の体積の最大７５％まで占めることができる。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１１４の体積の最小１０％を占めてよい。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％未満を占めることがある。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１１４の１０％未満を占めることがある。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％未満を占めてもよい。
【００２０】
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１１４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％未満を占めてもよい。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には、高分子ナノ粒子２００が樹脂混合物１１４の体積百分率で５〜７５％を占める配合が含まれる。別の例では、樹脂混合物１１４の体積百分率で１０〜７５％を占める高分子ナノ粒子２００が含まれる。更に他の例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４の体積百分率で１５〜６５％を占めることがある。更に別の例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４の体積百分率で２０〜５０％を占めることがある。有利には、概して丸い形又は球形の高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２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１１２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うる程度に抑えることができる。
【００２１】
高分子ナノ粒子２００は、限定するものではないが、接着剤、被覆、射出成形用プラスチック、繊維強化複合材構造体１００（図２）用の樹脂などを含む様々な異なる応用、及びその他の応用の中の任意の１つのための樹脂混合物１１４に含まれることがある。高分子ナノ粒子２００（図２）は、熱硬化性樹脂１１２及び熱可塑性樹脂１１２に含まれることがある。加えて、高分子ナノ粒子２００は、予め含浸させた繊維強化レイアップ及び乾燥繊維レイアップ内で使用されてもよい。高分子ナノ粒子２００はまた、限定するものではないが、樹脂フィルム注入、真空補助樹脂トランスファ成形を含む様々な樹脂システム、並びに乾燥繊維プリフォーム１２４（図２）に樹脂１１２を注入する他のシステムで使用され得る。
【００２２】
図２は複合材プライ１０４のスタックからなる複合材構造体１００を示す。示されている例では、複合材プライ１０４の各々は一方向プライ１０８であってよい。一方向プライ１０８（図３）の各々は、複数の平行な連続した強化繊維１１８、或いは一方向テープ１２２又は一方向シートとして構成され得る繊維トウを含むことがある。繊維トウの各々は、数千本の強化フィラメント１２０から作られることがある。例えば、１本の繊維トウは最大で１００，０００本を超える強化フィラメント１２０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する。例えば、炭素強化フィラメントは、約５〜７ミクロンの断面幅のフィラメントを有することがある。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することがある。本開示では、強化繊維、繊維トウ、及び複合材繊維は交換可能に使用されてもよい。複合材レイアップ１０２（図３）に使用される強化繊維１１８は、様々な異なる繊維形態で提供されることがあり、一方向テープ１２２又は一方向シートに限定されない。例えば、複合材構造体１００は、織布、編み上げ繊維、編み込み繊維形態、繊維マット内の短繊維、並びに様々な波形及び非波形繊維形態の１つとして構成される複合材プライ１０４（図３）で形成されてもよい。
【００２３】
図２の複合材構造体１００は、その後樹脂１１２が注入される乾燥繊維複合材プライ１０４を積み重ねることによって形成されてもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００を含有する液状樹脂混合物１１４（図２）は、複合材レイアップ１０２（図３）を一体化及び硬化又は凝固して複合材構造体１００を形成するため、熱及び／又は圧力が印加された後、乾燥繊維複合材レイアップ１０２に注入されてもよい。幾つかの例では、乾燥繊維複合材レイアップ１０２に未修飾樹脂が注入されることがある。本開示では、未修飾樹脂は、高分子ナノ粒子２００を含有していない樹脂１１２、或いは、高分子ナノ粒子２００を欠いている樹脂１１２と記述されることがある。
【００２４】
複合材レイアップ１０２に未修飾樹脂を注入した後、複合材レイアップ１０２（図３）を一体化及び硬化又は凝固して複合材構造体１００を形成する前に、複合材レイアップ１０２の一又は複数の位置に高分子ナノ粒子２００が適用されてもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００の溶液は複合材レイアップ１０２の全体に一様に適用されてもよい。代替的に、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４又は複合材構造体１００の第１の領域２２０（図４）に高い濃度で、また、樹脂混合物１１４又は複合材構造体１００の第２の領域２２２（図４）に低い濃度で提供されることがある。このように、樹脂混合物１１４又は複合材構造体１００は、第２の領域２２２の樹脂混合物１１４（図２）又は複合材構造体１００の特性と比較して、第１の領域２２０で異なる特性を有することがある。第２の領域２２２と比較して異なる種類の第１の領域２２０の特性には、強靭性、弾性率、強度、破壊歪み、熱膨張係数（ＣＴＥ）、耐燃性、煙及び毒性レベル、導電率、耐食性、硬化縮小、反応熱、及び他の特性が含まれる。
【００２５】
例えば、高分子ナノ粒子２００の溶液は、選択された複合材プライ１０４（図２）の間の層間領域１０６、及び／又は、繊維トウの対向する側端或いは一又は複数の複合材プライ１０４の層間領域１０６など、複合材レイアップ１０２の特定の位置に、樹脂の強靭性を高めるために適用されることがあるが、一方、複合材構造体１００の残りの領域は高分子ナノ粒子２００を欠いていることがある。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００（図２）の溶液が、複合材レイアップ１０２の樹脂が豊富なポケットに適用されることがある。樹脂が豊富なポケットとは、複合材レイアップ１０２（図２）内の樹脂高含有部分、すなわち、繊維の体積に対して樹脂の体積が大きい部分を説明するものである。高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１４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実質的に一様に分布するように、乾燥繊維複合材レイアップ１０２に注入されることがある。
【００２６】
有利には、比較的小さなサイズの完全可溶性高分子ナノ粒子２０２、又は準可溶性高分子ナノ粒子２０４により、樹脂内で溶解しているナノ粒子物質は、各ナノ粒子の位置で実質的に一様に分散することができる。より具体的には、比較的小さなサイズのナノ粒子（例えば、１０〜２００ｎｍ）は、各ナノ粒子の（前の）位置で樹脂と混合するため、溶解しているナノ粒子物質の経路長は比較的短く（例えば、ナノメートルの単位）なる。例えば、完全可溶性高分子ナノ粒子２０２、又は準可溶性高分子ナノ粒子２０４が複合材レイアップ全体にわたって一様に分散しているような配置では、ナノ粒子２０２、２０４のサイズが小さいことによって、複合材レイアップ全体にわたって溶解しているナノ粒子物質が実質的に一様に分布し、結果的に複合材構造体全体にわたる樹脂の特性は一様に改善される。同様に、完全可溶性高分子ナノ粒子２０２、又は準可溶性高分子ナノ粒子２０４が、複合材プライの間、隣り合う繊維トウの対向する側端の間、及び／又は樹脂が豊富なポケット内の対象領域に局所的に適用されるような配置では、ナノ粒子２０２、２０４のサイズが小さいことによって、対象領域で樹脂内に溶解しているナノ粒子物質は実質的に一様に分布することが可能になり、結果的に樹脂及び／又は当該対象領域での複合材構造体の特性は一様に改善される。
【００２７】
複合材構造体１００は、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂混合物１１４が予め含浸される複合材プライ１０４（例えば、プリプレグ複合材プライ）のスタックをレイアップすることによって形成されてもよい。プリプレグ複合材プライのスタックをレイアップした後、複合材レイアップ１０２を一体化及び硬化又は凝固して複合材構造体１００を形成するため、熱及び／又は圧力が印加されてもよい。他の例では、プリプレグ複合材プライは、未修飾樹脂で予め含浸され、高分子ナノ粒子２００は、上述した複合材レイアップ１０２内の樹脂高含有部分などの複合材レイアップ１０２（図２）の対象領域に選択的に適用されることがある。代替的に、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２全体にわたって大量に実質的に一様に分布されてもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００（図２）の溶液は、複合材レイアップ１０２全体にわたって一様に、或いは複合材レイアップ１０２の選択された領域に適用されてもよい。更には、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂のフィルム（図示せず）は、一又は複数の乾燥繊維複合材プライ１０４（図２）の間に、或いは複合材レイアップ１０２の一又は複数の複合材プライの間にレイアップされてもよい。高分子ナノ粒子２００はまた、強化フィラメント１２０の製造及び／又はプリプレグ中に、強化フィラメント１２０に適用されてもよい。
【００２８】
本明細書で開示されている例の任意の１つでは、樹脂１１２及び／又は高分子ナノ粒子２００（図２）は、熱可塑性材料及び／又は熱硬化性材料から形成されてもよい。熱可塑性材料には、アクリル、フッ化炭素、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つが含まれる。熱硬化性材料には、ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化高分子（ポリフェニレンスルファイド）、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つが含まれる。強化フィラメント１２０又は強化繊維１１８は、炭素、炭化ケイ素、ホウ素、セラミックなどの材料、及び金属材料から形成されてもよい。強化フィラメント１２０又は強化繊維１１８（図２）は、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から形成されてもよい。
【００２９】
樹脂混合物１１４は、２つの異なる材料で形成される高分子ナノ粒子２００を含み得る。その際、樹脂混合物１１４中の高分子ナノ粒子２００の一部は、同一樹脂混合物１１４中の他の高分子ナノ粒子２００とは異なる材料組成を有することがある。高分子ナノ粒子２００の種々の材料は、以下で説明するように、樹脂１１２（図２）及び／又は複合材構造体１００の特性を種々の方法で変換するための手段を提供してもよい。別の例では、樹脂混合物１１４中の高分子ナノ粒子２００の一部は、コア２４４を封入するシース２４２（図８）を有するコア・シースナノ粒子２４０であってもよい。コア２４４はシース２４２の材料組成とは異なる材料組成を有することがある。幾つかの例では、コア２４４は断面幅が１０−２００ナノメートルの球形を有することがある。幾つかの例では、以下で説明するように、コア２４４は成形済み粒子２４６又は非球形粒子であってもよい。
【００３０】
図３は図２の複合材構造体１００の一部の断面を示し、複合材プライ１０４の繊維１１８又は一方向テープ１２２を作り上げる強化フィラメント１２０を図解している。示した例では、複合材プライ１０４の最上部及び最下部の強化フィラメント１２０は、紙の面に対して垂直な方向に沿って配向されている。図３の複合材レイアップ１０２の中間の２つの複合材プライ１０４は、紙の面に対して平行に配向される強化フィラメント１２０を含む。複合材プライ１０４の中間と最上部との間、並びに複合材プライ１０４の中間と最下部との間に配置される複合材プライ１０４は、紙の面に対して非平行且つ非垂直に配向される強化フィラメント１２０を含む。しかしながら、複合材プライ１０４の任意の１つの強化フィラメント１２０は、限定されることなく、任意の配向で配置されてもよい。
【００３１】
図４は、図３の複合材構造体１００の一部を示し、複数の高分子ナノ粒子２００が樹脂混合物１１４全体にわたって実質的に一様に分散していることを図解している。上に示したように、複合材プライ１０４は、高分子ナノ粒子２００を含有する予め含浸された一方向テープ１２２として形成されてもよい。複合材プライ１０４のレイアップ後、熱及び／又は圧力は、高分子ナノ粒子２００が複合材レイアップ１０２の全体にわたり実質的に一様に分散されるように、予め含浸された樹脂１１２の粘度を低減し、樹脂１１２（図３）が流動して、隣接する複合材プライ１０４の樹脂１１２と混ざり合うのを可能にするように印加される。しかしながら、上に示したように、複合材レイアップ１０２は、未修飾樹脂で予め含浸される複合材プライ１０４として形成されてもよい。高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２に関連する樹脂が豊富なポケットに溶液を噴霧することなどによって、複合材レイアップ１０２の特定の位置に適用されてもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００は、隣接する複合材プライ１０４の一又は複数の対の間の層間領域１０６に適用されてもよい。別の例では、高分子ナノ粒子２００は、隣接する繊維１１８の側端の間、或いは複合材レイアップ１０２のテープの間に適用されることがある。
【００３２】
更に別の例では、高分子ナノ粒子２００は、ナノ粒子が主に繊維床内に配置されるような方法で提供されることがあり、複合材レイアップ１０２（図４）の残りの部分、例えば、層間領域１０６などは高分子ナノ粒子２００を欠いていることがある。更にこれに関して、高分子ナノ粒子２００は、目標の機能を提供するため、複合材レイアップ１０２の一又は複数の外部表面（図示せず）に選択的に適用されてもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００（図４）は、金属コンポーネント（図示せず）と整合し得る複合材レイアップ１０２の外部表面又は外部領域に適用されてもよい。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、複合材構造体１００（図４）の外部領域の耐衝撃性を改善し得る強靭化剤、或いは、物体による衝撃に応答して複合材構造体１００の外部領域の近傍に発生する微小亀裂（図示せず）の疲労起因性の伝播を低減又は防止し得る高分子ナノ粒子２００を含んでもよい。高分子ナノ粒子２００はまた、樹脂１１２での微小亀裂の発生又は伝播に対する抵抗を高めるに、複合材レイアップ１０２の他の位置に適用されてもよい。
【００３３】
図示していない例では、高分子ナノ粒子２００は、織布（図示せず）又は編み上げ繊維（図示せず）に、例えば、織布又は編み上げ繊維の繊維トウを横断する断面に形成されるくぼみ（ｄｉｖｏｔｓ）（図示せず）にある樹脂が豊富なポケットなどに適用されてもよい。更には、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２（図４）のある領域に、例えば、複合材レイアップ１０２のより厚いセクション（例えば、複合材プライ１０４を大量に含む）に選択的に適用されてもよく、一方、複合材レイアップ１０２のより薄いセクション（例えば、複合材プライ１０４を少量含む）は高分子ナノ粒子２００を欠いていることがある。以下で説明するように、高分子ナノ粒子２００の選択的な適用は、高分子ナノ粒子２００の位置で樹脂１１２（図３）の強靭性を局所的に高めることができ、これによりその位置での亀裂の成長や亀裂の発生を防止又は低減し得る。複合材構造体１００の一又は複数の位置で亀裂が成長する又は亀裂が発生する傾向を低減することにより、複合材構造体１００（図４）の耐荷重能力は高められ、これにより、複合材構造体１００の構造質量を低減することができる。構造質量の低減は性能上の利点をもたらすことがある。航空機の場合には、構造質量の低減は、燃料効率、航続距離、最大積載量、又は他の性能向上に対応することがある。
【００３４】
図５は、制御された数の高分子ナノ粒子２００を含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。示した例では、高分子ナノ粒子は樹脂１１２に対して完全可溶性２０２となることがある。完全可溶性高分子ナノ粒子２０２は、樹脂混合物１１４の粘度が樹脂１１２の粘度によって制御されるように、樹脂１１２内で実質的に一様に分配されることがある。しかしながら、本明細書に開示されている高分子ナノ粒子の構成の１つに関しては、複合材レイアップ１０２の種々の領域は、高分子ナノ粒子２００の異なる負荷レベルによってもたらされることがある。例えば、高分子ナノ粒子２００は、上に示したように、複合材レイアップ１０２の樹脂が豊富なポケットにだけ適用されてもよい。代替的に、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２の長さ、幅、及び／又は厚さに沿って、異なる位置で異なる負荷レベルで適用されてもよい。
【００３５】
図５Ａは、完全可溶性高分子ナノ粒子２０２が樹脂１１２に実質的に完全に溶解したことを示す、図５の硬化した樹脂混合物１１４の概略図で、結果的に、樹脂１１２の概して均質な組成物１１０（図５）及び溶解した高分子ナノ粒子材料をもたらす。幾つかの例では、完全可溶性高分子ナノ粒子２０２は、樹脂１１２の所定の温度を下回り、及び／又は所定の時間だけ固体の状態に留まることがあり、所定の温度を上回り、及び／又は所定の時間が経過した後に樹脂１１２の中で溶解することがある。例えば、本明細書で開示されている高分子ナノ粒子２００（図５）の任意の１つは、樹脂が複合材レイアップ１０２に流れ込む及び／又は注入される間に、実質的に丸い形又は球形を保持するように構成されてもよく、樹脂の流動の大部分が発生した後に、高分子ナノ粒子２００は溶解してもよい。高分子ナノ粒子２００の溶解点は、高分子ナノ粒子材料組成の溶解度を調整すること、及び／又は硬化サイクルの保持時間及び関連温度など、硬化サイクルを調整することによって、制御され得る。
【００３６】
完全可溶性高分子ナノ粒子２０２の実質的に完全な溶解の結果として、上に示したように、樹脂１１２の特性は改善され得る。樹脂１１２（図５）で改善され得る特性の種類は、高分子ナノ粒子２００の材料組成に依存し得る。例えば、完全可溶性高分子ナノ粒子２０２の完全な溶解は、樹脂１１２の強靭性の実質的に一様な向上をもたらし、これによって樹脂１１２内での亀裂の発生又は亀裂の成長を有利に低減することができる。完全可溶性高分子ナノ粒子２０２（図５）が溶解すると改善され得る他の特性には、樹脂１１２及び／又は複合材構造体１００の耐燃性の向上、煙の低減、毒性の低減が含まれることがある。完全可溶性高分子ナノ粒子２０２の溶解は、電気伝導度の向上、硬化縮小に関連する歪みの低減、反応熱に関連する歪みの低減、及び最終の複合材構造体１００での反応熱に関連する樹脂の劣化を引き起こすことがある。
【００３７】
図６は、複数の準可溶性高分子ナノ粒子２０４を含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。上に示したように、樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００の濃度を正確に制御するため、樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００の量は制御される。図５に示した完全可溶性高分子ナノ粒子２０２の場合には、図６の準可溶性高分子ナノ粒子２０４は、樹脂１１２内で実質的に一様に分配されることがある。準可溶性高分子ナノ粒子２０４は、樹脂１１２の所定の値を下回る温度で、固体の状態で留まり、その結果球形を保持するように構成されてもよい。例えば、本明細書に開示されている任意の実施形態では、樹脂１１２が複合材レイアップ１０２へ流れ込む時間の大半で、高分子ナノ粒子２００が樹脂１１２内に留まるように、準可溶性高分子ナノ粒子２０２又は完全可溶性高分子ナノ粒子２０４は、樹脂１１２のガラス転移温度未満で固体の状態で留まるように構成されてもよい。
【００３８】
図６Ａは、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の樹脂１１２への部分溶解を示す、図６の硬化した樹脂混合物１１４の概略図である。準可溶性高分子ナノ粒子２０４は、樹脂１１２のガラス転移温度を上回るなど、所定の温度を上回ると、樹脂１１２内で部分的に溶解するように構成されてもよい。硬化サイクル中に準可溶性高分子ナノ粒子２０４が溶解し始める点は、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の材料組成によって、或いは、硬化サイクルに関連する温度及び時間などの硬化プロセスパラメータを制御することによって、制御され得る。準可溶性高分子ナノ粒子２０４の部分溶解は、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の位置の周囲に特性の勾配２１４をもたらすことがある。
【００３９】
図６Ｂは、図６Ａの準可溶性高分子ナノ粒子２０４を概略的に図解し、粒子の中心２１０から準可溶性高分子ナノ粒子２０４を取り囲む硬化した基材樹脂１１２に向かって延在する一又は複数の特性の勾配２１４を示す。基材樹脂１１２は、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の周囲に元の化学的性質を保持してもよい。１つの例では、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の部分溶解は、粒子の中心２１０から準可溶性高分子ナノ粒子２０４の位置を取り囲む基材樹脂１１２に向かって延在する強靭性の勾配２１４をもたらすことがある。幾つかの例では、粒子の中心２１０で元の高分子ナノ粒子材料の濃度がより高くなるため、強靭性は粒子の中心２１０の近傍で最大となる。強靭性は、準可溶性高分子ナノ粒子２０４を取り囲む基材樹脂１１２へ向かう方向に沿って徐々に減少する。有利には、樹脂１１２に準可溶性高分子ナノ粒子２０４を少なくとも部分的に溶解して、特性の勾配２１４を作り出すことによって、そうでない場合には、基材樹脂１１２と非可溶性高分子ナノ粒子（図示せず）との間の唐突な、すなわち急激に変化するインターフェースを避けることが可能で、これによって微小亀裂が発生或いは伝播する応力の集中を回避することができる。
【００４０】
理解されるように、準可溶性高分子ナノ粒子２０４はまた、樹脂１１２内で少なくとも部分的に溶解されて、強靭性以外の特性勾配２１４（図６Ａ）をもたらすこともある。例えば、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の部分溶解は、弾性率、強度、破損歪み、硬化縮小、反応熱、熱膨張係数（ＣＴＥ）、耐燃性、煙及び／又は毒性の放出、並びに他の様々な機械的特性のいずれか１つの局所的な勾配２１４をもたらすことがある。
【００４１】
図７は、樹脂混合物１１４内の準可溶性高分子ナノ粒子２０４を含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。図７Ａは、樹脂１１２内の準可溶性高分子ナノ粒子２０４の部分溶解を示す、図７の硬化樹脂混合物１１４の概略図である。図７Ａの高分子ナノ粒子２００の部分溶解の結果は、図７Ａを例外として、図６Ａの準可溶性高分子ナノ粒子２０４の部分溶解と同様で、純粋なナノ粒子コア２１２は準可溶性高分子ナノ粒子２０４の各々の位置に留まる。
【００４２】
図７Ｂは図７Ａの準可溶性高分子ナノ粒子２０４を概略的に図解し、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の各々の純粋なナノ粒子コア２１２から、準可溶性高分子ナノ粒子２０４を取り囲む基材樹脂１１２まで延在する強靭性の勾配２１４を示している。上に示したように、高分子ナノ粒子２００の材料組成は、樹脂１１２の一又は複数の特定の特性を改変又は改善するように選択可能で、これは樹脂１１２の強靭性の改善に限定されない。
【００４３】
図８は、複数のコア・シースナノ粒子２４０を含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。各コア・シースナノ粒子２４０は、コア２４４を封入するシース２４２を含み得る。第２のシース２４２は、コア２４４とは異なる材料で形成され得る。樹脂１１２が硬化した後、コア２４４のみが留まるように、シース２４２は樹脂１１２内で可溶性であってもよい。コア２４４は不溶性材料で形成されてもよい。幾つかの例では、不必要に熱を発生し得る反応性核種を使用することなく、シース２４２がコア２４４を接着によって硬化樹脂１１２に結合するように、シース２４２は樹脂１１２中で準可溶性であってもよい。
【００４４】
図８Ａは、樹脂１１２が硬化した後、コア２４４のみが留まるように、樹脂１１２へのシース２４２の溶解を示す、図８の硬化樹脂混合物１１４の概略図である。コア２４４の材料組成は、樹脂１１２の一又は複数の特定の特性を改善するように選択可能で、シース２４２（図８）の溶解によって改善され得る樹脂１１２の特性とは異なることがある。コア２４４は、樹脂１１２が形成される任意の材料から形成されてもよい。コア２４４は、樹脂硬化縮小に比べて小さな硬化縮小、樹脂熱反応に比べて小さな熱反応、樹脂熱膨張係数（ＣＴＥ）に比べて小さなＣＴＥ、或いは、限定するものではないが、高分子ナノ粒子２００（図８）によってもたらされる上述の特性改善又は性能優位性のいずれを含む他の様々な特性の１つ、を有する材料組成から形成されてもよい。少なくともシース２４２の部分溶解は、図５から図７Ｂの例に関して上述したように、粒子の中心２１０から基材樹脂１１２に向かって延在する機械的特性の勾配２１４をもたらし得る。
【００４５】
図９は、２種類の高分子ナノ粒子２００を複数含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。一又は複数の高分子ナノ粒子２００は、第１のナノ粒子材料２１６から形成されてもよく、一又は複数の高分子ナノ粒子２００は、第１のナノ粒子材料２１６とは異なる特性を有しうる第２のナノ粒子材料２１８から形成されてもよい。高分子ナノ粒子２００は、完全可溶性高分子ナノ粒子２０２（図５）及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子２０４として構成されてもよい。示した例では、高分子ナノ粒子２００は準可溶性高分子ナノ粒子２０４として構成されている。
【００４６】
図９Ａは、樹脂１１２の中で２つの異なる種類の準可溶性高分子ナノ粒子２０４の部分溶解と、その結果生ずる各準可溶性高分子ナノ粒子２０４の位置周辺における強靭性の勾配２４１を示す、図９の硬化樹脂混合物１１４の概略図である。高分子ナノ粒子２００は、硬化サイクル中に潜在的に異なる点において、準可溶性高分子ナノ粒子２０４が少なくとも部分的に樹脂１１２に溶解し得るように、構成されてもよい。上述のように、高分子ナノ粒子２００が溶解する点は、各種類の準可溶性高分子ナノ粒子２０４の溶解度又は材料組成を設定することによって制御され得る。一例では、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の溶解及びその後の樹脂１１２の硬化は、各準可溶性高分子ナノ粒子２０４の位置周辺における強靭性の勾配２１４をそれぞれ有し得る、制御された数の高分子ナノ粒子２００によって強化される樹脂混合物１１４をもたらすことがある。樹脂１１２は、準可溶性高分子ナノ粒子２０４の位置周辺に元の化学物質を保持することもある。
【００４７】
準可溶性高分子ナノ粒子２０４の化学物質及び量の選択は、樹脂１１２の異なる相でサイズ及び特性が制御可能な多相樹脂を作り出す手段をもたらす。例えば、２０重量％の熱硬化性ポリイミドコア及び可溶性で高分子量の熱可塑性ポリイミドシースナノ粒子をエポキシ樹脂に添加すると、エポキシ相及び微視的なポリイミド相を取り囲む離散的なエポキシ・ポリイミド混合相を含む多相樹脂がもたらされる。これとは対照的に、７５重量％の熱硬化性ポリイミドコア及び可溶性で高分子量の熱可塑性ポリイミドシースナノ粒子をエポキシ樹脂に添加すると、微視的なポリイミド相を取り囲む大きなエポキシ・ポリイミド混合相の間に小さな／局所的なエポキシ相を含む多相樹脂がもたらされる。
【００４８】
図１０は、各々が成形済み粒子２４６又は非球形粒子を封入するシース２４２を有する複数のコア・シースナノ粒子２４０を含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。成形済み粒子２４６は、樹脂１１２の中で可溶性であってもよい。シース２４２は可溶性であってもよく、また、樹脂１１２の中でコア・シースナノ粒子２４０の分散能を改善し、樹脂の粘度の影響を最小限に抑えるため、上述のように概して丸い形又は球形であってもよい。コア・シースナノ粒子２４０は、高分子ナノ粒子２００の上述の実装のいずれかで使用され得る。例えば、コア・シースナノ粒子２４０は、複合材レイアップ１０２（図４）及び任意の応用のための接着剤、被覆、射出成形用プラスチック、樹脂１１２に含まれることがある。コア・シースナノ粒子２４０のシース２４２は、種々のサイズ（例えば、１０〜２００ｎｍ）、負荷レベル（例えば、樹脂混合物１１４の体積で最大７５％）で提供されることがあり、高分子ナノ粒子２００に関して上述の材料のいずれか１つで形成されてもよい。コア・シースナノ粒子２４０は、樹脂１１２、繊維１１８（図２）、及び複合材レイアップ１０２に高分子ナノ粒子２００を適用する上述の技法のいずれかを使用して、樹脂１１２、繊維１１８（図２）、及び／又は複合材レイアップ１０２に適用されてもよい。例えば、コア・シースナノ粒子２４０は、プリプレグ操作中に、テープ、織物、編物、短繊維マット、及び他の様々な繊維形態の任意の１つに適用されてもよい。別の例では、コア・シースナノ粒子２４０の溶液は、高分子ナノ粒子２００に適用するための上述と同様の方法で、乾燥繊維複合材レイアップ１０２の対象位置に選択的に適用されることがある。
【００４９】
図１０は、蝶ネクタイ形の成形済み粒子２４６を図解しているが、成形済み粒子２４６は、以下で説明するように、亀裂の伝播を方向付けるため、及び／又は樹脂１１２の特定の特性を改善するためなど、樹脂１１２の特定の機能性を実現するため、様々なサイズ、形状、及び構成のいずれか１つで提供されてもよい。例えば、成形済み粒子２４６は、落雷の場合に好ましくなるように、複合材構造体１００の電荷分布能を改善するために導電性であってもよい。成形済み粒子２４６はまた、樹脂１１２の特性を非等方性にすることがある。例えば、樹脂１１２内の成形済み粒子２４６は、一定の要件を満たすため、熱膨張係数（ＣＴＥ）、剛性（例えば、弾性率）、強度、伝導度（電気伝導度又は熱伝導度）、及び／又は樹脂１１２の破壊歪みが、樹脂１１２の異なる方向に沿って異なる値を有することがある。破壊歪みの例では、成形済み粒子２４６は、強化繊維１１８（図２）の長さ方向を横断する方向に沿って樹脂１１２の破壊歪みを増大させ、且つ、強化繊維１１８の長さ方向に対して非横断的な方向に沿って樹脂１１２の破壊歪みを低減するような方法で、構成され、動的に配向されることがある。
【００５０】
図１０Ａは、樹脂混合物１１４が硬化した後に成形済み粒子２４６のみが留まるような硬化サイクル中に、シース２４２が溶解した後の図１０の硬化樹脂混合物１１４の概略図である。有利には、溶解したシース２４２は、不必要に熱を発生し得る反応性核種を使用することなく、接着によってコア２４４（図１０）を硬化樹脂１１２に結合してもよい。樹脂１１２内でのシース２４２の溶解は、高分子ナノ粒子２００の少なくとも部分的な溶解によってもたらされる上述の強靭性の増大と同様に、樹脂混合物１１４の強靭性を大幅に高めることがある。有利には、球状に成形されたシースを使用することにより、成形済み粒子２４６は、樹脂流動中に凝集することなく、また、樹脂の粘度を大幅に増大させることなく、樹脂１１２（図１０）内で一様に分散される。成形済み粒子２４６は、限定するものではないが、金属材料、高分子材料、及びセラミックとガラスを含む無機材料を含む、様々な材料の中の１つによって形成されてもよい。幾つかの例では、成形済み粒子２４６は、樹脂１１２と同じ材料で形成されてもよく、また、樹脂混合物１１４の硬化の前に少なくとも部分的に硬化されてもよい。
【００５１】
コア・シースナノ粒子２４０のシース２４は、樹脂混合物１１４中の他のコア・シースナノ粒子２４０のシース２４２と異なる材料で形成されてもよい。例えば、幾つかのコア・シースナノ粒子２４０のシース２４２（図１０）は、樹脂１１２の強靭性を局所的に高める材料で形成されてもよく、同じ樹脂混合物１１４（図１０Ａ）中の他のコア・シースナノ粒子２４０のシース２４２は、樹脂１１２の剛性又は弾性率を改善する、或いは樹脂１１２の特性に他の改善をもたらす異なる材料で形成されてもよい。単一のコア・シースナノ粒子２４０は、互いに同じように成形される２つ以上の成形済み粒子２４６を含んでもよく、或いは成形済み粒子２４６（図１０Ａ）は異なる形状を有してもよい。単一のコア・シースナノ粒子２４０中の複数の成形済み粒子２４６は、同一の材料又は異なる材料で形成されてもよい。例えば、樹脂混合物１１４は、各コア・シースナノ粒子内に２つ以上の成形済み粒子２４６をそれぞれ有するコア・シースナノ粒子２４０を含んでもよい。樹脂混合物１１４内の幾つかのコア・シースナノ粒子２４０（図１０）は、樹脂混合物１１４の電気伝導度を改善するため金属材料で形成される成形済み粒子２４６、並びに、樹脂混合物１１４の純粋な硬化縮小を低減するためセラミック材料で形成される別の成形済み粒子２４６を含むことがある。
【００５２】
図１１から２１は、コア・シースナノ粒子に封入される成形済み粒子２４６の種々の構成の非限定的な例である。例えば、図１１は環状体の構成を示し、図１２は孔を有する円盤を示し、図１３は円筒形を示し、図１４は蝶ネクタイを示し、図１５はジャッキ構成を示し、また図１６は十字形を示している。図１７は中心に塊を有する十字形を示し、図１８は４点星形を示し、図１９は６点星形を示し、図２０は三角形の構成を示し、また図２１は犬の骨形の構成を示している。一又は複数の任意の形状は、薄い板状で提供されてもよく、或いはその形状は異なる厚みを有してもよい。例えば、三角形の粒子は、薄い板状で、或いはピラミッド形で提供されてもよい。四角形の粒子は、薄い板状で、或いは立方体などで提供されることがある。理解されるように、成形済み粒子２４６は、限定されることなく、多様な種々の形状及び構成で提供されてもよい。成形済み粒子２４６のサイズ及び構成は、樹脂１１２（図１０）の一又は複数の特性に所望の効果をもたらすために選択されてもよい。
【００５３】
図２２は、複数のコア・シースナノ粒子２４０を含有する未硬化樹脂混合物１１４の概略図である。この例では、成形済み粒子２４６はそれぞれ蝶ネクタイ構成を有するが、成形済み粒子２４６は上述のように、多様な種々の形状のいずれか１つで提供されてもよい。成形済み粒子２４６の１つずつは、蝶ネクタイ構成の長さ方向に沿って延在するように示される粒子軸２４８を有する。図２２では、成形済み粒子２４６の粒子軸２４８は、樹脂混合物１１４内で不規則に配向されている。
【００５４】
図２２Ａは、成形済み粒子２４６の粒子軸２４８を配向するために実装されるデバイスの概略図である。示した例では、このデバイスは、互いに間隔を空けて配置されるバー又はプレートとして構成される、離間された一対の素子２５０を含む。樹脂混合物１１４を横断する電場及び／又は磁場を生成するため、電位差又は電荷が素子２５０を隔てて印加される。幾つかの例では、成形済み粒子２４６の対向する２つの面は、粒子軸２４８に沿って正反対に荷電される。離間された一対の素子２５０を横断して電位差を印加すると、粒子軸２４８が磁力線２５２に揃うまでコア・シースナノ粒子２４４（図２２）の回転を引き起こし、図示したように、結果的に粒子軸２４８はほぼ平行に配向される。素子２５０を横断する電位差の印加は、硬化サイクル中の低粘度部分で印加されるため、コア・シースナノ粒子２４０を所望の配向に容易に回転することができる。有利には、シース２４２（図２２）の球形は、未硬化樹脂中のコア・シースナノ粒子２４０の回転にほとんど抵抗をもたらさない。成形済み粒子２４６が球形シースによって封入されていない場合には、このような回転のための抵抗が発生することがある。
【００５５】
図２２Ｂは、未硬化樹脂混合物１１４中のコア・シースナノ粒子２４０の概略図で、２つの異なる方向に沿って配向される成形済み粒子２４６を示している。示した例では、成形済み粒子２４６は、電場及び／又は磁場を印加すると、成形済み粒子２４６が特定の方向に能動的に配向されるように構成されている。図２２Ｃは、未硬化樹脂混合物１１４中の複数のコア・シースナノ粒子２４０を図解するもので、電場又は磁場の印加に応答して２つの特定の方向に沿って配向される幾つかの成形済み粒子２４６を示しており、また、電場及び／又は磁場に応答せずに不規則に配向されたままに留まる幾つかの成形済み粒子２４６を付加的に示している。
【００５６】
図２３は、成形済み粒子２４６の配向が樹脂１１２（図２２）内の亀裂１１６の伝播に及ぼす影響を図解するため、共通の方向に沿って配向された成形済み粒子２４６の概略図である。示した例では、各成形済み粒子２４６は、成形済み粒子２４６の長さ方向に沿って延在する粒子軸２４８を有する。成形済み粒子２４６の対向端部は、前述のように、電場及び／又は磁場が印加されると、粒子軸２４８（図２２Ｃ）が磁力線２５２に沿って配向されるように、正反対に荷電されてもよい。幾つかの例では、成形済み粒子２４６は、亀裂１１６の経路を変えることによって、亀裂１１６の伝播に直接的に影響を及ぼすことがある。他の例では、成形済み粒子２４６（図２２Ｂ）は、樹脂１１２内に成形済み粒子２４６が存在する結果として、種々の方向に樹脂１１２の特性を変えることによって、亀裂１１６の伝播に間接的な影響を及ぼすことができる。例えば、亀裂１１６は、局所応力に応答して、亀裂１１６が樹脂１１２の局所的な破壊歪みに打ち勝つような方向に沿って、選択的に進展することがある。
【００５７】
図２４は、組成物１１０の製造方法３００に含まれ得る一又は複数の操作を示すフロー図である。この方法のステップ３０２は、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子２０２（図５）、２０４、２００などの高分子ナノ粒子２００を樹脂１１２に混合して、樹脂混合物１１４（図５）を形成することを含み得る。上に示したように、高分子ナノ粒子２００は、多様な種々の熱硬化性又は熱可塑性樹脂１１２のいずれかに混合されてもよい。加えて、高分子ナノ粒子２００は、多様な種々の熱硬化性及び／又は熱可塑性材料のいずれかに提供されてもよい。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２（図５）と同じ材料で形成されてもよく、また、樹脂１１２の硬化前に部分的に又は完全に硬化、或いは固化されてもよい。加えて、１つの材料及び／又はサイズから形成される高分子ナノ粒子２００は、他の材料及び／又はサイズから形成される高分子ナノ粒子２００を有する樹脂１１２と混合されてもよい。同一の樹脂混合物１１４中に異なる材料及び／又はサイズの高分子ナノ粒子２００（図５）がある場合には、樹脂１１２の種々の特性を実現するために、樹脂１１２の材料組成を調整する手段が提供されることがある。例えば、樹脂１１２の強靭性を高めるための材料で形成される高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２の弾性率を高める目的で樹脂１１２に添加される他の高分子ナノ粒子２００よりも比較的大量に大きなサイズで提供されることがある。
【００５８】
方法３００のステップ３０４は、樹脂混合物１１４が硬化する前に、強化繊維１１８（図２）に樹脂混合物１１４を注入することを含むことがある。上に示したように、様々な繊維形態のいずれか１つをプリプレグ処理するため、高分子ナノ粒子２００はプリプレグ操作中に樹脂混合物１１４に添加されることがある。例えば、高分子ナノ粒子２００は樹脂混合物１１４（図２）を形成するために樹脂１１２に混合され、次いでプリプレグ操作中に様々な繊維形態（例えば、繊維トウ、一方向テープ、織布、編み上げ繊維など）に適用されることがある。プリプレグ繊維形態は、複合材プライ１０４として積層した形でレイアップされ、樹脂１１２を一体化及び硬化又は凝固して複合材構造体１００を形成するため、熱及び／又は圧力が印加されることがある。別の例では、一又は複数の乾燥繊維プリフォーム１２４（図２）は積層した形でレイアップされ、その後レイアップに高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１２が注入されてもよい。樹脂注入レイアップは次いで、複合材構造体１００を形成するために、一体化及び硬化又は凝固される。更に別の例では、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂フィルム（図示せず）は、一又は複数のプリプレグ複合材プライ又は乾燥繊維複合材プライの間にレイアップされ、その後、熱及び／又は圧力を印加することによって、樹脂１１２（図２）を硬化及び／又は凝固して複合材構造体１００を形成されてもよい。高分子ナノ粒子２００を樹脂混合物１１４に適用するため、他の技法も利用可能である。本開示は、樹脂１１２に高分子ナノ粒子２００を含有する組成物の形成を想定しているが、組成物１１０は強化繊維を欠いていることに留意されたい。例えば、樹脂１１２中の高分子ナノ粒子２００は、被覆、接着剤、射出成形用プラスチック、及び他の応用として使用されることがある。
【００５９】
幾つかの例では、本方法は、第１の種類の高分子ナノ粒子（図示せず）と第２の高分子ナノ粒子（図示せず）など、２つの異なる種類の高分子ナノ粒子２００を樹脂１１２に混合することを含んでもよい。第１の高分子ナノ粒子及び／又は第２の高分子ナノ粒子の溶解は、第１及び／又は第２の高分子ナノ粒子が存在しない樹脂の特性とは異なる樹脂特性をもたらすことがある。幾つかの例では、第１の種類の高分子ナノ粒子の溶解は、第２の種類の高分子ナノ粒子の溶解に起因する樹脂特性と比べて、樹脂１１２（図１０）中に異なる特性をもたらすことがある。更にこれに関して、樹脂１１２に明確な特性を実現するため、３種類以上の高分子ナノ粒子２００が樹脂１１２に混合されてもよい。例えば、１つの種類の高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２に溶解して、熱硬化性樹脂１１２の架橋反応を促進する触媒を含んでもよい。第２の種類の高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内での亀裂１１６の伝播を制御する成形済み粒子２４６（図１０Ａ）を有するコア・シースナノ粒子２４０であってもよい。第３の種類の高分子ナノ粒子２００は、強化用高分子ナノ粒子２００（図１０）を溶解すると、樹脂混合物１１４が基材樹脂１１２よりも高い純粋な強靭性を有するように、樹脂１１２の強靭性がより高い材料で形成されてもよい。
【００６０】
別の実施形態では、異なる濃度の高分子ナノ粒子２００が、複合材レイアップ１０２の異なる位置又は領域に適用されることがある。その際、本方法は、樹脂１１２の第２の領域２２２に添加される高分子ナノ粒子２００の濃度と比べてより高い濃度の高分子ナノ粒子２００を樹脂１１２（図５）の第１の領域２２０に添加すること、及び、第２の領域２２２の高分子ナノ粒子２００（図４）の濃度と比較して第１の領域２２０の高分子ナノ粒子２００の濃度がより高いことを受けて、第２の領域２２２（図４）での樹脂１１２の特性と比べて異なる樹脂１１２の特性が第１の領域２２０に発現すること、を含むことがある。例えば、より高い濃度の高分子ナノ粒子２００が、複合材レイアップ１０２の一又は複数の複合材プライ１０４の間の層間領域１０６に添加されてもよい。複合材レイアップ１０２（図４）の残りの領域は層間領域１０６と比べて濃度の低い高分子ナノ粒子２００を受け取ることがあり、或いは残りの領域は高分子ナノ粒子２００を欠いていることがある。
【００６１】
方法３００のステップ３０６は、樹脂混合物１１４を硬化すること又は凝固することを含んでもよい。上に示したように、熱硬化性樹脂１１２（図６）は、熱及び／又は熱硬化性樹脂１１２を硬化するための架橋反応を引き起こす触媒を加えることによって硬化されてもよい。架橋反応を促進するために硬化剤が添加されることもある。熱可塑性樹脂１１２を含有する複合材レイアップ１０２（図２）は、熱可塑性樹脂１１２の温度をガラス転移温度未満に受動的に又は能動的に下げることによって形成されてもよい。
【００６２】
方法３００のステップ３０８は、樹脂１１２の硬化又は凝固に先立って、或いはその最中に、樹脂１１２に高分子ナノ粒子２００を少なくとも部分的に溶解することを含むことがある。幾つかの例では、本方法は、樹脂１１２（図８）の硬化又は凝固に先立って、或いはその最中に、樹脂１１２に高分子ナノ粒子２００を完全に溶解することを含むことがある。高分子ナノ粒子２００が準可溶性高分子ナノ粒子２０４である他の例では、本方法は、機械的特性の勾配２１４が粒子の中心２１０と準可溶性高分子ナノ粒子２０４の各位置を取り囲む基材樹脂１１２との間に形成され得るように、高分子ナノ粒子２００を部分的に溶解することを含むことがある。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、可溶性コア２４４を封入する可溶性又は準可溶性のシース２４２を含むコア・シースナノ粒子２４０となることがある。幾つかの例では、コア２４４（図８）は、上述のように、成形済み粒子２４６（図１０Ａ）として形成されてもよい。少なくともシース２４２の部分溶解は、有利には、成形済み粒子２４６の周囲に特性の勾配２１４をもたらすことがある。加えて、シース２４２の部分溶解は、樹脂１１２の硬化中に、コア２４４又は成形済み粒子２４６を樹脂１１２に非反応的な結合をもたらすことがある。
【００６３】
樹脂１１２の硬化プロセスに先立って、或いはその最中に、本方法は、硬化サイクル中に所定の時間だけ所定の値を下回る温度で、高分子ナノ粒子２００を概して固体の状態で保持すること、並びに、温度が上昇し、高分子ナノ粒子２００が樹脂１１２の中にある時間が増大するにつれて、高分子ナノ粒子２００（図９）が溶解する速度が増大することを含む。その際、高分子ナノ粒子２００の材料組成及び／又は硬化温度と硬化時間を含む硬化サイクルパラメータは、高分子ナノ粒子２００が概して固体の状態に留まっている間の時間量を制御するように制御され得る。例えば、高分子ナノ粒子２００は、射出中又はレイアップへの樹脂１１２（図９）の注入中、真空バギング中、圧密化中、及び／又は他の時点或いは樹脂硬化サイクル中など、複合材レイアップ１０２（図４）の初期処理中に、概して固体の状態、並びに概して球形を保持することが望ましい。樹脂流動の大部分に従い、高分子ナノ粒子２００は、硬化サイクル中の所望の時点で、例えば樹脂１１２のゲル点を下回る時点で、溶解するように構成されてもよい。硬化中のある時点よりも前に、例えばゲル点よりも前に、高分子ナノ粒子２００が所望の程度まで溶解するように保証することにより、樹脂１１２は高分子ナノ粒子２００の溶解を保証するための十分な流動性を有することができる。
【００６４】
幾つかの例では、本方法は、コア・シースナノ粒子２４０を樹脂１１２に混合すること、次いで成形済み粒子２４６（図２２Ａ）のみが樹脂混合物１１４内に留まるように、樹脂混合物１１４の硬化前又は硬化中にシース２４２を溶解することを含んでもよい。本方法は、樹脂混合物１１４（図２２）の硬化前に、少なくとも高分子ナノ粒子２００の一部を、少なくとも１つの共通方向と対比して、成形済み粒子２４６の所望の配向に回転することを含んでもよい。例えば、電場及び／又は磁場がコア・シースナノ粒子２４０を含有する樹脂混合物１１４に印加されることがあり、成形済み粒子２４６の粒子軸２４８（図２２）が電気力線２５２及び／又は磁力線２５２に揃うまで、ナノ粒子の回転を引き起こす。幾つかの例では、本方法は、上述のように樹脂１１２内での亀裂１１６の伝播の方向を変える手段として、複数の成形済み粒子２４６の粒子軸２４８を特定の方向に沿って揃えることを含んでもよい。
【００６５】
本方法のステップ３１０は、樹脂１１２に高分子ナノ粒子２００を少なくとも部分的に溶解する結果として、樹脂混合物１１４の機械的特性を改善することを含むことがある。樹脂１１２（図２２）に高分子ナノ粒子２００を溶解した結果として改善され得る特性には、強靭性、弾性率、強度、破壊歪み、電気伝導度又は熱伝導度、及び／又は樹脂１１２の上述の一又は複数の特性のいずれかの改善が含まれる。例えば、高分子ナノ粒子２００が、コア・シースナノ粒子２４０（図２２）のシース２４２（図２２）を含む樹脂１１２内で少なくとも部分的に溶解する場合には、本方法は、少なくとも部分的に溶解した高分子ナノ粒子２００の位置の周囲に機械的特性の勾配２１４を形成することを含むことがある。勾配２１４（図６Ａ）が形成され得る機械的特性は、上述の特性の多くを含むことがある。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００の少なくとも部分溶解は、樹脂１１２内で非等方性となる一又は複数の上述の特性のいずれかをもたらすことがある。例えば、一又は複数の高分子ナノ粒子２００の少なくとも部分溶解は、別の方向に沿った樹脂１１２の破壊歪みよりも大きくなる１つの方向に沿った樹脂１１２の破壊歪みを引き起こすことがある。
【００６６】
図２５は、複合材構造体１００（図２）の亀裂１１６（図２３）の方向を変える方法４００に含まれ得る、一又は複数の操作を図解するフロー図である。複合材構造体１００は、複数の高分子ナノ粒子２００（図１）を含有する樹脂１１２（図１）を含む樹脂混合物１１４（図２３）からなることがある。繊維１１８は樹脂１１２に埋め込まれてもよい。高分子ナノ粒子２００の少なくとも一部は、コア・シースナノ粒子２４０（図１）として、最初に樹脂１１２に提供されてもよい。コア・シースナノ粒子２４０の各々は、成形済み又は非球形粒子２４６（図２３）として形成され得る非可溶性コア２４４を封入する可溶性シース２４２を有してもよい。非球形粒子２４６は、限定することなく、任意の材料、サイズ、形状、及び構成で提供されてもよい。図２３に示されているように、また図２２〜２２Ｃに関連して上述されているように、非球形粒子が少なくとも１つの共通の方向に配向され得るように、樹脂硬化前にコア・シースナノ粒子２４０の回転を促進するために、シース２４２（図２２〜２２Ｃ）は球形であってもよい。上述のように、樹脂硬化中のシース２４２の溶解は、樹脂１１２中に留まる成形済み又は非球形粒子をもたらすことがある。
【００６７】
方法４００のステップ４０２は、成形済み又は非球形粒子２４６を含有する複合材構造体１００に、機械的負荷（図示せず）及び／又は熱負荷（図示せず）を印加することを含むことがある。機械的負荷は、限定するものではないが、張力、圧縮、せん断、ねじれ、折り曲げ負荷、又は他の種類の負荷を含み得る。複合材構造体１００の熱負荷又は熱サイクルは、複合材構造体１００の熱変化の結果として、例えば、複合材構造体１００の耐用年数中の複合材構造体１００の動作環境の温度変化の結果として起こることがある。複合材構造体１００上での機械的負荷及び／又は熱負荷の結果として、亀裂１１６（図２３）が樹脂１１２内を伝播することがある。
【００６８】
方法４００のステップ４０４は、図２３に示すように、成形済み又は非球形粒子２４６を使用して、樹脂１１２内での亀裂１１６の伝播の方向を変えることを含むことがある。亀裂１１６は、機械的負荷及び／又は熱負荷に起因する局所応力に応答して、亀裂１１６が樹脂１１２の局所的な破壊歪みに打ち勝つような方向に沿って、選択的に進展することがある。成形済み又は非球形粒子２４６は、樹脂１１２を通る亀裂の経路を変えることによって、亀裂１１６の伝播に直接的に影響を及ぼすことができる。加えて、成形済み又は非球形粒子２４６は、成形済み又は非球形粒子２４６が存在する結果として、樹脂特性を異なる方向へ局所的に変えることによって、亀裂１１６の伝播に間接的に影響を及ぼすことができる。
【００６９】
本開示の例示的な実施形態は、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントの製造及び保守方法（図示せず）の内容に記述される。製造前の段階では、コンポーネントの製造及び／又は保守は、航空宇宙コンポーネントの仕様及び設計、並びに材料の調達を含むことがある。製造段階では、航空宇宙コンポーネントのコンポーネント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、又は他の航空宇宙コンポーネントは認可及び納品を経て運航に供される。
【００７０】
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コンポーネントは、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一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれることもある。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。
【００７１】
本明細書で具現化されている装置及び方法は、航空宇宙コンポーネントの製造及び／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ることがある。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、航空宇宙コンポーネント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、コンポーネント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、一又は複数の航空宇宙コンポーネント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、又は他の航空宇宙コンポーネントの機体の構造、内装、又は他の部品に含まれることがある。
【００７２】
本開示の一態様によれば、複合材構造体内の亀裂の方向を変える方法であって、成形済み又は非球形粒子を封入するシースを溶解することによって、それぞれ樹脂内に配置される成形済み又は非球形粒子を含有する樹脂を有する複合材構造体に、機械的負荷及び／又は熱負荷を印加するステップ；並びに成形済み又は非球形粒子を使用して、樹脂内の亀裂の伝播方向を換えるステップを含む方法が提供される。
【００７３】
本開示の一態様によれば、樹脂、樹脂混合物を形成するため樹脂内に含まれる複数の高分子ナノ粒子、樹脂内で可溶性又は準可溶性の高分子ナノ粒子の少なくとも一部、及び樹脂混合物内に埋め込まれる複数の強化繊維を含む、複合材構造体が提供される。有利には、複合材構造体は、繊維の少なくとも一部が繊維トウ、一方向テープ、織布、及び／又は編み上げ繊維を含む複合構造体である。
【００７４】
本開示の一態様によれば、樹脂混合物並びに樹脂内で可溶性又は準可溶性である高分子ナノ粒子を形成するため、樹脂、樹脂内に含まれる複数の高分子ナノ粒子を備える組成物が提供される。有利には、組成物は、樹脂混合物が被覆、接着剤、射出成形用プラスチック、複合材構造体のマトリクスのうちの少なくとも１つに含まれている組成物である。有利には、本組成物は、樹脂及び／又は高分子ナノ粒子が、熱可塑性材料、アクリル、フッ化炭素、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、ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化高分子、導電性高分子、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つかなる組成物である。有利には、本組成物は、高分子ナノ粒子が概して球形である組成物である。有利には、本組成物は、高分子ナノ粒子の少なくとも一部が、樹脂混合物内の他の高分子ナノ粒子の断面幅とは異なる断面幅を有する組成物である。
【００７５】
本開示の一態様によれば、可溶性及び／又は準可溶性の高分子ナノ粒子を樹脂に混合して樹脂混合物を形成すること、樹脂混合物を硬化すること、及び樹脂の硬化前又は硬化中に、少なくとも部分的に高分子ナノ粒子を樹脂に溶解することを含む、組成物を製造する方法が提供される。有利には、本方法は、樹脂混合物の硬化前に、強化繊維に樹脂混合物を注入することを更に含む方法である。有利には、本方法は、高分子ナノ粒子が、コアを封入するシースを有するコア・シースナノ粒子を含む方法であり、シースがコアを樹脂に結合するように、樹脂の硬化前又は硬化中に少なくとも部分的にシースを樹脂に溶解することを更に含む方法である。有利には、本方法は、高分子ナノ粒子が、コアを封入するシースを有するコア・シースナノ粒子を含む方法であり、樹脂硬化後にコアのみがように留まるように、少なくとも部分的にシースを樹脂に溶解することを更に含む方法である。有利には、本方法は、高分子ナノ粒子を樹脂に混合するステップが、コア・シースナノ粒子を樹脂に混合することであって、各コア・シースナノ粒子は少なくとも１つの成形済み又は非球形粒子を封入するシースを有する混合すること、並びに、成形済み又は非球形粒子のみが樹脂混合物内に留まるように、樹脂混合物の硬化前又は硬化中にシースを溶解することを含む方法である。有利には、本方法は、樹脂混合物が完全に硬化する前に、少なくとも１つの共通方向に対して、高分子ナノ粒子の少なくとも一部を非球形粒子の所望の配向に回転することを更に含む方法である。有利には、本方法は、樹脂に高分子ナノ粒子を少なくとも部分的に溶解する結果として、樹脂の中で非等方性となる以下の特性；すなわち、強靭性、弾性率、強度、熱膨張係数、強度、破壊歪み、電気伝導度、熱伝導度のうちの少なくとも１つをもたらすことを更に含む方法である。
【００７６】
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、部品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。
【符号の説明】
【００７７】
１００    複合材構造体
１０２    複合材レイアップ
１０４    複合材プライ
１０６    層間領域
１０８    一方向プライ
１１０    組成物
１１２    樹脂
１１４    樹脂混合物
１１６    亀裂
１１８    繊維
１２０    強化フィラメント
１２２    一方向テープ
１２４    乾燥繊維プリフォーム
２００    高分子ナノ粒子
２０２    完全可溶性高分子ナノ粒子
２０４    準可溶性高分子ナノ粒子
２０６    断面幅
２１０    粒子の中心
２１２    ナノ粒子コア
２１４    勾配
２１６    第１のナノ粒子材料
２１８    第２のナノ粒子材料
２２０    第１の領域
２２２    第２の領域
２４０    コア・シースナノ粒子
２４２    シース
２４４    コア
２４６    成形粒子
２４８    粒子軸
２５０    一対の素子
２５２    磁力線
【図１】
2020056029.tif 000002
【図２】
2020056029.tif 000003
【図３】
2020056029.tif 000004
【図４】
2020056029.tif 000005
【図５】
2020056029.tif 000006
【図５Ａ】
2020056029.tif 000007
【図６】
2020056029.tif 000008
【図６Ａ】
2020056029.tif 000009
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月6日(2019.12.6)
【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】
本願明細書及び図面に記載された発明。
【外国語明細書】
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