(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機の複合構造体の空隙率を低減する為のＣＦＲＰ複合構造体の製造段階における改善された方法及びシステムの提供。【解決手段】複合構造体の空隙率を低減するための方法は、添加物／樹脂混合物を形成するため、樹脂材料に添加物を追加することを含む。前記添加物は前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い相転移温度を有する相転移材料を含んでいる。方法は、複合プリプレグ材料及び次に複合構造体を形成するため、添加物／樹脂混合物を強化繊維と結合する。方法は、複合構造体を、樹脂硬化温度において、真空デバイス下で、加熱装置内で熱硬化し、複合構造体を加熱して添加物相転移温度を超える温度まで上昇させ、かつ、上昇させた温度を十分な時間、維持する。方法は、添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、実質的に真空圧力が低下して複合構造体の空隙率が低減するよう、上昇させた温度を元の樹脂硬化温度まで下げる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構造体の空隙率を低減するための方法であって、
添加物／樹脂混合物を形成するために樹脂材料に添加物を追加することであって、前記添加物は前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含んでいる、前記追加すること、
複合プリプレグ材料を形成するために前記添加物／樹脂混合物を複数の強化繊維と結合すること、
前記複合プリプレグ材料を複合構造体に形成すること、
前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な前記樹脂硬化温度で、有効な時間にわたり、有効な真空圧力の真空デバイス下において、加熱装置内で前記複合構造体を熱硬化すること、
前記複合構造体を加熱することにより、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を超える温度まで温度を上昇させて、前記添加物が相転移を経て前記複合構造体からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間にわたり、前記上昇させた温度を維持すること、
前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記複合構造体内の真空圧力が実質的に低下して前記複合構造体の空隙率が低減するよう、前記上昇温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げること、ならびに
前記複合構造体を冷却すること
を含む方法。
【請求項２】
前記樹脂材料に前記添加物を前記追加することがさらに、１気圧で約２５０°Ｆ（華氏）から約９５０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆから約５００°Ｆの範囲の温度の沸点を有するフェニルプロペン、および１気圧で約４２２°Ｆから約９８０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する多環式芳香族炭化水素、ならびにトリアシルグリセリドからなる群から選択される添加物を追加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記樹脂材料に前記添加物を前記追加することがさらに、前記添加物を前記添加物／樹脂混合物の容積全体に基づき、０．０１容積パーセントから約１．５容積パーセントの分量で追加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記樹脂材料に前記添加物を前記追加することがさらに、前記添加物を、エポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される樹脂材料に追加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複合プリプレグ材料を前記複合構造体に前記形成することがさらに、手動積層または積層マシンを使用する自動積層を含む形成プロセスを介して前記複合プリプレグ材料を積層することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記複合構造体を前記熱硬化することがさらに、オートクレーブまたはオーブンを含む加熱装置内で前記複合構造体を熱硬化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記複合構造体を前記熱硬化することがさらに、密封された可撓性の真空バッグを含む真空デバイス下で前記複合構造体を熱硬化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記複合構造体を加熱して温度を上昇させることがさらに、前記複合構造体を加熱して、前記樹脂硬化温度および前記添加物相転移温度を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る温度まで温度を上昇させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記複合構造体を加熱して前記添加物相転移温度を上回る温度まで温度を上昇させることがさらに、約１分から約１５分の範囲の時間にわたり、前記上昇させた温度を維持することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複合構造体を加熱して前記添加物相転移温度を上回る温度まで温度を上昇させることがさらに、１つ以上の気体を実質的に置き換える前記添加ガスを形成することを含み、前記１つ以上の気体は封じ込められた空気と、吸収された水分、溶存水、および樹脂アウトガスを含む揮発性物質とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで前記下げることにより、前記複合構造体の空隙率を約８０％〜約９９％の範囲で低減させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記複合構造体は航空機の複合材部品である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
複合構造体の空隙率を低減するためのシステムであって、
添加物／樹脂混合物を予め含侵させた複数の強化繊維を含む複合プリプレグ材料であって、前記添加物が、前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含んでいる、複合プリプレグ材料、
前記複合プリプレグ材料を複合構造体内へ積層するよう適合された積層マシンを含む形成装置、
真空バッグを含む真空デバイスであって、有効な真空圧力の真空下で前記複合構造体を囲むよう適合されている真空デバイス、ならびに
オートクレーブおよびオーブンを含む加熱装置であって、
前記真空デバイスで囲まれた前記複合構造体を、有効な樹脂硬化温度まで熱硬化し、かつ前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な有効時間にわたり、前記樹脂硬化温度を維持するよう適合されており、
さらに、前記複合構造体を加熱して、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を超える温度まで温度を上昇させ、かつ前記添加物が液体から気体へ相移転して前記複合構造体からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間にわたって前記上昇温度を維持するよう適合されており、
さらに、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記複合構造体内の真空圧力が実質的に低下して前記複合構造体の空隙率が低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げるよう適合されている前記加熱装置
を含むシステム。
【請求項１４】
前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、１気圧で約２５０°Ｆ（華氏）から約９５０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆから約５００°Ｆの範囲の温度の沸点を有するフェニルプロペン、１気圧で約４２２°Ｆから約９８０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する多環式芳香族炭化水素、ならびにトリアシルグリセリドからなる群から選択される添加物を追加することを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記樹脂材料はさらに、エポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、複合構造体に関し、具体的には、航空機の複合材部品等の複合構造体の空隙率を低減するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）材料等の複合材料が、その強度性および剛性、軽量性、耐腐食性、および他の好ましい特性を理由として、様々な構造体およびコンポーネント部品の製造に幅広く使用されている。特に、航空機の製造において、ＣＦＲＰの複合構造体および複合コンポーネント部品が、航空機の機体、翼、尾部、外板パネル、および他のコンポーネント部品の形成のため、ますます大量に使用されている。
【０００３】
ＣＦＲＰ複合構造体の製造段階において、製造プロセスまたはエンジニアリング設計における諸問題に起因して、複合材料内に予期しない空隙、すなわち空領域が作成されることがある。たとえば、ＣＦＲＰ複合構造体の硬化サイクル前の積層処理中に、封じ込められた空気によって、このような空隙が作成され得る。またたとえば、ＣＦＲＰ複合構造体の硬化サイクル中、このような空隙は封じ込められた空気及び／又は吸収された水分や気体反応生成物等の揮発性物質の拡張によって作成され得る。
【０００４】
空隙率とは、パーセンテージなど、材料内の空隙量の度合いであり、全容積に対する空隙容積の割合である。せん断強度等の優れた機械的特性を達成し、複合構造体の性能を確保するには、空隙の軽減および低レベルの空隙率、すなわち２％〜５％未満等の低い空隙量が望ましい。
【０００５】
さらに、複合材の層間に封じ込められ得る空気を除去または実質的に除去するため、大型複合材部品の製造中、このような大型複合材部品は通常、真空圧力下での硬化前の真空保持を１２〜２４時間以上もの長時間、受ける可能性がある。このような硬化前の真空保持によって、製造処理全体に多大な時間が加算され、大型複合材部品の製造コスト全体が増加する。
【０００６】
したがって、当該技術分野において、既知の方法とシステムに対する利点をもたらす、複合構造体の空隙率を低減するための改善された方法およびシステムに対するニーズが存在する。
【発明の概要】
【０００７】
複合構造体の空隙率を低減するための改善された方法およびシステムに対するこのようなニーズは達成される。以下の詳細な説明の記載のとおり、複合構造体の空隙率を低減するための改善された方法およびシステムに係る実施形態は、既存の方法とシステムに対して有意義な利点をもたらし得る。
【０００８】
本発明の一実施形態では、複合構造体の空隙率を低減するための方法がもたらされる。前記方法は、添加物／樹脂混合物を形成するため、樹脂材料に添加物を追加することを含む。前記添加物は、前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含む。前記方法はさらに、複合プリプレグ材料を形成するため、前記添加物／樹脂混合物を複数の強化繊維と結合することを含む。前記方法はさらに、前記複合プリプレグ材料を複合構造体に形成することを含む。前記方法はさらに、前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な樹脂硬化温度で、有効な時間、有効な真空圧力の真空デバイス下において加熱装置内で前記複合構造体を熱硬化することを含む。前記方法はさらに、前記複合構造体を加熱して、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を超える温度まで温度を上昇させ、かつ前記添加物が相転移を経て前記複合構造体からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間にわたり前記上昇させた温度を維持することを含む。前記方法はさらに、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記複合構造体内の真空圧力が実質的に低下して前記複合構造体の空隙率が低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げることを含む。前記方法はさらに、前記複合構造体を冷却することを含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態では、航空機の複合材部品の空隙率を低減するための方法がもたらされる。前記方法は、添加物／樹脂混合物を形成するため、樹脂材料に添加物を追加することを含む。前記添加物は、前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含む。前記方法はさらに、複合プリプレグ材料を形成するため、前記添加物／樹脂混合物を複数の強化炭素繊維と結合することを含む。前記方法はさらに、手動積層または自動積層を含む形成プロセスを介して、前記複合プリプレグ材料を積層することを含む。前記方法はさらに、真空圧力下において、真空バッグ下で前記航空機の複合材部品を囲むことを含む。前記方法はさらに、前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な前記樹脂硬化温度まで、オートクレーブまたはオーブンを含む加熱装置内で、有効な時間、有効な真空圧力で、前記真空バッグ下で囲まれた前記航空機の複合材部品を熱硬化することを含む。前記方法はさらに、有効な樹脂硬化時間、前記樹脂硬化温度を維持することを含む。前記方法はさらに、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を約華氏５度から約華氏２０度上回る範囲内の温度まで、前記航空機の複合材部品を加熱して温度を上昇させることを含む。前記方法はさらに、前記添加物が液体から気体への相移転を経て、かつ、前記航空機の複合材部品からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間、前記上昇させた温度を維持することを含む。前記方法はさらに、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記航空機の複合材部品内の真空圧力が実質的に低下して、前記航空機の複合材部品の空隙率が約８０％〜約９９％の範囲で低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げることを含む。前記方法はさらに、前記航空機の複合材部品を冷却することを含む。前記方法はさらに、冷却された航空機の複合材部品を前記オートクレーブから除去することを含む。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、複合構造体の空隙率を低減するためのシステムがもたらされる。前記システムは、複合プリプレグ材料を含む。前記複合プリプレグ材料は、添加物／樹脂混合物を予め含侵させた複数の強化繊維を含む。添加物／樹脂混合物の添加物は、前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含む。前記システムはさらに、前記複合プリプレグ材料を複合構造体内へ積層するよう適合された積層マシンを含む形成装置を含む。前記システムはさらに、真空バッグを含む真空デバイスを含む。前記真空デバイスは、有効な真空圧力で、真空下で前記複合構造体を囲むよう適合される。前記システムはさらに、オートクレーブおよびオーブンを含む加熱装置を含む。前記加熱装置は、前記真空デバイスで囲まれた前記複合構造体を、有効な樹脂硬化温度まで熱硬化し、かつ、前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な有効時間、前記樹脂硬化温度を維持するよう適合されている。前記加熱装置はさらに、前記複合構造体を加熱して、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を超える温度まで温度を上昇させ、かつ前記添加物が液体から気体への相移転を経て前記複合構造体からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間、前記上昇させた温度を維持するよう適合されている。前記加熱装置はさらに、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記複合構造体内の真空圧力が実質的に低下して前記複合構造体の空隙率が低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げるよう適合されている。
【００１１】
本発明の一態様によると、複合構造体の空隙率を低減するための方法がもたらされる。前記方法は、添加物／樹脂混合物を形成するため、樹脂材料に添加物を追加することであって、前記添加物は前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含んでいる、前記追加すること、複合プリプレグ材料を形成するため、前記添加物／樹脂混合物を複数の強化繊維と結合すること、前記複合プリプレグ材料を複合構造体に形成すること、前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な樹脂硬化温度で、有効な時間、有効な真空圧力の真空デバイス下において加熱装置内で前記複合構造体を熱硬化すること、前記複合構造体を加熱して、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を超える温度まで温度を上昇させること、および前記添加物が相移転を経て、前記複合構造体からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間、前記上昇させた温度を維持すること、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記複合構造体内の真空圧力が実質的に低下して前記複合構造体の空隙率が低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げること、および前記複合構造体を冷却することを含む。
【００１２】
前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、１気圧で約２５０°Ｆ（華氏）から約９５０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆから約５００°Ｆの範囲の温度の沸点を有するフェニルプロペン、および１気圧で約４２２°Ｆから約９８０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する多環式芳香族炭化水素、およびトリアシルグリセリドからなる群から選択される添加物を追加することを含むと有利である。前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、前記添加物を前記添加物／樹脂混合物の容積全体に基づき、０．０１容積パーセントから約１．５容積パーセントの分量で追加することを含むことが有利である。また、前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、前記添加物をエポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される樹脂材料に追加することを含むことが有利である。
【００１３】
前記複合プリプレグ材料を前記複合構造体に形成することがさらに、手動積層または積層マシンを使用する自動積層を含む形成プロセスを介して、前記複合プリプレグ材料を積層することを含むことが有利である。
【００１４】
前記複合構造体を熱硬化することがさらに、オートクレーブまたはオーブンを含む加熱装置内で前記複合構造体を熱硬化することを含むことが有利である。また、前記複合構造体を熱硬化することがさらに、密封された可撓性の真空バッグを含む真空デバイス下で、前記複合構造体を熱硬化することを含むことが有利である。
【００１５】
前記複合構造体を加熱して温度を上昇させることがさらに、前記樹脂硬化温度および前記添加物相転移温度を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る温度まで、前記複合構造体を加熱して温度を上昇させることを含むことが有利である。また、前記添加物相転移温度を超える温度まで前記複合構造体を加熱することがさらに、約１分から約１５分の範囲の時間にわたり、前記上昇させた温度を維持することを含むことが有利である。前記添加物相転移温度を超える温度まで前記複合構造体を加熱することがさらに、１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成することを含み、前記１つ以上の気体は封じ込められた空気および吸収された水分、溶存水、および樹脂アウトガスを含む揮発性物質を含むことが有利である。
【００１６】
前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで前記下げることが、前記複合構造体の空隙率の低減率を約８０％〜約９９％の空隙率低減の範囲でもたらすことが有利である。
【００１７】
本発明のさらなる別の態様によると、航空機の複合材部品の空隙率を低減するための方法がもたらされる。前記方法は、添加物／樹脂混合物を形成するため、樹脂材料に添加物を追加することであって、前記添加物は前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含んでいる、前記追加すること、複合プリプレグ材料を形成するため、前記添加物／樹脂混合物を複数の強化炭素繊維と結合すること、手動積層または自動積層を含む形成プロセスを介して、前記複合プリプレグ材料を積層すること、真空圧力下において、真空バッグ下で前記航空機の複合材部品を囲むこと、前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な前記樹脂硬化温度まで、オートクレーブまたはオーブンを含む加熱装置内で、有効な時間、有効な真空圧力で、前記真空バッグ下で囲まれた前記航空機の複合材部品を熱硬化すること、有効な樹脂硬化時間、前記樹脂硬化温度を維持すること、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る温度まで、前記航空機の複合材部品を加熱して温度を上昇させること、前記添加物が液体から気体への相移転を経て前記航空機の複合材部品からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間、前記上昇させた温度を維持すること、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記航空機の複合材部品内の真空圧力が実質的に低下して、前記航空機の複合材部品の空隙率が約８０％〜約９９％の範囲で低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げること、前記航空機の複合材部品を冷却すること、および前記冷却された航空機の複合材部品を前記オートクレーブから除去することを含む。
【００１８】
前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、１気圧で約２５０°Ｆ（華氏）から約９５０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆから約５００°Ｆの範囲の温度の沸点を有するフェニルプロペン、および１気圧で約４２２°Ｆから約９８０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する多環式芳香族炭化水素、およびトリアシルグリセリドからなる群から選択される添加物を追加することを含むと有利である。また、前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、前記添加物をエポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される樹脂材料に追加することを含むことが有利である。
【００１９】
本発明のさらなる別の態様によると、複合構造体の空隙率を低減するためのシステムがもたらされる。前記システムは、添加物／樹脂混合物を予め含侵させた複数の強化繊維を含む複合プリプレグ材料であって、前記添加物は前記樹脂材料の樹脂硬化温度より高い添加物相転移温度を有する相転移材料を含んでいる複合プリプレグ材料、前記複合プリプレグ材料を複合構造体内へ積層するよう適合された積層マシンを含む形成装置、真空バッグを含む真空デバイスであって、前記真空デバイスは有効な真空圧力で、真空下で前記複合構造体を囲むよう適合された真空デバイス、オートクレーブおよびオーブンを含む加熱装置であって、前記加熱装置は、前記真空デバイスで囲まれた前記複合構造体を、有効な樹脂硬化温度まで熱硬化し、かつ、前記樹脂材料の粘性を低下させるために十分な有効時間、前記樹脂硬化温度を維持するよう適合されており、前記加熱装置はさらに、前記複合構造体を加熱して、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を超える温度まで温度を上昇させ、かつ前記添加物が液体から気体への相移転を経て前記複合構造体からの１つ以上の気体を実質的に置き換える添加ガスを形成するために十分な時間にわたり前記上昇させた温度を維持するよう適合されており、前記加熱装置はさらに、前記添加ガスが相転移を経て凝縮相となる結果、前記複合構造体内の真空圧力が実質的に低下して前記複合構造体の空隙率が低減するよう、前記上昇させた温度を元の前記樹脂硬化温度まで下げるよう適合されている加熱装置を含む。
【００２０】
前記樹脂材料に前記添加物を追加することがさらに、１気圧で約２５０°Ｆ（華氏）から約９５０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆから約５００°Ｆの範囲の温度の沸点を有するフェニルプロペン、および１気圧で約４２２°Ｆから約９８０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する多環式芳香族炭化水素、およびトリアシルグリセリドからなる群から選択される添加物を追加することを含むと有利である。
【００２１】
前記樹脂材料はさらに、エポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることが有利である。
【００２２】
前記上昇させた温度は、前記添加物相転移温度および前記樹脂硬化温度を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る温度であることが有利である。
【００２３】
前記複合構造体の前記空隙率の前記低減が約８０％〜約９９％の空隙率低減の範囲であることが有利である。
【００２４】
前記添加物は、前記添加物／樹脂混合物の容積全体に基づき、０．０１容積パーセントから約１．５容積パーセントの分量であることが有利である。
【００２５】
前述の特徴、機能および利点は、本発明の様々な実施形態で独立に実現可能であるか、さらなる別の実施形態で組み合わせることが可能であり、さらなる別の実施形態の詳細は、以下の説明および図面を参照すると理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本発明は、好ましい実施形態および例示の実施形態を示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することでよりよく理解できる。添付図面は必ずしも正確な縮尺で描かれているわけではない。
【図１】本発明の方法の各種実施形態のうちの一実施形態のフロー図である。
【図２Ａ】本発明のシステムの各種実施形態のうちの一実施形態のブロック図であり、硬化前サイクルの形態のシステム部分を示す。
【図２Ｂ】本発明のシステムの各種実施形態のうちの一実施形態のブロック図であり、硬化サイクルの形態のシステム部分を示す。
【図２Ｃ】本発明のシステムの各種実施形態のうちの一実施形態のブロック図であり、硬化後サイクルの形態のシステム部分を示す。
【図３】本発明の方法に係る各種実施形態のうちの一実施形態によって作成される複合構造体を組み込むことができる例示の航空機の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付図面を参照して本発明の実施形態について以下にさらに詳細に説明するが、添付図面には本発明のすべての実施形態ではなく、一部の実施形態が示されている。実際には、幾つかの種々の実施形態が提供可能であり、本明細書で説明した実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が徹底的かつ完全となるよう、また当業者に本発明の範囲が十分伝わるように、提供されている。
【００２８】
図を参照すると、図１は複合構造体２６（図２Ａ参照）の空隙率１３４（図２Ｂ参照）を低減するための方法３０の一例示の実施形態のフロー図である。図２Ａは、本発明のシステム５０の各種実施形態のうちの一実施形態のブロック図であり、硬化前サイクル５２の形態のシステム部分５０ａを示す。図２Ｂは、本発明のシステム５０の各種実施形態のうちの一実施形態のブロック図であり、硬化サイクル８４の形態のシステム部分５０ｂを示す。図２Ｃは、本発明のシステム５０の各種実施形態のうちの一実施形態のブロック図であり、硬化後サイクル１４０の形態のシステム部分５０ｃを示す。
【００２９】
図１と２Ａに示すように、前記方法３０は、添加物／樹脂混合物５８（図２Ａ参照）を形成するため、添加物５４（図２Ａ参照）を樹脂材料５６（図２Ａ参照）に追加するステップ３２を含む。図２Ａのとおり、前記システム５０は、前記硬化前サイクル５２の形態の前記システム部分５０ａを含む。さらに図２Ａのとおり、前記硬化前サイクル５２は、添加物／樹脂混合物の調製部分５３を含み、当該調製部分において前記添加物／樹脂混合物５８は、前記添加物５４と前記樹脂材料５６を一緒に混合することで調製される。図２Ａに詳細に示されるとおり、前記添加物５４は添加物相転移温度６４を有する相転移材料６０を含む。前記方法３０と前記システム５０において、前記添加物相転移温度６４は、前記樹脂材料５６の樹脂硬化温度６６より高い。
【００３０】
この出願の意図として、前記「添加物相転移温度」とは、前記添加物がある相、すなわちある物質の状態から、別の相、すなわち別の物質の状態へと変化する温度を意味しており、たとえば、添加物が液体から気体へ、気体から液体へ、固体から気体へ、または気体から固体へと変化する温度である。前記添加物５４は可逆性の相転移材料６０を含み、前記添加物は、前記方法３０と前記システム５０における前記硬化サイクル８４中、添加物の液体から気体への相転移６２（図２Ｂ参照）と添加物の気体から液体への相転移１２６（図２Ｂ参照）を経ることが好ましい。
【００３１】
前記方法３０に係る前記添加物５４（図２Ａ参照）を前記樹脂材料５６（図２Ａ参照）に追加することの前記ステップ３２はさらに、次の１つ以上を含む添加物５４を追加することを含む。次の１つ以上とは、すなわち、１気圧で約２５０°Ｆ〜約９５０°Ｆ（華氏）／３９４Ｋから７８３Ｋ（ケルビン）／１２１℃〜５１０℃（摂氏）の範囲の温度、より好ましくは約３０３°Ｆ〜９１４°Ｆ／４２４Ｋ〜７６３Ｋ／１５１℃〜４９０℃の範囲の温度での沸点（ｂｐ）を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆ〜５００°Ｆ／４７３Ｋ〜５３３Ｋ／２００℃〜２６０℃の範囲の温度での沸点（ｂｐ）を有するフェニルプロペン、１気圧で約４２２°Ｆ〜９８０°Ｆ／４９０Ｋ〜８００Ｋ／２１７℃〜５２７℃の範囲の温度での沸点（ｂｐ）を有する多環式芳香族炭化水素、トリアシルグリセリド（グリセロール基剤に結合された３脂肪酸）、たとえば、（Ｅ）‐４-ヒドロキシフェネチル４‐-ホルミル‐３‐（２‐オキソエチル）ヘキス‐４‐エノエート （オリーブオイル）（１気圧で約３５５°Ｆ／４５２Ｋ／１７９℃での沸点（ｂｐ）を有する）等のある種のグリセロ脂質等のアルケニル基とアルキル基の両方を有するトリグリセリド、または別の適切な添加物である。
【００３２】
圧力を下げることで沸点が下がり、前記方法３０とシステム５０は０．２気圧未満の圧力および約３５５°Ｆ／４５３Ｋ／１８０℃の温度で動作できることが好ましい。前記沸点は、液体の蒸気圧が液体を囲む圧力と等しくなり、液体が蒸気に変化する温度をいう。真空内の液体は、その液体が大気圧にあるときより、低い沸点を有する。高圧での液体は、その液体が大気圧にあるときより、高い沸点を有する。液体の沸点は、周囲の環境圧によって異なる。特定の圧力では、異なる液体は異なる温度で沸点に達する。
【００３３】
９つ以上の炭素原子を有する好ましいアルカンとしては、ノナン（Ｃ９Ｈ２０）、
デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、イコサン、ヘニコサン、ドコサン、トリコサン、テトラコサン、ペンタコサン、ヘキサコサン、ヘプタコサン、オクタコサン、ノナコサン、トリアコンタン、ヘントリアコタン、ドトリアコタン、トリトリアコタン、テトラトリアコンタン、ペンタトリアコンタン、ヘキサトリアコンタン、ヘプタトリアコンタン、オクタトリアコンタン、ノナトリアコンタン、テトラコンタン、ヘンテトラコンタン、およびドテトラコンタン（Ｃ４２Ｈ８６）が挙げられる。たとえば、テトラデカンは１気圧で約４８２°Ｆ／５２３Ｋ／２５０℃の温度での沸点を有し、かつ、０．０１３気圧で約２５１°Ｆ／３９５Ｋ／１２２℃の温度の沸点を有する。よって、テトラデカンの好ましい沸点は約０．０１３気圧から約１気圧の範囲の気圧での温度におけるものである。
【００３４】
好ましいフェニルプロペンとしては、１気圧で約４９１°Ｆ／５２８Ｋ／２５５℃の温度の沸点を有するオイゲノール、１気圧で約４６０°Ｆ／５１１Ｋ／２３８℃の温度の沸点を有するカビコール、１気圧で約４５１°Ｆ／５０６Ｋ／２３３℃の温度の沸点を有するサフロール、および１気圧で約４２１°Ｆ／４８９Ｋ／２１６℃の温度の沸点を有するエストラゴールが挙げられる。より好ましいフェニルプロペンはオイゲノールである。
【００３５】
上述のように、多環式芳香族炭化水素は１気圧で約４２２°Ｆ〜９８０°Ｆ／４９０Ｋ〜８００Ｋ／２１７℃〜５２７℃の範囲の温度の沸点を有する。よって、好ましい多環式芳香族炭化水素は、０．２気圧で、この範囲の温度における沸点を有する可能性がある。好ましい多環式芳香族炭化水素の一部としては、１気圧で７０２°Ｆ／６０５Ｋ／３７２℃で昇華するペンタセン、１気圧で８２０°Ｆ／７１１Ｋ／４３８℃の沸点を有するトリフェニレン、１気圧で６３０°Ｆ／６０５Ｋ／３３２℃の沸点を有するフェナントレンが含まれ得る。多環式芳香族炭化水素の一部は、室温で固体の可能性があり、これは処理に悪影響を与える。好ましい多環式芳香族炭化水素は機能的であるが、何らかの有機体を損害の可能性にさらし得る複合構造体に組み込まれることは意図されていない。
【００３６】
本明細書に開示の前記方法３０とシステム５０で使用される前記添加物は、前記添加物／樹脂混合物の容積全体に基づき、約０．０１容積パーセントから約１．５容積パーセントの分量で追加されることが好ましい。前記添加物は、前記添加物／樹脂混合物の容積全体に基づき、約１．０容積パーセントの分量で追加されることがさらに好ましい。
【００３７】
方法３０に係る前記添加物５４（図２Ａ参照）を前記樹脂材料５６（図２Ａ参照）に追加するステップ３２はさらに、１つ以上のエポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ビスマレイド樹脂もしくは他の適切なポリイミド樹脂等のポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、これらの組み合わせ、または他の適切な樹脂材料を含む樹脂材料５６に前記添加物５４を追加することを含む。前記樹脂材料５６は熱硬化性材料であることが好ましい。前記樹脂材料５６は、約２１２°Ｆ〜９５０°Ｆ／３７３Ｋ〜７８３Ｋ／１００℃〜５１０℃の範囲の温度での樹脂硬化温度を有することが好ましい。前記樹脂材料は、約２４８°Ｆ〜４１０°Ｆ／３９３Ｋ〜４８３Ｋ／１２０℃〜２１０℃の範囲の温度での樹脂硬化温度を有することがより好ましい。前記樹脂材料は、約２４８°Ｆ〜３５６°Ｆ／３９３Ｋ〜４５３Ｋ／１２０℃〜１８０℃の範囲での温度での樹脂硬化温度を有することが最も好ましい。
【００３８】
図１に示すように、前記方法３０はさらに、複合プリプレグ材料７０（図２Ａ参照）を形成するため、前記添加物／樹脂混合物５８（図２Ａ参照）を複数の強化繊維６８（図２Ａ参照）と結合するステップ３４を含む。図２Ａに示すように、前記硬化前サイクル５２はさらに、複合プリプレグ材料の準備部分５９を含んでおり、当該準備部分において、前記複合プリプレグ材料７０は前記添加物／樹脂混合物５８を前記複数の強化繊維６８と結合することによって準備される。前記複数の強化繊維６８は、プリプレグ材料を形成するための当該技術分野で既知の装置とプロセスを使用して、前記未硬化の添加物／樹脂混合物５８を予め含侵させることが好ましい。前記強化繊維６８は好ましくは、炭素繊維、グラファイト繊維、アラミド繊維、繊維ガラス繊維、ガラス繊維、ＫＥＶＬＡＲ繊維（ＫＥＶＬＡＲはデラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標）、これらの組み合わせ、または他の適切な炭素繊維もしくは非炭素繊維を含むことが好ましい。前記複合プリプレグ材料７０は、単向性の（配向された）もしくは繊維（織物）の形態であって、所望の量の前記添加物／樹脂混合物５８もしくはマトリックスを含侵させた強化繊維６８を含むことができる。前記複合プリプレグ材料７０は、積層板等のラミネート８２（図２Ａ参照）の形態であることが好ましい。しかしながら、前記複合プリプレグ材料７０はテープの形態または他の適切な形態であってもよい。前記添加物／樹脂混合物５８またはマトリックスは、前記強化繊維６８間の応力を転移し、それによって前記強化繊維６８を機械的応力及び／又は環境応力から保護することが好ましい。
【００３９】
図１に示すように、前記方法３０はさらに、前記複合プリプレグ材料７０（図２Ａ参照）を複合構造体２６（図２Ａ参照）に形成するステップ３６を含む。図２Ａに示すように、前記硬化前サイクル５２はさらに、複合構造体の形成部分７１を含んでおり、当該形成部分において、前記複合構造体２６は前記複合プリプレグ材料７０を形成すること７２によって、形成または準備される。前記形成すること７２は、積層マシン７６（図２Ａ参照）の形態等の形成装置７４（図２Ａ参照）を用いて、前記複合プリプレグ材料７０を形成または成形することを含むことができる。たとえば、当該技術分野で既知の自動テープ積層マシンを使用すると、組み立て時間を短縮できる。前記形成すること７２は、手動積層プロセス８０（図２Ａ参照）の形態等の形成プロセス７８（図２Ａ参照）または積層マシン７６を使用する自動積層プロセスを用いて、前記未硬化の複合プリプレグ材料７０を形成または成形することを含むことができる。マシンまたは手動による積層プロセスには、積層板の形態等の未硬化の複合プリプレグ材料７０を成形された金型もしくは工具（図示せず）の表面に配置することを伴い、成形された金型もしくは工具は離型剤もしくは離型フィルムで扱うことができる。最大の強度と性能をもたらすよう、前記複合プリプレグ材料７０の複数のレイヤを順に重ねて適用し、所望の厚みを達成し、かつ、所望の強化繊維の向きを達成することができる。
【００４０】
各種の既知の複合材製造プロセスと異なり、前記複合プリプレグ材料７０を複合構造体２６に形成することの前記ステップの後、前記複合構造体２６は、真空圧力下での硬化前の真空保持を必要としないことが好ましく、特に、大型の航空機の複合材部品２８もしくは他の適切な複合構造体等の大型の複合構造体２６に対する、真空圧力下での硬化前の真空保持を必要としないことが好ましい。よって、本発明に係る前記方法３０は、前記複合構造体２６を硬化前の真空保持下で保持するための追加の１２〜２４時間もしくはそれ以上を避けることが好ましい。これによって、前記複合構造体２６の製造時間全体とコスト全体を低減できる。
【００４１】
図１と図２Ｂに示すように、前記方法３０はさらに、前記樹脂材料５６（図２Ａ参照）の粘性を低下させるために十分な樹脂硬化温度６６（図２Ａ参照）で、有効な時間、有効な真空圧力９４（図２Ｂ参照）で、真空デバイス９６（図２Ｂ参照）下において加熱装置８８（図２Ｂ参照）内で前記複合構造体２６を熱硬化すること８６のステップ３８を含む。図２Ｂのとおり、前記システム５０は、前記硬化サイクル８４の形態の前記システム部分５０ｂを含む。前記硬化サイクル８４は、前記複合構造体２６を前記熱硬化すること８６を含む。
【００４２】
図２Ｂに詳細に示すとおり、前記熱硬化すること８４は、前記加熱装置８８、好ましくはオートクレーブ９０もしくはオーブン９２の形態、を使用することを含む。図２Ｂに詳細に示すとおり、前記熱硬化すること８４は、前記真空デバイス９６、好ましくは真空バッグ９８の形態で、有効な真空圧力９４を有するものを含む。好ましくは、前記複合構造体２６は前記真空バッグ９８で囲まれまたは覆われ、前記真空バッグ９８は典型的には密封された可撓性の真空バッグであって、真空が前記真空バッグ９８内に適用される。前記複合構造体２６を前記真空バッグ９８下で囲むプロセスは、当該技術分野において「真空引き」として知られている。その後、前記真空バッグ９８は、前記複合構造体２６を硬化するため、真空を維持しつつ、高温および真空圧力を受けることができる。好ましくは、オートクレーブ９０（図２Ｂ参照）または、対流式オーブン等のオーブン９２（図２Ｂ参照）を使用して、必要な温度と圧力を適用して、前記複合構造体２６を生成できる。前記真空バッグ９８で囲まれたまたは覆われた前記複合構造体２６を前記オートクレーブ９０または前記オーブン９２内に配置できる。前記熱硬化すること８６は前記オートクレーブ９０または前記オーブン９２内で行われ、その結果、前記オートクレーブ９０または前記オーブン９２内部で前記真空圧力９４を得られるだけでなく、前記オートクレーブ９０または前記オーブン９２内部で外圧も得られる。前記真空圧力と外圧は共に、前記複合構造体２６を構成する前記複合プリプレグ材料７０のレイヤに圧力をかけ、つまり連結する。
【００４３】
図２Ｂに詳細に示すとおり、前記硬化サイクル８４は第１加熱ステップ１００を含む。前記第１加熱ステップ１００は、前記複合構造体２６を前記樹脂硬化温度６６まで加熱すること１０２を含む。使用される前記樹脂硬化温度６６は、どの樹脂材料５６を使用するかどうかで異なる。前記温度は、約１°Ｆ〜約１０°Ｆ（華氏）／分の範囲の速度で、室温もしくは気温またはさらに低い温度から所望の樹脂硬化温度６６まで、増加もしくは上昇させることができる。この温度の増加もしくは上昇は、達成すべき樹脂硬化温度６６によって、約３０分〜約９０分もしくはそれ以上の範囲の時間で行うことができることが好ましい。
【００４４】
いったん前記複合構造体２６が前記樹脂硬化温度６６まで加熱されると、前記第１加熱ステップ１００はさらに、前記樹脂硬化温度６６を有効な時間、維持すること１０４または保持することを含む。前記有効な時間は、前記複合構造体２６の最も冷たい箇所が前記樹脂硬化温度６６まで加熱されるよう、約２時間から約４時間の範囲であることが好ましい。理由は、前記複合構造体２６は、より冷たい箇所より、素早く温まる、より温かい箇所を有している可能性があるためである。より大型の複合構造体２６の場合、前記複合構造体２６の前記より温かい箇所と前記複合構造体２６の前記最も冷たい箇所の温度差によって、前記樹脂硬化温度６６は、４時間より長い間、維持もしくは保持される必要がある可能性がある。
【００４５】
前記硬化サイクル８４中の前記樹脂硬化温度６６を維持すること１０４または保持することの間、前記樹脂材料５６が最低樹脂粘度１０８に近い、低下した樹脂粘性１０６（図２Ｂ参照）を有するとき、前記樹脂材料５６がゲル化しないよう、前記硬化サイクル８４は第２加熱ステップ１１０を含む。図１と２Ｂに示すように、前記方法３０はさらに、前記添加物５４が添加物の液体から気体への相転移６２等の相転移を経て、かつ、前記複合構造体２６からの１つ以上の気体１１８（図２Ｂ参照）を実質的に置き換える添加ガス１１６（図２Ｂ参照）を形成するために十分な時間にわたり、前記複合構造体２６を前記樹脂硬化温度６６を超える前記添加物相転移温度６４まで加熱するステップ４０を含む。
【００４６】
図２Ｂに詳細に示すとおり、前記硬化サイクル８４は第２加熱ステップ１１０を含む。前記第２加熱ステップ１１０は、前記複合構造体２６の熱を、前記添加物相転移温度６４を超える上昇後温度１１３（図２Ｂ参照）まで上げるステップ１１２を含む。使用される前記添加物相転移温度６４は、どの添加物５４を使用するかで異なる。前記上昇後温度１１３は、前記樹脂硬化温度６６を約５°Ｆ（華氏）から約２０°Ｆの範囲だけ上回る温度を含むことができ、好ましくは前記添加物相転移温度６４を約５°Ｆから約１０°Ｆ上回る温度、より好ましくは前記添加物相転移温度６４を約５°Ｆ上回る温度である。使用される前記添加物５４および添加物相転移温度６４によって、前記第２加熱ステップ１１０はさらに、前記上昇後温度１１３を約１分から約１５分の範囲の有効な時間にわたって維持するステップ１１４を含む。
【００４７】
図１に詳細に示すように、前記方法３０はさらに、前記複合構造体２６（図２Ａ参照）を加熱して前記添加物相転移温度６４（図２Ａ参照）および前記樹脂硬化温度６６（図２Ａ参照）を超える上昇後温度１１３（図２Ｂ参照）まで温度を上昇させること、および前記添加物５４が添加物の液体から気体への相移転６２（図２Ｂ参照）等の相転移を経て、前記複合構造体２６からの１つ以上の気体１１８（図２Ｂ参照）を実質的に置き換える添加ガス１１６（図２Ｂ参照）を形成するために十分な時間にわたり前記上昇後温度１１３を維持するステップ４０を含む。前記１つ以上の気体１１８は、吸収された水分、溶存水、樹脂アウトガスもしくは他の樹脂副生成物、気体反応生成物、または他の適切な気体を含め、既存の封じ込められた空気および揮発性物質を含むことができる。前記複合構造体２６を加熱して前記添加物相転移温度６４を超える前記上昇後温度１１３まで温度を上昇させることがさらに、約１分から約１５分の範囲の時間１１４（図２Ｂ参照）にわたり、前記上昇させた温度を維持することを含むことが好ましい。好ましくは、前記複合構造体２６を加熱して前記添加物相転移温度６４を超える前記上昇後温度１１３まで温度を上昇させることがさらに、前記樹脂硬化温度６６を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る温度、好ましくは前記添加物相転移温度６４を約５°Ｆ〜１０°Ｆ上回る温度、より好ましくは前記添加物相転移温度６４を約５°Ｆ上回る温度である上昇後温度１１３まで加熱することを含む。
【００４８】
図１に詳細に示すように、前記方法３０はさらに、前記添加ガス１１６が相転移を経て凝縮相１２７（図２Ｂ参照）となり、前記複合構造体２６内の真空圧力９４（図２Ｂ参照）を実質的に低下させて、前記複合構造体２６の空隙率１３４（図２Ｂ参照）を低減させることができるよう、前記上昇後温度１１３（図２Ｂ参照）を元の前記樹脂硬化温度６６まで下げるステップ４２を含む。前記添加ガス１１６が相転移を経て凝縮相１２７（図２Ｂ参照）となり、前記複合構造体２６内の真空圧力９４を実質的に低下させ、前記上昇後温度１１３を元の前記樹脂硬化温度まで下げることが、約８０％〜約９９％の範囲で前記複合構造体２６の空隙率低減率１３５（図２Ｂ参照）をもたらすことが好ましい。前記方法３０は、２％未満の空隙率等、空隙率の低い航空機の複合材部品２８等の複合構造体２６を生成することが好ましい。
【００４９】
前記方法３０はさらに、前記複合構造体２６を冷却するステップ４４を含む。図２Ｃに示すように、前記システム５０は硬化後サイクル１４０を含むシステム部分５０ｃを含む。図２Ｃに示すように、前記硬化後サイクル１４０は、有効な時間、複合構造体２６を冷却するステップ１４２を含む。前記複合構造体２６はそれ自身で冷却してもよいし、冷却ユニットもしくは他の適切な冷却装置等、冷却装置１４４（図２Ｃ参照）を用いて冷やしてもよい。前記硬化後サイクル１４０はさらに、前記硬化された複合構造体を、前記加熱装置８８から除去するステップ１４６を含む。前記硬化された複合構造体２６を除去することは、熱防護ハンド手袋もしくは防護トング等の除去装置１４８（図２Ｃ参照）を用いて行うことができる。図２Ｃに示すように、前記硬化後サイクル１４０はさらに、前記硬化された複合構造体２６を機械加工１５２、接合１５４、またはコーティング１５６する等、完了処理のステップ１５０を含むことができる。
【００５０】
よって、前記方法３０（図１参照）とシステム５０（図２Ａ〜２Ｃ）は、前記オートクレーブ９０もしくはオーブン９２で硬化された複合プリプレグ材料７０の前記樹脂材料５６に追加される添加物５４を提供する。前記添加物５４は、前記硬化真空圧力９４において、前記複合構造体２６の前記樹脂材料５６の目的の樹脂硬化温度６６より上で、前記添加物の液体から気体への相転移６２（図２Ｂ参照）を経ることが好ましい。硬化サイクル８４中、前記複合構造体２６が通常、有意な時間、ある温度に保持される場合、低下した樹脂粘性１０６（図２Ｂ参照）が最低樹脂粘度に近い１０８（図２Ｂ参照）状態で、かつ、前記樹脂材料５６がまだゲル化されていない場合、前記複合構造体２６の熱は、前記添加物相転移温度６４および前記樹脂硬化温度６６を超える上昇後温度１１３まで一時的に上げられる。前記添加物５４は、添加物の液体から気体への相転移６２を経て、その容積を数百倍増加させる。この新しい添加ガス１１６は、吸収された水分、溶存水、樹脂アウトガス、もしくは他の樹脂副生成物、気体反応生成物、または前記複合構造体２６からの他の適切な気体を含め、封じ込められた空気および揮発性物質を含む他の既存の１つ以上の気体１１８（図２Ｂ参照）を置き換えるもしくは押し出す。前記添加ガス放出の質量率が低下１２２（図２Ｂ参照）した段階で、前記熱低下ステップ１２０は、添加ガス１１６が凝縮相１２７への相転移または添加物の気体から液体への相転移１２６（図２Ｂ参照）を経るようにさせるため、前記熱および前記上昇後温度１１３を元の前記樹脂硬化温度６６まで下げる。これによって、空隙１３０（図２Ｂ参照）とガスチャネル１３２（図２Ｂ参照）内の真空圧力９４を実質的に減少もしくは低減させ、空隙１３０とガスチャネル１３２の崩壊をさらにずっと迅速かつ完全に生じさせ、これによって今度は、前記複合構造体２６内の正味空隙量１３６、すなわち空隙率１３４の低減を生じさせる。追加の利点として、内圧に対する外圧の増加率１３８（図２Ｂ参照）は、オーブン９２内等、オートクレーブ９０からの複合構造体２６の処理を提供する。
【００５１】
本発明の別の実施形態において、前記方法３０（図１参照）は、航空機の複合材部品２８（図２Ａ参照）における空隙率１３４（図２Ｂ参照）を低減する。前記方法３０は、添加物／樹脂混合物５８（図２Ａ参照）を形成するため、添加物５４（図２Ａ参照）を樹脂材料５６（図２Ａ参照）に追加するステップ３２を含む。前記添加物５４は、前記樹脂材料５６の樹脂硬化温度６６（図２Ａ参照）より高い添加物相転移温度６４（図２Ａ参照）を有する相転移材料６０（図２Ａ参照）を含む。前記添加物５４は、１気圧で約２５０°Ｆ（華氏）から約９５０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する９つ以上の炭素原子を有するアルカン、１気圧で約３９２°Ｆから約５００°Ｆの範囲の温度の沸点を有するフェニルプロペン、１気圧で約４２２°Ｆから約９８０°Ｆの範囲の温度の沸点を有する多環式芳香族炭化水素、および前述のトリアシルグリセリドまたは他の適切な添加物を含む相転移材料６０であることが好ましい。前記樹脂材料５６は、エポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせを含むことが好ましい。
【００５２】
前記航空機の複合材部品２８の空隙率１３４（図２Ｂ参照）を低減するための前記方法３０はさらに、複合プリプレグ材料７０（図２Ａ参照）を形成するため、前記添加物／樹脂混合物５８を複数の強化繊維６８、好ましくは複数の強化炭素繊維と結合することを含む。前記方法はさらに、手動積層８０または積層マシン７６（図２Ａ参照）を用いる等の自動積層を含む形成プロセス７８を介して、前記複合プリプレグ材料７０を積層すること、および前記複合プリプレグ材料７０を航空機の複合材部品２８に形成することを含む。前記方法はさらに、真空圧力９４（図２Ｂ参照）下において、真空バッグ９８（図２Ｂ参照）下で前記航空機の複合材部品２８を囲むことを含む。前記方法３０はさらに、前記樹脂材料５６の低下した樹脂粘性１０６（図２Ｂ参照）を達成するために十分な樹脂硬化温度６６まで、オートクレーブ９０またはオーブン９２を含む加熱装置８８内で、有効な時間、有効な真空圧力９４で、前記真空バッグ９８下で囲まれた前記航空機の複合材部品２８を熱硬化するステップ３８を含む。前記方法３０はさらに、有効な樹脂硬化時間、前記樹脂硬化温度６６を維持すること１０４（図２Ｂ参照）を含む。前記方法３０はさらに、前記航空機の複合材部品２８を加熱して、前記添加物相転移温度６４および前記樹脂硬化温度６６を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る上昇後温度１１３（図２Ｂ参照）まで温度を上昇させるステップ４０を含む。前記方法はさらに、前記添加物５４が相移転を経て、かつ、前記航空機の複合材部品２８からの１つ以上の気体１１８（図２Ｂ参照）を実質的に置き換える添加ガス１１６（図２Ｂ参照）を形成するために十分な時間、前記上昇後温度１１３を維持するステップ１１４を含む。前記方法３０はさらに、前記添加ガス１１６が相転移を経て凝縮相１２７（図２Ｂ参照）となる結果、前記航空機の複合材部品２８内の真空圧力９４が実質的に低下して前記航空機の複合材部品２８の前記空隙率１３４が約８０％〜約９９％の範囲で低減するよう、前記上昇後温度１１３を元の前記樹脂硬化温度６６まで下げるステップ４２を含む。前記方法３０はさらに、前記複合構造体２６、好ましくは前記航空機の複合材部品２８を冷却するステップ４４を含む。前記方法はさらに、前記冷却された航空機の複合材部品を前記オートクレーブ９０から除去することを含む。
【００５３】
本発明の別の実施形態では、前述のとおり、複合構造材２６（図２Ａ参照）の空隙率１３４（図２Ｂ参照）を低減するためのシステム５０（図２Ａ〜２Ｃ参照）がもたらされる。前記システム５０は複合プリプレグ材料７０（図２Ａ参照）を含む。前記複合プリプレグ材料７０は、複数の強化繊維６８（図２Ａ参照）、好ましくは添加物／樹脂混合物５８（図２Ａ参照）を予め含侵させた複数の強化炭素繊維を含む。前記添加物／樹脂混合物５８の前記添加物５４（図２Ａ参照）は、前記樹脂材料５８の樹脂硬化温度６６（図２Ａ参照）より高い添加物相転移温度６４（図２Ａ参照）を有する相転移材料６０（図２Ａ参照）を含む。前記添加物５４は、前記方法３０に照らし詳述したコンポーネントと構成物を含む相転移材料６０を含むことが好ましい。前記樹脂材料５６は、エポキシ樹脂、エポキシアミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイド樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、およびこれらの組み合わせ、または別の適切な樹脂を含むことが好ましい。
【００５４】
前記システム５０はさらに、前記複合プリプレグ材料７０を複合構造体２６（図２Ａ参照）に積層するよう適合された積層マシン７６（図２Ａ参照）を含む形成装置７４（図２Ａ参照）を含む。前記システム５０はさらに、真空バッグ９８（図２Ｂ参照）を含む真空デバイス９６（図２Ｂ参照）を含む。前記真空デバイス９６は、有効な真空圧力９４（図２Ｂ参照）の真空下で前記複合構造体２６を囲むまたは覆うよう適合される。
【００５５】
前記システム５０はさらに、オートクレーブ９０（図２Ｂ参照）もしくはオーブン９２（図２Ｂ参照）を含む加熱装置８８（図２Ｂ参照）を含む。前記加熱装置８８は、前記真空デバイス９６で囲まれた前記複合構造体２６を、有効な樹脂硬化温度６６まで熱硬化し、かつ、前記樹脂材料５８の低下した樹脂粘性１０６（図２Ｂ参照）を達成するために十分な有効時間、前記樹脂硬化温度６６を維持するよう適合されている。前記加熱装置８８はさらに、前記複合構造体２６を加熱して、前記添加物相転移温度６４および前記樹脂硬化温度６６を超える上昇後温度１１３（図２Ｂ参照）まで温度を上昇させ、かつ前記添加物５４が相移転を経て前記複合構造体２６からの１つ以上の気体１１８（図２Ｂ参照）を実質的に置き換える添加ガス１１６（図２Ｂ参照）を形成するために十分な時間にわたり前記上昇後温度１１３を維持するよう適合されている。前記加熱装置８８はさらに、前記添加ガス１１６が凝縮相１２７（図２Ｂ参照）へと相転移を経て、前記複合構造体２６内の実質的に低下された真空圧力９４をもたらし、かつ、前記複合構造体２６の空隙率１３４（図２Ｂ参照）を低減させることができるよう、前記上昇後温度１１３を元の前記樹脂硬化温度６６まで下げるよう適合されている。前記上昇後温度１１３は、前記樹脂硬化温度６６を約華氏５度から約華氏２０度の範囲だけ上回る温度であることが好ましく、好ましくは前記添加物相転移温度６４を約華氏５度から約華氏１０度上回る温度であり、さらに好ましくは前記添加物相転移温度６４を約華氏５度上回る温度である。前記複合構造体２６の前記空隙率１３４の前記低減が、約８０％〜約９９％の空隙率低減１３５（図２Ｂ参照）の範囲であることが好ましい。
【００５６】
図３は、本発明の方法３０（図１参照）に係る各種実施形態のうちの一実施形態によって作成される複合構造体２６を組み込むことができる例示の航空機１０の斜視図である。図３に示すとおり、前記航空機１０は機体１２、機首１４、コックピット１６、翼１８、１つ以上の推進ユニット２０、垂直尾部２２、および水平尾部２４を含む。前記複合構造体２６は航空機の複合材部品２８であることが好ましい。図３に示す航空機１０は概して、１つ以上の複合構造体２６を有する民間旅客機を表したものであるが、本発明の実施形態の教示内容は、他の旅客機、貨物航空機、軍用機、回転翼航空機、およびその他の種類の航空機もしくは高所作業車に加え、航空宇宙機、衛星、航空打ち上げ機、ロケット、およびその他の航空宇宙機、およびボートとその他の船、列車、自動車、トラック、バス、または複合構造体を有する他の適切なビークルもしくはアイテムに適用することができる。
【００５７】
当該技術分野の当業者に認識できるように、前記複合構造体２６を形成するために使用される前記複合プリプレグ材料７０に、前記添加物５４を組み込むことは、多数の大きな効果をもたらす。前記方法３０（図１参照）と前記システム５０（図２Ａ〜２Ｃ参照）に係る開示の実施形態は、複合構造体の製造プロセスに大きな変化を必要とせず、特に、前記複合プリプレグ材料を前記複合構造体に形成した後、大型の複合構造体等の前記複合構造体が、長時間（１２〜２４時間またはそれ以上）にわたる真空圧力下での硬化前の真空保持を受ける必要がないことが好ましい。このような硬化前の真空保持を排除することで、全体の製造プロセス時間を縮小でき、これによって、製造コスト全体の低減につながり、特に大型の複合材部品の製造コスト全体の低減を可能にする。
【００５８】
また、前記複合構造体２６の熱を前記上昇後温度１１３まで上げること、および前記添加物５４が添加物の液体から気体への相移転６２を経て、かつ、前記複合構造体２６からの１つ以上の気体１１８を実質的に置き換える添加ガス１１６を形成するために十分な時間、前記上昇後温度１１３を維持することの第２加熱ステップ１１０（図２Ｂ参照）を有する硬化サイクル８４全体に対し、追加の時間は増えない。さらに、前記方法３０（図１参照）と前記システム５０（図２Ａ〜２Ｃ参照）に係る開示の実施形態は、好ましくは前記複合構造体２６の製造中に、前記空隙率１３４、すなわち空隙量１３６（図２Ｂ参照）を、約８０％から約９９％の範囲の空隙率低減１３５、すなわち空隙量低減１３７（図２Ｂ参照）で、低減する方法３０とシステム５０をもたらす。このような空隙率と空隙の低減または軽減によって、２％未満等の低レベルの空隙率または低い空隙量がもたらされ、これによって、航空機の複合材部品２８等の複合構造体２６の製造が、せん断強度等の改善された機械的特性、および強化性能を有することを実現する。このことによって、処理中の問題、見落とし、誤りを原因として生じる、複合構造体もしくは部品の不適合品の廃棄が減り、結果的に、製造コストおよび、複合構造体もしくは部品の追加品または交換品を製造しなければならないことに関連するコストの低減につながる。
【００５９】
上述の説明および関連する図面に示した教示の利点に接した、当該発明の属する技術分野の当業者であれば、本発明の多数の変形例および他の実施形態が想起されるであろう。本明細書に記載した実施形態は、例示を意図したものであって、限定的または網羅的であることを意図していない。本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは、一般的および説明的な意味でのみ使用されており、限定を意図するものではない。
【符号の説明】
【００６０】
１０    航空機
１２    機体
１４    機首
１６    コックピット
１８    翼
２０    推進ユニット
２２    垂直尾部
２４    水平尾部
２６    複合構造体
【図１】
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【図２Ａ】
2014051093.tif 000003
【図２Ｂ】
2014051093.tif 000004
【図２Ｃ】
2014051093.tif 000005
【図３】
2014051093.tif 000006
【外国語明細書】
2014051093000001.pdf
2014051093000002.pdf
2014051093000003.pdf
2014051093000004.pdf