(57)【要約】【課題】製造フローまたは重量に影響を及ぼすことなく、複合構造体の耐火性を高め、かつ破壊靱性を維持する。【解決手段】複合構造体の耐火性および破壊靱性を高めるための方法および装置が記載されている。例示的な装置は、最も内側のプライと、構造体の耐燃性を高める第１の添加剤を含む耐火プライであって、複合構造体の内側プライである、耐火プライと、によって形成されている複合構造体を含む。【選択図】図１Ａ
2019025906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構造体を含む装置であって、
複合構造体が、
最も内側のプライ（１０２）と、
構造体の耐燃性を高める第１の添加剤を含む耐火プライであって、複合構造体の内側プライ（１０６）である、耐火プライと、
で形成される、装置。
【請求項２】
耐火プライが、複合構造体のプライの最も内側の５０％内に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
耐火プライが、複合構造体のプライの最も内側の３３％内に配置される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
耐火プライが、複合構造体のプライの最も外側の３３％内に配置される、請求項１から３の何れか一項に記載の装置。
【請求項５】
最も内側のプライ（１０２）が、第１の角度に配向し、隣接するプライが、第２の方向に配向する、請求項１から４の何れか一項に記載の装置。
【請求項６】
最も内側のプライ（１０２）が、第１の厚さを有し、耐火プライが、第１の厚さ未満の第２の厚さを有する、請求項１から５の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
追加の内側プライ（１０６）をさらに含み、追加の内側プライ（１０６）が、第１の添加剤を含まず、追加の内側プライ（１０６）の耐燃性が、耐火プライの耐燃性よりも低い、請求項１から６の何れか一項に記載の装置。
【請求項８】
構造体の破壊靭性を高める第２の添加剤をさらに含む、請求項１から７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
火炎との接触時に炭化され保護層を形成する第２の添加剤をさらに含み、第２の添加剤が、熱可塑性物質である、請求項１から８の何れか一項に記載の装置。
【請求項１０】
最も内側のプライ（１０２）が、第１のタイプの複合体プライであり、隣接するプライが、第２のタイプの複合体プライである、請求項１から９の何れか一項に記載の装置。
【請求項１１】
第１の複合体プライを配置するステップと、
耐火性添加剤を含む第２の複合体プライを配置するステップと、
第３の複合体プライを配置するステップと、
プライを硬化して耐火性を有する複合構造体を形成する、硬化するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
複合構造体の破壊靱性を高める高靭性化剤を有する第２の複合体プライを形成するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１の複合体プライと第３の複合体プライとの間に配置された少なくとも１つの追加の複合体プライをさらに含み、少なくとも１つの追加の複合体プライが、耐火性添加剤を含まない、請求項１１または１２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、複合構造体に関し、より詳細には、製造フローまたは重量に影響を及ぼすことなく、複合構造体の耐火性を高め、かつ破壊靱性を維持する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の胴体は、規制機関（例えば、米国連邦航空局）によって設定された安全基準を満たすことが要求される。典型的には、航空機の胴体構造および対応する最小スキンゲージは、規制および安全基準に基づいて機械的負荷および／または損傷許容度によって寸法決めされる（例えば、ボーイング７８７およびエアバスＡ３５０）。現在までのところ、大型航空機の最小スキンゲージは、十分な熱的厚さを持ち、火炎の伝播を防ぐのに十分な程度に耐火性である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
例示的装置は、最も内側のプライと、構造体の耐燃性を高める第１の添加剤を含む耐火プライとによって形成された複合構造体を含み、耐火プライが、複合構造体の内側プライである。
【０００４】
他の例示的装置は、航空機のマルチプライ構造体のプライを形成するためのベース複合体、プライおよびマルチプライ構造体の燃焼性を低減する第１の添加剤、およびマルチプライ構造体の破壊靭性を高める第２の添加剤を含む。
【０００５】
例示的方法は、第１の複合体プライを配置するステップと、耐火性添加剤を含む第２の複合体プライを配置するステップと、第３の複合体プライを配置するステップと、プライを硬化して耐火性を有する複合構造体を形成する、硬化するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】本明細書に記載の例示的マルチプライ複合構造体の断面図である。
【図１Ｂ】本明細書に記載の例示的マルチプライ複合構造体の断面図である。
【図１Ｃ】本明細書に記載の例示的マルチプライ複合構造体の断面図である。
【図２】図１Ａの例示的マルチプライ複合構造体の分解図である。
【図３】本明細書に記載の例示的マルチプライ複合構造体が実施され得る胴体を含む航空機を示す。
【図４】本明細書に記載の例示的マルチプライ複合構造体が実施され得る例示的航空機の例示的断面図を示す。
【図５Ａ】耐火性添加剤を含み得る航空機の例示的ストリンガーを示す。
【図５Ｂ】耐火性添加剤を含み得る航空機の例示的ストリンガーを示す。
【図６】図１Ａ−１Ｃの例示的マルチプライ複合構造体を製造する方法を表す例示的フローチャートを示す。
【図７】例示的複合構造体を通る熱流束を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面は縮尺通りではない。その代わりに、複数の層および領域を明確にするために、層の厚みが図面中で拡大される場合がある。可能な限り、同じまたは同様の部分を指すために、図面および付随する説明の全体にわたって同じ参照番号が使用される。本願において使用されるように、任意の部分（例えば、層、フィルム、領域またはプレート）が、何らかの形で他の部分上に配置されているということ（例えば、その上に配置される、位置付けられる、配列される、または形成されるなど）は、参照された部分が、他の部分と接触していること、または参照された部分が他の部分の上にあり、その間に１つまたは複数の中間部分が配置されていることを示す。任意の部分が他の部分と接触しているということは、その２つの部分の間に中間部分がないことを意味する。
【０００８】
本明細書に記載の例示的複合構造体は、少なくとも１つのプライに添加された耐火材料を含むマルチプライ複合構造体である。本明細書で使用される場合、耐火性という用語は、耐火性および／または難燃性である材料を指すために使用する場合がある。例示の耐火材料では、耐火材料を追加の非構造プライに添加するのではなく、むしろ構造上の理由から必要とされるプライに添加することができる。したがって、例示の複合構造体は、追加の耐火性コーティングまたは個々に追加された非構造的プライを有する複合構造体と比較して、より迅速にかつ低コストで製造することができる。本明細書に記載の例示の複合構造体は、航空機、船舶、宇宙船、自動車、陸上車両、タービン、スポーツ用機器、軍事用機器、医療機器、消費財などを含む様々な用途に使用され得る。本明細書に記載の一体型耐火性材料を有する例示の複合構造体は、複数の産業の耐火基準および破壊靭性基準を満たす。
【０００９】
例示的複合構造体は、少なくとも第１のプライと第２のプライとを含む。ある例では、第１のプライは第２のプライと異なる厚さを有してよく、および／または第２のプライとは異なる材料で作製されてよい。例えば、第１のプライは、７．５マイクロインチから９マイクロインチまでの間の厚さを有する織物タイプの複合材料であってよく、第２のプライは、５マイクロインチから８マイクロインチまでの間の厚さを有するテープタイプの複合材料であってよい。あるいは、第１および第２のプライは、実質的に同じ厚さであってよく、同じタイプの複合体から作製されてよい。プライの１つは、複合構造体の耐燃性を高める添加剤（例えば、無機−有機ハイブリッド材料）を含んでよい。ある例では、第２のプライは添加剤を含む。ある例では、第１のプライは第１の角度で配向し、第２のプライは第２の角度で配向する（すなわち、第１のプライの複合繊維は、第２のプライの繊維に対して異なる方向に配向する）。
【００１０】
ある例では、複合構造体は、織物タイプの複合体プライ、テープタイプの複合体プライ、プリプレグプライ、電磁気効果（ＥＭＥ）プライ、または任意の他のタイプの複合体プライであってよい１つまたは複数の追加のプライを含む。ある例では、複合構造体の上面および底面（例えば、内面および外面、第１のプライおよび最後のプライ）は、織物タイプの複合体プライによって形成される。さらに、複合構造体の最初および最後のプライは、内側プライ（例えば、第２のプライ）に含まれる添加物を含まなくてよい。ある例では、複合構造体は、添加剤（例えば、第２プライに添加されてよい難燃性を高める添加剤）を含まない１つ以上の追加の内側プライを含む。そのような例では、添加物を含むプライ（例えば、第２のプライ）は、複合構造体の他のプライの耐燃性よりも高い耐燃性を有する。複合構造体の単一のプライ、例えば第２のプライの難燃性を増加することにより、構造体全体の難燃性が増加する。
【００１１】
ある例では、複合構造体の１つ以上のプライは、複合構造体の破壊靭性または強度を増加させる第２の添加剤を含む。ある例では、第２の添加剤は、耐燃性を高める添加剤と同じプライに添加される。ある例示的第２の添加剤は、火炎伝播に対して保護層を形成するために火炎と接触すると炭化する熱可塑性物質を含む。
【００１２】
例示的プライは、プライを形成するために使用されるベース複合体（例えば、複合体樹脂、繊維など）を含んでよい。ある例では、ベース複合体は、約３０質量％−４５質量％の樹脂であってよい。複合体の繊維（例えば、炭素繊維）の体積分率は、４５％から６５％の間であってよい。複数のプライが、ベース複合体によって形成されてよい。ある例では、同じベース複合体を使用して、異なるタイプの複合体プライ（例えば、テープタイプのプライ、織物タイプのプライ、プリプレグプライ、ＥＭＥプライなど）を形成してよい。第１の添加剤（例えば、無機−有機ハイブリッド難燃剤）は、ベース複合体の一部（例えば、マルチプライ複合構造体の１つのプライを形成するために使用され得る複合体樹脂の一部分）に添加されてよい。第１の添加剤は、火炎源にさらされた表面付近のプライの、結果的に複合構造体の、燃焼性を低減するように作用することができる。
【００１３】
ある例では、第２の添加剤（例えば、炭化熱可塑性物質）をベース複合体の部分に添加してもよい。第２の添加剤は、マルチプライ複合構造体の破壊靭性を高めるように作用することができ、ナノチューブ、ナノ粒子、フィルム、ベール、メッシュ、高靭性化粒子、またはフィラメント状材料の形態であってよい。追加的にまたは代替的に、第２の添加剤は、例えば、第２の添加剤がベールまたは特定の粒子（例えば、ＰＥＥＫ粒子）である場合、耐燃性をさらに向上させることができる。すなわち、ある例では、複合構造体の第２のプライが第１の添加剤を含んでよく、複合構造体の追加のプライ（例えば第３のプライ、第４のプライ）が第２の添加剤を含んでよい。さらに、ある例では、第２の添加剤が炭化熱可塑性物質である場合、第２の添加剤中の炭化を促進するために、第３の添加剤（例えば、カオリンクレイ、メラミンなど）を第２の添加剤と共に添加してよい。
【００１４】
例示のプライは、第１のプライ（例えば、最も内側のプライ）を配置するステップと、耐火性添加剤（例えば、無機−有機ハイブリッド材料）を含む第２のプライを配置するステップと、および第３のプライ（例えば、最も外側のプライ）を配置するステップとによって、複合構造体（例えば、航空機の複合体胴体）に形成されてよい。いくつかの実施例では、プライは、織物タイプの複合体、テープタイプの複合体、プリプレグ複合体、および／またはそれらの任意の組合せであってよい。さらに、ある例示的複合構造体は、第１のプライと第３のプライとの間に配置された追加の内側プライを含んでよい。ある例では、追加の内側プライの各々は、添加剤を含む第２のプライのいずれかの側に配置されてよい。すなわち、添加剤を含むプライは、必ずしも複合構造体の第２の層である必要はない。典型的には、耐火性を向上する添加剤を含むマルチプライ複合構造体のプライは、複合構造体の第２の表面（例えば、外面）よりも複合構造体の第１の表面（例えば、内面）の近くに配置される。その結果、例示的複合構造体は、複合構造体の内部の火炎伝播を防止する。追加の内側プライは、添加剤を含まなくてもよい。あるいは、追加のプライの１つ以上は、耐火性を向上する添加剤を含む第２プライとは異なる添加剤（例えば、靱性を高める添加剤、炭化を誘発する添加剤）を含んでよい。マルチプライ構造体の全てのプライを配置した後、プライは硬化され（例えば、共硬化および／または共結合プロセスを用いて）、耐火性を有する単一の複合構造体（例えば、航空機の胴体）を形成する。
【００１５】
航空機の胴体は、規制機関（例えば、米国連邦航空局）によって設定された安全基準を満たすことが要求される。典型的には、航空機（例えば、ボーイング７８７およびエアバスＡ３５０）の胴体構造および対応する最小スキンゲージは、機械的負荷によって寸法が決定される。現行の大型航空機の最小スキンゲージは熱的厚さであり、火炎の伝播を防ぐのに十分な程度に耐火性である。胴体構造上の機械的負荷要求が低減された小型の旅客機は、規制および安全基準に基づいて機械的負荷および／または損傷許容度によって寸法が決定され（例えば、胴体の寸法または厚さが決定される）、熱的厚さを持たず、追加の加工ステップ（コーティング、フィルム、発泡体など）を通じた特別な材料の追加なしでは燃焼性安全基準を満たさない、最小限のゲージを有する胴体を有してよい。現在の例では、胴体が組み立てられた後、耐火性コーティングが胴体に与えられる。耐火性コーティングは、スプレーオンコーティングまたは層であってよく、または胴体の内面に与えられた異なるタイプのコーティングであってもよい。しかしながら、耐火性コーティングを施すことは、胴体の製造時間および／またはコストを増加させる場合がある。他の現在の例では、胴体構造体の硬化の前に、追加の加工ステップを用いて胴体構造体に材料を追加する場合があり、これは構造体の重量を増加し得る。結果的に、本明細書に記載の例示の複合構造体は、製造時間を増加させることなく、または複合構造体に重量を追加することなく、複合構造体の破壊靱性を維持しながら、十分な防火を提供するので、本明細書に記載の例示的複合構造体は、これらの現在の例と比較して優れている。
【００１６】
図１Ａ−１Ｃは、本明細書に記載の例示的複合構造体１００、１０１、１０３の断面図を示す。図１Ａ−１Ｃに示される例では、複合構造体１００、１０１、１０３は、複数のプライまたは層を含む。例示的複合構造体１００、１０１、１０３は、耐火性の層を含む。すなわち、複合構造体１００、１０１、１０３において他の層よりも耐火性であると評価される層である。例えば、複合構造体１００、１０１、１０３の第２の層は、複合構造体１００、１０１、１０３の残りの層と比較して耐燃性が高くてよい。耐火性が高い単一の層を含むことで、複合構造体１００、１０１、１０３の全体的な耐火性が増加する。あるいは、耐火層は、複合構造体１００、１０１、１０３内部の異なる位置にあってよいが、典型的には、複合構造体１００、１０１、１０３の層の最も内側の５０％内、好ましくは層の最も内側の３３％内にある。ある例では、耐火層は、熱放出値を低減し、内面での火炎伝播を防止するために、プライの最も内側の３％内およびプライの最も内側の３３％内にある。ある例では、耐火プライは、外部源または燃料タンクからの火炎伝播を防ぐために、層の最も外側の３３％内に配置され得る。そのようなある例では、２つの耐火プライが複合構造体１００、１０１、１０３に含まれてよく、第１の耐火プライが層の最も内側の３３％内にあり、第２の耐火プライが層の最も外側の３３％内にある。さらに、耐火層により、火炎伝播を開始するのに必要な発火温度を上昇させることができ、それにより、火炎伝播をさらに防ぎ、複合構造体１００、１０１、１０３の燃焼性を低減することができる。典型的には、複合構造体１００、１０１、１０３は、等方的に対称（例えば、層スタックの中心点に対して対称）であることが好ましい。ある例では、複合構造体１００、１０１、１０３上の特定の点で複合構造体１００、１０１、１０３に追加された対象物（例えば、ストリンガー４１２、他のフレーム要素）は、複合構造体１００、１０１、１０３がそれらの点で等方的に対称であることを妨げる場合がある。
【００１７】
ある例では、複合構造体１００、１０１、１０３の単一のプライのみが耐火性である。ある例では、７層以下のプライを有する複合構造体において、複合構造体は少なくとも１つの耐火プライを含み、複合構造体における層の８０％までが耐火プライであってよい。そのようなある例では、１つまたは複数の耐火層は、複合構造体の最内面からの炎に対する保護を提供するために、プライの最も内側の５０％内に配置されてよく、複合構造体の外面からの炎に対する保護を提供するために、プライの最も外側の５０％内に配置されてよい。ある例では、耐火プライは、複合構造体の両側に防火性を提供するために、プライの最も内側の４３％内およびプライの最も外側の４３％内の両方に配置することができる。複数の耐火プライを含むある例では、耐火プライは一緒にグループ化されてもよく、標準的な複合体プライと交互にされてもよい。プライの３３％超が耐火プライである例では、最も内側のプライおよび／または最も外側のプライはすべて耐火プライであってよい。
【００１８】
より多数のプライ（例えば、８−１１プライ）を含む複合構造体において、少なくとも１つのプライは耐火プライであり、例示的複合構造体は、複数の耐火プライ（例えば、１つから３つの耐火プライ）を含んでよい。ある例では、複合構造体のプライの５０％までが耐火プライであってよい。例示的な１つまたは複数の耐火プライは、複合構造体の最も内側からの炎に対する保護を提供するために、プライの最も内側の４０％内に配置されてよく、複合構造体の外側からの炎に対する保護を提供するために、プライの最も外側の４０％内に配置されてよい。ある例では、耐火プライは、複合構造体の両面に防火性を提供するために、プライの最も内側の３３％内およびプライの最も外側の３３％内の両方に配置されてもよい。プライの５０％が耐火プライである例では、耐火プライは、プライの最も内側の５０％に配置されてよく、プライの最も外側の５０％に配置されてよく、または複合構造体のいずれの側からも十分な耐火性を提供するために最も内側のプライと最も外側のプライとの間に分割して配置されてよい。複数の耐火プライを含む例では、耐火プライは一緒にグループ化されてよく、または耐火プライの間に１つ以上の標準プライを含むように離間されてもよい。
【００１９】
ある例示的複合構造体（例えば、１１層を超える複合構造体）では、例示的複合構造体は、複数の耐火プライ（例えば、１つから３つの耐火プライ）を含んでよい。ある例では、複合構造体のプライの３３％までが耐火プライであってよい。例示的な１つまたは複数の耐火プライは、複合構造体の最も内側からの火炎に対する保護を提供するために、プライの最も内側の３３％内に配置されてよく、複合構造体の外側からの火炎に対する保護を提供するために、プライの最も外側の３３％内に配置されてよい。ある例では、耐火プライは、複合構造体の両面に耐火性を提供するために、プライの最も内側の３３％内およびプライの最も外側の３３％内の両方に配置されてよい。複数の耐火プライを含む例では、耐火プライは一緒にグループ化されてよく、または耐火プライの間に１つ以上の標準プライを含むように離間されてもよい。複数の耐火プライを含む例では、耐火プライは、任意の好適な方法で複合構造体全体に分散され得る。
【００２０】
図示の例では、複合構造体１００、１０１、１０３は、複合構造体の外面を形成する２つの層１０２、１０４、１２６（例えば、最も内側の層１０２、１２６、最も外側の層１０４）を含む。図１Ａに示すように、耐火層は、好ましくは２つの外側層１０２、１０４の間の内側層１０６のうちの１つであってよい。例えば、図１Ａの例示的複合構造体１００において、耐火層は第２の層１０８である。例示的複合構造体１００は、さらなる内側層１０６も含む。図示された例では、複合構造体１００は、外側層１０２、１０４（例えば、第１の層１０２および第８の層１０４）の間に配置された、第３の層１１０、第４の層１１２、第５の層１１４、第６の層１１６および第７の層１１８を含む。図示された例では、複合構造体１００は、第４および第５の層１１２および１１４の間の平面１１３に対して（例えば、層１０６の向きに関して）対称である。
【００２１】
図１Ｂの複合構造体１０１の図示の例では、耐火層は第３の層１２４であってよい。図１Ｂの例示の複合構造体１０１は、図１Ａの複合構造体１００とは異なる数の層を含む。他の事例では、複合構造体の用途および燃焼性要件に適した任意の他の数の層（例えば、より少ない層、より多くの層）を含むことができる。例示的複合構造体１０１は、例示的複合構造体１００と同様に、外側層１０２、１０４を含む。しかしながら、例示的複合構造体１０１の内側層１２０は、異なっていてよい。図示された例示的複合構造体１０１において、内側層１２０は、図１Ａの複合構造体１００の内側層１０６と実質的に同様の層を含むことができ、同様の参照番号が使用される。複合構造体１０１の例示的内側層１２０は、耐火性でない第２の層１２２と、耐火性である第３の層１２４と、第４の層１１０と、第５の層１１４と、第６の層１１８とを含む。図示された例では、複合構造体１０１は、第４の層１１０の中央の平面１１１に関して対称である。
【００２２】
図１Ｃに図示される例では、例示的複合構造体１０３は、耐火層の配置を除いて、図１Ａの複合構造体１００と実質的に同じである。図１Ｃの例示の複合構造体において、第１の層１２６は耐火層である。したがって、複合構造体１０３の内側層１２８は、どのような耐火層も含まない。複合構造体１０３の第２の層１２２は、図１Ｂの複合構造体１０１の第２の層１２２と実質的に同じである。複合構造体１０３の第３から第８の層１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１０４は、複合構造体１００の第３から第８の層１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１０４と実質的に同じであり、同様の参照番号が使用されている。図示された例において、複合構造体１０３は、第４および第５の層１１２および１１４の間の平面１１５に対して（例えば、層１０６の方向性に関して）対称である。
【００２３】
各複合構造体１００、１０１、１０３の例示的耐火層１０８、１２４、１２６は、複合構造体１００、１０１、１０３を形成する前に、耐火添加剤（例えば、第１の添加剤）１３０が層１０８、１２４、１２６に添加されることに起因して、（すなわち、複合構造体１００、１０１、１０３の他の層に関して）耐燃性が増加され得る。複合構造体１００、１０１、１０３の図示の例において、複合構造体１００、１０１、１０３の単一の層（例えば、層１０８、層１２４）への第１の添加剤１３０の添加は、所望の難燃性を実現するのに十分である。他の例では、追加の層が、複合構造体１００、１０１、１０３の耐燃性をさらに増加するために、耐火添加剤を含んでよい。ある例では、第１の添加剤１３０は、複合構造体１００、１０１、１０３に添加される前に、第２の添加剤１３２（例えば、炭化剤）および／または第３の添加剤１３４（高靭性化剤）と組み合わされてよい。あるいは、第１、第２および第３の添加剤１３０、１３２、１３４が、複合構造体１００、１０１、１０３に個々に加えられてよい。ある例では、複合構造体１００、１０１、１０３は、繊維（例えば、炭素繊維）を添加したエポキシ系構造（例えば複合構造体１００、１０１、１０３の層がエポキシ系樹脂である）であってよい。第１、第２および／または第３の添加剤１３０、１３２、１３４は、炭素繊維に加えてエポキシ系複合構造体１００、１０１、１０３に添加することができる。
【００２４】
ある例では、第１の添加剤１３０は、複合構造１００、１０１、１０３の耐火性を高めるように作用する無機−有機ハイブリッド（ＩＯＨ）難燃剤であってもよい。あるいは、第１の添加剤は無機成分または有機成分であってもよい。好ましい第１添加剤１３０は、発火温度を上昇させ、熱放出エネルギーを減少させる。ある例では、ＩＯＨは、膨張性または膨潤性の層状無機成分および少なくとも１つのイオン性有機成分を含む有機成分を含む。ＩＯＨはまた、無機成分の１つまたは複数の層の間にインターカレートされたおよび／または無機成分の１つまたは複数の層に付随する１つ以上の中性有機成分を含み得る。ある例では、ＩＯＨの耐火性配合物は、１つ以上の難燃剤を含む。
【００２５】
ＩＯＨの例示的無機成分の例として、カオリンおよび蛇紋石などの１：１層状ケイ酸塩構造、およびフィロシリケート、タルク、およびパイロフィライトなどの２：１層状ケイ酸塩構造がある。他の有用な層状鉱物としては、ハイドロタルサイトを含む一般式Ｍｇ６Ａｌ３．４（ＯＨ）１８．８（ＣＯ３）１．７Ｈ２Ｏの層状複水酸化物、および、合成ヘクトライト、モンモリロナイト、フッ化合成マイカ、および合成ハイドロタルサイトを含む、合成により調製された層状材料がある。天然に存在するまたはフィロシリケートの合成による類似物からなる群が特に好ましい。この群には、モンモリロナイト、ノントロナイト、バイデライト、ヴォルコンスキー石、ヘクトライト、ベントナイト、サポナイト、ソーコナイト、マガディアイト、ケニヤアイト、ラポナイト、バーミキュライト、合成ミクロマイカ（ソマシフ）および合成ヘクトライト（ルーセンタイト）などのスメクタイト粘土が含まれる。他の有用な層状鉱物には、レディカイトなどのイライト鉱物、および粘土鉱物とイライト鉱物との混合物が含まれる。ある例では、ベントナイト、モンモリロナイト、およびヘクトライトなどの天然に存在するフィロシリケートが好ましい。約５ナノメートル未満の小片厚さおよび約１０：１より大きい、より好ましくは約５０：１より大きい、最も好ましくは約１００：１より大きいアスペクト比を有するフィロシリケートが特に有用である。
【００２６】
好ましい無機材料は、概して、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、またはＣａ２＋などのアルカリ金属またはアルカリ土類金属などの、電荷を均衡させる層間金属カチオンまたは交換可能な金属カチオンを含むが、好ましくはＮａ＋である。無機材料のカチオン交換容量は、好ましくは１００グラム当たり約４００ミリ当量未満、最も好ましくは１００グラム当たり約５００から２００ミリ当量である。
【００２７】
有機成分は、無機成分に付随している交換可能な金属イオンと交換されてもよい１つ以上のイオン性化学種を含み、かつ場合により無機成分の１つまたは複数の層の間にインターカレートされかつ／または無機成分の１つまたは複数の層に付随する１つ以上の中性有機化学種および／または１つ以上のカップリング剤を含む。イオン性化学種の好適な例としては、脂肪族、芳香族またはアリール脂肪族のアミン、ホスフィンおよびスルフィドの、アンモニウム（第１級、第２級、第３級、第４級）、ホスホニウムまたはスルホニウム誘導体などのオニウムイオンを含むものがある。そのような化合物は、当技術分野で公知の任意の好適な方法によって調製することができる。例えば、塩は、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、酢酸およびギ酸などの鉱酸または有機酸との酸塩基型反応により、ルイス酸−ルイス塩基型反応により、または、例えばメンシュトキン型の方法を使用して、第四級塩を形成するためのハロゲン化アルキルとの反応により調製される。吸熱的に分解または昇華する、および／または分解の際可燃性が低い揮発性物質を放出する、および／または熱分解または燃焼の間有機化学種を炭化することが知られているイオン性または中性化合物が特に好ましい。
【００２８】
好適な化学種としては、トリアジン系化学種などの窒素系分子の中性またはイオン性誘導体があり、例えば、メラミン、トリフェニルメラミン、メラム（１，３，５−トリアジン−２，４，６−トリアミン−ｎ−（４，６−ジアミノ−１，３，５−トリアジン−イル））、メラム（−２，５，８−トリアミノ−１，３，４，６，７，９，９ｂ−ヘプタアザフェナレン）、メロン（ポリ｛８−アミノ−１，３，４，６，７，９，９ｂ−ヘプタアザフェナレン−２、５−ジイル）イミノ｝）、ビスおよびトリアジリジニルトリアジン、トリメチルシリルトリアジン、メラミンシアヌレート、メラミンフタレート、リン酸メラミン、亜リン酸メラミン、メラミンフタルイミド、リン酸ジメラミン、ホスファジン、および／またはトリアジンおよびホスファジンの繰り返し単位を有する低分子量ポリマー、またはオニウムイオン誘導体を含む上記分子の塩または誘導体、またはイソシアヌル酸、例えば、イソシアヌル酸、シアヌル酸、トリエチルシアヌレート、メラミンシアヌレート、トリグリシジルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、トリクロロイソシアヌル酸１，３，５−トリス（２−ヒドロキシエチル）トリアジン−２，４，６−トリオン、ヘキサメチレンテトラミン、メラムシアヌレート、メレムシアヌレート、およびメロンシアヌレート、の塩または誘導体がある。
【００２９】
図１Ａ−１Ｃに示すように、第１の添加剤１３０を含む層１０８、１２４、１２６はまた、１つまたは複数の第２の添加剤１３２および１つまたは複数の第３の添加剤１３４を含んでよい。第２の添加剤１３２は、熱可塑性物質および／または第１の添加剤１３０中に、例えばカオリンクレイまたはメラミンなどの、炭化を促進する試薬を含む。同様に炭化促進に作用する他の材料が使用されてよい。有機化学種で炭化を促進することが知られている試薬としては、リン酸またはホウ酸の誘導体、例えばポリリン酸アンモニウムおよびポリリン酸メラミン、およびリン酸メラミン、ホウ酸アンモニウムがある。ある例では、好ましいイオン性化合物は、他のイオン性化合物、例えば層状無機材料とポリマーマトリックスとの間の相溶性および分散性を改善することが知られている化合物と組み合わせて任意に使用することができる。疎水性アルキル部分または芳香族部分とともに親水性イオン基を組み込んだ両親媒性分子が好ましい。１つ以上のカップリング剤もまた、無機成分に付随し得る。好適なカップリング剤として、有機官能化シラン、ジルコン酸塩、およびチタン酸塩がある。シランカップリング剤の例としては、アミノ、エポキシ、イソシアネート、ヒドロキシル、チオール、メルカプトおよび／またはメタクリル反応性部分で官能化された、またはトリアジン誘導体、長鎖アルキル、芳香族部分またはアルキル芳香族部分に基づく官能基を組み込むように改質された、トリアルコキシ、アセトキシ、およびハロゲン化シランがある。ジルコン酸塩およびチタン酸塩カップリング剤の例としては、ＴｅａｚおよびＴｉｔａｎｌがある。層状無機材料に付随する金属カチオンまたはアニオンは、イオン交換法によって有機イオンと交換され得ることが当技術分野において知られている。典型的な方法では、層状無機材料を、まず好適な１つまたは複数の溶媒中で膨潤または膨張させ、その後イオン交換し、次いでろ過、遠心分離、溶媒の蒸発または昇華のような方法により凝集させて膨潤溶媒から捕集する。好適な分子を用いたイオン交換法は、粘土と有機ポリマー結合剤との間の適合性を高め、その結果粘土小板のポリマー系マトリックスへのナノメートルスケールの分散を助ける有用な方法であることが知られている。
【００３０】
火炎伝播、発熱、および／または煙生成を遅らせる好適な難燃剤は、単独でまたは相乗的にＩＯＨに添加されてよく、例えばリン酸塩、ポリリン酸塩、亜リン酸塩、ホスファジンおよびホスフィン官能基を含む分子などのリン酸誘導体、例えば、リン酸メラミン、リン酸ジメラミン、ポリリン酸メラミン、リン酸アンモニウム、ポリリン酸アンモニウム、リン酸ペンタエリトリトール、亜リン酸メラミンおよびトリフェニルホスフィンがある。１つまたは複数の第１の添加剤１３０として、メラミン、メラミンシアヌレート、メラミンフタレート、メラミンフタルイミド、メラム、メレム、メロン、メラムシアヌレート、メレムシアヌレート、メロンシアヌレート、ヘキサメチレンテトラアミン、イミダゾール、アデニン、グアニン、シトシンおよびチミンなど、窒素含有誘導体が使用されてよい。１つまたは複数の第１の添加剤１３０として、ホウ酸塩官能基を含む分子、例えばホウ酸アンモニアおよびホウ酸亜鉛なども使用されてよい。第１の添加剤１３０として、２つ以上のアルコール基を含む分子、例えばペンタエリトリトール、ポリエチレンアルコール、ポリグリコールおよび炭水化物、例えば、グルコース、スクロースおよび澱粉などが使用されてよい。不燃性分解ガスを吸熱的に放出する分子、例えば、水酸化マグネシウムおよび水酸化アルミニウムなどの金属水酸化物を使うこともできる。膨張黒鉛も使用され得る。ポリアミド系マトリックスが、ペレット、顆粒、フレークまたは粉末の形態で耐火配合物に含まれてよい。好適なポリアミドは、ナイロン４、ナイロン６、ナイロン７、ナイロン１１およびナイロン１２、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６８、ナイロン６１０、ナイロン６１２および芳香族ポリアミド、例えばポリメタフェニレンイソフタルアミンおよびポリパラフェニレンテレフタルアミドなどの、アミドに基づく繰り返し単位を有する一般基を含む。ある例では、ポリアミドマトリックスは、共重合体、ブレンドおよびアロイを含んでよい。共重合体は、２つ以上の異なる繰り返し単位から構成されてよく、その１つはアミドである。そのような共重合体は、当分野で知られている任意の好適な方法で、例えば、重合初期の時点またはその後の処理の間にグラフトまたは鎖延長型反応を通して調製することができる。ポリアミドブレンドおよびアロイは、例えば溶融または溶液ブレンドなど、当業者に知られている任意の方法を用いて調製されてよい。ある例では、ポリアミドブレンドは、破壊靭性を高めおよび／または維持することができ、および／または、高靭性化剤（例えば、第３の添加剤）としての使用に有効であり得る。ポリアミドと他のポリマーとをブレンドしまたはアロイを作ることは、靭性、弾性率、強度、クリープ、耐久性、耐熱性、伝導率、または耐火性能などの特性を改善するのに望ましい場合がある。ナイロン２、ナイロン６およびナイロン６６、およびそれら各々の共重合体、アロイおよびブレンドが、特に好ましい。
【００３１】
ポリアミド配合物はまた、例えばＵＶ光安定剤および熱安定剤などのポリマー安定剤、潤滑剤、酸化防止剤、顔料、染料、または材料の光学特性または色を変更する他の添加剤、導電性フィラーまたは繊維、剥離剤、スリップ剤、可塑剤、抗菌剤または抗真菌剤、および加工剤、例えば分散剤、発泡剤または膨張剤、表面活性剤、ワックス、カップリング剤、レオロジー改質剤、フィルム形成試薬、およびフリーラジカル生成試薬など、ポリマー加工の分野で知られる１つ以上の添加剤を任意に含むことができる。特に好ましい配合物は、ナイロン２、ナイロン６および／またはナイロン６６、メラミン塩酸塩および／またはメラミンで改質されたモンモリロナイト、メラミンシアヌレートおよび／またはメラム（１，３，５−トリアジン−２，４，６−トリアミン−ｎ−（４，６−ジアミノ−１，３，５−トリアジン−イル）シアヌレート、および／またはメレム（−２，５，８−トリアミノ−１，３，４，６，７，９，９ｂ−ヘプタアザフェナレン）シアヌレート、および／またはメロン（ポリ｛８−アミノ−１，３，４，６，７，９，９ｂ−ヘプタアザフェナレン−２，５−ジイル）イミノ｝）シアヌレート、水酸化マグネシウム、及び１つ以上の添加剤を含む。
【００３２】
ポリアミド配合物は、好ましくは、約５０から約９５％の質量分率（ｗ／ｗ）の量のポリアミド系マトリックス、および約２５％ｗ／ｗ未満の量のＩＯＨ、および任意に約３０％ｗ／ｗ未満の、場合によっては好ましくは約１０％ｗ／ｗ未満の量の難燃剤および／または添加剤を含む。ＩＯＨは、約２００ミクロン未満、より好ましくは約５０ミクロン未満、および最も好ましくは約２０ミクロン未満の粒子径を有することが好ましい。
【００３３】
ＩＯＨを少なくとも部分的にナノメートルスケールで分散させるのに十分なせん断速度、せん断応力、および滞留時間を可能にする、任意の好適な溶融物、溶液または粉末に基づく混合法を使用して、分散液に作用を及ぼすことができる。ポリアミド配合物の耐火性粒子またはベールへの成形または加工は、当業者に知られている任意の方法を用いて行うことができる。粒子またはベールは、炭素繊維シート（例えば、プリプレグシート）に添加することができる。ある例では、粒子はコアシェル技術を用いて製造されたコア粒子であってもよい。いくつかのこのような例では、粒子のコアは耐火剤であってよく、シェルまたはコーティングは高靭性化剤であってよい。他のこのような例では、コアは高靭性化剤を含み、外側シェルまたはコーティングは耐火剤を含む。例示的コア粒子では、コアは液体剤または固体剤であってよい。ある例では、コア粒子または他の処方された高靭性化剤は、複合構造体１００、１０１、１０３のエポキシマトリックスの樹脂系に混合されてよい。
【００３４】
１つまたは複数の第３の添加剤１３４は、第１および第２の添加剤１３０，１３２が添加された層の破壊靭性を高めるように作用することができる。例えば、第１および／または第２の添加剤１３０、１３２は、複合構造体１００、１０１、１０３および／または層１０８、１２４、１２６の破壊靱性を低下させる特性を有してよい。所望の破壊靭性を維持するために、または破壊靭性を高めるために、１つまたは複数の第３の添加剤１３４が同じ層（例えば、層１０８、層１２４、層１２６）に添加される。代替的または追加的に、１つまたは複数の第３の添加剤１３４は、第１および／または第２の添加剤１３０，１３２が添加された層１０８、１２４、１２６に隣接する層に添加されてよい。１つまたは複数の第３の添加剤１３４は、破壊靱性を複合体の元の値に戻すか、または破壊靱性を元の複合構造体の値よりも高くするのに十分である。したがって、複合構造体の耐火性を高めることに加えて、複合構造体の機械的強度を向上させることができる。
【００３５】
ある例では、複合構造体１００、１０１、１０３の破壊靱性は、ある基準を満たす。例えば、複合構造体１００、１０１、１０３は、モードＩおよび／またはモードＩＩ層間破壊靭性試験に基づいて決定された基準を満たすことができる。例示的標準試験として、非制限的に、一方向繊維強化ポリマーマトリックス複合体のモードＩ層間破壊靭性に関するＡＳＴＭ  Ｄ５５２８標準試験法、一方向繊維強化ポリマーマトリックス複合体の混合モードＩ−モードＩＩ層間破壊靱性に関するＡＳＴＭ  Ｄ６６７１標準試験法、一方向繊維強化ポリマーマトリックス複合体のモードＩＩ層間破壊靱性決定に関するＡＳＴＭ  Ｄ７９０５標準試験法およびＡＳＴＭＤ６１１５、一方向繊維強化ポリマーマトリックス複合体のモードＩ疲労剥離成長開始点の標準試験法がある。
【００３６】
１つまたは複数の第３の添加剤１３４の例として、非制限的に、例えばＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＥＥＫ、およびＰＥＫＫなどのポリ（アリール）エーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリ（フェニレン）酸化物（ＰＰＯ）および良好な放熱特性を有する他の炭化熱可塑性材料がある。ある例では、ポリアミドブレンド（特にナイロンを含むポリアミド）を第３の添加剤として使用することができる。ある例では、分解前に流動する第３の添加剤１３４が、炭化メカニズムおよび／または熱放出の低減を通じて材料（例えば、複合構造体１００）の耐火性を改善する高靭性化剤としても働いてよい。例示的な１つまたは複数の第３の添加剤１３４は、ベール、ナノチューブ、ナノ粒子、フィルム、エポキシ樹脂結合のための特殊な分子界面を有する自己組織化ブロック共重合体を有するフィルム、メッシュ、高靭性化粒子、および他の繊維状材料の形態を取ることができる。ある例では、２つ以上の層が添加剤１３０、１３２、１３４を含んでよく、複合構造体１００、１０１、１０３の異なる層が異なる添加剤を含むことができる。
【００３７】
ある例では、２つの外側層１０２、１０４、１２６は、織物タイプの複合体であってよく、多層複合構造体１００、１０１、１０３が組み立てられたときに、複合構造体１００、１０１、１０３の内面および外面を形成してよい。ある例では、織物タイプの複合体層１０２、１０４、１２６は、炭素繊維積層複合体、炭素繊維強化プラスチック、または多層複合構造体１００、１０１、１０３を形成するように作用する任意の他の複合体である。織物層１０２、１０４、１２６は、７．５マイクロインチから９マイクロインチの間の厚さを有する平織布であってよい。あるいは、外側層１０２、１０４、１２６は、一方向繊維織物タイプの複合プライ、プリプレグプライ、または任意の他のタイプの複合プライであってよい。ある例では、外側層１０２、１０４、１２６は、ある例では導電性を目的として、織物に織り込まれ、および／または複合プライに混合された他の材料（例えばワイヤ）を含んでよい。ある例では、２つの例示的な織物タイプ層１０２、１０４、１２６の外側のもの（例えば、複合構造体１００、１０１、１０３の外面を形成する層１０４）は、織り込まれたワイヤを含んでよい。図示された例では、織物タイプの複合体層１０２、１０４、１２６は、基準面に対して０度および９０度に配向されている。すなわち、ある例では、第１の方向の繊維が０度であり、異なる垂直方向に織り込まれた繊維が９０度になるように、繊維のインターロック織が配向される。あるいは、外側層が単一方向に配向された繊維を含む例では、繊維は、例えば９０度または０度に配向されてよい。
【００３８】
ある例では、内層１０６、１２０、１２８は、織物タイプの複合体層１０２、１０４、１２６の間に配置されてよい。好ましい例では、内層１０６、１２０、１２８は、織物タイプの複合体層と、テープタイプの複合体層との組み合わせであってよい。ある例では、図１Ａのマルチプライ複合構造体１００の内側層１０６は、テープタイプの複合体層（例えば、ユニテープ）である。そのような例では、例示的なテープタイプ複合体層１０６は、単一方向に配向された炭素繊維を含む。ある例では、内側層１０６、１２０、１２８のそれぞれは、複合体層のタイプに応じて、５マイクロインチから８マイクロインチの間の厚さを有することができる。その結果、内側層１０６、１２０、１２８は、織物タイプの複合体層１０２、１０４、１２６よりも薄くてよい。内側層１０６、１２０、１２８は、マルチプライ複合構造体１００、１０１、１０２が形成されるとき、異なる方向に配向してよい。例えば、複合構造体１００の第２の層１０８が４５度に配向されてよく、第３の層１１０が９０度に配向されてよく、第４の層１１２および第５の層１１４が−４５度に配向されてよく、第６の層１１６が９０度に配向されてよく、第７の層１１８が４５度に配向されてよい。
【００３９】
図１Ｂの例など他の例では、複合構造体１０１は、異なる配向を有する異なる数の内側層１２０を含んでよい。内側層１２０の異なる組のいくつかの層は、内側層１０６の層と実質的に同一であってよく、したがって同じ参照番号が使用される。図１Ｂの複合構造体１０１の図示の例では、例示的な第２の層１２２は４５度に配向され、第３の層１２４は−４５度に配向され、第４の層１１０は９０度に配向され、第５の層１１４は−４５度に配向され、第６の層１１８は４５度に配向されている。図１Ｂに示す例示的複合構造体１０１は、図１Ａに示す複合構造体１００よりも１つ少ない層を有し、ある例では、図１Ａの例示的複合構造体１００の胴体よりも小型の胴体に対して使用されてよい。すなわち、他の例示的複合構造体は、複合構造体１００、１０１、１０３が使用される航空機の異なる寸法の胴体に関して十分な様々な数の層を有することができる。あるいは、異なる数の層を有する複合構造体が、図１Ａ−１Ｃの例示的複合構造体１００、１０１、１０３とは異なる用途に使用されてよい。複合構造体１００、１０１、１０３が使用される用途に関して十分な任意の数の層を使用することができる。
【００４０】
図２は、図１Ａの例示の複合構造体１００の例示の分解図である。図２は、例示的層の例示的向きをより明確に示している。図示された例では、第１の層１０２は、繊維が０度および９０度になるように配向され、複合構造体１００の第２の層１０８は４５度に配向されてよく、第３の層１１０は９０度に配向されてよく、第４および第５の層１１２、１１４は−４５度に配向されてよく、第６の層１１６は９０度に配向されてよく、第７の層１１８は４５度に配向されてよく、第８の層１０４は、繊維が０度および９０度であるように配向されてよい。例示的添加剤１３０、１３２、１３４は、図示の例の第２の層１０８全体にわたって均一に混合されてよい。
【００４１】
図３は、本明細書に記載の例示的複合構造体１００、１０１、１０３が実装され得る例示的環境を示す。本明細書に記載の例示的複合構造体１００、１０１、１０３は、例えば航空機３００で使用されてよい。あるいは、例示的複合構造体１００、１０１、１０３は、船舶、宇宙船、自動車、陸上車両、タービン、スポーツ用品、軍用機器、医療機器、および消費財などの様々な他の用途に使用されてよい。
【００４２】
例示的航空機３００は、客室および／または貨物エリアを囲み得る胴体３０２を含む。ある例では、胴体３０２は、炭素繊維強化プラスチック胴体などのマルチプライ複合胴体であってよい。あるいは、胴体３０２は、異なるタイプの複合材料で作ることができる。例示的航空機３００は、胴体３０２から横方向外側に延びる翼３０４（例えば、右翼および左翼）を含む。例示的翼３０４は、複合胴体３０２と実質的に同じ複合材料で作られてよい。あるいは、翼３０４は異なる複合材料で作られてよい。例示的胴体３０２および翼３０４は、本明細書で説明される例示的複合構造体１００、１０１、１０３から作製され得る。さらに、航空機の他の構成要素（例えば、荷物入れ、仕切り、構造部品、他の客室構成部品など）もまた、例示的複合構造体１００、１０１、１０３で作製されてよい。
【００４３】
図４は、例示的複合構造体１００、１０１、１０３を実施することができる例示的航空機３００の例示的断面図を示す。図示された例では、胴体３０２のバレル４０２は、客室４０４と、客室４０４の下に配置された貨物エリア４０６とを囲む。胴体３０２のバレル４０２は、外面（例えば、アウタースキン）４０８および内面（例えば、インナースキン）４１０を有する。胴体３０２のバレル４０２は、胴体３０２の構造体に一体化されたストリンガー４１２（例えば、長手方向支持体）およびフレーム４１４（例えば、円周支持体）を含む。ある例では、ストリンガー４１２および／またはフレーム４１４は、バレル４０２と同じ複合体または類似の複合材料で作られる。あるいは、ストリンガー４１２および／またはフレーム４１４は、金属（例えば、アルミニウム）で作製されてよい。図示された胴体３０２は、客室４０４を貨物エリア４０６から分割するための仕切り４１６も含む。ある例では、仕切り４１６は、同じ複合材料で作られてもよい。さらに、仕切り４１６のフロアビーム４１８および／または貨物エリア４０６のフロアビーム４１０は、複合材料で作ることができる。ある例では、胴体３０２および／または翼３０４の構造に含まれ得る他の構成要素もまた、複合材料で作製され得る。あるいは、代わりに、任意の他の好適な材料を使用してよい。さらに、他の例では、航空機１００は、ストリンガー４１２を含むのではなく、サンドイッチ構造を使用することができる。このような例では、サンドイッチ構造は、本明細書に記載の複合構造体１００、１０１、１０３で作製されており、サンドイッチ構造は、本明細書に記載の複数の複合構造体１００、１０１、１０３を含んでよく、したがって、添加剤１３０、１３２、１３４を含む複数の層を有することができる。
【００４４】
例示的複合構造体１００、１０１、１０３のいくつかの実施において、制限的な設計因子が、機械的強度ではなく、むしろ耐燃性である場合がある。本明細書に記載の例示的複合構造体１００、１０１、１０３は、例えば、胴体３０２の設計が耐火性要件によって制限されにくいことを可能にする。すなわち、複合構造体１００、１０１、１０３中に耐火性添加剤（例えば、第１の添加剤１３０）を埋め込むことにより、複合構造体１００、１０１、１０３は、同様の層数を有するが埋め込まれた耐火添加剤１３０を持たない複合構造体よりも耐火性であることが可能になる。その結果、耐火性添加剤１３０を添加することにより、複合構造体１００、１０１、１０３がより薄くなりかつ業界の耐火基準を満たすことが可能になる。結果的に、複合構造体１００、１０１、１０３は、耐火性の限界ではなく、むしろ機械的な限界に関して、より好適な寸法にすることができる。例えば、より大型の商用航空機用の複合構造体１００、１０３は、より小型の商用航空機用の複合構造体１０１よりも多くの層を有することができるが、本明細書に記載の全ての複合構造体１００、１０１、１０３は１つまたは複数の耐火性添加剤１３０を含み、可燃性の基準を満たす。複合構造体１００、１０１、１０３の耐燃性を高めることにより、より少ない層（例えば、可燃性基準ではなく機械的基準での寸法）を可能にすることができる。さらに、耐炎性材料を複合体層に添加する上述の方法は、複合胴体の組立後に耐火性コーティングを噴霧するか、または硬化プロセスの一部としてフィルムを追加して耐火性を増加させる程には、複合胴体の製造時間に影響しない。したがって、複合構造体１００、１０１、１０３の構造層に埋め込まれた耐火性添加剤を有する複合構造体１００、１０１、１０３を製造することは、航空機の胴体の製造時間を短縮するだけでなく、航空機の胴体の重量および／または航空機の胴体の製造コストもまた低減し得る。
【００４５】
図５Ａおよび５Ｂは、添加剤（例えば、第１の添加剤１３０、第２の添加剤１３２、および第３の添加剤１３４）を含み得る例示的航空機３００の例示的ストリンガー４１２を示す。図示の例では、ストリンガー４１２は、耐火性添加剤１３０、１３２、１３４を含む最上層５０２（例えば、最も内側の層）を有する。図示の例では、ストリンガー４１２の内部５０４は、添加剤１３０、１３２、１３４を含まない。しかしながら、航空機のスキン４１０の最上層５０６（例えば、最も内側の層）は、添加剤１３０，１３２，１３４を含む。したがって、ストリンガー４１２がスキン４１０に結合されるとき、ストリンガー４１２の底面５０８は、添加剤１３０，１３２，１３４を含む層５０６と隣接する。ある例では、ストリンガー４１２の最上層５０２は、図５Ａに示されるように、スキン４１０の最上層５０６と一体化される。あるいは、ストリンガー４１２の最上層５０２は、図５Ｂに示すように、スキンの最上層５０６から分離している。いくつかのこのような例では、ストリンガー４１２の最上層５０２は、ストリンガー４１２の底面５１２が添加剤１３０，１３２，１３４を含むように、ストリンガー４１２の底部層５１０であってもよい（例えば、最上層５０２は、ストリンガー４１２の内部部分５０４を分割して取り囲む）。ある例では、ストリンガー４１２は、本明細書に記載の複合構造体１００、１０１、１０３であってよく、かつ耐火性添加剤１３０、１３２、１３４を含む少なくとも１つの層を有し得る、ブレードタイプストリンガーであってよい。
【００４６】
図６は、例示的複合構造体１００、１０１、１０３を製造する方法６００を表す例示的フローチャートを示す。ある例では、ブロックの実行順序を変更することができおよび／または記載されたブロックのいくつかを変更、削除または組み合わせることができる。例示的製造方法６００は、添加剤１３０、１３２、１３４を用いて複合構造体１００、１０１、１０３の少なくとも１つのプライを形成することから始まる（ブロック６０２）。例えば、添加剤１３０、１３２、１３４は、図１Ａ−１Ｃに関連して説明したように、耐火性添加剤１３０、炭化誘導添加剤１３２および／または高靭性化添加剤１３４を含んでよい。ある例では、添加剤１３０、１３２、１３４を使用して追加のプライが形成される。複合構造体１００、１０１、１０３を形成するために使用される追加のプライは、添加剤１３０、１３２、１３４なしで形成されてもよい。次に、添加剤１３０、１３２、１３４を含むプライが複合構造体１０３の第１のプライであるか否かが決定される（ブロック６０４）。添加剤１３０、１３２、１３４を含むプライが第１のプライ１２６である場合、製造は、添加剤１３０、１３２、１３４を含む第１のプライ１２６を配置することによって継続する（ブロック６０６）。添加剤１３０、１３２、１３４を含む例示的な第１のプライ１２６は、複合構造体１０３を形成するために配置される隣接するプライよりも燃焼性が低くおよび／または強度が高くてよい。次に、添加剤１３０、１３２、１３４を含まないプライ（例えば、層１２２）が複合構造体１０３に関して配置される（ブロック６０８）。次いで、添加剤１３０、１３２、１３４なしで追加のプライを配置するか否かが決定される（例えば、層１２８の残りの部分）（ブロック６１０）。添加剤１３０、１３２、１３４を含まない他のプライが複合構造体１０３上に配置される場合、ブロック６０８のステップが繰り返される。
【００４７】
ブロック６０４において、添加剤１３０、１３２、１３４を有して形成されたプライが第１のプライ（例えば、層１０８、層１２４）ではない場合、方法はブロック６１２に進み、添加剤を含まないプライ（例えば層１０２）が複合構造体１００、１０１の第１の層として配置される。次に、添加剤なしで追加のプライを配置するか否かが決定される（例えば、層１２２）（ブロック６１４）。添加剤を含まない追加プライを配置する場合、ブロック６１２が繰り返される。添加剤を含まない追加のプライが、添加剤を有するプライよりも前に配置されない場合、方法はブロック６１６に続き、添加物を含むプライ（例えば、層１０８、層１２４）を複合構造体１００、１０１に関して配置する。次いで添加剤を含まない追加のプライを配置するか否かが決定される（ブロック６１８）。添加剤を含まない追加のプライが配置される場合、追加の層が配置される（ブロック６２０）。ブロック６１０および６２２において、追加のプライが配置されない場合、複合構造体１００、１０１、１０３内の層のすべてが配置され、複合構造体１００、１０１、１０３が硬化される（ブロック６２２）。複合構造体１００、１０１、１０３は、共硬化プロセスを用いて硬化されてよい。複合構造体１００、１０１、１０３を形成する例示的方法６００が完了する。ある例では、記載された製造方法６００によって形成された複合構造体１００、１０１、１０３を使用して、航空機３００の胴体３０２および／または翼３０４を組み立てることができる。
【００４８】
典型的には、例示的航空機３００の例示的複合胴体３０２は、構造上の要件に基づいて寸法決定される（例えば、航空機の厚さが選択される）。そのような例では、複合構造体（例えば、複合胴体）の各層は構造層である。ある例では、航空機３００の寸法は、複合胴体３０２の厚さが構造的要件に対して十分に厚く、また難燃性要件に対しても十分に厚いように、十分に大きい。しかしながら、小型の航空機３００は、構造要件に関しては十分に厚いが、耐燃性要件に関しては十分ではない、より薄い胴体３０２を使用する場合がある。そのような例では、胴体３０２に、および／または胴体３０２の複合構造体１００、１０１、１０３の構造層（例えば、層１０８、１２４、１２６）に、本明細書に記載の添加剤などの、さらなる燃焼からの保護物が追加される。
【００４９】
熱的に薄い構造では、厚さは着火時間およびその後の構造物の表面にわたる炎の伝播において重要な役割を果たす。厚さが増加すると、作用する火炎に曝される表面温度と構造体の背面の温度との差が大きくなる。熱的に厚い構造の場合、背面からの熱損失は無視でき、構造体を通じての熱損失は伝導によって支配される。着火源からのエネルギーの流束、材料の熱容量、および爆燃中に化学的分解から放出されたおよび／または化学的分解に必要な化学エネルギーは、火炎が伝播するか否かおよび材料が自己消火するか否かを決定する主な要素である。酸化剤（例えば、酸素）の十分な供給によって材料が臨界分解温度に達すると燃焼が起こる。構造体中の温度変化は、火炎からの熱流束（数式１）と、輻射および対流による前面における熱損失（数式２）および背面における熱損失（数式３）と、構造体の熱容量と、化学的分解から生成された正味エネルギーとの間のバランスによって支配される。例示的複合構造体（例えば、複合構造体１００、１０１、１０３）を通る熱流束は、図７に概略的に示されている。
【数１】
2019025906.tif 000003
【数２】
2019025906.tif 000004
【数３】
2019025906.tif 000005
【００５０】
耐火性の低い熱的に厚い材料は、厚さに関係なく表面の火炎伝播を生じることがある。改良された耐火性により、十分な熱厚さを有する構造体は、材料の熱容量および厚い構造体に伴う反応速度の低下に起因して、点源からの火炎伝播に抵抗し得る。構造体の厚さが複合体航空機の典型的な最小厚さに近づくにつれて、構造体の耐火性は、典型的には、複合材料内部に貯蔵された化学エネルギーおよび貯蔵された化学エネルギーを利用するのに必要な温度に対してより敏感となる。
【００５１】
作用する火炎に曝される第１の層は、炭化のレベルが材料中への酸化剤の拡散および材料からの燃焼ガスの拡散に影響を与えるので、材料全体の性能にとって重要である。炭化物（チャー）への化学的変換のため、生成される化学エネルギーが減少するとともに、拡散作用が減少することは、燃焼から放出される有効なエネルギーを減少させる。特定の厚さの構造体の場合、火炎の拡散を持続させるために必要な化学エネルギー放出は、環境への熱損失、材料の熱容量、および材料内部への酸化剤の拡散速度および材料からの燃焼生成物の拡散速度に依存する。
【００５２】
構造体の熱的薄さの扱いについて、挙動は下記方程式１によって支配される。ここで、下記数式４は複合体材料の熱容量であり、上記数式１は火炎からの熱流束であり、上記数式２は前面における熱損失であり、上記数式３は背面における熱損失であり、下記数式５は化学エネルギー変換の流束である。
【数４】
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【数５】
2019025906.tif 000007
【００５３】
【数６】
2019025906.tif 000008
【００５４】
材料の熱容量は、式の左辺（上記数式４）で表され、右辺の流束（例えば、上記数式１、数式２および数式３）が温度変化を駆動する。化学エネルギーを熱に変換する流束は、マイクロスケール燃焼熱量測定（例えば、ＡＳＴＭ  Ｄ７３０９標準試験を使用して）および試料を注意深く調製することによって測定することができる、上記数式５に支配される。完全に「熱的に薄い」場合、背面の温度は、作用が起こる側と同じである。作用が起こる面および背面の両方からの熱損失が重要である。与えられた試験構成では、熱源からの熱（上記数式１）と前面からの熱損失（上記数式２）は、構造の厚さからは比較的影響を受けない。材料の熱容量は構造の厚さに直接関係している。厚さが増加するにつれて、熱的に薄いという仮定はもはや有効でなく、材料中の温度勾配の結果として背面温度が低下する。この背面温度の低下は、背面からの熱伝達を減少させる。背面の熱伝達が重要であるかどうかにかかわらず、主な駆動力は、化学エネルギー放出から放出される熱の割合である。
【００５５】
熱損失および試験装置に固有の熱容量により構造体に吸収された熱に対する化学エネルギー放出速度の臨界的な比は、火炎前面が維持されるか、または自己消火するかを決定する。臨界比の範囲または特定の値を超えると、試験の失敗が予想される。したがって、特定のプライは、複合構造体全体の熱として放出される全体的な化学エネルギーを減少させる全体的な配合を有するものとする。構成成分の効果は、混合物の単純な規則によって予測される性能を超える性能の改善をもたらすだろう。
【００５６】
航空宇宙複合材料構造体は、厳しい産業上の要件を満たすために高い性能特性を必要とする。航空宇宙複合体の製造に使用される繊維材料およびマトリックス材料は、引張強度、難燃性、および破壊靱性の要件を含む航空機の安全性を最大化するために必要な性能要件を満たす最高品質を有しなくてはならない。材料の進歩により、より複雑な処理方法がもたらされ、サイクル時間が長くなりかつ装置が追加されることに起因して処理コストが増加する。繊維強化材の表面処理は、最大の引張強度特性のために、繊維とマトリックスとの間の結合強度を弱めるために一般的に行われる。繊維は、繊維とマトリックスとの間の結合強度を低下させるためにしばしば被覆されるが、この処理は、衝撃後の圧縮（ＣＡＩ）性能において低下した特性のトレードオフを満たす。航空機用途では、燃焼性、耐ＵＶ性、破壊靱性などの特性が重要となる構造的特性の向上のみに焦点を当てるのでは不十分である。多官能エポキシ樹脂系は、同様に、高性能の航空宇宙用途にとって重要なこれらの他の特性を改善するために使用することができ、同時に強化された構造特性を維持する。
【００５７】
現在、エポキシ樹脂系は、改善された引張強さおよびＣＡＩの両方を有するポリマーマトリックスを得るために、二官能性エポキシ系を有する多官能性エポキシ系を組み込むことができる。二官能性エポキシ樹脂は、飽和、不飽和、環状脂肪族、芳香族、脂環式または複素環式であってよい。二官能性エポキシ樹脂の例としては、ジグリシジルエーテルまたはビスフェノールＦ、ビスフェノールＡ、フェノールおよびクレゾールエポキシノボラック、フェノール−アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、脂肪族ジオールのグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族ポリグリシジルエーテル、エポキシ化オレフィン、芳香族グリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジンおよびアミド、グリシジルエーテル、またはそれらの任意の組み合わせに基づくものがある。好ましい二官能性エポキシ樹脂は、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、ジグリシジルジヒドロキシナフタレン、またはそれらの任意の組み合わせからのものであってよい。
【００５８】
機能性構成成分は、個別に、または難燃剤、炭化促進剤、難燃および炭化促進剤（例えばＩＯＨ  ＦＲ）、高靭性化剤中の難燃剤、高靭性化剤中の炭化促進剤、および高靭性化剤中の難燃剤および炭化剤の各々との任意の組み合わせで、エポキシ系に添加されてよい。ある例では、高靭性化剤は炭化の影響を受けやすい場合がある。
【００５９】
上記記載から、複合構造体の破壊靱性を低下させることなく、かつ／または破壊靭性を増加させることなく、耐火性を高める例示的方法、装置および製品が開示されていることが理解されるだろう。本明細書に記載の例示的複合構造体を製造する例示的方法は、複合構造体が組み立てられ、製造された後に耐火コーティングを複合構造体に適用するステップを排除することによって、例えば航空機の全製造時間を短縮することができる。例示的製造方法は、例示的複合構造体の重量を減少させることもできる。
【００６０】
条項１：
航空機のマルチプライ構造体のプライを形成するためのベース複合体と、
プライおよびマルチプライ構造体の燃焼性を低減する第１の添加剤と、
マルチプライ構造体の破壊靭性を高める第２の添加剤とを含む装置。
【００６１】
条項２：
第１の添加剤が、有機難燃剤、無機難燃剤、または無機−有機ハイブリッド難燃剤である、条項１に記載の装置。
【００６２】
条項３：
第２の添加剤が、炭化熱可塑性物質である、条項１または２に記載の装置。
【００６３】
条項４：
第２の添加剤中に炭化を促進する第３の添加剤をさらに含む、条項１から３の何れか一項に記載の装置。
【００６４】
条項５：
第１の添加剤、第２の添加剤、および第３の添加剤の何れかが、マルチプライ構造体に添加される前に、作用物質と組み合わされてよい、条項４に記載の装置。
【００６５】
条項６：
第２の添加剤が、ナノチューブ、ナノ粒子、フィルム、ベール、メッシュ、高靭性化粒子、またはフィラメント状材料のうちの少なくとも１つである、条項１から５の何れか一項に記載の装置。
【００６６】
条項７：
マルチプライ構造体のプライが、マルチプライ構造体の第２の表面よりも、マルチプライ構造体の第１の表面の近くに配置される、条項１から６の何れか一項に記載の装置。
【００６７】
「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（およびそのすべての形態および時制）は、本明細書では限定されずに使用される用語である。したがって、特許請求の範囲が、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（例えば、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇなど）の任意の形態に従うものを列挙するときはいつでも、追加の要素、用語などが、対応するクレームの範囲外となることなく存在してよいことが理解される。本明細書で使用される場合、「少なくとも」という語句が、請求項のプリアンブルにおける切り替えの用語として使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語が限定されずに使用されるのと同様に、限定されない。
【００６８】
本明細書では、ある例示的方法、装置および製品が開示されているが、本特許の適用範囲はこれに限定されない。対照的に、この特許は、適正に本特許請求の範囲内に相当するすべての方法、装置および製品を対象とする。
【符号の説明】
【００６９】
１００、１０１、１０３  複合構造体
１０２  第１の層
１０４  第８の層
１０６  内側層
１０８  第２の層
１１０  第３の層
１１１、１１３、１１５  平面
１１２  第４の層
１１４  第５の層
１１６  第６の層
１１８  第７の層
１３０  第１の添加剤
１３２  第２の添加剤
１３４  第３の添加剤
３００  航空機
３０２  胴体
３０４  翼
４０２  バレル
４０４  客室
４０６  貨物エリア
４０８  外面
４１０  内面
４１２  ストリンガー
４１４  フレーム
４１６  仕切り
４１８  フロアビーム
５０２  上層
５０４  内部
５０６  層
５０８  底面
５１０  底部層
５１２  底面
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2019025906.tif 000014
【図５Ａ】
2019025906.tif 000015
【図５Ｂ】
2019025906.tif 000016
【図６】
2019025906.tif 000017
【図７】
2019025906.tif 000018
【外国語明細書】
2019025906000001.pdf