(57)【要約】  剪断増粘流体（ＳＴＦ）を組み込んだ複合材料を開示する。ＳＴＦ複合材料は軽量で、衝撃力からエネルギーを散逸／吸収し、耐損傷性と自己修復機能を示す高靭性繊維を含む。安全スーツや船外移動ユニットなどのＳＴＦ複合材料を含む物品も開示しており、それらはＳＴＦが挿入された布帛や複合材料を含む。ＳＴＦ複合材料を製造するための方法も開示する。
2021530386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
向上した耐衝撃性および損傷許容性を有する多層ハイブリッド複合材料であって、前記多層ハイブリッド複合材料は：
（１）１つ以上の複合材層を含む第１複合部材と；
（２）前記第１複合部材の上またはその内部に配置された少なくとも１つのエネルギー吸収層と、を含み、前記少なくとも１つのエネルギー吸収層は：
（ｉ）複数の繊維を含む布帛と；
（ｉｉ）約４，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む剪断増粘流体であって、前記布帛に挿入される前記剪断増粘流体と、を含み；
前記エネルギー吸収層が、エネルギー吸収層を含まない多層複合材料と比較して、向上した耐衝撃性および損傷許容性を前記多層ハイブリッド複合材料に付与する、多層ハイブリッド複合材料。
【請求項２】
前記複数の繊維が少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する、請求項１に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項３】
前記複数の繊維が少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有する、請求項２に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項４】
前記懸濁粒子が約１，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項５】
前記第１複合部材の各複合材層が、複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項６】
前記第１複合部材の各複合材層が複数のガラス繊維を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項７】
前記第１複合部材の各複合材層が複数のＳガラス繊維を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項８】
前記布帛の複数の繊維が、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、発泡／延伸ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られる繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により製造される芳香族ポリエステル繊維、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項１〜７のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項９】
前記キャリア流体が、２５℃で約１×１０−６ｍＰａ未満の蒸気圧を有する低揮発性キャリア流体であり、前記粒子が約４０％〜約８５重量％の範囲の粒子濃度で前記低揮発性キャリア流体中に懸濁されるシリカ粒子である、請求項１〜８のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１０】
前記低揮発性キャリア流体が、炭化水素流体、フッ素化ポリエーテル、シリコーン流体、または炭化水素流体とフッ素化ポリエーテルとの組合せである、請求項９に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１１】
前記低揮発性キャリア流体がパーフルオロポリエーテルを含む、請求項１０に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１２】
前記低揮発性キャリア流体が多重アルキル化シクロペンタンを含む、請求項１０に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのエネルギー吸収層上に配置された第２複合部材をさらに含み、前記第２複合部材が１つ以上の複合材層を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１４】
前記第２複合部材の各複合材層が複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む、請求項１３に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１５】
前記第２複合部材上に配置された追加のエネルギー吸収層と、前記追加のエネルギー吸収層上に配置された第３複合部材と、をさらに含み、前記第３複合部材が１つ以上の複合材層を含む、請求項１４に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１６】
前記第３複合部材の各複合材層が複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む、請求項１５に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１７】
前記追加のエネルギー吸収層が布帛を含み：
前記布帛が：
（１）少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する複数の繊維と；
（２）懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む剪断増粘流体であって、前記布帛に挿入されている剪断増粘流体と、を含む、
請求項１５または１６に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１８】
前記追加のエネルギー層の布帛内の複数の繊維が、少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有する、請求項１７に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項１９】
（１）前記追加のエネルギー吸収層の布帛が、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、発泡／延伸ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される複数の繊維を含み；かつ
（２）前記追加のエネルギー吸収層のキャリア流体が、炭化水素流体、フッ素化ポリエーテル、シリコーン流体、または炭化水素流体とフッ素化ポリエーテルとの組合せである、請求項１７または１８に記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項２０】
前記第１複合部材が少なくとも５つの複合材層を含む、請求項１〜１９のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項２１】
前記第１複合部材が少なくとも１０層の複合材層を含む、請求項１〜２０のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項２２】
さらに約２ｇ／ｃｍ３未満の構造密度および約０．５ｃｍ未満の厚さを有する、請求項１〜２１のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料を含む物品。
【請求項２４】
多層ハイブリッド複合材料を含む、多層熱微小隕石衣服と、硬質上部胴体部分と、をさらに含む、請求項２３に記載の物品。
【請求項２５】
（１）１つ以上の複合材層を含む第１複合部材と；
（２）剪断増粘流体が挿入された布帛を含む第１のエネルギー吸収層であって、前記剪断増粘流体が約４，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む、第１のエネルギー吸収層と；
（３）１つ以上の複合材層を含む第２複合部材と；
を含む複合構造体であって：
前記第１のエネルギー吸収層が第１複合部材と第２複合部材との間に配置され、前記複合構造体に衝撃エネルギーが印加されるときにそれを散逸させる、複合構造体。
【請求項２６】
前記第１のエネルギー吸収層の布帛が、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する複数の繊維を含む、請求項２５に記載の複合構造体。
【請求項２７】
前記第１のエネルギー吸収層の布帛が、少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有する複数の繊維を含む、請求項２６に記載の複合構造体。
【請求項２８】
前記懸濁粒子が約１，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する、請求項２５〜２７のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項２９】
（４）前記第２複合部材上に配置された第２のエネルギー吸収層であって、前記第２のエネルギー吸収層が第２の剪断増粘流体が挿入された第２の布帛を含み、前記第２の布帛が少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する複数の繊維を含み、前記第２の剪断増粘流体が、約４，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む、第２のエネルギー吸収層と；
（５）前記第２のエネルギー吸収層上に配置された第３複合部材であって、１つ以上の複合材層を含む前記第３複合部材と、
をさらに含む、請求項２５〜２８のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３０】
前記第２の布帛の複数の繊維が、少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有し、前記第２の剪断増粘流体中の前記懸濁粒子が約１，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する、請求項２９に記載の複合構造体。
【請求項３１】
前記第１複合部材の各複合材層、前記第２複合部材の各複合材層、前記第３複合部材の各複合材層、またはそれらの任意の組合せの各複合材層が、複数の炭素繊維、複数のガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む、請求項２５〜３０のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３２】
前記第１の布帛および第２の布帛のそれぞれが、アラミド繊維、超高分子量ポリエステル繊維、発泡／延伸ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される複数の繊維を含む、請求項２５〜３１のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３３】
前記第１の布帛および第２の布帛が複数のアラミド繊維を含む、請求項２５〜３２のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３４】
前記第１の剪断増粘流体および第２の剪断増粘流体が、約４０％〜約８５重量％の粒子を含む、請求項２５〜３３のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３５】
前記第１の剪断増粘流体および第２の剪断増粘流体が、約６０％〜約７０重量％の粒子を含み、前記粒子が、約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの間の平均粒径および約１：１〜約１０：１のアスペクト比を有するシリカ粒子である、請求項３４に記載の複合構造体。
【請求項３６】
前記第１の剪断増粘流体のキャリア流体、前記第２の剪断増粘流体のキャリア流体、または前記第１の剪断増粘流体および第２の剪断増粘流体の両方のキャリア流体が、２５℃で約１×１０−６ｍＰａ未満の蒸気圧を有する低揮発性キャリア流体である、請求項２５〜３５のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３７】
前記低揮発性キャリア流体が、パーフルオロポリエーテルまたは多重アルキル化シクロペンタンを含む、請求項３６に記載の複合構造体。
【請求項３８】
約２ｇ／ｃｍ３未満の構造密度および約０．５ｃｍ未満の厚さをさらに有する、請求項２５〜３７のいずれかに記載の複合構造体。
【請求項３９】
請求項２５〜３８のいずれかに記載の複合構造体を含む物品。
【請求項４０】
前記物品が、船外活動ユニットの硬質上部胴体部品、船舶の船体、自動車部品、モータサイクル部品、自転車、風車タービン翼、安全帽、スポーツ用品、または貯蔵タンクである、請求項３９に記載の物品。
【請求項４１】
前記物品が、サーフボード、スケートボード、スノーボード、スキー、ホッケースティック、ラクロススティック、アイススケート、および安全パッドからなる群から選択されるスポーツ用品である、請求項４０に記載の物品。
【請求項４２】
向上した耐衝撃性および損傷許容性を備えた船外活動ユニットであって：
少なくとも１つの吸収層を含む多層衣服であって、前記吸収層が布帛内に挿入された剪断増粘流体を含み、前記剪断増粘流体が約４０％〜約８０重量％の範囲の濃度の懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む、多層衣服と；
請求項１〜２４のいずれかに記載の多層ハイブリッド複合材料を含む硬質上部胴体部分と、
を含む、船外活動ユニット。
【請求項４３】
前記多層衣服と前記硬質上部胴体部分との間に配置された低摩擦層をさらに含む、請求項４２に記載の船外活動ユニット。
【請求項４４】
前記低摩擦層が、複数のポリテトラフルオロエチレン繊維またはポリテトラフルオロエチレン膜を含む布帛を含む、請求項４３に記載の船外活動ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２０１８年７月１７日に出願された米国仮出願第６２／６９９，２８１号の利益を主張するものであり、上記特許の内容全体を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、高い機械的強度を有する軽量な複合材料に関する。特に、剪断増粘流体（ＳＴＦ）で強化された繊維製品は、複合材料と組み合わされて、耐衝撃性や損傷許容性が向上した構造体を形成する。
【背景技術】
【０００３】
人類は長年にわたって複合材料を使用してきた。複合材料は、２種類以上の材料から作られ、出発材料に対比すると固有の特性を有する新規材料を形成する。複合材料の大きな利点の１つは、軽量性と相まった強度および剛性である。さらに、材料の適切な組合せを選択することにより、特定の構造または機能に最適な、強度、形状、熱伝導率などの特性を有する複合材料を製造することができる。複合材料は、鉄筋コンクリート、合板、セラミック、繊維ガラス、および炭素繊維を包含する。上述の材料の１つである繊維ガラスは、１９３０年代に開発され、布帛に織り込まれ、プラスチックまたは樹脂で結合されたガラス繊維で構成される。繊維ガラス複合材料は、サーフボード、船舶の船体、自動車のような数多くの製品に使用されている。広汎に使用されているもう１つの複合材料は、炭素繊維から作られる。炭素繊維は主として炭素原子から構成され、高い剛性、高い引張強度、低重量、その他の望ましい特性を有する。炭素繊維は、樹脂など他の材料と組み合わせて、自動車、航空機構造体、スポーツ用品、風力タービン翼のような数多くの製品で使用される炭素繊維複合材料を形成することができる。
【０００４】
複合材料は、宇宙飛行士が宇宙遊泳や月面着陸の際に装着する船外活動ユニット（ＥＭＵ）の構築にも使用されている。既存のＥＭＵは、制御モジュールや主要生命維持サブシステムの取付けおよび支持に加え、装着者の上半身の圧力封じ込めと保護を実現する（硬質上部胴体部分またはＨＵＴと呼ばれる）硬質複合材部分を含有する。宇宙の過酷な環境を考えると、宇宙飛行士の船外活動（ＥＶＡ）の成功は、彼らが装着するＥＭＵの硬質上部胴体（ＨＵＴ）および環境保護衣服（ＥＰＧ）の性能に大きく左右される。実際に、宇宙空間は、大気がなく、極端な温度や様々な種類の有害な放射線に曝される極めて厳しい環境である。地球低軌道でさえ、宇宙飛行士は、塵や岩の微粒子、または非常に高速で移動する軌道上の宇宙船／衛星デブリに打撃される可能性がある。さらに、月面や火星の探査では、大気がほとんどまたはまったくない、クレーター、丘、峡谷といったもしかすると岩だらけの表面がさらなる危険性をもたらす世界に、宇宙飛行士は曝露され、これらすべてが宇宙飛行士が行った何らかの失敗に容赦をしない可能性がある。何らかの失敗により、宇宙飛行士のＨＵＴが損傷を受け、これにより宇宙飛行士の空気供給が漏出するだけではなく、宇宙飛行士が地球外の大気に曝露されて、ほぼ瞬時に命を失う可能性がある。したがって、偶発的な衝撃や落下の場合に備えて適切な耐衝撃性と安全機能を有するようにＨＵＴを設計することが肝要である。
【０００５】
長期間のミッションの際の宇宙飛行士の安全性と生存性を向上させるには、宇宙飛行士の保護を高めつつ、宇宙環境への長時間の曝露や複数のＥＶＡに耐えることが可能な、耐久性のさらに高いＨＵＴが不可欠である。数日間の使用のみを実施することが全耐用期間にわたって要求されていたアポロ時代のＥＭＵとは対照的に、火星探査用の新規ＥＭＵは、場合によっては最大５００日以上の長期間にわたって効果的に機能するとともに、鋭く粗い岩、工具、またはその他の物体の取扱いおよび研磨性の粉塵や粒子への曝露を包含するより過酷な条件に耐える必要がある場合がある。破断や漏れに対する耐性は、ＥＭＵ用宇宙服の重要な保護属性であるが、既存の材料では十分に満たされていない。これら従来の硬質繊維強化複合材への衝撃エネルギーは、パネルによって吸収され、これが繊維の破断、母材の亀裂、および／または層間剥離を引き起こす。さらに、さらなる保護のために宇宙服に複合材層をさらに追加すると、重量が増加し、長期間の作業用の宇宙服としては実用的ではない。したがって、ＥＶＡ用宇宙服またはＥＭＵ用宇宙服で使用するための軽量で耐衝撃性のある複合材料の重要な需要が残されている。
【０００６】
ＨＵＴ組立体の最近の開発では、複雑な形状に製造できる高度に設計された炭素繊維／繊維ガラス複合材積層品を活用する（Ｓｌｏａｎ、２０１６年、Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｗｏｒｌｄ、２：４４〜４７を参照）。上述のＺ−２宇宙服のＨＵＴ複合材料は、約１００ジュールを超える衝撃エネルギーに耐えることができた（Ｒｏｓｓ等、２０１４年、４４ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  １３−１７を参照）。ただし、これらの宇宙服は、約２００〜３００ジュールを超える衝撃エネルギー、または累積的な損傷を引き起こす場合のある繰返し荷重もしくは衝撃に耐える十分な強度を有するものの、長期間の実際的作業用に十分な軽量化に十分な薄さにできない場合がある。
【０００７】
高靭性複合材料に使用するための材料を強化する可能性のある方法の１つは、剪断増粘特性を有する材料の層を組み込むことである。剪断増粘とは、剪断応力の増加に伴う粘性の増大により特徴付けられる流体の非ニュートン流動の挙動である。この挙動は濃縮コロイド懸濁液で観察される場合がほとんどである。これは、「ハイドロクラスター」と呼ばれる「粒子間の流体力学的潤滑力に起因するジャミングクラスター」の形成によるものである（Ｌｅｅ等、２００３年、Ｊ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉ．３８：２８２５〜２８３３を参照）。ただし、現在のところ、ＨＵＴ組立体での使用に適し、かつ剪断増粘機能を示す複合材料は存在していない。
【０００８】
したがって、軽量な損傷許容性複合材料の技術分野において、加圧タンク、ボート船体、航空機、スポーツ用品、安全装置、風車タービン、および自動車といった耐衝撃性構造体のみならず、ＨＵＴ組立体での使用に適した耐久性構造体を提供する必要性が残されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高い機械的強度と、向上した耐衝撃性および損傷許容性を備えた軽量な複合材料を提供することである。特に、１つ以上のＳＴＦ挿入中間層と組み合わされた複合材が提供され、ここで、ＳＴＦ流体は、複合材構造の耐衝撃性および損傷許容性を向上するエネルギー吸収特性を繊維製品に賦与する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、向上した耐衝撃性および損傷許容性を備えた多層ハイブリッド複合材料を特徴とする。この複合材料は：１つ以上の複合材層を含む第１複合部材と；第１複合部材の上または内部に配置された少なくとも１つのエネルギー吸収層と、を含む。この態様において、エネルギー吸収層は、複数の繊維を含む布帛と、約４，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む剪断増粘流体と、を包含する。また、この態様において、剪断増粘流体は布帛に挿入され、エネルギー吸収層は、エネルギー吸収層を含まない多層複合材と比較して、向上した耐衝撃性および損傷許容性を多層ハイブリッド複合材料に賦与する。一部の実施形態では、複数の繊維は、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する。他の実施形態では、複数の繊維は、少なくとも約１ＧＰＡの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有する。さらに他の実施形態では、懸濁粒子は、約１，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する。
【００１１】
一部の実施形態では、第１複合部材の各複合材層は、複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む。例えば、一実施形態では、第１複合部材の各複合材層は、複数のＳガラス繊維のような複数のガラス繊維を含む。布帛の繊維は、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、発泡／延伸ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択されてもよい。
【００１２】
一実施形態において、ＳＴＦは、２５℃で約１×１０−６ｍＰａ未満の蒸気圧を有する低揮発性キャリア流体であるキャリア流体を包含する。ここで、粒子は、約４０％〜約８５重量％の範囲の粒子濃度で低揮発性キャリア流体中に懸濁されるシリカ粒子である。別の実施形態では、低揮発性キャリア流体は、炭化水素流体、フッ素化ポリエーテル、シリコーン流体、または炭化水素流体とフッ素化ポリエーテルとの組合せである。例えば、特定の実施形態では、低揮発性キャリア流体は、パーフルオロポリエーテルを含む。別の特定の実施形態では、低揮発性キャリア流体は、多重アルキル化シクロペンタンを含む。
【００１３】
一部の実施形態では、多層ハイブリッド複合材料は、少なくとも１つのエネルギー吸収層上に配置された第２複合部材を含み、第２複合部材は、１つ以上の複合材層を含む。他の実施形態では、第２複合部材の各複合材層は、複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む。さらに、本明細書で提供される多層ハイブリッド複合材料は、第２複合部材上に配置された追加のエネルギー吸収層と、追加のエネルギー吸収層上に配置された第３複合部材と、を含んでもよく、第３複合部材は、１つ以上の複合材層を含む。さらなる実施形態では、第３複合部材の各複合材層は、複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む。特定の実施形態では、この追加のエネルギー吸収層は布帛を含み、布帛は、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する複数の繊維と、懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む剪断増粘流体であって、布帛に挿入されている剪断増粘流体と、を含む。一部の実施形態では、追加のエネルギー層の布帛内の複数の繊維は、少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有する。
【００１４】
多層ハイブリッド複合材料は、追加のエネルギー吸収層の布帛が、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、発泡／延伸ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される複数の繊維を含んでもよい。さらに、追加のエネルギー吸収層のキャリア流体は、炭化水素流体、フッ素化ポリエーテル、シリコーン流体、または炭化水素流体とフッ素化ポリエーテルとの組合せであってもよい。
【００１５】
一部の実施形態では、第１複合部材は、少なくとも５つの複合材層を含む。他の実施形態では、第１複合部材は、少なくとも１０層の複合材層を含む。一部の態様において、多層ハイブリッド複合材料は、約２ｇ／ｃｍ３未満の構造密度および約０．５ｃｍ未満の厚さを含む。さらに、物品、または多層熱微小隕石衣服をさらに含む物品の硬質上部胴体部分を構成するために多層ハイブリッド複合材料を使用してもよい。
【００１６】
本発明の別の態様は：（１）１つ以上の複合材層を含む第１複合部材と；（２）剪断増粘流体が挿入された布帛を含む第１のエネルギー吸収層であって、剪断増粘流体が約４，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む、第１のエネルギー吸収層と；（３）１つ以上の複合材層を含む第２複合部材と、を含む複合材構造を特徴とする。この態様では、複合構造体に衝撃エネルギーが印加されるときに散逸させるために、第１のエネルギー吸収層が第１複合部材と第２複合部材との間に配置されてもよい。追加的に、または代替的に、第１のエネルギー吸収層の布帛は、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する複数の繊維を含んでもよい。さらに他の実施形態では、第１のエネルギー吸収層の布帛は、少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有する複数の繊維を含む。他の実施形態では、懸濁粒子は、約１，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する。
【００１７】
特定の実施形態では、複合構造体は、第２複合部材上に配置された第２のエネルギー吸収層を含み、第２のエネルギー吸収層は、第２の剪断増粘流体が挿入された第２の布帛を含む。この実施形態では、第２の布帛は、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する複数の繊維を含み、第２の剪断増粘流体は、約４，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む。さらに、この実施形態では、第２のエネルギー吸収層上に配置された第３複合部材は、１つ以上の複合材層を含んでもよい。別の実施形態では、第２の布帛の複数の繊維は、少なくとも約１ＧＰａの引張強度および少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇの比強度を有し、第２の剪断増粘流体中の懸濁粒子は、約１，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する。
【００１８】
一部の実施形態では、第１複合部材の各複合材層、第２複合部材の各複合材層、第３複合部材の各複合材層、またはそれらの任意の組合せの各複合材層は、複数の炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せを含む。他の実施形態では、第１の布帛および第２の布帛のそれぞれは、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、発泡／延伸ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択される複数の繊維を含む。例えば、一実施形態では、第１の布帛および第２の布帛は、複数のアラミド繊維を含む。
【００１９】
一部の実施形態では、複合構造体の第１の剪断増粘流体および第２の剪断増粘流体は粒子をそれぞれ約４０％〜約８５重量％含む。他の実施形態では、第１の剪断増粘流体および第２の剪断増粘流体は粒子を約６０％〜約７０重量％含み、粒子は、約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの間の平均粒径、および約１：１〜約１０：１のアスペクト比を有するシリカ粒子である。他の実施形態では、第１の剪断増粘流体のキャリア流体、第２の剪断増粘流体のキャリア流体、または第１の剪断増粘流体および第２の剪断増粘流体の両方のキャリア流体は、２５℃で約１×１０−６ｍＰａ未満の蒸気圧を有する低揮発性キャリア流体である。例えば、低揮発性キャリア流体は、パーフルオロポリエーテルまたは多重アルキル化シクロペンタンを含んでもよい。
【００２０】
上記の複合構造体はまた、約２ｇ／ｃｍ３未満の構造密度および約０．５ｃｍ未満の厚さを含んでもよい。一部の実施形態では、複合構造体を使用して、船外活動ユニットの硬質上部胴体部品、船舶の船体、自動車部品、モータサイクル部品、自転車、風力タービン翼、安全帽、スポーツ用品、または貯蔵タンクなどの物品を構築する。一部の実施形態では、物品は、サーフボード、スケートボード、スノーボード、スキー、ホッケースティック、ラクロススティック、アイススケート、および安全パッドからなる群から選択されるスポーツ用品である。
【００２１】
本発明の別の態様は、向上した耐衝撃性および損傷許容性を備えた船外活動ユニットを特徴とする。この船外活動ユニットは、少なくとも１つの吸収体層を含む多層衣服を含み、吸収体層は、布帛に挿入された剪断増粘流体を含み、剪断増粘流体は、約４０％〜約８０重量％の範囲の懸濁粒子を含有する少なくとも１つのキャリア流体を含む。さらに、この船外活動ユニットは、上記の特徴のいずれかを含む多層ハイブリッド複合材料を含む硬質上部胴体部分を含む。一部の実施形態では、船外活動ユニットは、多層衣服と硬質上部胴体部分との間に配置された低摩擦層を含む。一部の態様において、低摩擦層は、複数のポリテトラフルオロエチレン繊維またはポリテトラフルオロエチレン膜を含む布帛を含む。
【００２２】
本発明の上述および他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面でよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】ＳＴＦ複合材料の様々な実施形態の図を示す。ＳＴＦ層／材料は薄い灰色で表示される。Ｓガラス繊維または炭素繊維の複合材料は黒で示される。上の図は、２つの複合材層間にあるＳＴＦ中間層を示す。中央の図は、複合材層上に配置された外側ＳＴＦエネルギー吸収層を示す。下の図は、マトリックス内に分散されたＳＴＦの側面図を示す。
【図１Ｂ】本明細書で提供されるＳＴＦ複合材に対する中程度の衝撃（上）と激しい衝撃（下）の図を示す。
【図２】本来の完全に挟持された供試材保持器（中央）を備えたＤｙｎａｔｕｐ衝撃試験機（左パネル）の写真を、ＳＴＦ挿入外層を収納するための３インチ窓を備えた改造供試材保持器（右パネル）と対比した写真である。
【図３】漏れ検出システムを示す。左のパネルは、ＳＴＦ挿入層を有さない複合材層に実施された試験例の写真であり、１００Ｊ衝撃後の（矢印で示される気泡で明らかな）漏れを示している。右のパネルは、試験片を有して組み立てられた漏れ検出システムの画像である。
【図４】ＳＴＦ複合材設計の一部の実施形態を示しており、ＳＴＦ層が１つの積層編成（左上のパネル）、ＳＴＦ層が２つの積層編成（右上パネル）、およびＳＴＦ層が２つの分割積層編成（右下のパネル）を包含する。左下のパネルは、ＳＴＦ挿入層を完全に封じ込めるために供試材の周囲に約１２ｍｍ（１／２インチ）の境界を形成するように、Ｓガラスよりわずかに小さいケブラー層で作製された試験片を示す。
【図５】（１００Ｊ衝撃後の）ＳＴＦ複合材料試験片の断面の画像であり、ＳＴＦケブラー層とガラス層との間の良好な結合を示している。
【図６】１００Ｊ衝撃試験の対照とＳＴＦ複合材料との比較結果を示す。パネルＡ（試験片前面）、パネルＢ（試験片背面）、およびパネルＣ（裏側薄層の顕微鏡写真）は、対照Ｓガラス複合材Ｍ１試験片の結果を示し、パネルＤ（試験片前面）、パネルＥ（試験片背面）、およびパネルＦ（裏側薄層の顕微鏡写真）は、ＳＴＦ層が２つのＭ４複合材試験片の結果を示す。
【図７Ａ】Ｍ１対照を３つの異なるＳＴＦ複合材積層編成（Ｍ３、Ｍ４、およびＭ５）と比較した力−時間曲線を示すグラフである。ｙ軸は力の量をキロニュートン（ｋＮ）単位で表し、ｘ軸は時間をミリ秒（ｍｓ）単位で表す。
【図７Ｂ】Ｍ１対照を３つの異なるＳＴＦ複合材料積層編成（Ｍ３、Ｍ４、およびＭ５）と比較した力−変位曲線を示すグラフである。ｙ軸は力の量をキロニュートン（ｋＮ）単位で表し、ｘ軸は変位をミリメートル（ｍｍ）単位で表す。
【図８】１５０Ｊ衝撃から複合材料が受けた損傷を示す立体顕微鏡画像である。上の行は、ＳＴＦ複合材Ｍ４（中央パネル）およびＳＴＦ配合が最適化されたＳＴＦ複合材Ｍ１０（右パネル）と比較した、Ｓガラス対照複合材Ｍ１（左パネル）の裏側薄層の画像を示す。下の行は、ＳＴＦ複合材Ｍ４（中央のパネル）およびＳＴＦ配合が最適化されたＳＴＦ複合材Ｍ１０（右パネル）と比較したＳガラス対照複合材Ｍ１（左パネル）の薄層側面像を示す。
【図９】試験片寸法のＡＳＴＭ規格のＤ−７１３６固定具を使用した１５０Ｊの衝撃時の複合材供試材の端部効果と応力局所化を説明する図である。４層ＳＴＦ複合材の前面画像（パネルＡ）および背面画像（パネルＢ）を、Ｓガラス複合材Ｍ１の前面画像（パネルＣ）および背面画像（パネルＤ）と比較している。４層ＳＴＦ複合材供試材は、衝撃部の裏側薄層が破断することなく衝撃に耐えたが、応力集中および「打抜き」効果により、支持部の端部に沿って変形および損傷があった。従来のＳガラス複合材Ｍ１試験片には、衝撃部に厚さ方向の損傷と、試験片の支持の影響を示す端部に沿った亀裂との両方があった。
【図１０】衝撃時の比エネルギー散逸を示すグラフである。ＳＴＦ複合材のＳＴＦ層の層数が増えるにつれ、衝撃時の比エネルギー散逸も増大した。（エネルギー散逸が低い）Ｓガラス複合材Ｍ１には、裏側薄層の破断および漏れを確認した。ＳＴＦ複合材の何れにも、１５０Ｊ衝撃試験で漏れはなかった。ＥＰＧ供試材Ｍ１０は、例５で説明する高摩擦ＥＰＧ試験である。ｙ軸は面密度あたりのエネルギーを表し、ｘ軸は試験した試験片を表す。ＥＥ／ＡＤは、面密度あたりの弾性エネルギーであり；ＥＤ／ＡＤは、面密度あたりの散逸エネルギーである。
【図１１】ＳＴＦ複合材の耐衝撃性に及ぼす複合材上のＥＰＧの摩擦の影響を示す画像を示す。すべての供試材は、ＭＤシリカベースのＳＴＦケブラー層を２つ有していた。通常摩擦供試材（中央の列）は、供試材の上面の上に配置された現行ＴＭＧからのオーソファブリック、マイラー多層断熱材、およびネオプレンでコーティングされたナイロン層を有していた。高摩擦試験（左の列）は、複合材に隣接する現在のＴＭＧウレタンコーティングブラダーを有していた。摩擦低減（右の列）用に、ネオプレンでコーティングされたナイロンと複合材との間に薄いテフロンシートが配置された。結果は、ＥＰＧと複合材の間の摩擦が減少するにつれて損傷が減少することを示した。低摩擦の標的は、衝撃面の亀裂の証拠をいくつか示したが、裏面の損傷の徴候は最小限であった。これとは対照的に、高摩擦試験では、漏れを許容した想定外の裏側薄層の破断（円）が生じた。高摩擦標的は、１５０Ｊ衝撃後に漏れの徴候を呈した最終的な２つのＳＴＦ層設計で製作された唯一のＳＴＦ複合材であった。新規材料を設計する際にＥＰＧと複合材との間のシステムレベルの相互作用を考慮することの重要性を強調している。
【図１２】様々なＳＴＦ複合材設計の衝撃試験結果をまとめたグラフである。ｙ軸は品質指標を表し、試験供試材はｘ軸で識別される。各供試材の縦棒は、左から右の順で、最大たわみ（ｕｚ）、平均衝撃力（Ｆａｖｇ）、衝撃持続時間（Ｔ）、および最大衝撃力（Ｆｍａｘ）を表す。ＥＰＧと共に試験したＭ１０供試材は、Ｍ１０ａ（高摩擦）、Ｍ１０ｂ（低摩擦）、およびＭ１０ｃ（通常摩擦）であった。
【図１３】流体が充填された標的のＳＴＦ中間層供試材の構造の概念図を示す。供試材は、上部と下部に４層、中央の「窓」部分に７層で作製された。
【図１４】中まで同じ材質のＥガラスパネル７７８１への２０Ｊ衝撃の結果の写真（上部パネル［左パネルは前面；右側パネルは背面］）と、ポリエステルスペーサーファブリックにＳＴＦが埋め込まれた中間層を備えたＥガラスパネル７７８１への２５Ｊ衝撃の結果の写真（下のパネル［左パネルは前面；右パネルは背面）を示す。
【図１５】スペーサーファブリックなしで液状ＳＴＦを含有するパネルの２０Ｊ衝撃前（左）と２０Ｊ衝撃後（右）の写真を示す。
【図１６Ａ】中まで同じ材質のＳＴＦパネル（正方形と細線の円）、ＳＴＦ流体中間層（三角形）、およびスペーサーファブリック中間層内のＳＴＦ（太線の円）の低速衝撃の力−時間曲線を示すグラフである。ｙ軸は衝撃力をニュートン（Ｎ）単位で表し、ｘ軸は時間をミリ秒（ｍｓ）単位で表す。
【図１６Ｂ】中まで同じ材質のＳＴＦパネル（正方形と細線の円）、ＳＴＦ流体中間層（三角形）、およびスペーサーファブリック中間層内のＳＴＦ（太線の円）の低速衝撃の力−変位曲線を示すグラフである。ｙ軸は衝撃力をニュートン（Ｎ）単位で表し、ｘ軸は変位をミリメートル（ｍｍ）単位で表す。
【図１７】ＳＴＦカバー層がある場合（円）とＳＴＦカバー層がない場合（四角）のＧ１０パネルへの衝撃の力−時間曲線を示すグラフである。落下高さは、１０ｃｍ（パネルＡ）、２０ｃｍ（パネルＢ）、および３０ｃｍ（パネルＣ）である。パネルＤは、最大力と衝撃エネルギーとの関係を示す。パネルＡ、パネルＢ、およびパネルＣでは、ｙ軸は力をニュートン（Ｎ）単位で表し、ｘ軸は時間をミリ秒（ｍｓ）単位で表す。パネルＤでは、ｙ軸は最大力をキロニュートン（ｋＮ）単位で表し、ｘ軸は衝撃エネルギーをジュール（Ｊ）単位で表す。
【図１８】ＳＴＦカバー層がある場合（円）とＳＴＦカバー層がない場合（四角）のＧ１０パネルへの衝撃に対する力−変位曲線を示すグラフである。落下高さは、１０ｃｍ（パネルＡ）、２０ｃｍ（パネルＢ）、および３０ｃｍ（パネルＣ）である。パネルＤは、散逸エネルギーと衝撃エネルギーとの関係を示す。パネルＡ、パネルＢ、およびパネルＣでは、ｙ軸は力をニュートン（Ｎ）単位で表し、ｘ軸は時間をミリ秒（ｍｓ）単位で表す。パネルＤでは、ｙ軸は散逸エネルギーをジュール（Ｊ）単位で表し、ｘ軸は衝撃エネルギーをジュール（Ｊ）単位で表す。
【図１９Ａ】硬鋼製支持体上のＳＴＦパケットのＬＶＩを用いた荷重−変位曲線を示すグラフである。ｙ軸は力をニュートン（Ｎ）単位で表し、ｘ軸は変位をミリメートル（ｍｍ）単位で表す。
【図１９Ｂ】硬鋼製支持体上のＳＴＦパケットのコンプライアンス補正曲線と原点シフト曲線を示すグラフである。ｙ軸は力をニュートン（Ｎ）単位で表し、ｘ軸は変位をミリメートル（ｍｍ）単位で表す。
【図１９Ｃ】硬鋼製支持体上のＳＴＦパケットの真応力と真ひずみを示すグラフである。ｙ軸は真応力での力をメガパスカル（ＭＰａ）単位で表し、ｘ軸は真ひずみをミリメートル（ｍｍ）単位で表す。
【図１９Ｄ】材料の区分的塑性進行のモデルを説明する図である。ｙ軸は真応力での力をメガパスカル（ＭＰａ）単位で表し、ｘ軸は真ひずみをミリメートル（ｍｍ）単位で表す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
剪断増粘流体（ＳＴＦ）を硬質複合材料と組み合わせて、優れた耐衝撃性および損傷抵抗そして自己修復機能を備えた新規ＳＴＦ複合構造体を形成するハイブリッド複合材が本明細書において提供される。ＳＴＦ複合材は、衝撃領域およびその周辺において剪断増粘状態に遷移するときに、大量の衝撃エネルギーを散逸する。さらに、剪断増粘の可逆性により、繰返し衝撃による損傷蓄積および弱体化が防止される。したがって、場に応答するＳＴＦの性質により、様々なレベルの衝撃に適応するように流体応答を調整して、衝撃エネルギーの広範な範囲にわたってＳＴＦ複合材に最適な衝撃特性を賦与することができる。これとは対照的に、従来の材料では、単一のエネルギーまたは限定されたエネルギー範囲に対して最適化されることが多いため、それより高い衝撃エネルギー、またはそれより低い衝撃エネルギーでは衝撃応答が最適にはならない。さらに、ＳＴＦ成分は、複合材の亀裂または損傷部に流れ込むことにより、一時的なシールを提供し、漏れを低減または排除することができる。この特性によって、改善された圧力シール特性（つまり「自己修復」機能）をＳＴＦ複合構造体に賦与して与圧構造体の漏れを防止することができる。
【００２５】
本明細書に記載されるＳＴＦ複合構造体は、複雑な形状に製造可能な薄くて軽量な複合材料の必要性に直接対処する。これにより、本発明のＳＴＦ複合材は、環境保護衣服（ＥＰＧ）と組み合わせて、および／またはその一部として使用することができる。例えば、ＳＴＦ複合材は、船外活動ユニット（ＥＭＵ）の硬質上部胴体（ＨＵＴ）部品として使用するのに適し、地球低軌道での作業や惑星間探査の実施中の装着者の保護を向上することができる。さらに、本開示のＳＴＦ複合材は、風車の回転翼、燃料タンクおよび貯蔵タンク、船舶の運搬の損傷抵抗特性を高めるために使用することができ、また、需要者の衝撃保護および／またはスポーツ用品に使用することもできる。
【００２６】
本明細書で表されるすべての百分率は、別段の記載がない限り、組成物または混合物の総重量の重量基準である。本明細書で表されるすべての比率は、別段の記載がない限り、重量（ｗ／ｗ）基準である。
【００２７】
本明細書では範囲については、範囲内の各値を列挙して記載することを回避するために、省略形を使用する場合がある。範囲内の任意の適切な値を、上限値、下限値、または範囲の端点として必要に応じて選択することができる。
【００２８】
本明細書中で用いる場合、文脈が明瞭にそうでないことを指示するのでなければ、単語の単数形は複数形の指示対象を共に包含し、逆もまた同様である。したがって、単数形「ａ」「ａｎ」（ある）、および「ｔｈｅ」（前記）の指示対象は、一般に、それぞれの用語の複数形の指示対象を共に含む。例えば、「ａ  ｍｅｔｈｏｄ」（方法）または「ａ  ｆａｂｒｉｃ」（布帛）への言及は、その複数形「ｍｅｔｈｏｄｓ」（方法）または「ｆａｂｒｉｃｓ」（布帛）を包含する。同様に、「ｉｎｃｌｕｄｅ」（包含する）、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」（包含している）、および「ｏｒ」（または）という用語は、文脈が明瞭にそのような構成を禁止するのでなければ、すべて包括的であると解釈されるべきである。同様に、「ｅｘａｍｐｌｅｓ」（例）という用語は、特に用語のリストが後に続く場合、単なる例示および実例であり、排他的または包括的であると見なされるべきではない。
【００２９】
「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」（含んでいる）という用語は、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ」（本質的にからなる）および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ」（からなる）という用語に含まれる実施形態を含むことを意図している。同様に、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ」（本質的にからなる）という用語は、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ」（からなる）という用語に含まれる実施形態を包含することを意図している。
【００３０】
本明細書に開示される方法および組成物ならびに他の進歩は、本明細書に記載される特定の装置または方法を変更してもよいのであるから、そのような装置または方法に限定されるものではない。さらに、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、開示または請求されるものの範囲を限定することを意図するものではない。
【００３１】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語、専門用語、および頭字語は、本発明の分野または当該用語が使用される分野の当業者によって一般に理解されている意味を有する。本発明に記載されているものと類似または同等の任意の組成物、方法、製品、または他の手段もしくは材料を本発明の実施に使用することができるが、好ましい組成物、方法、製品、または他の手段もしくは材料は、本明細書に記載されている。
【００３２】
「ａｂｏｕｔ」（約）という用語は、例えば、温度、長さ、幅、高さ、重量パーセントなどの測定値を得るために使用される機器の典型的な誤り率に起因する測定値の数値の変動を指す。一実施形態では、「ａｂｏｕｔ」（約）という用語は、報告した数値の５％以内を意味する。
【００３３】
「ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ」（複合材料）または「ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」（複合材）という用語は、異なる物理的および／または化学的特性を有する２つ以上の構成材料から作られた材料を意味し、これらの特性が組み合わされると、個々の構成要素とは異なる特性を有する材料が生み出される。
【００３４】
「Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  Ｇａｒｍｅｎｔ」（環境保護服）および「ＥＰＧ」という用語は、本明細書では互換的に使用され、有害な環境条件から着用者を保護するために着用される衣服を指す。ＥＰＧは、拘束層とブラダー層に加えて、ＴＭＧのすべての布帛層を包含する。
【００３５】
「Ｅｘｔｒａｖｅｈｉｃｕｌａｒ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｕｎｉｔ」（船外活動ユニット）および「ＥＭＵ」という用語は、本明細書では互換的に使用され、船外活動を行う宇宙飛行士に環境からの保護、移動性、生命維持、および通信を提供し、硬質上部胴体組立体、腕の衣服部分および手袋、生命維持システム、ヘルメット、ならびに軟質下部胴体組立体で構成される独立した人体形態の宇宙服を指す。
【００３６】
「Ｅｘｔｒａｖｅｈｉｃｕｌａｒ  Ａｃｔｉｖｉｔｙ」（船外活動）および「ＥＶＡ」という用語は、本明細書では互換的に使用され、地球の感知できる大気を超える宇宙船外で宇宙飛行士が実施するあらゆる活動を指し、宇宙遊泳、月面歩行、または地球外の地形（例えば火星）における作業を包含するが、これらに限定されない。
【００３７】
「ｆａｂｒｉｃ」（布帛）および「ｔｅｘｔｉｌｅ」（繊維製品）という用語は、本明細書では互換的に使用され、繊維または繊維から製造された糸で構成されるシート状の構造体を指す。「Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｆａｂｒｉｃｓ」（エンジニアリングファブリック）または「Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｔｅｘｔｉｌｅｓ」（エンジニアリング繊維製品）は、本明細書では、耐久性のある繊維から作られた布帛、または場合によっては高靭性繊維から作られた布帛を指すために使用される。
【００３８】
「ｆｌｅｘｕｒａｌ  ｒｉｇｉｄｉｔｙ」（曲げ剛性）という用語は、非剛性構造体を１単位の曲率に曲げるのに必要な力、および／または曲げられつつある構造体が呈する抵抗を意味する。
【００３９】
「ｈｉｇｈ  ｔｅｎａｃｉｔｙ  ｆａｂｒｉｃ」（高靭性布帛）という用語は、本明細書では、高靭性繊維から構成される布帛または複合材料を指すために使用される。
【００４０】
「ｈａｒｄ  ｕｐｐｅｒ  ｔｏｒｓｏ」（硬質上部胴体）および「ＨＵＴ」という用語は、本明細書では互換的に使用され、船外活動ユニットまたはＺ−２宇宙服などの宇宙服の中心的部品を指す。ＨＵＴは、装着者の上半身周りの剛性容器を形成し、身体のこの部分の圧力を封じ込める。
【００４１】
「ｈｉｇｈ  ｔｅｎａｃｉｔｙ  ｆｉｂｅｒ」（高靭性繊維）という用語は、本明細書では、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する繊維を指すために使用される。
【００４２】
本明細書で使用される「ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ」（挿入された）、「ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ」（挿入）、「ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｎｇ」（挿入すること）、「ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅ」（挿入する）という用語は、布帛のＳＴＦ処理を指し、ＳＴＦ流体を布帛内および繊維間および糸内に挿入することを意味する。ＳＴＦの「ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ」（挿入）は、織りの繊維間のあらゆる隙間や穴を埋めるだけでなく、一本一本の繊維自体をコーティングする。
【００４３】
本明細書で使用される「ｌｏａｄ」（荷重）または「ｌｏａｄｉｎｇ」（荷重印加）という用語は、構造体または繊維製品に印加される構造荷重または力を指す。
【００４４】
「Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｏｒｏｉｄｓ  ａｎｄ  Ｏｒｂｉｔａｌ  Ｄｅｂｒｉｓ」（微小隕石および軌道デブリ）または「ＭＭＯＤ」という用語は、本明細書では互換的に使用され、地球を周回し、時速２２，０００マイルの平均速度で移動する天然に存在する微小隕石と人工デブリとを指す。
【００４５】
本明細書で使用される「ｏｕｔｇａｓｓｉｎｇ」（ガス放出）という用語は、ある材料に溶解、捕捉、凍結、または吸収されたガスの放出を指す。「Ｏｕｔｇａｓｓｉｎｇ」（ガス放出）は、昇華、蒸発、脱着、および遅い化学反応からのガス生成を包含することができる。温度上昇および／または圧力低下により、ガス放出を増大させることができる。
【００４６】
本明細書で使用される「ｐｒｅｐｒｅｇ」（プリプレグ）という用語は、硬化または熱硬化の後に、複合材を形成したり、および／または複合材層またはＳＴＦ挿入布帛層などの別の構成要素層に接着したりすることができるように樹脂を含浸した繊維製品または複合材部品を指す。
【００４７】
本明細書で使用される「ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ」（比強度）という用語は、材料の強度をその密度で割った値を指す。繊維や繊維製品の場合、靭性は比強度の典型的な尺度である。
【００４８】
本明細書で使用される「ｔｅｎｓｉｌｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ」（引張強度）という用語は、材料を伸長させる傾向にある荷重に耐える材料の能力を指す。
【００４９】
「ｔｈｅｒｍａｌ  ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｏｒｏｉｄ  ｇａｒｍｅｎｔ」（熱微小隕石衣服）および「ＴＭＧ」という用語は、本明細書では互換的に使用され、宇宙服の外層を指す。ＴＭＧは、宇宙服の装着者を断熱して熱損失を防ぎ、装着者を有害な日射から遮蔽して、宇宙服に穴を開けて減圧する可能性のあるＭＭＯＤから装着者を保護する機能を果たす。
【００５０】
「ｖａｐｏｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ」（蒸気圧）という用語は、閉鎖系において所与の温度でその凝縮相と熱力学的平衡にある蒸気が及ぼす圧力を意味する。常温で蒸気圧が高い物質を「ｖｏｌａｔｉｌｅ」（揮発性）と呼んでもよい。
【００５１】
「Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ」（ヤング率）という用語は、縦方向の引張りまたは圧縮のもとで長さの変化に耐える材料の能力の尺度を指す。ヤング率は、応力−ひずみ関係が線形である領域内で、軸に沿った応力と同じ軸に沿ったひずみの比率として測定される。
【００５２】
本明細書で引用または参照されるすべての特許、特許出願、刊行物、技術論文および／または学術論文、ならびに本明細書で引用または参照される他の参考文献は、法律で許可される範囲で参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。それらの参考文献についての議論は、そこでなされた主張を要約することだけを目的とする。そのような特許、特許出願、刊行物または参考文献の全て、あるいはそれらの一部の何れも、関連技術、資料、または先行技術であることは認められていない。関連技術、資料、または先行技術としてのそのような特許、特許出願、刊行物、および他の参考文献のあらゆる主張の正確性および適切性に異議を唱える権利は明確に留保される。
【００５３】
耐衝撃性、損傷許容性、および自己修復特性を示すＳＴＦを含む複合構造体が本明細書で提供される。特に、ＳＴＦは、外側膜、中間層として複合材料と組み合わされるか、または複合構造体内に組み込まれる。例えば、一実施形態では、ＳＴＦは、高靭性繊維製品中に挿入され、ＳＴＦ繊維製品は、１つ以上の中間層として複合構造体内にさらに組み込まれる。上述の実施形態では、ＳＴＦ中間層は、ハイブリッドサンドイッチ構造を形成する硬質複合構造体内のエネルギー吸収層として機能する。他の実施形態では、ＳＴＦ布帛は、硬質複合材の外側に外層を形成して、複合材に伝達される衝撃エネルギーの量を低減し、および／または衝撃エネルギーをより広い領域に拡散する。さらに他の実施形態では、ＳＴＦ材料は、硬質複合材料によって密閉された、および／または囲繞された母材相内に充填剤として分散される。本明細書で提供されるＳＴＦ複合材は、エネルギー吸収特性および／またはエネルギー散逸特性を示し、それにより、ＳＴＦ材料を含まない同等の複合構造体と比較して、向上した耐衝撃性および／または損傷許容性をＳＴＦ複合材に賦与する。さらに、本明細書で提供されるＳＴＦ複合材は、激しい衝撃または繰返し衝撃によって引き起こされる亀裂および隙間にＳＴＦが流れ込む自己修復特性を示す。
【００５４】
本開示のＳＴＦ複合材は、ＳＴＦ部品および複合材部品を含む。ＳＴＦ部品は、ＳＴＦ流体および布帛部品または繊維製品部品をさらに含んでもよい。一部の実施形態では、ＳＴＦ流体が布帛にコーティングされる。ただし、ＳＴＦ流体は、高靭性繊維を含有する布帛であってもよい布帛に挿入されることが好ましい。次いで、ＳＴＦが挿入された布帛を複合材コンポーネントに組み込むことができる。次に、本発明のＳＴＦ流体、ＳＴＦ挿入布帛、ＳＴＦ複合材、およびＳＴＦ複合材を組み込んだ物品／構造について、以下でさらに詳細に説明する。
【００５５】
複合材料
本明細書で提供されるＳＴＦ複合材は、複合構造体の損傷抵抗を高めるために、ＳＴＦおよび／またはＳＴＦが挿入された布帛または繊維製品を活用する。使用に適した複合材料は、鉄筋コンクリート、複合材木材、強化プラスチック、セラミック母材複合材、金属母材複合材、または炭素繊維、グラファイト、ガラス繊維などの高度な複合材を包含するが、これらに限定されない。一部の実施形態では、複合材料の望ましい選択は、軽量であること、そして高い剛性／強度を示すことであってもよい。例えば、適切な複合材料は、少なくとも約１ギガパスカル（ＧＰａ）、例えば、１ＧＰａ、２ＧＰａ、３ＧＰａ、４ＧＰａ、５ＧＰａ、６ＧＰａ、７ＧＰａ、８ＧＰａ、９ＧＰａ、１０ＧＰａ、１５ＧＰａ、２０ＧＰａ、２５ＧＰａ、３０ＧＰａ、３５ＧＰａ、４０ＧＰａ、４５ＧＰａ、５０ＧＰａ、５５ＧＰａ、６０ＧＰａ、６５ＧＰａ、７０ＧＰａ、７５ＧＰａ、８０ＧＰａ、８５ＧＰａ、９０ＧＰａ、９５ＧＰａ、１００ＧＰａ、１１０ＧＰａ、１２０ＧＰａ、１３０ＧＰａ、１４０ＧＰａ、１５０ＧＰａ、１６０ＧＰａ、１７０ＧＰａ、１８０ＧＰａ、１９０ＧＰａ、または２００ＧＰａ以上のヤング率を有してもよい。好ましくは、複合材料は、少なくとも約１０ＧＰａのヤング率を有する。例えば、一部の実施形態では、複合材は、約１５ＧＰａのヤング率を有する繊維ガラスである。所望の強度および重量を有する例示的な複合材料は、炭素繊維またはガラス繊維を含んでもよい。例えば、特定の実施形態では、ＳＴＦ複合材は炭素繊維を含む。他の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、Ａガラス、Ｃガラス、Ｄガラス、Ｅガラス、ＥＣＲガラス、ＡＲガラス、Ｒガラス、Ｓガラス、Ｓ２ガラスなどのガラス繊維を含む。特定の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、Ｓガラス繊維またはＳ２ガラス繊維を含む。他の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、Ｅガラス繊維を含む。さらに他の実施形態では、複合材料は、ガラス繊維および炭素繊維（例えば、ハイブリッドＳ２ガラス繊維および中間弾性率炭素繊維）の組合せを含む。
【００５６】
特定の実施形態では、炭素繊維、ガラス繊維、または炭素繊維とガラス繊維との組合せなどの高靭性繊維が樹脂成分と混合され、樹脂成分が繊維母材を強化して、軽量で耐久性のある複合材料を形成する。上述の実施形態では、樹脂は、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、または強化エポキシ樹脂であってもよい。次に、繊維と樹脂の混合物を一定期間にわたって周囲温度で硬化させるか、または熱硬化させて複合材料を製造する。
【００５７】
炭素繊維および／またはガラス繊維を含む複合材料は、様々な幾何学的形状および構成に適合するように設計可能である軽量で強度のある材料を必要とする構造および用途で特に有用である。例えば、現在の宇宙服の設計では、ＨＵＴ部分にガラス繊維（繊維ガラス）またはハイブリッドガラス繊維／炭素繊維複合材を組み込んでいる。さらに、これらの種類の複合材を使用して、車両および船舶の船体、航空機部品、自転車、モータサイクル部品および自動車部品、スポーツ用品（例えばサーフボード、スケートボード、スノーボード、スキー、ホッケースティック、アイススケートの一部、ラクロススティック）、および保護スポーツウェア（例えばヘルメット）を作ることができる。ただし、激しい衝撃、および／または繰返し衝撃は、亀裂発生および／または破断の危険性を依然として引き起こす。さらに、航空機や宇宙服などの圧力シール構造体で使用される場合、破断は圧力漏れを引き起こし、減圧につながる。微小隕石、軌道デブリによる衝撃、または地球外の岩層への落下によって引き起こされる宇宙服の圧力漏れが急速減圧につながり装着者の命が失われることにもなりかねない。同様に、機体への衝撃によって引き起こされる航空機の急速減圧は、機室圧力の損失を引き起こしかねない。これを踏まえ、ＳＴＦ流体を複合材の設計に組み込むことにより、複合材料の耐衝撃性および破壊抵抗特性を向上させることができる。さらに、ＳＴＦ流体の自己修復特性は、激しい衝撃または繰返し衝撃によって引き起こされる亀裂や漏れを埋めることができ、それによって減圧を防止する。
【００５８】
特定の用途では、断熱特性を備えた複合材料を使用することが望ましい場合がある。例えば、深海の潜水艇またはＥＭＵ／ＥＰＧ用服において、熱損失を防ぐために断熱能力の高い複合材料を使用することが必要な場合がある。したがって、熱伝導率の低い複合材料は、このような用途に特に適している。一部の実施形態では、ＳＴＦ複合材での使用に適した複合材料の熱伝導率は、約１０ワット／メートルケルビン（ｗ／（ｍ・Ｋ））未満、例えば、９、８、７、６、５、４、３、２、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１ｗ／ｍ・Ｋである。他の実施形態では、ＳＴＦ複合材での使用に適した複合材料の熱伝導率は、約５ｗ／ｍ・Ｋ未満である。例えば、良好な断熱特性を備えたＳＴＦ複合材は、Ｓガラス繊維などのガラス繊維を含んでもよい。
【００５９】
得られる複合材の構造密度を所望の範囲内に維持しながら、複合材料の耐久性および耐衝撃性を高めるために、ＳＴＦ流体またはＳＴＦ挿入布帛中間層を構造内に組み込んでもよい。ＳＴＦ流体、ＳＴＦ挿入布帛、およびＳＴＦ複合材について以下で詳しく説明する。
【００６０】
ＳＴＦ流体
上記のように、ＳＴＦ流体を複合構造体に組み込むことで、自己修復機能を備え、耐衝撃性および損傷許容性が向上したハイブリッドＳＴＦ複合材が生み出される。一部の実施形態は、複合材母材内に分散されたＳＴＦ流体を活用するが、他の適切なＳＴＦ複合材設計では、外層および／または中間層などの１つ以上のＳＴＦ繊維製品層を包含する。ＳＴＦ流体は、剪断応力に応答して周囲の繊維製品／複合材を強化することにより、ＳＴＦ複合材の強度を高める。本開示から明らかになるように、本明細書に記載のＳＴＦの挿入は、繊維製品および／または複合材の重量、構造密度、または厚さを大幅に増加させることはない。
【００６１】
本明細書で提供されるＳＴＦ流体は、印加応力が増加するにつれて粘性が増大するキャリア流体中の粒子の濃縮分散体であってもよい。繊維または布帛に挿入した場合、ＳＴＦは流動性を維持し、布帛の柔軟性を妨げないが、衝撃時に剛性化することで繊維間の摩擦係数を変化させる。さらに、本明細書で提供されるＳＴＦ複合材に組み込まれると、ＳＴＦ流体の特性により、流体はＳＴＦ複合材に印加された衝撃エネルギーを散逸させることができる。布帛または複合構造体に剪断応力が印加されると、粒子のハイドロクラスターが形成され、ＳＴＦを含まない同じ材料と比較して布帛のその部分の破壊に対する耐性を向上させる剛性が生じる。したがって、特定の繊維織から形成された繊維の隙間を埋めることに加えて、ＳＴＦ流体は繊維自体および／または糸自体の特性にも影響を及ぼす。同様に、ＳＴＦ流体は、衝撃後に周囲の複合構造体に形成された亀裂や損傷部に流れ込んで埋め、複合材の耐久性を向上させ、および／または漏れを防止することができる。
【００６２】
理論に束縛されることを意図するものではないが、ハイドロクラスターの剪断増粘状態への遷移は、応力に依存し、超高速発射体を用いる衝撃では、貫通に対する抵抗を実現するためには迅速な遷移速度が必要とされる。低ひずみ速度の場合、例えば、ＳＴＦが挿入された布帛を含む衣料品の着用者に伴う物品の屈曲および変形を流体が妨げることはほとんどない。しかしながら、例えば、高速発射体に伴う高ひずみ速度の場合、流体の粘性が増大し、その際に衝撃エネルギーを散逸させ、これによりＳＴＦ複合材の損傷抵抗を高める。ＳＴＦ流体のこれらの固有な特性は、部分的には、複数の粒子および１つ以上の担体溶媒またはキャリア流体を含むＳＴＦ流体の組成に起因する。
【００６３】
本明細書での使用に適したＳＴＦ流体では、粒子は、１つ以上のキャリア流体に懸濁される。ＳＴＦ粒子は、キャリア流体中で安定化されるか、または電荷、ブラウン運動、吸着界面活性剤、および吸着ポリマーもしくはグラフトポリマー、高分子電解質、高分子両性電解質、またはオリゴマーにより分散されてもよい。粒子は剛性のコロイド粒子であることが好ましい。本明細書で提供されるＳＴＦを組み込んだ布帛および複合材料での使用に適した粒子は、Ｓｔｏｅｂｅｒ型合成によって生成されるような球状アモルファスシリカ、沈降炭酸カルシウムなどの溶液沈殿プロセスによって合成される合成無機粒子、ゲルゾル法によって合成される合成無機粒子（ヘマタイト、ＴｉＯ２）、またはヒュームドシリカもしくはカーボンブラックを包含する、任意の固体材料のものであってもよい。一部の実施形態では、剪断増粘挙動を呈するように、モンモリロナイトおよびカオリンクレーなどの天然無機粒子をキャリア流体に分散させてもよい。他の実施形態では、剪断増粘挙動を呈するように、石英、方解石、タルク、石膏、および／または雲母などの粉砕鉱物粉末をキャリア流体に分散させてもよい。固体分散相はまた、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）ミクロスフェアなど、乳化重合プロセスによって生成されるプラスチゾルのように本質的にポリマーであってもよい。固相はまた、デンプンまたは他の天然高分子であってもよい。一部の実施形態では、本開示での使用に適した粒子は、酸化物（例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２））；炭酸塩（例えば、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、シリコンカーボン）；チタン酸塩；合成により生成される鉱物；天然に存在する鉱物；ポリマー（例えば、ポリスチレンまたはポリメチルメタクリレート）；カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ダイヤモンド、およびグラファイトなどのカーボン粒子；金および銀ナノ粒子を包含する金属粒子；カオリン；モンモリロナイト；ラポナイトなどの天然粘土または合成粘土；ゼオライト；および／またはこれらの粒子の任意の組合せであってもよい。例えば、シリカ（ＳｉＯ２）粒子を本明細書で提供されるＳＴＦ組成物に使用してもよい。他の実施形態では、ポリスチレン粒子またはポリメチルメタクリレート粒子がＳＴＦ組成物に使用される。他の実施形態では、ＳＴＦ組成物は、グラフェンまたは粘土を含む。さらに他の実施形態では、ＳＴＦ組成物は、シリカと粘土またはゼオライトの混合物などの粒子の混合物を含む。
【００６４】
適切な粒子形状は、球形粒子、楕円状粒子もしくは細長い粒子、または円盤状粒子もしくは粘土粒子を包含する。粒子は、合成および／または天然に存在する鉱物であってもよい。また、粒子は、大きさおよび形状において、単分散、二分散、または多分散のいずれかとすることができる。一部の実施形態では、ＳＴＦ流体中に懸濁された粒子は（例えば、約１：１のアスペクト比を有する）球形である。他の実施形態では、ＳＴＦ流体中に懸濁された粒子は細長く、約１．５：１〜約２０：１の間の幅対高さのアスペクト比を有し；好ましくは、アスペクト比は約２：１〜約１５：１であり；より好ましくは、アスペクト比は約３：１〜約１０：１である。さらに、粒径は、布帛の繊維径よりもはるかに小さくなければならない。粒径は、光散乱、粒子の重力沈降、ブラウン運動解析、高解像度画像処理など、様々な技術標準の粒径解析技術を使用して測定することができる。したがって、特定の実施形態では、ＳＴＦ流体中に懸濁された粒子は、約４，０００ナノメートル（ｎｍ）未満の平均粒径、例えば、４，０００ｎｍ、３，９００ｎｍ、３，８００ｎｍ、３，７００ｎｍ、３，６００ｎｍ、３，５００ｎｍ、３，４００ｎｍ、３，３００ｎｍ、３，２００ｎｍ、３，１００ｎｍ、３，０００ｎｍ、２，９００ｎｍ、２，８００ｎｍ、２，７００ｎｍ、２，６００ｎｍ、２，５００ｎｍ、２，４００ｎｍ、２，３００ｎｍ、２，２００ｎｍ、２，１００ｎｍ、２，０００ｎｍ、１，９００ｎｍ、１，８００ｎｍ、１，７００ｎｍ、１，６００ｎｍ、１，５００ｎｍ、１，４００ｎｍ、１，３００ｎｍ、１，２００ｎｍ、１，１００ｎｍ、１，０００ｎｍ、９００ｎｍ、８９０ｎｍ、８８０ｎｍ、８７０ｎｍ、８６０ｎｍ、８５０ｎｍ、８４０ｎｍ、８３０ｎｍ、８２０ｎｍ、８１０ｎｍ、８００ｎｍ、７９０ｎｍ、７８０ｎｍ、７７０ｎｍ、７６０ｎｍ、７５０ｎｍ、７４０ｎｍ、７３０ｎｍ、７２０ｎｍ、７１０ｎｍ、７００ｎｍ、６９０ｎｍ、６８０ｎｍ、６７０ｎｍ、６６０ｎｍ、６５０ｎｍ、６４０ｎｍ、６３０ｎｍ、６２０ｎｍ、６１０ｎｍ、６００ｎｍ、５９０ｎｍ、５８０ｎｍ、５７０ｎｍ、５６０ｎｍ、５５０ｎｍ、５４０ｎｍ、５３０ｎｍ、５２０ｎｍ、５１０ｎｍ、５００ｎｍ、４９０ｎｍ、４８０ｎｍ、４７０ｎｍ、４６０ｎｍ、４５０ｎｍ、４４０ｎｍ、４３０ｎｍ、４２０ｎｍ、４１０ｎｍ、４００ｎｍ、３９０ｎｍ、３８０ｎｍ、３７０ｎｍ、３６０ｎｍ、３５０ｎｍ、３４０ｎｍ、３３０ｎｍ、３２０ｎｍ、３１０ｎｍ、３００ｎｍ、２９０ｎｍ、２８０ｎｍ、２７０ｎｍ、２６０ｎｍ、２５０ｎｍ、２４０ｎｍ、２３０ｎｍ、２２０ｎｍ、２１０ｎｍ、２００ｎｍ、１９０ｎｍ、１８０ｎｍ、１７０ｎｍ、１６０ｎｍ、１５０ｎｍ、１４０ｎｍ、１３０ｎｍ、１２０ｎｍ、１１０ｎｍ、１００ｎｍ以下を有する。別の実施形態では、ＳＴＦ流体中に懸濁された粒子は、約２，０００ｎｍ未満の平均粒径を有する。好ましい実施形態では、平均粒径は、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍの間にある。より好ましい実施形態では、粒子は、約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの平均粒径を有する。例えば、特定の一実施形態では、約５００ｎｍの平均粒径を有する単分散の球状シリカ粒子がキャリア流体中に懸濁される。一部の実施形態では、粒子は、ヒュームドシリカやカーボンブラックのような互いに融合されたナノ粒子であってもよく、その結果、凝集粒子は、剪断思考流体を製造するために使用される。
【００６５】
本明細書に記載のＳＴＦ流体の剪断増粘特性は、キャリア流体中に懸濁された粒子の濃度によって影響を受ける。したがって、少なくとも約３０体積％の粒子がキャリア流体中に懸濁されることが好ましい。凝集体の場合、粒子濃度は凝集体の有効体積分率であってもよく、例えば実際の粒子の体積分率はわずか数パーセントであってもよい。例えば、適切なＳＴＦ流体の粒子の体積濃度は、３０％、３１％、３２％、３３％、３４％、３５％、３６％、３７％、３８％、３９％、４０％、４１％、４２％、４３％、４４％、４５％、４６％、４７％、４８％、４９％、５０％、またはそれ以上を包含する。ＳＴＦ流体の強力な剪断増粘を確実にするために、ＳＴＦ粒子濃度は、５０体積％を超えることが好ましい。例えば、好ましいＳＴＦ流体の粒子の体積濃度は、５０％、５１％、５２％、５３％、５４％、５５％、５６％、５７％、５８％、５９％、６０％、６１％、６２％、６３％、６４％、６５％、６６％、６７％、６８％、６９％、７０％、７１％、７２％、７３％、７４％、７５％、またはそれ以上を包含する。他の適切なＳＴＦ配合は、約４０％〜約８５重量％の粒子を含み；好ましくは、粒子は、約５０％〜約７５重量％でＳＴＦ流体中に存在し；より好ましくは、約６０％〜７０重量％の間にある。例えば、特定の一実施形態では、ＳＴＦ配合物は、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの平均寸法を有する６０〜７０重量％の単分散の球状シリカ粒子を含む。一部の実施形態では、界面活性剤または分散剤もまた、ＳＴＦ流体に添加される。これらの分散剤は、ファンデルワールス引力による粒子の凝集を防ぎ、臨界剪断速度および剪断増粘強度を決定する粒子間相互作用を調整するように作用する。そのような界面活性剤および分散剤は、短鎖アルコール（オクタデカノールまたは類似のもの）、脂肪酸、天然乳化剤（レシチン）、イオン性界面活性剤（ＳＤＳ）、非イオン性界面活性剤（ポリオキシアルキレンアルキルエーテル）、ポリマー／共重合体／ブロック共重合体およびポリマーの塩／共重合体／ブロック共重合体（例えばＢＡＳＦ社のプルロニック製品）、スクシンイミド洗浄剤、低分子量酸性ポリエステル、ポリイソブチレンアミドアルケンアミンポリオールおよび同様の分散剤、不飽和ポリアミンアミドの塩を包含する多くの両親媒性分子を包含してもよい。
【００６６】
上記のように、ＳＴＦ流体はまた、１つ以上の担体溶媒またはキャリア流体を含有し、これらは、ＳＴＦ流体に流動性を与えて、剪断増粘特性を有する流体を生成する。ＳＴＦ流体に使用するのに適した溶媒は、静電安定化粒子またはポリマー安定化粒子の場合には、本質的に水性溶媒（つまり、塩化ナトリウムなどの塩を添加した水、もしくは添加しない水、およびｐＨを制御する緩衝液）、有機溶媒（例、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、エタノール）、またはシリコン系溶媒（例、シリコンオイル、フェニルトリメチコン）とすることができる。キャリア流体はまた、溶媒の相溶性混合物を含んでなる場合があり、そして遊離の界面活性剤、ポリマー、およびオリゴマーを含有してもよい。キャリア流体は、布帛および懸濁粒子と一体のままであるように、環境的に安定である必要がある。
【００６７】
ただし、特定の実施形態では、ガス放出特性が低いＳＴＦ流体およびＳＴＦ布帛／複合材料が望ましい。ガス放出は、キャリア流体が蒸発するとき、特に、例えば、真空または低気圧環境に曝露された場合に発生する。次に、ガス放出は、機器内または人間の肺の内部で溶媒流体の再凝縮および回収を生じ、機器の損傷および健康上の問題をそれぞれ引き起こす可能性がある。溶剤材料の潜在的な交差汚染は、過酷な環境、（例えば、急激な圧力変化に応じて）海面下の非常に深い場所、地球低軌道、宇宙空間、または地球外表面のような機器が故障すると生命が失われることになりかねない、および／または損傷した機器の修理／交換が実際的でなかったり不可能だったりすると、特に危険となる場合がある。こういったことのために、粒子を低揮発性キャリア流体に懸濁することで、最終製品のガス放出の発生を低減する。好ましくは、ＡＳＴＭ規格５９５標準法またはＮＡＳＡ標準の６００１−Ｂ法などの十分に当業者の範囲内にある技術標準の試験プロトコルを使用して減圧下で測定したキャリア流体の質量損失が約１０％未満となるようにする。より好ましくは、減圧下におけるキャリア流体の質量損失が約５％未満、例えば、約５％、４％、３％、２％、１％以下である。さらに、本明細書で論じられる標準的プロトコルのような標準的なガス放出試験において、減圧下で蒸発し再凝縮および回収されるキャリア流体の質量は、約２％未満であることが望ましい。好ましくは、キャリア流体の蒸発質量のうちの約１％未満、例えば、約１％、０．９％、０．８％、０．７％、０．６％、０．５％、０．４％、０．３％、０．２％、０．１％、または０．０５％が再凝縮される。例えば、特定の実施形態では、適切なキャリア流体は、標準的な減圧試験下で質量損失が約２％未満であり、質量の０．１％未満が再凝縮および回収される。
【００６８】
望ましいガス放出特性を満たすキャリア流体は、蒸気圧が低い。例えば、一部の実施形態では、キャリア流体の蒸気圧は、２５℃で約１ミリパスカル（ｍＰａ）未満、例えば２５℃で、約１ｍＰａ、０．１ｍＰａ、０．０１ｍＰａ、０．００１ｍＰａ、０．０００１ｍＰａ、０．００００１ｍＰａ、０．０００００１ｍＰａ、０．０００００００１ｍＰａ、０．００００００００１ｍＰａ、０．０００００００００１ｍＰａ以下である。他の実施形態では、キャリア流体の蒸気圧は、２５℃で約１×１０−６ｍＰａ未満である。さらに他の実施形態では、キャリア流体の蒸気圧は、２５℃で約１×１０−７ｍＰａ未満である。さらに他の実施形態では、キャリア流体の蒸気圧は、２５℃で約１×１０−８ｍＰａ未満である。これらの低蒸気圧特性を備えたキャリア流体は、蒸気圧が高い流体と比較して、熱安定性がより優れ、かつガス放出がより少ない。適切なキャリア流体は、低蒸気圧炭化水素流体、フッ素化ポリエーテル、またはそれらの組合せを包含する。好ましくは、キャリア流体は、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）または多重アルキル化シクロペンタン（ＭＡＣ）から選択されてもよい。適切なＰＦＰＥは、直鎖構造またはペンダント構造を有してもよい。例示的なＰＦＰＥは、Ｋ型ペンダントＰＦＰＥ、Ｙ型ペンダントＰＦＰＥ、Ｄ型直鎖ＰＦＰＥ、Ｍ型直鎖ＰＦＰＥ、およびＺ型直鎖ＰＦＰＥを包含する。例えば、Ｚ型ＰＦＰＥは、蒸気圧が２５℃で約９．３３×１０−６ｍＰａの市販のＵＮＩＦＬＯＲ  ８９８１（Ｎｙｅ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ社製、米国マサチューセッツ州フェアヘイブン）のような、構造がＣＦ３−［ＯＣＦ２ＣＦ２）ｍ−（ＯＣＦ２）ｎ］ＯＣＦ３の直鎖ＰＦＰＥである。一部の実施形態では、ＳＴＦ流体での使用に適したキャリア流体は、ＭＡＣである。ＰＦＰＥと同様に、ＭＡＣ流体は熱安定性が高く、蒸気圧が低い。市販のＭＡＣは、２５℃で約１．３３×１０−７ｍＰａの蒸気圧を有するＰＥＮＮＺＡＮＥ系ＲＨＥＯＬＵＢＥ  ２００１Ａ（Ｎｙｅ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ社製、米国マサチューセッツ州フェアヘイブン）を包含する。
【００６９】
粒子は、機械的混合、機械的攪拌、または超音波処理によって約４０％〜約８５重量％の粒子濃度でキャリア流体中に懸濁されてもよい。一部の実施形態では、粒子は、約４５％〜約８０重量％の粒子濃度でキャリア流体中に懸濁される。他の実施形態では、粒子濃度は約５０％〜約７５重量％である。さらに他の実施形態では、粒子は、約６０％〜約７０重量％の粒子濃度でキャリア流体中に懸濁される。例えば、特定の実施形態では、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの平均粒径を有する約６０重量％〜約７０重量％の単分散の球状シリカ粒子がＺ型ＰＦＰＥ流体中に懸濁される。別の実施形態では、シリカ粒子がＭＡＣ流体中に懸濁される。さらに他の実施形態では、シリカ粒子は、ＭＡＣに対するＰＦＰＥの比の値が約０．１〜約１０、例えば、０．１、０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０、６．５、７．０、７．５、８．０、８．５、９．０、９．５、または１０．０であるＰＦＰＥとＭＡＣ流体の混合物中に懸濁される。さらに他の例では、ＰＦＰＥ流体および／またはＭＡＣ流体中に懸濁される粒子は、球形または細長い形状を有し、平均粒径が約３００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲にあるグラフェンまたは粘土粒子である。他の実施形態では、平均粒径が約１０００ｎｍ未満の沈降炭酸カルシウム粒子が、ＰＦＰＥ流体および／またはＭＡＣ流体中に懸濁される。
【００７０】
上記のＳＴＦ流体を使用して、材料の耐荷重特性を著しく変化させたり、または材料の重量を著しく増加させたりすることなく、衝撃エネルギーを散逸させ、任意の材料の損傷抵抗および／または破壊抵抗を高めてもよい。一部の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、ＳＴＦ中間層から構成される。そのような実施形態では、ＳＴＦ流体は、まず、高靭性繊維から構成される布帛である高靭性布帛に挿入される。次いで、これらのＳＴＦが挿入された布帛を複合材料に組み込んでハイブリッドＳＴＦ複合構造体を形成する。
【００７１】
ＳＴＦが挿入された繊維製品層
特定の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、外層または中間層のようなＳＴＦが挿入された繊維製品の層を１つ以上含む。この目的のために、高靭性布帛が提供され、この布帛には本明細書に記載のＳＴＦ流体が挿入される。こうすることで、ＳＴＦが挿入された布帛は、衝撃事象の際に繊維間の摩擦係数が増大するような剪断増粘遷移を経ることが可能となる。したがって、ＳＴＦ組成物に組み込まれると、材料に賦与された剪断増粘特性が衝撃エネルギーを散逸させ、布帛とＳＴＦ複合材の衝撃による損傷および破断に対する強度および抵抗を高める。さらに、ＳＴＦ流体は、複合材料の亀裂に流れ込むことができ、それにより、繰返し衝撃に対する耐久性を改善し、および／または漏れ（例えば、圧力漏れ／ガス漏れ）を防止する。上記のように、本開示のＳＴＦ流体は、布帛の重量が著しく増加させることはない。これを踏まえ、ＳＴＦ複合材製造用の複合材料内に組み込むのに理想的に適合するＳＴＦ挿入布帛が本明細書で提供される。
【００７２】
ＳＴＦ挿入布帛または繊維製品は、高靭性繊維から製造されることが好ましい。当業者であれば容易に理解するように、高靭性布帛は、高い比強度（靭性）および高い引張強度を有する繊維を含んでなる布帛である。ここでの使用に適した高靭性布帛は、少なくとも約１００メガパスカル（ＭＰａ）の引張強度、例えば、１００ＭＰａ、１１０ＭＰａ、１２０ＭＰａ、１３０ＭＰａ、１４０ＭＰａ、１５０ＭＰａ、１６０ＭＰａ、１７０ＭＰａ、１８０ＭＰａ、１９０ＭＰａ、２００ＭＰａ、２１０ＭＰａ、２２０ＭＰａ、２３０ＭＰａ、２４０ＭＰａ、２５０ＭＰａ、２６０ＭＰａ、２７０ＭＰａ、２８０ＭＰａ、２９０ＭＰａ、３００ＭＰａ、３１０ＭＰａ、３２０ＭＰａ、３３０ＭＰａ、３４０ＭＰａ、３５０ＭＰａ、３６０ＭＰａ、３７０ＭＰａ、３８０ＭＰａ、３９０ＭＰａ、４００ＭＰａ、４１０ＭＰａ、４２０ＭＰａ、４３０ＭＰａ、４４０ＭＰａ、４５０ＭＰａ、４６０ＭＰａ、４７０ＭＰａ、４８０ＭＰａ、４９０ＭＰａ、５００ＭＰａ、５１０ＭＰａ、５２０ＭＰａ、５３０ＭＰａ、５４０ＭＰａ、５５０ＭＰａ、５６０ＭＰａ、５７０ＭＰａ、５８０ＭＰａ、５９０ＭＰａ、６００ＭＰａ、６２０ＭＰａ、６４０ＭＰａ、６５０ＭＰａ、６６０ＭＰａ、６７０ＭＰａ、６８０ＭＰａ、６９０ＭＰａ、７００ＭＰａ、７１０ＭＰａ、７２０ＭＰａ、７３０ＭＰａ、７４０ＭＰａ、７５０ＭＰａ、７６０ＭＰａ、７７０ＭＰａ、７８０ＭＰａ、７９０ＭＰａ、８００ＭＰａ、８１０ＭＰａ、８２０ＭＰａ、８３０ＭＰａ、８４０ＭＰａ、８５０ＭＰａ、８６０ＭＰａ、８７０ＭＰａ、８８０ＭＰａ、８９０ＭＰａ、９００ＭＰａ、９１０ＭＰａ、９２０ＭＰａ、９３０ＭＰａ、９４０ＭＰａ、９５０ＭＰａ、９６０ＭＰａ、８７０ＭＰａ、９８０ＭＰａ、９９０ＭＰａ、または１，０００ＭＰａ以上の引張強度を備えた繊維を含む。より好ましくは、繊維は、少なくとも約２５０ＭＰａの引張強度を有する高靭性繊維を含む。他の実施形態では、本明細書での使用に適した布帛に含まれる繊維の引張強度は、少なくとも約１ギガパスカル（ＧＰａ）であり、場合によっては、約２ＧＰａよりもさらに大きく、例えば、２．０ＧＰａ、２．１ＧＰａ、２．２ＧＰａ、２．３ＧＰａ、２．４ＧＰａ、２．５ＧＰａ、２．６ＧＰａ、２．７ＧＰａ、２．８ＧＰａ、２．９ＧＰａ、３．０ＧＰａ、３．１ＧＰａ、３．２ＧＰａ、３．３ＧＰａ、３．４ＧＰａ、３．５ＧＰａ、３．６ＧＰａ、３．７ＧＰａ、３．８ＧＰａ、３．９ＧＰａ、４．０ＧＰａ、４．１ＧＰａ、４．２ＧＰａ、４．３ＧＰａ、４．４ＧＰａ、４．５ＧＰａ、４．６ＧＰａ、４．７ＧＰａ、４．８ＧＰａ、４．９ＧＰａ、または５．０ＧＰａ以上である。さらに、高靭性布帛は、１キログラムあたり少なくとも約１，０００キロニュートンメートル（ｋＮ・ｍ／ｋｇ）の比強度を有する繊維を含んでもよい。好ましくは、繊維の比強度は、少なくとも約１，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇ、例えば、１，５００、１，６００、１，７００、１，８００、１，９００、２，０００、２，１００、２，２００、２，３００、２，４００、２，５００、２，６００、２，７００、２，８００、２，９００、３，０００、３，１００、３，２００、３，３００、３，４００、３，５００、３，６００、３，７００、３，８００、３，９００、４，０００ｋＮ・ｍ／ｋｇである。一部の実施形態では、繊維の比強度は、少なくとも約２，５００ｋＮ・ｍ／ｋｇである。
【００７３】
上記の基準を満たす例示的な布帛は、アラミド繊維（例えばパラアラミドおよびメタアラミド）、超高分子量ポリエチレン繊維（例えばスペクトラまたはダイニーマ）、ポリテトラフルオロエチレン繊維（ＰＴＦＥ）または発泡／延伸ＰＴＦＥ（例えばゴアテックス）、ポリエチレンテレフタレート繊維（例えばダクロン）、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維（例えばテクノーラ）、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合によって生成される芳香族ポリエステル繊維（例えばベクトラン）、またはそれらの任意の組合せを包含するが、これらに限定されない繊維から、製造される。本明細書での使用に適した例示的なアラミド繊維は、ポリ−（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）（例えば、ケブラー、トワロン、またはヘラクロン）およびポリ−（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）（例えば、ノーメックス）を包含するが、これらに限定されない。一部のコンビネーションファブリックは、ｅＰＴＦＥの片面をポリ−（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）格子が織り交ぜられたポリ−（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）のもう一方の面に織り込んだ３重ビーム織りを含むオルソファブリック（例えば、ゴアテックス、ノーメックス、およびケブラーの３重ビーム織り）、またはｅＰＴＦＥの片面を４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維を含むもう一方の面に織り込んだ２重ビーム織りを含む複合繊維製品（例えば、ゴアテックスとベクトランの２重ビーム織り）を包含してもよい。
【００７４】
一部の実施形態では、ＳＴＦ挿入布帛は、超高分子量ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ｅＰＴＦＥ、ポリエチレンテレフタレート繊維、パラフェニレンジアミンとジアミノジフェニルエーテルとの共重合体から作られた繊維、４−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシナフタレン−２−カルボン酸との重縮合により生成された芳香族ポリエステル繊維、ポリ−（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）、ポリ−（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）、またはそれらの任意の組合せの１つ以上を含む。別の実施形態では、布帛は超高分子量ポリエチレン繊維から製造される。他の実施形態では、それはオルソファブリックである。さらに他の実施形態では、高靭性布帛は、ベクトラン繊維またはゴアテックス繊維から作られる。さらに他の実施形態では、ＳＴＦはケブラーまたはノーメックスに挿入される。本明細書に開示される高靭性布帛は、布帛を製造するための任意の技術標準の繊維製品技術を使用して構築してもよく、通常は市販されている。一般に、これらの布帛は、約２５〜約３，０００デニールの糸から織られてもよい。一部の実施形態では、布帛は、約１００〜約８００デニールの糸から織られる。さらに、糸は、フィラメント１本当たりのデニール（ｄｐｆ）が０．１〜１００の範囲の複数のフィラメントから構成されてもよく；好ましくは、１〜１０ｄｐｆの範囲にある。例えば、ベクトランは５ｄｐｆ、スペクトラは１．５〜１０．８ｄｐｆ、ノーメックスおよびケブラーは１〜１０ｄｐｆである。
【００７５】
一部の実施形態では、本明細書での使用に適した布帛は、その放射線吸収能に基づいて選択される。理論に束縛されることを意図するものではないが、水素含有量が高い（例えば、水素対炭素の比が少なくとも２対１の）繊維は、望ましい放射線吸収特性を示すと考えられている。所望の放射線吸収を有する例示的な高靭性布帛は、超高分子量ポリエチレン繊維を含む布帛である。
【００７６】
ＳＴＦ流体は、浸し塗りおよびパディング技術によって布帛に挿入されてもよい。ＳＴＦ流体は、最初に、アルコール（例えば、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールなど）のような揮発性希釈液で、ＳＴＦ流体に対する希釈剤の体積比が約１：１〜約１０：１の範囲、例えば、ＳＴＦ流体に対する希釈剤の体積比が、１：１、１．５：１、２：１、２．５：１、３：１、３．５：１、４：１、４．５：１、５：１、５．５：１、６：１、６．５：１、７：１、７．５：１、８：１、８．５：１、９：１、９．５：１、または１０：１に希釈され；好ましくは、ＳＴＦ流体に対する希釈剤の体積比が、約１：１〜約４：１の間に希釈される。次に、希釈したＳＴＦ流体に布帛を一定時間浸漬する。一部の実施形態では、浸漬時間は少なくとも約１０秒である。他の実施形態では、浸漬時間は、少なくとも約３０秒、例えば、３０秒、３５秒、４０秒、４５秒、５０秒、５５秒、６０秒、６５秒、７０秒、７５秒、８０秒、８５秒、９０秒、９５秒、または１００秒以上である。他の実施形態では、浸漬時間は少なくとも１分である。一部の実施形態では、希釈されたＳＴＦ流体は攪拌浴に含有され、布帛を攪拌浴に浸漬するときに攪拌が希釈されたＳＴＦ流体を布帛に挿入するのを助ける。ＳＴＦ流体が布帛全体に均一に分配されることが望ましい。さらに、ＳＴＦ流体の量が増えると限界効用が逓減するため、布帛の重量が増加しない様に過剰なＳＴＦ流体を取り除く必要がある。この目的を達成するために、希釈されたＳＴＦ流体に布帛を浸漬してすぐに、一連のローラーによって圧搾することで過剰な流体を取り除き、布帛へのＳＴＦ流体の取込みを制御することができる。当業者であれば理解するように、この技術は、繊維製品産業においてパディングプロセスとして既知である。次に、ＳＴＦが挿入された布帛を、任意の従来の手段（例えば、乾燥機）を使用して乾燥させて揮発性希釈液を除去する。乾燥工程の時間および温度は、使用する材料の詳細、例えば、揮発性流体の蒸気圧や、布帛やキャリア流体に損傷を与えることのないように希釈剤の除去を最適化するために必要な時間および温度に応じて変更してもよい。一部の実施形態では、乾燥工程は、約５０℃〜１００℃の間で実施され；好ましくは、温度は約６０℃〜８０℃の間である。乾燥時間は、約１０分〜約２時間以上、例えば、１０分、２０分、３０分、４０分、５０分、６０分、７０分、８０分、９０分、１００分、１１０分、１２０分以上とすることができる。
【００７７】
したがって、ＳＴＦ流体を高靭性布帛に挿入することにより、布帛の重量を著しく増加させたり、布帛の構造的剛性を低下させたりせずに、未処理または生地の布帛と比較して向上した強度とエネルギー散逸を布帛に賦与することができる。したがって、本明細書で提供されるＳＴＦ挿入布帛はまた、軽量で、複雑な幾何学的形状に適合させることができ、様々な用途に適したものになる。一部の実施形態では、ＳＴＦ流体のために、同等の生地の布帛と対比すればＳＴＦ挿入布帛の重量は増加することになるが、この重量増加は、約４０％未満である。他の実施形態では、重量増加は約３５％未満、例えば、３５％、３４％、３３％、３２％、３１％、３０％、２９％、２８％、２７％、２６％、２５％、２４％、２３％、２２％、２１％、２０％、１９％、１８％、１７％、１６％、１５％、１４％、１３％、１２％、１１％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、または１％である。一部の実施形態では、重量増加は約３０％未満である。他の実施形態では、重量増加は約２０％未満である。さらに他の実施形態では、重量増加は約１５％以下である。
【００７８】
ＳＴＦ複合構造体
本開示のＳＴＦ複合材は、上記のＳＴＦ流体、ＳＴＦ挿入繊維製品、および／または複合材料の任意の組合せを包含する。例えば、ＳＴＦ複合材は、ＳＴＦ流体が挿入された高靭性繊維製品などＳＴＦ層が組み込まれたＳガラス繊維複合材層および／または炭素繊維複合材層の１つ以上を含んでもよい。上記のように、ＳＴＦ挿入繊維製品は、複数のアラミド繊維（例えば、ケブラーまたはノーメックス）、超高分子量ポリエチレン繊維（例えば、スペクトラまたはダイニーマ）、ｅＰＴＦＥ（例えば、ゴアテックス）などを含んでもよい。ＳＴＦ流体には、例えば、ＰＦＰＥキャリア流体またはＭＡＣキャリア流体の中に懸濁された単分散シリカまたは多分散シリカを配合してもよい。ＳＴＦ複合設計は、任意の数の幾何学的形状および構造が可能であることが好ましい。そのような実施形態では、ＳＴＦ複合構造体自体は、いくつかの適切な配列で組み立てることができる。
【００７９】
例えば、一実施形態では、ＳＴＦ複合材は、ＳＴＦが挿入された繊維製品の中間層が１つ以上複合材層の間に配置された「サンドイッチ」設計である。複合材料の漏れシール機能を強化するには、ＳＴＦ複合材中間層構造が望ましい場合がある。中間層設計の非限定的な例示的実施形態を図１Ａ（上）に図式的に示す。図１Ａに示すように、ＳＴＦ複合中間層設計１０は、ＳＴＦが挿入された繊維製品の中間層２０が２つの複合部材３０と４０との間に配置されている。さらに、各複合部材は、単一の複合材層を含んでもよく、または複数の複合材層を含んでもよい。各複合部材は、同数の複合材層を含んでもよく、または異なる数の複合材層を含んでもよい。一部の実施形態では、複合部材は、少なくとも１つの複合材層、例えば、１層、２層、３層、４層、５層、６層、７層、８層、９層、１０層、１１層、１２層、１３層、１４層、１５層、またはそれ以上の層数の複合材層を含む。他の実施形態では、複合部材は、少なくとも２つの複合材層を含む。他の実施形態では、複合部材は、少なくとも１０層の複合材層を含む。さらに他の実施形態では、複合部材は、１〜１５層の間の複合材層を含む。
【００８０】
図１Ａに示される非限定的な実施形態では、ＳＴＦ複合中間層設計１０は、１つのＳＴＦ中間層２０を含み、複合部材３０、４０のそれぞれは、１つ以上の複合材層を含む。ただし、本明細書での使用に適した他のＳＴＦ複合構造体は、ＳＴＦ中間層を複数有する。一部の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、２つ以上のＳＴＦ中間層を有してもよく、ＳＴＦ中間層のそれぞれは、２つの複合部材の間に配置される。そのような実施形態では、複合部材のそれぞれは、１つ以上の複合材層を含んでもよい。例えば、非限定的な一実施形態では、ＳＴＦ複合材は、１〜１５層の複合材を含んでなる第１複合部材、１つのＳＴＦ中間層、および１〜１５層の複合材を含んでなる第２複合部材を有する中間層設計である。別の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、１〜１５層の複合材を含んでなる第１複合部材、第１のＳＴＦ中間層、１〜１５層の複合材層を含んでなる第２複合部材、第２のＳＴＦ中間層、および単一の外側複合材層を含む第３複合部材を含む。例示的なＳＴＦ複合中間層組立体構造が図４に示される。例えば、ＳＴＦ複合材積層編成は、下層から上層への順で、１１層のＳガラス複合材層の第１複合部材、ケブラーにＳＴＦが挿入された単一のＳＴＦ中間層、単一のＳガラス複合材層を含む第２複合部材、ケブラーにＳＴＦが挿入されたもう１つの単一のＳＴＦ中間層、および単一のＳガラス複合材層を含む上部複合部材を包含してもよい。
【００８１】
ＳＴＦ複合材の様々な層は、通常、接着剤によって１つに繋ぎ合わされる。一部の用途においては、ＳＴＦ複合材は、高弾性率、耐高温性、耐薬品性、および／または耐湿性を必要とする。したがって、ＳＴＦ複合材組立体には高性能接着剤を選択することが望ましい場合がある。適切な接着剤は当技術分野で既知であり、エポキシ樹脂接着剤および／またはポリウレタン接着剤、メタクリレート接着剤、シアノアクリレート接着剤、シリコーン接着剤、アクリル接着剤、天然または合成ゴム系接着剤を包含してもよい。層を１つに繋ぎ合わせる接着剤には、複合材層母材を補強するのと同じ種類の樹脂が包含される場合が多い。一部の実施形態では、１種以上の添加剤を接着剤と組み合せて、接着剤の脆性または硬度を低減させて過酷な条件下での複合材の亀裂または層間剥離を防止する。例えば、一部の実施形態では、エポキシ樹脂にアクリレートまたは可塑剤を添加した強化エポキシ樹脂接着剤が望ましい。次に、ＳＴＦ複合材は、任意の技術標準的な手段で組み立て硬化させることができる。例えば、一実施形態では、複合材層およびＳＴＦ中間層は、所望の順序で組み立てられ、次いで、圧下および圧延して層を強固にし、接着を促進し、空気を除去する。さらに別の実施形態では、接着剤は、導電性であってもよく、構造的健全性監視および／または損傷感知機能を可能にするように適切に組み込んでもよい。次に、完成したＳＴＦ複合構造体を処理してエポキシ樹脂を硬化させる。一部のエポキシ樹脂は周囲温度で硬化することができるが、多くは加熱を必要とする。したがって、一部の実施形態では、ＳＴＦ複合樹脂は、約１００℃〜約１５０℃の範囲の硬化温度で炉内焼付または熱間プレスにより硬化させる。
【００８２】
典型的な樹脂含有量は、約２０％〜約４０重量％の範囲であり、好ましくは約３０％〜約３５重量％の間である。一部の組立方法では、樹脂（約３０％〜約４０重量％の強化エポキシ樹脂など）を事前に含浸させた複合材料（例えばＳガラスや炭素繊維）の薄いシートをＳＴＦ中間層で積層編成し、所望の形状に成形した後、熱硬化させる。事前に含浸された複合材は、しばしば「プリプレグ」と呼ばれ、市販されている。したがって、本明細書に記載のＳＴＦ複合構造体は、任意の所望の用途のために容易に組み立てることができる。
【００８３】
ＳＴＦ複合中間層の設計により、中程度衝撃エネルギーおよび激しい衝撃エネルギーの両方を散逸させて周囲の複合材層への損傷を防ぐとともに、複合材の厚さ方向の亀裂や破断を防ぐことができる。さらに、ＳＴＦ成分は、ＳＴＦ複合構造体を介した漏れの低減／防止を賦与する。これは、圧力封じ込めおよび／または液体封じ込め用途（例えばＥＭＵ宇宙服）に特に有用な属性である。図１Ｂに示されるように、ＳＴＦ複合中間層設計１０は、中程度の衝撃エネルギーおよび激しい衝撃エネルギーの両方に応答する向上した耐衝撃性および損傷許容性を示す。中程度の衝撃Ｉ１が上部複合部材３０に力Ｆ１を印加すると、ＳＴＦ中間層２０の剪断時にＳＴＦが増粘して衝撃エネルギーを散逸させ、さらに、衝撃後に自己修復する。上部複合部材に印加されるＦ２がより大きい激しい衝撃Ｉ２の場合、ＳＴＦが剪断により増粘して衝撃エネルギーを散逸させ、また衝撃によって複合材に形成されたあらゆる亀裂５０に流れ込むことができる。したがって、ＳＴＦ複合材の自己修復能力により、繰返し衝撃に対する構造体の耐久性が向上し、さらにＳＴＦ複合材からの液体または気体の漏れを防止する。
【００８４】
代替の一実施形態では、ＳＴＦが挿入された布帛層が複合材の外面上に配置され、それによって外側のＳＴＦエネルギー吸収層を形成する。図１Ａに示されるように、ＳＴＦ複合材６０は、外層７０を形成するＳＴＦ挿入繊維製品が１つ以上配置された複合部材８０を包含する。この実施形態では、外側ＳＴＦ層は、ＳＴＦパケット、ＳＴＦ挿入発泡材料、またはＳＴＦ挿入繊維製品層の形態をとることができる。ＳＴＦパケットは、所望の厚さを有するスペーサーファブリックに組み込まれたＳＴＦから構成され、次いで、真空シールまたは同様のものを使用してポリマー膜カバー内に密封される。ＳＴＦ複合材は、ＳＴＦ複合材中間層設計について上述したような技術標準的な方法を使用して容易に構成することができる。ＳＴＦ外層設計では、外側ＳＴＦ挿入繊維製品は、圧力漏れ／ガス漏れを防ぐためのシールとして機能することができる。この設計により、外側ＳＴＦ挿入繊維製品が衝撃エネルギーを散逸させることによって複合材料への損傷が低減されるため、中程度衝撃および激しい衝撃に対する耐性が強化された、低エネルギー繰返し衝撃に対する耐久性を実現する。
【００８５】
さらに別の実施形態では、ＳＴＦ材料は、複合材料全体に分散され、補強母材を形成する。ＳＴＦ材料１００を樹脂内に分散した後に複合材料１１０内に注入したＳＴＦ複合材９０の非限定的な一実施形態を図１Ａに示す。さらに他の設計では、ＳＴＦ材料は、「開いた窓」設計の複合材内の貯留層または窓に配置される。そのような実施形態では、ＳＴＦ流体またはＳＴＦ流体に浸された布帛は、複合材料によって密封化されるか、または包み込まれる（例えば、図１３を参照のこと）。
【００８６】
本明細書に記載のＳＴＦ複合設計は、（ＡＳＴＭ規格Ｄ−７１３６に記載されている２インチの鋼製衝撃試験機、またはその他の適切な低速衝撃試験での試験による）少なくとも約１００Ｊ、例えば、１００Ｊ、１１０Ｊ、１２０Ｊ、１３０Ｊ、１４０Ｊ、１５０Ｊ、１６０Ｊ、１７０Ｊ、１８０Ｊ、１９０Ｊ、２００Ｊ、２１０Ｊ、２２０Ｊ、２３０Ｊ、２４０Ｊ、２５０Ｊ、２６０Ｊ、２７０Ｊ、２８０Ｊ、２９０Ｊ、３００Ｊ、３１０Ｊ、３２０Ｊ、３３０Ｊ、３４０Ｊ、３５０Ｊ、３６０Ｊ、３７０Ｊ、３８０Ｊ、３９０Ｊ、４００Ｊ、またはそれ以上の低速衝撃エネルギーに耐えるように構築することができる。一部の実施形態では、本明細書に記載のＳＴＦ複合設計は、少なくとも約２００Ｊ、好ましくは少なくとも約２５０Ｊの低速衝撃エネルギーに耐えるように構築することができる。一部の実施形態では、本明細書に記載のＳＴＦ複合設計は、少なくとも約３００Ｊであるより高速の衝撃エネルギーに耐えるように構築することができる。
【００８７】
衝撃エネルギーに耐えるそれらの能力に加えて、本明細書で提供されるＳＴＦ複合体はまた、軽量であり、約３ｇ／ｃｍ３未満、例えば、３ｇ／ｃｍ３、２．９ｇ／ｃｍ３、２．８ｇ／ｃｍ３、２．７ｇ／ｃｍ３、２．６ｇ／ｃｍ３、２．５ｇ／ｃｍ３、２．４ｇ／ｃｍ３、２．３ｇ／ｃｍ３、２．２ｇ／ｃｍ３、２．１ｇ／ｃｍ３、２．０ｇ／ｃｍ３、１．９ｇ／ｃｍ３、１．８ｇ／ｃｍ３、１．７ｇ／ｃｍ３、１．６ｇ／ｃｍ３、１．５ｇ／ｃｍ３、１．４ｇ／ｃｍ３、１．３ｇ／ｃｍ３、１．２ｇ／ｃｍ３、１．１ｇ／ｃｍ３、１．０ｇ／ｃｍ３以下の構造密度を有する。好ましくは、ＳＴＦ複合材は、約２．０ｇ／ｃｍ３未満の構造密度を有する。好ましい実施形態では、ＳＴＦ複合構造体はまた、同様の損傷耐性を有する他の材料と比較して薄い。これらの実施形態では、ＳＴＦ複合材は、約０．５インチ（１．２７ｃｍ）未満、例えば、０．５インチ（１．２７ｃｍ）、０．４インチ（１．０２ｃｍ）、０．３インチ（０．７６ｃｍ）０．２インチ（０．５１ｃｍ）、０．１９インチ（０．４８ｃｍ）、０．１８インチ（０．４６ｃｍ）、０．１７インチ（０．４３ｃｍ）、０．１６インチ（０．４１ｃｍ）、０．１５インチ（０．３８ｃｍ）、０．１４インチ。（０．３６ｃｍ）、０．１３インチ（０．３３ｃｍ）、０．１２インチ（０．３１ｃｍ）、０．１１インチ（０．２８ｃｍ）、０．１０インチ（０．２５ｃｍ）以下の厚さを有する。好ましくは、ＳＴＦ複合材は、約０．２インチ（０．５１ｃｍ）未満の厚さを有する。例えば、特定の一実施形態では、ＳＴＦ複合体は、約１．７ｇ／ｃｍ３未満の構造密度および約０．１２５インチ（０．３１８ｃｍ）未満の厚さを有する。
【００８８】
ＳＴＦ複合材の使用
本明細書で提供されるＳＴＦ複合材は、耐衝撃性を有する構造が望まれる様々な用途に適している。さらに、複合構造体にＳＴＦを組み込むことで、重量を著しく増加させることなく、複合材の耐衝撃性と耐損傷性を高める。本明細書で提供されるＳＴＦ複合材は、ガラス繊維や炭素繊維のように軽量でありながら高靭性の複合材料で作ることができ、さらに複雑な形状に成形／製作することができ、本発明のＳＴＦ複合材料を、航空機、船舶、安全装置（例、スポーツヘルメット）、スポーツ用品（例、サーフボード、スノーボード、スケートボード、スキー、ホッケースティック、ホッケースケート、およびラクロススティック）、および宇宙服での使用に適したものする。本発明のＳＴＦ複合材の自己修復特性はまた、貯蔵タンク、空気タンク、および宇宙旅行に使用される環境保護服（ＥＰＧ）の硬質上部胴体（ＨＵＴ）部品におけるこれらの材料の有用性をも例示する。
【００８９】
特定の一実施形態では、ＳＴＦ複合材料を使用して、低、中、さらには激しい衝撃に対して耐性が向上したＥＭＵ防護服のＨＵＴ部品を構築する。船外活動（ＥＶＡ）で現在利用可能な従来のＥＭＵ宇宙服は、ＨＵＴと柔軟な布帛の可動性接合部で構成される。既存のＨＵＴは繊維ガラス製ＨＵＴを包含する。ただし、衝撃による損傷に耐えるのに必要な繊維ガラス製ＨＵＴの厚さによって宇宙服は非常に重くなり、装着者が火星の地形など重力の強い土地で長時間作業することが要求される地球外探査には適さない。ＮＡＳＡのＺ−２宇宙服のＨＵＴは、炭素繊維とＳガラス複合材の組合せを含むが、火星上での長期間の作業に必要な保護を装着者に提供する上で依然として激しい衝撃や低エネルギーの繰返し衝撃に耐えられない場合がある。これを踏まえ、本発明のＳＴＦ複合材を使用して、ＨＵＴテクノロジーで現在使用されている複合材を置き換え、低速の衝撃に耐えることができる、耐久性のある、損傷許容性の、軽量な耐圧構造を提供することができる。例えば、１０層または１１層の複合材層（炭素繊維および／またはＳガラス）を包含する第１複合部材、ＳＴＦケブラー層、別の複合材層、第２のＳＴＦケブラー層、および外側複合材層（例えば、図４を参照）から構成されるＳＴＦ複合材は、構造密度が約１．７ｇ／ｃｍ３未満であり、しかも厚さが約０．１２５インチ未満でありながら、少なくとも約３００Ｊの低速衝撃に耐えるように設計することができる。本明細書に開示されるＳＴＦ複合材から構築されたＨＵＴは、発明の名称を「剪断増粘流体を含有する高靭性繊維製品およびその使用」とするその全内容が参照により本明細書に組み込まれる同時係属中の米国特許出願第６２／６９４，８３７号明細書に記載のＳＴＦ挿入布帛を含む熱微小隕石衣服（ＴＭＧ）と組み合せて使用することができる。したがって、ＴＭＧが上層に設けられたＳＴＦ複合ＨＵＴを包含するＥＭＵを構築することができる。
【００９０】
例えば、一実施形態では、ＨＵＴは、１１層のＳガラス（またはＳガラス／炭素繊維ハイブリッド）層、ＳＴＦケブラー層、別のＳガラス層、別のＳＴＦケブラー層、および外側Ｓガラス層を含む内部複合部材を包含するＳＴＦ複合材から構築される。耐損傷性ＳＴＦ複合材により、ＨＵＴは約１．７ｇ／ｃｍ３未満の構造密度および約０．１２５インチ未満の厚さを有しつつ、３００Ｊの低速衝撃に耐えることができる。
【００９１】
以下の実施例は、本発明をより詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を限定するものではなく、説明することを意図している。
【実施例】
【００９２】
「実施例１」材料および方法
＜ＳＴＦ−ケブラー構造＞
２つのＳＴＦ流体配合物を、ポリエチレングリコール２００またはフェニル修飾シリコーン流体を包含するキャリア流体中で製造した。手短に言えば、シリカ粒子を、約６７重量％のシリカ粒子濃度でキャリア流体中に懸濁した。ＳＴＦ流体を、ＳＴＦに対するエタノールの体積比が１：１となるように２００プルーフのエタノールで希釈し、デニールが１，１４０、厚さが約１０ミル、重量が約１７０ｇ／ｍ２の１７×１７の平織りケブラー布帛に挿入した。ケブラー布帛を、希釈されたＳＴＦ流体を含有する浴に１分間浸し、次いでニップローラーで圧下して、ＳＴＦ流体を布帛に挿入した（つまり、ＳＴＦ流体は糸内の繊維間に配置され、通常の表面被覆ではない）。エタノール希釈液を７０℃で１時間蒸発させた。ＳＴＦキャリア流体の特性を表１に示す。
【００９３】
表１．ＳＴＦキャリア流体の特性
【表１】
2021530386.tif 000003
【００９４】
＜複合材料＞
複合材料コンポーネントには、Ｓガラス６７８１／ＰＭＴ−Ｆ４Ａ樹脂プリプレグ（強化エポキシ樹脂を含浸させたＳガラス複合材）を繊維ガラス層（Ｐａｔｚ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、米国カリフォルニア州ベニシア）に使用した。Ｓガラス６７８１複合材は、３００ｇ／ｍ２の８ハーネスの朱子織（原品はＨｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、米国コネチカット州スタンフォード）であり、樹脂含有量は約３０．６重量％であった。Ｅガラス／強化エポキシＰＰ−５０とＥガラス７７８１／強化エポキシ（ＡＣＰ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ社製、米国カリフォルニア州リバモア）のそれぞれのＥガラス繊維の８ハーネスの朱子織を含んでなる他の２種類のプリプレグを試験した。これらのプリプレグのそれぞれについて、樹脂含有量は約３０％であった。表２に、Ｓガラス６７８１／ＰＭＴ−Ｆ４Ａ樹脂のプリプレグとＥガラス７７８１／強化エポキシ樹脂のプリプレグの比較を示す。
【００９５】
表２．ＳＴＦキャリア流体の特性
【表２】
2021530386.tif 000004
【００９６】
＜複合構造体＞
０／９０／０の配向を用いてプリプレグを手作業で積層編成することにより、ＳＴＦ中間層設計の複合パネルを構築した。約０．１２５インチ（３．１８ｍｍ）の公称厚さを実現するために１５層を使用した。ＳＴＦケブラー層とＳガラス層の層数が離散的であり厚さが異なるために、ＳＴＦケブラーの層数が変化するにつれて、わずかな厚さの変化が不可避的に生じた。積層編成体の各層を載置する際に、プリプレグを圧下および圧延して層を強固にし、接着を促進し、層間の空気を除去した。次に、完成した積層編成体を、熱間プレスを使用して平板パネルとなるように硬化した。プレスによって８３ｐｓｉ（合計２０００ポンド）の圧力を印加した。毎分５°Ｆ（２．８℃）の昇温速度で２５０°Ｆ（１２１．１℃）まで温度上昇させて、プリプレグを硬化した。パネルを２５０°Ｆ（１２１．１°Ｃ）に２時間放置して硬化させた。２時間後、１５０°Ｆ（６５．６℃）まで温度を下げて、パネルをプレスから取り外した。試験片を定寸に切り出し、端部を軽く研磨して仕上げた。エポキシを完全に硬化させるために、２５０°Ｆ（１２１．１℃）の炉内で後硬化を２時間施した。
【００９７】
＜衝撃試験＞
衝撃試験は、デラウェア大学の複合材料センターにあるインストロン製Ｄｙｎａｔｕｐ９２００落錘衝撃試験機で実施した。衝撃錘は直径２インチの球形の打撃面を有していた。最初の試験は、１３．１３４ｋｇの質量の落錘を使用して実施した。供試材の耐衝撃性試験は、１００Ｊ、１２５Ｊ、および１５０Ｊの衝撃エネルギーに対応する落下高さを使用して実施した。モデリングの材料特性評価試験では、１０ｃｍ、２０ｃｍ、および３０ｃｍの落下高さを使用した。これは、それぞれ約１３Ｊ、２６Ｊ、および３９Ｊの衝撃エネルギーに相当する。供試材保持器は、１００ｍｍ×１５０ｍｍ（４インチ×６インチ）の試験片を保持するＡＳＴＭ規格Ｄ−７１３６の寸法に基づいていた。試験片は、７５ｍｍ×１２５ｍｍ（３インチ×５インチ）の寸法の窓の上に支持されていた。保持器は、モデルと実験結果を正確に相関させる上で必要な完全挟持境界条件となるように天板をわずかに変更した。天板の開口部の直径は当初２インチであったが、ＳＴＦ挿入外層の試験に対応するように３インチに拡張した。ＡＳＴＭ規格Ｄ−７１３６と比較して供試材の裏打ちに変更はなかった。実際の衝撃速度は光検出器とフラッグシステムによって測定し、衝撃力は衝撃部材頭部の５，０００（重量）ポンド（ｌｂｆ）荷重変換器によって測定した。既存のＡＳＴＭ標準試験方法と固定具の限界により、最大試験衝撃エネルギーは１５０Ｊに制限された。エネルギーが１５０Ｊを超えて増加すると、端部効果と支持効果が供試材応答に支配的となった。これらの効果は、衝撃荷重をより広い領域に分散させる上で効果的なＳＴＦ複合材で特に顕著であった。変更された供試材保持器を備えたインストロン製Ｄｙｎａｔｕｐ９２００落錘衝撃試験機を図２に示す。
【００９８】
＜漏れ試験＞
ＳＴＦ複合材が衝撃後に圧力を保持する能力は、特注した漏れ試験装置を用いて試験した。この試験装置は、ＮＡＳＡのマーシャル宇宙飛行センターのＮｅｔｔｌｅｓが２００３年に記載したその全内容が参照により本明細書に組み込まれる複合材料の衝撃後の漏れに関する研究に基づいていた。衝撃を受けた複合試験片は、衝撃を受ける面を上に向けてガスケット間に挟持され、供試材の背後に圧力が印加された。ＳＴＦ複合材料の試験は、探査船外活動ユニット（ｘＥＭＵ）宇宙服の予想圧力をエミュレートするために８．２ｐｓｉで実施した。複合材の上に水／エチレングリコール溶液を載置し、何らかの気泡の形成の有無を観察することにより、漏れを検出した。漏れ検出システムの例示的説明図を図３に示す。
【００９９】
「実施例２」  ＳＴＦ複合材層の設計
実施例１に記載した手順に従って、耐衝撃性複合材にＳＴＦを組み込むための様々な設計がいくつか構築された。ＳＴＦ複合材の設計供試材を、以下の例に記載する様々な試験に供した。例えば、優れた耐衝撃性を示す一例示的設計は、最外層（打撃面）から最内層（裏側薄層）の積層順序で：１つのＳガラスプリプレグ層、１つのＳＴＦケブラー層、１つのＳガラスプリプレグ層、１つのＳＴＦケブラー層、および１１層のＳガラスプリプレグ層からなる合計１５層（図４を参照）を含有する設計であった。パラメトリック研究は、ＳＴＦ層の層数とＳＴＦ粒子の種類がＳＴＦ複合構造体の耐衝撃性に及ぼす影響を試験するために実施した。パラメトリック研究で試験された様々な設計を表３に列挙する。設計はＭ２からＭ１２までコード化された。対照供試材は、１５層のＰａｔｚ製Ｓガラス／ＰＭＴ−Ｆ４プリプレグであり、Ｍ１として表記された。
【０１００】
表３．ＳＴＦ複合積層編成設計
【表３】
2021530386.tif 000005
【０１０１】
ＳＴＦケブラー層とＳガラスプリプレグ層との間の結合を試験するために、供試材を切り出して検査した。図５に示すように、１００Ｊの衝撃後にＳガラスプリプレグはＳＴＦケブラー層のそれぞれの表面に結合していた。この試験によれば、ＳＴＦがケブラーに含有されると、層がしっかりと結合して容易に分離しなかった。未処理ケブラーの供試材は層間剥離することができた。この結果は、未処理ケブラー内の繊維／糸間の空隙により界面に樹脂欠乏領域を形成したことに起因する。未処理ケブラーの供試材はまた、ＳＴＦケブラー含有試験片と比較すると衝撃特性が著しく劣っていた。ＳＴＦ複合材の供試材では、ＳＴＦが繊維間の空隙を埋め、樹脂欠乏領域の形成を防ぎ、ＳＴＦケブラー層とＳガラス層との間の良好な結合を確保した。
【０１０２】
「実施例３」ＳＴＦケブラー層を２層備えたＳＴＦ複合材への衝撃
すべてのＳガラス複合材（Ｍ１）および２層ＳＴＦ複合材（Ｍ４）に対して１００Ｊの衝撃エネルギーで衝撃試験を実施した。衝撃試験の結果を図６に示す。Ｍ１パネルには、衝撃面の亀裂と著しい裏側薄層破断が確認された。衝撃領域近傍にもいくつかの層間剥離が目視確認された。Ｍ１試験片は漏れ試験に不合格となり、複合材の厚さ方向の損傷を受けたことを示した。上述の結果は、以前にＲｏｓｓらが発表した研究成果「４４ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  １３〜１７（２０１４）」と一致した。この研究成果は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれるが、そこで見出されたのは、Ｍ１試験片と同じ厚さの同じＰａｔｚ製プリプレグから作られたパネルに対する７０Ｊの低速衝撃試験で裏側薄層破断が発生したことである。これとは対照的に、Ｍ４のＳＴＦ複合材には、１００Ｊでも裏側薄層破断が生じなかった。衝撃面にごくわずかな亀裂形成が観察され、若干の層間剥離がいくつか観察された。試験片支持部の端部近傍に多少の変形があったが、ＳＴＦケブラー層の追加が、衝撃の際に試験片領域の大部分に係合する上で効果的であったことを示している。
【０１０３】
Ｍ１のＳガラス複合材対照と対比したときのＭ４のＳＴＦ複合材で見られる衝撃損傷の相違点にもかかわらず、衝撃による力−時間曲線および力−変位曲線は、２つの材料で非常に類似していた。これらの曲線を図７Ａおよび図７Ｂに、Ｍ３（１つのＳＴＦケブラー層）設計の曲線およびＭ５（２層分割）設計の曲線とともに示す。曲線は、形状、最大力、および最大変位が同様であった。Ｍ１の最大力は１９．７Ｎであったが、Ｍ４の最大力は１８．９Ｎと４％低かった。したがって、ＳＴＦケブラーの追加により、衝撃時の見かけの弾性率がわずかに低下したが、ＳＴＦ含有設計では、裏側薄層の損傷は著しく低減されている。
【０１０４】
１５０Ｊでの衝撃試験の結果は、Ｍ１パネル、Ｍ４パネル、およびＭ１０パネルを示す図８で説明される。Ｍ４パネルとＭ１０パネルは、Ｍ４がＳＴＦに多分散シリカ粒子を含み、Ｍ１０がＳＴＦに単分散シリカ粒子を使用したことを除いて、構造が同じであった。図９に示すように、ＳガラスパネルＭ１は１５０Ｊの衝撃後に激しく損傷した。これは、側面像で目視確認できるかなりの裏側薄層破断と繊維の突出によって裏付けられた。さらに、ＳガラスパネルＭ１は漏れ試験に不合格となった（図１０を参照）。これとは対照的に、単分散シリカ配合のＳＴＦ複合パネルＭ１０には、多少の局所的変形が見られたが、突出する繊維は側面像で観察されず（図８を参照）、試験片は漏れ試験に合格した（図１０を参照）。ＳＴＦ複合パネルＭ４の場合、多少の局所的裏側薄層破断および繊維突出が観察されたが、試験片は完全なままで漏れ試験に合格した（図８および図１０を参照）。背面に損傷が存在するにもかかわらず、耐圧能力を保持することは、本明細書で提供されるＳＴＦ複合材が、宇宙服などのＥＰＧで使用するための損傷許容構造に特に適することを実証している。ＳＴＦ複合材は、激しい衝撃の後でも圧力バリアの完全性を維持することにより、乗組員に乗物または生息地への帰還を可能にする上で重要なさらなる安全余裕度をもたらす。
【０１０５】
さらなる試験により、ＳＴＦ複合試験片の一部は、１５０Ｊの衝撃エネルギーを印加時に、現行ＡＳＴＭ規格Ｄ−７１３６方法および固定具の設計に起因するわずかな端部損傷を受けたことが明らかになった。ただし、ＳＴＦ複合材の何らかの構造上の弱点が原因ではなく、端部損傷の主たる要因は衝撃を分散するＳＴＦの能力であり、これによって衝撃力が試験片の端部に伝達される結果となった。さらに、固定具の端部付近で支持あり状態と支持なし状態との間で急激な移行があることで応力が集中して、支持体端部に沿った一連の損傷を引き起こした。図９はそのような例の１つを示し、パネルは完全な状態のままであり、複合材の厚さ方向の損傷は受けなかったが、代わりに、固定具の端部がダイとして作用したために「打ち抜かれ」ていた。同様の端部効果／試験片支持効果はまた、厚さ方向の損傷も受けたＳガラス複合材パネルＭ１でも観察された。この端部効果のため、本研究における設計では最大衝撃試験エネルギーは１５０Ｊに制限された。それにもかかわらず、当業者であれば容易に理解するように、衝撃点付近の複合材の厚さ方向に著しい損傷がない場合のＳＴＦ複合材の端部損傷は、採用した試験方法の制限に起因する不自然な結果であった。
【０１０６】
「実施例４」パラメトリック研究
ＳＴＦ層の層数、ＳＴＦ層の配列、およびＳＴＦ配合粒子相を変化させて、パラメトリック研究を実施した。衝撃試験は、全標的に対して１５０Ｊの衝撃エネルギーで実施した。供試材をすべて写真に撮り、損傷の有無を検査し、衝撃後に漏れ試験を実施した。上記のように、Ｓガラス複合材対照Ｍ１は１００Ｊという低いエネルギーで不合格となった。最終的な単分散シリカ配合物で製造されたＳＴＦ複合材（Ｍ１０、Ｍ１１、およびＭ１２）には、裏側薄層破断がなく、２層、３層、または４層のＳＴＦケブラー設計を含有する供試材のいずれの試験でも漏れ試験に不合格はなかった。多分散シリカ配合物で製造された供試材（Ｍ４、Ｍ８、およびＭ９）は、１００Ｊの衝撃に耐え、裏側薄層損傷や漏れはないものの、１５０Ｊでは若干の裏側薄層破断を呈した。ただし、多分散シリカＳＴＦ複合材の何れも、衝撃後に漏れはなく、衝撃部の厚さ方向に著しい損傷を呈してはいなかった。裏側薄層の損傷があっても漏れを防ぐ能力は、ＳＴＦの二次的な密閉性を例証した。ＳＴＦの衝撃変化は、最下層が破断された場合でも、複合材の最上層の完全性を維持するように機能する。１個の４層試験片（Ｍ９のＳＰ２）には、図９に示す種類の端部破断があり、端部付近の厚さ方向に亀裂が発生し漏れが生じた。炭酸カルシウムＳＴＦ配合物もまたＳＴＦ複合材内で試験され、シリカ粒子を含有するＳＴＦ複合材は、より柔らかい炭酸カルシウム粒子を含有するＳＴＦ複合材よりも優れた耐衝撃性と耐漏れ性を示すことが明らかになった。
【０１０７】
ＳＴＦ複合材内のＳＴＦ層の層数を増やすと、図１０に示すように、比エネルギー吸収が一般に増加する。単分散シリカ供試材間では、供試材のいずれにも破断または漏れが発生せず、全体的に大きな違いは観察されなかった。全衝撃たわみもまたＳＴＦ層の層数の増加とともに増大した。これは、エポキシ内で完全に硬化したＳガラス層が、隙間空間の一部にＳＴＦが充填されより柔軟なＳＴＦケブラーに置き換えられたため、剛性が低下したことが原因である。ＳＴＦ複合設計のパラメトリック研究と衝撃試験の結果を表４にまとめる。
【０１０８】
表４．衝撃試験および漏れ試験のまとめ
【表４】
2021530386.tif 000006
【０１０９】
「実施例５」ＳＴＦ複合材の衝撃とＥＰＧ層との相互作用
上記の衝撃試験は、ＡＳＴＭ規格Ｄ−７１３６の鋼製衝撃部材の複合面への直接衝撃で構成されていたが、複合材が宇宙服や他の同様の保護服の構成に使用される場合、硬質複合材の外側にＥＰＧが通常存在する。ＥＰＧ内の繊維製品層の追加厚さは、ある程度の緩衝作用を追加して複合材への影響の深刻さを軽減する場合があると当初期待された。しかし、試験結果は、最も内側のＥＰＧ層と複合材との間に大きな摩擦結合がある場合、追加された層が潜在的に損傷の重大度を高める可能性があることを明らかにした。衝撃試験は、単分散シリカ配合物を使用して２層ＳＴＦ複合試験片Ｍ１０で実施され、試験は、ＥＰＧと硬質複合材の打撃面との間に配置された摩擦修正材料を追加するとともに、複合材の上面に現行ＴＭＧ材料を使用して実施された。ＴＭＧ層は、オルソファブリック、７層のアルミニウム被覆マイラー、およびネオプレンでコーティングしたナイロン吸収体布帛層で構成されていた。この構成は、図１１の中央の画像に示した通常摩擦結果に対応していた。通常摩擦衝撃試験では衝撃面の亀裂が多少見られたが、裏側薄層破断は観察されず、耐圧試験の際に供試材からの漏れは発生しなかった。
【０１１０】
高摩擦試験構成では、ネオプレンがコーティングされたナイロンと複合材面との間にウレタンがコーティングされたブラダー布地を用いたことを除いて、同一のＴＭＧ層を使用した。ブラダー布地上のウレタンコーティングは、複合材と繊維製品との間に高グリップ、高摩擦の接合面を形成するように複合材の方向に配向された。高摩擦構成で衝撃を受けた両方の試験片は、その後の漏れ試験で明らかになったように、裏側薄層破断と厚さ方向の損傷を呈した。高摩擦試験片は、１５０Ｊの衝撃後に漏れたＭ１０の２層ＳＴＦ層ＳＴＧ複合設計（合計１３個の試験片）から作製された唯一の試験片であった。ウレタンコーティングされたブラダーがもたらす摩擦の増加は、ＥＰＧ織物製品がもたらすさらなる衝撃緩衝作用の全利点を完全に打ち消した。低摩擦構成での試験により、全体的な衝撃損傷を決定する際の複合材上のＥＰＧ摩擦の重要な役割を裏付けるさらなる証拠が得られた。低摩擦構成では、ネオプレンでコーティングされたナイロンと複合材表面との間に薄いテフロン層がある。低摩擦供試材は、最小の損傷を呈し、衝撃面にわずかな亀裂発生を有するのみであった。全体として、摩擦を最小にすることは観察された損傷を最小にすることにつながり、損傷の重大度は、複合材上のＥＰＧ摩擦の程度とよく相関した。この結果は、宇宙服のシステム設計においてＥＰＧとＳＴＦ複合材との間の摩擦を意図的に低減することで予想される利点の方向を指し示している。結果は図１２にまとめてある。
【０１１１】
「実施例６」代替のＳＴＦ複合設計
別の実施形態では、ＳＴＦ複合材は、中まで同じ材質の複合パネルの上面にＳＴＦ外層を用いて構築された。この構想の強みとして挙げられるのは、製造の容易さ、そして衝撃に対して非常に耐性のある構造を形成できることであった。というのも、全衝撃が最初にＳＴＦを打撃し、複合材が係合する前に鈍化するためである。ただし、外層構造は他の解決策よりも高重量であった。この設計の潜在的な利点は、ＳＴＦ層を織物製品カバーの積層編成の一部として組み込むことができ、複合材層を変更せずに、必要な領域にさらなる耐衝撃性を提供できることであった。別の構想は、ＳＴＦを樹脂中に分散させた後に布帛に注入することを要した。ＳＴＦの剪断増粘応答は、流体を糸に浸透させるのに十分なだけ小さい液滴に分解するのに長い処理時間および／または高エネルギーを必要とした。
【０１１２】
「実施例７」開いた窓のＳＴＦ複合設計の試験
パネルは、開いた「窓」を備えて形成され、そこにＳＴＦが注がれ、次いでその上に繊維ガラスの層を追加して硬化させることにより密封した。あるいは、もう１つの方法では、ＳＴＦに浸したポリエステル繊維製品（Ａｐｅｘ  Ｍｉｌｌｓ社製Ｓｔｙｌｅ  ＤＮＢ３６、ニューヨーク州インウッド）を利用することで、ＳＴＦ中間層の厚さをより適切に制御することが可能となった。両方の種類の中間層構造は、下部に４層のＥガラス７７８１のプリプレグ、続いて７層の厚さのフレーム、続いて上部にさらに４層を用いて作製された。図１３に概念図を示す。比較のために、中まで同じ材質の１５層のパネルを作製した。様々な処理方法を試みたところ、実施例１に記載のプレス法が供試材の厚さと平坦度の制御に優れているため、中間層供試材の製造に最適であることがわかった。上記の落下衝撃手順を使用して、中まで同じ材質のパネルとＳＴＦ中間層供試材に対して衝撃試験を実施した。中まで同じ材質のパネルと（ポリエステルスペーサーを用いた）ＳＴＦ中間層に対する衝撃損傷の比較を図１４に示す。実際に測定された衝撃速度に基づいて、中まで同じ材質のパネルには２０Ｊの衝撃を加え、ＳＴＦパネルには２５Ｊの衝撃を加えた。中まで同じ材質のパネルには、前面と背面の両方に顕著な損傷があり、パネルの背面に層間剥離の形跡が目視確認できた。中まで同じ材質のパネルの前面には、衝撃部から繊維軸の方向に沿って走る損傷部があった。これとは対照的に、ＳＴＦ中間層標的は、前面の直接衝撃部に非常に局所的な損傷を示すのみであった。ＳＴＦ中間層標的の背面を検査したところ、目視確認できる損傷はないことが分かった。図１５は、スペーサーファブリックのないＳＴＦ中間層を含有する標的への２０Ｊの衝撃の同様の結果を示す。衝撃後のＳＴＦ中間層パネルのいずれの面にも目視確認できる損傷はなかった。
【０１１３】
中まで同じ材質の供試材（２０Ｊ）、ＳＴＦ流体層供試材（２０Ｊ）、およびＳＴＦスペーサーファブリック層供試材（２５Ｊ）への衝撃の力−時間分析結果および力−変位分析結果をそれぞれ図１６Ａおよび図１６Ｂに示す。中まで同じ材質のパネルと比較して衝撃エネルギーが２５％高いにもかかわらず、ＳＴＦスペーサーファブリックパネルの最大衝撃力は中まで同じ材質のパネルよりも約１０％小さかった。ＳＴＦスペーサー供試材（中まで同じ材質のパネルの１５層と比較して、上下に４層の２つの結合グループで８層の布帛のみ有した）の衝撃剛性は、中まで同じ材質のパネルよりも３０％低かった。力−変位の曲線下面積から計算された散逸エネルギーは、ＳＴＦ流体供試材、ＳＴＦスペーサー供試材、および中まで同じ材質のパネルによって散逸された総衝撃エネルギーの割合が、それぞれ９１．９％、９０．０％、および７９．８％であることを示した。上記のように、中まで同じ材質のパネルでは著しい亀裂発生と層間剥離が観察されたのに比べ、同様の衝撃エネルギーでＳＴＦ供試材に観察されたのは最小限の損傷であった。したがって、この結果は、構造体の厚さ方向の損傷を軽減して構造体の耐久性と耐衝撃性を向上できるような衝撃エネルギー吸収機構がＳＴＦによりもたらされることを示していた。さらに、スペーサーファブリックを使用しても、ＳＴＦが提供するエネルギー吸収を著しく低減することはなかった。これらの結果に基づいて、ＳＴＦに浸した布帛（つまり、ＳＴＦプリプレグ）は、流体単体で作業する場合と比較して、材料を取り扱う作業およびＳＴＦを構造体に組み込む上でより簡便な手段を提供すると考えられた。ＳＴＦプリプレグには、湾曲した形状または複雑な形状の複合材の製造の際に液状のＳＴＦ中間層よりも使いやすいというさらなる利点がある。
【０１１４】
「実施例８」ＳＴＦ外層設計の衝撃試験
ＳＴＦを含有する薄いパケットを厚さを制御するためにスペーサーファブリックを用いて作製し、ＳＴＦ外層の構想を試験した。ＳＴＦパケットは、所望の厚さの編まれたポリエステルスペーサーファブリックにＳＴＦを充填した後に、ポリマー膜内に密封して構成される。３つの側面が密封されたポリマー膜の小袋を形成し、その小袋にスペーサーファブリックを挿入し、ＳＴＦを充填し、次いで４番目の側面を真空密封してスペーサーファブリックとＳＴＦを完全に囲繞することで、ＳＴＦパケットは製造される。カバー層は、複合材構造、処理、または機械的特性を変更することなく実装できる可能性がある。柔軟なＳＴＦ層はまた、より大きな織物製品カバー層の一部として実装することもできる。試験されたＳＴＦパケットの厚さは０．１２５インチであった。Ｄｙｎａｔｕｐ製ＬＶＩシステムを使用して、１３Ｊ、２６Ｊ、および３９Ｊ（１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ）のエネルギーで衝撃試験を実施した。標準のＧ１０繊維ガラスパネルが裏打材料として使用された。ＳＴＦカバー層の有り無し両方の衝撃曲線を図１７（力−時間）と図１８（力−変位）で比較する。力−時間曲線から、ＳＴＦカバーの追加により、衝撃事象がより長い時間にわたって広がり、衝撃エネルギーに応じて、最大力が１０％から２０％へと減少することが明らかになった。力−変位曲線は、ＳＴＦカバー層と複合材パネルの直列構成を示す２つの異なる荷重印加領域を示した。ＳＴＦパケットの初期圧縮によって、力が徐々に上昇し、中まで同じ材質のパネルに較べて初期剛性が低下する。しかし、衝撃が進むにつれて、測定された剛性は複合材パネル単体の剛性にまで増大した。図１８は、衝撃中に見られる有効剛性の２つの異なる領域を示しており、太い破線はＳＴＦが支配的な領域を示し、細い破線は複合材が支配的な領域を示している。細い破線と太い破線の傾きは、すべてのプロットで同じである。２６Ｊと３９Ｊの衝撃では、２つの領域間の移行が鋭くなったが、最低エネルギー衝撃ではより緩やかな移行が見られた。急激な移行の原因は、流体が「最も低い位置にある」、つまり流体が衝撃錘と複合材パネルとの間の区間から外部に流出することであった。スペーサーファブリックの損傷もこの機構と一致していた。
【０１１５】
２６Ｊおよび３９Ｊの衝撃を受けたスペーサーファブリックの中央部には、布帛を引き離すように作用する衝撃区間からの流出流体と一致する穴があった。最小エネルギー衝撃の場合、同様の損傷は見られなかった。これらの結果は、特にＳＴＦが衝撃錘の下から押し出される引張り状態でＳＴＦの強度を向上することにより、耐衝撃性を改善できることを示唆している。これを達成するための二つの戦略には、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００４，Ｌｏｎｇ  Ｂｅａｃｈ，ＣＡ，ＵＳＡ」にＮａｍらが記載したような短く切断された繊維をＳＴＦに添加すること、またはＳＴＦカバー層の引張特性を改善するために布帛補強材を使用することが包含される。全体として、初期の衝撃結果は、ＳＴＦカバー層が効果的に機能して、エネルギーを散逸させ、複合構造体への衝撃を鈍化できることを示唆していたが、カバーｆ層内のＳＴＦには繊維または布帛の形態の補強が必要であった。
【０１１６】
「実施例９」ＳＴＦ影響のモデリング
様々なエネルギーで衝撃を受けたＳＴＦパケットの衝撃試験結果を使用して、ＳＴＦの衝撃応答を表す区分的塑性モデルを開発した。ＳＴＦパケットに対する１２回の衝撃の結果を図１９に示す。区分的塑性モデルを得る手順を図１９Ｄで例示する。
【０１１７】
本発明は、本明細書に記載および例示された実施形態に限定されない。添付の特許請求の範囲内で変更および修正が可能である。
【図１Ａ】
2021530386.tif 000007
【図１Ｂ】
2021530386.tif 000008
【図２】
2021530386.tif 000009
【図３】
2021530386.tif 000010
【図４】
2021530386.tif 000011
【図５】
2021530386.tif 000012
【図６】
2021530386.tif 000013
【図７Ａ】
2021530386.tif 000014
【図７Ｂ】
2021530386.tif 000015
【図８】
2021530386.tif 000016
【図９】
2021530386.tif 000017
【図１０】
2021530386.tif 000018
【図１１】
2021530386.tif 000019
【図１２】
2021530386.tif 000020
【図１３】
2021530386.tif 000021
【図１４】
2021530386.tif 000022
【図１５】
2021530386.tif 000023
【図１６Ａ】
2021530386.tif 000024
【図１６Ｂ】
2021530386.tif 000025
【図１７】
2021530386.tif 000026
【図１８】
2021530386.tif 000027
【図１９Ａ】
2021530386.tif 000028
【図１９Ｂ】
2021530386.tif 000029
【図１９Ｃ】
2021530386.tif 000030
【図１９Ｄ】
2021530386.tif 000031
【国際調査報告】
2021530386.tif 000032
2021530386.tif 000033
2021530386.tif 000034