(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減衰特性が改善された複合積層構造であって、
第１の熱硬化性樹脂マトリクス内に含浸された４０ｗｔ％から７０ｗｔ％の繊維を有する減衰薄層と、
第２の熱硬化性樹脂マトリクス内に含浸された４０ｗｔ％から７０ｗｔ％の繊維を有する構造薄層とを含み、
前記第１の樹脂は粘弾性の状態で存在し、前記第２の樹脂はガラス状態で存在し、
前記減衰薄層および前記構造薄層の熱硬化樹脂は、少なくとも２００°Ｆの熱的な安定性を備えたエポキシ樹脂であり、
前記減衰薄層のエポキシ樹脂は、可塑化剤の含有量が前記第１の樹脂の合計重量の１２ｗｔ％から３５ｗｔ％の間であり、前記構造薄層のエポキシ樹脂は、可塑化剤の含有量が第２の樹脂の合計重量の１０ｗｔ％未満である、複合積層構造。
【請求項２】
前記減衰薄層および構造薄層の各々は、２から２０のプライを含む、請求項１に記載の複合積層構造。
【請求項３】
前記薄層の繊維は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維およびそれらの組合せからなるグループから選択される、請求項１に記載の複合積層構造。
【請求項４】
前記構造薄層の繊維は、連続的な炭素繊維である、請求項３に記載の複合積層構造。
【請求項５】
前記第２の樹脂の可塑化剤の含有量は、前記第２の樹脂の合計重量の５ｗｔ％未満である、請求項１に記載の複合積層構造。
【請求項６】
前記第１の樹脂の可塑化剤の含有量は、前記第１の樹脂の合計重量の１２．５ｗｔ％から１７ｗｔ％の間である、請求項１に記載の複合積層構造。
【請求項７】
複数の減衰薄層および複数の構造薄層をさらに含み、前記構造薄層は前記積層の外側の薄層を含む、請求項１に記載の複合積層構造。
【請求項８】
複合積層構造であって、
第１の熱硬化性樹脂マトリクス内に含浸された４０ｗｔ％から７０ｗｔ％の繊維を有する減衰薄層と、
第２の熱硬化性樹脂マトリクス内に含浸された４０ｗｔ％から７０ｗｔ％の繊維を有する構造薄層とを含み、
前記第１の樹脂はそのガラス化温度より上の状態にあり、前記第２の樹脂はそのガラス化温度より下の状態にあり、
前記第１の樹脂は、可塑化剤の含有率が前記第１の樹脂の合計重量の１２ｗｔ％から３５ｗｔ％の間であり、
前記第２の樹脂は、前記第２の樹脂の合計重量の１０ｗｔ％未満の可塑化剤を有する、複合積層構造。
【請求項９】
前記減衰薄層および構造薄層の各々は、２から２０のプライを含む、請求項８に記載の複合積層構造。
【請求項１０】
前記積層の繊維は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維およびそれらの組合せからなるグループから選択される、請求項９に記載の複合積層構造。
【請求項１１】
前記構造薄層の繊維は、連続的な炭素繊維である、請求項１０に記載の複合積層構造。
【請求項１２】
前記減衰薄層および前記構造薄層の前記熱硬化性樹脂は、少なくとも２００°Ｆの熱的な安定性を備えたエポキシ樹脂である、請求項８に記載の複合積層構造。
【請求項１３】
複数の減衰薄層および複数の構造薄層をさらに含み、前記構造薄層は、前記積層の外側の薄層を含む、請求項８に記載の複合積層構造。
【請求項１４】
減衰特性が改善された積層構造を製造する方法であって、
可塑化剤の含有率が第１の樹脂の合計重量の１２ｗｔ％から３５ｗｔ％の間である第１の熱硬化性樹脂マトリクスで繊維層を含浸することによって減衰薄層を形成するステップと、
可塑化剤の含有率が第２の樹脂の合計重量の１０ｗｔ％未満である第２の熱硬化性樹脂マトリクスで繊維層を含浸することによって構造薄層を形成するステップと、
前記減衰薄層および構造薄層を重ねるステップと、
前記樹脂を硬化するステップとを含み、
前記減衰薄層は、薄層の合計重量に対し約４０ｗｔ％から約７０ｗｔ％の繊維含有率を有し、
前記構造薄層は、薄層の合計重量に対し約４０ｗｔ％から約７０ｗｔ％の繊維含有率を有する、積層構造を製造する方法。
【請求項１５】
前記減衰薄層を形成するステップは、
前記第１の熱硬化性樹脂で含浸された繊維の２から２０のプライを形成し、前記プライを重ねて前記減衰薄層を形成するステップを含む、請求項１４に記載の積層構造を製造する方法。
【請求項１６】
前記構造薄層を形成するステップは、
前記第２の熱硬化性樹脂で含浸された繊維の２から２０のプライを形成し、前記プライを重ねて前記構造薄層を形成するステップを含む、請求項１４に記載の積層構造を製造する方法。
【請求項１７】
前記第２の樹脂の可塑化剤の含有率は、前記第２の樹脂の合計重量の５ｗｔ％未満である、請求項１４に記載の積層構造を製造する方法。
【請求項１８】
前記第１の樹脂の可塑化剤の含有率は、１２．５ｗｔ％から１７ｗｔ％の間である、請求項１４に記載の積層構造を製造する方法。
【請求項１９】
複数の減衰薄層および複数の構造薄層を形成するステップと、
前記構造薄層が前記積層の外側の薄層を含むように前記薄層を重ねるステップとをさらに含む、請求項１４に記載の積層構造を製造する方法。
【請求項２０】
前記複数の減衰薄層および構造薄層を付加的な異なる積層に積層して、ハイブリッド積層を形成するステップをさらに含む、請求項１９に記載の積層構造を製造する方法。
【請求項２１】
前記異なる積層の繊維は、前記減衰薄層および構造薄層の繊維とは異なる組成である、請求項２０に記載の積層構造を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は、航空用途に使用されるものなどの複合樹脂マトリクス構造および複合樹脂マトリクス構造を製造する方法に関する。特に、この発明は、航空用途およびその他の用途に適切な剛性を有するが、音響および振動によって起こる損傷に抵抗する減衰特性が改善された複合樹脂マトリクス構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
航空業界での複合構造の使用は、複合材料の好ましい特性、特に軽量、高強度および剛性などのためにますます一般的になってきている。複合材料は、現在では、航空機の翼、水平ならびに垂直安定板、機首および尾部の円錐、ならびに航空機の主要構造の要素に使用されている。複合材料は、航空機の二次的な要素、たとえば、内部の床パネル、壁パネルおよび同様の構造要素にも使用されている。複合材料の有利な特性は、航続距離の増加、燃料の消費の低減および最大積載量の増加を含む航空機の性能上の利点を増やしている。性能上の利点が増えることが航空業界全体での複合材料の使用を導いている。
【０００３】
複合材料の設計が進歩するにつれ、複合材料は強度および剛性が改善されてきた。複合材料の剛性は重要である。なぜなら、剛性は一般に材料の強度に関連し、航空力学的な負荷の下でより良い性能を提供するためである。しかしながら、複合材料の剛化は成功しているが、音響および振動の問題は依然として課題である。実際、複合材料の剛性が増すと、複合材料は振動からの疲労を受けやすくなることが多い。
【０００４】
剛化された複合材料は、振動、流れによる騒音、衝撃／境界層の相互作用、乱気流および機械的な騒音に関連する音響および振動を適切に減衰できないことが多い。音響的な力は、時とともに複合構造を疲労させるように働き、複合構造の耐用寿命中の亀裂につながることがある。
【０００５】
航空宇宙の乗物での複合材料の時期尚早な亀裂は、費用のかかる修繕およびメンテナンスのスケジュールにつながるため、特にここ１５年、複合構造の減衰の強化への研究が多く行なわれてきた。交互配置法として知られる１つの技術は、粘弾性の層を複合積層に共に硬化することを伴う。交互配置法は、減衰を増加させるための最も一般的な方法の１つであるが、より大きな組立構造に適用されるときには何らかの特別な処理を必要とする。
【０００６】
マクロ機械的なレベルでは、減衰は、繊維の配向（より多くの交差層）の変化、応力増加（異方性）曲げねじり結合、または波状繊維の位置付けによる積層内の応力によって、最大化することができる。
【０００７】
ミクロ機械的なレベルでは、減衰は、繊維体積率、繊維アスペクト比、被覆繊維および織物高分子マトリクス複合材料の変化を通じて増加されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
複合材料のミクロ機械的およびマクロ機械的な減衰の進歩にもかかわらず、音響疲労は依然として問題である。したがって、複合材料を疲労から保護することができ、かつ複合材料を航空用途に望ましいものにする剛化特性を保持できる総合的な減衰特性を備えた複合材料を提供することが望ましい。さらに、経済的に製造され、より好ましくは特定の用
途にカスタマイズ可能な複合材料を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
この発明の１つの有利な実施例は、少なくとも１つの繊維樹脂複合減衰薄層に積層された少なくとも１つの高強度、高剛性の繊維樹脂複合構造薄層から形成された複合積層構造であり、構造薄層の樹脂マトリクスは、そのガラス固化温度（ガラス転移温度）（Ｔg）よりも下の状態にあり、減衰薄層の樹脂マトリクスは、通常の使用温度ではそのガラス固化温度よりも上の状態にあるため、複合構造にわたって音響および振動を減衰させる柔軟な高減衰薄層と組合わされた高強度の薄層が得られる。
【００１０】
減衰薄層は、複合積層形成の分野で知られる技術を使用して、構造薄層と組合されて複合積層構造を形成する。結果的な積層の全体的な強度および硬さの特性は、当該技術分野の他の点では類似の構造複合積層と同じか、わずかに劣る。しかしながら、この発明の積層は、以前の構造複合積層と比較して、劇的に改善された減衰特性を示す。たとえば、この発明を実現すると、この発明に従って製造されない積層よりも減衰が１０倍増の複合積層物が形成された。減衰の改善は、積層全体の強度をほぼ失うことなく行なわれる。
【００１１】
またはこれに代えて、この発明は、いくつかの薄層の樹脂マトリクスＴgが同じ積層内の他の薄層の樹脂マトリクスＴgよりも実質的に高い複合繊維樹脂積層と見ることができる。
【００１２】
またはこれに代えて、この発明は、少なくとも１つの薄層の樹脂マトリクスが粘弾性の挙動を示し、他の薄層の樹脂マトリクスがガラス質の挙動を示す複合繊維樹脂積層と見ることもできる。
【００１３】
この発明は、Ｔgが積層の使用温度より低い樹脂マトリクスを含む減衰薄層は、Ｔgが使用温度より高い樹脂マトリクスを有する同様の薄層と比較して、劇的に音響減衰特性が向上しているという発見に基づく。減衰薄層が構造薄層（Ｔgがその使用温度よりはるかに高い薄層）と組合されると、結果的な積層は、剛化された構造的な特性を有して積層物に強度を与え、かつ積層された構造物全体にわたって音響および振動を減衰する減衰特性を有する。
【００１４】
積層の薄層の各々は、樹脂マトリクス材料内に埋込まれた高強度の繊維の複数のプライを含む。繊維は細断されていても、半連続的または連続的であってもよく、典型的には炭素繊維であるが、他の高強度の繊維、たとえば、アラミド繊維であってもよい。連続的な場合、繊維は一方向の配向を有してもよく、または二重または３軸の織り方を含んでもよい。積層の熱硬化性マトリクス樹脂は、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂の混合、または好ましくは硬化温度が約４００°Ｆ（華氏）よりも低く、かつ少なくとも約２００°Ｆで熱的に安定している他の熱硬化性樹脂であってもよい。
【００１５】
この発明の一実施例によると、減衰薄層の樹脂マトリクスのＴgは、樹脂の硬化前に樹脂に可塑化剤を加えることによって低下される。可塑化剤は、樹脂組成物の合計重量の約１２ｗｔ％から約３５ｗｔ％の間の量、好ましくは約１２．５ｗｔ％から約１７ｗｔ％の間の量で、エポキシなどの熱硬化性高分子に加えられる。可塑化剤は、樹脂のＴgを低下させる役割を果たす。たとえば、大半のエポキシの固有のＴgは約２５０°Ｆであるが、約１２ｗｔ％から３５ｗｔ％の間の量で可塑化剤をエポキシに加えることは、エポキシのＴgを室温より低く抑制する。
【００１６】
この発明の別の実施例によると、Ｔg温度が抑制された市販のエポキシ樹脂が入手され
、減衰薄層のためのマトリクス樹脂として使用される。市販のエポキシを使用して、減衰薄層は当該技術分野で知られるように準備してもよい。減衰薄層で使用される例示的な市販のエポキシは、ニューヨーク州ブルックリンのCotronics Corp から入手可能なDuralcoTM４５３８Ｎエポキシ樹脂である。
【００１７】
最適な減衰は、樹脂のＴgより高い約５０°Ｆから１００°Ｆの間の温度で生ずることがわかった。このため、減衰薄層の樹脂のＴgを積層の予想される最終使用温度より低い約５０°Ｆから１００°Ｆの間にまで下げるために、可塑化剤を使用することが好ましい。またはこれに代えて、積層の予想される最終使用温度より低い５０°Ｆから１００°Ｆの間のＴgを有する市販のエポキシが使用される。Ｔgは、減衰樹脂で使用される可塑化剤の量によって操作することができるため、積層はそれらの特定の最終使用温度での最適な性能のためにカスタマイズすることができる。
【００１８】
樹脂のＴgの操作の他にも、積層は、従来の繊維樹脂積層物の製造のために使用される方法によって、積み上げ、含浸、硬化、および形成することができる。したがって、この発明を実行するのに特別な製造設備は必要ない。
【００１９】
この発明の積層は、剛性と振動減衰とが組合された特性のため、航空用途に特に適している。この積層物は、ボートの船体、自動車のパネル、外部および内部の建築構成要素の形成などの他の用途にも有用であり、高強度、高減衰複合構造を必要とする使用にも有用である。
【００２０】
この発明を一般的に説明したので、ここからは添付の図面を参照する。図面は必ずしも同じ縮尺で描かれていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
発明の詳細な説明
ここからは、この発明の好ましい実施例が示される添付の図面を参照して、この発明をさらに詳しく説明する。しかしながら、この発明は、多くの異なる形で実現することができ、ここに記載される実施例に限定されるものと見なされるべきではない。これらの実施例は、この開示が完全かつ完璧なものとなり、当業者にこの発明の範囲を十分に伝えるためのものである。同様の参照番号は同様の要素を示す。
【００２２】
この発明に従って構成される積層構造は、負荷に耐えかつ音響減衰特性を有するように設計される。そのような構造の各々は、複数の薄層と、以降は「構造薄層」と称される高強度の剛化された複合材料の少なくとも１つの薄層と、以降は「減衰薄層」と称される減衰を増加するために設計された樹脂繊維複合材料の少なくとも１つの薄層とを含む。全体の構造は、全体的な積層構成（シート状の層）、ハニカム構成、または積層とハニカムを組合せた構成であってもよい。各々の場合の積層および／またはハニカム構造は、特定の設置の要件を満たすように平坦であってもよいし、形状を付けられてもよいし、または外形を付けられてもよい。
【００２３】
薄層の各々は、樹脂マトリクス材料内に埋込まれた高強度の繊維の複数のプライを含む。繊維状の材料の特定の種類およびその配向および／または織り方は、当然のことながら、特定の条件の負荷要件を満たすように選ばれる。繊維はさまざまな配向で設けてもよく、繊維の配向は、複合薄層内または積層構造内の各薄層内の各プライに対して同じであってもよいし、異なってもよい。たとえば、繊維は一方向の配向を有してもよいし、または二重もしくは３軸の織り方を含んでもよい。
【００２４】
一般に、商標CelionTMの下でCelanese Corporationによって販売されるグラファイト繊
維などの炭素／グラファイト繊維、または、商標KevlarTMの下でDuPontによって販売されるアラミド繊維などのアラミド繊維が使用される。グラファイト繊維には、その長さに沿った熱膨張係数がゼロに近いという利点がある。ガラス繊維もこの発明に従って使用してもよい。Ｓガラス繊維およびＥガラス繊維を繊維樹脂複合材料の繊維として使用すると有利であり得る。ハニカム構成または部分的なハニカム構成の場合、構造のハニカム部分の強化繊維はガラス繊維であってもよい。
【００２５】
高強度の複合積層の製造のため、連続した繊維、特に連続した炭素繊維を各薄層内で使用することが好ましい。しかしながら、この発明は、半連続的または細断された繊維を用いても実現可能である。積層内で非連続的な繊維が使用される場合、非連続的な繊維は減衰薄層内で使用され、連続的な繊維は構造薄層内で使用されることが好ましい。
【００２６】
樹脂マトリクス材料は、熱硬化性樹脂であってもよく、より具体的には、たとえば、テキサス州ヒューストンのShell Chemical Companyによって供給されるEponTM８２８樹脂などのエポキシ樹脂またはエポキシ樹脂の混合であってもよい。NarmcoTM５２０８、HerculesTM３５０１、およびFiberiteTM９３４エポキシ組成物などの他のエポキシも市販されている。複合材料の製造で使用される大半のエポキシは、エピクロロヒドリン（epichlorohydrin）およびビスフェノール−Ａ（Bisphenol-A）の縮合反応によって製造されるが、他のエポキシ、たとえば、脂肪族および脂環式のエポキシ樹脂、クリシド化されたノボラック（glycidated novolacs）、テトラフェニロールエタンのテトラグリシジルエーテル（tetraglycidyl ether of tetraphenylolethane）を使用してもよい。樹脂で形成される複合材料が少なくとも２００°Ｆで熱的に安定している限り、好ましくは少なくとも約３５０°Ｆで安定している限り、どのようなエポキシ樹脂を熱硬化マトリクス樹脂として使用してもよい。
【００２７】
エポキシ樹脂は、通常、樹脂合計：加硫剤（curing agent）で約５：１から約５：６の重量比でエポキシ樹脂加硫剤と混合され、重量比は多くが知られている。加硫剤は、出発材料として使用されるエポキシ樹脂の架橋結合によって、高分子の成長の促進、分子の重量の構成、および三次元構造の強化のために使用される。
【００２８】
構造薄層で使用される樹脂は、減衰薄層で使用されるものとは異なる。構造薄層で使用される樹脂、最も典型的には熱硬化性樹脂は、複合材料から形成される物品の予想される使用温度よりはるかに高いガラス化温度（Ｔg）を有する。構造薄層の樹脂はガラス化された状態で存在するため、各薄層は比較的剛性が高く、硬い。構造薄層樹脂、特にエポキシは、剛性の高い複合構造につながるものとして一般的に知られている。
【００２９】
減衰薄層で使用される熱硬化性樹脂は、複合材料から形成される物品の予想される使用温度よりガラス化温度（Ｔg）が低いため、粘弾性の状態で存在する。
【００３０】
この発明の一実施例によると、Ｔg温度の抑制は、樹脂の合計重量（樹脂、加硫剤、可塑化剤、および他の添加剤を含むが、埋込まれた繊維は含まない）の約１２ｗｔ％から約３５ｗｔ％の間、好ましくは約１２．５ｗｔ％から約１７ｗｔ％の間の量で可塑化化合物を加えることによって実現される。可塑化剤は、分子重量が低い、すなわち、ＭＷ（分子重量）が約１００から５００の極性剤であり、それらが加えられるプラスチックの硬度を低減するか、またはＴgを低下させる傾向がある。エポキシを含むさまざまな樹脂のための可塑化剤が当該技術分野で知られている。可塑化剤は、繊維の含浸および樹脂の硬化の前に、樹脂または加硫剤と予め混ぜてもよい。さまざまな量の可塑化剤を加えることで、特定のエポキシのＴgが室温よりはるかに低い温度範囲以上で変化し、可塑化剤の重量の割合が高い場合には、たとえば０°Ｆ、可塑化剤の重量の割合が中位の場合には、わずかに室温を上回る約１００°Ｆになる。
【００３１】
この発明の代替の実施例によると、Ｔg特性が抑制された市販の樹脂が入手され、減衰薄層の繊維を含浸するために使用される。１つのそのような市販の樹脂は、ニューヨーク州ブルックリンのCotronics Corpから入手可能なDuralcoTM４５３８Ｎエポキシ樹脂などのエポキシ樹脂である。DuralcoTMエポキシはキットで販売され、異なる重量パーセントの加硫剤と樹脂を混ぜることが可能であり、硬化剤（hardner）は、加硫剤、およびエポキシ樹脂のＴgを低下させる働きをする軟化剤を含む。DuralcoTMエポキシのＴgは、単に樹脂を硬化する前に硬化剤：樹脂の比率を変えることによって、変化させることができる。
【００３２】
この発明のさらに別の実施例によると、熱硬化性樹脂のＴgを低下させるために、人工または天然のゴム化合物が減衰層の熱硬化性樹脂に加えられる。所望のレベルまでＴgを低下させるのに必要なゴムの量は、実験によって容易に決定される。
【００３３】
減衰薄層とは対照的に、構造薄層の熱硬化性樹脂は、Ｔgが室温または積層から形成される物品の使用温度よりはるかに高い。構造薄層は、可塑化剤の含有率が構造樹脂の合計重量（樹脂、加硫剤、可塑化剤、および他の添加物を含むが繊維は含まない）の約１０ｗｔ％より低いエポキシまたは同様の熱硬化性樹脂を使用することによって、準備できる。樹脂のＴgを樹脂の使用温度より高く保つことによって、確実に積層の構造薄層が剛化され、積層構造に十分な構造的な支持が与えられる。
【００３４】
積層の繊維の含有率は、積層の設計および積層の所望の目的に応じて大きく異なり得る。一般に、航空用途で使用するための繊維樹脂複合材料は、積層の合計重量の約４０ｗｔ％から約７０ｗｔ％の繊維を含み、約６０ｗｔ％の繊維を含むことが好ましい。
【００３５】
Ｔgが使用温度より低い樹脂マトリクスを含む減衰薄層は、複合積層の製造において慣行とされているようにすべての薄層のＴgがそれらの使用温度より高い同様の複合材料と比較して、音響減衰特性が劇的に向上している。減衰薄層が構造薄層に積層されると、結果的な積層は、剛化された構造的な特性を有して積層物に強度を与え、同時に、積層された構造にわたって音響および振動を減衰する減衰特性を有する。
【００３６】
図１を参照すると、この発明の複合構造は、少なくとも１つの構造薄層に積層された少なくとも１つの減衰薄層１０を含む。各薄層は、樹脂マトリクス内に含浸された繊維の複数のプライを含む。各薄層は、２から数百のプライからなってもよく、２から約２０のプライからなることが好ましく、典型的な薄層は、４から６のプライを有する（図１では４つのプライが示される）。減衰薄層１０の各プライ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、熱硬化性樹脂マトリクス内に埋込まれた細断された、織られた、または配向された連続的な繊維の平面の層を含み、減衰薄層に関して上述の樹脂特性を有する。構造薄層２０の各プライ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、熱硬化性樹脂マトリクスに埋込まれた細断された、織られた、または配向された連続的な繊維の平面の層を含み、構造薄層に関して上述の樹脂特性を有する。
【００３７】
図２を参照すると、複合構造は、その構造が構造薄層２０に面しかつその面する構造層２０に対して減衰薄層１０が内側にあるときに、特に好ましい構造対減衰特性を示す。外側の構造薄層２０は構造に硬さを与え、内側の減衰薄層１０は積層内で振動を減衰しかついくらかの構造的な支持も提供する。図３を参照すると、いくつの減衰薄層１０および構造薄層２０をともに積層してもよいが、一般に、薄層の外側の層は構造薄層２０であることが好ましい。異なる種類の薄層を交互に積層することによって好ましい結果が得られた。しかしながら、この発明に従ってどのような薄層の配置も使用可能である。
【００３８】
図４を参照すると、この発明の積層構造は、過去に従来の繊維樹脂複合積層を使用可能であったあらゆる用途に使用することができる。たとえば、複合構造は、ハニカム構造を強化するために使用してもよい。図示のように、図２に関して述べた２つの３薄層複合構造を使用して、ハニカム構造５０を挟んでもよい。
【００３９】
複合薄層の含浸および硬化は、当該技術分野で以前から知られるように実現される。繊維樹脂マトリクスの含浸および硬化の例示的な方法は、米国特許第５，９０２，５３５号に示される樹脂フィルム浸剤（ＲＦＩ）法である。ＲＦＩ法は、長さが７０フィートまでの複合構造の製造を可能にする。ＲＦＩプロセスは、樹脂フィルムを直接、ドライファイバプリフォームおよび成形ツールの間およびそれらに接触して設置することを伴う。成形ツール、樹脂フィルムおよびドライファイバプリフォームは袋に入れられて真空にされ、オートクレーブに挿入される。オートクレーブ内の温度および圧力が増すにつれ、樹脂フィルムは溶け、プリフォームにしみ込み、樹脂はある温度で硬化される。
【００４０】
真空支援樹脂トランスファモールド（ＶＡＲＴＭ）もここ数年発達しており、海洋産業用の大型の複合構造およびエンジン吸気ダクトなどの軍用機のための二次的な構造物の製造を含むようになっている。ＶＡＲＴＭでは、成形ツール上で真空引きを行なうことによって、液体の樹脂がプリフォームにしみ込む。液体の樹脂は、プリフォームの外面にある吸気チューブおよび集合体システムでプリフォームに導入される。液体の樹脂は、真空圧によってプリフォームを介し引かれる。一旦プリフォームが浸潤されると、樹脂はある温度で硬化される。
【００４１】
この発明の複合材料は、硬化された積層構造として提供されるように設計される。しかしながら、構造の製造中に生産された中間の硬化されないプリプレグを好ましくは冷蔵貯蔵して、ハイブリッド材料または他の物品の構成で使用するための製品として使用し、プリプレグのための用途を見つけてもよい。
【００４２】
この発明に従って製造される複合構造は、ハイブリッド複合材料、つまり２種類以上の強化繊維を備えた複合材料の構成で使用してもよい。たとえば、この発明の積層は、この発明の積層と異なる繊維含有率および／または異なる樹脂含有率を有する薄層と積層してもよい。そのような構造は、この発明の範囲内にある。
【実施例１】
【００４３】
実施例
減衰薄層の準備およびテスト
減衰薄層の２０のサンプルが準備された。減衰薄層のサンプルの各々は、ニューヨーク州ブルックリンのCotronics Corpから入手可能なDuralcoTM４５３８Ｎエポキシ樹脂で含浸された連続的な乾燥織物９０°炭素繊維織り（dry woven 90°-weave carbon fiber）の６つのプライからなる。Duralco樹脂は、エポキシと互換性があり、かつエポキシのＴgを低下させる働きをする硬化剤とともに提供されている。
【００４４】
４つの６プライ薄層の第１のセットが準備され、各々は長さが４インチで、それぞれの樹脂／硬化剤の比率（パーセント重量による）は、１００対８０、１００対１２０、１００対２００、および１００対３００であった。薄層は、乾燥した炭素織布を約６０ｗｔ％の繊維：４０ｗｔ％の樹脂の繊維−樹脂の比率に手作業で含浸することによって準備された。プライは、０°〜９０°の配向で配置された。含浸された布はオートクレーブに入れられ、１時間にわたって７０°Ｆから２５０°Ｆに加熱することによって硬化され、２５０°Ｆに４時間保持され、さらに４時間かけて２５０ｖＦから７０°Ｆに冷却された。薄層は、８５ｐｓｉの真空で硬化され、開始の真空は３ｐｓｉ／分で課され、終了の真空は３ｐｓｉ／分に低減された。
【００４５】
薄層に対するＴgの値は、１００から８０の薄層では５３．８°Ｆ、１００から１２０の薄層では４８．２°Ｆ、１００から２００の薄層では４１．４°Ｆ、１００から３００の薄層では３２．９°Ｆであった。
【００４６】
４つの６プライの薄層の第２のセットが上述のように準備されたが、各々は長さが６インチで、それぞれの樹脂／硬化剤の比率（パーセント重量による）は、１００対８０、１００対１２０、１００対２００および１００対３００であった。
【００４７】
４つの６プライの薄層の第３のセットが上述のように準備されたが、各々は長さが８インチで、それぞれの樹脂／硬化剤の比率（パーセント重量による）は、１００対８０、１００対１２０、１００対２００、および１００対３００であった。
【００４８】
図５を参照すると、４インチ、６インチ、および８インチのサンプルが、ある範囲のビーム周波数にわたってテストされ、室温（７０°Ｆ）で各サンプルについてモード減衰比が計算された。各テスト周波数に対するモード減衰比（Modal Damping Ratio）を示すチャートが図５に示される。図示のように、硬化剤の含有率の高い（Ｔgが低い）のサンプルは、一般に、硬化剤の含有率の低いサンプルよりも大きな減衰を示した。
【００４９】
図６を参照すると、４インチ、６インチ、および８インチのサンプルが、ある範囲のビーム周波数にわたってテストされ、室温（７０°Ｆ）で各サンプルについて見掛けのモジュラス（Apparent Modulus）が計算された。各テスト周波数に対する見掛けのモジュラスを示すチャートが図６に示される。図示のように、硬化剤の含有率の高いサンプル（Ｔgが低い）は、一般に、低い見掛けのモジュラスの数字によって示されるように低い強度を示す。
【００５０】
テストの結果から、繊維層をＴgが薄層の使用温度（ここではテスト温度）より低い樹脂と組合せることによって製造される減衰薄層は、減衰特性が非常に高いが、可塑化剤または他の軟化剤を加えることなく準備された複合材料と比較して、全体的な強度に欠ける複合薄層につながることがわかる。
【００５１】
減衰薄層と構造薄層との積層
ある範囲の温度にわたるモジュラスおよび減衰損失係数に対して４つの複合積層が準備された。
【００５２】
第１の複合材料（ベースライン）は、ＬＴＭ−４５エポキシ樹脂で含浸された炭素樹脂の１２のプライを積層することによって準備された（以降はこれらの例のため、「構造プライ」と称する）。積層は積み重ねられ、上述の減衰薄層の例のように硬化された。
【００５３】
第２の複合材料（ハイブリッド３３％）は、順に、減衰プライの４つのプライ、構造プライの４つのプライ、および減衰プライのさらに別の４つのプライを積層することによって準備された。減衰プライは、上述の例では、樹脂：硬化剤の含有率が１００：３００で準備された。
【００５４】
第３の複合材料（ハイブリッド５０％）は、順に、構造プライの２つのプライ、減衰プライの３つのプライ、構造プライの２つのプライ、減衰プライの３つのプライ、および構造プライの２つのプライを積層することによって準備された。
【００５５】
第４の複合材料（１００％減衰）は、１２の減衰プライを積層することによって準備された。
【００５６】
図７を参照すると、ある範囲の温度にわたって複合材料のサンプルの各々について損失係数が計算／測定され、結果がグラフ化された。図８を参照すると、ある範囲の温度にわたって複合サンプルの各々に対してモジュラスが測定／計算され、結果がグラフ化された。
【００５７】
テストの結果から、この発明のハイブリッド積層は、特に一般的な使用温度の約０°Ｆから約１００°Ｆにわたって以前の高強度の積層と同様の強度特性、すなわち、モジュラスを有するように構成できることがわかる。同時に、ハイブリッド積層は、標準の高強度積層と比較して、特に約５０°Ｆより高い温度でテストされたときに、劇的に減衰特性が向上したことが示される。したがって、この発明の積層は、典型的な高強度複合積層と比較して、強度の損失を最低限にして減衰を劇的に増加させる。
【００５８】
上述の説明に示される教示の恩恵を有するこの発明の属する分野の当業者には、多くの変形例および他の実施例が思い浮かぶであろう。したがって、この発明は開示される特定の実施例に限定されるのではなく、変形例および他の実施例が請求の範囲に含まれることを理解されたい。具体的な用語を使用したが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用されているものであり、限定のためではない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】この発明のある実施例による積層の図である。
【図２】この発明の別の実施例による複数の構造薄層を有する積層の図である。
【図３】この発明のさらに別の実施例による複数の構造薄層および複数の減衰薄層を有する積層の図である。
【図４】この発明の別の実施例によるハニカム薄層を含む積層の図である。
【図５】さまざまなビーム周波数で測定された、この発明に従って準備された減衰薄層についてのモード減衰比を示すグラフである。
【図６】さまざまなビーム周波数で測定された、この発明に従って準備された減衰薄層についての見掛けのモジュラスを示すグラフである。
【図７】さまざまな温度で測定された、この発明に従って準備された減衰積層および２つのハイブリッド積層と比較したベースライン積層についての損失係数を示すグラフである。
【図８】さまざまな温度で測定された、この発明に従って準備された減衰積層および２つのハイブリッド積層と比較したベースライン積層について測定されたモジュラスを示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１０  減衰薄層、２０  構造薄層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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