(57)【要約】積層体を製造する方法は、次の工程からなる。（ａ）樹脂で処理された実質的に単一方向布地からパッチを成形すること、（ｂ）そのパッチの向きを不規則配置すること、（ｃ）複数のパッチを成形機の周りに層状に分布させること、（ｄ）樹脂処理の活性化によってパッチ層を融合すること。
2006501085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の工程からなる積層体を製造する方法。
（ａ）樹脂で処理された実質的に単一方向布地からパッチを成形すること、
（ｂ）前記パッチの向きを不規則配置すること、
（ｃ）複数の前記パッチを成形機の周りに層状に分布させること、
（ｄ）樹脂処理の活性化によって前記パッチ層を融合すること。
【請求項２】
前記工程（ｃ）におけるパッチを分布する手段は、吸引装置である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）におけるパッチを分布する手段は、空気コンベアである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パッチは、前記工程（ｃ）において成形された層の表面積の２０％以下である平均表面積を有する、請求項１−３のうち任意の一項に記載の方法。
【請求項５】
多数のパッチ形状および／またはサイズが採用された、請求項１−４のうち任意の一項に記載の方法。
【請求項６】
ここに実質的に記載され、添付図面の任意の適切な組合せを参照しかつその組合せによって図示された積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質的な積層構造を有する改良された複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、高い強度と複雑形状成形の容易性とを組み合わせる能力に一部は由来して最近の１０年間において大きな用途を見出した。本発明が関連している複合材料の一特別部類は、樹脂と一体に接着された種々の材料からなる繊維を使用する。繊維それ自体は、柔軟性と組み合わされた固有の強度を有し、その柔軟性が繊維を複雑形状に成形されることを許し、適切な樹脂と一体に接着されることを許す。複合材料の強度は、繊維間の接着強度と組み合わされた繊維の固有の強度から派生する。繊維の所望の機械的特性は、それが繊維の方向にそって顕著に存在している点で、本来は異方性である。しかし、このような複合材料から物品を製造するさいに、完成物品が等方性強度特性を有していることがときには要求される。この設計要求は、多数の技術的解決を導き、それが以下に述べられ、それぞれが多数の欠陥を提示している。
【０００３】
本発明が言及する複合材料の部類は、重合体基質複合材（Polymer Matrix Composites）または繊維強化重合体（Fiber Reinforced Polymer）として知られている。それらは、連続基質として重合体樹脂を使用し、種々の繊維を含有している。広く使用された繊維は、炭素繊維、ガラス、アラミド、ホウ素を含む。このような複合材のすべての特性は、繊維および樹脂の個々の特性、複合材中の繊維対樹脂比、ならびに複合材内の繊維の外形および向きから生じる。
【０００４】
広範囲なこの種の樹脂は、樹脂−繊維複合材の製造において使用される。これらの樹脂または重合体は、熱可塑性または多くは通常熱硬化性であってもよい。広範囲のこのような熱硬化重合体は、複合材産業において用いられ、重合体、ビニルエステル、エポキシが一般的である。樹脂の特性は、複合材に使用されるべき繊維と両立できるように選択される。例えば、重合体の接着特性は、強力な接着が繊維間になされるようになっていることが、重要である。この点に関しては、エポキシ系は、高性能を提供すると考えられている。樹脂系の機械的特性は、重要であり、硬化期間中の樹脂の収縮ばかりではなく、特に硬化重合体の引張強度および剛性が重要である。この点に関して、再び、エポキシ樹脂系は、低収縮率を発生することで知られている。
【０００５】
複合材製造のさいに使用するのに入手可能な繊維の範囲の中には、当該産業において最も普及したものがある。ガラス繊維は、ヤーン（撚りフィラメントまたはストランドの密に結合された束）、粗紡（不燃フィラメントまたはストランドの無拘束に結合された束）、または撚られたヤーン繊維等として通常は用いられる。商標「Ｋｅｖｌａｒ」として販売されているような芳香族ポリアミドからつくられたアラミド繊維は、高強度および低密度を有し、保護材料において広い用途を見出された。重合体繊維の高温処理によって製造された炭素繊維は、この４０年間近く使用され、好ましい耐腐食特性ばかりではなく、高剛性、引張および圧縮強度を有する。
【０００６】
繊維および樹脂複合材料の構成方法は、２つの広い分類に入る。これらのうちの第１は、「湿式積層（Wet Lay-up）」と言われ、鋳造製品の成形段階において繊維に液状樹脂を加えることを伴っている。この処理モードにおいては、比較的大きい樹脂対繊維比がつくられ、この形式の複合材は固有の弱さを有するものとして当該技術において認められている。構成の第２モードは、予備含浸繊維を使用し、湿式積層技術よりも優れているものとして一般に考えられている。これらのいわゆる「予備含浸」繊維は当該技術においては周知であり、ここでは不要に記載されない。この部類内では、使用されてきた下記の３つの解決策がある。
【０００７】
［予備含浸単一方向織り布地］
要求された繊維からつくられた布地のシートが所望の積層体厚みを成形するように積み重ねられてもよい。布地シートは、単一方向（すなわち、一方方向に延びる繊維）であるか、様々な織り選択で織られてもよい。これは、製造された構成要素が木目に類似した仕様で繊維の方向に一層強力および／または剛性であるように、繊維の制御された向きを許す。布地それ自体の織り方は、数千の繊維またはフィラメントからなる「トウ（ｔｏｗ）」からなる。
【０００８】
繊維をトウに整列結束することは、非常に強い樹脂接合が繊維間に起こることを許し、これは以下に述べる不規則繊維方法とは相違する。この整列は、複合材の樹脂含有率が減少されることを許し、繊維間で一層均等に分布されることを許す。
【０００９】
しかし、均質構造が要求されたとき問題が起こり、また、製造物品の強度および剛性が少なくとも主空間軸に関して等方性（すなわち、方向と共に変わらない）である必要がある。製品に必要な厚みをつくるために多数のこのような布地シートを使用することは、中間層脆弱を引き起こす。中間層欠陥および層間剥離が積層体の構造結合性および性能を著しく損ない、このようにして構成された複合材料に対して共通の欠陥モードとなる。
【００１０】
布地の各層は、その二次元の機械的特性に関しては異方性である。したがって、等方性積層体を構成するために、著しい数の層が要求されるが、積層体は全体として疑似等方性であるにもかかわらず、中間層差の問題が固有となる。
【００１１】
疑似等方性の構造は、例えば、熱または収縮機構による製造物品のゆがみを避けるために、双方向厚みの平面および断面を通る繊維方向の対称性レベルを要求する著しく多数の層を必要とする。これは、積層工程における増加された管理、したがって製造費を要求する。
【００１２】
この種の材料が緊密な複合曲線を持った複雑な形状を要求されるとき、特別な裁縫仕立てが織物および単一方向材料の両者に要求される。使用される布地のドレープ性は、製造技術の成功の鍵となる。個々の層は、材料を要求された形状に合致するように切断されかつ接合される。これは、大きい領域にわたって中間層応力を増加する。
【００１３】
［細断不規則繊維および連続不規則繊維］
繊維−樹脂複合材は、細断または連続不規則繊維を用いてつくられてもよい。このような繊維の使用は、労力を必要とせず、したがって構成部品の費用を低減できる。繊維配向の不規則な特性は、構造が本質的に等方性特性を伴ってつくられることを意味する。
【００１４】
しかし、平行繊維間の架橋の減少が非常に顕著であり、積層体の全体性能を低下する。著しい圧力が分布を助けるために使用されない限り、繊維配置の固有の不規則な特性が、製品のある領域を他の領域よりも厚くするが、繊維がこの工程中にゆがめられるので、これは積層体性能の低下にさらに影響を及ぼす。
【００１５】
さらに、繊維の不規則架橋は、樹脂で充填された大きな間隙を残す。これは構成要素の重量を増す。したがって、樹脂機械的特性が予備含浸繊維よりも悪いことを一般に意味する樹脂対繊維比の制御が貧弱になる。
【００１６】
最後に、繊維面積重量（ＦＡＷ）、すなわちシートまたは製品の所定面積の重量が、予備含浸単一方向または織り繊維によって得られるものと、この製造モードにおいて両立しない。
【００１７】
［鋳造化合物中の不規則細断繊維］
樹脂−繊維積層体を構成する最終仕様は、鋳造化合物に不規則細断繊維を使用することによる。多数の用途において、例えば、保護ヘルメットの製造において、不飽和ポリエステル樹脂鋳造化合物が使用され、予備含浸ガラス繊維で補強される。この方法は、比較的短い繊維を通常は使用し、材料特性に結果として逆効果を伴う。この種材料の全体的性能は、上述した方法によってつくられたものよりも著しく悪いと認められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、従来の樹脂−繊維積層技術のこれら問題に取り組み、本質的に異方性であり、強度および剛性に関して好ましい機械的特性を有し、層間剥離欠陥の傾向がほとんどない積層体を製造する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の最も広い定義においては、次の工程からなる積層体を製造する方法が提供される。その工程は、次の通りである。
（ａ）樹脂で処理された実質的に単一方向布地からパッチを成形すること、
（ｂ）パッチの向きを不規則配置すること、
（ｃ）複数のパッチを成形機の周りに層状に分布させること、
（ｄ）樹脂処理の活性化によってパッチ層を融合すること。
【００２０】
有利には、工程（ｃ）におけるパッチを分布する手段は、吸引装置である。
【００２１】
有利には、工程（ｃ）におけるパッチを分布する手段は、空気コンベアである。
【００２２】
好ましくは、パッチは、工程（ｃ）において成形された層の表面積の２０％以下である平均表面積を有する。
【００２３】
さらに好ましくは、多数のパッチ形状および／またはサイズが採用される。
【００２４】
ここに実質的に記載され、添付図面の任意の適切な組合せを参照しかつその組合せによって図示された積層体の製造方法が、本発明の範囲内に含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
複合材を製造する既存の方法の欠点を克服するために、本発明の方法は、配向された繊維の大多数の不規則配向パッチを使用することを含む。好ましくは、これらは単一方向布地、すなわち、繊維の主要部が一方方向のみに延びる布地のパッチである。このような単一方向布地が、最初の繊維を定位置に保持する意図をもって、少量の繊維または別の方向に延びる他の材料を有することが、当該技術においては一般に理解されている。複合材料の製造方法において用いられる単一方向布地は、最終複合材において高繊維対樹脂比をつくるために適切な樹脂系によって予備含浸または予備処理されることが好ましい。これは、湿式積層技術によって達成することは困難である。この「不規則スタンプ積層体」の製造に用いられるパッチは、以下に述べることばかりではなく、要求された最終製品の外形に適したサイズおよび形状を有するように選択される。積層体は、次いで本質的に不規則な仕様で、パッチを最終物品の要求された形状に積層することによって成形される。この積層工程に続いて、パッチは必要に応じて圧縮され、次いで使用時の樹脂系に適した慣用の仕様で、硬化される。
【００２６】
このような製造工程の一実施例が図１に示されている。シートまたはロール材料状の単一方向布地１が、サイズおよび形状の要求範囲にある布地パッチ３を製造するための手段を備えた装置２に送給される。パッチ３は、それを不規則に配向する手段を与えるタンブラ４等の装置に送給される。タンブラ４を去るさいに、不規則配向パッチ５がパッチの無拘束に不規則に配向された層７を成形するようにコンベアベルト６上に落とされる。無拘束不規則配向パッチ７は、例えば、ロボット手段によって製品鋳型へ搬送する吸引ヘッド８の使用によって従来のように回収されてもよい。
【００２７】
類似の仕様で、不規則配向パッチ５は、吸引ヘッド装置への終局配送用ホッパに送給される。
【００２８】
図２は、製造工程の別の実施例を示す。それによって、不規則配向パッチ５はタンブラ４から空気コンベアによって搬送される。このようなコンベアは粉末または粒状材料を取り扱うものとして公知である。このようなコンベアにおける温度制御は、搬送中のパッチ相互の衝突またはパッチとコンベアとの衝突を防止するように用いられることができる。パッチは要求された外形に、選択的に真空成形装置の補助によって層内に従来のように堆積されてもよい。
【００２９】
不規則スタンプ積層体を成形するように用いられたパッチの形状およびサイズは、製造されるべき目的物のサイズおよび外形に基づいて選択される。製造されるべき任意の特別な目的物は、目的物の表面に不規則に分布されたサイズおよび形状の範囲のパッチを使用するか、または特別の形状もしくはサイズのパッチが局部的異方性等の特別な強度特性の局部領域を与えるように目的物の特別な位置において配置もしくは配向されてもよい。製造複合材料の湾曲外形および強度に従うべき能力間に交換があることを理解されたい。小パッチは複雑な外形に従うことができるが、長い繊維長さから派生する強度の損失となる。
【００３０】
図３は、パッチに適した外形の範囲を示す。この特性は本発明の動作に必須ではないが、図示したすべてのパッチが碁盤目状にすることができ、したがって、シートまたはロール単一方向布地の最も効率的な使用を与える。図３において、図示された適切な形状は、長方形１０、平行四辺形１１、台形１２、山形紋１３、六角形１４、湾曲矢形１５である。図３に示す各形状の線は、パッチ内の繊維長さを最大にするように最も効率的な仕様を与えることによって、単一方向シート内の繊維の好適方向を表す。
【００３１】
図４は、本発明に基づいてつくられた複合材積層体の小区分を再び概略的に示す。この図面は、不規則配向パッチ１７の面に垂直であり、パッチの代表的な構成を示す。本実施例においては、均等サイズの長方形パッチが示されているが、サイズおよび形状の範囲は必要に応じて等しく用いられうる。
【００３２】
複合材料のこの製造方法の鍵となる利点は、応力の下で剥離の問題が著しく減少されることである。図５は、既存の原理体系に基づいてつくられた代表的な六層積層体複合材の断面の概略表示を示す。図示するように２つの中央層１８は、紙面に垂直に延びる繊維方向をもった単一方向布地から成形される。２つの外層１９は、類似して配向される。２つの中間層２０は、水平ストライプによって示されているように、紙面にそって横たわる単一方向繊維を有する。この構造においては明らかな層間「平行層」２１があることがわかる。もちろん、最終複合材においては、これらは樹脂材料から構成される。しかし、それらは、剥離欠陥がしばしば起こる材料中の脆弱面である。
【００３３】
それに反して、図６は本発明の方法に基づいてつくられた複合材を通る断面を概略的表示である。図面は概略的であり、記載を簡明にするために、パッチは好ましいものよりも厚く、短く、捩れて示されていることを理解されたい。図面は、多数のパッチ２２、２３、２４の断面を示し、各パッチは単一方向布地から構成され、各パッチは最初に記載されたように不規則態様に配向されている。パッチが成形機に置かれた不規則仕様の結果として、本発明の多数の特徴が明らかになる。布地の不規則配向であるが、あるパッチは互いに突き合わされ、他方のパッチ（例えば、パッチ２４）はそれらの縁において重なっている。さらに別のパッチ（例えば、パッチ２３）は複合材料積層体の厚みの少なくとも一部を横断する。図５に示す伝統的な積層体とは相違して、本発明によって製造された積層体はずっと層状化されていないことに注意されたい。これらの特徴は、複合材の改良された特性に大きく貢献している。重合および厚み横断パッチは剥離を防止しかつ複合材の構造全体にわたって応力を分散させるように働く。
【００３４】
本発明は請求項において特定される。用語「単一方向布地」は、最も多くの繊維がほぼ同一方向に整列された繊維および、最初の繊維を定位置に保持している本発明による別の方向に延びる繊維を含めてもよい繊維を包含することを理解されたい。通常は、当該技術においては、７５％以上の繊維がほぼ同一方向に整列されている。
【００３５】
用語「成形機」は、パッチの空間的結合を発生する任意の手段であると理解されたい。成形機の用語は、したがって、多数の凹凸曲線を含む鋳型に関して広く言及されている手段を含む。その成形機の用語は実質的に平坦な表面をも含む。
【００３６】
用語「樹脂」は、布地の繊維を一体に結合できる任意の重合材料を含み、用語「活性化手段」は加熱、放射、触媒反応、化学反応、乾燥を含むように理解されたい。
【００３７】
本発明の方法に基づいて製造された積層体は、発明の名称「複合材料」として本出願人により出願された継続中の特許出願に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】布地パッチの成形、それらの無作為配列、および別の処理のための提示を示す概略工程構成図である。
【図２】パッチの成形、それらの無作為配列、および鋳造工程への後続搬送を示す概略工程構成図である。
【図３】本発明に使用するのに適したパッチ形状の範囲を示す。
【図４】複合材重合体におけるパッチの代表的な不規則配置を示す。
【図５】既存技術によってつくられるような複合材積層体の概略断面図である。
【図６】本発明の方法に基づいてつくられた複合材積層体の断面を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    単一方向布地
２    装置
３    布地パッチ
４    タンブラ
５    不規則配向パッチ
６    コンベアベルト
７    層
７    無拘束不規則配向パッチ
８    吸引ヘッド
１０    長方形
１１    平行四辺形
１２    台形
１３    山形紋
１４    六角形
１５    湾曲矢形
１７    不規則配向パッチ
１８    中央層
１９    外層
２０    中間層
２１    平行層
２２、２３、２４    パッチ
【図１】
2006501085.tif 000003
【図２】
2006501085.tif 000004
【図３】
2006501085.tif 000005
【図４】
2006501085.tif 000006
【図５】
2006501085.tif 000007
【図６】
2006501085.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月30日(2004.4.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の工程からなる積層体を製造する方法。
（ａ）樹脂で処理された実質的に単一方向布地から積層体を使用されるべき製品に適合した所定の形状およびサイズに成形したパッチを成形すること、
（ｂ）実質的に無拘束かつ不規則に配向されたパッチを成形すること、
（ｃ）前記無拘束かつ不規則配向パッチを製品鋳型の周りに層状に分布させること、
（ｄ）前記製品鋳型の周りに一旦分布された前記パッチ層を樹脂処理の活性化によって融合すること。
【請求項２】
前記工程（ｃ）におけるパッチを分布する手段は、吸引装置である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）におけるパッチを分布する手段は、空気コンベアである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記パッチは、前記工程（ｃ）において成形された層の表面積の２０％以下である平均表面積を有する、請求項１−３のうち任意の一項に記載の方法。
【請求項５】
多数のパッチ形状および／またはサイズが採用された、請求項１−４のうち任意の一項に記載の方法。
【請求項６】
前記分布工程は制御された温度で実施され、それによりパッチが前記工程中に互いに貼り付かないようにされる、請求項１−５のうち任意の一項に記載の方法。
【請求項７】
１またはそれを超えるパッチが積層体の厚みの少なくとも一部を横切る一群のパッチを成形する工程を含む、請求項１−６のうち任意の一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2006501085.tif 000009
2006501085.tif 000010