(57)【要約】  熱保護層（２４）を有する複合材構成要素（１０）を製造する方法は、一次繊維材料（１２）と、代替的な繊維材料のプライマ層（１６）とを有する複合材構成要素（１０）を提供するステップを含み、プライマ層（１６）は高熱露出が意図される複合材構成要素のエリアにおいて一次繊維材料（１２）に重畳しており、エリアは熱露出エリア（１８）を規定しており、上記方法はさらに、熱露出エリア（１８）において結合面を作り出すために熱露出エリア（１８）のプライマ層（１６）に金属結合層（２２）を適用するステップと、熱露出エリア（１８）を断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射するために、セラミック熱保護層（２４）を結合面に適用するステップとを含み、熱保護層（２４）は金属結合層（２２）より高い融点を有する。
2018516314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱保護層を有する複合材構成要素を製造する方法であって、
・一次繊維材料と、代替的な繊維材料のプライマ層とを有する複合材構成要素を提供するステップを含み、前記プライマ層は、高熱露出が意図される前記複合材構成要素のエリアにおいて前記一次繊維材料に重畳しており、前記エリアは熱露出エリアを規定しており、前記方法はさらに、
・前記熱露出エリアにおいて結合面を作り出すために前記熱露出エリアの前記プライマ層に金属結合層を適用するステップと、
・前記熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射するために、セラミック熱保護層を前記結合面に適用するステップとを含み、前記熱保護層は前記金属結合層より高い融点を有する、方法。
【請求項２】
前記金属結合層の適用に先立って、前記プライマ層の少なくとも部分を露出するよう、表面処理により前記熱露出エリアの表面を準備するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表面処理は、前記熱露出エリアをグリットブラストすることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記表面処理は、アルミナグリットにより前記熱露出エリアをグリットブラストすることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記表面処理は、４〜７のＲＡ粗さを得るために適用される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
代替的な繊維材料の前記プライマ層はセラミック繊維材料を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
代替的な繊維材料の前記プライマ層は繊維ガラスを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記一次繊維材料は炭素繊維を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記プライマ層は、酸化アルミナ、酸化珪素、またはその混合物から形成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記プライマ層は、前記プライマ層と前記金属結合層との間の接着を促進するよう金属ストランドまたは粒子を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属ストランドまたは粒子は、銅、アルミニウム、チタニウム、鋼またはその合金のうちの少なくとも１つから形成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記プライマ層は、織られた繊維から形成される繊維材料を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記プライマ層は、ランダムに方向付けされる繊維から形成される繊維材料を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記プライマ層は、金属ストランドまたは粒子と混合される前記一次繊維材料を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記プライマ層は、重さが少なくとも５０ｇ／ｍ２である繊維マットまたはシートを含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記金属結合層は、ツインワイヤーアーク溶射、火炎溶射またはプラズマ溶射を使用して、前記プライマ層に溶射される、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属結合層の厚さは６４〜１１１ミクロンである、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱保護層の厚さは１００〜１５０ミクロンである、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱保護層は、プラズマ溶射を使用して、前記金属結合層に溶射される、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱保護層は１０％〜１５％の孔隙率を有する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱保護層は約１０％の孔隙率を有する、請求項２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記複合材構成要素の特定の用途の要求に基づいて特定の表面放射率または反射率を提供するよう、前記熱保護層に金属またはセラミックトップ層を適用する付加的なステップを含む、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記トップ層は、ツインワイヤーアーク溶射、火炎溶射またはプラズマ溶射を使用して、前記熱保護層に溶射される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記複合材構成要素を提供するステップは、複合材構成要素を成形することを含む、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法に従って製造される複合材構成要素。
【請求項２６】
熱露出エリアを有する複合材構成要素であって、
・一次繊維材料の層と、
・前記熱露出エリアにおいて前記一次繊維材料に重畳するプライマ層とを含み、前記プライマ層は、前記一次繊維材料に対して代替的な繊維材料から形成されており、前記複合材構成要素はさらに、
・前記プライマ層に重畳する熱保護層を含み、
前記熱保護層は、前記熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射する、複合材構成要素。
【請求項２７】
前記プライマ層と前記熱保護層との間に金属結合層を含む、請求項２６に記載の複合材構成要素。
【請求項２８】
前記熱保護層はセラミックである、請求項２６または２７に記載の複合材構成要素。
【請求項２９】
前記熱保護層は、前記金属結合層の金属材料以外の金属材料を含む、請求項２７に記載の複合材構成要素。
【請求項３０】
前記熱保護層の金属材料はアルミニウム材料を含む、請求項２９に記載の複合材構成要素。
【請求項３１】
ハブと、リムと、前記ハブと前記リムとの間を延在する複数のスポークとを含む複合材ホイールを含む、請求項２６〜３０のいずれか１項に記載の複合材構成要素。
【請求項３２】
前記熱露出エリアは前記複数のスポーク上に位置する、請求項３１に記載の複合材構成要素。
【請求項３３】
前記複数のスポークの各々は、使用時に車両ロータに面する内方向き表面を含み、前記熱露出エリアは、前記内方向き表面の少なくとも部分を含む、請求項３２に記載の複合材構成要素。
【請求項３４】
前記熱露出エリアは、前記リム上の表面の部分を含む、請求項２６〜３３のいずれか１項に記載の複合材構成要素。
【請求項３５】
前記熱露出エリアは、前記ハブ上の表面の部分を含む、請求項２６〜３４のいずれか１項に記載の複合材構成要素。
【請求項３６】
熱保護層を有する複合材構成要素を製造する方法であって、
・一次繊維材料と、代替的な繊維材料のプライマ層とを有する複合材構成要素を提供するステップを含み、前記プライマ層は、高熱露出が意図される前記複合材構成要素のエリアにおいて前記一次繊維材料に重畳しており、前記エリアは熱露出エリアを規定しており、前記方法はさらに、
・前記熱露出エリアを断熱するために、および／または、外部熱エネルギーを反射するために、前記熱露出エリアに金属熱保護層を適用するステップを含む、方法。
【請求項３７】
前記金属熱保護層はアルミニウム材料を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記金属熱保護層の適用に先立って、前記熱露出エリアにおいて前記金属熱保護層が適用される結合面を作り出すために、前記熱露出エリアにおいて前記プライマ層に金属結合層を適用するステップを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記金属結合層はアルミニウム材料を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記金属熱保護層はモリブデンまたはタングステンを含む、請求項３８または３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互参照
本願は、２０１５年４月２４日に出願されたオーストラリア仮特許出願番号第２０１５９０１４７１号の優先権を主張しており、当該オーストラリア仮特許出願番号第２０１５９０１４７１号の開示は、この明細書において援用されると理解されるべきである。
【０００２】
技術分野
本発明は一般に、熱保護された複合材料を製造する方法に関し、特定的には、高い放射温度または対流温度への露出が意図される複合材構成要素に関する。本発明は特に、自動車用複合材構成要素、詳細には、複合材ホイール構成に適用可能であるが、本発明がその用途に必ずしも限定されるわけではないということが認識されるべきである。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
発明の背景の以下の議論は、本発明の理解を促進するように意図される。しかしながら、当該議論は、言及された材料のいずれもが、本願の優先日において、公表、公知、または、一般的な知識の一部であることを認容または承認するわけではないということが認識されるべきである。
【０００４】
高性能複合材構成要素は、高レベルの熱エネルギーに晒される際に複合材料におけるポリマーマトリクスの軟化により、用途が制限される場合がある。この点に関して、複合材構成要素がその使用温度外で加熱される用途においては、機械負荷下に置かれると、当該構成要素の機械性能が低減され得る。外部の熱源が複合材構成要素に適用されるこのような１つの例示的な用途は、たとえばホイールのような自動車用の複合材構成要素の用途であり、ホイールは、ブレーキプロセスの間に、隣接するブレーキキャリパおよびロータアセンブリからの放射熱エネルギーまたは対流熱エネルギーに晒される。
【０００５】
このため、一般に、複合材構成要素の温度をガラス転移温度Ｔｇを上回るように上昇させ得る外部熱源（放射、伝導、または対流に関わらず）から複合材構成要素を保護することが必要である。ガラス転移温度Ｔｇでは、複合材内のマトリックス材料の一貫性および／または性能が損なわれ得る。
【０００６】
この問題に対処する以前の試みは、より大きな熱抵抗を複合材マトリックスに提供する高Ｔｇ樹脂の開発を含んでいた。しかしながら、このアプローチは全体的な複合材コストを増加させ、さらに、要求される使用温度を有する好適な樹脂が存在しない用途が多く存在している。
【０００７】
代替的な以前のシステムは、エアギャップまたはバッファを熱源と複合材表面との間に設けるよう、複合材表面と間隔を置いている金属熱シールドを利用している。しかしながら、このソリューションは煩雑であり、複合材構成要素を囲むように付加的なスペースを設けることが必要とされ、望ましくないことが認識されるであろう。
【０００８】
他の先行するシステムでは、金属またはセラミックの保護コーティングが、複合材表面に接着的に結合されており、いくつかのコーティングは、複合材表面との接触を制限するようグリッド構造を有するように一体的に形成され、これにより、保護コーティングと複合材表面との間の熱伝導性が低減される。さらに別のシステムでは、多くの保護コーティングが溶射により複合材表面に適用される。これらの熱保護システムは、保護コーティング／シールドと複合材表面との間の接着に依存している。しかしながら、従来、炭素繊維複合材表面とさまざまな先行する結合コート（一般に金属）との間の界面が与える化学的および機械的結合は貧弱であった。したがって、熱保護コーティングの剥離は、上記の先行するシステムを含む複合材料の分野において持続的な問題である。
【０００９】
したがって、熱保護された複合材構成要素を製造する代替的および/または改善された方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の概要
本発明の第１の局面に従うと、熱保護層を有する複合材構成要素を製造する方法が提供され、上記方法は、
・一次繊維材料と、代替的な繊維材料のプライマ層とを有する複合材構成要素を提供するステップを含み、プライマ層は、高熱露出が意図される複合材構成要素のエリアにおいて一次繊維材料に重畳しており、エリアは熱露出エリアを規定しており、上記方法はさらに、
・熱露出エリアにおいて結合面を作り出すために熱露出エリアのプライマ層に金属結合層を適用するステップと、
・熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射するために、セラミック熱保護層を結合面に適用するステップとを含み、セラミック熱保護層は金属結合層よりも高い融点を有する。
【００１１】
したがって、本発明は、複合材料の一次繊維材料（典型的に炭素繊維）と結合層との間に中間層を形成するよう、複合材構成要素に一体化されるプライマ材料の層を設ける。この中間層を設けることにより、結合コートが複合材構成要素の一次繊維材料に直接的に適用される先行するシステムと比較して、保護コート剥離の問題に対処するという利点が存在する改善された接着点が結合層に提供される。したがって、本発明は、後で適用されるさまざまな保護層についてより化学的および機械的に適合性を有する接着表面を提供し、剥離のリスクが低減され、複合材構成要素の性能パラメータが改善される。
【００１２】
金属結合層と複合材表面との間に改善された係合を提供することと同様に、本発明は、プライマ層が複合材構成要素に一体化されるという点で有利である。複合材構成要素は好ましくは、従来の成形および硬化プロセスを使用して提供されるが、複合材構成要素を提供するために代替的な複合材構成要素製造技術が使用されてもよい。したがって、複合材構成要素が成形によって提供される場合において、プライマ層は複合材構成要素の樹脂内に一体的に設けられる。これは、たとえば硬化された複合材表面にプライマ層を接着させる場合（この場合においては、プライマ層と複合材表面との間の剥離のリスクが存在し得る）に対して有意な利点を提供する。
【００１３】
上記の接着性の改善は、「ポータブル接着テスターを使用するコーティングの引っ張り強さについての標準試験方法（Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers）」であるＡＳＴＭ  Ｄ４５４１に従って行なわれる接着試験により定量化される。以下の例を参照して詳細に議論されるように、本発明に従うと、プライマ層が使用されなかった等価な試験と比較して、出願人は、プライマ層が複合材構成要素に設けられる場合、接着強さの２０〜５０％の増加を観察した。
【００１４】
本発明の態様で接着の増加を提供するプライマ層の使用は、既存の熱保護プロセスによって公知ではなく、または、教示されておらず、特に、複合材構成要素に関連付けられる既存の熱保護プロセスによって公知ではなく、または、教示されていない。この点に関して、本発明は、先行技術によって予想または示唆されていない複合材料の分野における著しい改善を表わしている。
【００１５】
特定の適用例において、熱露出エリアは、全体の複合材構成要素のうち相対的に小さな部分を構成し得、その場合には、プライマ層は一次繊維材料上の局所的な「パッチ（patch）」であり得る。構成要素のほとんどまたは全部が高い熱エネルギーへの露出について意図される代替的な適用例では、熱露出エリアは、複合材表面エリアのほとんどまたはすべてを構成し得、したがって、プライマ材料は、一次繊維材料のほとんどまたはすべてに重畳する外層を提供し得る。熱保護された複合材ホイールを提供するために本発明が使用される本発明の特定の実施形態において、熱露出エリアは、使用時において車両ブレーキアセンブリから発せられる放射および対流熱に晒されるホイール内の表面の集合を含み得る。例として、熱露出エリアは、ホイールリムの内面、ホイールスポーク上の内面、およびホイールハブ上の内面を含み得る。
【００１６】
プライマ層はさらに、典型的には炭素繊維のような一次繊維から金属結合層を電気的に絶縁するという付加的な利点を提供するので、金属結合層のガルバニック腐食の可能性が低減またはさらには除去される。
【００１７】
金属結合層およびセラミック熱保護層は、たとえばプラズマ溶射といった溶射のような噴霧によって適用されるコーティングか、または、ディッピング、塗布または蒸着のような代替的な技術によって適用され得るコーティングを含み得る。
【００１８】
結合層の適用の前に、プライマ層は、熱露出エリアにおいて複合材構成要素の外層を形成することになるということが認識されるであろう。プライマ層への結合層の適用の際、プライマ層は、その上で一次繊維層と結合層との間に中間層を形成する。したがって、結合層への熱保護層の適用の後、プライマ層および結合層は、一次繊維層と外側の熱保護層との間の中間層の対を形成することになる。
【００１９】
炭素繊維、アラミド繊維またはガラス繊維などといったさまざまな繊維タイプから一次繊維材料が形成され得、一次繊維材料は異なる繊維材料の混合物からも形成され得る。プライマ層は、一次繊維材料に対して代替的な繊維材料から形成されている。複合材構成要素の材料に対して代替的な材料をプライマ層に提供する目的は、一次繊維材料と熱保護層との間の接着を促進することである。本発明のいくつかの形態では、代替的な繊維材料のプライマ層はセラミック繊維材料である。本発明の特定の形態において、熱保護層は金属熱保護層であり、プライマ層はガラス繊維層であり、これにより、炭素繊維と比較すると、結合層の金属材料との結合適合性が著しく改善されたという利点が存在することが分かった。本発明のいくつかの形態では、プライマ層材料の繊維は酸化アルミナによって形成され得る一方、代替的な形態では、プライマ繊維は酸化珪素によって形成され得る。さらに別の形態では、プライマ層は、酸化アルミナおよび酸化珪素の組合せから形成される。もちろん、さまざまなセラミック材料またはガラス繊維がこの適用例に好適であり得るということが認識されるであろう。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態において、たとえば炭素繊維一次材料上のガラス繊維プライマ層といったように、代替的な繊維層は、一次材料の繊維に対して代替的な繊維を有する材料を含み得る。本発明の代替的な形態では、代替的な繊維材料は、一次繊維材料と同じ繊維材料を含んでもよいが、プライマ層と熱保護層との間の結合を促進するために加えられる付加的な材料を有する。例として、本発明の特定の実施形態において、一次繊維材料は炭素繊維であり、代替的な繊維材料のプライマ層は、炭素繊維および金属の繊維／ストランドの混合である。この実施形態において、プライマ層内の金属ストランドは、プライマ層と金属熱保護層との間の接着を改善し、上記で議論された代替的な実施形態におけるガラス繊維と同じ機能を実行する。この点に関して、「代替的な繊維材料」という用語は、複合材構成要素において使用される繊維に基づく材料に対して代替的であるが、必ずしも代替的な繊維から形成される繊維ベースの材料ではない、繊維に基づく材料を指すものであると認識されるであろう。
【００２１】
プライマ層の特定の構成は、１１０ｇ／ｍ２の平織ガラスマットを含み得る。ガラスマットを形成するために使用される繊維は、詳細には、７ミクロンの直径を有し２２（１０００ｍ当たり２２グラム）の糸を有する連続フィラメントのＥガラス繊維であり得る。当業者によって認識されるであろうように、Ｅガラス繊維は典型的に、５２％〜５６％の二酸化珪素と、１６％〜２５％の酸化カルシウムと、１２％〜１６％の酸化アルミニウムと、８％〜１３％の酸化硼素と、０％〜１％の酸化ナトリウムおよび酸化カリウムと、０％〜６％の酸化マグネシウムとを含む。もちろん、さまざまな複合材料がプライマ層において使用されてもよいということが認識されるであろう。例として、代替的なプライマ層は、１０７ｇ／ｍ２の平織Ｅガラスマットを含み得るか、または代替的には、６５ｇ／インチ２のガラス材料から形成される２層ガラスマットを含み得る。
【００２２】
上述したように、プライマ層はさらに、プライマ層と金属結合層との間の接着を促進するよう金属ストランドまたは粒子を含み得る。これらの形態では、金属ストランドは、結合層の粒子に接触するために、プライマ層の繊維の全体にわたって特定の濃度で分散され得、これにより、金属結合材料がプライマ層内で同様に金属ストランドと接触する場合に接着を増強する。本発明の特定の形態において、金属ストランドまたは粒子は、銅、アルミニウム、チタニウム、鋼またはその合金のうちの少なくとも１つから形成される。また、さまざまな好適な金属材料がこの適用例について適切であり得、必要に応じて、特定の材料の接着適合性に基づいて選択され得るということが認識されるであろう。上で言及されたように、プライマ層の材料中に金属ストランドまたは粒子を含むことにより、プライマ層が一次繊維層において使用されるのと同じ繊維材料を使用して形成され得るようにプライマ層とその後の金属層との間の接着が改善され得る。すなわち、この機能はプライマ層内に存在する金属ストランド／粒子によって実行されるので、プライマ層材料の繊維は必ずしも、その後の金属の層への結合を促進する繊維（たとえばガラス）である必要はない。したがって、炭素繊維複合材に重畳するプライマ層は、金属ストランドと混合される炭素繊維材料を含み得る。
【００２３】
プライマ層自身が織られた繊維構造を形成するように、プライマ層の繊維が織られ得る。本発明のこの形態は、あらかじめ織られたプライマ層が搬送および格納のために簡便なようにロール状に格納されることが可能である限り、製造プロセスにおいて有利であり得る。さらに、織られた構造が望ましい機械的特性（たとえば剛性）を提供することにより一次繊維層によって提供される機械的特性が増強される適用例が存在し得る。本発明の代替的な形態では、プライマ層は、ランダムに方向付けされた繊維によって形成され得る。いくつかの形態では、プライマ層は、重さが少なくとも５０ｇ／ｍ２である繊維マットまたはシートを含み得る。
【００２４】
本発明は、金属結合層の適用に先立って、プライマ層の少なくとも部分を露出するよう、表面処理により熱露出エリアの表面を準備する付加的なステップを含み得る。表面処理を適用する際に、プライマ層を含浸する外部樹脂の少なくとも部分が除去され、プライマ層繊維の少なくとも部分が露出され、これにより、プライマ層と結合層との間の接続が促進される。
【００２５】
本発明のいくつかの形態では、表面処理は、熱露出エリアをグリットブラスティングすることを含む。本発明の特定の形態において、グリットブラスティングは、使用されるグリットブラスターのタイプに依存して、気流または水流を使用して加速されるアルミナグリットを使用するグリットブラスティングを含む。これにより、摩耗性のグリット粒子が、熱露出エリアの外部樹脂面を腐食し得、摩食されたプライマ層への結合層の適用および接着の準備ができているプライマ層の繊維を露出する。したがって、表面処理が、再びプライマ層への結合層の接着を改善するよう熱露出エリアの表面粗さを増加させることになるということが認識されるであろう。本発明の特定の形態において、表面処理は、４〜７μｍのＲＡ粗さを得るために適用される。そのために、本発明のいくつかの形態は、＃９０〜＃４６メッシュの範囲に存在するとともに相対的に中程度の圧力（２０〜４０ｐｓｉ）で適用される中間／微細アルミナグリットを利用し得る。結合層が適用される複合材表面の粗さは望ましいレベルの接着を達成する際の重要なファクタであるということが認識されるであろう。この理由により、たとえば、異なる材料から形成され異なる圧力で溶射されるより粗いまたはより微細なグリットを利用するよう、グリットブラスターの変数が調節または最適化され得、これにより、所望の粗度パラメータを達成するとともに、基体における摩食アルミナ粒子の有害な取り込みを最小限化または除去する。特定の実施形態において、プライマ層は、ＲＡ４以上（すなわちＲＡ７より荒くない）粗さを有しており、プライマ層の機械的一貫性が過剰な侵食により損なわれないことを保証する。
【００２６】
本発明のいくつかの形態では、粗くされたまたは摩食されたプライマ層表面は、グリットブラスティング以外の表面処理によって達成され得る。１つのそのような例において、複合材構成要素は、プライマ層に重畳する剥離層により成形され得る。成形の後、剥離層はプライマ層から剥離され得、下に存在する粗表面が現われる。これにより、プライマ層には、後の結合層との接着を改善する粗表面が与えられる。
【００２７】
ここで金属結合層の適用例を参照して、本発明の特定の形態において、結合層は、摩食されたプライマ層に溶射され得る。特定の材料および用途に基づいて、適切なタイプの溶射が決定されるが、ツインワイヤーアーク溶射、火炎溶射またはプラズマ溶射のうちのいずれか１つを含み得る。したがって、結合層は、熱保護層が適用および結合され得る結合面を提供し得る。本発明のある形態では、金属結合層は、６４〜１２０ミクロンの間の厚さを有するように適用され得る。好ましくは、金属結合層の厚さは６４〜１１１ミクロンの間である。金属結合層は、たとえばアルミニウム、亜鉛、銅、ニッケルまたはそれらの合金もしくは混合物といったさまざまな金属材料から形成され得る。本発明の特定の形態によれば、結合層はアルミニウムから形成される。
【００２８】
本発明の特定の形態において、金属結合層の厚さは８０〜１００ミクロンの間である。特定の実施形態において、金属結合層の厚さは約９０ミクロンである。本発明の代替的な実施例において、金属結合層の厚さは、７０〜８０ミクロンの間であり、特に、約７０ミクロンであり得る。
【００２９】
熱保護層は、所望の固有の熱抵抗を提供するセラミック材料から形成される。本発明のいくつかの形態では、所望の厚さが達成されるまで、熱保護層が適用される。好ましくは、熱保護層の厚さは８６〜１４９ミクロンである。本発明の特定の実施形態は、９０〜１１０ミクロンの間の熱保護層厚さを含む。本発明の一実施形態に従うと、熱保護層の厚さは約１００ミクロンである。本発明の代替的な実施例に従うと、熱保護層の厚さは、１００〜１４０ミクロンの間であり、詳細には約１２０ミクロンである。
【００３０】
本発明の特定の実施形態において、熱保護層は、プラズマ溶射を使用して、金属結合層に溶射される。熱伝導度をさらに低減するために、熱保護層のセラミック材料は相対的に高い空孔率を有し得、本発明のいくつかの形態では、熱保護層は１０％〜１５％の間の孔隙率を有し得る。
【００３１】
ある適用例の場合、熱保護層は、複合材構成要素の熱露出エリアにおいて最外層を形成し、これらの場合において、複合材構成要素は熱保護層の適用の後に完了することになる。しかしながら、代替的な場合において、熱保護層の特定の表面放射率または反射率が特定の用途には望ましくない場合がある。これらの場合には、本発明の方法は、複合材構成要素の特定の適用の要求に基づいた特定の表面放射率または反射率を提供するよう、熱保護層に金属またはセラミックトップ層を適用する付加的なステップを含み得る。本発明の特定の形態において、トップ層は、ツインワイヤーアーク溶射、火炎溶射またはプラズマ溶射を使用して、熱保護層に溶射され得る。したがって、所望のように構成要素表面の特性を調整するために、所望の熱放射または反射特性を有するトップ層材料が最外層として適用され得ることが認識されるであろう。トップ層は、たとえば、熱露出エリアからの熱遮断の所望の増加を提供し得る。いくつかの場合において、トップ層は、たとえば表面のつやを増加させるといったように、表面の美的外観を変更するために適用され得る。トップ層の材料は、所望の美的または機能的な効果を達成するのに好適な任意のセラミックまたは金属材料から選択され得る。本発明の特定の形態に従うと、トップ層はアルミニウムコーティングから形成される。アルミニウムトップ層は、放射熱の反射を促進し、これにより、複合材構成要素への熱保護を改善するという利点が存在する。本発明の特定の形態に従うと、トップ層は、結合層と同じ金属材料から形成され、いくつかの場合においては、各々がアルミニウムコーティングを含み得る。
【００３２】
結合層、熱保護層および随意のトップ層を適用する際に、層間の接着を促進することが可能であり、かつ、複合材構造の全体的な機械的特性を改善することが可能である限り、層間の残留応力を低減することが望ましい。連続する層同士の間の残留応力については多くの原因があるが、調整または防止され得る１つの原因は、層同士の間の温度差の存在である。この理由により、本発明のいくつかの形態は、結合層の適用に先立って、好適な温度に複合材構成要素をあらかじめ加熱することを伴い得る。同様に、いくつかの溶射プロセスは、適用の間に層内に熱循環／応力を低減するために、積層プロセスの全体にわたって望ましいレベルに複合材構成要素温度を維持することを伴い得る。
【００３３】
上で論じたのと同じ理由で、本発明の少なくともいくつかのステップは、離隔距離および溶射角度のような溶射パラメータの正確な制御のために、ロボット溶射トーチによって実行され得る。この制御のレベルは、したがって、一貫したコーティングの適用と、層の厚さおよび密度の均一性とを促進し得、これにより、一様な熱保護を提供する。さらに、層がこの正確な態様で適用される際に、その後の層同士間の温度差によって提供される固有の残留応力が低減されるという利点が存在する。本発明において最適化され得る溶射に関する他の変数は、溶射が適用される温度に関する。たとえば、複合材構成要素をコーティングする際、金属構成要素をコーティングするために使用される溶射プロセスと比較して、ポリマーマトリクスのＴｇを上回らないことを保証するべく相対的に低い溶射温度が好ましい。したがって、溶射パラメータおよび処置は、層の下の複合材基体への熱の伝達を制限しつつ好適な層特性が達成されることを保証するよう、特定の用途のためにカスタマイズされ得る。例として、本発明のいくつかの実施形態において、溶射トーチエネルギーの管理、溶射角度の最適化、および、当該部分の外部冷却が利用され得る。
【００３４】
本発明は、炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ： carbon fibre reinforced polymer）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ： carbon fibre reinforced plastic）、または、炭素繊維強化熱プラスチック（ＣＦＲＴＰ： carbon fibre reinforced thermoplastic）を含むさまざまな複合材システムとの使用に適用可能であり得るということが認識されるであろう。
【００３５】
上で論じられた本発明の第１の局面は、放射熱から複合材構成要素を保護するために、特に、熱保護層を経由して複合材構成要素へ熱エネルギーが伝導することを低減または防止するために、熱保護層としてセラミック材料を利用するという利点が存在する。しかしながら、出願人はさらに、代替的な材料において望ましい保護特性を観察した。したがって、本発明の第２の局面は、熱保護層を有する複合材構成要素を製造する方法を提供し、上記方法は、
・一次繊維材料と、代替的な繊維材料のプライマ層とを有する複合材構成要素を提供するステップを含み、プライマ層は、高熱露出が意図される複合材構成要素のエリアにおいて一次繊維材料に重畳しており、エリアは熱露出エリアを規定しており、上記方法はさらに、
・外部熱エネルギーを反射するために熱露出エリアに金属熱保護層を適用するステップを含む。
【００３６】
第２の局面のいくつかの形態では、本発明の第１の局面において金属結合層がプライマ層に適用されるのと同様に、金属熱保護層がプライマ層に直接的に適用され得る。しかしながら、本発明の第１の局面は、プライマ層とセラミック熱保護層との間の接着を促進するために金属結合層を提供したが、本発明の第２の局面は、結合中間層を間に設ける必要なくプライマ層に直接的に適用され得る熱保護層として金属材料を利用するという利点が存在する。金属熱保護層は、放射熱エネルギーの有意な部分を反射することができる高い反射率を提供するという利点が存在する。本発明の第３の局面の特定の実施形態に従うと、金属熱保護層はアルミニウム材料を含む。しかしながら、たとえばモリブデンまたはタングステンといったさまざまな金属材料も金属熱保護層としての使用に好適であるということが認識されるべきである。
【００３７】
本発明の第２の局面の他の形態では、金属熱保護層の適用に先立って、金属熱保護層が適用される結合面を熱露出エリアにおいて作り出すよう、熱露出エリアにおいてプライマ層に金属結合層を適用するステップが含まれる。金属熱保護層は、結合層の金属材料とは異なる金属材料で構成され得る。使用される材料のタイプに依存して、金属結合層を含むことは、金属熱保護層の接着を改善し得る。例として、金属結合層はアルミニウムを含み得、熱保護層はモリブデンまたはタングステンを含み得る。一般に、アルミニウム金属結合層によって、モリブデンまたはタングステンコーティングがプライマ層に直接的に適用される場合に観察されるよりも、プライマ層との接着がより大きくなるという利点が存在する。しかしながら、モリブデンまたはタングステンコーティングがアルミニウムコーティングに適用される場合、強い接着が得られる。この点に関して、アルミニウム結合層は、熱保護層とプライマ層との間に望ましい中間層を提供し、全体的な接着を改善する。さらに、モリブデンまたはタングステンコーティングは典型的に、アルミニウムコーティングよりはるかに高い温度で適用される。この点に関して、熱保護層の適用に先立ってアルミニウム結合層を適用することにより、モリブデンまたはタングステンコーティングプロセスに関連付けられる高温から複合材構成要素を保護されるという利点が存在する。もちろん、さまざまな代替的な金属材料が金属熱保護層での使用について考えられるということが認識されるべきである。
【００３８】
したがって、金属結合層がプライマ層と熱保護層との間に提供される本発明の第２の局面の実施形態において、本発明の第１の局面とのただ一つの違いは、本発明の第１の局面に関連付けられるセラミック熱保護層ではなく、金属熱保護層の使用であるということが認識されるであろう。この場合において、本発明は、熱保護層を有する複合材構成要素を製造する方法に関し得、当該方法は、一次繊維材料と、代替的な繊維材料のプライマ層とを有する複合材構成要素を提供するステップを含み、プライマ層は、高熱露出が意図される複合材構成要素のエリアにおいて一次繊維材料に重畳しており、エリアは熱露出エリアを規定しており、上記方法はさらに、熱露出エリアにおいて結合面を作り出すために熱露出エリアのプライマ層に金属結合層を適用するステップと、熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射するために、金属熱保護層を結合面に適用するステップとを含み、金属熱保護層は金属結合層に対する代替的な金属材料を含み、金属熱保護層は金属結合層より高い融点を有する。
【００３９】
本発明の第１の局面を参照して上記の記載において論じられたプライマ層の特定の局面は、本発明の第２の局面での使用についても等しく適用可能であるということが認識されるであろう。同様に、本発明の第１の局面に関連する金属結合層の上記の特徴は一般的に、本発明の第２の局面に従った金属熱保護層に適用可能である。たとえば、金属結合層に関連付けられる上記の材料および適用技術は、金属熱保護層に等しく関連する。本発明の第２の局面における金属熱保護層の厚さは、いくつかの場合において、本発明の第１の局面における金属結合層の厚さと同様であり得る。代替的には、いくつかの適用例では、本発明の第１の局面を実行する場合、金属結合層として必要であろうよりも厚い金属熱保護層を適用することが望ましい場合がある。たとえば、金属熱保護層の厚さは、４０〜３００ミクロンの範囲であり、好ましくは６０〜１１１ミクロンの間の範囲であり得る。
【００４０】
したがって、本発明の第１および第２の局面は各々、熱保護の層を有する複合材構成要素を提供し、各々は、複合材構成要素とそれぞれの熱保護層との間の接着を改善するよう複合材構成要素の一次繊維材料に重畳するプライマ層を利用するという利点が存在するということが認識されるであろう。
【００４１】
本発明の第３の局面に従うと、熱保護コーティングを有する複合材構成要素を製造する方法が提供され、上記方法は、
・一次繊維材料と、代替的な繊維材料のプライマ層とを有する複合材構成要素を成形するステップを含み、プライマ層は、高熱露出が意図される複合材構成要素のエリアにおいて一次繊維材料に重畳しており、エリアは熱露出エリアを規定しており、上記方法はさらに、
・プライマ層の少なくとも部分を露出するよう、表面処理により熱露出エリアの表面を準備するステップと、
・熱露出エリアにおいて結合面を作り出すようプライマ層に金属結合コートを適用するステップと、
・熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射するために、セラミック熱保護コートを結合面に適用するステップとを含み、熱保護コートは金属結合コートより高い融点を有する。
【００４２】
本発明の第３の局面は、一体化されたプライマ層を有する複合材構成要素を成形することを伴うとともに、プライマ層とその後の金属結合コートとの間の接着を改善するためにプライマ層の部分を露出するよう、表面処理によって熱露出エリアの表面を準備するステップを伴うという利点が存在する。
【００４３】
本発明の第１の局面、第２の局面および第３の局面は、特に、複合材ホイール、好ましくは熱保護層を有する炭素繊維ホイールを提供するよう使用され得る。上記の記載において言及したように、自動車ホイールは典型的に、車両ブレーキプロセスの間にブレーキおよびロータアセンブリから発せられる有意な熱エネルギーに晒される。暑い気候の間または高パフォーマンス運転状態の間、自動車ホイールも、タイヤを経由してホイールのリム、スポークまたはハブへ伝達される大量の熱エネルギーに晒され得る。
【００４４】
したがって、本発明は、第４の局面において、熱露出エリアを有する複合材構成要素を提供し得、当該複合材構成要素は、一次繊維材料の層と、熱露出エリアにおいて一次繊維材料に重畳するプライマ層とを含み、プライマ層は、一次繊維材料に対して代替的な繊維材料から形成されており、複合材構成要素はさらに、プライマ層に重畳する熱保護層を含み、熱保護層は、熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射する。
【００４５】
本発明の第４の局面の特定の実施形態では、熱保護層は金属である。金属材料の使用は、高い反射率を提供し、これにより、ホイールの熱露出エリアから離れた車両ブレーキアセンブリから発せられる放射熱を反射する傾向があるという利点が存在する。本発明の特定の形態において、熱保護層はアルミニウム材料から形成される。
【００４６】
本発明の第４の局面の代替的な実施形態に従うと、熱保護層はセラミックである。セラミック熱保護層は、複合材構成要素が放射熱から保護されるだけでなく熱保護層を経由してプライマ層および一次繊維材料へ伝導する熱エネルギーからも保護されるように、熱伝導性を有意に低減する傾向があるという利点が存在する。セラミック熱保護層との間の接着を促進するために、本発明の第４の局面の特定の形態は、プライマ層とセラミック熱保護層との間に金属結合層を含んでいる。金属結合層を設けることにより、繊維プライマ層とセラミック熱保護層との間に中間層が提供され、ホイール上のさまざまな層内において全体的な接着が改善されるという利点が存在する。
【００４７】
熱複合材構成要素はさらに、熱保護層がセラミックでない場合、プライマ層と熱保護層との間に金属結合層を含み得る。たとえば、本発明の特定の形態に従うと、金属結合層は金属熱保護層に先立って適用される。特定の例に従うと、アルミニウム結合層は、たとえばモリブデンまたはタングステンといった代替的な金属材料の適用に先立って適用される。この点に関して、アルミニウム結合層によって、モリブデンまたはタングステンよりも、プライマ層への接着が大きくなるので、アルミニウム結合層は熱保護層とプライマ層との間の中間層として機能することにより接着を改善するという利点が存在する。さらに、モリブデンまたはタングステンコーティングは典型的に、アルミニウムコーティングよりはるかに高い温度で適用される。この点に関して、熱保護層の適用に先立ってアルミニウム結合層を適用することは、モリブデンまたはタングステンコーティングプロセスに関連付けられる高温から複合材構成要素を保護するという利点が存在する。
【００４８】
複合材構成要素は、複合材ホイール、好ましくは炭素繊維ホイール、を含み得る。複合材ホイールは、ハブと、ハブを囲むリムと、ハブとリムとの間を延在する複数のスポークとを含み得る。複合材ホイールのスポークは、使用時に車両ホイールウェルから外方に向く外方向き表面と、使用時に車両ホイールウェルへと内方へ向く内方向き表面とを含むことになるということが認識されるであろう。さらに、ホイールスポークの内方向き表面は一般に、使用時には、ブレーキロータに隣接または面することになるということが認識されるであろう。本発明の特定の実施形態に従うと、熱露出エリアは、内方向き面の少なくとも部分を含む。これにより、本発明は、車両ブレーキプロセスの結果ホイールロータから発せられる相対的に高い熱エネルギーに典型的に晒されるホイールスポークの内部上において、熱保護されたエリアをホイールに提供するために使用され得る。熱露出エリアはさらに、リムまたはハブの部分を含み得、たとえばリムの内面に沿った環状ストリップを含み得る。リムまたはハブの熱保護エリアの位置は、特定の車両においてブレーキアセンブリの特定の位置を適合するよう変動し得る。
【００４９】
本発明の第４の局面の複合材構成要素は、本発明の第１の局面、第２の局面または第３の局面の方法によって準備または製造され得るということが認識されるべきである。したがって、本発明の第１の局面に関して論じられるすべての特徴は、本発明の第４の局面に等しく適用可能である。
【００５０】
同様に、本発明の第１の局面に関して上で論じられた特徴は、本発明の第２および第３の局面に等しく適用可能であるということが認識されるであろう。
【００５１】
最後に、本発明のさらに別の局面において、熱露出エリアを有する複合材構成要素が提供され、上記複合材構成要素は、
・一次繊維材料の層と、
・熱露出エリアにおいて一次繊維材料に重畳するプライマ層とを含み、プライマ層は、一次繊維材料に対して代替的な繊維材料から形成されており、複合材構成要素はさらに、
・プライマ層に重畳する金属結合層と、
・金属結合層に重畳するセラミック熱保護層とを含み、
熱保護層は金属結合層より高い融点を有し、熱保護層は、熱露出エリアを断熱し、および／または、外部熱エネルギーを反射する。
【００５２】
さらに、本発明のこのさらに別の局面の複合材構成要素は、本発明の第１の局面、第２の局面または第３の局面の方法によって準備または製造され得るということが認識されるべきである。したがって、本発明のこれらの局面に関して議論されるすべての特徴は、本発明のこのさらに別の局面に等しく適用可能である。
【００５３】
本発明は、本発明の特定の好ましい実施形態を示す添付の図面の図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に従った方法を表わすプロセス図である。
【図２】セラミックプライマ層を含む、本発明の実施形態に従った複合材構成要素の複合材の側面図を示す図である。
【図３】プライマ層上に結合コートが適用される図２の複合材構成要素を示す図である。
【図４】結合コート上に熱保護コートが適用される図３の複合材構成要素を示す図である。
【図５】熱保護コート上に随意のトップコートが適用され、高い熱エネルギー源に晒される図４の複合材構成要素を示す図である。
【図６】本発明に従った方法において使用されるプライマ層を示す図である。
【図７】本発明に従った、熱保護層が適用された複合材ホイールの斜視図である。
【図８】本発明の代替的な実施形態に従った複合材構成要素の側面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
詳細な説明
まず図１を参照して、本発明は、本発明に従った方法を実行する際に行われる連続するステップを示すプロセス図に表わされる。したがって、本発明のステップは、複合材構成要素の意図される特定の用途に依存して適用されてもされなくてもよい随意のトップコートを除き、概して線形であるということが認識されるであろう。図１に示されるように、本発明の好ましい実施形態に関連付けられるステップは、以下の通りである。
【００５６】
ステップ１は、熱露出エリアにおいて、プライマ層に重なる一次繊維層を有する複合材構成要素を提供することを含む。たとえば、炭素繊維から形成され得る複合材構成要素を提供することにおいて、従来の繊維複合材成形技術が使用され得る。
【００５７】
ステップ２は、プライマ層において樹脂を腐食または摩食することによりプライマ層の部分を露出して結合層とのその後の接着を促進するように、プライマ層に表面処理を適用することを含む。表面処理は好ましくはグリットブラスティングを含む。特に、表面処理は好ましくは、アルミナグリットを用いるグリットブラスティングを含む。
【００５８】
ステップ３は、加熱された層がその後適用される際に、熱循環または熱応力を低減するよう、複合材構成要素が好適な温度にあらかじめ加熱され、特定された範囲内に維持されることを含む。例としては、複合材構成要素は８０度まであらかじめ加熱され得る。
【００５９】
ステップ４は、摩食されたプライマ層上に金属結合層を溶射によって適用することを含む。溶射温度は、複合材構成要素において使用されるポリマーマトリクスの熱抵抗（Ｔｇ）を越えて複合材構成要素が加熱されないことを保証するよう、低いことが望ましい。使用される溶射技術はたとえば、ツインワイヤーアーク溶射、火炎溶射またはプラズマ溶射を含み得る。
【００６０】
ステップ５は、たとえばプラズマ溶射といった溶射によって、結合層上にセラミック熱保護層を適用することを含む。熱保護層は、熱エネルギーを反射し、熱露出エリアにおいて複合材構成要素を断熱することが望ましい。
【００６１】
ステップ６は、たとえば特定の放射率／反射率特性が望ましい場合、表面特性を調整するために熱保護層上に金属またはセラミックのトップ層を適用する随意のステップを含む。
【００６２】
図２〜図５は、本発明の上で議論された第１および第３の局面に従った、熱保護された複合材構成要素を製造するプロセスの側面図を示す。
【００６３】
図２を参照して、一次炭素繊維層１２を含み、ポリマーマトリクス１４が含浸されている複合材構成要素１０が示される。セラミックガラス繊維から形成される織られたプライマーマット１６が、高い熱エネルギーへの露出が意図される複合材構成要素１０の熱露出エリア１８において、一次繊維層１２の部分に重畳される。したがって、図２に示される複合材が、複合材構成要素を提供し、これにより、図１に示され上で論じたような方法のステップ１に対応するということが認識されるであろう。
【００６４】
３に示される複合材構成要素１０を製造するために、図２に示される複合材構成要素１０は、図１のステップ２、３および４において示されるとともに上記の記載において議論されたようなプロセスステップを経る。
【００６５】
第１に、図１の方法ステップ２において示されるように、熱露出エリア１８は、プライマーマット１６に重畳し含浸するポリマー樹脂１４の外面を摩食することによりプライマーマット１６の少なくとも部分が露出するようにグリットブラスター（図示せず）が熱露出エリア１８に適用される表面処理を受ける。好ましい実施形態において、表面処理は、＃９０〜＃４６メッシュの範囲における中間または微細アルミナグリットを適用することを含み、当該アルミナグリットは、４〜７μｍ  ＲＡの表面粗さがプライマーマット１６の外面２０において得られるまで、２０〜４０ｐｓｉの圧力で適用され、好適なグリットブラスターデバイスの気流または水流において加速される。
【００６６】
第２に、図１の方法ステップ３において示されるように、複合材構成要素１０は、複合材構成要素１０と、プロセスの次の段階においてプライマーマット１６に適用される結合コート２２を含む結合層との間における温度差を低減するためにあらかじめ加熱される。
【００６７】
第３に、ここで図３を参照して、結合コート２２を含む金属結合層が、プラズマ溶射器を使用して、６４〜１１１ミクロンの間の厚さまで、プライマーマット２０の摩食された外面２０上に溶射される。上で論じたように、これにより、プライマーマット１６は、下に存在する一次繊維層１２と、重畳する結合コート２２との間に中間層を形成する。図３における例示は、図１のプロセス図の方法ステップ４の終わりに対応するということが認識されるであろう。図１のステップ５において示されるように、かつ、図４に示されるように、その後、セラミック熱保護コート２４を含むセラミック熱保護層が、プラズマ溶射を使用して結合コート２２に適用される。好ましい実施形態において、熱保護コート２４の厚さは１００〜１５０ミクロンの間である。
【００６８】
図１を再び参照して、熱保護コート２４が熱露出エリア１８の最終コートになるのに十分である本発明の適用例において、本発明の方法は熱保護コートの適用の後に完了し得る。
【００６９】
熱保護コート２４の放射率または反射率特性が熱露出エリア１８上の最終コーティングとして不適当である代替的な適用例において、プロセスは、第５のプロセスステップから随意の方法ステップ６まで移り得る。方法ステップ６において、金属またはセラミックトップコート２６が熱保護コート２４上に溶射される。トップコート２６はたとえば、ツインワイヤーアーク溶射、火炎溶射またはプラズマ溶射を使用して適用され得る。この点に関して、熱露出エリア１８の放射率および／または反射率が、適切なトップコート材料の選択を伴う特定の用途に好適になるように調整され得る。
【００７０】
したがって、図５に示されるように、トップコート２６の適用の後、複合材構成要素１０は熱エネルギー源２８への露出の備えができることになる。熱保護コーティング２４およびトップコーティング２６の反射および断熱特性により、熱露出エリア１８に近いポリマーマトリクス１４は、熱エネルギー源２８から発せられる熱エネルギー３０から保護される。
【００７１】
図６は、複合材構成要素１０が、上で論じたステップ１〜３に従って提供される、すなわち、炭素繊維層１２と、熱露出エリア６０において重畳するガラスプライマ層１６とを有する複合材構成要素１０が提供される本発明の第２の局面を示す。炭素層１２およびガラス層１６にはポリマーマトリクス１４が含浸される。本発明の第１および第３の局面に関して上で議論されたのと同じ態様で、プライマ層１６は、プライマ層の表面を摩食するようにグリットブラストされる。その後、複合材構成要素１０は、金属熱保護層６０が４０〜３００ミクロンの間の厚さ、好ましくは６４〜１１１ミクロンの間の厚さまでプライマ層１６上に溶射される前に、約８０度まであらかじめ加熱される。しかしながら、本発明の特定の実施形態に従うと、金属熱保護層６０はさまざまな金属材料を含んでもよく、金属熱保護層６０はアルミニウム材料から構成される。プライマ層１６のガラス繊維には、複合材構成要素１０から離れた熱エネルギー源２８（たとえば車両ブレーキアセンブリ）から発せられる放射熱エネルギー３０を反射するように作用する熱保護層６０のアルミニウム材料との接着を促進するという利点が存在する。
【００７２】
これにより、本発明の第２の局面には、アルミニウム熱保護層６０との間の接着を改善するためにプライマ層１６を利用するという利点が存在する。このように、図５および図６に示される熱保護された複合材構成要素１０は各々、プライマ層１６を利用することが認識されるであろう。さらに、図３および図６は一般に、各々がプライマ層１６に適用される金属層を示す限りにおいて均等であるということが認識されるであろう。上で論じられたように、いくつかの適用例では、熱保護層が高い反射率を提供する傾向がある金属層を構成するのに十分（かつ望ましい）であり、複合材構成要素に吸収される放射熱の量を低減する。他の適用例において、熱保護層がより低いレベルの熱伝導度を有することが望ましくあり得、その場合には、金属結合層およびその後のセラミックス層２４を構成するより薄い（すなわち６４〜１１１ミクロンの）金属層が（図４に示されるように）適用されるので、この場合において熱保護層を構成する。
【００７３】
図７は、複数の横方向のガラス繊維横糸３２とともに織られた複数の長手方向のガラス繊維縦糸３４を含むプライマーマット１６のより接近した斜視図を示す。ガラス繊維プライマーマット１６は、隣接する横糸３２同士の間でプライマーマット１６へと織られる金属ワイヤー３６を含む複数の金属ストランドを含む。図７に示されるように、金属ワイヤー３６は、隣接する横糸３２のうちの１つの織パターンに従う。例として、横糸３２Ａおよび金属ワイヤー３６Ａは、複数の縦糸３４を通る対応する「下／上」の織パターンを有する。同様に、横糸３２Ｂの織パターンは、隣接する金属ワイヤー３６Ｂの織パターンに対応する。プライマ層１６において金属ワイヤー３６を設けることは、プライマ層と金属結合層との間で接着を促進するという利点が存在し、これにより、熱保護層と複合材構成要素との間の全体的な接着が向上する。例として、金属ワイヤー３６は、銅、アルミニウム、チタニウム、鋼またはその合金のうち少なくとも１つから形成され得る。
【００７４】
上記の記載において言及されたように、図７に例示されるプライマ層はガラス繊維を含むが、プライマ層はさまざまな代替的な材料を含み得る。たとえば、炭素またはアラミド繊維から形成される複合材構成要素には、（金属ストランドのない）ガラス繊維のプライマ層が設けられ得る。代替的には、炭素繊維から形成される複合材構成要素には、炭素繊維および金属ストランドの混合を含むプライマ層が設けられ得る。同様に、アラミド繊維から形成される複合材構成要素には、アラミド繊維および金属ストランドの混合を含むプライマ層が設けられ得る。したがって、各々が本発明の範囲内に存在する一次繊維材料およびプライマ層材料のさまざまな組合せが想像されるということが認識されるであろう。
【００７５】
本発明の好ましい実施形態において、複合材構成要素１０はたとえば、国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１２／０００５９８、ＰＣＴ／ＡＵ２０１４／０００３２４、ＰＣＴ／ＡＵ２０１３／０００６４６、ＰＣＴ／ＡＵ２０１３／０００６４７、ＰＣＴ／ＡＵ２０１３／０００６４８およびＰＣＴ／ＡＵ２００９／００１１２０において教示される炭素繊維ホイールを含んでおり、これらの国際特許出願の内容は本願明細書において参照により援用されるということが理解されるべきである。
【００７６】
１つのそのような炭素繊維ホイールの例示的な例が図８に示される。図８において、複合材構成要素は、ハブ４２と、リム４４と、ハブ４２とリム４４との間を延在する複数のスポーク４６とを含む炭素繊維ホイール４０を含む。図８は、より暗い陰影の熱露出エリア４８の位置を示す。したがって、上記の記載を参照して認識されるであろうように、金属結合層および熱保護層も、熱露出エリア４８を示すより暗い陰影の位置に位置する。これにより、図８に示されるより暗い陰影のエリアは、使用時にホイール４０のリム４４の内部に位置するブレーキアセンブリから発せられる放射および対流熱エネルギーに対してある程度の熱保護を有する。
【００７７】
図８に示されるように、熱露出エリアは、車両に設置されると、車両のブレーキアセンブリに概して隣接するホイール４０の内部のセクションを含む。特に、熱露出エリア４８は、スポーク４６の各々上の内方向き表面（ブレーキアセンブリに向かって内方を向く）と、リム４４の内方向き表面上の環状部分とを含む。熱露出エリア４８はさらに、ハブ４２の肩部分５２を含んでいる。ハブ４２の陰影が与えられていない中央平坦部分は、使用の際には、ロータ搭載面に当接することになり、したがって、スポーク４６の内面とハブ４２の肩部とに適用される放射熱に晒されないということが認識されるであろう。スポーク４６およびリム４４の交点において、ホイールウエイト（図示せず）が嵌合され得る陰影がつけられていない環状部分５０が存在する。
【００７８】
熱露出エリア４８（および関連付けられる熱保護層）は、ホイール４０が嵌合される特定のブレーキアセンブリに関係なく、スポーク４６の内面上およびハブ４２の肩部上に位置することが一般に望ましい。対照的に、リムの内部上の熱露出エリア４８の厚さは、ホイール４０が搭載されるロータおよびブレーキアセンブリのサイズに依存して変動し得る。例示される実施形態において、熱露出エリアは、リム４４の内面の約３分の２を含む。ホイール４０がより小さなロータ／ブレーキアセンブリとの使用について意図される代替的な実施形態において、熱露出エリアは、内部リム面の低減された部分を含み得る。この場合において、熱保護層の全エリアが対応して低減され得、これにより、熱保護された複合材ホイールの製造に関連付けられるコストが低減される。
【００７９】
この明細書において使用される「含む」、「含み」、「含まれる」または「含んでいる」という用語（請求項を含む）は、言及された特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するものとして解釈されるべきであるが、他の１つ以上の特徴、整数、ステップ、構成要素またはその群の存在を排除するわけではない。
【００８０】
最後に、本願明細書において説明される本発明は、具体的に記載したもの以外の変形、修正および／または追加がなされる余地があるということが理解されるべきであり、また、本発明は、本開示の精神および範囲内にあるすべてのそのような変形、修正および／または追加を含んでいるということが理解されるべきである。
【実施例】
【００８１】
実施例
上記の記載において言及されるように、出願人は、「ポータブル接着テスターを使用するコーティングの引っ張り強さについての標準試験方法（Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers）」であるＡＳＴＭ  Ｄ４５４１に従って行われる試験方法を使用して本発明によって提供される接着の改善を調査した。行われた試験は、代替的な繊維材料から形成される中間プライマ層を一次（すなわちベース）繊維材料に利用する場合、一次繊維材料の複合材構成要素と複合材構成要素に適用される熱保護層との間の接着が改善されたことを示した。
【００８２】
ＡＳＴＭ  Ｄ４５４１に従って行なわれた接着試験は、上記の熱保護プロセスに従ってコーティングされる複合材料の試験サンプルの清浄化された表面に円形の金属ドーリーを接着させることを伴った。試験サンプルの最外面にドーリーの円形ベースを接着するために、二液性エポキシのような好適な接着剤が用いられる。接着剤は、引っ張り負荷がドーリーに適用されると、ドーリーと材料表面との間ではなく熱保護コーティングと複合材表面との間に剥離が生じるような多層複合材料の層同士の間の予期される接着よりも、ドーリーのベースと材料表面との間で大きな接着を提供するために選択される。接着剤の硬化に先立って、ドーリーのベースのまわりの過剰な接着剤が除去される。接着剤がひとたび硬化されると、ドーリーのベースのまわりに環状の切り込みを適用するように切削工具が使用され、ドーリーのベースの下において材料の円形部分を孤立させる。試験サンプルが静止状態で保持されつつドーリーに引っ張り力を適用するよう、空気式アクチュエータがドーリーに接続される。空気式アクチュエータは、ドーリーに適用された最大圧力を記録する試験装置に接続される。複合材構成要素と複合材構成要素に適用された熱保護コーティングとの間に剥離が生じるまで圧力が増加される。
【００８３】
下記の表１は、プライマ層を使用した場合と、使用しなかった場合とで接着レベルを比較するよう行われた３つの別個の試験の結果を提供する。プライマ層の構成は、１１０ｇ／ｍ２の平織ガラスマットであった。詳細には、７ミクロンの直径を有し２２（１０００ｍ当たり２２グラム）の糸を有する連続フィラメントのＥガラス繊維であった。Ｅガラス繊維は典型的に、５２％〜５６％の二酸化珪素と、１６％〜２５％の酸化カルシウムと、１２％〜１６％の酸化アルミニウムと、８％〜１３％の酸化硼素と、０％〜１％の酸化ナトリウムおよび酸化カリウムと、０％〜６％の酸化マグネシウムとを含む。すべての試験において、グリットブラスティング表面処理が、プライマ層の表面か、または、プライマ層が使用されていない場合には複合材構成要素の表面のいずれかに適用され、プライマ層材料の部分または複合材構成要素一次繊維材料をそれぞれ露出させる。
【００８４】
試験１は、中間プライマ層を使用する場合または使用しない場合において、アルミニウム結合層およびセラミック熱保護層が複合材構成要素に適用された場合の接着レベルを記録した。表１に示されるように、複合材構成要素に金属結合層を直接的に適用する場合と比較して、ガラスプライマ層が使用された場合においては、平均２５．４５％だけ接着が増加したのが観察された。
【００８５】
試験２は、中間プライマ層を使用する場合および使用しない場合において、アルミニウム結合層、セラミック熱保護層、およびアルミニウムトップコートが複合材構成要素に適用された場合の接着レベルを記録した。表１に示されるように、複合材構成要素に金属結合層を直接的に適用する場合と比較して、ガラスプライマ層が使用された場合においては、平均２１．０８％だけ接着が増加したのが観察された。
【００８６】
試験は、中間プライマ層を使用する場合および使用しない場合において、アルミニウム熱保護層が複合材構成要素に適用された場合の接着レベルを記録した。表１に示されるように、複合材構成要素にアルミニウム熱保護層を直接的に適用する場合と比較して、プライマ層が使用された場合においては、平均２２８．３２％だけ接着が増加したのが観察された。
【００８７】
【表１】
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【００８８】
上記の試験結果を参照して認識されるであろうように、出願人は、中間プライマ層が、複合材構成要素とその後適用されるコーティングとの間に提供される場合に、接着のレベルの著しい改善を達成した。
【００８９】
したがって、本発明のすべての局面は、複合材構成要素と熱保護層との間での接着強さにおける著しい改善を提供し、これにより、煩雑であり、および／または、十分な接着強さが達成ができず剥離のリスクが増加する既存のプロセスに対する利点を提供するということが認識されるであろう。
【００９０】
本発明を定義する請求項を添付の請求の範囲に記載する。
【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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【国際調査報告】
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