(57)【要約】  ここに記載されているのは、実質的に同重量の従来の２次元（２Ｄ）製織積層複合材を有意に上回る高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する３次元（３Ｄ）製織複合材である。
2018534378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄ製織プリフォームであって、
複数の経糸ヤーンと；
複数の緯糸ヤーンと；
を含み、前記経糸ヤーンが前記緯糸ヤーンと製織されて前記３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成する、プリフォームと；
マトリクス材料と；
を含む３次元（３Ｄ）複合品において、
該３Ｄ製織複合品は、前記複合品を形成するために各プリフォームに前記マトリクス材料を含浸させた場合に、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する、３Ｄ製織複合品。
【請求項２】
前記３Ｄ製織複合品が、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも１０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する、請求項１に記載の３Ｄ複合品。
【請求項３】
前記３Ｄ製織複合品が、実質的に同重量の前記２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも２０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する、請求項１に記載の３Ｄ複合品。
【請求項４】
特定の層内の前記複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンが、前記特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第１のバインダヤーンであり、
前記特定の層内の前記複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンが、前記特定の層内の経糸ヤーンを前記別の層内の経糸ヤーンに結合させる第２のバインダヤーンである、
請求項１に記載の複合品。
【請求項５】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層である、請求項４に記載の複合品。
【請求項６】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層でない、請求項４に記載の複合品。
【請求項７】
前記マトリクス材料が、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミックおよびカーボンからなる群から選択される、請求項４に記載の複合品。
【請求項８】
前記物品が車両衝突構造に形成される、請求項１に記載の複合品。
【請求項９】
３次元（３Ｄ）製織プリフォームであって、
複数の経糸ヤーンと；
複数の緯糸ヤーンと；を含み、
前記経糸ヤーンが前記緯糸ヤーンと製織されて前記３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成しており、
特定の層内の前記複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンが、前記特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第１のバインダヤーンであり、
前記特定の層内の前記複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンが、前記特定の層内の経糸ヤーンを前記別の層内の経糸ヤーンに結合させる第２のバインダヤーンである、
３次元（３Ｄ）製織プリフォーム。
【請求項１０】
前記プリフォームにはマトリクス材料が含浸されている、請求項９に記載の３次元（３Ｄ）製織プリフォーム。
【請求項１１】
前記マトリクス材料が、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミックおよびカーボンからなる群から選択される、請求項１０に記載の３次元（３Ｄ）製織プリフォーム。
【請求項１２】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層である、請求項１０に記載の３次元（３Ｄ）製織プリフォーム。
【請求項１３】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層でない、請求項８に記載の３次元（３Ｄ）製織プリフォーム。
【請求項１４】
３次元（３Ｄ）製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成するために、複数の経糸ヤーンを複数の緯糸ヤーンと製織することによって該３Ｄ製織プリフォームを形成するステップと；
前記３Ｄ製織プリフォームにマトリクス材料を含浸させるステップと；
を含む、複合品を形成する方法において、
前記３Ｄ製織複合材は、前記複合品を形成するために各プリフォームに前記マトリクス材料を含浸させた場合に、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する、複合品を形成する方法。
【請求項１５】
前記３Ｄ製織複合品が、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも１０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記プリフォームを含む前記３Ｄ製織複合材が、実質的に同重量の前記２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも２０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１のバインダヤーンを用いて特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させるステップであって、前記第１のバインダヤーンが前記特定の層内の前記複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンである、ステップと；
第２のバインダヤーンを用いて特定の層内の経糸ヤーンを前記別の層内の経糸ヤーンに結合させるステップであって、前記第２のバインダヤーンが前記特定の層内の前記複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンである、ステップと；
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層でない、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記マトリクス材料が、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミックおよびカーボンからなる群から選択される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記物品を車両衝突構造に形成するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
３次元（３Ｄ）製織プリフォームを形成する方法において、
複数の経糸ヤーンを複数の緯糸ヤーンと製織して前記３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成するステップを含み、
特定の層内の前記複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンが、前記特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第１のバインダヤーンであり、
前記特定の層内の前記複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンが、前記特定の層内の経糸ヤーンを前記別の層内の経糸ヤーンに結合させる第２のバインダヤーンである、
３次元（３Ｄ）製織プリフォームを形成する方法。
【請求項２３】
前記プリフォームには、マトリクス材料が含浸されている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記マトリクス材料が、エポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミックおよびカーボンからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記別の層が前記特定の層に隣接する次の層でない、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、積層複合材または高強度金属などの従来の材料で製造されたものに置換できる３Ｄ製織複合材部品のより軽量での製造を可能にする、従来の２Ｄ積層複合材を有意に上回る高いエネルギ吸収特性（specific energy absorption, ＳＥＡ）を有する３次元（３Ｄ）製織複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚み貫通補強の存在に起因して、３Ｄ製織複合材は、積層複合材に比べてより優れた破壊靭性、疲労寿命および損傷許容性を有する。その上、３Ｄ製織複合材は、積層複合材の典型的な突発故障挙動よりもさらに安全な進行性損傷挙動を示す。これらの特性により、積層複合材または高強度金属などの従来の材料で製造されたものに置換できる３Ｄ製織複合材部品をより軽量で製造することのできる高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）（試料または部品の破壊重量により吸収されるエネルギの業界で認められた一般的尺度）が導かれる。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、従来の２Ｄ積層複合材を有意に上回る性能を示す複合材を形成するためにマトリクス材料を含浸させることのできる３Ｄ製織プリフォームを提供する。ここで開示される技術は、車両（陸、海または空）の耐衝撃性を改善するための寄生性のまたは耐荷重性の構造的構成要素を製造するために使用可能である。「寄生性（parasitic）」とは、複合材において一般的に使用される用語である。この文脈での「寄生性」なる用語は、エネルギ吸収の目的でのみ使用される構成要素を意味する。ここで開示される技術の利用分野は、犠牲的クラッシュチューブから多目的構造用構成要素に至る範囲に及ぶことが考えられる。
【０００４】
開示された３Ｄプライ・トゥ・プライ製織プリフォームにおいて、各々の経糸繊維はその下方または上方で緯糸層を繋ぐ。こうして、３Ｄ製織複合材（マトリクス材料が含浸されたプリフォーム）は、積層複合材中には存在しない厚み貫通補強を提供することができ、かつ補強ヤーン（経糸または緯糸）が横断しない平面は複合材中に全く存在しないことから複合材の１つの不具合様式としての層間剥離を削減することもできる。このような平面の欠如は、構造を通る亀裂の伝播を停止させ、したがって、３Ｄ複合材を圧壊するために必要とされる力およびエネルギの量を増大させるように作用する。
【０００５】
一実施形態において、３次元（３Ｄ）複合品は、３Ｄ製織プリフォームを含む。プリフォームは、複数の経糸ヤーンおよび複数の緯糸ヤーンを有する。経糸ヤーンは緯糸ヤーンと製織されて３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成する。３Ｄ製織複合品は、複合品を形成するために各プリフォームにマトリクス材料を含浸させた場合に、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する。
【０００６】
いくつかの実装において、３Ｄ製織複合品は、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも１０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する。
【０００７】
他の実装において、３Ｄ複合品は、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも２０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する。
【０００８】
同様に開示されているのは、３次元（３Ｄ）製織プリフォームである。このプリフォームは、複数の経糸ヤーンと複数の緯糸ヤーンとを有する。経糸ヤーンは、緯糸ヤーンと製織されて３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成する。特定の層内の複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンは、特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第１のバインダヤーンであり、特定の層内の複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンは、特定の層内の経糸ヤーンを別の層内の経糸ヤーンに結合させる第２のバインダヤーンである。
【０００９】
同様に開示されているのは、３Ｄ製織プリフォームを形成することにより３次元（３Ｄ）製織複合品を形成する方法である。プリフォームは、３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成するために複数の経糸ヤーンを複数の緯糸ヤーンと製織することによって形成される。３Ｄ製織複合材は、複合品を形成するために各プリフォームにマトリクス材料を含浸させた場合に、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する。
【００１０】
３次元（３Ｄ）製織複合品を形成する方法は、同様に、第１のバインダヤーンを用いて特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させるステップであって、第１のバインダヤーンが特定の層内の複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンである、ステップと、および第２のバインダヤーンを用いて特定の層内の経糸ヤーンを別の層内の経糸ヤーンに結合させるステップであって、第２のバインダヤーンが特定の層内の複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンである、ステップをも含むことができる。
【００１１】
いくつかの実装において、プリフォームは、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも１０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する。他の実装において、プリフォームは、実質的に同重量の２Ｄ製織積層プリフォームよりも少なくとも２０％高いエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）を有する。
【００１２】
さらに、３次元（３Ｄ）製織プリフォームを形成する方法は、複数の経糸ヤーンを複数の緯糸ヤーンと製織して３Ｄ製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成するステップを含む。特定の層内の複数の経糸ヤーンから選択された１つ以上の経糸ヤーンは、特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第１のバインダヤーンであり、特定の層内の複数の緯糸ヤーンから選択された１つ以上の緯糸ヤーンは、特定の層内の経糸ヤーンを別の層内の経糸ヤーンに結合させる第２のバインダヤーンである。
【００１３】
本開示中、詳細にはクレームおよび／または段落中において、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ（含まれる）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」などの用語は、米国特許法に帰属する意味を有することができ、例えば、これらは、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｄ（含まれる）」「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」を意味することができる。
【００１４】
本開示中に明記されたさまざまな実施形態の上述のおよび他の目的、特徴および利点は、添付図面と併せて、実施形態の以下の詳細な説明を考慮することにより、さらに明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本開示の３Ｄ製織プリフォームプライ・トゥ・プライアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の一実施例を示す。
【図１Ｂ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ａを示す。
【図１Ｃ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ｂを示す。
【図１Ｄ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ｃを示す。
【図１Ｅ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ｄを示す。
【図１Ｆ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｅを示す。
【図１Ｇ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｆを示す。
【図１Ｈ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｇを示す。
【図１Ｉ】図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｈを示す。
【図２】３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−７０の単一の経糸縦列を示す。
【図３】３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ２−５０の単一の経糸縦列を示す。
【図４】３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｏ５０の単一の経糸縦列を示す。
【図５】３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｏ７０の単一の経糸縦列を示す。
【図６】試験前、中および後の波形複合材試験試料を示す。
【図７】３Ｄ製織複合材および２Ｄ積層複合材を用いて試験された８つの構成全ての準静的ＳＥＡ比較を示す。
【図８】４つの構成について速度依存性ＳＥＡ値を比較するグラフを示す。
【図９】３Ｄ製織複合材長手方向構成要素の開発のための考えられる自動車利用分野の４つの別形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の説明において、「ｔｈｒｅａｄｓ（スレッド（糸））」、「ｆｉｂｅｒｓ（繊維）」および「ｙａｒｎｓ（ヤーン（糸））」は、互換的に使用される。本明細書中で使用される「ｔｈｒｅａｄｓ（スレッド（糸））」、「ｆｉｂｅｒｓ（繊維）」および「ｙａｒｎｓ(ヤーン（糸）)」は、モノフィラメント、マルチフィラメント糸、撚糸、マルチフィラメントロープ、加工糸、編組ロープ、被覆糸、バイコンポーネントモノフィラメント糸ならびに延伸破断繊維または他の任意のこのような材料を意味することができる。
【００１７】
図１Ａおよび２〜５は、厚み貫通補強の量および経糸および緯糸方向における繊維の数の平衡（経糸／緯糸比としても知られる）が異なる５つの３Ｄ製織構造断面平面の実施例を示している。構造中の各層は、経糸および緯糸繊維を製織することによって形成される。経糸／緯糸比はここでは、全繊維中の経糸の体積百分率を表わす。経糸／緯糸比は、経糸および緯糸方向における糸の百分率を定量化するために用いられ、性能上の理由（すなわち剛性および強度）により調整されてよい。それぞれ３Ｄ−Ｐ１−５０、３Ｄ−Ｐ１−７０および３Ｄ−Ｐ２−５０である図１Ａ、２および３中の３Ｄ製織プリフォームは、３Ｄ−Ｐにより表示されるプライ・トゥ・プライアーキテクチャの３つの変形形態である。それぞれ３Ｄ−Ｏ５０および３Ｄ−Ｏ７０である図４および５中の３Ｄ製織プリフォームは、より高い厚み貫通補強を伴う直交織りの２つの変形形態である。５０または７０は、経糸／緯糸比、すなわち全繊維中の経糸の体積百分率を意味する。
【００１８】
図１Ａは、本開示の３Ｄ製織プリフォームのプライ・トゥ・プライアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の一実施例を示す。３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｐ１−５０は、５０／５０％の経糸／緯糸比を有するプライ・トゥ・プライ標準クリンプ３Ｄ織りである。図１Ｂは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ａを示す。断面平面Ａは、経糸スレッド１１０、１１１、１１２、１１３．．．１１７および１１８を含む。図１Ｂに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第１層内の第１の経糸スレッド１１０が、第１層内の緯糸スレッド１５０の上に製織され、その後緯糸スレッド１６０の下、次に緯糸スレッド１７１の下そして最後に緯糸スレッド１８０の下に製織される。したがって、緯糸スレッド１５０、１６０、１７０および１８０を含む第１の緯糸横列、および緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列は断面平面Ａ内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、第２層内の第２の経糸スレッド１１１が第２層内の緯糸スレッド１５１の上、その後緯糸スレッド１６１の下、次に緯糸スレッド１７２の下、そして最後に緯糸スレッド１８１の下に製織される。したがって、緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列、および緯糸スレッド１５２、１６２、１７２および１８２を含む第３の緯糸横列は、断面平面Ａ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の経糸スレッド、すなわち１１２、１１３．．．１１７および１１８は全て、経糸スレッド１１０および１１１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面Ａ内で互いに繋がれる。
【００１９】
図１Ｃは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ｂを示す。断面平面Ｂは、経糸スレッド１２０、１２１、１２２．．．１２８を含む。図１Ｃに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第１層内の経糸スレッド１２０は、緯糸スレッド１５０の下に製織され、その後第１層内の緯糸スレッド１６０の上、次に緯糸スレッド１７０の下そして最後に緯糸スレッド１８１の下に製織される。したがって、緯糸スレッド１５０、１６０、１７０および１８０を含む第１の緯糸横列、および緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列は断面平面Ｂ内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド１２１が緯糸スレッド１５１の下、その後緯糸スレッド１６１の上、次に緯糸スレッド１７１の下、そして最後に緯糸スレッド１８２の下に製織される。したがって、緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列、および緯糸スレッド１５２、１６２、１７２および１８２を含む第３の緯糸横列は、断面平面Ｂ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の経糸スレッド、すなわち１２２、１２３．．．１２８は全て、経糸スレッド１２０および１２１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面Ｂ内で互いに繋がれる。
【００２０】
図１Ｄは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ｃを示す。断面平面Ｃは、経糸スレッド１３０、１３１、１３２．．．１３８を含む。図１Ｄに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第１層内の経糸スレッド１３０は、第２層内の緯糸スレッド１５１の下に製織され、その後緯糸スレッド１６０の下、次に緯糸スレッド１７０の上そして最後に緯糸スレッド１８０の下に製織される。したがって、緯糸スレッド１５０、１６０、１７０および１８０を含む第１の緯糸横列、および緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列は断面平面Ｃ内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド１３１は緯糸スレッド１５２の下、その後緯糸スレッド１６１の下、次に緯糸スレッド１７１の上、そして最後に緯糸スレッド１８１の下に製織される。したがって、緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列、および緯糸スレッド１５２、１６２、１７２および１８２を含む第３の緯糸横列は、断面平面Ｃ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の経糸スレッド、すなわち１３２．．．１３８は全て、経糸スレッド１３０および１３１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面Ｃ内で互いに繋がれる。
【００２１】
図１Ｅは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の経糸スレッドに沿った断面平面Ｄを示す。断面平面Ｄは、経糸スレッド１４０、１４１、１４２．．．１４８を含む。図１Ｅに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第１層内の経糸スレッド１４０は、第１層内の緯糸スレッド１５０の下に製織され、その後緯糸スレッド１６１の下、次に緯糸スレッド１７０の下そして最後に緯糸スレッド１８０の上に製織される。したがって、緯糸スレッド１５０、１６０、１７０および１８０を含む第１の緯糸横列、および緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列は断面平面Ｄ内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド１４１は、緯糸スレッド１５１の下、その後緯糸スレッド１６２の下、次に緯糸スレッド１７１の下、そして最後に緯糸スレッド１８１の上に製織される。したがって、緯糸スレッド１５１、１６１、１７１および１８１を含む第２の緯糸横列、および緯糸スレッド１５２、１６２、１７２および１８２を含む第３の緯糸横列は、断面平面Ｄ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の経糸スレッド、すなわち１４２．．．１４８は全て、経糸スレッド１４０および１４１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面Ｄ内で互いに繋がれる。
【００２２】
これらの実施例１Ｂ〜１Ｅにおいて、特定の層または横列の緯糸繊維は、説明されている特定の経糸層に隣接する次の層である「後続する緯糸層」の緯糸繊維に繋がれる。しかしながら、「後続する緯糸層」なる用語は、図の説明を容易にするためだけに使用されており、より広義に解釈されるよう意図される。詳細には、本明細書中で使用されている「後続する緯糸層」は「別の緯糸層」を意味する。そしてこのような後続する緯糸横列または層は、説明されている特定の経糸横列または層から見て上方または下方にある、隣接する次の緯糸横列または層または離隔した多数の緯糸横列または層であり得る。
【００２３】
図１Ｆは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｅを示す。断面平面Ｅは、緯糸スレッド１５０、１５１、１５２．．．１５９を含む。図１Ｆに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第２層内の緯糸スレッド１５１は、第２層内の経糸スレッド１４１の上に製織され、その後経糸スレッド１３０の上、次に経糸スレッド１２１の上そして最後に経糸スレッド１１１の下に製織される。したがって、経糸スレッド１４０、１３０、１２０および１１０を含む第１の経糸横列、および経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列は断面平面Ｅ内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド１５２は経糸スレッド１４２の上、その後経糸スレッド１３１の上、次に経糸スレッド１２２の上、そして最後に経糸スレッド１１２の下に製織される。したがって、経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列、および経糸スレッド１４２、１３２、１２２および１１２を含む第３の経糸横列は、断面平面Ｅ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の緯糸スレッド、すなわち１５３．．．１５９は全て、緯糸スレッド１５０および１５１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面Ｅ内で互いに繋がれる。
【００２４】
図１Ｇは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｆを示す。断面平面Ｐは、緯糸スレッド１６０、１６１、１６２．．．１６９を含む。図１Ｇに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第２層内の緯糸スレッド１６１は、第１層内の経糸スレッド１４０の上に製織され、その後経糸スレッド１３１の上、次に経糸スレッド１２１の下そして最後に経糸スレッド１１１の上に製織される。したがって、経糸スレッド１４０、１３０、１２０および１１０を含む第１の経糸横列、および経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列は断面平面Ｆ内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド１６２は経糸スレッド１４１の上、その後経糸スレッド１３２の上、次に経糸スレッド１２２の下、そして最後に経糸スレッド１１２の上に製織される。したがって、経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列、および経糸スレッド１４２、１３２、１２２および１１２を含む第３の経糸横列は、断面平面Ｆ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の緯糸スレッド、すなわち１６３．．．１６９は全て、緯糸スレッド１６０および１６１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面Ｆ内で互いに繋がれる。
【００２５】
図１Ｈは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｇを示す。断面平面Ｇは、緯糸スレッド１７０、１７１、１７２．．．１７９を含む。図１Ｈに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第２層内の緯糸スレッド１７１は、第２層内の経糸スレッド１４１の上に製織され、その後経糸スレッド１３１の上、次に経糸スレッド１２１の上そして最後に経糸スレッド１１０の下に製織される。したがって、経糸スレッド１４０、１３０、１２０および１１０を含む第１の経糸横列、および経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列は断面平面Ｇ内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド１７２は経糸スレッド１４２の上、その後経糸スレッド１３２の下、次に経糸スレッド１２２の上、そして最後に経糸スレッド１１１の上に製織される。したがって、経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列、および経糸スレッド１４２、１３２、１２２および１１２を含む第３の経糸横列は、断面平面Ｆ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の緯糸スレッド、すなわち１７３．．．１７９は全て、緯糸スレッド１７０および１７１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面Ｇ内で互いに繋がれる。
【００２６】
図１Ｉは、図１Ａに示されている３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０の緯糸スレッドに沿った断面平面Ｈを示す。断面平面Ｈは、緯糸スレッド１８０、１８１、１８２．．．１８９を含む。図１Ｉに示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、第２層内の緯糸スレッド１８１は、第２層内の経糸スレッド１４１の下に製織され、その後経糸スレッド１３１の上、次に経糸スレッド１２０の上そして最後に経糸スレッド１１１の上に製織される。したがって、経糸スレッド１４０、１３０、１２０および１１０を含む第１の経糸横列、および経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列は断面平面Ｇ内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド１８２は経糸スレッド１４２の下、その後経糸スレッド１３２の上、次に経糸スレッド１２１の上、そして最後に経糸スレッド１１２の上に製織される。したがって、経糸スレッド１４１、１３１、１２１および１１１を含む第２の経糸横列、および経糸スレッド１４２、１３２、１２２および１１２を含む第３の経糸横列は、断面平面Ｆ内で互いに繋がれる。断面平面Ａ内の他の緯糸スレッド、すなわち１８３．．．１８９は全て、緯糸スレッド１８０および１８１に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面Ｈ内で互いに繋がれる。
【００２７】
これらの実施例１Ｆ〜１Ｉにおいて、特定の層または横列の経糸繊維は、説明されている特定の緯糸層に隣接する次の層である「後続する経糸層」の経糸繊維に繋がれる。しかしながら、「後続する経糸層」なる用語は、図の説明を容易にするためだけに使用されており、より広義に解釈されるよう意図される。詳細には、本明細書中で使用されている「後続する経糸層」は「別の経糸層」を意味する。そしてこのような後続する経糸横列または層は、説明されている特定の緯糸横列または層から見て上方または下方にある、隣接する次の経糸横列または層または離隔した多数の経糸横列または層であり得る。
【００２８】
図２は、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−７０の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｐ１−７０は、７０／３０％の経糸／緯糸比を有するプライ・トゥ・プライ標準クリンプ３Ｄ織りである。図１Ａに示されている３Ｄ−Ｐ１−５０と比べて、３Ｄ−Ｐ１−７０プリフォームにおいては、第１層内に２つの経糸スレッド２１０および２１１、および最終層内の２つの経糸スレッド２１５および２１６が存在し、緯糸ヤーン縦列間の距離は、３Ｄ−Ｐ１−５０プリフォーム内の距離より大きい。これらの組合された差異により、３Ｄ−Ｐ１−５０プリフォーム内と同じ目標合計繊維体積分率を維持しながら７０％の経糸百分率が達成される。
【００２９】
図１Ａ中に示された３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０と同様に、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−７０においては、１緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面（図示せず）が存在する。
【００３０】
図２に示されているように、断面平面は、経糸スレッド２１０、２１１、２１２、２１３．．．２１８を含む。図２に示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、経糸スレッド２１０および２１１は、緯糸スレッド２５０の上に製織され、その後緯糸スレッド２６０の下、次に緯糸スレッド２７１の下そして最後に緯糸スレッド２８０の下に製織される。したがって、緯糸スレッド２５０、２６０、２７０および２８０を含む第１の緯糸横列、および緯糸スレッド２５１、２６１、２７１および２８１を含む第２の緯糸横列は断面平面内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド２１２は、緯糸スレッド２５１の上、その後緯糸スレッド２６１の下、次に緯糸スレッド２７２の下、そして最後に緯糸スレッド２８１の下に製織される。したがって、緯糸スレッド２５１、２６１、２７１および２８１を含む第２の緯糸横列、および緯糸スレッド２５２、２６２、２７２および２８２を含む第３の緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。経糸スレッド２１３、２１４および２１５は、経糸スレッド２１２と類似のパターンで製織され、経糸スレッド２１６および２１７は、経糸スレッド２１０および２１１と類似のパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。
【００３１】
図３は、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ２−５０の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｐ２−５０は、５０／５０％の経糸／緯糸比を有するプライ・トゥ・プライ低クリンプ３Ｄ織りである。３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｐ２−５０プリフォームにおいて、より低いクリンプは、各緯糸縦列内の緯糸ヤーン総数を交番させることを通して達成される。図１Ａ中に示された３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０と同様に、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ２−５０においては、１緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面（図示せず）が存在する。
【００３２】
図３に示されているように、断面平面は、経糸スレッド３１０、３１１．．．３１４および３１５を含む。図３に示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、経糸スレッド３１０は、緯糸スレッド３２０の上に製織され、その後緯糸スレッド３３０の上、次に緯糸スレッド３４０の下、次に緯糸スレッド３５０の下、次に緯糸スレッド３６１の下、次に緯糸スレッド３７０の下、次に緯糸スレッド３８０の下、そして最後に緯糸スレッド３９０の上に製織される。したがって、緯糸スレッド３２０、３３０．．．３８０および３９０を含む第１の緯糸横列、および緯糸スレッド３２１、３３１．．．３８１および３９１を含む第２の緯糸横列は断面平面内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド３１１は、緯糸スレッド３２１の上、その後緯糸スレッド３３１の上、次に緯糸スレッド３４１の下、次に緯糸スレッド３５１の下、次に緯糸スレッド３６２の下、次に緯糸スレッド３７１の下、次に緯糸スレッド３８１の下、そして最後に緯糸スレッド３９１の上に製織される。したがって、緯糸スレッド３２１、３３１．．．３８１および３９１を含む第２の緯糸横列、および緯糸スレッド３２２、３３２．．．３９２を含む第３の緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。他の経糸スレッド３１２、３１３、３１４および３１５は、経糸スレッド３１０および３１１と類似のパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。
【００３３】
図４は、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｏ５０の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｏ５０は、５０／５０％の経糸／緯糸比を有する直交３Ｄ織りである。３Ｄ−Ｏ５０プリフォームは、極めて低クリンプのスタッファヤーン（緯糸）および厚み貫通緯糸バインダヤーンを有する。製織業界においてこの織りは、特により小さい厚み貫通バインダヤーンが使用される場合の比較的真直ぐなスタッファヤーンおよび緯糸ヤーンに由来して、３Ｄノンクリンプ織物と呼ばれることがある。図１Ａ中に示された３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０と同様に、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｏ５０においては、１緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面（図示せず）が存在する。
【００３４】
図４に示されているように、断面平面は、経糸スレッド４１０、４１１．．．４１４および４１５を含む。図４に示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、経糸スレッド４１０は、緯糸スレッド４５０の上に製織され、その後緯糸スレッド４６０の上、次に緯糸スレッド４７５の下そして最後に緯糸スレッド４８５の下に製織される。経糸スレッド４１１は、緯糸スレッド４５０、４６０、４７０および４８０の下に製織される。他の経糸スレッド４１２、４１３、４１４および４１５は、経糸スレッド４１１と類似のパターンで製織される。したがって、断面平面内の６つの緯糸横列は全て、互いに繋がれる。
【００３５】
図５は、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｏ７０の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｏ７０は、７０／３０％の経糸／緯糸比を有する直交３Ｄ織りである。３Ｄ−Ｏ７０プリフォームは、極めて低クリンプの緯糸スタッファヤーンおよび厚み貫通バインダヤーンを有する。図１Ａ中に示された３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｐ１−５０と同様に、３Ｄ製織プリフォームアーキテクチャ３Ｄ−Ｏ７０においては、１緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面（図示せず）が存在する。
【００３６】
図５に示されているように、断面平面は、経糸スレッド５１０、５１１．．．５１６および５１７を含む。図５に示されているように、３Ｄ製織プリフォームの製織中、経糸スレッド５１０は、緯糸スレッド５５０の上に製織され、その後緯糸スレッド５６０の上、次に緯糸スレッド５７５の下、そして最後に緯糸スレッド５８５の下に製織される。経糸スレッド５１１および５１２は、緯糸スレッド５５０、５６０、５７０および５８０の下に製織される。経糸スレッド５１１および５１２は、緯糸スレッド５５０、５６０、５７０および５８０の下に製織される。経糸スレッド５１３は、緯糸スレッド５５１、５６１、５７１および５８１の下に製織される。経糸スレッド５１４および５１５は、経糸スレッド５１３と類似のパターンで製織され、経糸スレッド５１６および５１７は経糸スレッド５１１および５１２と類似のパターンで製織される。したがって、断面平面内の６つの緯糸横列が互いに繋がれる。
【００３７】
所望の３Ｄ製織プリフォーム構造が形成された後、この構造にマトリクス材料を含浸させて複合材を形成することができる。構造は、マトリクス材料内に包埋された状態になり、マトリクス材料は、構造を構成する要素の隙間部域を充填する。マトリクス材料は、所望の物理的、熱的、化学的および／または他の特性を同様に示すエポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミック、炭素および／または他の材料などの多様な材料のいずれかであってよい。マトリクスとして使用するために選択される材料は、構造の材料と同じであってもなくてもよく、匹敵する物理的、化学的、熱的または他の特性を有していてもいなくてもよい。しかしながら典型的には、複合材を使用する上で求められる共通の目的は、１つの構成材料単独の使用を通しては到達できない完成品における特性の組合せを達成することにあることから、これらは同じ材料でできていないかまたは匹敵する物理的、化学的、熱的または他の特性を有していないことがある。このように組合されたこの構造およびマトリクス材料は、このとき熱硬化または他の公知の方法により同じ作業において硬化され安定化され得、次に所望の構成要素の生産に向けて他の作業に付されてよい。このように硬化された後、マトリクス材料のこのとき固化した質量は構造に接着させられる。その結果、特に繊維間の接着剤として作用するそのマトリクス材料を介した完成製品に対する応力が、構造の構成材料に対して有効に伝達され、構造の構成材料により担持される。
【００３８】
該構造のエネルギ吸収特性（ＳＥＡ）の比較試験結果
３Ｄ製織プリフォーム３Ｄ−Ｐ１−５０、３Ｄ−Ｐ１−７０、３Ｄ−Ｐ２−５０、３Ｄ−Ｏ５０および３Ｄ−Ｏ７０は、より軽量で、積層複合材または高強度金属などの従来の材料で製造されたものを置換することができる３Ｄ製織複合材部品の製造を可能にする高いエネルギ吸収特性に導くことのできる改善された特性を有している。これを実証する目的で、さまざまな２Ｄ積層複合材および３Ｄ製織炭素−エポキシ複合材のＳＥＡを測定し比較する実験研究が実施された。３つの異なるエネルギ吸収モードを引き起こすために、２Ｄ積層複合材については、３つの異なるレイアップ（積層編成、layups）が検討された。３Ｄ製織複合材については、合計５つの異なる構成のために２つの一次アーキテクチャの変形形態が検討された。
【００３９】
図６は、試験前（Ａ）、中（Ｂ）および後（Ｃ）の波形複合材試料を示す。ＳＥＡは、材料および構造の組合せた特性であることから、公開された研究作業に基づいて、波形の幾何形状を有する試験試料を選択した。全ての試料を、図６に示されているように、準静的および動的条件下で平坦なプラテンの間で圧砕した。全ての２Ｄおよび３Ｄ複合材試料を製造するために、同じ市販グレードで標準弾性率の炭素繊維および自動車グレードのエポキシ樹脂を使用した。８つの構成全てについての繊維体積分率は、製造許容差範囲内でおおよそ６０％であった。試験中に測定した力−変位曲線および試料の重量を用いてＳＥＡ値を計算した。
【００４０】
図７は、Ａ−Ｅとして示された３Ｄ製織複合材およびＦ−Ｈとして示された２Ｄ積層複合材を用いて試験した８つの構成全ての準静的ＳＥＡ比較を示す。準静的試験の結果は、１つを除く全ての３Ｄ製織複合材が全ての２Ｄ積層複合材よりも性能が優れていることを示した。１つの３Ｄアーキテクチャファミリーについての２Ｄ−Ｓに比べた改善は、３Ｄ−Ｐ５０−３ｖ２について２０％、３Ｄ−Ｏ５０について５０％であった。車両中の実際の衝突状況をより良く表わす動的負荷の下で、３Ｄ製織複合材は２Ｄに比べ優れた性能を示した。
【００４１】
図８は、４つの構成について速度依存性ＳＥＡ値を比較するグラフを示す。中速（１．７ｍ／秒）（Ａ）および高速（６．４ｍ／ｓ）（Ｂ）の動的試験結果は、準静的動的値（Ｃ）に比べて２Ｄ−Ｓについてはおおよそ３３％、３Ｄ−Ｏ５０については２６％のＳＥＡの降下を伴って、同じ傾向を示した。
【００４２】
図９は、３Ｄ製織複合材製長手方向構成要素の開発のための考えられる自動車利用分野の４つの別形を示す。図９中では、異なるレベルの構造的支持および統合を提供する自動車用クラッシュチューブの応用、例えば（１）寄生性かつ前方衝撃のみ、（２）寄生性かつ前方および側方衝撃、（３）駆動負荷と衝突−構造負荷の組合せ、（４）部品の総数およびコストを削減するための車両内の他の周囲構造との統合、が示されている。
【００４３】
経糸および緯糸方向におけるスレッドが異なる材料および／またはサイズのものであり得ることを認識すべきである。スレッド、ヤーンまたは繊維の材料は限定されていない。炭素繊維が記載されているものの本発明のスレッド、ヤーンまたは繊維は、他の事実上全ての繊維タイプ、例えばガラス、セラミック、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、延伸破断繊維、例えば延伸破断炭素繊維（ＳＢＣＦ）または延伸破断され得る他の材料、またはその材料の組合せ、または任意の好適な材料に適用可能である。
【００４４】
図１Ａ〜５は、実施例としていくつかの製織パターンを描写しているが、本発明は、描写された製織パターンに限定されないということを認識すべきである。他の実施形態が、以下のクレームの範囲内に入る。
【図１Ａ】
2018534378.tif 000003
【図１Ｂ】
2018534378.tif 000004
【図１Ｃ】
2018534378.tif 000005
【図１Ｄ】
2018534378.tif 000006
【図１Ｅ】
2018534378.tif 000007
【図１Ｆ】
2018534378.tif 000008
【図１Ｇ】
2018534378.tif 000009
【図１Ｈ】
2018534378.tif 000010
【図１Ｉ】
2018534378.tif 000011
【図２】
2018534378.tif 000012
【図３】
2018534378.tif 000013
【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】
2018534378.tif 000018
【図９】
2018534378.tif 000019
【国際調査報告】
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