(57)【要約】      （修正有）【課題】プリプレグのアウトタイムが比較的長く、比較的低い硬化温度及び／又は比較的短い硬化時間を有する樹脂硬化の樹脂反応速度を制御するために方法の提供。【解決手段】複数の高分子ナノ粒子を含む組成物であって、高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、樹脂硬化工程の間に触媒又は硬化剤のいずれかを放出し、触媒又は硬化剤が、樹脂の反応速度を変更する熱硬化性樹脂組成物。高分子ナノ粒子が１０〜２００ｎｍの粒子断面幅を有するし、前記樹脂の体積の７５％迄占める熱硬化性樹脂組成物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂（１１２）、
複数の高分子ナノ粒子（２００）、
を含む組成物であって、前記高分子ナノ粒子（２００）のうちの少なくとも幾つかが、樹脂硬化工程の間に触媒（２０４）又は硬化剤（２０８）のいずれかを放出し、前記触媒（２０４）又は前記硬化剤（２０８）が、前記樹脂の反応速度を変更する、組成物。
【請求項２】
前記高分子ナノ粒子（２００）のうちの少なくとも幾つかが、前記樹脂内で分解又は少なくとも部分的に溶解し、前記樹脂硬化工程の間に触媒（２０４）又は硬化剤（２０８）のいずれかを放出する、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記樹脂（１１２）が、前記高分子ナノ粒子（２００）を有しない樹脂の硬化時間よりも少ない硬化時間を有する、請求項１又は２に記載の組成物。
【請求項４】
前記樹脂（１１２）が、前記高分子ナノ粒子（２００）を有しない樹脂の硬化温度よりも低い硬化温度を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項５】
前記高分子ナノ粒子（２００）が、１０から２００ナノメートルの粒子断面幅を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項６】
前記高分子ナノ粒子（２００）が前記樹脂の体積の７５％まで占める、請求項１から５のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項７】
前記高分子ナノ粒子（２００）が、第１高分子ナノ粒子と、前記第１高分子ナノ粒子とは異なる構成及び／又は材料を有する第２高分子ナノ粒子とを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項８】
前記第１高分子ナノ粒子が、前記第２高分子ナノ粒子とは異なる温度と時間で溶解する、請求項７に記載の組成物。
【請求項９】
前記第１高分子ナノ粒子が硬化剤（２０８）を含み、
前記第２高分子ナノ粒子が触媒（２０４）を含み、及び
前記第２高分子ナノ粒子が触媒（２０４）を少なくとも部分的に溶解及び／又は放出する時間とは異なる時間で、前記第１高分子ナノ粒子が硬化剤（２０８）を少なくとも部分的に溶解及び／又は放出するように構成される、請求項７又は８に記載の組成物。
【請求項１０】
前記高分子ナノ粒子（２００）のうちの少なくとも幾つかが、コア・シースナノ粒子（２１２）を含み、前記コア・シースナノ粒子（２１２）がそれぞれ前記触媒（２０４）又は前記硬化剤（２０８）を含有するコア（２２８）を封入するシース（２１４）を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１１】
前記コア・シースナノ粒子（２１２）が、第１高分子ナノ粒子及び第２高分子ナノ粒子を含み、前記第１高分子ナノ粒子が第１シース厚みを有し、前記第２高分子ナノ粒子が前記第１シース厚みとは異なる第２シース厚みを有し、及び
前記第１シース厚みが前記樹脂内に前記第２シース厚みとは異なる溶解時間を有する、請求項１０に記載の組成物。
【請求項１２】
前記コア・シースナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが第１高分子ナノ粒子及び第２高分子ナノ粒子を含み、前記第１高分子ナノ粒子の前記シースが第１溶解性を有する第１シース材から形成され、前記第２高分子ナノ粒子の前記シースが前記第１溶解性とは異なる第２溶解性を有する第２シース材から形成される、請求項１０に記載の組成物。
【請求項１３】
可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子（２００）を熱硬化性樹脂（１１２）に混合すること、
前記樹脂の硬化の間に前記樹脂内の前記高分子ナノ粒子（２００）を少なくとも部分的に溶解すること、及び
前記高分子ナノ粒子（２００）の溶解の間に前記高分子ナノ粒子（２００）から触媒（２０４）又は硬化剤（２０８）のいずれかを放出すること
を含む組成物を製造する方法。
【請求項１４】
前記樹脂（１１２）が、同じ硬化時間及び／又は硬化温度に対して、高分子ナノ粒子（２００）を有しない樹脂よりも長いアウトタイムを有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記高分子ナノ粒子（２００）を有しない樹脂の硬化温度よりも低い硬化温度で前記樹脂（１１２）を硬化する、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記高分子ナノ粒子（２００）のうちの少なくとも幾つかが、硬化剤（２０８）を含有する又は含む第１高分子ナノ粒子、及び触媒（２０４）を含有する又は含む第２高分子ナノ粒子を含み、前記樹脂（１１２）内の前記高分子ナノ粒子を少なくとも部分的に溶解する前記ステップが、
前記第１高分子ナノ粒子を溶解し、且つ異なる時間で硬化剤（２０８）を前記樹脂内に放出することから、前記第２高分子ナノ粒子を溶解し、且つ触媒（２０４）を前記樹脂内に放出することを含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記高分子ナノ粒子（２００）のうちの少なくとも幾つかが、コア・シースナノ粒子を含み、前記コア・シースナノ粒子がそれぞれ前記触媒（２０４）又は前記硬化剤（２０８）から形成されるコアを封入するシース（２１４）を備え、前記樹脂内の前記高分子ナノ粒子（２００）を少なくとも部分的に溶解する前記ステップが、
前記樹脂（１１２）内の前記シースを所定の温度と時間で溶解すること、及び
前記シースを溶解することに応答して、前記触媒（２０４）又は前記硬化剤（２０８）を前記樹脂内に放出することを含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して複合材料に関し、より具体的には、樹脂硬化の間に樹脂反応速度を制御するために複合材レイアップ内の高分子ナノ粒子を使用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材構造体の製造は、複合材プライを所定の形状に切削することを含むことができる。切削して形状を整える前に、複合材プライは、樹脂と硬化剤の混合物（例えば、プリプレグプライ）で予め含浸されてもよく、且つ未硬化であってもよく、又は部分的に硬化されてもよい。切削されたプライは、ツール表面（例えば、金型表面）の上に積み重なり、複合材レイアップを形成することができる。各プライは、プライ積層シーケンスに従って、繊維が特定の方向に配向されるように配置されてもよい。真空バッグを複合材レイアップの上に配置して真空圧力を適用し、複合材レイアップから空気と皺を取り除き、複合材レイアップをツール表面に適合させるために複合材レイアップを圧密化させることができる。樹脂の粘度を低減するために複合材レイアップの温度を上げることができ、それにより、各プリプレグプライ内の樹脂が流動し、及び／又は隣接するプリプレグプライの樹脂と混ざり合うことができる。
【０００３】
複合材レイアップの高温によって、樹脂のための硬化工程が開始されることができる。硬化工程の間、樹脂を硬化して凝固状態又は硬化状態にするため、複合材レイアップを所定の時間だけ１つ又は複数の高温で保持されることがある。樹脂の硬化では、樹脂が液体から個体に変化する間に架橋反応が関わる場合がある。架橋反応のために、熱が生成される場合がある。
【０００４】
レイアップ工程の開始まで、熱硬化性プリプレグを比較的低温度（例えば、華氏０度以下）で通常は保存しなければならない。それは、プリプレグが室温で保存される場合に生じうる樹脂の劣化及び樹脂の更なる硬化を避けるためである。その際、熱硬化性プリプレグはアウトタイムが制限されている。アウトタイムは、プリプレグが製造可能性を失い始める前に室温に留まることができる時間量と説明することができる。例えば、プリプレグのアウトタイムを越えると、レイアップの間の動きに対してプリプレグプライを安定化するのに必要なプライの粘着度又は粘り気を低減させる場合がある。更に、プリプレグのアウトタイムを越えると、硬化工程の間に樹脂の粘度がより高くなる場合があり、最終的な複合材構造体内で望まれる繊維体積分率を達成するために複合材レイアップを完全に圧密化させる能力を損なう場合がある。
【０００５】
大きい複合材レイアップ及び／又は複雑な形状を有する複合材レイアップは、アウトタイムの延長を要する場合があり、これにより、複合材レイアップの最終的な硬化の前に実行しなければならない複数の処理工程が可能になる。例えば、大きな複合部品の製造は、複数のプリプレグ複合材プライの切削とレイアップ、並びにそれに続く真空バギング、圧密化、及び最終的な硬化の前に必要とされ得る他の処理工程のために、室温における数週間のアウトタイムを要する場合がある。
【０００６】
従来型の熱硬化性樹脂では、アウトタイムの長さと、最終的に必要とされる硬化温度及び硬化時間との間に相反関係がある。長いアウトタイムを有するように形成される熱硬化性樹脂は、比較的高い硬化温度又は長い硬化時間を要する場合がある。硬化温度が高いことにより、硬化された樹脂の特性が低減するリスクが示される場合があり、及び／又は、最終的な複合材構造体の形状に歪みが生じる場合がある。熱硬化性樹脂は、高い硬化温度に関連する欠点を回避するために、比較的低い硬化温度を有するように形成される場合がある。しかしながら、低い硬化温度を有する樹脂は、比較的短いアウトタイムを有する場合があり、これは、大きい複合部品及び／又は複雑な形状を有する複合部品を製造するにあたって課題を提示する場合がある。
【０００７】
以上から明らかなように、当該技術分野では、比較的長いアウトタイムを許容し、更に比較的低い硬化温度及び／又は比較的短い硬化時間を有する、樹脂のシステム及び方法が必要とされる。
【発明の概要】
【０００８】
樹脂システムに関連する上記の必要性は、複数の高分子ナノ粒子を含有する熱硬化性樹脂を含み得る組成物を提供する本開示によって具体的に対処される。高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、樹脂内で分解又は少なくとも部分的に溶解し、樹脂硬化工程の間に触媒又は硬化剤のいずれかを放出することができる。触媒又は硬化剤は、樹脂の反応速度を変更することができる。
【０００９】
更なる実施形態では、熱硬化性樹脂を含む複合材レイアップ、樹脂内に含まれる複数の高分子ナノ粒子、及び樹脂内に組み込まれる複数の強化繊維が開示される。樹脂内の高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、樹脂内で少なくとも部分的に溶解し、それにより、樹脂硬化工程の間に触媒又は硬化剤のいずれかを放出することができる。触媒又は硬化剤は、樹脂の反応速度を変更することができる。
【００１０】
更に、組成物の製造方法が開示される。この方法は、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子を熱硬化性樹脂に混合し、樹脂の硬化の間、樹脂内の高分子ナノ粒子を分解又は少なくとも部分的に溶解することを含んでもよい。この方法は、高分子ナノ粒子の溶解の間に高分子ナノ粒子から触媒又は硬化剤のいずれかを放出し、樹脂の反応速度を変更することを更に含んでもよい。
【００１１】
上述の特徴、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は更に他の実施形態において組み合わせることができる。その更なる詳細は、後述の説明及び以下の添付図面を参照して確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示のこれらの特徴及び他の特徴は、添付図面を参照するとさらに明らかとなる。図全体で、同様の参照番号は同様のパーツを示す。
【００１３】
【図１】樹脂硬化工程の間に触媒又は硬化剤を放出するように構成される高分子ナノ粒子を含有する樹脂に埋め込まれる繊維を含む複合材レイアップのブロック図である。
【図２】一方向プライのスタックを含む複合材レイアップの斜視図である。
【図３】複合材レイアップの一部の断面が示される。
【図４】図３のライン４に沿って切り取られた複合材レイアップの一部の拡大図であり、樹脂内の複数の高分子ナノ粒子が示される。
【図５】図４のライン５に沿って切り取られた未硬化樹脂の単位胞の概略図であり、触媒を含有する高分子ナノ粒子が示される。
【図６】高分子ナノ粒子のうちの幾つかが触媒を含み、高分子ナノ粒子のうちの幾つかが硬化剤を含む、高分子ナノ粒子を含有する未硬化樹脂の単位胞の概略図である。
【図７】コア・シースナノ粒子を含有する未硬化樹脂の単位胞の概略図である。コア・シースナノ粒子はそれぞれ触媒又は硬化剤を含むコアを封入するシースを有する。
【図８】高分子ナノ粒子を含有しない未修飾熱硬化性樹脂（ｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇ  ｒｅｓｉｎ）のための２段階硬化サイクルのグラフであり、未修飾熱硬化性樹脂の２段階硬化サイクルの間の温度、硬化速度、及び硬化度が示される。
【図９】２段階硬化サイクルの第１温度ホールドの間に触媒を放出するように構成される高分子ナノ粒子で修飾された樹脂のための２段階硬化サイクルのグラフである。
【図１０】シースがそれぞれ異なるシースの厚みを有する、コア・シースナノ粒子を含有する未硬化樹脂の単位胞の概略図である。
【図１１】シースがそれぞれ異なるシース材を有する、コア・シースナノ粒子を含有する未硬化樹脂の単位胞の概略図である。
【図１２】２段階硬化サイクルの第１温度ホールドの間に触媒を徐々に放出する高分子ナノ粒子で修飾された樹脂のための２段階硬化サイクルのグラフである。
【図１３】第１温度ホールドの間に達成された完全な硬化を可能にするように、第１温度ホールドの間に触媒を徐々に放出する高分子ナノ粒子で修飾された樹脂のための硬化サイクルのグラフである。
【図１４】全体にわたって分散された触媒粒子をそれぞれ含有する高分子ナノ粒子を含有する未硬化樹脂の単位胞の概略図である。
【図１５】樹脂全体にわたって一様に分散し、且つ第１温度ホールドの間に完全な硬化が達成されることを可能にする高分子ナノ粒子を含有する樹脂のための硬化サイクルのグラフである。
【図１６】熱可塑性材料から形成され、触媒を含有する可溶性高分子ナノ粒子を含有する未硬化樹脂の単位胞の概略図である。
【図１６Ａ】樹脂内の熱可塑性の高分子ナノ粒子が部分的に溶解し、各高分子ナノ粒子の位置の周囲に強靭性の勾配が生じることを示す概略図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａの準可溶性高分子ナノ粒子のうちの１つの概略図であり、粒子の中心から高分子ナノ粒子を取り囲む基材樹脂へ向かって広がる強靭性の勾配が概略的に示されている。
【図１７】組成物の製造方法に含まれ得る１つ又は複数の操作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面は本開示の様々な実施形態を例示するためのものであり、ここで図面を参照すると、図１では、複合材レイアップ１０２から製造されることができる複合材構造体１００のブロック図が示される。複合材レイアップ１０２は、複数の高分子ナノ粒子２００を含有する熱硬化性樹脂１１２の組成物１１０を含んでもよい。幾つかの例では、組成物１１０は、一方向テープ、織布、編み上げ繊維、及び他の繊維形態などの様々な繊維形態のうちの任意の１つの形態で配置される強化繊維１１６又は繊維トウを更に含んでもよい。一つ一つの繊維１１６は、複数の強化フィラメント１１８から形成されてもよい。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、１つ又は複数の強化フィラメント１１８に連結されてもよい。
【００１５】
有利には、熱硬化性樹脂マトリックス内の高分子ナノ粒子２００のうちの少なくとも幾つかは、樹脂硬化速度を変更する手段として、樹脂硬化工程の間、樹脂１１２内に触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を放出するように構成されてもよい。例えば、樹脂１１２内に触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を放出することにより、硬化工程の間の樹脂１１２の反応速度を増大させることができる。幾つかの例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内の所定の温度及び／又は時間で分解又は少なくとも部分的に溶解するように構成されてもよい。他の例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内で完全に溶解する場合がある。樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００が分解又は少なくとも部分的に溶解することにより、高分子ナノ粒子２００に含まれ得る触媒２０４及び／又は硬化剤２０８の放出が引き起され得る。
【００１６】
本開示では、触媒２０４は、樹脂硬化に必要とされる架橋反応を促進し得る非反応性物質と記述されることがある。硬化剤２０８は、所定の割合で樹脂１１２と混合され、且つ樹脂硬化工程の間に樹脂１１２と反応又は架橋し、それにより、樹脂１１２が液体状態から固体状態に不可逆的に転移されることを引き起す、反応性成分と記述されることがある。本開示では、樹脂混合物１１４は、樹脂１１２及び高分子ナノ粒子２００と記述されることがある。以上で示されたように、高分子ナノ粒子２００のうちの幾つかは、樹脂１１２の反応速度を変更するための触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を含んでもよい。
【００１７】
しかしながら、樹脂混合物１１４は、樹脂の反応速度を変更すること以外の機能を有する高分子ナノ粒子、或いは樹脂の反応速度を変更することに加えて更に機能を有するような高分子ナノ粒子を更に含んでもよい。例えば、樹脂混合物１１４は、未修飾樹脂の強靭性よりも高い強靭性を有し得る熱可塑性材料から形成されることができる高分子ナノ粒子２００を含んでもよい。熱可塑性の高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内で少なくとも部分的に溶解するように構成されてもよく、これにより、熱可塑性の高分子ナノ粒子２００を有しない樹脂に比べて樹脂１１２の強靭性を増大させる結果となる場合がある。例えば、樹脂混合物１１４は、樹脂の弾性率、強度、熱膨張係数（ＣＴＥ）、耐燃性、煙及び毒性レベル、導電率、及び／又は耐食性を改善するために高分子ナノ粒子２００を含んでもよい。加えて、樹脂１１２は、硬化縮小、反応熱を低減させるため、及び／又は複合材レイアップ１０２及び／又は複合材レイアップ１０２から形成される複合材構造体１００の他の特性を改善するために高分子ナノ粒子２００を含んでもよい。
【００１８】
本開示では、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２を硬化し、且つ最終的な複合材構造体１００を形成するために熱及び／又は圧力が適用された後、液状樹脂１１２が乾燥繊維複合材レイアップ１０２に注入される樹脂注入プロセスにおいて使用されてもよい。加えて、本開示は、プリプレグの繊維トウ、プリプレグの一方向テープ、プリプレグの織布、プリプレグの編み上げ繊維、及び他のプリプレグの形態などの様々な異なる繊維形態のうちの任意の１つ又は複数を予め含浸するために使用され得る樹脂１１２内に高分子ナノ粒子２００を組み込むことを想定している。プリプレグ繊維形態は、複合材レイアップ１０２を硬化するために熱及び／又は圧力が適用された後に複合材レイアップ１０２内に配置されてもよい。幾つかの例では、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８は、高分子ナノ粒子２００のうちの１つ又は複数の全体にわたって実質的に一様に分散されてもよい。他の例では、高分子ナノ粒子２００の少なくとも一部は、以下で説明されるように、コア・シースナノ粒子２１２であってもよい。本明細書で開示される任意の１つの例では、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８は、固体形状又は半固体形状であってもよく、樹脂１１２内で可溶性であってもよい。
【００１９】
樹脂の反応速度を増大させることによって、樹脂１１２の硬化温度及び／又は硬化時間は、高分子ナノ粒子２００を有しない樹脂に対して減少させることができる。その際、樹脂１１２は、同じ硬化時間と硬化温度に対して、高分子ナノ粒子２００を欠く樹脂１１２よりも長いアウトタイムを有するように形成されてもよい。樹脂１１２のアウトタイムが増えることにより、最終的硬化前の樹脂１１２の製造可能性の低減なく、複数の処理工程（例えば、プライの切削、プライのレイアップ、真空バギング、圧密化など）の実行が可能になる。硬化温度の減少によって、樹脂１１２の分解温度又は燃焼温度を越えるリスクを低減又は回避することができる。さもなければ、このリスクは、加熱による複合材レイアップ１０２への損傷、又は、最終的な複合材構造体１００の形状の歪みに至る場合がある。樹脂１１２の硬化時間の減少によって、複合材構造体１００の全体的な製造時間の減少に至る場合があり、より高い生産率を可能にする場合がある。高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２との関連において説明されるが、高分子ナノ粒子２００は、接着剤、被覆、射出成形用プラスチック、及び他の用途として使用され得る樹脂１１２内に含まれてもよい。
【００２０】
図２は、複合材プライ１０４のスタックとして形成される複合材レイアップ１０２を概略的に示す。示されている例では、複合材プライ１０４は一方向プライ１０８である。しかしながら、複合材プライ１０４は、限定しないが、一方向テープ、織布、編み上げ繊維、編み込み繊維形態、短繊維形態、及び波形及び非波形の繊維形態のいずれかの種類を含む、様々な異なる繊維形態のうちの任意の１つにおいて提供されてもよい。図示の例では、一方向プライ１０８は、高分子ナノ粒子２００を含有する液状樹脂１１２が注入され得る乾燥繊維プライであってもよく、或いは、一方向プライ１０８は、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１２で予め含浸され得るプリプレグプライであってもよい。一方向プライ１０８は、横並びに配置される複数の一方向テープ１２０から作成されてもよい。各一方向プライ１０８は、平行な連続した強化繊維１１６又は繊維トウを含んでもよい。本開示では、繊維、複合材繊維、強化繊維、及び繊維トウという用語は、交換可能に使用されてもよい。各繊維トウは、数千の強化フィラメント１１８の束（例えば、最大１００、０００本の強化フィラメント）として形成されてもよい。幾つかの例では、強化フィラメント１１８は、５から３０ミクロンのフィラメント断面幅（ｆｉｌａｍｅｎｔ  ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｗｉｄｔｈ）又は直径を有してもよい。例えば、炭素強化フィラメント１１８は、約５から７ミクロンのフィラメント断面幅を有してもよい。ガラス強化フィラメント１１８は、１０から２５ミクロンのフィラメント断面幅を有してもよい。
【００２１】
図３は、複合材レイアップ１０２の一部の断面を示し、複合材プライ１０４を作り上げる強化フィラメント１１８の配向を示す。ここで明らかなように、各一方向プライ１０８内の強化フィラメント１１８は、隣接する一方向プライ１０８内の強化フィラメント１１８に対して異なる角度で配向されてもよい。図示の例では、上方の３つの複合材プライ１０４の中の強化フィラメント１１８と下方の３つの複合材プライ１０４の中の強化フィラメント１１８は、互いに対して４５度の角度で配向される。しかしながら、複合材プライ１０４のうちの任意の１つは、複合材レイアップ１０２内の任意の他の複合材プライ１０４に対して、平行又は非平行に配向される強化繊維１１６を含んでもよい。
【００２２】
以上で示されるように、複合材レイアップ１０２は、プリプレグ複合材プライ１０４を使用して形成されてもよい。触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を含有する高分子ナノ粒子２００は、プリプレグ操作中に、強化フィラメント１１８及び／又は繊維トウに適用されてもよい。代替的に、複合材レイアップ１０２は、乾燥繊維複合材プライを使用して形成されてもよい。乾燥繊維複合材プライは、その後、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を含有する樹脂１１２が注入される場合がある。例えば、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を有する高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１２を含む樹脂混合物１１４は、様々な適した樹脂注入プロセスのうちの任意の１つを使用して、乾燥繊維複合材プライに注入されてもよい。代替的に、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を有する高分子ナノ粒子２００を含有する１つ又は複数の樹脂フィルムは、１つ又は複数の乾燥繊維複合材プライの間にレイアップされてもよい。樹脂混合物１１４を複合材レイアップ１０２に注入した後、複合材レイアップ１０２を圧密化することができ、熱及び／又は圧力を適用して樹脂１１２を硬化し、複合材構造体１００が形成されることができる。
【００２３】
樹脂は、次の熱硬化性材料のうちの任意の１つから形成されてもよい：ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化高分子（ポリフェニレンスルフィド）、導電性高分子（例えば、ポリアニリン）、ベンゾオキサジン、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリエステル、エポキシ、及び／又はシルセスキオキサン。高分子ナノ粒子２００は、熱可塑性材料及び／又は熱硬化性材料から形成されてもよい。熱可塑性材料は、アクリル、フッ化炭素、ポリアミド、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリルエーテルケトン（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトン（ＰＥＫＥＫ））、など）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、及びポリフェニルスルホンを含んでもよい。高分子ナノ粒子２００は、上記の熱硬化性材料のうちの任意の１つから形成されてもよい。強化フィラメント１８８は、炭素、炭化ケイ素、ホウ素、セラミックなどの材料、及び金属材料から形成されてもよい。強化フィラメント繊維１１８は、Ｅガラス（アルミノホウケイ酸塩ガラス）、Ｓガラス（アルミノケイ酸塩ガラス）、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラス、及び他のガラス組成物などのガラスから形成されてもよい。
【００２４】
図４は、図３の複合材レイアップ１０２の一部の拡大図であり、樹脂１１２内の複数の高分子ナノ粒子２００が示される。高分子ナノ粒子２００の少なくとも一部が、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を含有してもよい。有利には、高分子ナノ粒子２００は、強化フィラメント１１８のフィラメント断面幅に対して、比較的小さい粒子断面幅（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｗｉｄｔｈ）２０２又は直径で提供されてもよい。比較的小さい粒子断面幅２０２により、樹脂の粘度に対する影響が最小限となることができる。例えば、高分子ナノ粒子２００は、約１０から２００ナノメートルの粒子断面幅２０２又は直径を有してもよい。他の例では、高分子ナノ粒子２００は、約１０から１００ナノメートルの間の断面幅を有してもよい。しかしながら、特定の用途では、高分子ナノ粒子２００は、最大２ミクロンの断面幅を有してもよい。有利には、高分子ナノ粒子２００のサイズが比較的小さいことにより、高分子ナノ粒子２００の外側部分の硬化が未熟となるリスクが最小限となる。さもなければ、硬化が未熟であると、高分子ナノ粒子２００の内側部分の溶解が妨げられる場合がある。幾つかの例では、種々のサイズの高分子ナノ粒子２００を使用することができる。例えば、高分子ナノ粒子２００のうちの少なくとも一部は、樹脂混合物１１４内の他の高分子ナノ粒子２００の粒子断面とは異なり得る粒子断面幅２０２を有してもよい。
【００２５】
高分子ナノ粒子２００の比較的小さいサイズによって、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８が樹脂１１２全体にわたって実質的に一様に分散されることが可能となり、それにより、複合材レイアップ１０２の体積全体にわたって樹脂の反応速度が一様に影響される。図示の例では、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２を構成する一方向テープ１２０の強化フィラメント１１８間に含まれてもよい。加えて、隣接する複合材プライ１０４間の層間領域１０６は、高分子ナノ粒子２００の一様な分散を更に含んでもよい。また更に、高分子ナノ粒子２００は、一方向テープの隣接するペアの対向する側端間の空間に含まれてもよい。織布又は編み上げ繊維などの他の繊維形態を用いて形成される複合材レイアップ１０２に関しては、高分子ナノ粒子２００は、複合材レイアップ１０２全体にわたって同様に一様に分散される場合があり、それにより、複合材レイアップ１０２全体にわたって樹脂の反応速度が一様に影響される。
【００２６】
例えば、複合材レイアップ１０２は、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を有する高分子ナノ粒子２００を含有するプリプレグの一方向テープ１２０から形成されてもよい。複合材レイアップ１０２をデバルキング及び／又は圧密化した後、樹脂１１２の粘度を下げるために熱が適用される場合があり、それにより、各一方向プライ１０８の樹脂混合物１１４が流動し、他の一方向プライ１０８の樹脂混合物１１４と混ざり合うことが可能になる。樹脂混合物１１４が混ざり合うことにより、高分子ナノ粒子２００が複合材レイアップ１０２全体にわたって概して一様に分散される結果となる場合がある。熱の適用により、最終的な硬化工程が開始される場合があり、且つ高分子ナノ粒子２００の分解及び／又は溶解が促進される場合があり、それにより、以下でより詳細に説明されるように、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８の放出が引き起され、反応速度が変更される。
【００２７】
図５は、未硬化樹脂１１２の単位胞の概略図である。樹脂１１２は、触媒２０４を含有する又は含む高分子ナノ粒子２００を含む。高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内で実質的に一様に分配されてもよく、且つ樹脂１１２内で完全可溶性であってもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００は、可溶性又は準可溶性の熱可塑性物質及び触媒２０４の混合物から成ってもよい。熱可塑性物質が樹脂１１２内で溶解するにつれて、触媒２０４は、樹脂の反応速度１１２を変更（例えば、増大）するために樹脂１１２内に徐々に放出されてもよい。加えて、熱可塑性物質の溶解によって、樹脂１１２の強靭性の局所的増大に至る場合があり、それにより、樹脂１１２内の亀裂の発生又は亀裂の成長の傾向が低減又は回避される。
【００２８】
高分子ナノ粒子２００は、概して丸い形又は球形で提供されてもよく、これにより、比較的小さい粒子断面幅２０２との組み合わせによって、樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００の濃度レベルが比較的高いときでも、樹脂の粘度に対する高分子ナノ粒子２００の影響を最小限にすることができる。１つの例では、樹脂混合物１１４は、樹脂の粘度に対する影響を最小限にしつつ、高分子ナノ粒子２００が体積の約７５％までを占めることができる。
【００２９】
その際、樹脂混合物１１４の粘度は、主に基材樹脂１１２によって制御されることができる。他の例では、樹脂混合物１１４は、高分子ナノ粒子２００が体積の５から５０％を占めることができる。更なる例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４の体積の１０から４０％を構成することができる。別の更なる例では、高分子ナノ粒子２００は、樹脂混合物１１４の体積の２０から４０％を構成することができる。高分子ナノ粒子２００の概して丸い形又は球形によって、高分子ナノ粒子２００が、他の高分子ナノ粒子２００とかみ合うこと、或いは、強化フィラメント１１８とかみ合うのを防止することができる。このかみ合いは、先鋭な端部又は角部を有することがある非球形又は不規則な形状のナノ粒子で生じる場合がある。しかしながら、本開示では、球形以外の形状で提供される高分子ナノ粒子を想定しており、限定されないが、長方形又は楕円形、並びに立方体、矩形、ピラミッド、及び他の形状を含む他の３次元形状を含んでもよい。
【００３０】
有利には、完全可溶性又は準可溶性高分子ナノ粒子２０２、２０４の比較的小さなサイズにより、樹脂内で溶解しているナノ粒子物質が、各ナノ粒子の位置で実質的に一様に分散されることが可能になる。より具体的には、ナノ粒子の比較的小さなサイズ（例えば、１０から２００ｎｍ）によって、各ナノ粒子の（前の）位置で、溶解したナノ粒子材料が樹脂と混合するための経路長が比較的短くなる（例えば、ナノメートルオーダーで）。例えば、完全可溶性又は準可溶性高分子ナノ粒子２０２、２０４が複合材レイアップ全体にわたって一様に分散されている配置では、ナノ粒子２０２、２０４のサイズが小さいことによって、複合材レイアップ全体にわたって樹脂内の溶解したナノ粒子材料が実質的に一様に分布され、結果的に複合材構造体全体にわたって樹脂の特性が一様に改善される。同様に、完全可溶性又は準可溶性高分子ナノ粒子２０２、２０４が、複合材プライの間、隣り合う繊維トウの対向する側端の間、及び／又は樹脂が豊富なポケット内の対象領域に局所的に適用されるような配置では、ナノ粒子２０２、２０４のサイズが小さいことによって、対象領域で樹脂内に溶解したナノ粒子材料が実質的に一様に分布されることが可能になり、結果的に樹脂及び／又は当該対象領域での複合材構造体の特性は一様に改善される。
【００３１】
図６は、高分子ナノ粒子２００のうちの幾つかが触媒２０４を含み、高分子ナノ粒子２００のうちの幾つかが硬化剤２０８を含む、高分子ナノ粒子２００を含有する未硬化樹脂１１２の単位胞の概略図である。高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２内に徐々に溶解するように構成されてもよく、これにより、樹脂１１２内に触媒２０４及び硬化剤２０８が徐々に放出されることが引き起され、樹脂の反応速度が変更される。１つの例では、熱硬化性樹脂１１２はエポキシ樹脂１１２であってもよく、硬化剤２０８はアミンであってもよい。例えば、硬化剤２０８は、ジアミノジフェニルスルホンであってもよい。しかしながら、他の硬化剤２０８を使用してもよい。幾つかの例では、樹脂は、硬化剤２０８を含有する又は含む第１高分子ナノ粒子、及び触媒２０４を含有する又は含む第２高分子ナノ粒子を含んでもよい。第１高分子ナノ粒子は、第２高分子ナノ粒子とは異なる時間で少なくとも部分的に溶解するように構成されてもよく、それにより、触媒２０４が樹脂内に放出されるときとは異なる時間で硬化剤２０８が樹脂内に放出される。例えば、第１高分子ナノ粒子は、触媒２０４が放出される前に硬化剤２０８が樹脂内に放出されるように、第２高分子ナノ粒子の前に少なくとも部分的に溶解するように構成されてもよい。
【００３２】
図７は、コア・シースナノ粒子２１２を含有する未硬化樹脂１１２の単位胞の概略図である。各コア・シースナノ粒子２１２は、コア２２８を封入するシース２１４を含む。シース２１４は、下記の熱可塑性材料のうちの少なくとも１つから形成されてもよい：アクリル、フッ化炭素、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリルエーテルケトン、及びポリエーテルイミド。しかしながら、シース２１４は、高分子ナノ粒子２００が形成され得る上述の材料のうちの任意の１つからから形成されてもよい。シース２１４は、樹脂１１２内で分解可能又は少なくとも部分的に溶解可能であってもよい。シース２１４の分解又は少なくとも部分的な溶解によって、樹脂１１２がコアと接触することが可能になることができる。コア２２８は、触媒２０４又は硬化剤２０８を含んでもよく、又は含有してもよい。コア２２８は、樹脂１１２内で溶解するように構成されてもよい。樹脂１１２が、触媒２０４を含有する溶解したコア２２８と接触することによって、樹脂１１２の反応速度が幾らか増大することに至る場合がある。樹脂１１２が、硬化剤２０８を含有する溶解したコア２２８と接触することによって、樹脂１１２との架橋の完成が可能になる場合がある。
【００３３】
図８は、高分子ナノ粒子を含まない未修飾熱硬化性樹脂１１２のための２段階硬化サイクル２５０のグラフである。このグラフは、２段階硬化サイクル２５０の間、硬化時間２６２に対して、未修飾熱硬化性樹脂１１２の温度２５６、硬化速度２５８、及び硬化度２６０を示す。図８では、樹脂１１２は室温から始まる。硬化速度２５８は、熱を樹脂に適用する前に、実質的に一定であり得る。樹脂１１２は、比較的低い硬化度２６０で始まる場合がある。例えば、樹脂１１２は、最初は実質的に未硬化であってもよい。樹脂の温度は、第１温度ホールド２５２まで上昇してもよく、これにより、硬化速度２５８の増大となる場合があり、結果として、未修飾樹脂１１２の硬化度２６０の増大となる。所定の時間の第１温度ホールド２５２の後、温度は再度上昇して第２温度ホールド２５４まで達してもよく、これにより、硬化速度２５８の急激な増大、及び樹脂１１２の硬化度２６０の漸次的な増大となる場合がある。第２温度ホールド２５４の終了において、樹脂１１２が実質的に完全に硬化され得るときの後、樹脂１１２に熱を適用することを中断することなどによって、温度が低下することがある。
【００３４】
図９は、高分子ナノ粒子２００で修飾された樹脂１１２のための２段階硬化サイクル２５０のグラフである。修飾された樹脂に関しては、温度２６４、硬化速度２６６、及び硬化度２６８が点線で示される。未修飾樹脂１１２に関しては、温度２５６、硬化速度２５８、及び硬化度２６０が図８のように実線で示される。図９の例では、高分子ナノ粒子２００は、触媒２０４を含有する又は触媒２０４から形成されるコア２２８を封入するシース２１４を含むコア・シースナノ粒子２１２として構成される。シース２１４は、可溶性であってもよい。更に、硬化サイクルが進行するにつれて樹脂１１２内にシース２１４及びコア２２８が溶解する段階を示す、高分子ナノ粒子２００の概略図が示されている。高分子ナノ粒子２００は、樹脂硬化の間に所定の温度と時間を下回ると固体状態に留まる場合があり、且つ高分子ナノ粒子２００は、樹脂硬化の間に所定の温度と時間を上回ると樹脂１１２内で分解又は少なくとも部分的に溶解する場合がある。
【００３５】
図９では、修飾された樹脂１１２に熱が適用される場合があり、それにより、室温から第１温度ホールド２５２まで樹脂１１２の温度２６４の上昇が引き起される。温度が第１温度ホールド２５２に到達するにつれて、シース２１４は、樹脂１１２内に分解又は少なくとも部分的に溶解し始める場合があり、それにより、樹脂１１２内に触媒２０４が徐々に放出され始める結果となる場合がある。樹脂１１２内に触媒２０４が放出されることにより、硬化速度２６６を増大させる場合があり、樹脂１１２が、第１温度ホールド２５２の間に、触媒及び／又は硬化剤を有する高分子ナノ粒子２００を欠いた樹脂で達成することができる硬化度２６０よりも高い硬化度２６８を達成することを可能にする場合がある。第１温度ホールド２５２の終了において、温度は再度上昇して第２温度ホールド２５４まで達してもよく、これにより、硬化速度２６６の急激な増大、及び未修飾樹脂１１２の硬化度２６０に対して樹脂１１２の硬化度２６８の更なる増大となる場合がある。その際、図９は、高分子ナノ粒子２００の分解の間の触媒２０４の放出が、高分子ナノ粒子２００を有しない樹脂が要するより長い硬化時間２６２に対して、実質的に完全な硬化に達するためにより短い硬化時間２６２となる場合があることを示す。
【００３６】
図１０は、２つの異なる種類の一様に分配された高分子ナノ粒子２００を含有する未硬化熱硬化性樹脂１１２の単位胞の概略図である。ここには、第１高分子ナノ粒子２１６の量及び第２高分子ナノ粒子２２０の量が含まれている。第２高分子ナノ粒子２２０は、異なる構成を有してもよく、及び／又は、第１高分子ナノ粒子２１６とは異なる材料から形成されてもよい。各ナノ粒子は、コア・シースナノ粒子２１２として構成されているように示される。コア・シースナノ粒子２１２のコア２２８は、示される例では、触媒２０４から成ることがあるが、コア２２８は、任意選択的に硬化剤２０８から成ることがある。第１高分子ナノ粒子２１６及び第２高分子ナノ粒子２２０のシース２１４は、それぞれ所定の温度と時間で樹脂１１２内で分解又は少なくとも部分的に溶解するように構成されてもよく、それにより樹脂１１２内への触媒２０４の放出が引き起される。第１高分子ナノ粒子２１６は、第１シース厚み２１８を有してもよく、第２高分子ナノ粒子２２０は、第１シース厚み２１８が樹脂１１２内で第２シース厚み２２２とは異なる溶解時間を有することができるように、第１シース厚み２１８とは異なることがある第２シース厚み２２２を有してもよい。
【００３７】
図１１は、２つの異なる種類のコア・シースナノ粒子２１２が充填される未硬化樹脂の単位胞１１２の概略図である。ここでは、シース２１４は異なる材料から形成される。第１高分子ナノ粒子２１６のシース２１４は、第１シース材２２４から形成されてもよく、第２高分子ナノ粒子２２０のシース２１４は、第２シース材２２６からから形成されてもよい。第２シース材２２６は、第１シース材２２４の溶解性とは異なることがある溶解性を有してもよい。ここでは示されていないが、樹脂混合物１１４は、３つ以上の種類の高分子ナノ粒子２００を任意選択的に含んでもよい。例えば、樹脂混合物１１４は、第１及び／又は第２高分子ナノ粒子２１６、２２０とは異なる構成及び／又は材料を有することがある第３高分子ナノ粒子を含んでもよい。例えば、第３高分子ナノ粒子のシースは、第３シース材から形成されてもよく、及び／又は第３シース厚みを有してもよい。第３シース及び／又は第３シース厚みは、第１シース材と第２シース材及び／又は第１シース厚みと第２シース厚みとは異なる溶解温度及び／又は溶解時間を樹脂１１２内で有することがある。以上で示されたように、樹脂１１２は、種々の機能を実行するために任意の数の異なる種類の高分子ナノ粒子２００を含んでもよい。種々の機能とは、限定されないが、樹脂の反応速度を変更すること、樹脂１１２の強靭性を向上させること、或いは樹脂１１２の上述の様々な特性又は樹脂１１２を使用して製造される複合材構造体１００の様々な性能のうちの任意の１つを変更することを含む。
【００３８】
図１２は、第１高分子ナノ粒子２１６及び第２高分子ナノ粒子２２０を含む、２つの異なる種類のコア・シースナノ粒子２１２で修飾される樹脂１１２のための２段階硬化サイクル２５０のグラフである。このグラフは、経時的に溶解の異なる速度を示す、コア・シースナノ粒子２１２の概略図を含む。溶解の速度が異なることは、第１シース厚み２１８を有する第１高分子ナノ粒子２００が第２高分子ナノ粒子２２０の第２シース厚み２２２と異なることによって引き起こされることができる。或いは、第１高分子ナノ粒子２００は、第２高分子ナノ粒子２２０の第２シース材２２６とは異なることがある第１シース材２２４から形成されてもよい。
【００３９】
シース厚みが異なり、又はシース材が異なる結果として、第１及び第２高分子ナノ粒子２１６、２２０のシース２１４は、硬化サイクル２５０の間、異なる時間で樹脂１１２内に溶解することができる。例えば、第２高分子ナノ粒子２２０のシース２１４は、第１高分子ナノ粒子２１６と比べて厚みが減少し、それにより、第２高分子ナノ粒子２２０のシース２１４が第１高分子ナノ粒子２１６よりも速く溶解し、且つ第１高分子ナノ粒子２１６から触媒２０４が放出され、それにより、第１温度ホールド２５２まで温度２６４が上昇する間に、樹脂１１２の硬化速度２６６の増大が引き起される。第１高分子ナノ粒子２１６のシース２１４は、第２高分子ナノ粒子２１６のシース２１４の溶解の直後に溶解するように構成されてもよい。第２高分子ナノ粒子２１６から追加的な触媒２０４が放出されることにより、硬化速度２６６が第１温度ホールド２５２にわたって比較的高いレベルに維持されることができ、これにより、第１温度ホールド２５２の終了時における未修飾樹脂の硬化度２６０に比べて、第１温度ホールド２５２の終了時において複合材レイアップ１０２が高い硬化度２６８を達成する結果となり得る。
【００４０】
幾つかの例では、触媒２０４を徐々に放出した結果として、第１温度ホールド２５２の間に達成することができる比較的高い硬化度２６８によって、複合材レイアップ１０２の十分な硬化を可能にすることができ、複合材レイアップ１０２がツールから取り除かれて、完全に硬化された状態にポスト硬化されることを可能にする。更なる例では、高分子ナノ粒子２００から触媒２０４が徐々に放出されることにより、複合材レイアップ１０２が，第１温度ホールド２５２の終了時においてそのガラス化点（ｖｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ）まで硬化される結果となる場合がある。ガラス化点まで硬化することは、残留応力を、複合材レイアップ１０２が第１温度ホールド２５２で硬化された場合に生成される残留応力に実質的に等しく保持しながら、ガラス転移温度に後押しされて複合材レイアップ１０２がポスト硬化されることを可能に場合がある。触媒２０４が比較的ゆっくり放出されることの利点は、樹脂温度の著しい急上昇がないように樹脂熱の反応が長い時間にわたって分散される結果として、樹脂１１２の最大温度が減少することである。加えて、樹脂１１２の最大温度の減少によって、硬化された複合材構造体１００の形状の歪みを更に減らすことができ、樹脂１１２の温度を、その分解温度限界及び／又は燃焼温度限界を下回るように維持することが可能になり得る。更に、樹脂１１２の最大温度の減少によって、最終的な複合材構造体１００の機械的強度及び性能の妥協を避けることができる。
【００４１】
図１３は、図１２に示される触媒２０４の放出と同じように、触媒２０４を徐々に放出する高分子ナノ粒子２００で修飾された樹脂１１２のための硬化サイクル２５０のグラフである。しかしながら、図１３では、第１温度ホールド２５２の間に樹脂１１２が完全に硬化されるように、触媒２０４は、第１温度ホールド２５２の間に硬化速度２６６の上昇を引き起す量だけ放出される。その際、修飾された樹脂１１２の硬化速度２６６の上昇によって、同じアウトタイムを有する未修飾樹脂の硬化時間２６２に比べて、硬化時間２６２が著しく減少することが可能になる場合がある。加えて、修飾された樹脂１１２の完全な硬化に必要とされる温度は、同じアウトタイムを有する未修飾樹脂の温度よりも低い。最終的な硬化温度の減少によって、有利には、誘起された熱応力、並びに複合材構造体の最終形状の関連する歪みが減少する結果となる場合がある。
【００４２】
図１４は、高分子ナノ粒子２００を含有する未硬化樹脂１１２の単位胞の概略図である。各高分子ナノ粒子２００は、高分子ナノ粒子２００全体にわたって分散される触媒２０４を含有する。例えば、触媒２０４は、高分子ナノ粒子２００全体にわたって一様に分散され得る触媒粒子２０６に分離されてもよい。代替的に、高分子ナノ粒子２００は、熱可塑性材料などの可溶性又は準可溶性高分子材料、及び高分子ナノ粒子２００の高分子材料に一様に分散される及び触媒２０４の混合物から成ってもよい。この高分子材料（例えば、熱可塑性材料）は、高分子ナノ粒子２００が溶解するにつれて、樹脂１１２内に触媒２０４を徐々に放出するように構成されてもよい。図示されていない他の例では、熱可塑性材料は、高分子ナノ粒子２００が溶解するにつれて、樹脂１１２内に硬化剤２０８を徐々に放出するように、又は樹脂１１２内に触媒２０４と硬化剤２０８との組み合わせを放出するように構成されてもよい。
【００４３】
図１５は、図１４に示されるように触媒粒子２０６を含有する高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂１１２のための硬化サイクル２５０のグラフである。有利には、各高分子ナノ粒子２００全体にわたって触媒粒子２０６が実質的に一様に分散されることにより、触媒２０４の放出が制御される結果となり得る。高分子ナノ粒子２００が樹脂１１２内で溶解するにつれて、触媒２０４が徐々に放出され、樹脂の反応速度が上昇する結果となる。熱可塑性材料及び高分子ナノ粒子２００の溶解速度は、熱可塑性化学物質（ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）の選択によって制御されることができる。
【００４４】
図１６は、高分子ナノ粒子２００の高分子材料と混合することができる触媒２０４を含有する可溶性高分子ナノ粒子２００を含有する未硬化樹脂１１２の単位胞の概略図である。１つの例では、高分子ナノ粒子２００は、触媒２０４を含有する完全可溶性の熱可塑性材料から形成されてもよい。図１６Ａは、樹脂１１２内の熱可塑性高分子ナノ粒子２００の少なくとも部分的な溶解を概略的に示す。樹脂１１２の強靭性に比べて熱可塑性材料の強靭性が向上するため、熱可塑性材料の溶解によって、各高分子ナノ粒子２００の位置の周りに強靭性の勾配２３０が生じる結果となる。
【００４５】
図１６Ｂは、図１６Ａの準可溶性高分子ナノ粒子２００のうちの１つの概略図であり、粒子の中心２１０から高分子ナノ粒子２００を取り囲む基材樹脂１１２へ向かって広がる強靭性の勾配２３０が示されている。基材樹脂１１２は、各高分子ナノ粒子２００の位置の周りに元の化学的性質を保持することができる。以上で示されるように、高分子ナノ粒子２００は、樹脂１１２の機械的特性を改善することができる、或いは最終的な複合材構造体１００の性能を改善することができる特定の機能を提供する材料から形成されてもよい。高分子ナノ粒子２００の溶解によって、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８の放出に起因して樹脂の反応速度を変更する場合があり、更に、各高分子ナノ粒子２００の位置の周りの強靭性、弾性率、強度、及び他の特性を含む機械的特性の勾配２３０が生じる結果となる場合がある。
【００４６】
他の例では、触媒２０４を含有する高分子ナノ粒子２００と硬化剤２０８を含有する高分子ナノ粒子２００との混合物を樹脂１１２内に含めることができ、それにより、樹脂１１２内で空間的に配置される種々の特性を有する樹脂相が得られる。１つの例では、第１高分子ナノ粒子２１６は、触媒２０４を含有してもよい。この触媒２０４は、樹脂１１２内に放出され、樹脂１１２内で、硬化サイクル２５０の間に所定の時間進行する連鎖成長反応又は架橋を開始する。これに続いて、第２高分子ナノ粒子２２０から硬化剤２０８が放出される。放出された硬化剤２０８は、樹脂硬化工程の間に樹脂１１２と架橋してもよい。更に、２つ以上の種類の高分子ナノ粒子２００が樹脂１１２内に含まれてもよく、それにより、樹脂硬化サイクル２５０の間に硬化剤２０８が樹脂１１２内に拡散し得る距離に起因して、種々の化学的特性が形成された結果、特性の中に局所的変化が達成される。
【００４７】
以上で示されるように、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を含有する高分子ナノ粒子２００の使用によって、アウトタイムの増大及び硬化温度及び／又は硬化時間の減少を可能にするように、樹脂反応速度を制御する手段が提供される。有利には、このような高分子ナノ粒子２００は、他の状態では反応が速すぎて、アウトタイムが許容できないほど短い樹脂を使用することを可能にする。加えて、高分子ナノ粒子２００を触媒２０４及び／又は硬化剤２０８と使用することによって、温度ホールドの間に樹脂硬化速度を増大及び／又は安定化させる能力が提供され、それにより、特定の硬化温度で完全な硬化を達成するのに要する時間量を減少させる結果となる場合がある。
【００４８】
図１７は、組成物１１０を製造する方法３００に含まれることができる１つ又は複数の操作を示すフロー図である。組成物１１０は、接着剤、被覆、射出成形部分用などのプラスチック、繊維強化複合材レイアップ１０２用の樹脂、或いは熱硬化性樹脂１１２を使用して形成し得る任意の他の種類の適用例を含んでもよい。
【００４９】
この方法のステップ３０２は、上述の材料のうちの任意の１つにおいて熱硬化性樹脂１１２を提供することを含んでもよい。例えば、樹脂１１２は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、又は任意の他の種類の樹脂であってもよい。
【００５０】
方法３００のステップ３０４は、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子２００を熱硬化性樹脂１１２に混合することを含んでもよい。幾つかの例では、この方法は、高分子ナノ粒子２００の１つ又は複数の構成を樹脂１１２に混合することを含んでもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００は、第１高分子ナノ粒子２１６タイプ、並びに第１高分子ナノ粒子２１６タイプとは異なる構成及び／又は材料を有することがある第２高分子ナノ粒子２２０タイプを含んでもよい。以上で示されるように、高分子ナノ粒子２００は、プリプレグ樹脂に混合されてもよい。代替的に、高分子ナノ粒子２００は、乾燥繊維の樹脂注入のために液状樹脂に混合してもよい。
【００５１】
方法３００のステップ３０６は、樹脂１１２を硬化する前に、強化繊維１１６を樹脂１１２に組み込むことを含んでもよい。例えば、高分子ナノ粒子２００を含有するプリプレグ樹脂は、繊維トウ、テープ、織布、編み上げ繊維、及び他の繊維形態に適用されてもよい。別の例では、高分子ナノ粒子２００を含有する液状樹脂は、真空補助樹脂トランスファ成形又は他の樹脂注入システムなどの適切な液状樹脂注入工程を使用して、乾燥繊維レイアップに注入されてもよい。また更には、高分子ナノ粒子２００を含有する樹脂フィルムは、複合材レイアップ１０２の１つ又は複数の乾燥繊維複合材プライ１０４の間にレイアップされてもよい。加えて、高分子ナノ粒子２００は、乾燥繊維複合材プライ１０４に直接加えられてもよい。
【００５２】
方法３００のステップ３０８は、樹脂１１２を硬化することを含んでもよい。例えば、樹脂１１２の温度を室温から上昇させるために、熱を複合材レイアップ１０２に適用してもよい。樹脂１１２は、１つ又は複数の温度ホールドを含むことができる硬化工程の間に硬化されてもよい。例えば、図９は、第１温度ホールド２５２及び第２温度ホールド２５４を含む２段階硬化工程を示す。
【００５３】
方法３００のステップ３１０は、樹脂１１２の硬化の間に樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００を分解又は少なくとも部分的に溶解することを含んでもよい。例えば、この方法は、高分子ナノ粒子２００が所定の温度と時間に達したときに、樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００を少なくとも部分的に溶解することを含んでもよい。高分子ナノ粒子２００は、種々の温度と時間で溶解するように形成されてもよい。例えば、第１高分子ナノ粒子２１６タイプは、第２高分子ナノ粒子２２０タイプとは異なる温度と時間で溶解してもよい。硬化サイクルの初期部分では、この方法には、所定の温度と時間を下回るときに高分子ナノ粒子２００のうちの少なくとも幾つかを個体状態に維持すること、並びに所定の温度と時間を上回るときに樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００を溶解することが含まれてもよい。例えば、図９は、コア・シースナノ粒子２１２を図解する。シース２１４は、複合材レイアップ１０２が硬化サイクル２５０の第１温度ホールド２５２に接近又は到達するまで、樹脂１１２が触媒２０４のコア２２８に接触することを防ぐ。硬化サイクル２５０の第１温度ホールド２５２は、触媒２０４を樹脂１１２内に放出することを可能にする程度にシース２１４が分解又は溶解する点である。
【００５４】
方法３００のステップ３１２は、高分子ナノ粒子２００の溶解の間に高分子ナノ粒子２００から触媒２０４又は硬化剤２０８のいずれかを放出することを含んでもよい。図９で示されるように、触媒２０４は、シース２１４の溶解の後に樹脂１１２に曝されたときに放出されることができる。似たような溶解が、非コア・シースナノ粒子において起こり得る。非コア・シースナノ粒子は、高分子ナノ粒子２００が溶解するにつれて、触媒２０４又は硬化剤２０８を徐々に放出することができる。以上で示されるように、高分子ナノ粒子２００は、触媒２０４を含む第１高分子ナノ粒子２１６、及び硬化剤２０８を含む第２高分子ナノ粒子２２０を含んでもよい。この方法は、第１高分子ナノ粒子２１６タイプから硬化剤２０８を放出すること、及びそれに続いて、硬化剤２０８を放出した後に第２高分子ナノ粒子２２０から触媒２０４を放出することを含んでもよい。
【００５５】
コア・シースナノ粒子２１２については、樹脂１１２内の高分子ナノ粒子２００を溶解するステップは、所定の温度と時間で樹脂１１２内のシース２１４を溶解すること、及びシース２１４の溶解に応答して、触媒２０４又は硬化剤２０８を樹脂１１２内に放出することを含んでもよい。コア・シースナノ粒子２１２は、第１シース厚み２１８を有する第１高分子ナノ粒子２１６、及び第１シース厚み２１８とは異なる第２シース厚み２２２を有する第２高分子ナノ粒子２２０を含んでもよい。第１シース厚み２１８は、第２シース厚み２２２の溶解時間とは異なる溶解時間にわたって樹脂１１２で溶解してもよい。別の例では、第１高分子ナノ粒子２１６タイプは、第１シース材２２４を有してもよく、第２高分子ナノ粒子２２０タイプは、第１シース材２２４とは異なる溶解性を有することがある第２シース在２２６を有してもよく、これにより、第１シース材２２４が、第２シース材２２６とは異なる溶解時間にわたって溶解する結果となる。
【００５６】
方法３００のステップ３１４は、樹脂１１２内で触媒２０４又は硬化剤２０８を放出した結果、樹脂１１２の硬化温度及び／又は硬化時間を減少させることを含んでもよい。以上で示されるように、触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を放出することによって、高分子ナノ粒子２００を有しない樹脂（例えば、未修飾樹脂）の硬化時間を下回る硬化時間内で樹脂１１２が硬化される結果となる場合がある。触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を放出することによって、更に、高分子ナノ粒子２００を有しない樹脂の硬化温度を下回る硬化温度で樹脂１１２が硬化される結果となる場合がある。修飾された樹脂１１２は、有利には、同じ硬化時間及び／又は硬化温度を有する未修飾樹脂よりも長いアウトタイムを有するように形成されることができる。図１４と図１５で示されるように、可溶性又は準可溶性の熱可塑性材料と触媒２０４及び／又は硬化剤２０８との混合物から成る高分子ナノ粒子２００の実施形態について、この方法では、高分子ナノ粒子２００が分解又は少なくとも部分的に溶解するにつれて、高分子ナノ粒子２００から触媒２０４及び／又は硬化剤２０８を樹脂１１２内に徐々に放出することが含まれてもよい。
【００５７】
本開示の例示的な実施形態は、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントの製造及び／又は保守の方法（図示せず）に関連して記述されてもよい。製造前段階、コンポーネントの製造、及び／又は保守は、航空宇宙コンポーネントの仕様及び設計、並びに材料の調達を含むことがある。製造段階では、航空宇宙コンポーネントのコンポーネント及びサブアセンブリの製造、並びにシステムインテグレーションが行われる。その後、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントは、認可及び納品を経て運航に供される場合がある。
【００５８】
１つの例では、製造及び保守の方法によって製造された航空宇宙コンポーネントは、複数のシステム及び内装を有する機体を含んでもよい。複数のシステムの例には、推進システム、電気システム、油圧システム、及び環境システムのうちの１つ又は複数が含まれてもよい。任意の数の他のシステムが含まれることもある。ここでは航空宇宙産業の例を示したが、様々な例示的な実施形態を自動車産業などの他の産業に適用することができる。
【００５９】
本明細書で具現化されている装置及び方法は、航空宇宙コンポーネントの製造及び／又は保守の方法の段階のうちの少なくとも１つの段階において採用することができる。具体的には、複合材構造体１００（例えば、図１）、被覆、射出成形プラスチック、及び／又は接着剤は、航空宇宙コンポーネントの製造及び保守の方法の段階のうちの任意の１つの段階において製造されてもよい。例えば、限定しないが、複合材構造体は、コンポーネント及びサブアセンブリの製造、システムインテグレーション、定期的な整備及び保守、又は航空機の製造及び保守の他の何らかの段階のうちの少なくとも１つの段階において製造されてもよい。更には、複合材構造体は、航空宇宙コンポーネントの１つ又は複数の構造体で使用されてもよい。例えば、複合材構造体は、航空機、宇宙船、衛星、又は他の航空宇宙コンポーネントの機体構造、内装、又は他の何らかの部分に含まれてもよい。
【００６０】
本開示の態様によると、熱硬化性樹脂、複数の高分子ナノ粒子を含む組成物であって、高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、樹脂硬化工程の間に触媒又は硬化剤のいずれかを放出し、触媒又は硬化剤が、樹脂の反応速度を変更する、組成物が提供される。有利には、この組成物は、高分子ナノ粒子が球形である組成物である。有利には、この組成物は、樹脂が、同じ硬化時間及び／又は硬化温度に対して、高分子ナノ粒子を有しない樹脂よりも長いアウトタイムを有する組成物である。有利には、この組成物は、樹脂が次の熱硬化性材料のうちの少なくとも１つから構成される組成物である：ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化高分子、導電性高分子、ベンゾオキサジン、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリエステル、エポキシ、及び／又はシルセスキオキサン。有利には、この組成物は、高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、次のうちの少なくとも１つから構成される組成物である：熱可塑性材料、アクリル、フッ化炭素、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアリルエーテルケトン、ポリエーテルイミド；  熱硬化性材料、ポリウレタン、フェノール、ポリイミド、スルホン化高分子（ポリフェニレンスルフィド）、導電性高分子（例えば、ポリアニリン）、ベンゾオキサジン、ビスマレイミド、シアン酸エステル、ポリエステル、エポキシ、及びシルセスキオキサン。有利には、この組成物は、高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、樹脂が次の特性のうちの少なくとも１つを含むようにする組成物である：強靭性の向上、耐燃性の向上、煙の低減、毒性の低減、導電性の向上、硬化縮小の低減、反応熱の低減。有利には、この組成物は、樹脂、並びに触媒及び／又は硬化剤を有する高分子ナノ粒子が、次のうちの少なくとも１つに含まれる組成物である：被覆、接着剤、射出成形用プラスチック、複合材構造体の樹脂マトリックス。
【００６１】
本開示の態様によると、熱硬化性樹脂、樹脂内に含まれる複数の高分子ナノ粒子を含む複合材レイアップであって、高分子ナノ粒子のうちの少なくとも幾つかが、硬化工程の間に触媒又は硬化剤のいずれかを放出し、触媒又は硬化剤が、樹脂の反応速度を変更し、及び複数の強化繊維が樹脂に組み込まれる、複合材レイアップが提供される。有利には、この複合材レイアップは、繊維が次の構成のうちの少なくとも１つを有する複合材レイアップである：繊維トウ、一方向テープ、織布、及び／又は編み上げ繊維。
【００６２】
本開示の態様によると、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子を熱硬化性樹脂に混合すること、樹脂の硬化の間に樹脂内の高分子ナノ粒子を少なくとも部分的に溶解すること、及び高分子ナノ粒子の溶解の間に高分子ナノ粒子から触媒又は硬化剤のいずれかを放出することを含む、組成物を製造する方法が提供される。有利には、この方法は、高分子ナノ粒子を有しない樹脂の硬化時間よりも少ない硬化時間内で樹脂を硬化する方法である。有利には、この方法は、可溶性及び／又は準可溶性高分子ナノ粒子を樹脂に混合するステップが、第１高分子ナノ粒子と、第１高分子ナノ粒子とは異なる構成及び／又は材料を有する第２高分子ナノ粒子とを樹脂に混合することを含む方法である。有利には、この方法は、触媒又は硬化剤を放出するステップが、第２高分子ナノ粒子とは異なる温度と時間で第１高分子ナノ粒子を溶解することを含む方法である。有利には、この方法は、コア・シースナノ粒子が第１高分子ナノ粒子及び第２高分子ナノ粒子を含み、第１高分子ナノ粒子が第１シース厚みを有し、第２高分子ナノ粒子が第１シース厚みとは異なる第２シース厚みを有し、及び樹脂内の高分子ナノ粒子が少なくとも部分的に溶解するステップが、第２シース厚みとは異なる溶解時間にわたって第１シース厚みを溶解することを含む方法である。有利には、この方法は、コア・シースナノ粒子が第１高分子ナノ粒子及び第２高分子ナノ粒子を含み、第１高分子ナノ粒子が第１シース材を有し、第２高分子ナノ粒子が第１シース材とは異なる溶解性を有する第２シース材を有し、及び樹脂内の高分子ナノ粒子が少なくとも部分的に溶解するステップが、第２シース材とは異なる溶解時間にわたって第１シース材を溶解することを含む方法である。
【００６３】
本開示の追加的な修正及び改善は、当業者には明白であり得る。したがって、本明細書に説明され図示されている部品の特定の組み合わせは、本開示の特定の実施形態のみを表すことを意図しており、本開示の趣旨及び範囲に含まれる代替的な実施形態又は装置を限定することを意図していない。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【外国語明細書】
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