(57)【要約】  強い軽量積層体を設計する方法が本明細書において提供される。この方法は、等しい厚さのモノリスの強度に等しい強度を有する積層体の構造を計算するための有効厚さ原則を使用する。方法の好ましい適用において、安全ガラス積層体が設計される。安全ガラス積層体が、安全ガラス積層体の厚さと等しい厚さのモノリシックガラス板と比較して、等しい強度でより低い面積重量を有する。
2017522200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強い軽量積層体を設計する方法であって、
ａ．基礎材料および前記基礎材料のモノリスの厚さを選択する工程と、
ｂ．中間層材料を選択する工程と、
ｃ．構造「材料／中間層／材料」を有する積層体の剪断伝達係数Γを計算する工程であって、「材料」は前記基礎材料の外層を意味し、２つの外層は同じ厚さを有し、「中間層」は、厚さを有する前記中間層材料の層を意味する工程と、
ｄ．目標減量百分率および目標有効厚さを選択する工程と、
ｅ．図１のグラフを使用して前記モノリスと同じ撓みを有する積層体のために、中間層厚さの外層厚さに対する比を選択する工程と、
ｆ．代わりに図２のグラフを使用して前記モノリスと同じ破損抵抗を有する積層体のために、中間層厚さの外層厚さに対する比を選択する工程と、
ｇ．式２’および３’を使用して前記外層の厚さおよび前記中間層の厚さを計算する工程とを含む、方法。
【請求項２】
強い軽量積層体を設計する方法であって、
ａ．基礎材料および前記基礎材料のモノリスの厚さを選択する工程と、
ｂ．中間層材料を選択する工程と、
ｃ．構造「材料／中間層／材料」を有する積層体の剪断伝達係数Γを計算する工程であって、「材料」は前記基礎材料の外層を意味し、２つの外層は異なった厚さを有し、２つの厚さの比が１．５であり、そして「中間層」は、厚さを有する前記中間層材料の層を意味する工程と、
ｄ．目標減量百分率および目標有効厚さを選択する工程と、
ｅ．図３のグラフを使用して前記モノリスと同じ撓みを有する積層体のために、中間層厚さの外層厚さに対する比を選択する工程と、
ｆ．代わりに、前記モノリスと同じ破損抵抗を有する積層体のために、より厚い外層に加えられる力について図４（ａ）のグラフまたはより薄い外層に加えられる力について図４（ｂ）のグラフを使用して中間層厚さの外層厚さに対する比を選択する工程と、
ｇ．式５’および６’を使用して前記外層の厚さおよび前記中間層の厚さを計算する工程とを含む、方法。
【請求項３】
強い軽量積層体を設計する方法であって、
ａ．基礎材料および前記基礎材料のモノリスの厚さを選択する工程と、
ｂ．中間層材料を選択する工程と、
ｃ．構造「材料／中間層／材料」を有する積層体の剪断伝達係数Γを計算する工程であって、「材料」は基礎材料の外層を意味し、２つの外層は異なった厚さを有し、２つの厚さの比が２であり、そして「中間層」は、厚さを有する前記中間層材料の層を意味する工程と、
ｄ．目標減量百分率および目標有効厚さを選択する工程と、
ｅ．図５のグラフを使用して前記モノリスと同じ撓みを有する積層体のために、中間層厚さの外層厚さに対する比を選択する工程と、
ｆ．代わりに、前記モノリスと同じ破損抵抗を有する積層体のために、より厚い外層に加えられる力について図６（ａ）のグラフまたはより薄い外層に加えられる力について図６（ｂ）のグラフを使用して中間層厚さの外層厚さに対する比を選択する工程と、
ｇ．式５’および６’を使用して前記外層の厚さおよび前記中間層の厚さを計算する工程とを含む、方法。
【請求項４】
式２’および３’または式５’および６’を使用して前記外層の厚さおよび前記中間層の厚さを計算する工程ｇ．を省いて、
ｈ．前記モノリスの前記厚さと等しい前記積層体の全厚さを設定する工程と、
ｉ．関連グラフにおいて特定されるように、前記外層および前記中間層の相対的な厚さをそれらの比、ｓ、に基づいて計算する工程と、
ｊ．２つの厚さの前記比に基づいて前記外層の厚さを計算する工程とをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
式（Ａ）を使用して前記基礎材料および前記中間層材料の物理的性質を選択する工程をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記基礎材料が、ガラス、金属、セラミック、コンクリート、鉱物、ポリマー、木材、木材とポリマーとの複合物、布、および鉱物とポリマーとの複合物からなる群から選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記中間層材料が、ガラス、金属、セラミック、コンクリート、鉱物、ポリマー、木材、木材とポリマーとの複合物、布、および鉱物とポリマーとの複合物からなる群から選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記中間層材料が、２００ＭＰａ〜６００ＭＰａの弾性率を有するポリマーであるかまたはポリカーボネート、ポリスチレン、シリコーンエラストマー、エポキシ樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリエチレンホモポリマーおよびエチレンと他のアルケンとのコポリマー、ポリオレフィンブロックエラストマー、エチレン酸コポリマー、エチレン酸コポリマーのイオノマー、ポリ（ビニルアセタール）、およびエチレンと極性コモノマーとのコポリマーからなる群から選択されるポリマーである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記基礎材料がガラスである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記中間層材料が、エチレン酸コポリマー、エチレン酸コポリマーのイオノマー、エチレンと酢酸ビニルとのコポリマー、およびポリ（ビニルブチラール）からなる群から選択されるポリマーである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
式（１）〜（１２）の１つまたは複数を使用して強い軽量積層体を設計する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年５月２７日に出願された米国特許仮出願第６２／００３，２８３号明細書（その内容をその全体において参照によって本願明細書に組み入れるものとする）に対する３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９下の優先権を主張する。
【０００２】
強い軽量積層体を設計する方法が本明細書において提供される。この方法は、目標モノリスと比較して等しい強度およびより軽い重量を有する積層体の構造を計算するための有効厚さ原則を使用する。方法の好ましい適用において、安全ガラス積層体が設計される。安全ガラス積層体は、安全ガラス積層体の厚さと等しい厚さのモノリシックガラス板と比較して、等しい強度でより低い面積重量を有する。
【背景技術】
【０００３】
本発明が関係する最新の技術をより完全に説明するためにいくつかの特許、特許出願および出版物がこの説明において引用される。これらの特許、特許出願および出版物の各々の全開示内容を本明細書に参照によって組み入れる。
【０００４】
より軽い、より強い材料の探求は、工学技術において依然として重要な目標である。相補的な材料の組合せが構造部材の性能を改良する場合があることは以前から認識されている。例えば、鉄筋コンクリートは、棒鋼の高い強度および可撓性を使用して、コンクリートの脆性を相殺する。別の実施例において、良い引張強さを有するポリマー中間層は、ガラス積層体に対して必要とされる靭性を提供する。
【０００５】
ガラス、金属、コンクリート、セラミックおよびポリマー−鉱物複合物などの構造材料を、それらの強度を維持したままそれらの重量を低減することによって改良することは、多くの利点をもたらす。例えば、乗り物の任意の構造部材において、重量を低減することは直接的な燃料節約をもたらす。あるいは、例えば比較的高価でないポリマーが特殊金属またはセラミックの或る部分に取って代わるとき、構造物をより経済的に製造することができる。
【０００６】
したがって、建造物、乗り物および安全ガラス積層体などの多種多様な構造物において使用するために十分な強度を有する新規なより薄いまたは軽量積層体を開発することが依然として必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
有効厚さ原則を使用して強い軽量積層体を設計する方法が本明細書において提供される。最初に、基礎材料が選択される。構造物のその物理的性質および要件に基づいて、基礎材料のモノリスの厚さが選択される。例えば、大きな貯蔵タンクの設計は、特定の厚さを有するステンレス鋼を必要とする場合がある。次に、中間層のための候補、例えばポリカーボネートなどの硬質ポリマー、または軽量セラミックが選択される。以下の文献に記載されたＷｏｅｌｆｅｌ−Ｂｅｎｎｉｓｏｎ方法を使用して鋼／中間層／鋼積層体の剪断伝達係数Γが計算される、例えば：Ｃａｌｄｅｒｏｎｅ  Ｉ．，Ｄａｖｉｅｓ  Ｐ．Ｓ．，Ｂｅｎｎｉｓｏｎ  Ｓ．Ｊ．，Ｈｕａｎｇ  Ｘ．，Ｇａｎｇ  Ｌ．“Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｌａｍｉｎａｔｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｌａｍｉｎａｔｅｄ  ｇｌａｓｓ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｇｌａｓｓ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｄａｙｓ，Ｔａｍｐｅｒｅ，Ｆｉｎｌａｎｄ（２００９）；  Ｇａｌｕｐｐｉ  Ｌ．，Ｒｏｙｅｒ−Ｃａｒｆａｇｎｉ  Ｇ．“Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｏｆ  Ｌａｍｉｎａｔｅｄ  Ｇｌａｓｓ  Ｂｅａｍｓ．Ｎｅｗ  ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｖｉａ  ａ  Ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ，”Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，３８，５３−６７（２０１２）；およびＧａｌｕｐｐｉ  Ｌ．，Ｍａｎａｒａ  Ｇ．，Ｒｏｙｅｒ−Ｃａｒｆａｇｎｉ  Ｇ．，“Ｐｒａｃｔｉｃａｌ  ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｌａｍｉｎａｔｅｄ  ｇｌａｓｓ，”Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｐａｒｔ  Ｂ：  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，４５（１），１６７７−１６８８（２０１３）。減量目標が選択される。
【０００８】
図２〜６（ｂ）の適切なグラフを使用して、剪断伝達係数Γの値と目標とされる減量の曲線との交点は、中間層と外層の厚さの比を提供する。別の数学的関係は、個々の層の厚さを提供する。Ｗｏｅｌｆｅｌ−Ｂｅｎｎｉｓｏｎ方法に従うので、鋼／中間層／鋼積層体の強度は、等しい厚さのモノリシック鋼の強度と同じである。
【０００９】
特性を決定する本発明を特徴づける新規性の利点および特徴が、本明細書に添付されその一部を形成する請求の範囲に特殊性と共に指摘されている。しかしながら、本発明、その利点、およびその使用によって得られる目的物をより良く理解するために、その更なる部分を形成する図面、および付属する説明的事項が参照されるべきであり、そこで本発明の１つまたは複数の好ましい実施形態が図解および説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図Ａ】モノリシック板の断面図である。
【図Ｂ】積層体の断面図である。
【図１】撓みマッチング減量（ｋ＝１）についてｓ対Γのグラフである。矢印は「最大値：ｓ＝７．４１、Γ＝１、減量＝３６．０％」を示す。
【図２】応力マッチング減量（ｋ＝１）についてｓ対Γのグラフである。矢印は「最大値：ｓ＝４．４５、Γ＝１、減量＝３０．２％」を示す。
【図３】撓みマッチング減量（ｋ＝１．５）についてｓ対Γのグラフである。矢印は「最大値：ｓ＝９．３８、Γ＝１、減量＝３０．１％」を示す。
【図４ａ】応力マッチング減量（ｋ＝１．５、パターン．１）についてｓ対Γのグラフである。矢印は「最大値：ｓ＝４．２５、Γ＝１、減量＝２３．８％」を示す。
【図４ｂ】応力マッチング減量についてｓ対Γのグラフである（ｋ＝１．５、パターン．２）。矢印は「最大値：ｓ＝５．４５、Γ＝１、減量＝３３．９％」を示す。
【図５】撓みマッチング減量比についてｓ対Γのグラフである（ｋ＝２）。矢印は「最大値：ｓ＝１１．３、Γ＝１、減量＝３３．４％」を示す。
【図６ａ】応力マッチング減量比についてｓ対Γのグラフである（ｋ＝２、パターン．１）。矢印は「最大値：ｓ＝４．２９、Γ＝１、減量＝１７．９％」を示す。
【図６ｂ】応力マッチング減量比についてｓ対Γのグラフである（ｋ＝２、パターン．２）。矢印は「最大値：ｓ＝６．５６、Γ＝１、減量＝３５．１％」を示す。
【図７】試験梁などの４点曲げ試験装置の斜視図である。応力および撓みは下側のガラス単板の下面の中心で測定される（破線矢印）。Ｌ1＝２００、Ｌ2＝１００、Ｌ3＝５０、ｂ＝１００。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の定義は、特定の場合に限定されない限り、本明細書の全体にわたって使用される用語に適用される。
【００１２】
さらに、特に記載しない限り、本明細書中で用いられるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解される同じ意味を有する。対立する場合、ここでの定義を含めて本明細書が統括する。
【００１３】
本明細書に記載された方法および材料と同様なまたは同等の方法および材料を本発明の実施または試験において用いることができるが、適した方法および材料は本明細書に記載される。
【００１４】
本明細書中で用いられるとき、用語「約」は量、サイズ、調合物、パラメーターおよび他の量および特徴が厳密でなく、厳密である必要がなく、およそであってもよく、および／または望ましい場合、より大きいか、またはより小さくてもよいことを意味し、許容差、換算係数、四捨五入、測定誤差等、当業者に公知の他の要因を意味する。一般に、量、サイズ、調合物、パラメーターまたは他の量または特徴は、このようなものであると特に記載されるかどうかにかかわらず、「約」または「およそ」である。
【００１５】
本明細書中で用いられるとき、用語「または」は包括的であり、より具体的には、語句「ＡまたはＢ」は「Ａ、Ｂ、またはＡおよびＢの両方」を意味する。限定的な「または」は、本明細書において例えば「ＡまたはＢのどちらか」および「ＡまたはＢの１つ」などの語によって示される。
【００１６】
さらに、限られた状況で明確に別の方法で言明されなければ、本明細書に示された範囲はそれらの端点を含める。さらに、量、濃度、または他の値またはパラメーターが範囲、１つまたは複数の好ましい範囲、または高い側の好ましい値および低い側の好ましい値のリストとして与えられるとき、これは、このような対が別々に開示されているかどうかに関係なく、任意の範囲上限または好ましい値と任意の範囲下限または好ましい値との任意の対から形成されたすべての範囲を具体的に開示するものとして理解されなければならない。
【００１７】
さらに、数値の範囲がここに記載される場合、限られた状況において特に断らない限り、範囲は、それらの端点、および範囲内のすべての整数および分数を含めるものとする。範囲を規定する時に記載された特定の値に本発明の範囲を限定することを意図しない。最後に、用語「約」は範囲の値または端点を記載する時に用いられるとき、開示は、参照される特定の値または端点を含めることが理解されるべきである。
【００１８】
材料、方法、または機械装置が用語「当業者に公知の」、または同意語または語句を使用して本明細書において説明されるとき、この用語は、本出願を出願時に慣例的である材料、方法、および機械装置がこの説明によって包含されることを意味する。また、今のところ慣例的ではないが、同様な目的に適しているとして本技術分野において認識されるようになるであろう材料、方法、および機械装置も包含される。
【００１９】
本明細書中で用いられるとき、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含める（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含める（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「によって特徴づけられる（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ  ｂｙ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの他の任意の同意語または変型は、非限定的な包含を指す。例えば、一連の特定の要素を含むとして記載される方法（ｐｒｏｃｅｓ、ｍｅｔｈｏｄ）、物品、または装置はそれらの特に記載された要素に必ずしも制限されず、特に記載されていないかまたはかかる方法（ｐｒｏｃｅｓ、ｍｅｔｈｏｄ）、物品、または装置に固有の他の要素をさらに含めてもよい。
【００２０】
移行句「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、クレームの範囲を特定の材料または工程およびクレームされた発明の基本的および新規な特徴に悪影響を与えないそれらに限定する。「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」クレームは、「〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｓ  ｏｆ）」形式で書かれるクローズドクレームと「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」形式で書かれる完全オープンクレームとの間の中立的立場をとる。
【００２１】
発明またはその一部分が「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの広い解釈ができる用語を用いて説明される場合、特定の状況において特にことわらない限り、この説明はまた、上に定義されるように用語「本質的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」を使用する本発明の説明を含めると理解されたい。
【００２２】
不定冠詞「ａ」および「ａｎ」が本発明の要素および成分を記載するために使用される。これらの冠詞の使用は、これらの要素または成分の１つまたは少なくとも１つが存在していることを意味する。これらの冠詞は、修飾された名詞が単数名詞であることを意味するように慣例的に使用されるが、本明細書中で用いられるとき冠詞「ａ」および「ａｎ」はまた、特定の場合において別記されない限り、複数形を包含する。同様に、本明細書中で用いられるとき、定冠詞「ｔｈｅ」はまた、特定の場合において別記されない限り、修飾された名詞が単数または複数であってもよいことを意味する。
【００２３】
本明細書の材料、方法、および実施例は説明のためであるにすぎず、別記された場合を除いて、限定的であることを意図するものではない。
【００２４】
より詳しくは、本明細書中で用いられるとき、用語「モノリシック」は、単一塊状材料から製造されその質量全体にわたって一様な性質を有する板、層またはブロック、例えばガラス板、コンクリート層、または金属ブロックを指す。
【００２５】
用語「積層体」は、本明細書中で単独でまたは例えば「積層された（ｌａｍｉｎａｔｅｄ）」または「積層（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）」などの組み合わせられる形態で用いられるとき、互いに強固に接着または接合される少なくとも２つの層を有する構造物を指す。層は、互いに直接にまたは間接的に接着されてもよい。「直接に」は、２つの層の間に、中間層または接着剤層などの付加的な材料がないことを意味し、「間接的に」は、２つの層の間に付加的な材料があることを意味する。
【００２６】
本明細書中で用いられるとき記号「／」は、例えば「ガラス／中間層／ガラス」などの積層体構造物を記述するために使用され、積層体中の２つの隣接した層の全表面の間の直接接触を指す。
【００２７】
本明細書中で用いられるとき用語「面密度」は、積層体の重量をその投影表面積で割った値を指す。例えば、直角プリズムの形状を有する積層体において、投影表面積は積層体の長さと幅の積であり、積層体の側面と底面の表面積を含めない。
【００２８】
本明細書中で用いられるとき用語「有効厚さ」は、構造「材料／中間層／材料」を有する積層梁の曲げ剛性に等しい曲げ剛性を有するモノリシックガラス梁の実際厚さを指す。有効厚さは、積層梁の変形についての解析式中で積層体の実際厚さの代わりに使用され得る。
【００２９】
本明細書において強い軽量積層体を設計する方法が提供される。この方法において、構造「材料／中間層／材料」を有する積層体の機械的性質は、有効厚さ原則を使用してモデル化される。より具体的には、有効厚さ原則は、中間層を介して材料の２つの単層の間の剪断カップリングΓに基づいている。そして次に、剪断カップリングΓは主に、中間層の剪断剛性または弾性率、中間層の材料性質、および積層体の幾何学的形状および長さスケールに依存する。一般的にいえば、多くの中間層がポリマーであり、したがってガラス、金属およびセラミックなどの多くの構造材料ほど密度が高くないことが知られている。このため、材料／ポリマー／材料積層体は、同じ厚さを有するモノリシック板より軽い。さらに、材料／ポリマー／材料積層体と、同じ厚さを有するモノリシック板とは、曲げ剛性において等しくない場合があることが知られている。より詳しくは、Ｗｏｌｆｅｌ理論が適用可能である条件は現在見出されていない。具体的には、式（Ａ）は、中間層／材料厚さの比ｓと中間層Ｅintおよび材料Ｅmtlの係数の比との関係を記述する決定式である。
【００３０】
【数１】
2017522200.tif 000003
【００３１】
しかしながら、驚くべきことに、積層体が、目標モノリスと比較して等しい強度およびより軽い重量を有するとき、材料のモノリシック板と比較して材料／ポリマー／材料積層体によって達成可能である減量の量を計算することができることが現在見出されている。
【００３２】
ここで図面を参照すると（図面全体にわたって同じ参照符号はそれに対応する構造物を示す）、特に図Ａを参照すると、基礎または「構造」材料のモノリス１００が示される。モノリス１００は、限定されないが、ガラス；金属；セラミック；コンクリート；花崗石、大理石、石灰石、およびマイカなどの鉱物；木材；木材とポリマーとの複合物、例えば厚紙および紙；布、例えば不織布繊維マット；ポリマー；および鉱物とポリマーとの複合物などの任意の基礎または「構造」材料から製造されてもよい。
【００３３】
これに関連して、本明細書中で用いられるとき用語「ガラス」は、窓ガラス、厚板ガラス、シリケートガラス、普通板ガラス、並板ガラス、低鉄ガラス、強化ガラス、強化無ＣｅＯガラス、フロートガラス、着色ガラス、特殊ガラス（例えば、太陽放射加熱を制御する成分を含有するガラスなど）、コーテッドガラス（例えば日射調整目的のために金属（例えば、銀またはインジウムスズ酸化物）でスパッタされたガラスなど）、Ｅ−ガラス、Ｔｏｒｏｇｌａｓｓ、およびＳｏｌｅｘｉａ（商標）ガラス（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡのＰＰＧ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能）を包含する。このような特殊ガラスは、例えば米国特許第４，６１５，９８９号明細書、米国特許第５，１７３，２１２号明細書、米国特許第５，２６４，２８６号明細書、米国特許第６，１５０，０２８号明細書、米国特許第６，３４０，６４６号明細書、米国特許第６，４６１，７３６号明細書、および米国特許第６，４６８，９３４号明細書に開示されている。
【００３４】
ここで図Ｂを参照すると、材料／中間層／材料積層体２００が示される。本明細書に説明された方法において、積層体２００の外層２１および２３はモノリス１００において使用されるのと同じ構造材料から製造される。ガラスは好ましい硬質構造材料である。積層体２００は対照的である必要はなく、すなわち、第１の外層２１の厚さは第２の外層２３の厚さと等しい必要はない。中間層２２は、その性質が外層の構造材料の性質を或る仕方で補完する材料を含む。例えば、良い引張強さを有するポリマー中間層は、安全ガラス積層体に必要とされる靭性を提供する。同様に、良い粘弾性を有するポリマー中間層は、ガラス材料の脆性を補償することができ、例えば破損時にガラス片の散乱を防ぐことによって透明板ガラスに安全性能を付加することができる。
【００３５】
中間層のための適した材料には、モノリス１００に使用するために適した材料が含まれる。また、例えば２００ＭＰａ〜６００Ｍｐａの弾性率を有するポリマーなどのそれほど硬質でない材料も適している。さらに、上記の式（Ａ）を用いて、本明細書に記載される方法において使用するために適している材料を同定してもよい。具体的には、式（Ａ）を用いて、１つの選択された材料の弾性率に基づいてそしてパラメーターｓ、積層体２００の層厚さの比を考慮に入れて、候補材料のための適した範囲の係数を同定してもよい。
【００３６】
ポリマーは好ましい中間層材料であり、特に好ましいのはポリカーボネート；ポリスチレン；シリコーンエラストマー；エポキシ樹脂；ポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリウレタン；ポリエチレンホモポリマーおよび直鎖低密度ポリエチレンなどのメタロセン触媒材料など、エチレンと他のアルケンとのコポリマー；ポリオレフィンブロックエラストマー；Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥのＥ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（以下に「ＤｕＰｏｎｔ」）から商標Ｎｕｃｒｅｌ（登録商標）で入手可能なものなどのエチレン酸コポリマー；商標ＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）でＤｕＰｏｎｔから入手可能なものなどのエチレン酸コポリマーのイオノマー；商標Ｂｕｔａｃｉｔｅ（登録商標）でＨｏｕｓｔｏｎ，ＴＸのＫｕｒａｒａｙ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能なものなどのポリ（ビニルブチラール）などのポリ（ビニルアセタール）；エチレンと酢酸ビニルなどの極性コモノマーとのコポリマー（例えば、商標Ｅｌｖａｘ（登録商標）でＤｕＰｏｎｔから入手可能なもの）ならびにメチルアクリレートおよびブチルアクリレートなどのアルキル（メタ）アクリレートとのコポリマー（例えば、商標Ｅｌｖａｌｏｙ（登録商標）でＤｕＰｏｎｔから入手可能なもの）である。
【００３７】
前述の記載から明瞭であるように、本明細書に記載される有効厚さ原則は、多種多様な材料を含む多種多様な積層体に適用される。しかしながら、便宜上、以下の考察は、構造「ガラス／中間層／ガラス」（中間層はポリマーである）を有するガラス積層体に焦点を合わせる。
【００３８】
さらに、軽量積層体２００（外層２１および２３が同じ厚さを有する（ｋ＝１））を設計する方法が本明細書において提供される。最初に、剪断伝達係数Γが式（１）を用いて計算される。
【００３９】
【数２】
2017522200.tif 000004
【００４０】
式（１）および本明細書において示される他の式において、以下の変数が割り当てられる。
ｔ：中間層２２の厚さ、
ｈ：より小さなガラス２１または２３の厚さ、
ｋ：２つのガラス板２１および２３の厚さの比（この場合、ｋ＝１）、
ｌ：長さスケール（最短の曲げ方向）、
Ｅ：ガラスのヤング率、
Ｇ：適性について試験される中間層２２の剪断弾性率。
【００４１】
中間層２２の剪断弾性率、Ｇは、動的機械分析（ＤＭＡ）、その後に、時間−温度重ね合せ、および剪断緩和弾性率の計算によって得られる。剪断弾性率を測定するための１つの特定の手順が、Ｓ．Ｊ．Ｂｅｎｎｉｓｏｎ，Ａ．Ｊａｇｏｔａ，ａｎｄ  Ｃ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ，“Ｆｒａｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｇｌａｓｓ／ｐｏｌｙ．ｖｉｎｙｌ  ｂｕｔｙｒａｌ／．Ｂｕｔａｃｉｔｅ（登録商標）／ｌａｍｉｎａｔｅｓ  ｉｎ  ｂｉａｘｉａｌ  ｆｌｅｘｕｒｅ”，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．  Ｓｏｃ．１９９９；  ８２（７）；１７６１-１７７０に記載されている。
【００４２】
さらにこの関連において、パラメーターｈおよびｔはこのステップにおいて決定されない。しかしながら、それらは剪断伝達係数Γに強い影響をもたない。このため、これらの計算は、ｈおよびｔの暫定値として目標モノリシックガラス１００の厚さの１／３の厚さを使用する。
【００４３】
Γの値が決定されると、所望の減量を設計基準に基づいて選択することができる。また、減量は、積層体２００の面積重量とモノリス１００の面積重量との間の差である。式（１）によって計算される剪断伝達係数および目標とされる減量百分率を使用して、厚さ比ｓの値を図１および２のグラフから選択することができる。モノリス１００の撓み性能と等しい撓み性能を維持するために（撓みマッチング）、図１のグラフを使用する。モノリス１００の破損抵抗と等しい破損抵抗を維持するために（応力マッチング）、図２のグラフを使用する。
【００４４】
候補構造物の有効厚さはここで、適切なグラフから得られる厚さ比ｓ（＝ｔ／ｈ）を満たすｈおよびｔの或る組合せを選択することによって計算することができる。積層体２００の有効厚さｈefは、式（２）および（３）を用いて求められる。
【００４５】
撓みマッチングのために、式（２）を使用する。
【００４６】
【数３】
2017522200.tif 000005
【００４７】
応力マッチングのために、式（３）を使用する。
【００４８】
【数４】
2017522200.tif 000006
【００４９】
代替方法において、目標とされる有効厚さｈefを用いて、目標剛性を達成するために必要な外層厚さｈの正確な厚さを式（２’）および（３’）を用いて計算することができる。
【００５０】
【数５】
2017522200.tif 000007
【００５１】
最後に、有効厚さが目標モノリシックガラスの有効厚さと同じかより大きい積層体２００の構造が選択される。中間層厚さｔを関係式ｔ＝ｓｈから計算することができる。しかしながら、著しく、この方法で求められるｈおよびｔは商業的利用可能性の観点からいえば必ずしも実行可能ではない。このため、実用的な設計戦略は、層厚さｈおよびｔが反復的方法によって求められるかあるいは他の方法で微調整されることを必要とする場合がある。
【００５２】
さらにまた、外層２１および２３が比ｋ＝１．５によって関係づけられる厚さを有する軽量積層体２００を設計する方法が本明細書において提供される。理論に拘束されることを望まないが、１．５は、積層ガラスにおいて実用的である最大厚さ比ｋに近いと考えられる。最初に、剪断伝達係数Γが式（４）を用いて計算される。
【００５３】
【数６】
2017522200.tif 000008
【００５４】
再び、これらの計算は、ｋ＝１である積層体２００に対して上に示された理由のために、ｈおよびｔの暫定値として目標モノリシックガラス１００の厚さの１／３を使用する。
【００５５】
Γの値が決定されると、所望の減量を設計基準に基づいて選択することができる。式（４）によって計算される剪断伝達係数および目標とされる減量百分率を使用して、厚さ比ｓの値を図３（ａ，ｂ）および４（ａ，ｂ）のグラフから選択することができる。モノリス１００の撓み性能と等しい撓み性能を維持するために（撓みマッチング）、図３（ａ）および３（ｂ）のグラフを使用する。モノリス１００の破損抵抗と等しい破損抵抗を維持するために（応力マッチング）、図４（ａ）および４（ｂ）のグラフを使用する。
【００５６】
より具体的には、ガラス層２１および２３の厚さは等しくないので、積層体２００が破損する応力は、力が加えられる方向に依存する。したがって、応力マッチングのために、図４（ａ）は、積層体２００のより厚いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。図４（ｂ）は、より薄いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。負荷が積層体２００の両面から加えられる場合、図４（ａ）の「判別線」の上の領域、または図４（ｂ）の「判別線」の下の領域を使用する。同じく、撓みマッチングのために、図３（ａ）は、積層体２００のより厚いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。図３（ｂ）は、より薄いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。負荷が積層体２００の両面から加えられる場合、図３（ａ）の「判別線」の上の領域、または図３（ｂ）の「判別線」の下の領域を使用する。
【００５７】
候補構造物の有効厚さはここで、適切なグラフから得られる厚さ比ｓ（＝ｔ／ｈ）を満たすｈおよびｔの或る組合せを選択することによって計算することができる。積層体２００の有効厚さｈefは、式（５）および（６）を用いて求められる。
【００５８】
撓みマッチングのために、式（５）を使用する。
【００５９】
【数７】
2017522200.tif 000009
【００６０】
最大ガラス曲げ応力の計算のために、式（６）を使用する。
【００６１】
【数８】
2017522200.tif 000010
【００６２】
上式中、
【００６３】
【数９】
2017522200.tif 000011
【００６４】
である。
【００６５】
代わりに、ａ4およびａ5が、式（７’）：
【００６６】
【数１０】
2017522200.tif 000012
【００６７】
から計算されてもよい。
【００６８】
ガラスのより厚いガラス面からだけ負荷が加えられる時に式（７）が用いられる。式（７’）は、より薄いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。負荷が積層体の両面から加えられる時は、「判別線」より上の領域のｓを使用する時に式（７）を用いるか、または図４（ｂ）の「判別線」より下の領域のｓを使用する時に式（７’）を用いる。
【００６９】
代替方法において、目標とされる有効厚さｈefを使用して、目標剛性を達成するために必要な外層厚さｈの正確な厚さを式（５’）および（５’）を用いて計算することができる、
【００７０】
【数１１】
2017522200.tif 000013
【００７１】
最後に、有効厚さが、目標とされるガラスモノリスの有効厚さと同じかまたはより大きい積層体２００の構造が選択される。中間層厚さｔを関係式ｔ＝ｓｈから計算することができる。再び、この方法で求められるｈおよびｔは商業的利用可能性の観点からいえば必ずしも実行可能ではない。このため、実用的な設計戦略は、層厚さｈおよびｔが反復的方法によって求められるかあるいは他の方法で微調整されることを必要とする場合がある。
【００７２】
さらにまた、外層２１および２３が比ｋ＝２によって関連づけられる厚さを有する軽量積層体２００を設計する方法が本明細書において提供される。理論に拘束されることを望まないが、２は、積層ガラスにおいて実用的である最大厚さ比ｋに近いと考えられる。最初に、剪断伝達係数Γは、ｋ＝１．５である時に使用される方法に対して示される同じ条件を用いて、上記の式（４）を使用して計算される。
【００７３】
Γの値が決定されると、所望の減量を設計基準に基づいて選択することができる。式（４）によって計算される剪断伝達係数Γおよび目標とされる減量百分率を使用して、厚さ比ｓの値を図５（ａ，ｂ）および図６（ａ，ｂ）のグラフから選択することができる。モノリス１００の撓み性能と等しい撓み性能を維持するために（撓みマッチング）、図５（ａ）および５（ｂ）のグラフを使用する。モノリス１００の破損抵抗と等しい破損抵抗を維持するために（応力マッチング）、図６（ａ）および６（ｂ）のグラフを使用する。
【００７４】
より具体的には、ガラス層２１および２３の厚さが等しくないので、積層体２００が破損する応力は、力が加えられる方向に依存する。したがって、応力マッチングのために、図６（ａ）は、積層体２００のより厚いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。図６（ｂ）は、より薄いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。負荷が積層体２００の両面から加えられる場合、図６（ａ）の「判別線」の上の領域、または図６（ｂ）の「判別線」の下の領域を使用する。同じく、撓みマッチングのために、図５（ａ）は、積層体２００のより厚いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。図５（ｂ）は、より薄いガラス面からだけ負荷が加えられる時に使用される。負荷が積層体２００の両面から加えられる場合、図５（ａ）の「判別線」の上の領域、または図５（ｂ）の「判別線」の下の領域を使用する。
【００７５】
上記の、ｋ＝１．５である場合のように、有効厚さｈefが式（５）、（６）、（７）および（７’）から計算され、厚さ比ｓ（＝ｔ／ｈ）を満たすｈおよびｔの或る組合せが適切なグラフから得られる。ガラス層２１または２３がより厚い層である積層体２００の面からだけ負荷が加えられる時に式（７）が支配し、ガラス層２１または２３がより薄い層である面からだけ負荷が加えられる時に式（７’）が支配する。負荷が積層体２００の両面から加えられるとき、図６（ｂ）において「判別線」の上の領域のｓを使用する時に式（７）を用いるか、または「判別線」の下の領域のｓを使用する時に式（７’）を用いる。
【００７６】
また、代替方法において、目標とされる有効厚さｈefを式（５’）または（６’）において使用して、目標剛性を達成するために必要な外層厚さｈの正確な厚さを計算することができる。最後に、有効厚さが目標とされるガラスモノリスのそれと同じかまたはより大きい積層体２００の構造が選択される。ｋのより小さな値に対して上に示される同じ条件がこの場合に適用されてもよい。
【００７７】
さらに、ｋの様々な値についてｓ対Γのグラフを生成する方法が本明細書において提供される。最初に、積層体２００の撓み強度がモノリス１００の撓み強度に整合されるとき、ｓ対Γのグラフ上の１００（１−Ｗ）％の減量の曲線は、式８を満たす。
【００７８】
【数１２】
2017522200.tif 000014
【００７９】
応力マッチングのために、式（９）が関係する。
【００８０】
【数１３】
2017522200.tif 000015
【００８１】
式（８）および（９）において、ａ1〜ａ6は上記の式（７）を用いて計算される。中間層の密度の、外層材料の密度に対する比、
【００８２】
【数１４】
2017522200.tif 000016
【００８３】
すなわち、（ポリマー中間層の密度）／（ガラスの密度）は通常、（０．９５ｇ／ｃｍ3）／（２．５ｇ／ｃｍ3）＝０．３８である。
【００８４】
積層体２００の撓み強度がモノリス１００の撓み強度に整合されるとき、最大の達成可能減量を示す曲線は、図２〜６（ｂ）において黒い実線として示される。これらの曲線は、式１０を満たす。
【００８５】
【数１５】
2017522200.tif 000017
【００８６】
応力マッチングのために、式（１１）が関係する。
【００８７】
【数１６】
2017522200.tif 000018
【００８８】
応力マッチングでの判別線は、式１２によって生成される。
【００８９】
【数１７】
2017522200.tif 000019
【００９０】
この判別線の下で、式（７’）から得られるａ4およびａ5の値を使用するのがよい。
【００９１】
さらに本明細書に提供される方法を使用して設計される積層体２００を含む物品が本明細書に提供される。物品には、建造物；他の建築構造物；羽目；建築構造物の他の構成要素；貯蔵タンク；ボート、列車、飛行機、自動車およびトラックなどの乗り物や乗り物の構成要素、例えば、ドアパネル；および風防として使用するためのガラス積層体、建築用安全ガラス、光電池光電池モジュール、および構造用ガラスなどが含まれるがそれらに限定されない。コンピュータ装置用の筐体および家庭電化製品、例えば電子オーブンなど、小さめの物品が本発明の積層体を含んでもよい。また、ハンドヘルド物品、例えばスマートフォンおよびタブレットコンピュータも提供され、それらにおいて積層体は、タッチ・スクリーンまたは他の構成要素、例えば筐体または回路ボードであってもよい。
【００９２】
以下の実施例は、本発明をさらに詳細に説明するために提供される。これらの実施例は、本発明を実施するために今のところ考えられる好ましい方式を示し、本発明を説明するが限定することを意図するものではない。
【実施例】
【００９３】
理論と実験の一致：表１に示されるガラス積層体の試験体を作製した。標準ソーダ−石灰フロートガラスをガラス単層のために使用し、ＤｕＰｏｎｔ（商標）ＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）を中間層のために使用した。４点曲げ試験（図８）が一般的な万能材料試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ  ５９６５）を使用して行なわれた。線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）（Ｉｎｓｔｒｏｎ  ２６０１−０９３）によって撓みを測定し、下側のガラス表面の最下部の試料中心に配置された歪ゲージ（共和）によって応力を測定した。最大主応力をロゼット（Ｒｏｓｅｔｔｅ）分析によって計算した。ローディングアーム速度は１ｍｍ／分である。
【００９４】
厚さ比ｓおよび剪断伝達係数Γから上記の式によって同等の減量百分率を計算した。ＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）の剪断弾性率について、２００ＭＰａ（２４℃、１ｓの荷重持続時間）を計算のために使用した。
【００９５】
表１の積層体Ｎｏ．１〜５の剪断伝達係数、ｓ、および減量パーセンテージは、図１および２の範囲内にあり、それは本明細書に示される方法論と実際の実験の結果との一致を示す。
【００９６】
【表１】
2017522200.tif 000020
【００９７】
適用実施例：４ｍｍのモノリシックガラスを２５％減量したガラス積層体で代用
４ｍｍのモノリシックガラスをより軽い重量ガラス積層体で代用し、重量を約２５％低減するとここで前提する。さらなる前提には以下のものが含まれる。
・  モノリスおよび積層体のサイズは１０００ｍｍである。
・  積層ガラスは、４ｍｍ
ガラスと同等の耐応力性、すなわち、応力マッチング条件を有するのがよい。
・  積層体のガラス外層の厚さは同じであるのがよく（ｋ＝１）、積層体の剛性が正および負の両方の負荷からの負荷に対して一定である。
・  中間層はＤｕＰｏｎｔ  ＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）であり、剪断弾性率２００ＭＰａ（２４℃、１ｓの荷重持続時間）が計算のために使用される。
【００９８】
剪断力係数が計算される。それはガラスおよび中間層厚さについて変化するが、どんな場合でもほとんど１である。
【００９９】
図２から、２５％超の減量を達成するためにｓは２超であるのがよいことを見出すことができる。可能な構造は、表１のＮｏ．１〜４に示される。同等の剛性モノリシックガラスからの減量はどんな場合でも約２６％である。それらの中で、Ｎｏ．４は、４ｍｍのモノリシックガラスに近い剛性を有する。
【０１００】
次いで、現実的な構造物において４ｍｍの有効厚さを達成するように微調整される。１．１ｍｍの薄いガラスは市販品であり中間層の厚さは自由に調整され得るかまたは様々な市販の提供物から選択され得るので、１．１ｍｍガラス／２．１ｍｍＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）／１．１ｍｍガラスが最良の構造であるとして選択される。４ｍｍのモノリシックガラスからの約２５％減量は以下の計算から裏づけられる。
【０１０１】
式（２’）および（３’）を使用する代替方法において、ｈおよびｔはｈ＝１．０５、ｔ＝２．０９であると計算される。ここでΓは約１であると仮定される。従来の設計戦略は、構造「１．１ガラス／２．１ｍｍのＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）／１．１ｍｍのガラス」をもたらす。
【０１０２】
・  ４ｍｍのモノリシックガラスの重量：１０ｋｇ／ｍ2
・  １．１ｍｍのガラス／２．１ｍｍのＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）／１．１ｍｍのガラス重量：７．５０ｋｇ／ｍ2
・  （４ｍｍのモノリシックからの）減量：２５．０５％
・  （４．０４ｍｍのモノリシック*からの）減量：２７．０％
*耐応力性の点から「１．１ｍｍのガラス／２．１ｍｍのＳｅｎｔｒｙＧｌａｓ（登録商標）／１．１ｍｍのガラス」積層体と同等のモノリシックガラス
【０１０３】
【表２】
2017522200.tif 000021
【０１０４】
本発明の好ましい実施形態の特定のものが記載されて具体的に上に説明されたが、本発明がこのような実施形態に限定されることを意図するものではない。むしろ、本発明の構造および機能の詳細と一緒に本発明の多数の特性および利点が前述の説明に示されても、開示は例示にすぎず、添付された請求の範囲が表現される用語の広い一般的な意味によって示される最大限の程度まで、本発明の原理の範囲内で特に部分の形状、サイズおよび配列の問題において詳細に変更を加えてもよいことは理解されるはずである。
【図Ａ】
2017522200.tif 000022
【図Ｂ】
2017522200.tif 000023
【図１】
2017522200.tif 000024
【図２】
2017522200.tif 000025
【図３】
2017522200.tif 000026
【図４ａ】
2017522200.tif 000027
【図４ｂ】
2017522200.tif 000028
【図５】
2017522200.tif 000029
【図６ａ】
2017522200.tif 000030
【図６ｂ】
2017522200.tif 000031
【図７】
2017522200.tif 000032
【国際調査報告】
2017522200.tif 000033
2017522200.tif 000034
2017522200.tif 000035