СВЯЗАННЫЕ ВОЛОКНА В КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
COUPLED FIBRES IN COMPOSITE ARTICLES

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка представляет собой продолжающую заявку по отношению к рассматриваемой заявке на патент США №12/968575, поданной 15 декабря 2010 г. и озаглавленной «ВЫБОРОЧНО СВЯЗАННЫЕ ВОЛОКНА В КОМПОЗИТАХ», и испрашивает по ней приоритет.
Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к композитам и, в частности, к армированным волокнами композитным конструкциям, содержащим связанные волокна для улучшения баллистических рабочих характеристик.
Уровень техники
Композитные конструкции обычно содержат матрицу, армированную волокнами, причем волокна внедрены в матрицу. Композитные конструкции разработаны для передачи нагрузок вдоль длины волокон. Нагрузки от одного волокна могут быть переданы к другому волокну в том же слое или к волокнам в соседнем слое посредством передачи через материал матрицы. Однако матрица обычно слабее волокон, так что при достаточно высокой нагрузке, передаваемой от одного волокна к другому волокну через матрицу, матрица будет разрушена. Разрушение матрицы обеспечивает возможность бокового перемещения волокон внутри композитной конструкции.
Во время баллистического события при ударе пули о композитную панель способность волокон к боковому перемещению или перемещению в сторону обычно ухудшает совокупные баллистические рабочие характеристики композитной панели. Например, способность волокон в матрице к боковому перемещению позволяет пуле вклиниваться между волокнами. Такое вклинивание пули между волокнами обеспечивает пуле возможность прохождения через толщину композитной панели без раздробления волокон.
При этом боковое перемещение волокон и последующее вклинивание пули ухудшает баллистические рабочие характеристики панели.
Как можно видеть, в данной области техники существует потребность в композитной конструкции, обеспечивающей пониженную восприимчивость к боковому перемещению волокон таким образом, что баллистические рабочие характеристики могут быть улучшены. Пониженная восприимчивость к боковому перемещению волокон может также приводить к улучшению конструктивных характеристик композитной конструкции во время статической и/или квазистатической нагрузки композитной конструкции.
Раскрытие изобретения
Именно на удовлетворение вышеописанных потребностей, связанных с композитными конструкциями для баллистических и конструктивных приложений, и направлено настоящее изобретение, которое, в одном из вариантов реализации, предлагает композитную конструкцию, содержащую множество волокон, внедренных внутрь матрицы. Эти волокна могут включать первое волокно и второе волокно, которые могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу. Первое и второе волокна могут быть соединены друг с другом в одном или большем количестве мест соединения.
В другом варианте реализации настоящего изобретения раскрыта композитная конструкция, имеющая множество волокон, внедренных внутрь матрицы. Волокна могут включать первые волокна и вторые волокна, которые могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу. Первые и вторые волокна могут быть размещены в первой плоскости и могут быть соединены друг с другом во множестве мест соединения.
Дополнительно раскрыт способ изготовления композитной конструкции, который может включать этапы расположения множества волокон по существу параллельно друг другу. Множество волокон может включать первые и вторые волокна. Способ может дополнительно включать присоединение первого волокна ко второму волокну по меньшей мере в одном месте соединения. Способ может дополнительно включать внедрение множества волокон внутрь матрицы.
Также раскрыта композитная конструкция, способная содержать множество волокон, внедренных, по меньшей мере частично, внутрь матрицы. Волокна могут быть присоединены друг к другу во множестве мест соединения. Каждое место соединения может обладать типом соединения и качеством соединения. По меньшей мере два из мест соединения могут иметь различный тип соединения и/или различное качество соединения.
Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения раскрыта композитная конструкция, способная содержать множество волокон, внедренных по меньшей мере частично внутрь матрицы. Волокна могут быть размещены в двух или большем количестве слоев. По меньшей мере одно из волокон по меньшей мере в одном слое может быть присоединено по меньшей мере к одному из волокон в другом слое.
Настоящее изобретение также включает способ изготовления композитной конструкции. Способ может включать обеспечение наличия множества волокон и соединение по меньшей мере части волокон друг с другом в местах соединения. Способ может дополнительно включать обеспечение по меньшей мере у двух из мест соединения различного типа соединения и/или различного качества соединения. Способ может дополнительно включать внедрение волокон в матрицу.
Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения раскрыт способ изготовления композитной конструкции, который может включать расположение множества волокон в двух или большем количестве слоев. Способ может включать соединение по меньшей мере одного из волокон по меньшей мере в одном слое по меньшей мере с одним из волокон в другом слое, и внедрение волокон в матрицу.
Описанные признаки, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или они могут быть скомбинированы в других вариантах реализации настоящего изобретения, дополнительные подробности которых могут быть понятны со ссылками на приведенные ниже описание и чертежи.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки настоящего изобретения будут более очевидны со ссылками на чертежи, на которых в настоящей заявке одинаковые позиционные обозначения относятся к одинаковым частям и на которых:
Фигура 1 является иллюстрацией в перспективе композитной конструкции по одному варианту реализации настоящего изобретения, содержащей матрицу и множество волокон;
Фигура 2 является иллюстрацией в перспективе композитной конструкции по Фигуре 1, иллюстрирующей множество слоев волокон по одному варианту реализации настоящего изобретения, причем волокна соединены друг с другом с периодическими интервалами между местами соединения;
Фигура 3 является увеличенной иллюстрацией в перспективе части композитной конструкции по Фигуре 1, иллюстрирующей расположение слоев волокон внутри матрицы и кроме того иллюстрирующей внутриплоскостную связь волокон каждого слоя;
Фигура 4 является увеличенной иллюстрацией части композитной конструкции, аналогичной тому, что показана на Фигуре 3, и иллюстрирующей вариант реализации волокон, имеющих в целом удлиненную форму поперечного сечения;
Фигура 5 является схематической иллюстрацией одного слоя волокон, соединенных друг с другом во множестве мест соединения и представляющих внутриплоскостную связь соседних волокон;
Фигура 6 является схематической иллюстрацией волокон, где слои расположены в виде однонаправленной конфигурации и волокна соединены во множестве мест соединения через слои, что отражает внеплоскостную связь с соседним волокном в однонаправленной конфигурации композитного изделия;
Фигура 7 является схематической иллюстрацией пары слоев волокон, расположенных в однонаправленной конфигурации, иллюстрирующей множество мест соединения, соединяющих соседние волокна и представляющих плоскостную и внеплоскостную связь соседних волокон при однонаправленной конфигурации композитного изделия;
Фигура 8 является схематической иллюстрацией пары слоев волокон, размещенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующей множество мест соединения, соединяющих волокна через слои при ступенчатом расположении, представляющем внеплоскостную связь соседних волокон в конфигурации с перекрестным расположением волокон композитного изделия;
Фигура 9 является схематической иллюстрацией пары слоев волокон, расположенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующей множество мест соединения, соединяющих волокна через слои и представляющих связь волокон в одном слое с соседними и несоседними волокнами в соседнем слое при конфигурации с перекрестным расположением волокон композитного изделия;
Фигура 10 является иллюстрацией композитной конструкции, включающей множество слоев, иллюстрирующей самый внешний слой волокон, соединенных посредством множества мест соединения при внутриплоскостной конфигурации;
Фигура 11 является иллюстрацией моделируемого на компьютере события столкновения пули с композитной конструкцией, показывающая внутриплоскостную связь волокон, предотвращающую вклинивание пули между волокнами;
Фигура 12 является иллюстрацией блок-схемы одного или большего количества этапов, которые могут быть включены в способ изготовления композитной конструкции, содержащей множество мест соединения;
Фигура 13А является схематическим видом сверху композитной конструкции, содержащей волокна, взаимно соединенные в местах соединения, расположенных в первой и второй областях соединения;
Фигура 13В является схематическим видом сбоку композитной конструкции по Фигуре 13А, иллюстрирующем внеплоскостную связь волокон первого и второго слоев волокон вдоль первой и второй областей соединения;
Фигура 13С является схематическим видом с торца композитной конструкции по Фигуре 13А, дополнительно иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон второго и третьего слоев вдоль первой и второй областей соединения;
Фигура 14 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в однонаправленной конфигурации, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон первого и второго слоев с остальными слоями, не соединенными с другими волокнами;
Фигура 15 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в однонаправленной конфигурации, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон в любом другом слое (например, в перемежающихся слоях);
Фигура 16 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон между парами слоев;
Фигура 17 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон с изменениями качества соединения между различными парами слоев;
Фигура 18 является схематической иллюстрацией одного слоя однонаправленных волокон, соединенных друг с другом во множестве мест соединения, имеющих по меньшей мере два различных типа соединения и/или качества соединения;
Фигура 19 является схематической иллюстрацией первого слоя, имеющего первые волокна, соединенные друг с другом во множестве мест соединения, и второго слоя, имеющего вторые волокна, соединенные друг с другом во множестве мест соединения с типом соединения и/или качеством соединения, отличными от типа и качества соединения в местах соединения между первыми волокнами;
Фигура 20 является схематической иллюстрацией первого, второго и третьего слоев, содержащих соответствующие первые волокна, вторые волокна и третьи волокна, соединенные в первых, вторых и третьих местах соединения, имеющих различные типы соединения и/или качество соединения;
Фигура 21 является схематической иллюстрацией композитной конструкции, содержащей первый слой волокон, присоединенных ко второму слою, выполненному в виде плоского элемента, содержащего пленку, лист или пластину;
Фигура 22 является схематической иллюстрацией композитной конструкции, содержащей первый слой волокон, присоединенных ко второму слою, выполненному в виде плоского элемента, содержащего слой ткани из сплетенных волокон;
Фигура 23 является схематической иллюстрацией первого слоя, выполненного в виде слоя ткани из сплетенных волокон, причем соединенные волокна в слое ткани из сплетенных волокон соединены в месте пересечения волокон;
Фигура 24 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает круговой формой, как частью глобальной картины мест соединения для связи волокон в индивидуальном слое или связи волокон в различных слоях;
Фигура 25 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает закрытой круговой формой как частью глобальной картины мест соединения;
Фигура 26 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает закрытой круговой формой и расположена с большей плотностью, чем локальные области соединения, показанные на Фигуре 25;
Фигура 27 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает синусоидальной формой как частью глобальной картины мест соединения;
Фигура 28 является схематическим видом множества локальных областей соединения, имеющих синусоидальные формы различной толщины;
Фигура 29 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает серповидной формой как частью глобальной картины мест соединения;
Фигура 30 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает Х-образной формой как частью глобальной картины мест соединения;
Фигура 31 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает Х-образной формой и расположена с большей плотностью, чем локальные области соединения, показанные на фиг. 30;
Фигура 32 является схематическим видом множества локальных областей соединения каждая из которых обладает Х-образной формой и расположена с большей плотностью, чем локальные области соединения, показанные на Фигуре 31;
Фигура 33 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает стержневидной формой как частью глобальной картины мест соединения;
Фигура 34 является видом в разрезе двухкомпонентного волокна, содержащего ядро, окруженное плавкой оболочкой;
Фигура 35 является видом в разрезе пары двухкомпонентных волокон, состыкованных друг против друга;
Фигура 36 является видом в разрезе пары двухкомпонентных волокон, взаимосоединенных друг с другом посредством совместного сплавления оболочек;
Фигура 37 является покомпонентным схематическим видом множества слоев двухкомпонентных волокон, размещенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон;
Фигура 38 является схематическим видом сбоку слоев по Фигуре 37, спрессованных друг с другом и со сплавленными вместе оболочками;
Фигура 39 является схематическим видом сбоку композитной конструкции после заливки слоев матричным материалом;
Фигура 40 является схематической иллюстрацией в перспективе конфигурации с перекрестным расположением волокон первого и второго слоев, содержащих волокна с первой функциональной особенностью и волокна со второй функциональной особенностью;
Фигура 41 является покомпонентным схематическим видом множества волокон с первой функциональной особенностью и волокон со второй функциональной особенностью, расположенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон;
Фигура 42 является схематическим видом сбоку слоев по Фигуре 41, спрессованных вместе для химической связи волокон со второй функциональной особенностью с волокнами с первой функциональной особенностью в местах, где волокна со второй функциональной особенностью входят в контакт с волокнами с первой функциональной особенностью;
Фигура 43 является схематическим видом сбоку композитной конструкции после заливки химически связанных слоев матричным материалом;
Фигура 44 является блок-схемой, иллюстрирующей один или большее количество этапов, которые могут быть включены в способ изготовления композитной конструкции, содержащей волокна, связанные во множестве мест соединения с изменяемым типом соединения и/или изменяемым качеством соединения; и
Фигура 45 является блок-схемой, иллюстрирующей один или большее количество этапов, которые могут быть включены в способ изготовления композитной конструкции, содержащей множество слоев, причем волокна по меньшей мере в одном слое соединены с волокнами другого слоя.
Подробное описание изобретения
На чертежах изображения предназначены для целей иллюстрации предпочтительных и различных вариантов реализации изобретения, при этом на фиг. 1 показан вариант реализации композитной конструкции 10. Композитная конструкция 10 может быть изготовлена в виде армированной волокном композитной панели 14, содержащей по существу оптически прозрачную и/или прозрачную в инфракрасной области полимерную матрицу 22 и множество аналогичных по существу оптически прозрачных и/или прозрачных в инфракрасной области волокон 30, которые могут быть внедрены внутрь полимерной матрицы 22. Хотя на фиг. 1 панель 14 показана в конфигурации, содержащей поверхности 16 панели, композитная конструкция 10 может быть реализована без ограничений в любом варианте из широкого разнообразия размеров, форм и конфигураций, и может содержать плоские и/или составные изогнутые поверхности.
На фиг. 2 показан покомпонентный вид панели 14 по фиг. 1, иллюстрирующий множество волокон 30, выполненных в виде лент, имеющих удлиненную поперечную форму, и расположенных в слоях 60. На фиг. 2 среднее волокно имеет позиционное обозначение 31. Волокна 30 в любом из слоев 60 могут быть выполнены с любым размером, формой и конфигурацией и не ограничены удлиненными формами поперечного сечения. В любом раскрытом в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу в любом заданном слое 60, хотя предусмотрены и непараллельные ориентации волокон 30 внутри слоя 60. В предпочтительном варианте реализации описанная в настоящей заявке композитная конструкция 10 обеспечивает связь волокон 30 друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения, как схематично показано на фиг. 2. Например, на фиг. 2 показано три слоя 60, каждый из которых содержит множество волокон 30, расположенных по существу параллельно друг другу. Волокна 30 в каждом из слоев 60 соединены с соседними волокнами 30 во множестве мест 80 соединения, которые могут быть расположены на любом желательном расстоянии друг от друга вдоль длины одного или большего количества волокон 30. Связь волокон 30 в одном или большем количестве мест 80 соединения может облегчить взаимодействие и/или кооперацию между соседними волокнами 30 и/или несоседними волокнами 30, что может значительно изменить траектории действия нагрузок (например, направление и/или длину траекторий действия нагрузок) через композитную конструкцию 10 и ограничить распространение повреждения через композитную конструкцию 10, что может иметь место во время события отказа, например, в случае баллистического удара. Кроме того, в любом раскрытом в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения добавление волокна 30, связанного в одном или большем количестве мест 80 соединения, способно эффективно улучшать механические свойства композитной конструкции 10 и/или управлять ими, включая улучшение таких свойств, как прочность при межслойном сдвиге, сопротивление расслаиванию, жесткость, прочность на сжатие, ударная вязкость и допустимые повреждения композитной конструкции 10.
Хотя на фиг. 2 показаны места 80 соединения, схематично представленные в виде относительно тонких линий, проходящих между в целом уплощенными волокнами композитной конструкции 10. Следует иметь ввиду, что на схематических иллюстрациях по фиг. 1-9 и на схематических иллюстрациях по фиг. 13А-33 волокна 30 в каждом слое 60 показаны с преувеличенным интервалом между ними для иллюстрации концепции связи волокон 30 в одном или большем количестве мест 80 соединения. Однако волокна 30 в слое 60 фактической композитной конструкции 10 могут быть расположены на относительно малом расстоянии друг от друга, а в некоторых примерах параллельные волокна 30 в каждом слое 60 могут контактировать друг с другом, но быть связанными друг с другом лишь в одном или большем количестве мест 80 соединения. Кроме того, схематические иллюстрации на фиг. 1-4 показывают волокна 30 с преувеличенным поперечным размером относительно размера композитной конструкции 10. Например, хотя на фиг. 2 показано семь (7) индивидуальных волокон 30 в каждом из трех (3) слоев 60 композитной конструкции 10, фактическая композитная конструкции 10 может содержать десятки тысяч или большее количество волокон 30 в каждом слое 60. Кроме того, фактическая композитная конструкция 10 может содержать сотню слоев 60. Кроме того, в фактической композитной конструкции 10 толщина каждого волокна 30 может быть относительно мала. Например, толщина каждого волокна 30 может составлять от примерно 5 микрон до примерно 5000 микрон (например, от 0,0002 до 0,20 дюймов (от 0,000508 см до 0,508 см)). Однако, волокна 30 могут обладать любой толщиной 50 волокна, без ограничения.
Схематическое представление мест 80 соединения на фиг. 2 иллюстрирует внутриплоскостную связь 82 волокон 30 в каждом слое 60. Однако настоящее изобретение предполагает внеплоскостную связь 84 волокон 30 или комбинации внутриплоскостной связи 82 и внеплоскостной связи 84 волокон 30 в любом расположении из описанного ниже множества различных расположений. Волокна 30 могут быть связаны в одном или большем количестве мест 80 соединения при использовании одного или большего количества типов 88 соединения, включающих, без ограничения, адгезивное соединение, химические соединение, тепловое сплавление, механическое скрепление и/или другие подходящие типы соединения. Адгезивное соединение может представлять собой соединение волокон 30 в местах 80 соединения посредством подходящего адгезива. Химическое соединение может представлять собой реакционное соединение наружных поверхностей волокон 30 в местах контакта волокон 30 друг с другом в результате химической композиции материалов волокна 30, как описано ниже. Тепловое сплавление может представлять собой локальное нагревание волокон 30 в каждом месте 80 соединения для сплавления или сварки волокон 30 вместе в каждом месте 80 соединения. Например, волокна 30 могут быть локально нагреты лазером (не показан) в каждом месте 80 соединения до температуры выше температуры стеклования волокон 30 для сплавления волокон 30 вместе.
Технический результат от связи волокон 30 друг с другом в местах 80 соединения состоит в улучшении композитной конструкции 10 относительно препятствования проникновению пули через композитную конструкцию 10. В частности, связь волокон 30 друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения по всей композитной конструкции 10 уменьшает способность пули к вклиниванию между волокнами 30. Кроме того, связь волокон 30 друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения по всей композитной конструкции 10 обеспечивает средство для управления размером или областью композитной конструкции 10, которые могут быть повреждены в результате удара пули. При этом связь волокон 30 в одном или большем количестве мест 80 соединения по всей композитной конструкции 10 обеспечивает средство для настройки или адаптации жесткости композитной конструкции 10 для улучшения баллистических рабочих характеристик, например, во время удара пули, когда волокна 30 могут быть подвергнуты относительно высоким скоростям деформации. Кроме того, связь волокон 30 может быть применена к композитным конструкциям 10, которые подвергнуты статической нагрузке и/или квазистатической нагрузке, для улучшения структурных характеристик таких композитных конструкций 10.
На фиг. 3 показан увеличенный перспективный вид композитной конструкции 10, иллюстрирующий волокна 30, расположенные в слоях 60 внутри матрицы 22. На фиг. 3 каждый из слоев 60 содержит волокна 30, ориентированные по существу параллельно друг другу. Волокна 30 в каждом слое 60 ориентированы перпендикулярно относительно волокна 30 в соседних слоях 60, формируя конфигурацию 72 с перекрестным расположением волокон композитной конструкции 10, аналогичную конфигурации, показанной на фиг. 2. Однако в любом из раскрытых в настоящей заявке вариантов реализации волокна 30 могут быть расположены в любой ориентации относительно друг друга внутри композитной конструкции 10 и не ограничены ориентациями, показанными на фиг. 2 и 3. Например, волокна 30 в каждом из слоев 60 могут быть ориентированы параллельно волокнам 30 в соседних слоях 60, образуя однонаправленную конфигурацию 70 (фиг. 6) композитной конструкции 10. Более того, волокна 30 в любом заданном слое 60 могут быть ориентированы под любым, без ограничения, углом относительно ориентации волокон 30 в соседних слоях 60. Например, в любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения волокна 30 из одного слоя 60 могут быть ориентированы под любым неперпендикулярным углом (то есть, равным 15°, 22,5°, 45°, 60°, 75° и т.д.) относительно волокон 30 соседнего слоя из слоев 60.
Хотя композитная конструкция 10 показана на фиг. 3 имеющей три слоя 60 волокон 30, может быть выполнено любое количество слоев 60. Например, композитная конструкция 10 может содержать один слой 60 волокон 30 или десятки или сотни слоев 60. В любом описанном в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 в одном или большем количестве слоев 60 могут быть расположены с возможностью контакта или отсутствия контакта с волокнами 30 из соседних слоев 60. Например, матрица 22 может содержать волокна 30, не контактирующие друг с другом. Однако в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения слои 60 волокон 30 расположены без вхождения в контакт, за исключением связи волокон 30 в местах 80 соединения, как показано на фиг. 2 и 3 и показано в альтернативных вариантах реализации изобретения на фиг. 5-9, как описано ниже. Например, на фиг. 3-4 схематично и преувеличенным способом показаны слои 60, расположенные на расстоянии друг от друга так, что волокна 30 не контактируют друг с другом. Однако слои 60 могут быть расположены с возможностью в целом контактировать друг с другом в матрице 22. Некоторые из волокон могут контактировать друг с другом в определенном месте вдоль длины волокон 30, а в других местах может присутствовать относительно тонкая пленка матрицы 22 между слоями 60. Интервал между слоями 60 частично зависит от толщины матрицы 22, окружающей или покрывающей каждое волокно 30. Например, волокна 30 могут быть выполнены как волокна 30 препрега, имеющие покрытие матрицей 22, окружающей волокно 30.
Во время изготовления композитной конструкции 10 посредством процесса, известного в данной области техники, волокна 30 могут быть наложены поверх друг друга слоями 60 и могут быть нагреты для размягчения и перемешивания матрицы 22 между соседними волокнами 30 с последующим охлаждением композитной конструкции 10 для затвердевания матрицы 22, что приводит к получению окончательной композитной конструкции 10. Толщина матрицы 22 на каждом волокне 30 будет определять расстояние между слоями 60 волокон 30. Во время разработки композитной конструкции 10 может быть выбрана толщина покрытия матрицы 22 на волокнах 30 для достижения желательной объемной доли волокна композитной конструкции 10, известной в данной области техники. Композитная конструкция 10 со слоями 60, расположенными на относительно большом расстоянии друг от друга, будет иметь меньшее суммарное количество волокон 30 и, следовательно, меньший полный суммарный объем волокон 30 (то есть, меньшую объемную долю волокон), чем у композитной конструкции 10 со слоями 60, ближе расположенными друг к другу. Таким образом объемная доля волокна представляет собой суммарный объем волокон 30 в отвержденной композитной конструкции 10 относительно суммарного объема отвержденной композитной конструкции 10.
Отвержденная композитная конструкции 10 с относительно высокой объемной долей волокон может обладать повышенной удельной прочностью и/или повышенной удельной жесткостью по сравнению с отвержденной композитной конструкцией 10 с пониженной объемной долей волокон. Следовательно, как известно в данной области техники, для определенных вариантов использования может быть желательным разработать и изготовить композитную конструкцию 10 с возможностью обладания относительно высокой объемной долей волокон. В некоторых примерах объемная доля волокна композитной конструкции 10 может быть в диапазоне примерно 50-70 процентов, хотя может быть достижимо и большее значение объемной доли волокон. Однако композитная конструкция 10 должна, как правило, содержать достаточное количество материала матрицы 22 для удержания волокон 30 в определенном положении относительно друг друга во время эксплуатации композитной конструкции 10 таким образом, что объемная доля волокон в 100 процентов (то есть, композитная конструкция 10 не содержит матрицы 22) является обычно нежелательной. Следует иметь ввиду, что значения удельной прочности и удельной жесткости, которые могут желательны для композитной конструкции 10, могут быть разными для различных вариантов использования. Кроме того, как известно в данной области техники, значение объемной доли волокон в композитной конструкции 10 и наличие или отсутствие контакта между слоями 60 могут быть основаны на производственных решениях, решениях, связанных с весом и стоимостью, и на множестве других решений.
На фиг. 4 показан вид поперечного сечения композитной конструкции 10, подобной той, что показана на фиг. 3, иллюстрирующий вариант расположения волокон 30 в трех (3) слоях 60 внутри матрицы 22. На фиг. 4 среднее волокно, расположенное между верхним и нижним слоями 60, имеет позиционное обозначение 31. Как может быть видно на фиг. 4, эти два волокна 30 в верхнем слое 60 и в нижнем слое 60 могут обладать удлиненной формой поперечного сечения, имеющей относительно уплощенные или по существу плоские грани волокон 30, например, верхнюю и нижнюю поверхности 44 и 46, для сведения к минимуму рассеяния света, которое в противном случае может иметь место при попадании света на изогнутую поверхность или при прохождении через нее. Среднее волокно на фиг. 4 показано на виде сбоку в соответствии с ориентацией волокон 30, 31 на фиг. 3, на основании которой выполнена фиг. 4.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения по существу плоская конфигурация верхней и нижней поверхностей 44, 46 волокна 30 уменьшает оптическое искажение композитной конструкции 10. Например, при прозрачной композитной конструкции 10, такой, например, как окно здания или транспортного средства, уменьшение оптического искажения может улучшить оптическую ясность объектов, наблюдаемых через композитную конструкцию 10. В целом удлиненная форма поперечного сечения волокон 30 предпочтительно имеет относительно высокое значение соотношения сторон, которое может быть определено как отношение ширины 52 волокна к толщине 50 волокна. В любом из раскрытых в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения волокна 30 могут иметь удлиненную форму поперечного сечения, обладающую относительно уплощенными или по существу плоскими гранями волокон, причем волокна имеют значение соотношения сторон, способное к изменению от примерно 3 до примерно 500, хотя поперечное сечение волокна 30 может обладать любым значением соотношения сторон. Кроме того, толщина 50 волокна может быть любой. В любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения значение толщины волокна 30 может составлять от примерно 5 микрон до примерно 5000 микрон (например, от 0,0002 до 0,20 дюйма (от 0,000508 см до 0,508 см)). Однако, волокно 30 может обладать, без ограничения, любым значением толщины 50 волокна.
На фиг. 4 также можно видеть, что удлиненная форма поперечного сечения волокна 30 может содержать пару по существу плоских граней волокна 30 (то есть, верхнюю и нижнюю поверхности 44, 46), которые предпочтительно ориентированы по существу параллельно поверхности 12 композитной конструкции 10. Однако в любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения, волокна 30 могут быть внедрены внутрь матрицы 22 и ориентированы в ней таким образом, что грани волокон 30 размещены в любой ориентации относительно поверхности 12 структуры. Хотя грани волокна 30 показаны по существу плоскими, они могут быть слегка изогнуты, включая слегка вогнутую, слегка выпуклую форму или форму с выступающим центром и не ограничены строго по существу плоским или уплощенным профилем. Кроме того, предусмотрено, что грани волокна 30 могут содержать одну или большее количество поверхностных особенностей (не показаны) на одной или большем количестве граней волокна 30 и не ограничены строго прямоугольной удлиненной формой поперечного сечения, показанной на фиг. 4.
На фиг. 4 схематично показано поперечное сечение композитной конструкции 10 по фиг. 3. Как указано выше, волокна в композитной конструкции 10 по фиг. 3 находятся в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон, известной в данной области техники, причем продольное направление волокон 30 в каждом слое 60 ориентировано перпендикулярно к продольному направлению волокон 30 в соседних слоях 60. При этом на фиг. 4 показано поперечное сечение волокон 30 в верхнем, среднем и нижнем слоях 60, взятых вдоль линии 4 на фиг. 3. В верхнем слое 60 по фиг. 4 поперечное сечение перпендикулярно продольному направлению волокон 30 в верхнем слое 60. В среднем слое 60 по фиг. 4 поперечное сечение волокна 31 параллельно продольному направлению волокна 31 в среднем слое 60. В нижнем слое 60 по фиг. 4 поперечное сечение перпендикулярно продольному направлению волокон 30 в нижнем слое 60.
В верхнем и нижнем слоях 60 боковые края 48 соседних волокон 30 показаны расположенными на расстоянии друг от друга. Однако, в непоказанном варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 в слое 60 могут быть расположены так, что боковые края 48 волокна 30 размещены в контакте с боковыми краями 48 соседнего волокна из волокон 30 (например, см. фиг. 35-36). Однако, как указано выше, волокна 30 могут быть расположены с любым желательным интервалом и не ограничены интервалом для волокон 30, показанным на фиг. 4.
На фиг. 5 схематически показан вид слоя 60 из параллельных волокон 30, отделенных друг от друга. При этом на фиг. 5 схематично показаны места 80 соединения, связывающие волокна 30 во внутриплоскостной связи 82, аналогичной внутриплоскостной связи 82, показанной на фиг. 2. Волокна 30 показаны в виде толстых линий и могут быть выборочно связаны в местах 80 соединения, показанных в виде линий, более тонких по сравнению с линиями, представляющими волокна 30. Расположение волокон 30 на фиг. 5 представляет собой один слой 60, причем волокна 30 могут быть соединены друг с другом по меньшей мере в одном месте 80 соединения.
Волокна 30, показанные на фиг. 5, могут быть выборочно связаны друг с другом в местах 80 соединения при использовании определенного типа 88 соединения, которые способны обладать определенными качествами 100 соединения, как описано подробно ниже, для обеспечения желательного отклика композитной конструкции 10 во время попадания пули. В частности, на фиг. 5 показано первое волокно 32 и второе волокно 34 из множества волокон 30, которые могут быть соединены друг с другом во множестве мест 80 соединения. В любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения места 80 соединения могут быть распределены по различным расположениям вдоль длин волокон 30. Например, на фиг. 5 показан относительно равномерный шаг 86 между местами 80 соединения вдоль длины волокон 30. Однако места 80 соединения, соединяющие соседние волокна 30, могут отстоять друг от друга с заранее определенной периодичностью вдоль длины волокон 30, как подробнее описано ниже.
Первые и вторые волокна 32, 34 могут быть соединены друг с другом во множестве мест 80 соединения посредством адгезивного соединения, сплавления и/или механического скрепления или посредством других подходящих типов 88 соединения. Адгезивное соединение может представлять собой соединение волокон 30 в местах 80 соединения посредством подходящего адгезива, такого как эпоксидная смола, для непосредственной связи волокон 30 друг с другом в местах 80 соединения. Однако другие подходящие адгезивы могут быть использованы для связи волокон 30 вместе в местах 80 соединения. В другом варианте реализации настоящего изобретения тип 88 соединения может представлять собой сплавление или сваривание волокон 30 вместе в местах 80 соединения. Например, волокна 30 могут быть локально нагреты выше температуры стеклования или температуры плавления волокон 30 или покрытия волокна для сплавления или сваривания волокон 30 вместе. В определенном варианте реализации настоящего изобретения боковые края 48 (фиг. 4) волокон 30 в слое 60 могут быть расположены в контакте с боковыми краями 48 соседних волокон 30 в том же самом слое 60. Боковые края 48 могут быть локально нагреты для локального сплавления или сварки волокон 30 вместе с образованием места 80 соединения. Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 31-33, волокна 30 могут быть выполнены в виде волокон 56 с ядром и оболочкой, которые могут быть описаны как содержащие ядро 57, окруженное плавкой оболочкой 58, выполненной из плавкого материала. Плавкая оболочка 58 выполнена плавкой в том смысле, что плавкие оболочки 58 двух волокон 56 с ядром и оболочкой могут быть размещены в контакте друг с другом по меньшей мере в одном месте, и плавкие оболочки 58 могут быть локально нагреты в месте контакта для расплавления и сплавления вместе плавких оболочек 58 в этом месте. Плавкая оболочка 58 может быть, без ограничения, выполнена из любого материала, включая металлический материал, керамический материал, композиционный материал (например, эпоксидную смолу, термопластический материал и т.д.). Например, плавкая оболочка 58 может быть выполнена из термопластического материала, который может быть термопластическим образом сплавлен с плавкой оболочкой 58 другого волокна 30 в месте 80 соединения, как подробнее описано ниже.
На фиг. 5 также можно видеть, что еще в одном варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 могут быть локально механически соединены посредством механического скрепления. Например, поверхностные детали для механического соединения волокон 30 вместе в местах 80 соединения могут быть размещены на боковых краях 48 (фиг. 4) волокон 30 для соединения волокон 30 вместе. Таким образом любая подходящая часть волокон 30 может быть механически соединена вместе в месте 80 соединения. В неограничивающем варианте реализации настоящего изобретения механическое скрепление может представлять собой увеличение шероховатости поверхности в локальной точке вдоль волокон 30 для уменьшения или предотвращения относительного осевого перемещения волокон 30. Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения бороздки (не показаны), зубцы (не показаны) или другие детали могут быть нанесены на поверхности 42 волокна (фиг. 4) для механического скрепления волокон 30 вместе и ограничения или предотвращения относительного осевого перемещения волокон 30 относительно друг друга. Соединение или связь между волокнами 30 способно ограничить степень относительного перемещения волокон 30. В частности, соединение волокон 30 друг с другом в местах 80 соединения способно ограничить степень перемещения волокон 30 относительно друг друга и/или ограничить перемещение волокон 30 относительно матрицы 22.
Выбор типа 88 соединения может быть основан на необходимой степени соединяемости. Например, тип 88 соединения может быть выбран для обеспечения значения разрушающей деформации соединения, которое может быть ниже значения разрушающей деформации матрицы 22, для ограничения величины перемещения волокон 30 относительно друг друга. В контексте настоящего изобретения деформация представляет собой разрушающую деформацию, то есть, деформацию, при которой происходит нарушение или разрыв связи между волокнами 30. Кроме того, в контексте любого из раскрытых здесь вариантов реализации настоящего изобретения, такие свойства, как прочность, деформация и модуль упругости рассмотрены с точки зрения динамических свойств и/или квазистатических свойств. Качество 100 соединения может быть представлено как прочность соединения, разрушающая деформация соединения и модуль упругости в месте 80 соединения. Прочность соединения может представлять собой величину силы, необходимой для разрыва соединения в месте 80 соединения между волокнами. Прочность соединения может быть охарактеризована в терминах абсолютной величины или относительного значения. Например, абсолютная величина прочности соединения в месте 80 соединения может быть охарактеризована в терминах силы (в фунтах), необходимой для разрушения соединения между двумя волокнами 30. Прочность соединения может также быть охарактеризована в относительных терминах как процент от прочности матричного материала внутри композитной конструкции 10. Разрушающая деформация соединения может представлять собой деформацию, при которой происходит нарушение или разрыв связи между волокнами 30, и может быть охарактеризована как процент (с плюсом или минусом) от величины разрушающей деформации матрицы 22, как описано выше. Модуль упругости места 80 соединения может быть описан как модуль упругости на растяжение или модуль Юнга в месте 80 соединения и может быть охарактеризован как относительная жесткость или склонность к растяжению соединения между волокнами 30 при приложении силы.
При определенном расположении, когда тип 88 соединения имеет относительно низкую деформацию соединения, относительно сильное взаимодействие может иметь место между связанными волокнами 30 во время попадания пули. В определенном варианте реализации настоящего изобретения соединение между волокнами 30 может быть охарактеризовано как соединение, имеющее величину разрушающей деформации, отличное по меньшей мере на примерно 25% от разрушающей деформации матрицы 22. Например, соединение может иметь величину разрушающей деформации, которая по меньшей мере на 25% превышает величину разрушающей деформации матрицы 22. В качестве альтернативы соединение может обладать величиной разрушающей деформации, которая по меньшей мере на 25% ниже разрушающей деформации матрицы 22. Однако соединение может обладать величиной разрушающей деформации, представляющей собой любой процент от разрушающей деформации матрицы 22.
Кроме того, соединение между волокнами 30, такими как первые и вторые волокна 32, 34, показанные на фиг. 5, может быть определено прочностью соединения относительно прочности при растяжении матрицы 22. В любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения прочность соединения между волокнами 30 может быть охарактеризована как соединение, имеющее прочность при растяжении, отличное по меньшей мере на примерно 25% относительно прочности при растяжении матрицы 22. Например, прочность соединения может быть на 25% больше прочности при растяжении матрицы 22. В качестве альтернативы, прочность соединения может быть на 25% ниже прочности при растяжении матрицы 22. Однако прочность соединения может включать прочность при растяжении, представляющую собой любой процент от прочности при растяжении матрицы 22, и не ограничена прочностью соединения, отличной по меньшей мере на примерно 25% от прочности при растяжении матрицы 22.
На фиг. 5 показана связь волокон 30 в конфигурации внутриплоскостной связи, причем связанные волокна 30 расположены непосредственно рядом друг с другом в том же самом слое 60. При этом, хотя фигуры в целом показывают связь соседних волокон 30, предусмотрено, что связь волокон 30 может включать связь несоседних волокон 30. Как может быть видно из фиг. 5, первый слой 62 содержит первые и вторые волокна 32, 34, которые расположены рядом друг с другом и связаны друг с другом в местах 80 соединения. В настоящей заявке первый слой 62 может обозначать любой слой 60 из стопы 66 слоев композитной конструкции 10 и самый внешний слой 60 (например, верхний слой 60 или нижний слой 60) из стопы 66 слоев, или внутренний слой 60 внутри стопы 66 слоев. В любом раскрытом в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения места 80 соединения могут быть расположены друг от друга на любом расстоянии, включая картину или периодичность интервалов 86. Такие картина или периодичность интервалов 86 могут облегчить изготовление волокон 30 и/или композитной конструкции 10. Однако на любой из фигур интервал 86 между местами 80 соединения может быть случайным или комбинацией случайного и периодического интервалов 86 между местами 80 соединения, который может быть изменен любым нужным способом для достижения нужной реакции на разрушение от любой заданной части композитной конструкции 10, как описано подробнее ниже. Кроме того, места 80 соединения, соединяющие волокна 30 в заданном слое 60, могут быть расположены в соответствии с глобальной картиной 110 мест соединения, как показано в неограничивающих примерах на фиг. 24-33 и как описано подробнее ниже.
На фиг. 5 также можно видеть, что внутриплоскостная связь 82 волокон 30 может в целом определять плоский слой 60 волокон 30, который может быть описан как слой, выполненный в целом параллельным плоскости (x-y) опорной системы 24 координат, как показано на фиг. 5. Внеплоскостная связь 84 по фиг. 6-9 может представлять собой связь, не совпадающую с плоскостью х-у, например, связь, ориентированную в целом вдоль оси z опорной системы 24 координат. Однако, внеплоскостная связь 84 может включать связь под любым углом относительно плоскости (х-у), включая, но не ограничиваясь этим, внеплоскостную связь 84, показанную на фиг. 9.
На фиг. 6 показана внеплоскостная связь 84 волокон 30, использующая места 80 соединения. В частности, на фиг. 6 показаны первый слой 62 и второй слой 64, каждых из которых содержит множество волокон 30. В настоящей заявке первый слой 62 может обозначать любой слой 60 из стопки 66 слоев композитной конструкции 10, как указано выше. Аналогично, второй слой 64 может обозначать любой слой 60 из стопки 66 слоев композитной конструкции 10, и может включать два (2) самых внешних слоя 60 (например, два верхних слоя 60 или две нижних слоя 60) уложенных в стопку 66 слоев, или два (2) внутренних слоя 60 внутри стопки 66 слоев. На фиг. 6 первый слой 62 может включать первое волокно 32. Второй слой 64 может включать второе волокно 34. Первое волокно 32 из первого слоя 62 может быть расположено рядом со вторым волокном 34 из второго слоя 64. Как может быть видно из фиг. 6, каждый слой из первого и второго слоев 62, 64 содержит множество волокон 30, каждое из которых ориентировано по существу параллельно друг другу, так что расположение на фиг. 6 образует однонаправленную конфигурацию 70 из слоев 60.
На фиг. 6 волокна 30 в каждом из слоев 60 могут быть в целом выровнены друг относительно друга для облегчения выполнения внеплоскостной связи 84, причем размещенные рядом волокна 30 соединены в местах 80 соединения вдоль направления, которое может быть параллельно оси z опорной системы 24 координат, показанной на фиг. 6. Хотя на фиг. 6 места 80 соединения показаны размещенными с равномерным шагом, места 80 соединения могут быть расположены на расстоянии друг от друга в соответствии с любым расположением из множества различных расположений интервалов 86. Например, места 80 соединения могут быть расположены на расстоянии друг от друга с заранее определенной периодичностью вдоль длины волокон 30. Эта периодичность для интервала 86 между местами 80 соединения может представлять собой по существу равномерный шаг 86, как показано на фиг. 5 и 6. Однако, периодичность может представлять собой геометрическое изменение или непрерывное изменение (то есть, непрерывное увеличение или уменьшение) величины интервалов вдоль длины волокон 30. Места 80 соединения могут быть расположены на расстоянии друг от друга в соответствии с разнообразными другими расположениями, включая случайные интервалы или синусоидальную периодичность интервалов или другие подходящие расположения интервалов, которые могут быть приспособлены для определенного варианта использования.
На фиг. 7 показан еще один вариант реализации конфигурации для выборочной связи волокон 30, в которой скомбинирована конфигурация внутриплоскостной связи 82, показанной на фиг. 5, с конфигурацией внеплоскостной связи 84, показанной на фиг. 6. Например, на фиг. 7 показано расположение, в котором первый слой 62 содержит первые и вторые волокна 32, 34, а второй слой 64 содержит третьи и четвертые волокна 36, 38. Третьи и четвертые волокна 36, 38 ориентированы по существу параллельно первым и вторым волокнам 32, 34. При этом волокна 30 в каждом из первого и второго слоев 62, 64 могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу, так что на фиг. 7 показана однонаправленная конфигурация 70 из слоев 60. На фиг. 7 показана внутриплоскостная связь 82, причем первые и вторые волокна 32, 34 в первом слое 62 показаны связанными во множестве мест 80 соединения. Аналогично, третьи и четвертые волокна 36, 38 во втором слое 64 показаны связанными во множестве мест 80 соединения.
На фиг. 7 внеплоскостная связь 84 обеспечена посредством соединения первого волокна 32 из первого слоя 62 с третьем волокном 36 из второго слоя 64 и соединения второго волокна 34 из первого слоя 62 с четвертым волокном 38 из второго слоя 64, используя одно или большее количество мест 80 соединения. На фиг. 7 показана связь волокон 30, непосредственно соседствующих друг с другом. Однако настоящее изобретение предполагает связь несоседних волокон 30. Кроме того, на фиг. 7 показана связь волокон 30 в первом слое 62, которые ориентированы относительно волокон 30 во втором слое 64. Однако предполагается, что волокна 30 в различных слоях 60 не обязательно вертикально ориентированы друг к другу, но могут быть сдвинуты по горизонтали (то есть, относительно оси у).
На фиг. 8 показано расположение, иллюстрирующее связь волокон 30 для конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон из слоев 60. На фиг. 8 показана внеплоскостная связь 84 волокон 30 в одном слое 60 с волокнами 30 в другом слое 60. Например, на фиг. 8 показан первый слой 62, содержащий первые и вторые волокна 32, 34, расположенные непосредственно рядом друг с другом. Как может быть видно, волокна 30 в первом слое 62 по существу параллельны друг к другу. Второй слой 64 на фиг. 8 включает третьи, четвертые и пятые волокна 36, 38, 40, которые также ориентированы по существу параллельно друг к другу, но которые ориентированы по существу перпендикулярно относительно первых и вторых волокон 32, 34. При этом первый и второй слои 62, 64 показывают конфигурацию 72 с перекрестным расположением волокон для слоев 60, как это осуществлено в композитной конструкции 10, показанной на фиг. 2 и 3.
На фиг. 8 также можно видеть, что третье и пятое волокна 36, 40 расположены непосредственно рядом с четвертым волокном 38 и с противоположных сторон четвертого волокна 38. Внеплоскостная связь 84 первого и второго слоев 62, 64 может быть облегчена посредством соединения первого волокна 32 с каждым одним из третьего и пятого волокон 36, 40 в отмеченных местах 80 соединения, которые могут быть в месте, примерно соответствующем самому короткому расстоянию между первым слоем 32 и третьим и пятым волокнами 36, 40. Аналогично, второе волокно 34 может быть связано с четвертым волокном 38 в месте 80 соединения, расположенном примерно при самом коротком расстоянии между вторым слоем 34 и четвертым слоем 38. Расположение, показанное на фиг. 8, представляет собой внеплоскостную связь 84 волокон 30 в ступенчатом расположении. Хотя фиг. 8 иллюстрирует перекрестное расположение волокон, причем волокна 30 из одного слоя 60 ориентированы в целом перпендикулярно к волокнам 30 из соседнего слоя 60, перекрестное расположение волокон для любого раскрытого в настоящей заявке варианта реализации настоящего изобретения может включать волокна 30 в одном или большем количество слоев 60, ориентированных под непараллельным углом (то есть, 15°, 22,5°, 45°, 60°, 75° и т.д.) относительно волокон любого другого слоя 60 в композитной конструкции 10.
На фиг. 9 показана вариация реализации настоящего изобретения, показанной на фиг. 8, причем фиг. 9 иллюстрирует внеплоскостную связь 84 первого слоя 62 с соседними волокнами 30 из второго слоя 64. На фиг. 9 дополнительно показана ступенчатая внеплоскостная связь 84 несоседних волокон 30. Например, на фиг. 9 показано второе волокно 34, дополнительно соединенное или связанное с третьим и пятым волокнами 36, 40 в местах 80 соединения, где третье и пятое волокна 36, 40 присоединены к первому волокну 32. При этом на фиг. 9 показана связь множества волокон 30 в одном месте 80 соединения, что может обеспечить улучшенное или более сильное взаимодействие между связанными волокнами 30 относительно связи волокон 30, имеющей лишь одно соединение в лишь одном месте 80 соединения.
Фиг. 5-9 иллюстрируют конфигурации, предназначенные для связи волокон 30 в различных слоях 60 для достижения нужного отклика композитной конструкции 10, например, на попадание пули. Например, фиг. 5-9 иллюстрируют внутриплоскостную связь 82, внеплоскостную связь 84 и комбинации внутриплоскостной связи 82 и внеплоскостной связи 84 для соседних и несоседних волокон 30 и для однонаправленных конфигураций 70 и конфигураций 72 с перекрестным расположением волокон. Однако, как было ранее указано, волокна 30 из одного слоя 60 могут быть расположены с любой ориентацией относительно волокон 30 из соседних слоев 60, включая любую неперпендикулярную ориентацию относительно волокон 30 из соседних слоев 60 и не ограничиваясь однонаправленными конфигурациями 70 и конфигурациями 72 с перекрестным расположением волокон.
В любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения волокна 30 и/или матрица 22 могут быть выполнены из любого по существу оптически-прозрачного материала и/или из материала, прозрачного в инфракрасной области. Оптическая прозрачность может включать прозрачность в видимой области спектра. Инфракрасная прозрачность может включать прозрачность в инфракрасной области спектра. Однако для вариантов использования, в которых нежелательна оптическая прозрачность композитной конструкции 10, волокно 30 и матрица 22 могут состоять из материалов, обеспечивающих уменьшенную оптическую прозрачность, включая, но не ограничиваясь этим, по существу непрозрачные материалы. При этом волокно 30 и матрица 22 могут быть выполнены из материалов, обладающих любым желательным уровнем прозрачности между по существу прозрачным и по существу непрозрачным материалом в оптическом спектре и/или в спектре инфракрасного излучения. В определенном варианте реализации настоящего изобретения матрица 22 и/или волокна 30 могут быть выполнены из термопластического материала, который может представлять собой по меньшей мере один из следующих материалов: фторзамещенные углеводороды, полиамиды, полиэтилены, полиэфиры, полипропилены, поликарбонаты, полиуретаны, полиэфирэфиркетон, полиэфиркетонкетон, полиэфиримид, полиэтилентерефталат и полиоксиметилен. Кроме того, матрица 22 и/или волокна 30 могут быть выполнены из любого подходящего термоотверждающегося материала, включая, но не ограничиваясь этим, полиуретаны, фенольные смолы, полиимиды, бисмалеимиды, полиэфиры и эпоксиды. Кроме того, матрица 22 и/или волокна 30 могут быть выполнены из стекол или стеклянных материалов, представляющих собой Е-стекло (то есть, алюмино-боросиликатное стекло), S-стекло (то есть, алюмино-силикатное стекло), чистый кремнезем, боросиликатное стекло, оптическое стекло и другие виды стекла. Волокна 30 и/или матрица 22 могут также быть выполнены из неорганических материалов, включая, но не ограничиваясь этим, углерод, карбид кремния и бор. Волокна 30 могут дополнительно быть выполнены из металлических материалов, включая, но не ограничиваясь этим, сталь, титан, медь, алюминий и другие металлические материалы или металлические сплавы. Матрица 22 и/или волокна 30 может также быть выполнены из керамических материалов.
На фиг. 10 показан вид композитной конструкции 10, содержащей множество слоев 60, расположенных в виде конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон. Композитная конструкция 10, показанная на фиг. 10, содержит стопку 66 слоев 60, самый внешний слой 68 которой расположен на самой верхней части композитной конструкции 10 и самый внешний слой 68 расположен на самой нижней стороне композитной конструкции 10. В определенном варианте реализации настоящего изобретения композитная конструкция 10 может быть выполнена в виде панели 14 для обеспечения баллистической защиты. Волокна 30 в самом внешнем слое 68 могут быть размещены непосредственно рядом с ударной гранью 18 панели 14. Ударная грань 18 может представлять собой сторону панели 14, предназначенную или выполненную для восприятия соударения, например, от пули. Задняя грань 20 панели 14 может быть расположена на противоположной стороне панели 14, как показано на фиг. 10. Каждый из самых внешних слоев 68 показан на фиг. 10, как содержащий множество по существу параллельных волокон 30, связанных друг с другом во множестве мест 80 соединения таким образом, что каждый самый внешний слой 68, показанный на фиг. 10, демонстрирует внутриплоскостную связь 82 волокон 30, подобную той, что схематично показана на фиг. 5. Слои 60 могут быть внедрены в подходящую матрицу 22. Например, матрица 22 может представлять собой смолу, такую как эпоксидная смола. В другом неограничивающем варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 могут в качестве опции представлять собой металлические волокна 30, внедренные в керамическую или стеклянную матрицу 22, хотя волокна 30 и матрица 22 могут быть выполнены из множества различных материалов и комбинаций материалов, как указано выше.
На фиг. 11 показаны результаты события 200 соударения, в котором пуля, проходящая в направлении, обозначенном стрелкой 208, частично прошла через панель 14, аналогичную панели 14, показанной на фиг. 10. На фиг. 11 показаны результаты соударения пули с задней поверхностью 20 панели 14. Как может быть видно на фиг. 11, пуля может быть замедлена и захвачена, не проходя полностью через композитную конструкцию 10 в результате связи волокон 30 (фиг. 5-9) во множестве мест 80 соединения (фиг. 5-9). Хотя при компьютерном моделировании задняя поверхность 20 показана проявляющей растрескивание 202 матрицы и нарушение 204 связи волокон, связь волокон 30 в самом внешнем слое 68 (фиг. 10) задней поверхности 20 может предотвратить прохождение пули между связанными волокнами 30.
Как было ранее указано, связь волокон 30, такая как внутриплоскостная связь 82, показанная на фиг. 11, может быть достигнута посредством адгезивного соединения, сплавления, механического скрепления и другими средствами. Кроме того, связь волокон 30 может быть настроена или приспособлена к окружающей среде или варианту использования, для которого предназначена композитная панель 14. Например, для любого из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения периодичность мест 80 соединения, связывающих волокна 30, может быть выбрана для обеспечения желательной величины взаимодействия между связанными волокнами 30 во время попадания пули. Как указано выше, места 80 соединения между волокнами 30 способны облегчать взаимодействие и/или кооперацию множества волокон 30, что может изменить траектории действия нагрузок (например, направление и/или длину траекторий действия нагрузок) через композитную конструкцию 10 во время события попадания пули и ограничить распространение повреждения через композитную конструкцию 10 во время события попадания пули. Кроме того, волокно 30, связанное через одно или большее количество мест 80 соединения, может улучшить межволоконную прочность при сдвиге, жесткость, прочность на сжатие, вязкость разрушения и допустимые повреждениями композитной конструкции 10 и/или управлять ими. Степень прочности соединения волокон 30 может быть выбрана для достижения требуемых баллистических рабочих характеристик. Например, для любого из описанных здесь вариантов реализации настоящего изобретения одно или большее количество мест 80 соединения могут быть выполнены с определенным значением текучести соединения и/или разрушающей деформацией, которые могут быть ниже значения текучести и/или разрушающей деформации матрицы 22, для связи волокон 30 способом, предотвращающим относительное перемещение и сводящим к минимуму или устраняющим возможность вклинивания пули (фиг. 11). Эта связь может быть приспособлена для обеспечения ограниченной величины повреждения во время попадания пули для консервации оптической прозрачности не подвергшихся воздействию частей панели 14 (фиг. 11).
На фиг. 12 показана блок-схема, содержащая один или большее количество этапов, которые могут быть выполнены в способе изготовления композитной конструкции 10. Этап 302 по фиг. 12 может представлять собой ориентацию множества волокон 30 по существу параллельно друг другу, причем волокна 30 могут содержать первое и второе волокна 32, 34. При этом на фиг. 5-9 показаны волокна 30 в каждом из слоев 60 как ориентированные по существу параллельно друг другу. Волокна 30 на этих фигурах показаны расположенными с относительно равномерным шагом 86 по ширине слоя 60. Однако, как было указано выше, настоящее изобретение предполагает неравномерные или изменяемые интервалы между волокнами 30 для обеспечения желательной реакции на событие попадания пули или для обеспечения желательного уровня оптических или механических рабочих характеристик.
На фиг. 12 также можно видеть, что этап 304 способа изготовления композитной конструкции 10 может включать соединение первого волокна 32 со вторым волокном 34 аналогично тому, как это показано на фиг. 5. При этом соединение между первым волокном 32 и вторым волокном 34 может быть реализовано во множестве мест 80 соединения. Как было указано ранее, такие места 80 соединения могут быть реализованы посредством использования одного или большего количества типов 88 соединения (фиг. 5), включая, но не ограничиваясь этим, адгезивное соединение (фиг. 5), сплавление (фиг. 5), механическое скрепление и другие средства для связи волокон 30 в местах 80 соединения.
Волокна 30 могут быть связаны во внутриплоскостной конфигурации 82, подобной той, что показана на фиг. 5, причем первое волокно 32 может быть соединено со вторым волокном 34 из множества волокон 30 в первом слое 62, а первое и второе волокна 32, 34 могут быть расположены рядом друг с другом. В качестве альтернативы, способ может включать расположение множества волокон 30 в двух слоях 60, включающих первый слой 62 и второй слой 64 подобно тому, как показано на фиг. 6. Как может быть видно из фиг. 6, первый слой 62 может содержать первое волокно 32, а второй слой 64 может содержать второе волокно 34. Способ может включать расположение первого и второго волокон 32, 34 рядом друг с другом и соединение первого и второго волокон 32, 34 в одном или большем количестве мест 80 соединения для обеспечения внеплоскостной связи 84 волокон 30.
Этап 304 по фиг. 12 может дополнительно включать связь волокон 30 из множества слоев 60 в виде комбинации внутриплоскостной связи 82 и внеплоскостной связи 84. Например, на фиг. 7 показано множество волокон 30 в первом слое 62 и во втором слое 64. Первый слой 62 показан как включающий первое и второе волокна 32, 34. Третье и четвертое волокна 36, 38 включены во второй слой 64. Волокна 30 в первом слое 62 параллельны волокнам 30 во втором слое 64, так что на фиг. 7 показана однонаправленная конфигурация 70 слоев 60. Этап 304 может включать соединение третьего и четвертого волокон 36, 38 во множестве мест 80 соединения для обеспечения внутриплоскостной связи 82 в местах 80 соединения. Первое и второе волокна 32, 34 могут аналогично быть связаны в плоскости 82 в одном или большем количестве мест 80 соединения. Внеплоскостная связь 84 может быть достигнута в этапе 304 посредством соединения первого и второго волокон 32, 34 с соответствующими третьим и четвертым волокнами 36, 38 во множестве мест 80 соединения.
При построении расположения, показанного на фиг. 8, множество волокон 30 в первом слое 62 может содержать первое и второе волокна 32, 34, которые могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу и которые могут быть расположены непосредственно рядом друг с другом. Аналогично, второй слой 64 может содержать третье, четвертое и пятое волокна 36, 38, 40, которые также могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу и перпендикулярно относительно первого и второго волокон 32, 34 из первого слоя 62. Этап 304 может включать соединение первого волокна 32 с каждым из третьего и пятого волокон 36, 40 в местах 80 соединения, расположенных примерно на самом коротком расстоянии между первым волокном 32 и соответствующим одним волокном из третьего и пятого волокон 36, 40. Аналогично, второе волокно 34 может быть соединено с четвертым волокном 38 в месте 80 соединения на месте самого короткого расстояния через второе волокно 34 и четвертое волокно 38.
При этом этап 304 может включать построение конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон из слоев 60, причем волокна 30 в слоях 60 связаны в виде конфигурации внеплоскостной связи 84. На фиг. 9 показан дополнительный уровень соединения между волокнами 30 посредством соединения второго волокна 34 с третьим и пятым волокнами 36, 40 в местах 80 соединения, где первое волокно 32 соединено с третьим и пятым волокнами 36, 40. При этом на фиг. 9 показано средство для ступенчатой связи соседних и несоседних волокон 30 при внеплоскостной 84 конфигурации.
Волокна 30 (фиг. 5-9) могут быть соединены в местах 80 соединения посредством подходящих средств соединения, включая, но не ограничиваясь этим, адгезивное соединение волокон 30 в месте 80 соединения, например, посредством локального нагревания боковых краев 48 (фиг. 4) или других частей волокна 30, подлежащих склеиванию с соседними волокнами 30 при использовании адгезива, например, эпоксидной смолы. Волокна 30 могут также быть соединены в местах 80 соединения посредством сплавления или сваривания, например, посредством локального приложения тепловой энергии или теплоты к локальным частям соседних волокон 30. Например, локализованный нагрев может представлять собой нагрев волокон 30 до температуры выше температуры стеклования или температуры расплава таким образом, что происходит сплавление материала волокна 30 в локальных областях с последующим охлаждением. В неограничивающем варианте реализации настоящего изобретения локальный нагрев волокон 30 может включать локальное приложение тепла от нагревательного элемента к местам 80 соединения для локального расплавления волокон 30. В качестве альтернативы локальный нагрев может представлять собой ультразвуковой нагрев волокон 30. Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения соединение между волокнами 30 может быть облегчено посредством механического скрепления волокон 30 в местах 80 соединения, например, посредством использования локальной увеличенной шероховатости поверхности волокон 30 или формирования механических особенностей на волокнах 30, например, посредством локальной деформации волокон 30 в местах расположения мест 80 соединения. Например, локальные бороздки могут быть сформированы на поверхностях 42 волокна (фиг. 4) для зацепления с соответствующей механической особенностью, образованной на соседнем волокне 30.
Качество 100 соединения (фиг. 5-9) в месте 80 соединения может также быть выбрано для обеспечения желательной степени взаимодействия между связанными волокнами 30, как упомянуто выше. Например, качество 100 соединения может представлять собой деформацию соединения, которая может быть деформацией соединения на пределе текучести и/или разрушающей деформацией соединения. Деформация на пределе текучести может представлять собой деформацию соединения, при которой соединение между связанными волокнами 30 или между волокном 30 и плоским элементом 78 пластически деформировано (например, неупруго деформировано). Разрушающая деформация соединения может представлять собой деформацию, при которой происходит разрушение или разрыв связи между связанными волокнами 30 или между волокном 30 и плоским элементом 78. Качество 100 соединения может также представлять собой прочность соединения и/или модуль упругости места 80 соединения. Прочность соединения, которая может быть больше прочности при растяжении матрицы 22, обеспечивает высокую степень взаимодействия связанных волокон 30 во время попадания пули. В определенном варианте реализации настоящего изобретения деформация соединения может быть ниже разрушающей деформации матрицы 22. Качество 100 соединения может в качестве альтернативы представлять собой деформацию соединения, которая может быть больше разрушающей деформации матрицы 22, а прочность соединения может быть ниже прочности при растяжении матрицы 22 для обеспечения низкой степени взаимодействия связанных волокон 30 во время попадания пули и/или содействия относительно большой величине перемещения связанных волокон 30 относительно друг друга. Модуль упругости в месте 80 соединения может быть описан как модуль упругости на растяжение или модуль Юнга в месте 80 соединения и может характеризовать относительную жесткость соединения между волокнами 30 и/или между волокном 30 и плоским элементом 78, как описано ниже.
В неограничивающем варианте реализации настоящего изобретения каждое место 80 соединения (фиг. 5-9) может иметь определенное качество 100 соединения (фиг. 5-9) и может иметь определенную текучесть соединения и/или разрушающую деформацию (фиг. 5-9), отличную от разрушающей деформации матрицы 22 по меньшей мере на примерно 25 процентов, и/или прочность соединения (фиг. 5-9), отличную от прочности при растяжении матрицы 22 по меньшей мере на примерно 25 процентов. Однако качество 100 соединения может быть описано любой желательной комбинацией деформации соединения и прочности соединения относительно разрушающей деформации и прочности при растяжении матрицы 22 для достижения желательного отклика композитной конструкции 10. Качество 100 соединения может быть выбрано с учетом ряда факторов, включая, но не ограничиваясь этим, факторы окружающей среды, такие как температура и влажность, и/или функций параметров события, включая, но не ограничиваясь этим, скорость, массу, твердость, геометрический размер, площадь поперечного сечения пули и другие факторы.
Как обозначено выше, волокна 30 могут быть соединены вместе при использовании таких типов 88 соединения, как адгезивное соединение, химическое соединение, тепловое сплавление, механическое скрепление и/или другие типы соединения. Качеством 100 соединения, таким как прочность соединения и деформация соединения адгезивной связи между двумя волокнами, можно управлять при использовании адгезива, имеющего заранее определенные свойства деформации и прочности. Прочность соединения и/или деформация соединения при адгезивной связи могут быть рекламируемым свойством, обеспечиваемым изготовителем адгезива. В качестве альтернативы прочность соединения и/или деформация соединения при адгезивной связи могут быть определены экспериментально, например, в лабораторной среде при контролируемых условиях, посредством измерения величины силы, необходимой для разделения двух компонентов, связанных вместе адгезивом. Разрушающая деформация адгезивного соединения может также быть измерена при измерении прочности соединения. Как известно в данной области техники, деформация соединения представляет собой меру величины смещения или растяжения адгезивной связи между двумя компонентами в точке разрыва связи. Прочность соединения и/или деформация соединения при химической связи между двумя волокнами 30 могут быть изменены посредством изменения химической композиции по меньшей мере одного волокна 30. Например, как описано ниже, волокно 140 с первой функциональной особенностью (фиг. 40) может быть выполнено из материала, имеющего химическую композицию, химически взаимодействующую и образующую химическую связь с материалом волокна 142 со второй функциональной особенностью (фиг. 40) в местах, где волокно 140 с первой функциональной особенностью и волокно 142 со второй функциональной особенностью входят в контакт друг с другом.
Различные комбинации химических композиций могут быть проверены в лабораторных условиях посредством проведения ряда испытаний, измеряющих величину силы, необходимую для разрыва двух химически связанных компонентов в результате различных химических композиций этих двух компонентов. Данные о прочности соединения и деформации соединения, полученные в ходе такого лабораторного испытания, могут быть использованы для выбора химической композиции для волокон 140 с первой функциональной особенностью и химической композиции для волокон 142 со второй функциональной особенностью таким образом, что химическая связь обладает желательными прочностью соединения и деформацией соединения в местах 80 соединения, соединяющих волокна с первой функциональной особенностью 140 с волокнами 142 со второй функциональной особенностью. Прочность соединения и деформация соединения при тепловом сплавлении волокон 30 и механическом скреплении волокон 30 могут также быть определены в лабораторных условиях способом, аналогичным описанному выше для адгезивного соединения и химического соединения. Например, прочность соединения и/или деформация соединения при тепловом сплавлении двух волокон 30 могут быть изменены посредством изменения размера или длины термически сплавленного соединения между двумя волокнами 30. Например, относительно длинное термически сплавленное место 80 соединения между двумя волокнами 30 будет иметь более высокую прочность соединения по сравнению с относительно коротким термически сплавленным местом 80 соединения между двумя волокнами 30. Различные типы механического скрепления могут быть определены в лаборатории и/или определены аналитически посредством использования известных методик анализа прочности, предназначенных для определения прочности соединения и деформации соединения, соответствующих каждому типу каждой конфигурации механического скрепления. Данные лабораторного испытания, описывающие прочность соединения и деформацию соединения различных типов теплового сплавления и различных типов механического скрепления, могут быть использованы для выбора типа соединения, которое будет реализовано в соединенных волокнах 30 композитной конструкции 10. Прочность соединения и деформация соединения могут также быть определены посредством выполнения анализа прочности, предназначенного для определения свойства прочности для каждого типа соединения.
В предпочтительном варианте реализации соединение волокон 30 (фиг. 5-9) обеспечивает средства для улучшения баллистических рабочих характеристик панели 14 или другой композитной конструкции 10 посредством увеличения сопротивления волокон 30 к вклиниванию пули (фиг. 11) между волокнами 30 во время баллистического события или попадания пули. Кроме того, связь волокон 30 может облегчить управление протяженностью или размером области, повреждаемой во время баллистического события или попадания пули. Аналогично, связь волокон 30 в местах 80 соединения способна обеспечить средство для достижения нужной степени жесткости панели или сопротивления изгибу и минимизации оптического искажения в не подвергшихся удару частях панели 14.
Выбор типа 88 соединения и/или качества 100 соединения, предназначенных для соединения волокон 30 в композитной конструкции 10, может быть определен на основании результатов анализа прочности и/или лабораторного испытания различных типов 88 соединения, как описано выше. Например, прочность соединения и/или деформация соединения для данного типа 88 соединения могут быть определены в лаборатории. Как известно для анализа прочности, модель конечных элементов или компьютерная модель (не показана) фактической композитной конструкции 10 могут быть созданы для содействия прогнозу нужной прочности соединения и/или деформации соединения в местах 80 соединения между волокнами 30 в композитной конструкции 10. Компьютерная модель фактической композитной конструкции 10 может представлять собой компьютерную модель волокон 30, включенных в композитную конструкцию 10. Местам 80 соединения между волокнами 30 в компьютерной модели может быть присвоен тип 88 соединения, имеющий соответствующую прочность соединения и/или прочность соединения, определенную аналитически и/или экспериментально, как описано выше. Это определение может быть выполнено относительно нагрузок (например, величины и направления нагрузок), которым композитная конструкция 10 может быть подвергнута во время использования.
Компьютерное моделирование сценария нагрузки может быть применено к компьютерной модели композитной конструкции 10 для определения реакции композитной конструкции 10 на нагрузки. Результаты компьютерного моделирования могут указывать на относительное отклонение композитной конструкции 10 при моделируемой нагрузке. Относительное отклонение компьютерной модели может отражать жесткость композитной конструкции 10, содержащей волокна 30, соединенные при использовании типа 80 соединения и/или качества 100 соединения. Множество серий компьютерного моделирования может быть выполнено со множеством различных мест 80 соединения, соединяющих волокна 30 композитной конструкции 10, для определения отклика (то есть, жесткости) композитной конструкции 10 при воздействии нагрузок. При таком подходе может быть выполнено определение оптимального типа 88 соединения и/или качества 100 соединения для использования в местах 80 соединения фактической композитной конструкции 10.
Этап 306 по фиг. 12 может представлять собой по меньшей мере частичное внедрение волокон 30 в матрицу 22. Как указано выше, матрица 22 предпочтительно выполнена по существу из оптически прозрачного и/или прозрачного в инфракрасной области материала. Аналогично, волокна 30 предпочтительно выполнены по существу из оптически прозрачного и/или прозрачного в инфракрасной области материала. Этап 306 может включать отверждение или затвердевание матрицы 22 и/или волокон 30 с образованием композитной конструкции 10, содержащей места 80 соединения волокон, причем волокна 30 соединены желательном типом 88 соединения и/или с качеством 100 соединения. Как указано выше, тип 88 соединения и/или качество 100 соединения, предназначенные для реализации в местах 80 соединения, могут быть выбраны аналитически и/или определены экспериментально как данные, описанные выше. При этом композитная конструкция 10 может быть подвергнута воздействию теплоты и/или давлению для содействия отверждению или затвердеванию.
На фиг. 13А-13С схематически показаны виды взятой в качестве примера композитной конструкции 10 при однонаправленной конфигурации 70, содержащей волокна 30, соединенные в местах 80 соединения, размещенных в локальных областях 114, 116 соединения. Как указано выше, множество волокон 30 может быть по меньшей мере частично внедрено внутрь матрицы 22 композитной конструкции 10. Каждая область 114, 116 соединения может представлять собой места, где волокна 30 из одного и того же слоя 60 могут быть соединены вместе и/или где волокна 30 из различных слоев 60 могут быть соединены вместе. На фиг. 13А схематически показан вид сверху композитной конструкции 10, отражающий расположение множества первых областей 114 соединения и множества вторых областей 116 соединения. В показанном варианте реализации настоящего изобретения горизонтально ориентированные первые области 114 соединения расположены ближе друг к другу, чем горизонтально ориентированные вторые области 116 соединения. Вертикально ориентированные первые области 114 соединения могут быть расположены дальше друг от друга, чем вертикально ориентированные вторые области 116 соединения. Однако композитная конструкция 10 может быть снабжена областями соединения, которые ориентированы с любым расположением или интервалом, и не ограничены расположением, показанным на фиг. 13А. Кроме того, области соединения могут иметь любой геометрический размер, форму, ориентацию и конфигурацию и не ограничены относительно узкими, выполненными в форме линий первой и второй соединительными областями 114, 116, показанными на фиг. 13А.
На фиг. 13В показан схематический вид сбоку композитной конструкции 10 по фиг. 13А. На фиг. 13В волокна 30 показаны в виде относительно широких (например, жирных) линий и выборочно связаны вместе в местах 80 соединения, которые показаны в виде относительно узких (например, тонких) линий по сравнению с жирными линиями, показывающими волокна 30. На фиг. 13В показана внеплоскостная связь 84 волокон 30 из первого и второго слоев 62, 64 вдоль первой области 114 соединения и внеплоскостная связь 84 волокон 30 из второго и третьего слоев 64, 65 вдоль второй области 116 соединения. Хотя волокна 30 в первом, втором и третьем слоях 62, 64, 65 показаны имеющими однонаправленную конфигурацию 70 с параллельными волокнами 30 в каждом слое, волокна 30 в любом из первого, второго, и третьего слоев 62, 64, 65 могут быть расположены в любой ориентации относительно других волокон 30 в том же самом слое и в любой ориентации относительно других волокон 30 в других слоях. Кроме того, любой из слоев 62, 64, 65 может быть выполнен в виде слоя ткани 74 из сплетенных волокон (фиг. 22) или плоского элемента 78 (фиг. 22), такого как пленка, лист, или пластина, как описано ниже. Кроме того, композитная конструкция 10 может содержать любое количество слоев 60, содержащих волокна 30, связанные вдоль одной или большего количества областей соединения, и не ограничена трехслойным расположением 62, 64, 65, показанным на фиг. 13В.
На фиг. 13С схематически показан вид с торца композитной конструкции 10 по фиг. 13А, иллюстрирующий внеплоскостную связь 84 волокон 30 из первого и второго слоев 62, 64 вдоль первых областей 114 соединения, и дополнительно иллюстрирующий внеплоскостную связь 84 волокон 30 из второго и третьего слоев 64, 65 вдоль вторых областей 116 соединения. Однако, как указано выше, композитная конструкция 10 может быть снабжена соединительными областями, представляющими места 80 соединения между волокнами 30 в том же самом слое 60 и/или представляющими места 80 соединения между волокнами 30 в различных слоях 60. Посредством создания локальных областей 114, 116 соединения, где связаны волокна 30 из одного слоя 60 и/или из различных слоев 60, рабочие характеристики композитной конструкции 10 могут быть приспособлены к окружающей среде или варианту использования, для которого предназначена композитная конструкция 10. Например, локальные области 114, 116 соединения могут обеспечивать связь волокон 30 и взаимодействие волокон 30 в определенных местах композитной панели 14 во время попадания пули для сохранения оптической прозрачности не подвергнутых воздействию частей композитной панели 14, или для обеспечения других баллистических или оптических характеристик композитной панели 14. Кроме того, места 80 соединения в любой одной из областей соединения могут быть обеспечены различными типами 88 соединения и/или различными качествами 100 и не ограничены одинаковым типом 88 соединения и/или одинаковым качеством 100 соединения в каждом месте 80 соединения.
На фиг. 14 схематически показан вид сбоку композитной конструкции 10 в однонаправленной конфигурации 70, имеющей стопку 66 слоев, содержащую десять (10) слоев 60, и иллюстрирующий внеплоскостную связь 84 волокон 30 между непосредственно соседними слоями 60, например, между слоями 1 и 2. Волокна 30 в любом из остающихся волокон 3-10 могут быть не соединены с волокнами 30 в других слоях 60. Хотя волокна 30 на фиг. 14 расположены в однонаправленной конфигурации 70 с волокнами 30 в каждом слое 60, параллельном к волокнам 30 в других слоях 60, волокна 30 в любом из слоев 60 могут быть не параллельны к волокнам 30 в других слоях 60. Например, волокна 30 в двух или большем количестве слоев 60 могут быть выполнены в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон (например, волокна 30 в одном слое 60 перпендикулярны к волокнам 30 в другом слое 60), или при других угловых ориентациях. В предпочтительном варианте реализации посредством соединения волокон 30 в двух или большем количестве слоев 60 могут быть отрегулированы баллистические рабочие характеристики композитной конструкции 10. Например, соединение волокон 30 в самых внешних слоях 60 композитной конструкции 10 (например, волокон 1-2) способно увеличить взаимодействие между взаимосоединенными волокнами 30 в самых внешних слоях 60, что может привести к увеличению жесткости самых внешних слоев 60 по сравнению с пониженной жесткостью внутренних слоев 60 (например, волокон 3-10), содержащих несвязанные волокна 30.
На фиг. 15 схематически показан вид сбоку композитной конструкции 10 в однонаправленной конфигурации 70. Показано, что композитная конструкция 10 содержит стопку 66 слоев с десятью (10) слоями 60 и обеспечивает внеплоскостную связь 84 волокон 30 в чередующихся слоях 60 из стопки 66 слоев. В показанном варианте реализации волокна 30 в слоях 1, 3, 5, 7 и 9 могут быть связаны, а волокна 30 в слоях 2, 4, 6, 8 и 10 могут быть не связаны. На фиг. 15 показан один пример из широкого разнообразия вариантов реализации, причем по меньшей мере одно волокно 30 из по меньшей мере одного слоя 60 может быть соединено с по меньшей мере одним волокном 30 из по меньшей мере одного другого слоя 60. Волокна 30 могут быть соединены во множестве мест 80 соединения. В композитной конструкции 10, такой как композитная панель 14, места 80 соединения, связывающие волокна 30 между двумя слоями 60, могут иметь другой тип 88 соединения и/или другое качество 100 соединения, по сравнению с местами 80 соединения, связывающими волокна 30 между двумя или большим количеством других слоев 60. Кроме того, в любом одном из слоев 60 волокна 30 могут быть связаны с другими волокнами 30 внутри того же самого слоя 60 посредством мест 80 соединения, которые могут иметь тот же самый или другой тип 88 соединения и/или качества 100 соединения. Например, в любом из раскрытых здесь вариантов реализации многослойной композитной конструкции 10 места 80 соединения между волокнами 30 самых внешних слоев 60 могут иметь качество 100 соединения, которое включает соединение 106 с высокой прочностью и малой деформацией по сравнению с качеством 100 соединения в местах 80 соединения между волокнами 30, соединенными между внутренними слоями 60, которые могут иметь соединение 108 с малой прочностью и большой деформацией.
На фиг. 16 схематически показан вид сбоку композитной конструкции 10 в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующий внеплоскостную связь 84 между волокнами 30 в различных парах слоев 60 и с различными плотностями связи. Например, на фиг. 16 показано, что все волокна 30 из слоя 1 связаны с одним или большим количеством волокон 30 из слоя 2. Слои 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9 могут быть не связаны. Плотность связи между слоями 3-4 может быть меньше плотности связи между слоями 1-2. Например, любое волокно 30 из слоя 3 может быть связано с одним или большим количеством волокон 30 из слоя 4. Оставшиеся пары из связанных пар волокон могут иметь уменьшающуюся плотность связи. Например, каждое четвертое волокно 30 из слоя 5 может быть связано с одним или большим количеством волокон 30 из слоя 6. Каждое девятое волокно из слоя 7 может быть связано с одним или большим количеством волокон из слоя 8. Плотность связи между слоями 9-10 может быть меньше плотности связи между слоями 7-8. При увеличенной плотности связи в определенных парах слоев 60, пара связанных слоев 60 пар способна проявлять увеличенную глобальную жесткость относительно глобальной жесткости пар волокон с пониженной плотностью связи.
Следует иметь ввиду, что глобальная жесткость связанной пары слоев 60 отлична от локальной жесткости в месте 80 соединения между волокнами 30. Например, композитная конструкция 10 на фиг. 16 может обладать относительно высокой жесткостью в области композитной конструкции 10, определенной самыми внешними слоями 1-2, и уменьшающейся жесткостью в направлении вниз по композитной конструкции 10 от слоя 3 к слою 10. Относительно высокая жесткость композитной конструкции 10 в самых внешних слоях и пониженная жесткость во внутренних слоях 60 способны эффективно улучшать баллистические рабочие характеристики композитной конструкции 10. В определенном варианте реализации настоящего изобретения по фиг. 16 места 80 соединения, связывающие волокна 30 в парах слоев, показаны имеющими тот же самый тип 88 соединения и/или качество 100 соединения.
На фиг. 17 схематически показан вид сбоку еще одного варианта реализации композитной конструкции 10 в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон, имеющих внеплоскостную связь 84 в различных парах слоев 60, аналогично варианту реализации, показанному на фиг. 16, и кроме того, иллюстрирующий качество 100 соединения в местах 80 соединения между различными парами слоев. Например, места 80 соединения, связывающие волокна 30 между слоями 1-2, могут иметь первый тип 88 соединения и/или первое качество 100 соединения. Примеры первого типа 88 соединения могут включать, не ограничиваясь этим, адгезивное соединение, химическое соединение, тепловое сплавление и механическое скрепление. Как указано выше, адгезивное соединение может представлять собой соединение волокон 30 в местах 80 соединения посредством использования адгезива. Химическое соединение может представлять собой реактивную связь волокон 140 с первой функциональной особенностью (фиг. 40) с волокнами 142 со второй функциональной особенностью (фиг. 40) в местах, где волокна с первой функциональной особенностью 140 контактируют с волокнами 142 со второй функциональной особенностью, как показано на фиг. 40-43 и описано ниже.
Тепловое сплавление может представлять собой локальный нагрев и сплавление плавких оболочек 58 двухкомпонентных волокон 56 с плавкими оболочками 58 двухкомпонентных волокон 56 в местах контакта плавких оболочек 58 друг с другом, как показано на фиг. 34-39 и описано ниже. Например, плавкие оболочки 58 могут быть локально нагреты лазером (не показан) в месте 80 соединения до температуры выше температуры стеклования плавких оболочек 58 для локального сплавления вместе плавких оболочек 58 двух двухкомпонентных волокон 56. На фиг. 17 места 80 соединения, связывающие волокна 30 между остающимися парами связанных волокон, могут быть обеспечены вторым типом 88b соединения и/или вторым качеством 100b соединения, которые могут быть отличны от первого типа 88а соединения и/или первого качества 100а соединения. Примеры второго типа 88b соединения могут также включать, не ограничиваясь этим, адгезивное соединение, химическое соединение, тепловое сплавление и механическое скрепление. Как может быть принято во внимание, места 80 соединения в том же самом слое 60 могут быть обеспечены различными типами 88 соединения и/или качествами 100 соединения для достижения требуемых баллистических рабочих характеристик композитной конструкции 10.
На фиг. 18 схематически показан один (например, первый) слой 62 из однонаправленных волокон 30. В любом из описанных здесь вариантов реализации композитная конструкция 10 может включать дополнительные слои 60 (не показаны). Такие дополнительные слои 60 могут состоять из волокон 30 и/или дополнительные слои 60 могут быть выполнены в виде плоских элементов 78 (фиг. 19), как описано ниже. На фиг. 18 однонаправленные волокна 30 могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу и могут быть соединены друг с другом посредством внутриплоскостной связи 82 во множестве мест 80 соединения.
На фиг. 18 места 80 соединения внутри первого слоя 62 могут иметь по меньшей мере два различных типа 88а и 88b соединения и/или два различных качества 100а и 100b соединения. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения различные типы 88 соединения могут быть реализованы внутри первого слоя 62. Например, слой 60 может содержать первое волокно 32, второе волокно 34, третье волокно 36 и четвертое волокно 38. Первое волокно 32 может быть соединено со вторым волокном 34 в одном или большем количестве мест 80 соединения с первыми типом 88а соединения и/или качеством 100а соединения. Третье волокно 36 может быть соединено с четвертым волокном 38 в одном или большем количестве мест 80 соединения со вторыми типом 88b соединения и/или качеством 100b соединения, которые могут быть отличны от первого типа 88а соединения и/или первого качества 100а соединения. Например, на фиг. 18 показаны места 80 соединения на внешних областях первого слоя 62, имеющего места 80 соединения первого типа 88а соединения и/или первого качества 100а соединения, показанные сплошными линиями, проходящими между волокнами 30, и внутренняя часть первого слоя 62, содержащая места 80 соединения, представляющие собой места 80 соединения со вторым типом 88b соединения и/или вторым качеством 100b соединения, показанными штриховыми линиями, простирающимися между волокнами 30.
Композитная конструкция 10 может содержать различные типы 88 соединения, выполненные в соответствии с картиной внутри данного слоя 30. Картины типов 88 соединения могут быть обеспечены любым способом и не ограничены картиной соединения, показанной на фиг. 18. Как описано выше, в любом из описанных здесь вариантов реализации настоящего изобретения типы 88 соединения могут включать адгезивное соединение, сплавление, механическое скрепление, химическое соединение и/или другие средства для взаимного соединения волокон 30 в местах 80 соединения. Как описано, качество 100 соединения может быть представлено как прочность соединения в месте 80 соединения. Качество 100 соединения может также быть представлено как разрушающая деформация соединения в месте 80 соединения. Как описано выше, разрушающая деформация соединения может представлять собой деформацию, при которой происходит разрыв или разрушение связи между волокнами 30, и может быть охарактеризована как процент (плюс или минус) от разрушающей деформации матрицы 22, как описано выше. Кроме того, качество 100 соединения может быть представлено как модуль упругости или модуль упругости на растяжение места 80 соединения и может быть охарактеризовано как относительная жесткость места 80 соединения, как описано выше.
На фиг. 19 схематически показана композитная конструкция 10, содержащая первый слой 62, содержащий первые волокна 30, соединенные друг с другом во множестве мест 80 соединения, и второй слой 64, содержащий вторых волокна 30, соединенные друг с другом во множестве мест 80 соединения. Места 80 соединения, связывающие первые волокна 30 внутри первого слоя 62, могут обладать другим типом 88 соединения и/или качеством 100 соединения, чем места 80 соединения, связывающие вторые волокна 30 внутри второго слоя 64. Например, первые волокна 30 могут быть соединены вместе во множестве мест 80 соединения с первым типом 88а соединения и/или с первым качеством 100а соединения. Вторые волокна 30 могут быть соединены вместе во множестве мест 80 соединения со вторым типом 88b соединения и/или со вторым качеством 100b соединения, которые могут быть отличны от первого типа 88а соединения и/или первого качества 100а соединения. Кроме того, хотя это и не показано, одно или большее количество первых волокон 30 может быть соединено с одним или большим количеством вторых волокон 30 во множестве мест 80 соединения, которые могут обладать теми же самыми типом 88 соединения и/или качеством 100 соединения или различными типами 88 соединения и/или качествами 100 соединения. Первый и второй слои 62, 64 могут быть реализованы в однонаправленной конфигурации, в конфигурации с перекрестным расположением волокон или в других расположениях, причем волокна 30 в первом слое 62 не параллельны волокнам 30 во втором слое 64.
На фиг. 20 схематически показан вариант реализации композитной конструкции 10, содержащей первый, второй и третий слои 62, 64, 65 и соответствующие первые волокна 30, вторые волокна 30 и третьи волокна 36, связанные в соответствующих первом, втором и третьем местах 80, 80b, 80с соединения, обладающих различными типами 88, 88b, 88с соединения и/или различными качествами 100, 100b, 100 с соединения. Места 80 соединения между первыми волокнами 30 в первом слое 62 представлены как сплошные линии для первого типа 88 соединения и/или первого качества 100 соединения. Места 80 соединения между вторыми волокнами 30 во втором слое 64 представлены как штриховые линии для второго типа 88b соединения и/или второго качества 100b соединения. Места 80 соединения между третьими волокнами 36 в третьем слое 65 представлены как пунктирные линии для третьего типа 88 с соединения и/или третьего качества 100с соединения. Однако, любой из слоев 60 может включать любую комбинацию первого, второго и/или третьего типов 88, 88b, 88с соединения и/или первого, второго и/или третьего качества 100, 100b, 100с соединения.
На фиг. 21 схематически показана композитная конструкция 10, содержащая первый слой 62 и третий слой 65, каждый из которых содержит однонаправленные волокна 30. Второй слой 64 может быть выполнен в виде плоского элемента 78. По меньшей мере одно волокно 30 из по меньшей мере одного слоя из первого и третьего слоев 62, 65 может быть соединено с плоским элементом 78 в одном или большем количестве мест 80 соединения. Соединение между волокнами 30 и плоским элементом 78 способно увеличить взаимодействие между волокнами 30 и плоским элементом 78, например, при попадании пули в композитную конструкцию 10. При этом места 80 соединения между волокнами 30 и плоским элементом 78 способны ограничить перемещение волокон 30 во время баллистического события, например, при ударе пули о композитную конструкцию 10 и/или прохождении пули через нее. Места 80 соединения между волокнами 30 и плоским элементом 78 способны уменьшить или предотвратить вклинивание пули между волокнами 30, как описано выше относительно связи волокон 30 в различных слоях 60. Кроме того, места 80 соединения между волокнами 30 и плоским элементом 78 способны увеличить внеплоскостную жесткость плоского элемента 78 (например, перпендикулярно плоскому элементу 78), что может улучшить способность плоского элемента 78 к замедлению пули, проходящей через композитную конструкцию 10 во время баллистического события.
На фиг. 19 показаны волокна 30 в первом и третьем слоях 62, 65, связанные с плоским элементом 78 во множестве мест 80 соединения. Места 80 соединения, связывающие волокна 30 с плоским элементом 78, могут иметь те же самые или различные тип 88 соединения и/или качество 100 соединения. Плоский элемент 78 может быть выполнен в виде пленки, листа или пластины. Пленка, лист или пластина могут быть выполнены из композиционного или некомпозиционного материала и могут содержать неволокнистый материал или волокнистый материал. Некомпозиционный материал может представлять собой растянутые полимерный материал или пленки или нерастянутые полимерные пленки. Растянутые полимерные пленки могут быть растянуты однонаправлено или двунаправлено. Пленка может быть преднамеренно растянута во время формирования пленки или после формирования пленки. Растяжение пленки может заставить молекулы пленки стать по существу ориентированными в одном направлении, что способно увеличить прочность при растяжении пленки. При внедрении внутрь матричного материала наряду с другими слоями 60 волокон 30 растянутая пленка способна улучшить определенные характеристики композитной конструкции 10. В определенном варианте реализации настоящего изобретения плоский элемент 78 может быть выполнен из таких материалов, как стекла, композиционный материал, керамический материал, металлический материал, например, металлическая фольга, и может дополнительно содержать тканый материал или нетканый материал, включая ткани и войлок.
На фиг. 22 схематически показана композитная конструкция 10, содержащая первый слой 62 волокон 30, соединенных со слоем 74 ткани из плетеных волокон. В определенном варианте реализации настоящего изобретения слой 74 ткани из плетеных волокон способен содержать множество волокон 30. Волокна 30 могут быть выполнены из любого материала из множества различных материалов, включая, но не ограничиваясь этим, полимерный материал, стекло, керамический материал и/или металлический материал. В определенном варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 из первого слоя 62 могут быть соединены со слоем 74 ткани из плетеных волокон из второго слоя 64 в одном или большем количестве мест, где происходит пересечение волокон 30 ткани. Места 80 соединения, связывающие волокна 30 со слоем 74 ткани из плетеных волокон, могут иметь те же самые и/или различные тип 88 соединения и/или качество 100 соединения.
На фиг. 23 схематически показан первый слой 62, который может быть включен в композитную конструкцию 10. Первый слой 62 может быть выполнен в виде слоя 74 ткани из плетеных волокон. Волокна 30 в слое 74 ткани из плетеных волокон могут быть соединены друг с другом в местах 80 соединения (например, в узлах 76), где происходит пересечение волокон 30, посредством внутриплоскостной связи 82. Соединение волокон 30 в местах 80 соединения способно увеличить взаимодействие волокон 30 во время соударения, например, во время баллистического события. Увеличенное взаимодействие волокон 30 способно вовлечь большее количество волокон 30 в баллистическое событие по сравнению со случаем несвязанных волокон 30. Увеличенное взаимодействие волокон 30 способно уменьшить скорость пули. Места 80 соединения могут иметь те же самые и/или различные тип 88 соединения и/или качество 100 соединения. Тип 88 соединения и/или качество 100 соединения может быть изменены как средство настройки баллистических характеристик и/или оптических характеристик композитной конструкции 10, содержащей слой 74 ткани из плетеных волокон. Слой 74 ткани из плетеных волокон 74 может быть выполнен из любого материала из множества материалов, включая полимеры, металлы, стекло, керамику и/или другие материалы.
На фиг. 24-33 схематически показаны неограничивающие примеры глобальных картин 110 мест соединения, которые могут быть выполнены в композитной конструкции 10 для соединения волокон 30 в индивидуальных слоях 60, для соединения волокон 30 в различных слоях 60 и/или для присоединения волокон 30 к одному или большему количеству плоских элементов 78. В целом, соединение волокон 30, слоев 60 и/или плоских элементов 78 способно увеличить взаимодействие между такими связанными волокнами 30, слоями 60 и/или плоскими элементами 78, что может увеличить способность поглощения энергии связанными компонентами при замедлении пули, ударяющей в композитную конструкцию 10 и/или проходящей через нее.
Посредством расположения мест 80 соединения в соответствии с глобальной картиной 110 мест соединения вместо обнаружения однородности расположения волокон 30 по композитной конструкции 10, могут быть уменьшены стоимость и время изготовления. Кроме того, посредством организации мест 80 соединения в соответствии с глобальной картиной 110 мест соединения композитная конструкция 10 способна проявлять определенные баллистические характеристики при ударе пули. Например, при использовании глобальной картины 110 мест соединения в виде открытых кругов 118 (фиг. 24) или закрытых кругов 120 (фиг. 25-26) волокна 30, не соединенные с другими волокнами 30, могут, во время баллистического события, быть растянуты в большей степени, чем волокна 30, соединенные с другими волокнами 30 в областях, представленных кругами 118, 120. Увеличенное растяжение несвязанных волокон 30 может позволить таким волокнам 30 поглощать большее количество энергии пули во время баллистического события по сравнению с волокнами 30, связанными с другими волокнами 30. Однако, связанные волокна 30 способны улучшить сопротивляемость деформации во время баллистического события и, следовательно, способны помочь сохранить первоначальный уровень оптической прозрачности композитной конструкции 10 в областях кругов 118, 120 по сравнению с несвязанными волокнами 30, которые могут быть деформированы в большей степени во время баллистического события, что приводит к большей потере оптической прозрачности в таких областях после баллистического события. Геометрическая форма, размер и интервал локальных областей 112 соединения могут быть разработаны на основании физической среды композитной конструкции, размера ожидаемых баллистических пуль и множества других факторов.
В определенном варианте реализации настоящего изобретения одна или большее количество глобальных картин 110 мест соединения могут быть реализованы в индивидуальных слоях 60 для связи волокон 30 внутри слоя 60. В качестве альтернативы или дополнения к связи волокон 30 внутри слоя 60, одна или большее количество глобальных картин 110 мест соединения могут быть реализованы для соединения волокон 30 в одном или большем количестве слоев 60 с волокнами 30 в других слоях 60. Одна или большее количество глобальных картин 110 мест соединения могут также быть реализованы для связи волокон 30 в одном или большем количестве слоев 60 с плоским элементом 78, таким как пленка, лист, пластина или слой ткани из плетеных волокон.
Например, на фиг. 24 глобальная картина 110 мест соединения может быть охарактеризована как схематический вид сверху слоя 60 однонаправленных волокон 30, соединенных друг с другом во множестве мест 80 соединения, расположенных в форме круга 118. Глобальная картина 110 мест соединения, показанная на фиг. 24, может также быть охарактеризована как схематический вид сбоку стопки слоев 60, иллюстрирующий связь слоев 60 в локальных областях 112 соединения, представляющих места 80 соединения, устроенные в форме круга 118. В любом из описанных здесь вариантов реализации настоящего изобретения одна или большее количество глобальных картин 110 мест соединения могут быть применены ко всей протяженности одного или большего количества слоев 61, при рассмотрении из места выше слоя(-ев) 61, или к одной или большему количеству областей 112 соединения, или картины могут быть применены к локальной части(-ям) одного или большего количества слоев 61, при рассмотрении из места выше волокна(-он) 61. Например, глобальная картина 110 мест соединения может быть локально применена вдоль края 132 периметра композитной панели 14 для обеспечения локальной концентрации мест 80 соединения между волокнами 30 вдоль края 132 периметра композитной панели 14 для увеличения или уменьшения сжатия волокна 30 вдоль края 132 периметра. В другом примере одна или большее количество глобальных картин 110 мест соединения могут быть локально применены к композитной панели 14, например, вокруг особенностей в композитной панели 14 или рядом с ними для изменения локальных механических свойств композитной панели 14. Например, область 112 соединения может быть использована вокруг отверстия 132 под крепеж в композитной панели 14 для увеличения концентрации мест 80 соединения, связывающих волокна 30 вблизи отверстия 132 под крепеж. Связь волокон 30 вокруг отверстия 132 под крепеж способно локально увеличить жесткость, допустимые повреждения (например, сопротивление расслаиванию) и другие локальные свойства (например, механические, баллистические) композитной панели 14 вокруг отверстия 132 под крепеж. Аналогично, одна или большее количество глобальных картин 110 мест соединения могут быть применены через стопку 66 слоев композитной конструкции 10 при рассмотрении сбоку, или одна или большее количество областей соединения могут быть применены к локальной части стопки 66 слоев композитной конструкции 10 для локального изменения свойств (например, механических, баллистических) композитной конструкции 10.
На фиг. 25 схематически показан вид множества локальных областей 112 соединения, каждая из которых имеет закрытую круговую форму 120 как часть глобальной картины 110 мест соединения. Волокна 30 и/или слои 60 могут быть связаны друг с другом внутри области, окруженной закрытыми круговыми формами 120. Интервал между локальными областями 112 соединения может отражать несвязанные волокна 30 внутри слоя 60 и/или несвязанные слои 61 внутри композитной конструкции 10. Несвязанные волокна 61 могут отображать места в композитной конструкции 10, где волокна 30 могут быть способны к растяжению в продольном направлении и/или волокна 30 могут быть способны к раздвижению в боковом направлении, например, во время попадания пули для поглощения энергии пули.
На фиг. 26 схематически показан вид множества локальных областей 112 соединения, каждая из которых имеет закрытую круговую форму 120 и расположена с большей плотностью, чем закрытые круговые формы 120, показанные на фиг. 23. Большая плотность закрытых круговых форм 120 может приводить к различию баллистических характеристик и/или оптических характеристик композитной конструкции 10 по сравнению с пониженной плотностью закрытых круговых форм 120. В любом из описанных здесь вариантов реализации настоящего изобретения тип 88 соединения и/или качество 100 соединения могут быть одинаковыми в каждой одной области из локальных областей 112 соединения. В качестве альтернативы различные локальные области 112 соединения могут обладать различными типами 88 соединения и/или различным качеством 100 соединения.
На фиг. 27 схематично показано множество локальных областей 112 соединения, каждая из которых обладает синусоидальной формой 124 как частью глобальной картины мест 110 соединения. Хотя обычно они ориентированы в длину вдоль продольной ориентации волокон 30, синусоидальные формы 124 могут быть ориентированы под любым углом (например, под 45° или под другим углом) относительно волокон 30 для достижения требуемых баллистических рабочих характеристик. На фиг. 28 схематически показан вид локальных областей 112 соединения, обладающих синусоидальной формой 124 различной толщины. Различные толщины синусоидальных форм 124 на фиг. 26 могут содержать большее количество мест 80 соединения, что может приводить к рабочим характеристикам композитной конструкции 10, отличным от характеристик для расположения, показанного на фиг. 25.
На фиг. 29 схематично показано множество локальных областей 112 соединения, каждая из которых обладает серповидной формой 126 как частью глобальной картины мест 110 соединения. Серповидные формы 126 могут быть заданы с любым размером, формой, плотностью и конфигурацией. При этом локальные картины мест 80 соединения, показанные на фиг. 24-33, представляют собой некоторые примеры любой картины из большого разнообразия различных глобальных картин 110 мест соединения, которые могут быть реализованы для соединения волокон 30 и/или слоев 60 композитной конструкции 10.
На фиг. 30 схематично показано множество локальных областей 112 соединения, каждая из которых обладает Х-образной формой 122 как частью еще одного варианта реализации глобальной картины 110 места соединения. Х-образные формы 122 могут отстоять друг от друга, как показано на фиг. 30 для обеспечения возможности управляемого ограничения волокон 30 в областях, расположенных между Х-образными формами 122. Кроме того, X-образные формы 122 могут отстоять друг от друга таким образом, что некоторые из волокон 30 в данном слое 60 не связаны с другими волокнами 30 в том же самом слое 30, или таким образом, что некоторые из слоев композитной конструкции 10 не связаны с другими слоями.
На фиг. 31 схематически показан вид множества Х-образных 122 локальных соединительных областей 112, организованных с большей плотностью, чем Х-образные 122 локальные соединительные области 112, показанные на фиг. 30. Большая плотность может приводить к большей степени связи и, следовательно, к увеличенному взаимодействию волокон 30 и/или слоев 60 во время попадания пули. На фиг. 32 схематически показан вид с еще более увеличенной плотностью Х-образных 122 локальных соединительных областей 112 относительно плотности локальных областей 112 соединения на фиг. 30 или 31. В любом варианте реализации композитной конструкции 10 различные типы локальных областей 112 соединения могут быть реализованы в одной композитной конструкции 10. Например, композитная конструкция 10 может содержать комбинацию Х-образных форм 122, закрытых круговых форм 120 и/или любых других геометрических форм или размеров.
На фиг. 33 схематически показан вид множества локальных областей 112 соединения, каждая из которых обладает стержневидной формой 128, расположенных в виде глобальной картины 110 мест соединения. Хотя стержневидные формы 128 в целом ориентированы перпендикулярно относительно направления волокон 30 и/или слоев 60, стержневидные формы 128 могут быть расположены в любой ориентации или комбинации ориентации относительно волокон 30 или слоев 60. Например, стержневидные формы 128 могут быть ориентированы под углом 45° или под другими углами относительно продольного направления волокна 30 и/или относительно продольного направления слоев 60.
На фиг. 34 показан вид в разрезе волокна 56 с ядром и оболочкой, представляющего собой тип волокна 30, содержащего ядро 57, окруженное плавкой оболочкой 58. Волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть включены в любой вариант реализации композитной конструкции 10. Например, один или большее количество слоев 60 композитной конструкции 10 могут включать однонаправленные волокна 56 с ядром и оболочкой. В еще одном варианте реализации настоящего изобретения один или большее количество слоев 60 композитной конструкции 10 могут содержать слой 74 ткани из плетеных волокон (фиг. 21), составленный из множества двухкомпонентных волокон 56, которые могут быть сотканы вместе. В определенном варианте реализации настоящего изобретения ядра 57 способны обладать большей прочностью, чем оболочка 58. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения ядро 57 может быть растянуто во время формирования ядра 57 или после формирования ядра 57 для улучшения прочности при растяжении волокна 56. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть выполнены с в целом сглаженной формой поперечного сечения для обеспечения улучшенных оптических характеристик композитной конструкции 10. Например, на фиг. 34 показано волокно 56 с ядром и оболочкой, обладающее формой параллелограмма, хотя могут быть предложены и другие сглаженные формы, например в целом прямоугольная форма. В определенном варианте реализации настоящего изобретения волокно 56 с ядром и оболочкой может иметь в целом плоские верхнюю и нижнюю поверхности 44, 46, которые обычно параллельны друг другу. При этом сглаженные и/или по существу плоские грани волокна 56 способны уменьшать оптическую дисторсию композитной конструкции 10 посредством минимизации рассеяния света, которое в противном случае может иметь место при падении света на волокно 56 с ядром и оболочкой, обладающее в целом скругленной формой поперечного сечения, или при прохождении света через такое волокно. Посредством сведения к минимуму рассеяния света, проходящего через композитную конструкцию 10, оптическую дисторсию можно уменьшить, что может улучшить четкость объектов, наблюдаемых через прозрачную композитную конструкцию 10.
На фиг. 35 показан вид в разрезе пары волокон 56 с ядром и оболочкой, размещенных впритык друг к другу при расположении бок-о-бок. Волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть включены в слой 60 волокон 30, содержащий множество однонаправленных волокон 56 с ядром и оболочкой. В качестве альтернативы волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть включены в слой 74 ткани из плетеных волокон, составленный из множества однонаправленных волокон 56 с ядром и оболочкой, как указано выше.
На фиг. 36 показаны волокна 56 с ядром и оболочкой после сплавления оболочек 58 вместе на боковых сторонах, например, посредством локального нагрева оболочек 58. Оболочки 58 одного или большего количества волокон 56 с ядром и оболочкой могут также быть сплавлены с матрицей 22 в одном или большем количестве мест после внедрения волокон 30 в матрицу 22. В определенном варианте реализации настоящего изобретения оболочка 58 может быть выполнена из того же самого материала, из которого выполнена матрица 22. Например, плавкая оболочка 58 может быть выполнена из термопластического материала, который может быть по существу аналогичен термопластическому материалу матрицы 22. Однако, плавкая оболочка 58 может быть выполнена из материала любого типа, например, металлического материала, керамического материала, композиционного материала (например, эпоксидной смолы, термопластического материала и т.д.). В слое 74 ткани из плетеных волокон, выполненной из волокон 56 с ядром и оболочкой, плавкие оболочки 58 могут быть сплавлены 92 вместе в местах взаимного пересечения волокон 30 в слое 74 ткани из плетеных волокон. Как указано выше, плавкие оболочки 58 могут также быть сплавлены 92 или иначе соединены с другими слоями 60 в одном или большем количестве мест 80 соединения.
На фиг. 37 схематически в разобранном виде показан вид сбоку множества слоев 60 из волокон 56 с ядром и оболочкой, расположенных в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон. В показанном варианте реализации настоящего изобретения каждое из волокон 56 с ядром и оболочкой может обладать в целом прямоугольной формой поперечного сечения или другой формой. Как указано выше, ядро 57 может быть выполнено из относительно высокопрочного материала. Плавкая оболочка 58 может быть выполнена из термопластического материала, покрывающего ядро 57. Волокна 56 с ядром и оболочкой в одном или большем количестве слоев 60 могут иметь интервалы между волокнами 56 с ядром и оболочкой. В показанном варианте реализации настоящего изобретения волокна 56 с ядром и оболочкой в перемежающихся слоях 60 могут быть выполнены в ступенчатом виде или в аналогичном виде таким образом, что волокна 56 с ядром и оболочкой в одном слое 60 по меньшей мере частично размещены с интервалами между волокнами 56 с ядром и оболочкой в другом слое 60 при рассмотрении композитной конструкции 10 вдоль направления, перпендикулярного к верхней и/или нижней поверхности волокон 56 с ядром и оболочкой. Хотя на фиг. 37 показана конфигурация 72 с перекрестным расположением волокон композитной конструкции 10, волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть ориентированы, без ограничения, при любом желательном расположении или в соответствии с картиной.
На фиг. 38 схематически показан вид сбоку композитной конструкции 10 по фиг. 37 со слоями 60, спрессованными вместе таким образом, что плавкие оболочки 58 волокон 56 с ядром и оболочкой контактируют друг с другом. Теплота может быть приложена для сплавления вместе оболочек 58. Например, для определенного варианта реализации настоящего изобретения, в котором оболочки 58 выполнены из термопластического материала, на фиг. 38 показано термопластическое расплавление верхней и нижней поверхностей волокон 56 с ядром и оболочкой. Теплота может быть локально приложена при использовании лазера или другого устройства нагрева для локального нагрева одного или большего количества мест, где оболочки 58 волокон 56 с ядром и оболочкой контактируют друг с другом. В качестве альтернативы композитная конструкция 10 может быть нагрета в печи или автоклаве или посредством использования других способов нагрева. В определенном варианте реализации настоящего изобретения теплота может быть приложена способом, вызывающим совместное плавление оболочек 58. Например, термопластические оболочки 58 могут быть нагреты до температуры плавления термопластического материала для по меньшей мере частичного расплавления контактирующих частей оболочек 58 и сплавления их вместе.
На фиг. 39 схематически показан вид сбоку композитной конструкции 10 по фиг. 38 после термопластического расплавления плавких оболочек 58. Композитная конструкция 10 может быть пропитана материалом матрицы 22 или этот материал может быть влит в нее для заполнения промежутков или открытых пространств между волокнами 56 с ядром и оболочкой. Теплота и/или давление могут быть приложены для высыхания и/или отверждения композитной конструкции 10.
На фиг. 40 схематически показан перспективный вид конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон для первого слоя 62 и второго слоя 64. Как указано выше, первый слой 62 и второй слой 64 могут быть расположены в любом положении внутри стопки 66 волокон 66. Первый слой 62 может содержать первые волокна 32, а второй слой 64 может содержать вторые волокна 34. По меньшей мере часть первых волокон 32 может быть выполнена в виде волокон с первой функциональной особенностью 140. По меньшей мере часть вторых волокон 34 может быть выполнена в виде волокон 142 со второй функциональной особенностью. Волокна 140 с первой функциональной особенностью способны химически взаимодействовать (например, образовывать химическую связь) с волокнами 142 со второй функциональной особенностью в тех местах, где волокна 140 с первой функциональной особенностью контактируют с волокнами 142 со второй функциональной особенностью. При этом волокна 140 с первой функциональной особенностью могут быть, без ограничения, выполнены из любого материала, взаимодействующего и/или образующего химическую связь с волокнами 142 со второй функциональной особенностью, но не взаимодействующего или образующего химическую связь с самим собой. Аналогично, волокна 142 со второй функциональной особенностью могут быть, без ограничения, выполнены из любого материала, взаимодействующего и/или образующего химическую связь с волокнами 140 с первой функциональной особенностью, но не взаимодействующего или образующего химическую связь с самим собой. Точнее, волокна с первой функциональной особенностью 140 могут быть химически не активными (например, не образующими химическую связь) в отношении других волокон 140 с первой функциональной особенностью. Аналогично, волокна 142 со второй функциональной особенностью могут быть химически не активными (например, не образующими химическую связь) в отношении других волокон 142 со второй функциональной особенностью. Волокна 140 с первой функциональной особенностью и волокна 142 со второй функциональной особенностью химически взаимодействуют друг с другом, как указано выше. Напротив, как указано выше, волокна 56 с ядром и оболочкой обладают плавкой оболочкой 58, которая может быть локально расплавлена (например, сплавлена вместе) с плавкой оболочкой 58 другого волокна 56 с ядром и оболочкой с образованием локального соединения между двумя волокнами 56 с ядром и оболочкой.
В определенном варианте реализации настоящего изобретения волокна 140 с первой функциональной особенностью могут быть предложены в виде эпоксидно-функциональных волокон 140а (см. фиг. 41-43), выполненных из любого из вышеупомянутых волоконных материалов и покрытых материалом из эпоксидной смолы, или эпоксидно-функциональные волокна 140а могут быть выполнены из твердой эпоксидной смолы. В определенном варианте реализации настоящего изобретения волокна 142 со второй функциональной особенностью могут содержать амино-функциональные волокна 142а (см. фиг. 41-43). Амино-функциональные волокна 142а могут быть выполнены из аминового химического соединения или другого соединения, химически реагирующего с эпоксидной смолой при контакте с эпоксидно-функциональными волокнами 140а. Контакт между эпоксидно-функциональным слоем 140а и амино-функциональным слоем 142а может приводить к образованию поперечных связей и/или по меньшей мере к частичному отвердеванию и образованию химической связи 96 в местах контакта между эпоксидно-функциональным слоем 140а и амино-функциональным слоем 142а.
В некоторых вариантах реализации композитной конструкции 10 первый слой 62 может содержать эпоксидно-функциональные волокна 140а и амино-функциональные волокна 142а, расположенные параллельно друг другу, хотя эпоксидно-функциональные волокна 140а и амино-функциональные волокна 142а могут быть ориентированы непараллельно друг другу, включая, но не ограничиваясь этим, тканое расположение. Амино-функциональные волокна 142а могут быть расположены попеременно с эпоксидно-функциональными волокнами 140а. Например, на фиг. 40 каждое третье волокно в первом слое 62 может быть амино-функциональным волокном 142а, а остальные волокна в первом слое 62 могут быть эпоксидно-функциональными волокнами 140а. Волокна 30 во втором слое 64 могут быть ориентированы перпендикулярно (или под другим углом) относительно волокон 30 в первом слое 62, и могут также содержать каждое третье волокно 30, представляющее собой амино-функциональное волокно 142а, и остальные волокна 30, представляющие собой эпоксидно-функциональные волокна 140а.
Способы обеспечения функциональной особенности волокон 30 могут содержать плазменную обработку, обработку в электрической короне, влажные химические способы, смешение полимеров и/или другие способы. При этом волокна 30 могут быть обеспечены функциональной особенностью вдоль всей длины волокон. В качестве альтернативы волокна 30 могут быть обеспечены функциональной особенностью согласно определенной картине вдоль длины волокон 30. В одном варианте реализации настоящего изобретения каждое волокно 30 может быть обеспечено нужной функциональной особенностью с определенным ее возрастанием вдоль длины волокна 30. Например, волокно 30 может быть обеспечено эпоксидной функциональной особенностью (например, покрытием из эпоксидной смолы) с приращением через полдюйма вдоль длины волокна 30, или в соответствии с любым другим однородной или неоднородной картиной вдоль длины волокна 30. Другие волокна 30 могут быть обеспечены аминовой функциональной особенностью с желательным возрастанием вдоль длины волокна 30. Волокнам может быть придана функциональная особенность способом, предназначенным для обеспечения желательной картины связи волокон 30 внутри композитной конструкции 10.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения композитная конструкция 10 может быть снабжена волокнами с аутореактивным покрытием (не показано). Волокна с аутореактивным покрытием могут обладать аутореактивным покрытием (не показано), которое химически взаимодействует (например, образует химические связи) при контакте с самим собой, но химически не взаимодействует или не образует химических связей с «голым» волокном (то есть, волокном без покрытия). Аутореактивное покрытие выполнено с возможностью взаимодействия с матрицей 22 или без такой возможности. В определенном варианте реализации настоящего изобретения композитная конструкция 10 может содержать волокна 30, расположенные в первом слое 62 и во втором слое 64. Первый слой 62 и второй слой 64 могут соответственно содержать первые волокна 32 и вторые волокна 34.
По меньшей мере часть первых волокон 32 может представлять собой волокна с аутореактивным покрытием, а остальные волокна 30 в первом слое 62 могут представлять собой волокна 30 без покрытия или волокна 30, не покрытые аутореактивным покрытием. Аналогично, по меньшей мере часть вторых волокон 34 может представлять собой волокна с аутореактивным покрытием, а остальные волокна 30 во втором слое 64 могут представлять собой волокна 30 без покрытия или волокна 30, не покрытые аутореактивным покрытием. В такой композитной конструкции 10 волокна с аутореактивным покрытием могут быть соединены с другими волокнами с аутореактивным покрытием в местах контакта волокон с аутореактивным покрытием друг с другом. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения аутореактивное покрытие может потребовать приложения теплоты и/или энергии из внешнего инициирующего реакцию источника (не показан) для инициации или принуждения аутореактивного покрытия реагировать и образовывать химические связи с самим собой. Например, в местах контакта аутореактивного покрытия одного волокна 30 с аутореактивным покрытием другого волокна 30 теплота, излучение, влажность или другой фактор инициации реакции могут быть применены к волокнам 30 в соответствии с глобальной картиной или локальной картиной. Внешний инициирующий реакцию источник может представлять собой лазер, способный прилагать тепло в соответствии с локальной картиной для связи волокон с аутореактивным покрытием в местах контакта таких волокон 30 друг с другом.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения связью волокон 30 можно управлять посредством нанесения аутореактивного покрытия в соответствии с желательной картиной (например, через каждые полдюйма) вдоль длины одного или большего количества волокон 30. Кроме того, по меньшей мере один слой 60 в композитной конструкции 10 может содержать волокна 30 с аутореактивным покрытием и волокна 30 без покрытия или голые волокна 30 (например, волокна без аутореактивного покрытия 30). Например, один слой 60 композитной конструкции 10 может содержать чередующиеся волокна 30 с аутореактивным покрытием и волокна 30 без покрытия. Далее, различные слои 60 внутри стопки 66 слоев могут содержать различные картины волокон 30 с аутореактивным покрытием и волокон 30 без покрытия для обеспечения различного расположения, предназначенного для связи волокон 30 внутри композитной конструкции 10. Определенные слои 60 внутри композитной конструкции 10 могут по существу содержать волокна 30 с аутореактивным покрытием, в то время как другие слои 60 в композитной конструкции 10 могут по существу содержать непокрытые волокна 30.
Выбор химической композиции и/или функциональных особенностей волокон 140 с первой функциональной особенностью, волокон 142 со второй функциональной особенностью и волокон 30 с другими функциональными особенностями может быть основан на химической совместимости волокон 140 с первой функциональной особенностью и волокон 142 со второй функциональной особенностью таким образом, что химические реакции (например, образование химических связей) между волокнами 30 происходили как нужно. Выбор химической композиции и/или функциональной особенности для волокон 140 с первой функциональной особенностью и волокон 142 со второй функциональной особенностью может также быть основан на желательных свойствах 100 соединения (например, прочность, модуль упругости, текучесть соединения и/или разрушающая деформация и т.д.). Кроме того, выбор химической композиции и/или функциональных особенностей для волокон 140 с первой функциональной особенностью и волокон 142 со второй функциональной особенностью может быть основан на желательных оптических свойствах композитной конструкции 10. Например, химическая композиция или материалы волокон 140 с первой функциональной особенностью и волокон 142 со второй функциональной особенностью могут быть выбраны на основании показателей преломления и/или температурного коэффициента показателей преломления материалов волокна 30 и матрицы при заданных изменении температуры и длине волны света, воздействию которых композитная конструкция 10 может быть подвергнута во время использования. Выбор химической композиции и/или материала волокон 30 с аутореактивным покрытием может также быть основан на химической совместимости, желательных свойствах 100 соединения и/или желательных оптических свойствах (например, на показателе преломления) для соответствующего согласования материала волокна 30, материала покрытия и материала матрицы.
Наличие, концентрация, тип или качество функциональной особенности/покрытия могут также быть различны вдоль длины любого индивидуального волокна 30, от волокна к волокну внутри слоя 60 и/или от слоя к слою. Например, как указано выше, тип 88 соединения или качество 100 соединения для покрытия из эпоксидной смолы могут быть различны вдоль длины волокна 30. Следует принимать во внимание, что волокна 30 в любом слое 60 могут быть расположены, без ограничения, при любой ориентации, и не ограничены конфигурацией 72 с перекрестным расположением волокон, показанной на фиг. 40. Кроме того, волокна 30 в любом слое 60 могут состоять из любой части амино-функциональных волокон 142а относительно части эпоксидно-функциональных волокон 140а в слое 60. Кроме того, любое волокно 30 в данном слое 60 может не быть эпоксидно-функциональным волокном 140а или амино-функциональным волокном 142а. Например, по существу все волокна первого слоя 62 могут быть эпоксидно-функциональными волокнами 140а и он может быть по существу лишен амино-функциональных волокон 142а. По существу все волокна второго слоя 64 могут быть амино-функциональными волокнами 142а и он может быть по существу лишен эпоксидно-функциональных волокон 140а. Для слоя 60, содержащего эпоксидно-функциональные волокна 140а и амино-функциональные волокна 142а, волокна 30 могут чередоваться в любом расположении внутри слоя. Например, может иметь место чередование волокон 30 между эпоксидно-функциональными волокнами 140а и амино-функциональными волокнами 142а. Любое количество расположений из множества расположений может быть реализовано для расположения эпоксидно-функциональных волокон 140а и амино-функциональных волокон 142а.
На фиг. 41 в разобранном состоянии схематически показан вид сбоку множества эпоксидно-функциональных волокон 140а и амино-функциональных волокон 142а, расположенных в слоях 60. В показанном варианте реализации настоящего изобретения, каждое из эпоксидно-функциональных волокон 140а и амино-функциональных волокон 142а может обладать в целом прямоугольной формой поперечного сечения, хотя такие волокна 140а, 142а могут быть выполнены с любой, без ограничения, формой поперечного сечения. Волокна 140а, 142а могут быть первоначально расположены в нужной ориентации, такой как конфигурация с поперечным расположением волокон, показанная на фиг. 41. В показанном варианте реализации настоящего изобретения волокна 140а, 142а в перемежающихся слоях 60 могут быть выполнены ступенчатым образом, так что волокна 140а, 142а в одном слое 60 по меньшей мере частично ориентированы с зазорами между волокнами 140а, 142а в другом слое 60 при рассмотрении композитной конструкции 10 вдоль направления, перпендикулярного к верхней и/или нижней поверхностям волокон 140а, 142а для сведения к минимуму рассеяния света и улучшения, тем самым, оптических характеристик композитной конструкции 10.
На фиг. 42 схематически показан вид сбоку слоев 60 по фиг. 41, спрессованных вместе для приведения слоев 60 волокон 140а, 142а в контакт друг с другом. В местах контакта эпоксидно-функциональных волокон 140а с амино-функциональными волокнами 142а может произойти химическая реакция между эпоксидной смолой и аминосоединением. Эта химическая реакция может привести к возникновению химической связи 96 в местах контакта амино-функциональных волокон 142а и эпоксидно-функциональных волокон 140а друг с другом. Химическая связь 96 может быть охарактеризована как локальное отверждение и/или затвердевание эпоксидной смолы, что приводит к образованию места соединения между эпоксидно-функциональным слоем 140а и амино-функциональным слоем 142а. Другие способы отверждения, такие как отверждение за счет химической реакции с влагой воздуха, отверждение ультрафиолетовым излучением, отверждение видимым светом и другие способы радиационного отверждения могут быть реализованы для отверждения химической связи 96 между эпоксидно-функциональным слоем 140а и амино-функциональным слоем 142а. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения качество 100 соединения при химической связи 96 между эпоксидно-функциональным слоем 140а и амино-функциональным слоем 142а может быть изменено посредством изменения химии аминового соединения или эпоксисоединения. Например, изменение длины цепи аминового соединения или эпоксисоединения и/или изменение химии цепи аминового соединения или эпоксисоединения могут обеспечить средство для управления прочностью при растяжении, деформацией на пределе текучести, разрушающей деформацией и/или модулем упругости при химической связи 96 между эпоксидно-функциональным слоем 140а и амино-функциональным слоем 142а.
На фиг. 43 схематически показан вид сбоку композитной конструкции 10 после вливания материала матрицы 22 в химически связанные слои 60. В определенном варианте реализации настоящего изобретения материал матрицы 22, такой как эпоксидная матрица, может быть залит в химически связанные слои 60 таким образом, что матрица 22 заполняет любые промежутки между эпоксидно-функциональными волокнами 140а, амино-функциональными волокнами 142а и/или другими типами волокон 30, отличными от эпоксидно-функциональных волокон и амино-функциональных волокон, которые могут быть включены в композитную конструкцию 10. Теплота и/или давление могут быть приложены для отверждения и/или усиления матрицы 22.
Композитная конструкция 10 может быть предложена в виде сложного трехмерного варианта реализации, который может включать множественные аспекты типа 88 соединения и/или качества 100 соединения, использующего любой один или большее количество расположений и способов для связи волокон 30 с другими волокнами 30 и/или для связи волокон 30 с плоскими элементами 78 (фиг. 21). При этом такой сложный трехмерный вариант реализации может включать, в частности, выбор трехмерной архитектуры типа химической связи и/или качества химической связи для баллистической панели с целью управления трехмерным расположением качества 100 соединения и типа 88 соединения внутри баллистической панели для достижения улучшенных баллистических характеристик.
На фиг. 44 показана блок-схема, поясняющая одну или большее количество этапов, которые могут быть включены в способ 400 производства композитной конструкции 10. Этап 402 из способа 400 включает создание множества волокон 30, что может включать расположение по меньшей мере части волокон 30 в первом слое 62. Волокна 30 в первом слое 62 могут быть расположены по существу параллельно друг другу. Однако, волокна 30 могут быть расположены с любой угловой ориентацией относительно друг друга. Волокна 30 могут также быть расположены в двух или большем количестве слоев 60 из стопки 66 слоев. Например, способ может включать расположение, по меньшей мере части волокон 30 в первом слое 62, содержащем первые волокна 30, и расположение, по меньшей мере части, волокон 30 во втором слое 64, содержащем вторые волокна 30, как показано на фиг. 17.
Этап 404 способа 400 может включать соединение, по меньшей мере части, волокон 30 друг с другом в местах 80 соединения. Этап 406 может включать обеспечение по меньшей мере у двух из мест 80 соединения различного типа 88 соединения и/или различного качества 100 соединения. Например, способ может включать соединение по меньшей мере двух из волокон 30 в первом слое 62 по меньшей мере в двух местах 80 соединения с различным типом 88 соединения и/или различным качеством 100 соединения. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения качество 100 соединения может включать соединение 106 с высокой прочностью/малой деформацией в первом месте 80а соединения между первым и вторым слоями 32, 34, и соединение 108 с малой прочностью/большой деформацией во втором месте 80b соединения между первым и вторым слоями 32, 34.
Для композитных конструкций 10, содержащих два или большее количество слоев 60, способ 400 может включать соединение по меньшей мере одного из первых волокон 30 в первом слое 62 с по меньшей мере одним из вторых волокон 30 во втором слое 64 во множестве мест 80 соединения, которые могут обладать одинаковыми или различными типом 88 соединения и/или качеством 100 соединения. В еще одном варианте реализации настоящего изобретения способ может включать соединение по меньшей мере двух волокон из первых волокон 30 в первом слое 62 в месте 80 соединения с первым типом 88а соединения и/или качеством 100а соединения, и соединение по меньшей мере двух волокон из вторых волокон 30 во втором слое 64 в месте 80 соединения со вторым типом 88b соединения и/или качеством 100b соединения, которые могут быть отличны от первого типа 88а соединения и/или качества 100а соединения.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения способ 400 может включать обеспечение первого волокна 32, второго волокна 34, третьего волокна 36 и четвертого волокна 38, как показано на фиг. 18. Первое волокно 32 и второе волокно 34 могут быть включены в один и тот же слой 60 или в различные слои 60. Аналогично, третье волокно 36 и четвертое волокно 38 могут быть включены в один и тот же слой 60 или в различные слои 60. Например, третье волокно 36 и четвертое волокно 38 могут быть включены в тот же самый слой 60, что первое волокно 32 и второе волокно 34, или в другие слои 60, чем первое волокно 32 и второе волокно 34. Первое волокно 32 может быть соединено со вторым волокном 34 в одном или большем количестве мест 80 соединения с первым типом 88а соединения и/или качеством 100а соединения, а третье волокно 36 может быть соединено с четвертым волокном 38 в одном или большем количестве мест 80 соединения со вторым типом 88b соединения и/или качеством 100b соединения, которые могут быть отличны от первого типа 88а соединения и/или качества 100а соединения. В любом из вариантов реализации настоящего изобретения этап 408 способа 400 может включать внедрение волокна 30 внутрь матрицы 22 и отверждение матрицы 22.
В определенном варианте реализации настоящего изобретения способ 400 может включать обеспечение первого слоя 62 в виде слоя 74 ткани из плетеных волокон, содержащего множество волокон 30, как показано на фиг. 21. По меньшей мере часть волокон 30 в слое 74 ткани из плетеных волокон может быть взаимосвязана в местах пересечения волокон 30, которые могут быть описаны как узлы 76. В определенном варианте реализации настоящего изобретения места 80 соединения могут быть сформированы таким образом, что тип 88 соединения и/или качество 100 соединения могут быть разными в разных местах 80 соединения при пересечениях (то есть, в узлах 76) волокон 30 в слое 74 ткани из плетеных волокон.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения способ 400 может включать обеспечение, по меньшей мере части, волокон 30 в виде волокон 56 с ядром и оболочкой, как показано на фиг. 34-36 или на фиг. 37-39. Каждое из волокон 56 с ядром и оболочкой может состоять из ядра 57, окруженного оболочкой 58, выполненной из термопластического материала. Ядро 57 может быть выполнено из высокопрочного материала по сравнению с прочностью оболочки 58. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения оболочка 58 может быть выполнена из того же самого материала, что и матрица 22, который может быть термопластическим материалом. Способ может включать расположение волокон 56 с ядром и оболочкой в контакте бок о бок друг с другом в слое 60, как показано на фиг. 34-36. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения способ может включать расположение слоев 60 из волокон 56 с ядром и оболочкой таким образом, что верхняя и нижняя поверхности волокон 56 с ядром и оболочкой могут войти в контакт с друг другом. Например, два или большее количество слоев 60 из волокон 56 с ядром и оболочкой могут быть расположены в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон, как показано на фиг. 37-39.
Способ 400 может включать сжатие слоев 60 из волокон 56 с ядром и оболочкой вместе и подачу теплоты к оболочкам 58. Например, теплота может быть подана в одно или большее количество мест контакта оболочек 58 друг с другом. Подача теплоты может приводить к соединению по меньшей мере части волокон 56 с ядром и оболочкой друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения, например, посредством термопластического сплавления оболочек 58 вместе в местах 80 соединения. После термопластического сплавления оболочек 58 волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть пропитаны или залиты материалом матрицы 22. Способ может дополнительно включать отвердение материала матрицы 22 с образованием композитной конструкции 10. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения волокна 56 с ядром и оболочкой могут быть затканы в слой 74 ткани из плетеных волокон (не показано). Оболочки 58 волокон 56 с ядром и оболочкой могут быть термопластическим образом сплавлены 92 вместе в местах (например, в узлах 74) пересечения волокон 30.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг. 41-42, способ может включать обеспечение первого слоя 62, содержащего первые волокна 32, и второго слоя 64, содержащего вторые волокна 34. По меньшей мере часть первых волокон 32 может представлять собой эпоксидно-функциональные волокна 140а и/или амино-функциональные волокна 142а (фиг. 41-43). По меньшей мере часть вторых волокон 34 может также представлять собой эпоксидно-функциональные волокна 140а и/или амино-функциональные волокна 142а. Как указано выше, амино-функциональные волокна 142а могут быть выполнены из аминового соединения. Амино-функциональные волокна 142а и эпоксидно-функциональные волокна 140а в каждом слое из первого слоя 62 и второго слоя 64 могут быть расположены попеременно друг относительно друга. Первый и второй слои 62, 64 могут быть расположены в нужной конфигурации, например, в конфигурации с перекрестным расположением волокон, показанной на фиг. 41, или в любой другой конфигурации.
Способ может включать размещение первого слоя 62 в контакте со вторым слоем 64, например, посредством спрессовывания вместе первого и второго слоев 62, 64. Как упомянуто выше, контакт между первым и вторым слоями 62, 64 может приводить к образованию химической связи 96 в местах 80 соединения, где амино-функциональные волокна 142а входят в контакт с эпоксидно-функциональными волокнами 140а. Способ может дополнительно включать вливание материала матрицы 22 в первый и второй слои 62, 64. Теплота и/или давление могут быть приложены для отвердевания материала матрицы 22 с образованием композитной конструкции 10.
На фиг. 45 показана блок-схема, поясняющая один или большее количество этапов, которые могут быть включены в способ 500 производства композитной конструкции 10. Этап 502 из способа 500 может включать расположение множества волокон 30 в двух или большем количестве слоев 60, как показано на фиг. 13А-17. Этап 504 способа 500 может включать соединение по меньшей мере одного из волокон 30 по меньшей мере в одном слое 60 с по меньшей мере одним волокном 30 в другом слое 30. В определенном варианте реализации настоящего изобретения способ 500 может включать соединение по меньшей мере одного волокна 30 в одном слое 60 с по меньшей мере одним волокном 30 в непосредственно соседствующем слое 60. Например, на фиг. 13А-13С показана связь волокон 30 в однонаправленной конфигурации 70 в первом и втором слоях 62, 64 вдоль первых областей 114 соединения, и связь волокон 30 во втором и третьем слоях 64, 65 вдоль вторых областей 116 соединения.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения на фиг. 14 показана связь волокон 30 в слоях 1-2, а на фиг. 15 показана связь волокон 30 в перемежающихся слоях 1, 3, 5, 7 и 9. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения волокна 30 по меньшей мере в одном слое 60 могут быть не соединены с волокнами 30 в другом слое 60. Например, на фиг. 14 слои 3-10 могут быть не соединены друг с другом или с любым другим слоем 60. На фиг. 15 слои 2,4, 6, 8 и 10 могут быть не соединены друг с другом или с любым другим слоем 60. Следует иметь ввиду, что волокна 30 в любом количестве слоев 60 из стопки 66 слоев могут быть связаны в любом расположении для достижения требуемых оптических характеристик и/или баллистических характеристик композитной конструкции 10.
Обратившись к фиг. 24-33, можно видеть, что способ 500 может включать расположение мест 80 соединения в соответствии с одной или большим количеством геометрических картин. Например, способ может включать соединение волокон 30 по меньшей мере в одном слое 60 во множестве мест 80 соединения, расположенных в соответствии с глобальной картиной 110 мест соединения в слое 60, и/или соединение одного или большего количества слоев 60 в соответствии с глобальной картиной 110 мест соединения. Каждая из глобальных картин 110 мест соединения может содержать одну или большее количество локальных областей 112 соединения. Каждая из локальных областей 112 соединения может содержать места 80 соединения, где волокна 30 в слое 60 соединены друг с другом, и/или где слои 60 соединены друг с другом. На фиг. 24-33 показано несколько примеров геометрических форм локальных областей 112 соединения, как описано выше. Однако, следует иметь ввиду, что локальные области 112 соединения могут быть реализованы в любом количестве различных геометрических размеров, форм и конфигураций, без ограничения.
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения способ 500 может содержать обеспечение одного или большего количества слоев 60 в виде плоского элемента 78, как показано на фиг. 21-22. Например, плоский элемент 78 может быть выполнен в виде пленки, листа или пластины. Плоский элемент 78 может представлять собой неволокнистый плоский элемент 78. Однако, плоский элемент 78 может быть выполнен из волокнистого материала. Например, плоский элемент 78 может содержать рубленые отрезки волокон, войлок или любой другой тип волокнистого материала. В определенных вариантах реализации настоящего изобретения плоский элемент 78 может представлять собой металлическую фольгу или полимерную пленку, например, растянутую пленку или нерастянутую пленку, как указано выше. Плоский элемент 78 может также быть выполнен из композиционного материала и/или керамического материала. Способ 500 может включать соединение по меньшей мере одного из волокон 30 по меньшей мере в одном из слоев 60 с плоским элементом 78 во множестве мест 80 соединения, как показано на фиг. 21-22. Места 80 соединения, соединяющие плоский элемент 78 с одним или большим количеством волокон 30, могут иметь одинаковые и/или различные тип 88 соединения и/или качество 100 соединения.
Способ 500 может включать расположение волокон 30 в первом слое 62 и втором слое 64, содержащих, соответственно, первые волокна 32 и вторые волокна 34, как показано на схематической диаграмме на фиг. 40-43. По меньшей мере часть первых волокон 32 может быть выполнена как волокна 140 с первой функциональной особенностью. По меньшей мере часть вторых волокон 34 может быть выполнена как волокна 142 со второй функциональной особенностью. Способ 500 может дополнительно включать размещение первого слоя 62 в контакте со вторым слоем 64 и химическую реакцию (например, химическое соединение) волокон 140 с первой функциональной особенностью с волокнами 142 со второй функциональной особенностью в местах контакта волокон 140 с первой функциональной особенностью с волокнами 142 со второй функциональной особенностью. Как указано выше, способ 500 может включать выполнение волокон 140 с первой функциональной особенностью и/или волокон 142 со второй функциональной особенностью воздействием на первые волокна 32 и/или вторые волокна 34 посредством плазменной обработки, обработки в электрической короне, влажных химических способов, смешения полимеров и любого одного способа из множества других способов придания функциональной особенности или нанесения покрытия.
В других вариантах реализации настоящего изобретения способ 500 может включать расположение волокон 30 в первом слое 62, содержащем первые волокна 32, и во втором слое 64, содержащем вторые волокна 34, и обеспечение по меньшей мере части первых волокон 32 и по меньшей мере части первых волокон в виде волокон с аутореактивным покрытием. Способ может дополнительно включать обеспечение по меньшей мере части вторых волокон 34 в виде волокон с аутореактивным покрытием. Первый слой 62 может быть размещен в контакте со вторым слоем 64. Как указано выше, способ может включать химическую реакцию (например, химическое соединение) волокон с аутореактивным покрытием друг с другом в местах контакта друг с другом волокон с аутореактивным покрытием. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения способ может включать воздействие на волокна с аутореактивным покрытием внешнего инициирующего реакцию источника, такого как источник теплоты, излучения и/или влаги для инициации химической реакции в местах контакта волокон с аутореактивным покрытием друг с другом.
Далее, изобретение включает варианты реализации настоящего изобретения согласно следующим пунктам:
Пункт 1. Композитная конструкция, содержащая:
множество волокон (30), по меньшей мере частично внедренных внутрь матрицы (22), причем
волокна соединены друг с другом по меньшей мере в одном месте (80) соединения.
Пункт 2. Композитная конструкция согласно пункту 1, в которой
место соединения обладает типом соединения, включая по меньшей мере одно из следующего:
адгезивное соединение;
сплавление;
механическое скрепление; и
химическое соединение.
Пункт 3. Композитная конструкция согласно пункту 1, в которой
по меньшей мере один элемент из матрицы и волокон выполнен по меньшей мере из одного из следующих материалов:
термопластический материал, содержащий по меньшей мере одно из следующего:
фторзамещенные углеводороды, полиамиды, полиэтилены, полиэфиры, полипропилены, поликарбонаты, полиуретаны, полиэфирэфиркетон, полиэфиркетонкетон, полиэфиримид, полиэтилентерефталат и полиоксиметилен;
термоотверждающийся материал, содержащий по меньшей мере одно из следующего:
полиуретаны, фенольные смолы, полиимиды, бисмалеимиды, полиэфиры, эпоксиды; и
стекла, содержащие Е-стекло (алюмино-боросиликатное стекло), S-стекло (алюмино-силикатное стекло), чистый кремнезем, боросиликатное стекло, оптическое стекло;
металлические материалы, включая сталь, титан, медь, алюминий и металлические сплавы; и
керамические материалы.
Пункт 4. Композитная конструкция, содержащая:
множество волокон, по меньшей мере частично внедренных внутрь матрицы;
волокна, расположенные в двух или большем количестве слоев; причем
по меньшей мере одно из волокон по меньшей мере в одном слое соединено по меньшей мере с одним волокном в другом слое.
Пункт 5. Композитная конструкция согласно пункту 4, в которой:
волокна по меньшей мере в одном слое не соединены с волокнами в другом слое.
Пункт 6. Композитная конструкция согласно пункту4, в которой:
по меньшей мере часть волокон по меньшей мере в одном слое соединена друг с другом в местах соединения, расположенных в соответствии с глобальной картиной мест соединения в слое.
Пункт 7. Композитная конструкция согласно пункту 4, в которой:
по меньшей мере один из слоев выполнен в виде плоского элемента, выполненного в виде пленки, листа или пластины; и
по меньшей мере одно из волокон по меньшей мере в одном из слоев соединено с плоским элементом во множестве мест соединения.
Пункт 8. Композитная конструкция согласно пункту 7, в которой
плоский элемент выполнен по меньшей мере из одного из следующих материалов:
растянутый полимерный материал или нерастянутый полимерный материал;
стекла;
металлический материал;
композиционный материал;
керамический материал; и
тканый материал или нетканый материал.
Пункт 9. Композитная конструкция согласно пункту 4, в которой:
волокна размещены в первом слое и во втором слое, содержащих, соответственно, первые волокна и вторые волокна;
по меньшей мере часть первых волокон содержит волокна с первой функциональной особенностью;
по меньшей мере часть вторых волокон содержит волокна со второй функциональной особенностью;
волокна с первой функциональной особенностью выполнены с возможностью химического взаимодействия с волокнами со второй функциональной особенностью и присоединены к ним в местах контакта волокон с первой функциональной особенностью с волокнами со второй функциональной особенностью;
волокна с первой функциональной особенностью выполнены без возможности химического взаимодействия с другими волокнами с первой функциональной особенностью; и
волокна со второй функциональной особенностью выполнены без возможности химического взаимодействия с другими волокнами со второй функциональной особенностью.
Пункт 10. Композитная конструкция согласно пункту 4, в которой:
волокна размещены в первом слое и во втором слое, соответственно содержащим первые волокна и вторые волокна;
по меньшей мере часть первых волокон содержит волокна с аутореактивным покрытием;
по меньшей мере часть вторых волокон содержит волокна с аутореактивным покрытием; причем
волокна с аутореактивным покрытием имеют аутореактивное покрытие, химически взаимодействующее в контакте с самим собой; и
волокна с аутореактивным покрытием соединены с другими волокнами с аутореактивным покрытием в местах контакта волокон с аутореактивным покрытием друг с другом.
Пункт 11. Способ изготовления композитного изделия, включающий этапы, на которых:
размещают множество волокон в двух или большем количестве слоев;
соединяют по меньшей мере одно из волокон по меньшей мере в одном слое по меньшей мере с одним из волокон в другом слое; и
внедряют волокна в матрицу.
Пункт 12. Способ согласно пункту 11, в котором:
волокна по меньшей мере в одном слое не соединены с волокнами в другом слое.
Пункт 13. Способ согласно пункту 11, дополнительно включающий этапы, на которых:
соединяют волокна по меньшей мере в одном слое во множестве мест соединения, расположенных в одном или большем количестве локальных областей соединения и/или в соответствии с глобальной картиной мест соединения.
Пункт 14. Способ согласно пункту 11, дополнительно включающий этапы, на которых:
обеспечивают плоский элемент, выполненный в виде пленки, листа или пластины; и соединяют по меньшей мере один из волокон по меньшей мере с одним из слоев с плоским элементом во множестве мест соединения.
Пункт 15. Способ согласно пункту 11, дополнительно включающий этапы, на которых:
выполняют по меньшей мере часть волокон в виде волокон с ядром и оболочкой, причем
каждое из волокон с ядром и оболочкой состоит из ядра, окруженного оболочкой, выполненной из плавкого материала;
размещают оболочки по меньшей мере двух волокон с ядром и оболочкой в контакте друг с другом;
подают тепло к оболочкам в одном или большем количестве мест контакта оболочек друг с другом; и
сплавляют оболочки вместе с образованием одного или большего количества мест соединения между волокнами с ядром и оболочкой.
Пункт 16. Способ согласно пункту 11, дополнительно включающий этапы, на которых:
располагают волокна в первом слое и втором слое, содержащих, соответственно, первые волокна и вторые волокна;
выполняют по меньшей мере часть первых волокон в виде волокон с первой функциональной особенностью;
выполняют по меньшей мере часть вторых волокон в виде волокон со второй функциональной особенностью;
размещают первый слой в контакте со вторым слоем; и
обеспечивают химическое взаимодействие волокон с первой функциональной особенностью с волокнами со второй функциональной особенностью в местах контакта волокон с первой функциональной особенностью с волокнами со второй функциональной особенностью.
Пункт 17. Способ согласно пункту 11, дополнительно включающий этапы, на которых:
располагают волокна в первом слое, содержащем первые волокна, и во втором слое, содержащем вторые волокна;
выполняют по меньшей мере часть первых волокон в виде волокон с аутореактивным покрытием;
выполняют по меньшей мере часть вторых волокон в виде волокон с аутореактивным покрытием;
размещают первый слой в контакте со вторым слоем; и
обеспечивают химическое взаимодействие друг с другом волокон с аутореактивным покрытием в местах контакта друг с другом волокон с аутореактивным покрытием.
Дополнительные модификации и усовершенствования настоящего изобретения могут быть очевидными для специалистов в данной области техники. Таким образом, определенная комбинация описанных и показанных в настоящей заявке частей предназначена для представления только некоторых вариантов реализации настоящего изобретения и не предназначена для ограничения других вариантов реализации или устройств в пределах сущности и объема настоящего изобретения.