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技術 中間材料を貼り付けてそれらの接着を確実にする方法、複合体成分及び中間材料の製造を意図するスタックを形成する方法

出願人 ヘクセルランフォルセマン
発明者 ベロー、ジャン-マルクデュカレ、ジャック
出願日 2013年11月18日 (6年3ヶ月経過) 出願番号 2015-542344
公開日 2015年12月21日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2015-536261
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 波状起伏 粉末堆積物 予備的形成品 結合ブリッジ 炭素繊維強化材料 穿孔密度 複合体部品 支持体要素
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年12月21日)のものです。
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図面 (19)

課題・解決手段

本発明は、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層と少なくとも1つの側で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料を、貼り付け表面に連続的に貼り付ける方法であって、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層は中間材料の全重量の10%より多くを占めることはなく、中間材料は、貼り付けられるに先立って、各点ごとに加熱を伴う貫通する負荷をかけて、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の侵入惹起して一方向強化繊維層の厚さの中に接続橋を創り出すことを含む操作を受けており、中間材料は、貼り付け過程にある中間材料の、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に対応する片面を貼り付け表面に貼り付けるように、張力及び圧力を同時にかけられて連続的に貼り付けられ、それらの貼り付け中に、貼り付けられた中間材料と貼り付け表面の間の結合を創り出すように前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層が活性化される方法に関し;複合体成分を創り出すためにスタックを形成する前記方法を実施する方法及びそれらの様々の使用に関する。

概要

背景

複合体部品又は物品は、即ち、第1に、1種又は複数種補強材又は繊維のシート、第2に、マトリックス(それは、通常、主として熱硬化性タイプのものであり、1種又は複数種の熱可塑性樹脂も含むことができる)を含み、例えば、「直接」法又は「LCM」(液体複合体成形)法と呼ばれる方法により製造することができる。直接法は、1種又は複数種の繊維状補強材が「乾燥した」状態で(即ち最終のマトリックスなしで)使用されるという事実により定義され、樹脂又はマトリックスの、例えば、繊維状の補強材を含む型への射出(樹脂トランスファー成形のための「RTM」法)により、密集した繊維状の補強材を通しての注入(「LRI」法即ち液体樹脂注入法、又は「RFI」法即ち樹脂フィルム注入法)により、又はその他、形成品に連続して貼り付けられる繊維状の補強材の個々の層の各々に対するローラー又はブラシを用いる用手コーティング含浸により、別に実施される。

RTM、LRI又はRFI法のためには、最初に所望の完成した物品の形状の繊維状の予備的形成品又はスタックを製造して、次にこの予備的形成品又はスタックを、マトリックスを形成することを意図される樹脂で含浸することが一般的に必要である。樹脂は所与の温度で差圧により射出又は注入され、次に樹脂の必要量全部が予備的形成品中に含有されたら、全体をさらに高い温度に上げて、重合網状化サイクルを実施し、このようにしてその硬化に至らせる。

自動車航空機又は艦船産業において使用される複合体部品は、特に機械的性質に関して非常に厳格な要求を特に受ける。燃料節減するために、航空機産業は、多くの金属材料をより軽い複合体材料によって置き換えて来た。

部品の製造中に一方向強化シートに特に注入又は射出により後で加えられる樹脂は、例えば、エポキシタイプ熱硬化性樹脂であってもよい。炭素繊維の異なった層のスタックで構成される予備的形成品を通る適当な流動を可能にするために、この樹脂は、通常非常に流動性であり、注入/射出温度において、例えば50から200mPa・sのオーダーの粘度を有する。このタイプの樹脂の主要な欠点は、重合/網状化後脆弱性であり、そのことは製造された複合体部品の耐衝撃性が劣る原因となる。

この問題を解決するために、先行技術の文献において、一方向炭素繊維層を、中間のポリマー層、特に熱可塑性繊維で作製された不織材料と組み合わせることが提案された。そのような解決策は、とりわけ、特許出願又は特許EP1125728、US6,828,016、WO00/58083、WO2007/015706、WO2006/121961及びUS6,503,856に記載されている。このポリマーの中間層、例えば不織材料などの添加により、構造物の耐衝撃性を特徴づけるために一般的に使用される試験である衝撃後圧縮CAI)試験における機械的性質を改善することが可能になる。

本出願人も、先の特許出願WO2010/046609及びWO2010/061114において、その面の各々の不織熱可塑性繊維材料(不織材料としても知られる)との接着により結合された特に炭素で作製された一方向繊維シートからなる特定の中間材料、並びにこれらの材料を製作する方法を提案した。

上記のような中間材料を、特に覆われたテープの形態で使用する場合に、本出願人は、覆われたテープの自動化されたレイアップ(lay−up)で、覆われたテープは、圧力と加熱の作用の組合せとそれに続く冷却(如何なる特定のカロリー抜き取り作用もなく、「天然」プロセスを使用することにより可能である)により先にできている重ね層(ply)にボンディングすることを観察した。次に該テープは、先にできた重ね層にその下面によりボンディングして、この機械ボンドは、テープがレイアップされる間、剪断応力かけられた。応力は、(レイアップ張力)/(ボンド長)に比例する強度である。レイアップ張力は通常一定と考えられ、結果は、剪断応力は、レイアップの最初の数センチメートルで高く、レイアップされたテープの長さと共に減少するということである。剪断応力は、テープの厚さ全体にわたって分布し、レイアップ張力が高すぎると、乾燥した強化繊維で構成されるその中央領域におけるテープの層間剥離が、幾つかの場合に本出願人により、レイアップの最初の数センチメートルにおいて観察された。実際、本出願人は、その面の少なくとも1つで熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に合着した一方向繊維テープを含むそのような材料において、優先的な機械的ボンドが、テープ上のそれらの主面に位置するフィラメントと熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の間で確立されるが、それに対して、フィラメントのみで構成されたテープの中央領域は、剪断強度がより低い領域であることを観察した。

それらの主面の各々で熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に合着した材料の場合に、レイアップされるべき材料の幅に応じて、材料をレイアップするために小さいか又は大きいローラータイプのレイアップ部材が使用される場合にも、この現象は目立ち得る。この場合、材料のボンディングの最初の僅か数ミリメートルで、又はさらに数センチメートルで、ローラーと接触する面は、ローラーと接着する傾向があり、そのことも、材料の他の面が、材料がその上に置かれた支持体又は先にできた重ね層であり得る表面に次にボンディングする場合に、材料の層間剥離を加速し得る。

概要

本発明は、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層と少なくとも1つの側で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料を、貼り付け表面に連続的に貼り付ける方法であって、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層は中間材料の全重量の10%より多くを占めることはなく、中間材料は、貼り付けられるに先立って、各点ごとに加熱を伴う貫通する負荷をかけて、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の侵入惹起して一方向強化繊維層の厚さの中に接続橋を創り出すことを含む操作を受けており、中間材料は、貼り付け過程にある中間材料の、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に対応する片面を貼り付け表面に貼り付けるように、張力及び圧力を同時にかけられて連続的に貼り付けられ、それらの貼り付け中に、貼り付けられた中間材料と貼り付け表面の間の結合を創り出すように前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層が活性化される方法に関し;複合体成分を創り出すためにスタックを形成する前記方法を実施する方法及びそれらの様々の使用に関する。

目的

本発明の目的は、幾つかの場合に、例えば、特許出願WO2010/046609及びWO2010/061114に記載された、覆われたテープなどについて、特にスタックの製造において実施される、熱可塑性材料若しくは熱硬化性材料又は熱可塑性材料と熱硬化性材料の混合物の層に少なくともその1面で合着した強化繊維の層で構成される中間材料の貼り付け中に観察され得る層間剥離問題を改善することである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に少なくとも1面で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料を、付着表面に連続的に貼り付ける方法であって、該中間材料を形成する該熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)は、該中間材料の全重量の10%より多くを占めることはなく、好ましくは該中間材料の全重量の0.5から10%、より好ましくは2から6%を占め、該中間材料は、その貼り付けに先立って、該中間材料の全厚横断するように実施される、加熱を伴ってスポットを横断する力をかける操作を受けて、該横断する力をかけるスポットで該熱可塑性材料の少なくとも部分的溶融又は該熱硬化性材料の部分的若しくは完全な重合を生じさせ、該熱可塑性材料及び/又は該熱硬化性材料の侵入を生じさせて、該一方向強化繊維層の厚さで、好ましくは、該一方向強化繊維層の1つの主面から他の主面に広がる結合ブリッジを創り出しており、該中間材料は、該中間材料への張力及び圧力を同時にかけられて、該中間材料を該付着表面に貼り付けるように、所与の移動道筋に沿って連続的に貼り付けられ、付着は、該中間材料の1面を、レイアップされる過程において、該付着表面にある熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に貼り付けることにより、及び/又は該中間材料を、レイアップされる過程において、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料を担持する該付着表面に貼り付けることにより、及び該レイアップされた中間材料と該付着表面の間の結合を確実にするように、該中間材料と該付着表面の間の界面に存在することとなる該熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料を活性化することにより実施される上記方法。

請求項2

前記中間材料が、張力及び圧力の作用の下に所与の移動道筋に沿って、レイアップされる過程において、前記付着表面に、前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に対応する該中間材料の面を貼り付けるように、並びに該レイアップされた中間材料と該付着表面の間の結合を確実にするように、前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層を、その付着中に活性化するように、連続的に貼り付けられることを特徴とする、請求項1に記載の貼り付け方法

請求項3

熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に少なくとも1面で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料の相次ぐ貼り付けによりスタックを形成する方法であって、該中間材料が請求項1又は2に記載の方法により連続的に貼り付けられる上記方法。

請求項4

前記スタックが、いくつかの一方向強化繊維層を含み、少なくとも2つの一方向強化繊維層が異なった方向に伸びることを特徴とする、請求項3に記載のスタックを形成する方法。

請求項5

前記横断する力がかかるスポットに接する領域を除いて、その厚さの少なくとも50%を超えて、前記一方向繊維層は乾燥している、即ち、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料で含浸されていないことを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法。

請求項6

前記スポットに横断する力をかける操作が、前記中間材料の幅で好ましくは15から3000g/cmの引張力を該中間材料にかけることにより実施されることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか一項に記載の方法。

請求項7

前記スポットに横断する力をかける操作の後、前記中間材料にかかる引張力は、前記一方向繊維の少なくとも部分的再引き締めをもたらし、好ましくは該中間材料の幅で300から2000g/cmであることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記中間材料にかけられる圧力による力が、該中間材料の幅で1cm当たり0.3から8Nであることを特徴とする、請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法。

請求項9

前記中間材料の幅で1cm当たり2から50gの張力が該中間材料にかけられることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか一項に記載の方法。

請求項10

前記移動道筋が前記一方向繊維の方向に平行に伸びることを特徴とする、請求項1から9までのいずれか一項に記載の方法。

請求項11

前記活性化が加熱により実施され、続いて冷却されることを特徴とする、請求項1から10までのいずれか一項に記載の方法。

請求項12

前記スポットに横断する力をかける操作が、針又は一連の針の侵入により実施されることを特徴とする、請求項1から11までのいずれか一項に記載の方法。

請求項13

前記スポットに横断する力をかける操作が、前記中間材料の表面を横断する方向で実施されることを特徴とする、請求項1から12までのいずれか一項に記載の方法。

請求項14

前記スポットに横断する力をかける操作が、1m2当たり40000から250000、好ましくは1m2当たり90000から110000の適用点密度で実施されることを特徴とする、請求項1から13までのいずれか一項に記載の方法。

請求項15

前記スポットに横断する力をかける操作が、横断された層に穿孔を残すことを特徴とする、請求項1から14までのいずれか一項に記載の方法。

請求項16

前記スポットに横断する力をかける操作が、0以上5%以下、好ましくは0から2%、より好ましくは0から1%の開口係数を生じさせることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。

請求項17

前記横断する力が、互い平行に走るラインで配置された適用スポット群でかけられることを特徴とする、請求項1から16までのいずれか一項に記載の方法。

請求項18

前記中間材料がその面の各々で熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に合着した炭素繊維の層で構成されることを特徴とする、請求項1から17までのいずれか一項に記載の方法。

請求項19

前記中間材料の前記一方向強化繊維層が一方向炭素繊維シートであることを特徴とする、請求項1から18までのいずれか一項に記載の方法。

請求項20

前記一方向炭素繊維シートが100から280g/m2の坪量を有することを特徴とする、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記中間材料を形成する前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)が、ポリアミドコポリアミドエーテル又はエステルブロックポリアミド、ポリフタルアミドポリエステルコポリエステル熱可塑性ポリウレタンポリアセタール、C2〜C8ポリオレフィンポリエーテルスルホンポリスルホンポリフェニレンスルホンポリエーテルエーテルケトンポリエーテルケトンケトンフェニレンポリスルフィドポリエーテルイミド熱可塑性ポリイミド液晶ポリマーフェノキシブロックコポリマー、例えばスチレンブタジエンメチルメタクリレートコポリマーブチル−メチルメタクリレートコポリマーのメチルメタクリレートアクリレート、及びそれらの混合物から選択される熱可塑性材料であることを特徴とする、請求項1から20までのいずれか一項に記載の方法。

請求項22

前記中間材料を形成する前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)が、熱可塑性繊維で作製された不織材料であることを特徴とする、請求項1から21までのいずれか一項に記載の方法。

請求項23

前記中間材料を形成する前記不織材料が、0.2から20g/m2の範囲の連量を有することを特徴とする、請求項22に記載の方法。

請求項24

前記中間材料を形成する前記不織材料が、0.5から50ミクロン、好ましくは3から35ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項22又は23に記載の方法。

請求項25

付着中、特に最初の数センチメートルの付着における中間材料の接着を維持するために、スポットにおいて横断する力をかける操作を前もって受けた中間材料の、請求項1から24までのいずれか一項に記載の連続した貼り付け方法における使用。

請求項26

熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料に少なくともその1面で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料であって、該中間材料を形成する該熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)が、該中間材料の全重量の10%より多くを占めることはなく、好ましくは該中間材料の0.5から10%、より好ましくは2から6%を占める上記中間材料であり、該中間材料は、該中間材料の全厚を横断するように実施される、加熱を伴ってスポットを横断する力をかける操作を受けて、該横断する力の適用スポットで該熱可塑性材料の少なくとも部分的な溶融又は該熱硬化性材料の部分的若しくは完全な重合を生じさせ、該熱可塑性材料及び/又は該熱硬化性材料の侵入を生じさせて、該一方向強化繊維層の厚さに、好ましくは該一方向強化繊維層の1つの主面から他の主面に広がる、ブリッジが創り出されていることを特徴とし、かつ、該スポットに横断する力をかける操作が、1m2当たり40000から250000、好ましくは1m2当たり90000から110000の適用点密度で実施されて、開口係数が0から2%、好ましくは0から1%、より好ましくは0%になることを特徴とする上記中間材料。

請求項27

前記横断する力をかけるスポットに接する領域を除いて、その厚さの少なくとも50%を超えて、前記一方向繊維層は乾燥している、即ち熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料で含浸されていないことを特徴とする、請求項26に記載の中間材料。

請求項28

その面の各々で熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に合着した炭素繊維層で構成されることを特徴とする、請求項26又は27に記載の中間材料。

請求項29

前記中間材料中に存在する一方向強化繊維層が一方向炭素繊維シートであることを特徴とする、請求項26から28までのいずれか一項に記載の中間材料。

請求項30

前記一方向炭素繊維シートが100から280g/m2の坪量を有することを特徴とする、請求項29に記載の中間材料。

請求項31

前記中間材料を形成する前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)が、ポリアミド、コポリアミド、エーテル又はエステルブロックポリアミド、ポリフタルアミド、ポリエステル、コポリエステル、熱可塑性ポリウレタン、ポリアセタール、C2〜C8ポリオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、フェニレンポリスルフィド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー、フェノキシ、ブロックコポリマー、例えばスチレン−ブタジエン−メチルメタクリレートコポリマー、ブチル−メチルメタクリレートコポリマーのメチルメタクリレート−アクリレート、及びそれらの混合物から選択される熱可塑性材料であることを特徴とする、請求項26から30までのいずれか一項に記載の中間材料。

請求項32

前記中間材料を形成する前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)が、熱可塑性繊維で作製された不織材料であることを特徴とする、請求項26から31までのいずれか一項に記載の中間材料。

請求項33

前記中間材料を形成する前記不織材料(単数又は複数)が、0.2から20g/m2の範囲の連量を有することを特徴とする、請求項32に記載の中間材料。

請求項34

前記中間材料を形成する前記不織材料(単数又は複数)が、0.5から50ミクロン、好ましくは3から35ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項32又は33に記載の中間材料。

請求項35

複合体部品製作する方法であって、請求項3から24までのいずれか一項に記載の方法を使用して、各々熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料又は熱可塑性及び熱硬化性材料の混合物の層にその少なくとも1面で合着した強化繊維層で構成される中間材料の相次ぐ貼り付けによりスタックを形成するステップ、それに続く該スタックの内側における熱硬化性樹脂熱可塑性樹脂又はそのような樹脂の混合物の注入又は射出による拡散のステップ、それに続く所定の圧力−温度サイクルに続く重合/網状化のステップによる所望の部品硬化するステップ、並びに冷却ステップを含む上記方法。

請求項36

熱硬化性樹脂がスタックの内側において拡散し、該樹脂は、エポキシド不飽和ポリエステルビニルエステルフェノール樹脂ポリイミドビスマレイミドフェノール−ホルムアルデヒド樹脂尿素ホルムアルデヒド、1,3,5−トリアジン−2,4,6−トリアミンベンゾオキサジンシアナートエステル、及びそれらの混合物から選択されることを特徴とする、請求項35に記載の方法。

請求項37

拡散、硬化及び冷却ステップが、開放型中で実施されることを特徴とする、請求項35又は36に記載の方法。

請求項38

得られた複合体成分が55から70%、特に57から63%の体積繊維比を有することを特徴とする、請求項35、36又は37に記載の方法。

請求項39

前記中間材料が請求項26から34までのいずれか一項に記載のものであることを特徴とする、請求項35から38までのいずれか一項に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、複合体部品を形成するために適当な強化材料の技術分野に関する。より具体的には、本発明は、それらの貼り付け中における材料の層間剥離に対する耐性を改善するための方法及び使用に関する

背景技術

0002

複合体部品又は物品は、即ち、第1に、1種又は複数種補強材又は繊維のシート、第2に、マトリックス(それは、通常、主として熱硬化性タイプのものであり、1種又は複数種の熱可塑性樹脂も含むことができる)を含み、例えば、「直接」法又は「LCM」(液体複合体成形)法と呼ばれる方法により製造することができる。直接法は、1種又は複数種の繊維状補強材が「乾燥した」状態で(即ち最終のマトリックスなしで)使用されるという事実により定義され、樹脂又はマトリックスの、例えば、繊維状の補強材を含む型への射出(樹脂トランスファー成形のための「RTM」法)により、密集した繊維状の補強材を通しての注入(「LRI」法即ち液体樹脂注入法、又は「RFI」法即ち樹脂フィルム注入法)により、又はその他、形成品に連続して貼り付けられる繊維状の補強材の個々の層の各々に対するローラー又はブラシを用いる用手コーティング含浸により、別に実施される。

0003

RTM、LRI又はRFI法のためには、最初に所望の完成した物品の形状の繊維状の予備的形成品又はスタックを製造して、次にこの予備的形成品又はスタックを、マトリックスを形成することを意図される樹脂で含浸することが一般的に必要である。樹脂は所与の温度で差圧により射出又は注入され、次に樹脂の必要量全部が予備的形成品中に含有されたら、全体をさらに高い温度に上げて、重合網状化サイクルを実施し、このようにしてその硬化に至らせる。

0004

自動車航空機又は艦船産業において使用される複合体部品は、特に機械的性質に関して非常に厳格な要求を特に受ける。燃料節減するために、航空機産業は、多くの金属材料をより軽い複合体材料によって置き換えて来た。

0005

部品の製造中に一方向強化シートに特に注入又は射出により後で加えられる樹脂は、例えば、エポキシタイプ熱硬化性樹脂であってもよい。炭素繊維の異なった層のスタックで構成される予備的形成品を通る適当な流動を可能にするために、この樹脂は、通常非常に流動性であり、注入/射出温度において、例えば50から200mPa・sのオーダーの粘度を有する。このタイプの樹脂の主要な欠点は、重合/網状化後脆弱性であり、そのことは製造された複合体部品の耐衝撃性が劣る原因となる。

0006

この問題を解決するために、先行技術の文献において、一方向炭素繊維層を、中間のポリマー層、特に熱可塑性繊維で作製された不織材料と組み合わせることが提案された。そのような解決策は、とりわけ、特許出願又は特許EP1125728、US6,828,016、WO00/58083、WO2007/015706、WO2006/121961及びUS6,503,856に記載されている。このポリマーの中間層、例えば不織材料などの添加により、構造物の耐衝撃性を特徴づけるために一般的に使用される試験である衝撃後圧縮CAI)試験における機械的性質を改善することが可能になる。

0007

本出願人も、先の特許出願WO2010/046609及びWO2010/061114において、その面の各々の不織熱可塑性繊維材料(不織材料としても知られる)との接着により結合された特に炭素で作製された一方向繊維シートからなる特定の中間材料、並びにこれらの材料を製作する方法を提案した。

0008

上記のような中間材料を、特に覆われたテープの形態で使用する場合に、本出願人は、覆われたテープの自動化されたレイアップ(lay−up)で、覆われたテープは、圧力と加熱の作用の組合せとそれに続く冷却(如何なる特定のカロリー抜き取り作用もなく、「天然」プロセスを使用することにより可能である)により先にできている重ね層(ply)にボンディングすることを観察した。次に該テープは、先にできた重ね層にその下面によりボンディングして、この機械ボンドは、テープがレイアップされる間、剪断応力かけられた。応力は、(レイアップ張力)/(ボンド長)に比例する強度である。レイアップ張力は通常一定と考えられ、結果は、剪断応力は、レイアップの最初の数センチメートルで高く、レイアップされたテープの長さと共に減少するということである。剪断応力は、テープの厚さ全体にわたって分布し、レイアップ張力が高すぎると、乾燥した強化繊維で構成されるその中央領域におけるテープの層間剥離が、幾つかの場合に本出願人により、レイアップの最初の数センチメートルにおいて観察された。実際、本出願人は、その面の少なくとも1つで熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に合着した一方向繊維テープを含むそのような材料において、優先的な機械的ボンドが、テープ上のそれらの主面に位置するフィラメントと熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の間で確立されるが、それに対して、フィラメントのみで構成されたテープの中央領域は、剪断強度がより低い領域であることを観察した。

0009

それらの主面の各々で熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に合着した材料の場合に、レイアップされるべき材料の幅に応じて、材料をレイアップするために小さいか又は大きいローラータイプのレイアップ部材が使用される場合にも、この現象は目立ち得る。この場合、材料のボンディングの最初の僅か数ミリメートルで、又はさらに数センチメートルで、ローラーと接触する面は、ローラーと接着する傾向があり、そのことも、材料の他の面が、材料がその上に置かれた支持体又は先にできた重ね層であり得る表面に次にボンディングする場合に、材料の層間剥離を加速し得る。

発明が解決しようとする課題

0010

この関係において、本発明の目的は、幾つかの場合に、例えば、特許出願WO2010/046609及びWO2010/061114に記載された、覆われたテープなどについて、特にスタックの製造において実施される、熱可塑性材料若しくは熱硬化性材料又は熱可塑性材料と熱硬化性材料の混合物の層に少なくともその1面で合着した強化繊維の層で構成される中間材料の貼り付け中に観察され得る層間剥離問題を改善することである。これを行うために、本発明は、先行するステップを実施して付着(レイアップ)中に使用される中間材料の完全性を維持することを可能にする新規付着方法を提案する。

課題を解決するための手段

0011

本発明は、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に少なくともその1面で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料を付着表面に連続的に貼り付ける方法に関し、中間材料を形成する熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)は、中間材料の全重量の10%より多くを占めることはなく、好ましくは中間材料の全重量の0.5から10%、より好ましくは2から6%を占め、該方法において、
上記中間材料は、その貼り付けに先立って、中間材料の全厚横断するように実施される、加熱を伴ってスポットを横断する力をかける操作を受けて、横断する力をかけるスポットで熱可塑性材料の少なくとも部分的溶融又は熱硬化性材料の部分的若しくは完全な重合を生じさせ、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の侵入を生じさせて、一方向強化繊維層の厚さで、好ましくは、一方向強化繊維層の1つの主面から他の主面に広がる結合ブリッジを創り出しており、
中間材料は、中間材料への張力及び圧力を同時にかけられて、中間材料を付着表面に貼り付けるように、所与の移動道筋に沿って連続的に貼り付けられ、付着は、中間材料の1面を、レイアップされる過程において、付着表面にある熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に貼り付けることにより、及び/又は中間材料を、レイアップされる過程において、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料を担持する付着表面に貼り付けることにより、及びレイアップされた中間材料と付着表面の間の結合を確実にするように、中間材料と付着表面の間の界面に存在する熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料を活性化することにより実施される。

0012

本発明の関係で、付着操作の前に、中間材料は、接着を強化するように、中間材料の厚さでスポットにおいて横断する力をかける操作を受ける。そのとき、中間材料の完全性は、その付着中、それが受ける剪断応力にもかかわらず、よりよく維持される。

0013

本発明は、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に少なくともその1面で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料の相次ぐ貼り付けによりスタックを形成する方法にも関し、該方法において、中間材料は、本発明の連続した方法により貼り付けられる。製造されたスタックは、いくつかの一方向強化繊維層を含み、少なくとも2つの一方向強化繊維層は異なった方向に広がる。

0014

本発明の他の主題は、スポットにおいて横断する力をかけて、その付着中における、特に付着の最初の数センチメートルにおける材料の接着を維持する操作を前もって受けた中間材料の、本発明による連続した貼り付け方法における使用である。

0015

本発明の他の主題は、複合体部品を製作する方法であって、本発明の関係で定義された方法による、各々、熱可塑性材料又は熱硬化性材料の層にその少なくとも1面で合着した強化繊維の層で構成される中間材料の相次ぐ貼り付けによるスタックの形成のステップ、それに続くスタックの内側における熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又はそのような樹脂の混合物の注入又は射出による拡散のステップ、それに続く所望の部品の統合のステップ、それに続く所定の圧力−温度サイクルによる重合/網状化のステップ、及び冷却ステップを含む上記方法である。

0016

本発明は、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料にその少なくとも1面で合着した一方向強化繊維層で構成される中間材料にも関し、中間材料を形成する熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)は、中間材料の全質量の10%より多くを占めることはなく、好ましくは0.5から10%、より好ましくは中間材料の全質量の2から6%を占め、中間材料の全厚を横断するように実施され、加熱を伴う、スポットにおいて横断する力をかける操作を受け、該操作は、横断する力をかけるスポットにおける熱可塑性材料の少なくとも部分的溶融又は熱硬化性材料の部分的若しくは完全な重合を生じさせ、及び熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の侵入を生じさせ、一方向強化繊維層の厚さで、好ましくは、一方向強化繊維層の1つの主面から他の主面に広がる橋を創り出す。スポットにおいて横断する力をかける(適用する)操作は、1m2当たり40000から250000、好ましくは1m2当たり90000から110000の適用点密度で実施され、得られた中間材料は、0から2%、好ましくは0から1%、より好ましくは0%の開口係数(opening factor)を有することが有利である。特に、そのような中間材料は、0から2%、好ましくは0%の開口係数を有することができ、1m2当たり90000から110000の適用点密度で得られた。

0017

以下の記載は、添付図を参照して、本発明をさらによく理解することを可能にして、本発明の対象を形成する方法及び使用に無差別に適用可能な実施の種々の変形法を詳述する。

図面の簡単な説明

0018

本発明の関係で使用することができる中間材料の貼り付けの様式を例示する模式図である。
本発明の関係で使用することができる中間材料の貼り付けの様式を例示する模式図である。
中間材料に、その付着の開始時にかけられる力を図式的に表す。
本発明の関係で使用することができる中間材料の貼り付けの他の様式を例示する模式図である。
テープ形態で現れる中間材料の相次ぐ貼り付けを例示する模式図である。
テープ形態で現れる中間材料の相次ぐ貼り付けを例示する模式図である。
テープ形態で現れる中間材料の相次ぐ貼り付けを例示する模式図である。
横断する力、侵入又は穿孔がはたらく一連の適用点の模式図である。
本発明の関係で使用することができる穿孔された中間材料の全体写真である。
図6Aで示した材料の穿孔の効果の詳細な図を示す顕微鏡視野に対応する写真である。
異なった特徴を有する、本発明の関係で使用することができる他の穿孔された中間材料の写真である(OF)。
図6Cに示した材料の穿孔の効果の詳細な図を示す顕微鏡の視野に対応する写真である。
図6Cに示した中間材料から60%の繊維体積比でRTM6樹脂(Hexcel Corporation(いずれかの国における登録商標)から)の注入により製造された層化された材料の厚さで切られた顕微鏡像を示す図である。
スポットに横断する力をかけるためのデバイスを図式的に表す図である。
本発明の関係で使用される中間材料の層間剥離に対する耐性を、前記中間材料に、穿孔操作中にかかる張力の関数として検討する図である。
一方向炭素繊維シート坪量(grammage)の異なった場合に、得られた層間剥離に対する耐性を、中間材料に適用された微小な穿孔の密度の関数として検討する図である。
種々の中間材料について得られた層間剥離に対する耐性の結果をベール及び使用された一方向炭素繊維シートの坪量の関数として示す図である。
得られた層間剥離に対する耐性の結果を、ベールの連量(basis weight)の関数として示す図である。

0019

本発明は、付着表面に貼り付けるように中間材料に対して張力及び圧力を同時にかける所与の移動道筋に沿った中間材料の連続した貼り付けを使用し、レイアップは、熱可塑性材料及び/若しくは熱硬化性材料の層に対応する中間材料の1面を、レイアップされる過程において、付着表面に貼り付けることにより実施され、並びに/又は中間材料を、レイアップされる過程において、熱可塑性材料及び/若しくは熱硬化性材料を担持する付着表面に貼り付けることにより、及びレイアップされた中間材料と付着表面の間の結合を確実にするように、付着領域で、中間材料と付着表面の間の界面を活性化することにより実施される。

0020

図1Aは、その面の11と名付けられる単一面に合着した一方向繊維層2で構成される中間材料1の、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層3に対する貼り付けを例示する。中間材料は、一方向繊維層2に対応するその面12が、付着表面4に対して貼り付けられるように貼り付けられる。この場合、付着表面4は、それ自体、活性化されて中間材料との結合を確実にする熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層5で構成される。活性化は、中間材料がレイアップされるときに、図に示していない適当な手段により確実にされる。

0021

通常、中間材料は、張力及び圧力を中間材料に同時にかけながら所与の移動道筋に沿って、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に対応する中間材料の面を、レイアップされる過程において、付着表面に貼り付けるように、及びレイアップされた中間材料と付着表面の間の結合を確実にするように、前記熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層を付着中に活性化することにより、連続的に貼り付けられる。中間材料が、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層3を付着表面4に対して貼り付けるように、貼り付けられるそのような1つの可能性を図1Bに示す。

0022

筋書きがどうであれ、中間材料と付着表面の間の接触が達せられる前に、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層を粘着性にして結合を確実にするように、活性化が付着領域で又はその近辺で行われる。

0023

本発明の関係では、従来、複合体部品の形成は、スタックの製造又は中間材料の予備的形成品の製造を含む。各中間材料は、熱可塑性材料若しくは熱硬化性材料又は熱可塑性材料と熱硬化性材料の混合物の層にその少なくとも1面で合着した強化繊維の層を含む。所望のスタックを形成するために、各中間材料は、スタックを製造するために必要とされる中間材料(単数又は複数)の第1層の貼り付け適用の場合には支持体要素の、又は前もって貼り付けられた中間材料のいずれであってよい表面に貼り付けられる。各中間材料の貼り付けは、熱可塑性材料若しくは熱硬化性材料又は熱可塑性材料と熱硬化性材料の混合物の少なくとも1層が、付着表面に貼り付けられて、中間材料が貼り付けられる表面との結合を確実にするようにその付着中に活性化されるように、好ましくは実施される。そのような付着により、選択されたポリマー材料適合性の任意のタイプの糊付け表面に貼り付けられ得る第1の重ね層の貼り付けが容易になる。それに加えて、熱可塑性材料若しくは熱硬化性材料又は熱可塑性材料と熱硬化性材料の混合物の少なくとも1層が、このように、一方が他方の上に貼り付けられた2つの中間材料の界面に存在してそれら相互の結合を確実にする。

0024

本発明の関係において、中間材料の貼り付けは、それを付着表面に貼り付けるように後者に圧力をかけて連続的に実施される。この圧力から生ずる力は、例えば、中間材料の幅1cm当たり0.3から8Nであってよい。適切な貼り付けを確実にするために、中間材料はその付着中に引っ張られる。これを行うために、それは一方向繊維の方向に平行に引っ張られる。特に、中間材料の幅1cm当たり特に2から50gの張力を、特に中間材料にかけることができる。その結果は、図2に図式的に示したように、付着の最初の数センチメートルで、中間材料1は、付着表面4へのその結合に基づいて1方向に引っ張られ、且つ後者にかかる張力に基づいて反対方向に引っ張られるという事実に基づく剪断応力を受けることである。

0025

レイアップ部材は、貼り付けられる中間材料の幅によって大きいローラー、ローラー又は小さいローラータイプの回転するデバイスであることが有利である。このレイアップ部材は、材料の付着中に材料を移動及び供給するためのデバイスと連結されている。中間材料の付着は、このように、制御デバイスを使用して自動化された様式で実施することができる

0026

図3は、中間材料1が貼り付けられる付着表面4に、好ましくは実質的に垂直に圧力をかけることによりレイアップされるときに、中間材料1の移動が確実にされる他の実施形態を例示する。レイアップ部材は、付着表面4に圧力がかかるように圧力を材料1にかけるローラー6で構成される。図3に例示した例において、中間材料は、その面の各々で熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層20及び30と合着した一方向シート10で構成される。そのような対称的中間材料の取り扱いは、全ての場合に熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の2層が界面に存在し、且つ材料をその面のいずれか一方に貼り付けることができれば、より容易である。レイアップされる過程において、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層は、中間材料の界面に位置し、それが貼り付けられる表面は、付着が実施されるときに、図3で参照番号7により表される任意の適当な手段、例えば、加熱デバイス、特に赤外線熱ガス管又はレーザにより活性化され、中間材料の付着領域の方向に向けられる。500W及び965nmと980nmの間の波長レーザダイオードの使用により、1m/秒の速度で50mmの幅にわたって中間材料をレイアップすることが可能になることが特に示された。パワーを上げると、この速度をさらに上げるか又は幅を広くすることが可能になる。上記活性化は、活性化されるべきポリマー層を、熱可塑性材料の場合には少なくとも部分的溶融させることにより、熱硬化性材料の場合には重合を開始させることにより、軟化することを可能にする。

0027

追加の吸熱を受けずに自然に起こり得る冷却の後、材料の付着表面への結合は、このように確実になる。中間材料が付着する道筋は、真っ直ぐであっても曲がっていてもよい。一方向繊維は付着する道筋を経て進む。

0028

図4Aから4Cは、中間材料の異なったストリップ100が、平行な付着の道筋に沿って層2001から200nを形成するように、1つが他の前にレイアップされる実施形態を例示する。図4Aに例示したように、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料を活性化するためのデバイス300は、レイアップ部材400と、それらが一緒に移動できるように、単一の成分を形成する。レイアップ部材400は、道筋の端部で切断部材(示していない)を使用して切断される種々のストリップ100を付着させるために動かされる。層が全体的に貼り付けられる場合、第1層2001の場合、それに続く層を先行する層と異なった付着の道筋に沿って形成しなければならない次の中間材料の異なったストリップをレイアップするように、レイアップ部材の向きは図4Bに示したように改変される。図4Cは、第2層2002の付着を示す。1つの層及び同じ層を形成する中間材料のストリップ100は、隣り合ってストリップ間の隙間なしでレイアップされ、それらの表面領域の100%にわたって接着される。このようにして前記多軸材料を製造することが可能である。図4Aから4Cに例示した付着方法は、3mmと300mmの間の幅の中間材料の貼り付けに特に適し、幅の変動は小さく、幅の標準偏差は典型的には0.25mm未満である。

0029

本発明の関係において、中間材料は、レイアップ操作中にかかる剪断力にもかかわらず、中間材料のよりよい接着を保証するように、剪断応力の適用を生じさせる、ある圧力及びある張力を受けるその連続した貼り付けの前に調製される。この調製は、中間材料の全厚を横断するような方法で中間材料にスポットを横断する力をかける操作を行うことに存する。スポットを横断する力のこの点的適用は、加熱が伴い、横断する力の適用スポットにおける熱可塑性材料の少なくとも部分的溶融又は熱硬化性材料の部分的な若しくは完全な重合をもたらし、一方向強化繊維層の厚さに結合ブリッジを創り出す。好ましくは、これらの結合ブリッジは、一方向強化繊維層の2つの主面間で確立される。

0030

本発明は、一方向の層の厚さの少なくとも一部分にわたって、一方向強化繊維が乾燥しており、即ち熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料で含浸されておらず、従って層間剥離をより起こしやすい中間材料の貼り付けに適合する。しかしながら、一方向シートと合着した熱可塑性及び/又は熱硬化性層(単数又は複数)は、一般的に加熱圧縮により実施される付着時にシートの中に少し侵入した可能性があり、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の2層を含む材料の場合には中央部分、又は熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料のただ1層のみを含む材料の場合には、一方向繊維層の厚さの一般的に少なくとも50%に対応する熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層に向かい合う部品は、含浸されないままであり、従って乾燥と分類される。侵入操作は、熱可塑性材料又は熱硬化性材料を加熱しながら横断する力をかけるスポットにおいて、後者が軟化されて一方向繊維層に延伸され得るように、中間材料の全厚を横断することに存する。冷却されたら、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料は、一方向繊維層の厚さで、その接着を強化する結合ブリッジを創る。そのような操作の後、横断する力をかけるスポットに接する領域を例外として、その厚さの少なくとも50%にわたって、一方向繊維層は乾燥しており、即ち熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料で含浸されていない。

0031

本発明の関係で、スポットの横断する力をかける操作は、異なった適用点又は侵入点における侵入の操作に対応する。記載の残部において、用語「横断する力のスポット適用の操作」又は「異なった侵入点における侵入の操作」は、中間材料を、少なくともその厚さの一部分にわたって横断することに存するそのようなステップを区別なく記載するために使用される。スポットの横断する力をかける操作は、好ましくは、横断する力の配向を適当に制御することを可能にする針又は一連の針の侵入を使用して実施される。中間材料に実施されるスポットにおける横断する力をかける操作には、横断する力をかけるスポットにおいて、熱可塑性材料の少なくとも部分的溶融及び/又は熱硬化性材料の軟化をもたらす加熱が伴わなければならい。これを行うために、例えば、それ自体加熱されている侵入する部材が使用されることになる。しかしながら、そのような操作は、熱ガスの噴射を使用して容易に実施することができる。これは好ましくないが、侵入操作に先立つ熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層の加熱も考えることができる。

0032

スポットにおける横断する力をかける操作は、引張力を中間材料にかけることにより実施するのが有利である。最初に、通常それが供給されるとき、侵入操作中に、選択された侵入手段又は部材の導入を可能にするように、特に幅1cm当たり15から3000gの十分な張力が中間材料にかけられる。中間材料への引張力は、スポットに横断する力をかける操作の後に、一方向繊維の少なくとも部分的な再引き締めをもたらすように選択されることが有利である。特に、そのような中間材料の貼り付けにより、後で得られる部品の機械的性質への悪影響を避けるために、可能な最低の開口係数を得る努力が為されるであろう。可能な最低の開口係数を得るために、侵入操作は、侵入部材又は手段により創られた開口部が侵入部材又は手段が引き上げられた後に再び閉鎖され得るように、中間材料に張力をかけることにより実施される。特に、幅1cm当たり300から2000gの張力が、そのような再引き締めを得るために中間材料にかけられる。

0033

言うまでもなく、侵入操作のために使用される部材又は手段は、それだけ外へ出るか又は戻ることのいずれかによって、問題の中間材料を横断した後に引き上げられる。従って、この引き上げは、繊維の再引き締めを可能にするために、好ましくは、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の冷却前に行われる。従って、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料をその設定点に冷却するための時間は、それらにかけられる高い張力下において繊維が再び引き締まり、又はさらに完全に再配列するために要する時間より長いであろう。

0034

この侵入操作の結果又は終点は、先に記載した付着ステップに従って中間材料を付着させる間に、主要な剪断力を受ける特に付着の最初の数センチメートルの間に起こり得る層間剥離のリスクを最小化することである。

0035

好ましくは、侵入操作は、横断される中間材料の表面に向かう横断方向で実施される。

0036

1m2当たり40000から250000、好ましくは1m2当たり90000から110000の侵入点密度で、層間剥離に対する耐性に関して特に満足な結果を得ることが可能になることが観察された。侵入操作は、横断された中間材料に穿孔を残すことも残さないこともできる。侵入操作により創られた開口部は、円形の又は大きく若しくは小さく伸びた断面を、横断された中間材料の平面に目又は細長い溝の形態で通常有する。生じた穿孔は、横断された表面に平行に測定して、例えば、比較的大きいサイズであり、10mmまでに達し、幅は300μmまでである。

0037

有利なことに、スポットで横断する力をかける操作は、後で得られる複合体部品の機械的性質に対する可能な限り小さな影響しか有しないように、0以上5%以下、好ましくは0から2%、より好ましくは0から1%の開口係数をもたらす。開口係数は、材料により覆われていない表面領域の観察された全表面領域に対する比として定義することができ、その観察は、下から照らした材料の上から行うことができる。それは、例えば、特許出願WO2011/086266に記載された方法を使用して測定することができる。開口係数はゼロであることも可能で、それは層間剥離が大いに改善された材料に相当する。

0038

加熱は、最初は中間材料の表面にのみ存在する熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の軟化、及び一方向繊維層中へのその侵入を可能にするように、侵入手段又はその周囲で実施される。加熱抵抗器は、例えば、針タイプの侵入手段中に直接組み込むことができる。熱可塑性材料の溶融又は熱硬化性材料の場合における部分的若しくは完全な重合は、このようにして侵入手段の周囲で起こり、それは、冷却後、一方向繊維層の間における結合ブリッジの創出をもたらす。好ましくは、加熱手段は、侵入手段自体が加熱されるように、侵入手段中に直接組み込まれる。

0039

侵入中に、侵入手段の周囲に局在化された加熱を行うために、中間材料は、侵入手段の周囲で局所的に次に加熱することができる表面に接することができるが、又は他の方法として、反対に、それが接触するであろう熱可塑性材料又は熱硬化性材料の層又はそれら二者の混合物の軟化を避けるように、完全に分離することもできる。図7は、選択された侵入ライン及び間隔に従って整列した針700のアセンブリーを備えた加熱/侵入デバイス600を示す。

0040

侵入点は、好ましくは、例えば、平行なラインのネットワークを形成するように配置されて、従って、ラインの2つのシリーズS1及びS2で有利に配置され、その結果、
各シリーズS1及びS2において、ラインは互いに平行であり、
シリーズS1のラインは、一方向繊維シートの方向Aに垂直であり、
2つのシリーズS1とS2のラインは交差して、一緒に90°と異なった角度αを、特に50から85°のオーダーで形成し、その角度は図5で例示した例においては約60°である。

0041

そのような配置を図5に例示する。侵入点500において、針などの部材の侵入は、侵入点において一方向繊維は互いから分かれて広がるという事実に基づいて、孔の形成ではなくて、図6A及び6Cに示した寧ろ細長い溝を生じさせ得ることを考慮すれば、細長い溝はこのように互いに埋め合わせる。これで、一緒に非常に接近している2つの細長い溝が合わさるので、大きすぎる開口部ができることが回避される。

0042

図6Aは、Protechnic(いずれかの国における登録商標)(Cernay、フランス)からのいずれかの面で熱圧縮された1R8D03ベールを備えたHexcel Corporation(いずれかの国における登録商標)からの140g/m2のIMA 12K炭素繊維の一方向シートで構成された中間材料を示す。この中間材料は、6.35mmの幅及び1.6%の開口係数(標準偏差0.5%)を有する。これは315g/cmの張力で一連の熱針による侵入により製造された。

0043

図6Bは、図6Aに示した材料の穿孔された領域の拡大図を示す。

0044

図6Cは、Protechnic(いずれかの国における登録商標)(Cernay、フランス)からのいずれかの面で熱圧縮された1R8D06ベールを備えたHexcel Corporation(いずれかの国における登録商標)からの210g/m2のIMA 12K繊維の、0.5%(標準偏差0.3%)の開口係数を有する幅6.35mmの中間材料を示す。これは315g/cmの張力で一連の熱針による侵入により製造された。

0045

図6Dは、図6Cに示した材料の穿孔された領域の拡大図を示す。

0046

図6Eは、図6Cに示した中間材料からRTM6樹脂(Hexcel Corporation(いずれかの国における登録商標)から)の注入により60%の繊維体積比で製造された層化された材料の厚さの切り口の顕微鏡像を示す。この顕微鏡像は、中間材料を通す加熱された針の侵入の操作により中間材料の表面におけるポリマーの内側への移動が起こり、従ってその層間剥離に対する耐性が向上するという事実を際立たせる。

0047

強化糸及びベールの連量は、穿孔中に強化糸の1つの及び同じ張力で得られた開口係数に影響を有すると思われる。210g/m2のシートは、140g/m2のシートより高い坪量のベールを使用しても、より少ない開口係数を有する。張力下におけるフィラメントの転位の現象は、厚い材料ほど容易に起こる。特許出願WO2010/046609に、一方向炭素繊維シートで構成された、各面で熱可塑性繊維の不織材料に合着した前もって侵入/穿孔操作を受けた中間材料が記載されている。本発明の関係で使用することができる中間材料を詳細に記載しているので、読者は、詳細についてはこの特許出願を参照することができる。しかしながら、この特許出願においては、侵入又は穿孔操作が、複合体部品の製作中におけるスタックの透過率を改善するために実施されたことは強調されるべきである。本発明の関係で、そのような操作は、それらの付着中の中間材料の接着を改善するために使用され、それは、中間材料の漸進的な付着及び漸進的な結合を使用して、一方向繊維の間の結合ブリッジを形成する。そのような改善は、以下の実施例で強調される。

0048

本発明の関係においては、どのような変形の実施であっても、スポットの横断する力をかける操作は、好ましくは自動化された、及び特に一連の針、ピン又はその他を使用する適当な侵入手段により実施される。針の直径(尖端の後の通常の部分で)は、特に0.8から2.4mmである。適用点は、通常5から2mmの間隙をおいて離れている。

0049

侵入操作は、次にレイアップされる、又はさらにスタックされて複合体部品の製造に必要とされるスタックを形成する中間材料に対して実施される。次に侵入点が中間材料のスタッキング中に重層される必要はない。好ましくは、製造されたスタックは、侵入操作を受けた本発明の関係で定義された中間材料のみで構成される。

0050

本発明に関係する好ましい実施形態によれば、熱可塑性材料又は熱硬化性材料又はそれら二者の混合物の層にその少なくとも1面で合着した一方向炭素繊維強化材料で構成された中間材料の重層により、スタックを製造することが可能である。そのような中間材料は、その面の単一面で、又はその面の各々で熱可塑性材料又は熱硬化性材料又はそれら二者の混合物の層に合着した一方向炭素繊維シートで構成することができる。そのような中間材料は適当に接着されており、熱可塑性材料又は熱硬化性材料又はそれら二者の混合物の層(単数又は複数)は、好ましくは層の熱可塑性又は熱硬化性の性質に基づいて加熱圧縮により強化材料と前もって合着している。

0051

本発明の関係で製造されたスタックは、中間材料の多数の、一般的には少なくとも4層及びある場合には100を超える、又はさらに200を超える層を含むことができる。中間材料(単数又は複数)の各層は、単一の幅の中間材料、又は中間材料と共に又は中間材料なしで製造された平行する貼り付け物のいずれかで構成することができる。スタックは、好ましくは、本発明の関係で定義された中間材料のみで、全て同一の中間材料の有利な実施形態によって構成される。

0052

本発明の関係で貼り付けられ、従って、スタックを創るために使用された中間材料を形成する強化繊維は、例えば、ガラス繊維、炭素、アラミド、又はセラミックスであり、炭素繊維が特に好ましい。

0053

従来、この分野において、用語「一方向強化繊維シート又は層」は、1つの及び同じ方向に沿って互いに実質的に平行に伸びるように貼り付けられた強化繊維のみで又は殆どそれのみで構成されたシートを意味すると理解されている。特に、本発明の特定の実施形態によれば、一方向シートは、強化繊維を織り交ぜる如何なる横糸も、又は熱可塑性材料又は熱硬化性材料又はそれら二者の混合物の層と合着する前に一方向シートに接着する目的を有し得る如何なる縫製も含まない。これにより、特に、一方向シートにおける如何なる波状起伏も避けることが可能になる。

0054

一方向シートにおいて、強化糸は、ポリマー結合剤と好ましくは合着しておらず、従って乾燥していると称され、即ちそれらは、熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層との合着前には、如何なるポリマー結合剤にも含浸されず被覆されず合着もされない。しかしながら、強化繊維は、それらの重量の最大で2重量%を占めることができる標準的糊付け濃度により通常特徴づけられる。これは、当業者に周知の直接法を使用する樹脂拡散による複合体部品の製造に特に適する。

0055

一方向シートの構成繊維は、好ましくは連続繊維である。貼り付けられた中間材料中に存在する一方向の層又はシートは、1種又は複数種の糸で構成することができる。炭素糸は、1組のフィラメントで構成され、一般的には1000から80000本のフィラメント、有利には12000から24000本のフィラメントを含む。本発明の関係で特に好ましい様式においては、1から24K、例えば3K、6K、12K又は24K、好ましくは12K及び24Kの炭素糸が使用される。例えば、一方向シート内に存在する炭素糸は、60から3800tex、好ましくは400から900texの総数を有する。一方向シートは、任意のタイプの炭素糸、例えば、引っ張りモジュラスが220GPaと241GPaの間及び応力破断張力が3450MPaと4830MPaの間の高抵抗(HR)糸、引っ張りモジュラスが290GPaと297GPaの間及び引っ張り破断応力が3450MPaと6200MPaの間の中間モジュラス(IM)糸、及び引っ張りモジュラスが345GPaと448GPaの間及び引っ張り破断応力が3450MPaと5520MPaの間の高モジュラス(HM)糸(「ASMハンドブック」、ISBN0−87170−703−9、ASM International 2001による)で製造することができる。

0056

本発明の関係で、スタックを形成する方法の実施のどのような変形であっても、スタックは、各々一方向強化繊維層を含むいくつかの中間材料で好ましくは構成され、一方向強化繊維層の少なくとも2つは異なった方向に広がる。一方向強化繊維層の全てが、又はそれらの一部のみが、異なった方向を有することができる。他の点では、配向におけるそれらの相違を除けば、一方向強化繊維層は、好ましくは同一の特徴を有するであろう。有利な配向は製造されるべき部品の主要軸と通常0°、+45°又は−45°(+135°と同等)、及び+90°の角度をなす配向である。0°は、スタックを製造するための機械の軸、即ち、スタックを創る間にそれを供給する方向に対応する軸に対応する。部品の最大軸である部品の主要軸は、一般的に0°と同じになる。例えば、重ね層の配向を選ぶことにより準等方性か、対称的か又は配向したスタックを製造することが可能である。準等方性のスタックの例として、45°/0°/135°/90°、又は90°/135°/0°/45°の角度が挙げられる。対称的スタックの例は、0°/90°/0°、又は45°/135°/45°を含む。特に、4つを超える一方向シート、例えば10から300個の一方向シートを含むスタックを製造することができる。これらのシートは、2、3、4、5方向又はさらに多くの異なった方向に配向することができる。

0057

使用される中間材料は、100から280g/m2の坪量を有する一方向炭素繊維シートを含むのが有利である。

0058

本発明の関係で、実施の変形がどのようであっても、使用される中間材料中に存在する熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)は、好ましくは、熱可塑性繊維で作製された不織材料である。これらの可能性は好ましくはないが、熱可塑性材料及び/若しくは熱硬化性材料又はそれら二者の混合物の層又は布帛多孔質フィルムメッシュ、編まれた布帛又は粉末堆積物も使用することができる。用語「熱可塑性材料及び/又は熱硬化性材料の層」は、前記層が、単一の熱可塑性材料又は熱硬化性材料、熱可塑性材料の混合物、熱硬化性材料の混合物又は熱可塑性材料と熱硬化性材料の混合物で構成され得ることを意味する。

0059

「ベール」としても知ることができる用語「不織材料」も、従来、ランダムに配置された連続繊維又は短繊維のアセンブリーを指すと理解されている。これらの不織材料即ちベールは、例えば、乾式法(drylaid)、湿式法(wetlaid)、溶融法(spunlaid)、例えば押出スパンボンド)、ブローン押出(メルトブローン)、又は当業者に周知の溶媒を用いる紡糸静電紡糸フラッシュ紡糸)により製造することができる。特に、不織材料を形成する繊維は、0.5から70μm、好ましくは0.5から20μmの範囲に平均直径を有することができる。不織材料は、短繊維又は、好ましくは、連続繊維で構成することができる。短繊維の不織材料の場合に、該繊維は、例えば、1mmと100mmの間の長さを有することができる。不織材料は、ランダムの及び好ましくは等方性の被覆を提供する。

0060

使用される中間材料中に存在する不織材料の各々が0.2から20g/m2の範囲の連量を有することが有利である。好ましくは、使用される中間材料中に存在する不織材料の各々が、0.5から50ミクロン、好ましくは3から35ミクロンの厚さを有する。これらの不織材料の特徴は、特許出願WO2010/046609に記載された方法を使用して決定することができる。

0061

使用される中間材料中に存在する熱可塑性材料又は熱硬化性材料の層(単数又は複数)、及び特に不織材料は、ポリアミドコポリアミドエーテル又はエステルブロックポリアミド、ポリフタルアミドポリエステルコポリエステル熱可塑性ポリウレタンポリアセタール、C2〜C8ポリオレフィンポリエーテルスルホンポリスルホンポリフェニレンスルホンポリエーテルエーテルケトンポリエーテルケトンケトンフェニレンポリスルフィドポリエーテルイミド熱可塑性ポリイミド液晶ポリマーフェノキシ類、ブロックコポリマー、例えばスチレンブタジエンメチルメタクリレートコポリマーブチル−メチルメタクリレートコポリマーのメチルメタクリレートアクリレート、及びそれらの混合物から選択される熱可塑性材料で好ましくは作製される。

0062

複合体部品の製造のために使用される他のステップは、当業者にとって完全に従来のものである。特に、複合体部品の製造では、その最終のステップとして、スタックの内側における熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又はそのような樹脂の混合物の注入又は射出による拡散のステップ、それに続く所定の圧力−温度サイクルにおける重合/網状化のステップを伴う所望の部品の硬化のステップ、及び冷却ステップが実施される。本発明に関係して記載された実施の全ての変形法にさらに適する特定の実施形態によれば、拡散、硬化及び冷却のステップは開放型中で実施される。

0063

特に、スタックの内側に拡散した樹脂は、スタックを形成する熱可塑性材料の層について前にリストに挙げた熱可塑性樹脂であり、又はエポキシド不飽和ポリエステルビニルエステルフェノール樹脂ポリイミドビスマレイミドフェノール−ホルムアルデヒド樹脂尿素ホルムアルデヒド、1,3,5−トリアジン−2,4,6−トリアミンベンゾオキサジンシアナートエステル、及びそれらの混合物から選択される好ましくは熱硬化性樹脂である。そのような樹脂は、1種又は複数種の当業者に周知の選択された熱硬化性ポリマーと共に使用されるべき硬化剤も含むことができる。

0064

複合体部品の製造において本発明に関係して考えられる主要な用途であるスタックの内側における熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又はそのような樹脂の混合物の注入又は射出による拡散が使用される場合には、製造されたスタックは、この外部樹脂の添加前には、10%を超える熱可塑性材料又は熱硬化性材料を含まない。特に、熱可塑性材料又は熱硬化性材料又はそれら二者の混合物の層(単数又は複数)は、この外部樹脂の添加前には、スタックの全重量の0.5から10%、好ましくはスタックの全重量の2から6%を占める。本発明は、該方法を直接実施するために特に適するが、それはプリプレグタイプの材料で実施する間接的な方法にも適用可能である。

0065

好ましくは、本発明の関係で、スタックは、自動化された様式で作製される。

0066

本発明では、複合体部品の製造のためには、スタックの内側における減圧下、特に大気圧未満、特に1バール未満、好ましくは0.1と1バールの間の圧力下における熱可塑性若しくは熱硬化性樹脂又はそのような樹脂の混合物の注入が使用されることが好ましい。注入は、開放型中で、例えば真空バッグ注入により好ましく実施される。

0067

複合体部品は、熱処理ステップ後に最終的に得られる。特に、複合体部品は、一般的に、これらのポリマーの供給業者によって薦められ、及び当業者に知られる熱処理を実施することにより、問題のポリマーの硬化の従来のサイクルによって得られる。所望の部品の硬化のこのステップは、所定の圧力−温度サイクルによる重合/網状化とそれに続く冷却により実施される。熱硬化性樹脂の場合には、通常、硬化前に樹脂のゲル化のステップがある。該処理サイクル中にかけられる圧力は、減圧注入の場合には低く、RTM型中への射出の場合にはそれより高い。

0068

得られた複合体部品は55から70%、特に57から63%の繊維体積比を有するのが有利であり、それが航空学の分野のための満足な性質に結びつく。複合体部品の体積繊維比(FVR)は、複合体部品の厚さの測定から計算され、下記の方程式から一方向炭素シートの連量及び炭素繊維の性質が知られる。




(式中、eboardはmmによる板の厚さであり、
ρcarbon fibreはg/cm3による炭素繊維の密度であり、
連量UDcarbonはg/m2による)

0069

下の実施例は、本発明を例示するが、決して限定するものではない。

0070

初期材料の説明:
118μmの厚さ及び6g/m2のコポリアミドベール、Protechnic(いずれかの国における登録商標)(Cernay、フランス)により参照番号1R8D06で市販
59μmの厚さ及び3g/m2のコポリアミドベール、Protechnic(いずれかの国における登録商標)(Cernay、フランス)により参照番号1R8D03で市販、
140、210又は280g/m2の連量を得るためにHexcel(いずれかの国における登録商標)からのIMA 12K及び446 tex糸で作製された一方向テープ。

0071

中間材料の調製
ポリアミドベール/一方向炭素繊維シート/ポリアミドベールの組合せに対応する6.35mmの幅の中間材料は、特許出願WO2010/046609の27から30ページに記載された方法に従って製造し加熱によりボンディングした。

0072

図7に例示したデバイスを使用して、図5に示した侵入点の配列で材料に対する侵入操作を実施した。全ての実施した試験において、針を220℃の温度に加熱した。使用した針は、炭窒化チタンで処理された鋼製である。それらは、長さ5.25mmの尖端を有し、尖端は直径1.6mmまで増大して、長さ14mmにわたって1.6mmに等しい一定の直径の標準的部品で終わる直径を有する。

0073

性能試験
試験及びモデル化プロトコル
検体
検体は、長さ200mmの糸から作製し、その2つの反対側の面に50mmの接着テープラミネートした。応力は、牽引装置により接着テープ経由ではたらかせる。検体の長さに平行の方向及び反対の方向の牽引力を検体の面の各々にかけた。従って、応力をかけた全長は、試料全体、即ち200mmにわたる。

0074

試験は、検体の全結合破壊まで一定の速度で実施して、得られた最高引っ張り強度の値を回収した。

0075

以下のパラメータを全ての試験のために設定した。
検体長さ:20cm
接着テープの糊付け長さ:5cm
変形速度:37.5m/s
各場合、少なくとも5検体を試験する。

0076

1.微小穿孔する間に中間材料にかかる張力の効果の検討
微小穿孔する間に中間材料にかかる張力の効果を、坪量中央値(210g/m2)で検討した。得られた結果は、坪量の範囲全体外挿することができる。

0077

中間材料にかかる張力を変化させるためには、微小穿孔装置の上流に置かれた回転部の制動を増大させる。

0078

張力は、ニードルローラーで構成される微小穿孔装置の上流で、ポータブル張力計DTBX500−10及び5000−20タイプを使用して制御する。

0079

得られた結果は図8に示し、中間材料にかけられた張力は、得られた層間剥離に対する耐性に影響を有しないことを示す。それに対して、かけられた張力は、表1に示した結果が示すするように、開口係数に対する効果を有する。

0080

張力の対数目盛りの場合に、張力が開口係数と直線的関係を有することは興味深く注目に値する。

0081

下の項目2から4に示した試験は、張力315g/cmで実施した。

0082

2.穿孔密度の効果
微小穿孔密度の効果を試験するために、密度を2で除した。試験は、1タイプのベール(6g/m2の1R8D06)に対して2通りの坪量210及び280g/m2について実施した。

0083

同等の坪量及びベールタイプについて、2で除した微小穿孔密度(図9中のMP/2)で得られた結果を、微小穿孔なし(図9中のStd)及びあり(9.2孔/cm2に対応する図9中の2で除していない密度MP)で得られた性能と比較する。

0084

結果を図9に示した。層間剥離に対する耐性における明確な向上が穿孔密度の増加と共に観察される。

0085

従って、微小穿孔により層間剥離に対する耐性が改善されること及びこの改善は穿孔密度と共に増大することは明らかである。

0086

3.一方向シート及びベールの坪量の関数としての得られた性能の比較
使用された一方向材料及びベールの坪量の関数として得られた1組の層間剥離に対する耐性の結果を、図10に示す。

0087

検査したどのような場合でも、穿孔された中間材料(MP)を使用すると、穿孔されていない中間材料(Std)と比較して、結果をかなり改善することが可能になり、層間剥離に対する耐性の改良に結びつくことは明らかである。

0088

4.ベールのパーセンテージの効果
ベールの比率は、中間材料中に存在する炭素繊維の重量に対する重量%で表す。

0089

図11に示した得られた結果は、貫通応力の同じパラメータに対して、層間剥離に対する耐性は、ベールの重量パーセントにおける増大と共に向上することを示す。

実施例

0090

5.侵入操作後に得られた開口係数の層化された材料の機械的性質に対する効果
項目1に従ってRTM6エポキシ樹脂(Hexcel Corporation(いずれかの国における登録商標))の中間材料中への射出により製造され、スポットにおいて15g/cmの張力と組み合わされた横断する力の適用を受けて4%の開口係数を有するに至った層化されて材料は、スポットにおいて945g/cmの張力と組み合わされた横断する力の適用を受けて0%の開口係数を有するに至った中間材料から製造された同じ層化された材料より約7%低い統計的にEN2850B標準による0°の圧縮度を生じることが示された。そのような横断する力を受けていない中間材料から製造されて層化された材料は、それでも僅かに優れているが、自動化されたレイアップ中の層間剥離に関して最適化されていない。結果を表2に示す。

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