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技術 長手方向に形状が可変である繊維を有する複合品

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 コーザー,マイケルピー.ウィレンスキー,マークエス.
出願日 2017年5月22日 (3年5ヶ月経過) 出願番号 2017-100624
公開日 2017年10月26日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2017-193715
状態 特許登録済
技術分野 型の被覆による成形、強化プラスチック成形 武器;爆破 強化プラスチック材料
主要キーワード 断面重心 入れ子構成 フィラメントベース 挫屈強度 複合構造内 装着条件 衝撃事象 正立方体
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

弾道性能及び光学性能を改善させた繊維強化複合品の提供。

解決手段

マトリックス18と、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維22とを含み、繊維の一つ一つは、繊維長34と繊維長に沿って変化する繊維形状32を有し、繊維形状32が、繊維が第1の方向に第1の角度でツイストされる第1の変化を含み、更に繊維が第2の方向に第2の角度でツイストされる第2の変化を含む、複合品10。更に繊維の方向が、繊維長に沿って、後退したり、前進したりのツイストをし、後退のツイストが、第1の方向に第1の角度でツイストされる繊維を含み、前進のツイストが、第2の方向に第2の角度でツイストされる繊維を含む、複合品10。

概要

背景

複合構造は、典型的には、繊維を埋め込んで強化したマトリックスから構成される。複合構造は、典型的には、繊維の長さに沿って荷重を伝達するように設計される。一の繊維からの荷重は、マトリックス材を通過することにより、同じ層内の別の繊維に移動するか、又は隣接する層内の繊維に移動する。しかしながら、通常マトリックスは繊維より弱いため、マトリックスを通って一の繊維から別の繊維へ伝達される荷重が大きすぎると、マトリックスが破壊される。マトリックスが破壊されると、複合構造内で繊維が移動可能となる。

複合パネル弾丸による衝撃を受ける弾道事象の間に、繊維がマトリックス内部で移動可能であることは、複合パネルの弾道性能に影響を与えうる。例えば、マトリックス内の繊維が移動であることは、弾丸の貫通に対する複合パネルの耐性に影響を与えうる。透明な複合パネルの場合、マトリックスに対して繊維が移動することは、複合パネルの光学性能にも影響を与えうる。これに関して、弾道事象の間にマトリックスに対して繊維が移動することは、弾丸の衝撃によって光学性能が低下する領域の大きさに影響を与えうる。

したがって、従来技術には、マトリックス内における繊維の移動を制御することにより複合構造の弾道性能及び光学性能を改善した複合構造に対する需要が存在する。

概要

弾道性能及び光学性能を改善させた繊維強化複合品の提供。マトリックス18と、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維22とを含み、繊維の一つ一つは、繊維長34と繊維長に沿って変化する繊維形状32を有し、繊維形状32が、繊維が第1の方向に第1の角度でツイストされる第1の変化を含み、更に繊維が第2の方向に第2の角度でツイストされる第2の変化を含む、複合品10。更に繊維の方向が、繊維長に沿って、後退したり、前進したりのツイストをし、後退のツイストが、第1の方向に第1の角度でツイストされる繊維を含み、前進のツイストが、第2の方向に第2の角度でツイストされる繊維を含む、複合品10。

目的

本発明は、複合品に関連した上記需要に特に対処してそれに応えるものであり、一実施形態において、マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維を有する複合品を提供する

効果

実績

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請求項1

マトリックス(18)と、マトリックス(18)に埋め込まれた複数の繊維(22)であって、各々が、繊維長(34)と、繊維長(34)に沿って変化する繊維形状(32)とを有する繊維(22)とを備える複合品

請求項2

繊維形状(32)が断面積を有し、且つ断面積が繊維長(34)に沿って可変である、請求項1に記載の複合品。

請求項3

繊維形状(32)が断面形状を有し、且つ断面形状が繊維長(34)に沿って可変である、請求項1又は2に記載の複合品。

請求項4

繊維(22)が繊維長(34)に沿って延びる長手軸を有し、繊維形状(32)が断面積を有し、且つ断面積が繊維長(34)に沿った異なる位置において長手軸からずれている、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の複合品。

請求項5

繊維形状(32)が、長軸を有する断面形状を有し、且つ長軸が、繊維長(34)に沿って変化する方向を有している、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の複合品。

請求項6

繊維(22)が横並びの構成に配置されて層(20)を形成しており、層(20)内の繊維(22)の少なくとも一部が、一連の第1の部分と第2の部分とからなっており、且つ繊維(22)の一つの第2の部分が、層(20)内の繊維(22)のうち直接隣接する繊維の第1の部分と少なくとも部分的に入れ子になるように、繊維(22)が構成されている、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の複合品。

請求項7

繊維(22)が、不透明及び光学的に実質的に透明のうちの少なくとも一方であり、且つマトリックス(18)が、不透明及び光学的に実質的に透明のうちの少なくとも一方である、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の複合品。

請求項8

複合品の製造方法であって、各々が繊維長(34)と繊維形状(32)とを有する複数の繊維(22)を準備するステップであって、繊維(22)の少なくとも一つが、繊維長(34)に沿って変化する繊維形状(32)を有するステップと、マトリックス(18)に繊維(22)を埋め込むステップとを含む方法。

請求項9

さらに、繊維長(34)に沿って繊維(22)の断面形状を変化させるステップを含む請求項8に記載の方法。

請求項10

さらに、繊維長(34)に沿って繊維(22)の断面積を変化させるステップを含む請求項8又は9に記載の方法。

請求項11

さらに、繊維(22)の長手軸から繊維(22)の断面形状をずらすステップを含む請求項8ないし10のいずれか一項に記載の方法。

請求項12

さらに、繊維(22)を横並びの構成に構成して層(20)を形成するステップであって、繊維(22)の各々が、第1の部分によって分離された一連の第2の部分を有するステップと、層(20)内の繊維(22)の一つの第2の部分が、層(20)内の繊維(22)のうち直接隣接する繊維の第1の部分と少なくとも部分的に入れ子になるように、繊維(22)を配置するステップとを含む請求項8ないし11のいずれか一項に記載の複合品。

請求項13

ビークルの複合品に荷重掛ける方法であって、マトリックス(18)に埋め込まれた複数の繊維(22)として複合品(10)を準備するステップであって、繊維(22)の各々が、繊維長(34)と、繊維長(34)に沿って変化する繊維形状(32)とを有するステップと、複合品(10)を、静的荷重条件を満たす第1の状態におくステップと、複合品(10)を、動的荷重条件を満たす第2の状態におくステップと、を含む方法。

請求項14

さらに、繊維長(34)に沿って変化する繊維形状(32)により、マトリックス(18)中の亀裂を、ねじれ経路に沿って伝播させるステップを含む請求項13に記載の方法。

請求項15

静的荷重条件が、実質的に移動していないビークルに関連付けられ、且つ動的荷重条件が、移動中のビークルに関連付けられる、請求項13又は14に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、概して複合部品に関し、具体的には、弾道性能及び光学性能を改善させた繊維強化複合品に関する。

背景技術

0002

複合構造は、典型的には、繊維を埋め込んで強化したマトリックスから構成される。複合構造は、典型的には、繊維の長さに沿って荷重を伝達するように設計される。一の繊維からの荷重は、マトリックス材を通過することにより、同じ層内の別の繊維に移動するか、又は隣接する層内の繊維に移動する。しかしながら、通常マトリックスは繊維より弱いため、マトリックスを通って一の繊維から別の繊維へ伝達される荷重が大きすぎると、マトリックスが破壊される。マトリックスが破壊されると、複合構造内で繊維が移動可能となる。

0003

複合パネル弾丸による衝撃を受ける弾道事象の間に、繊維がマトリックス内部で移動可能であることは、複合パネルの弾道性能に影響を与えうる。例えば、マトリックス内の繊維が移動であることは、弾丸の貫通に対する複合パネルの耐性に影響を与えうる。透明な複合パネルの場合、マトリックスに対して繊維が移動することは、複合パネルの光学性能にも影響を与えうる。これに関して、弾道事象の間にマトリックスに対して繊維が移動することは、弾丸の衝撃によって光学性能が低下する領域の大きさに影響を与えうる。

0004

したがって、従来技術には、マトリックス内における繊維の移動を制御することにより複合構造の弾道性能及び光学性能を改善した複合構造に対する需要が存在する。

0005

本発明は、複合品に関連した上記需要に特に対処してそれに応えるものであり、一実施形態において、マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維を有する複合品を提供する。繊維の一つ一つは、繊維長繊維形状を有する。繊維の少なくとも一部の繊維形状は、繊維長に沿って変化しうる。

0006

さらなる実施形態では、複合品の製造方法が開示される。この方法は、各々が繊維長と繊維形状とを有する複数の繊維を提供するステップを含む。方法は、さらに、繊維の少なくとも一部について、繊維長に沿って繊維形状を変えるステップを含む。方法は、加えて、マトリックス中に繊維を埋め込むステップを含む。

0007

さらには、ビークルの複合パネルのような複合品の装着方法が開示される。この方法は、各々が繊維長と、繊維長に沿って変化する繊維形状とを有する複数の繊維がマトリックスに埋め込まれた複合品を提供することを含む。方法は、静的装着条件を満たす第1の状態で複合品を配置することを含みうる。方法は、さらに、動的装着条件を満たす第2の状態で複合品を配置することを含みうる。

0008

有利には、繊維形状の変化により、繊維とマトリックスとの機械的連結が向上する。さらに、繊維形状の変化により、隣接する繊維間の機械的連結が向上する。繊維形状の変化によって提供される機械的連結は、マトリックスに対する繊維の移動を制御する手段となりうる。機械的連結は、直接隣接する繊維のすべり又は移動を制御する手段となりうる。

0009

繊維のすべりを制御することは、繊維の、衝撃事象関与する繊維長の部分を制御する手段となりうる。衝撃事象に関与する繊維の長さを制御することにより、繊維のエネルギー吸収能が向上し、これにより、弾丸による衝撃に対する複合品の弾道性能及び/又は光学性能が向上する。

0010

上述のフィーチャ、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態において独立して達成可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態について、後述の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0011

本発明の上述のフィーチャ及び他のフィーチャは、添付図面からさらに明らかとなる。図面を通して、同様の参照番号は同様の部品を示す。

0012

マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維とを含む一実施形態による複合品の斜視図である。
図1の複合品の分解斜視図であり、繊維からなる複数の層を示している。
図1の複合品の一部の拡大斜視図であり、マトリックス内部の繊維層の構成を示し、さらには繊維の各々の長さに沿った繊維形状の変化を示している。
図3に示す層の一つの上面図であり、繊維長に沿った繊維形状の変化を示している。
図4の繊維の一つの上面図であり、一連の第1の部分と第2の部分とを含む繊維形状の変化を示している。
図5Aから取った繊維の側面図であり、繊維の概ね平坦な断面形状を示している。
図5Aから取った繊維の断面図であり、第1の部分の一つの第1の断面形状を示している。
図5Aから取った繊維の断面図であり、第2の部分の一つの第2の断面形状を示している。
別の実施形態による、繊維中に開口を有する繊維の上面図である。
図6Aから取った繊維の側面図であり、繊維の概ね平坦な断面形状を示している。
図6Aから取った繊維の断面図であり、断面積を有する繊維の第1の断面形状を示している。
図6Aから取った繊維の断面図であり、図6Cの断面積とほぼ同じ総断面積を有する繊維の第2の断面形状を示している。
別の実施形態による、一連の第1の部分と第2の部分とを含む繊維の上面図である。
図7Aから取った繊維の断面図であり、第1の部分の一つの第1の断面形状を示している。
図7Aから取った繊維の断面図であり、第2の部分の一つの第2の断面形状を示している。
別の実施形態による、蛇行形状を有する繊維の上面図である。
図8Aから取った繊維の側面図であり、繊維の概ね平坦な断面形状を示している。
図8Bから取った繊維の断面図であり、繊維の断面重心が繊維の長手軸の一方の側からずれている断面形状を示している。
図8Bから取った繊維の断面図であり、断面重心が図8Cに示す断面重心とは反対の長手軸の側からずれている断面形状を示している。
繊維長に沿って延びる一連の突出部を有する、別の実施形態による繊維の上面図である。
図9Aから取った繊維の側面図であり、繊維の上面及び下面から延びる突出部を示している。
図9Bから取った繊維の断面図であり、突出部の一つの位置における第1の断面形状を示している。
図9Bから取った繊維の断面図であり、突出部間の領域における繊維の第2の断面形状を示している。
繊維長に沿って延びる一連の大きな突出部と小さな突出部を有する、別の実施形態による繊維の上面図である。
図10Aから取った繊維の側面図であり、繊維の上面と下面からそれぞれ延びる大きな突出部と小さな突出部を示している。
図10Bから取った繊維の断面図であり、小さな突出部の一つの位置における断面形状を示している。
図10Bから取った繊維の断面図であり、大きな突出部の一つの位置における断面形状を示している。
別の実施形態による、らせん形状に形成された繊維の上面図である。
図11Aから取った繊維の側面図であり、らせん形状を示している。
さらに別の実施形態による、ツイストを繰り返す形状に形成された繊維の上面図である。
図11Cから取った繊維の側面図であり、ツイストを繰り返す形状を示している。
別の実施形態による、断面形状を直交させた一連の第1の部分と第2の部分とを含む繊維の上面図である。
図12Aから取った繊維の側面図であり、第1の部分と第2の部分とを示している。
図12Bから取った繊維の断面図であり、第1の部分の一つの位置における第1の断面形状を示している。
図12Bから取った繊維の断面図であり、第2の部分の一つの位置における第2の断面形状を示している。
別の実施形態による、第1の材料から形成される繊維コアと、第2の材料から形成される一連の立方体状の第2の部分とを有する繊維の上面図である。
図13Aから取った繊維の側面図であり、一連の立方体状の第2の部分を通る繊維コアを示している。
図13Bから取った繊維の断面図であり、第1の材料から形成される繊維コアを示している。
図13Bから取った繊維の断面図であり、第2の材料から形成される立方体状の第2の部分の一つを示している。
別の実施形態による、第1の材料から形成される繊維コアと、第2の材料から形成される一連の球状の第2の部分とを有する繊維の上面図である。
図14Aから取った繊維の断面図であり、第1の材料から形成される繊維コアを示している。
図14Aから取った繊維の断面図であり、第2の材料から形成される球状の第2の部分の一つを示している。
半周期的に変換する繊維形状を有する繊維の側面図である。
隣接する層の繊維に対して直角に配置された繊維を有する層からなる複合品の一部の斜視図である。
図16の複合品の端面図であり、交互層に含まれる繊維の第2の部分が、隣接する層の第1の部分と概ね整列している様子を示している。
図16の複合品の端面図であり、繊維に垂直力が加わることにより、層内で一方向に向く繊維が隣接する層内で異なる方向(例えば直交方向)に向く繊維と係合する様子を示している。
試験品の側面図であり、試験品の正面に激突する弾丸を示している。
図17の試験品の背面図であり、繊維−マトリックス間の連結、及び/又は繊維−繊維間の連結が比較的小さい場合に、試験品の正面に対する弾丸の衝撃に応答して、繊維が比較的大きな面積にわたって局所的及び全体的に影響を受ける様子を示している。
試験品の背面図であり、図18に示す実施形態に対し、繊維−マトリックス間の連結、及び/又は繊維−繊維間の連結の量を増大させることにより、繊維の局所的及び全体的に影響の面積が縮小する様子を示している。
第1の層、第2の層、及び複合品を含む層系の斜視図である。
図20の層系の分解斜視図である。
複合品の製造方法に含まれうる一又は複数の工程を示すフロー図である。
一又は複数の実施形態による複合品を包含しうる航空機の斜視図である。
複合品の使用法の一実施形態を示すフロー図である。

実施例

0013

ここで、本発明の好適な種々の実施形態を例示することを目的とする図面を参照する。図1は複合品10を示している。複合品10は、マトリックス18と、マトリックス18内部に埋め込まれた複数の繊維22とを含む繊維強化複合パネル14として製作される。有利には、繊維22は、繊維22の長さに沿って変化する繊維形状32を備える。繊維22の繊維長34に沿った繊維形状32の変化は、繊維22とマトリックス18との間の機械的連結(例えば、繊維−マトリックス間の連結)を促進する。繊維22の繊維長34に沿った繊維形状32の変化は、同一層20内において隣接する繊維22間の機械的連結、及び/又は異なる層20内における繊維22間の機械的連結も促進することができる。

0014

繊維−マトリックス間の機械的連結は、マトリックス18に対する繊維22の移動又はすべりを制御する手段を提供する。繊維−繊維間の機械的連結は、繊維−繊維間の移動又はすべりを制御する手段を提供する。繊維22の長さに沿って繊維形状32を変化させることにより、繊維長34の、衝撃事象に関与する部分を制御することができる。有利には、繊維長34に沿って繊維形状32を変化させることにより、複合品10に激突又は進入する弾丸を減速させる能力が向上する。

0015

繊維22とマトリックス18との間のすべりの量は、複合品10に弾丸が入った距離又は深さの関数として、繊維22の破壊を制御する手段にもなりうる。これに関して、本発明は、有利には、各繊維22の、弾丸事象に関与する長さ部分を制御するか、又は選択的に増加させることにより、各繊維22中の引張ひずみを分散させる繊維22の長さを増加させることができるという技術的効果を提供する。繊維22の、弾丸事象に関与する長さ部分を制御する(例えば、増加させる)ことにより、衝撃事象の間に繊維22によって吸収される総エネルギー量を制御する(例えば、増大させる)ことができる。これに関して、繊維22中の引張荷重は、繊維22が最大ひずみ値に達するときの繊維22の早期破損を防ぐ手段として制御可能である。

0016

さらに、繊維長34に沿って繊維形状32を選択的に変化させることにより、繊維が弾道衝撃事象に関与する時間の量を制御する手段として繊維22の相対的な移動を制御することができる。繊維が弾道衝撃事象に関与する時間の量は、弾丸を減速させて繊維22によって吸収されうる弾丸エネルギーの量を増加させるために繊維22が有する時間の量の増加に相関しうる。マトリックス18に対する、及び互いに対する繊維22のすべりを制御することは、さらに、適切な最大ひずみ値及び/又は適切なひずみ速度応答を有する材料から繊維22を形成することにより、影響を受けるか、又は改善する。これについては後述でさらに詳細に説明する。これに関して、繊維22は、繊維22の破壊を防ぐとともに弾丸による複合品10の貫通に抵抗する又は貫通を防止する最大ひずみを有する材料から形成することができる。

0017

図1は、表面12を有する複合品10を示している。複合品10は、パネル表面16と、マトリックス18内部に埋め込まれた複数の繊維22とを含む複合パネル14として形成されている。繊維22は、マトリックス18の構造強化として機能し、複合品10の機械性能及び弾道性能を向上させることができる。これに関して、繊維22は、繊維22の引張強さ、及び目標弾性係数(例えば、剛性)を高める結果として複合品10の特定の剛性を調整する構造強化を提供する。本明細書では、強度、ひずみ、及び剛性といった特性は、動的特性又は高ひずみ速度特性の観点から記載される。

0018

図2は、図1の複合品10又は複合パネル14の分解図であり、複数の層20を示している。層20の各々において、繊維22は、横並び70の構成に配置されている。各繊維22は、繊維長34と長手軸36とを有している。各層20内の繊維22の繊維形状32は、繊維長34に沿って変化している。繊維形状32は、断面積38及び断面形状40から構成され、それらの一方又は両方は、繊維長34に沿って変化することができる。各層20内の繊維22は互いに概ね整列しており、所与の層20内の繊維22の長手軸36はほぼ平行である。しかしながら、本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、繊維22は、マトリックス内において織物層(図示しない)に組み込むことができ、層内において互いに横並びに整列した関係に限定されることも、層内において互いにほぼ平行な関係に限定されることもない。さらに、ここに開示される繊維22の実施形態のいずれもが、マトリックスを有さないファブリック(図示しない)において実施することができ、この場合、繊維−繊維の連結により、本明細書に記載したものと同様にして、弾丸によるファブリックの貫通抵抗に関する利点が提供される。

0019

一実施形態では、一の層20内の繊維22の長手軸36の方向は、直接隣接する層20内の繊維22の長手軸36に対して角度を有している。例えば、図2には、一の層20内の繊維22の長手軸36が、それに直接隣接する層20内の繊維22の長手軸36に対して直角である様子が示されている。しかしながら、隣接する層20の繊維22の長手軸36は、複合品10の所望のプライ積み重ねに応じて、互いにどのような角度に配向されてもよい。

0020

図3は、図2の複合品10の部分拡大図であり、複数の層20を示している。層20の各々は、繊維長34に沿って変化する繊維形状32を有する繊維22を含んでいる。図示のように、層20は、直接隣接する層20の繊維22に対して任意の方向に配向されうる繊維22を含む。例えば、図3には、一の層20の繊維22が、直接隣接する層20の繊維22に対して直角に配向されている交差プライ構成が示されている。図3は、複合品10の非限定的な一実施形態を示しているのであって、マトリックス18内部における繊維22の代替え的構成を制限しているのではない。例えば、層20内の繊維22は、図3に示すように、他の層20内の繊維22に対して直角に配向されても、垂直でない方向(例えば、15度、22.5度、45度、60度、75度など)に配向されてもよい。

0021

図4は、繊維22の繊維長34に沿った繊維形状32の変化を示す繊維22からなる層20の上面図である。繊維22の繊維形状32は、繊維長34に沿った所与の位置における繊維22の断面積38(図3)、及び/又は繊維長34に沿った所与の位置における繊維22の断面形状を特徴とする。しかしながら、繊維形状32は、限定しないが、繊維22の第1の部分52と繊維22の第2の部分54との間の遷移の形状を含む他のパラメータを特徴としてもよい。例えば、繊維形状32は、図4に示すような、第1の部分52と第2の部分54との間の、丸みを帯びた遷移、又は半径が滑らかに変化する遷移を特徴とすることができる。異なる構成では、形状は、図12A〜12Dの実施形態に示して後述するような、比較的はっきりとした繊維、又は急激な遷移を特徴とすることができる。

0022

図4では、繊維形状32は、繊維長34に沿って周期的58に変化している。これに関して、繊維22は、間にほぼ均一な間隔を置いてほぼ一様に分散された一連の第2の部分54を含むことができる。二つの第2の部分は、それぞれ第1の部分52によって分離されている。繊維形状32の周期的58な構成は、繊維長34に沿って反復されるほぼ類似した繊維形状32からなる。本明細書には、繊維長34に沿って周期的58に変化する繊維形状32が記載されているが、繊維22は半周期的64に(図15)変化する繊維形状32を具備してもよい。例えば、繊維22の第2の部分間の間隔が次第に又は漸次増加又は減少するというように、隣接する二つの第2の部分54の間の距離が次第に大きくなるか、又は次第に小さくなるように、繊維形状32を変化させることができる。加えて、繊維形状32は、繊維22の繊維長34の任意の部分に沿って反復式に変化させてもよい(例えば、図15)。繊維形状32は、繊維超34に沿って非周期的に、又はランダムに(図示しない)構成してもよい。

0023

図4では、各繊維22はほぼ同様に構成されている。繊維22はそれぞれ側面30を有し、隣接する繊維22との間に空隙72が形成されるように構成されている。空隙72の各々は、繊維22がマトリックス18内部に埋め込まれると実質的にマトリックス18材で充填される。繊維22の繊維長34に沿った繊維形状32の変化は、繊維22とマトリックス18との間の機械的連結を向上させる。加えて、図4に示すように、繊維22は、繊維22の第2の部分54が隣接する繊維22の第1の部分52と少なくとも部分的に入れ子74になるように構成することができる。有利には、繊維22の少なくとも部分的な入れ子関係により、繊維22の機械的連結(例えば、繊維−繊維の連結)が向上する。上述のように、繊維22の機械的連結は、繊維−繊維間のすべり又は移動を低減することができ、これにより繊維長34の、弾道事象に関与する部分を制御する手段が提供される。これに関して、繊維−繊維間のすべりが低減すると、弾道事象に関与する繊維22の量が増大しうる。弾道事象に関与する繊維22の量が増大すると、繊維22の全体的なエネルギー吸収能が増大し、これにより、上述のように、複合品10の弾道性能及び/又は衝撃後光学性能が向上しうる。

0024

図5Aは、図4の繊維22の上面図である。図示の実施形態では、繊維形状32の変化は、繊維長34に沿って第1の部分52と第2の部分54とが周期的58に変化することからなっている。長手軸36に関してほぼ対称な構成を有するように図示されているが、長手軸36の一方の側の繊維22の構成が長手軸36の反対側の繊維22の構成と異なる非対称な構成(図示しない)を有する繊維形状32も考慮可能である。繊維22は、繊維長34に沿った任意の位置における繊維22の最大幅と定義される繊維幅44を有する。本明細書に開示される繊維の実施形態のいずれにおいても、図示の繊維形状は分り易く示すために誇張されているか、又は誇張されていない。

0025

図5Bは、図5Aの繊維22の側面図である。繊維22は概ね平坦な構成を有し、繊維長34に沿ってほぼ一定な繊維厚42を定義する互いにほぼ平行な上面26と下面28とを有している。繊維22の繊維厚42は、繊維幅44に垂直に測定されたものと定義される。一実施形態においては、繊維22の上面26と下面28とは、互いに平行でなくともよい。

0026

図5Cは、図5Aの繊維22の第1の部分52の断面である。繊維形状32(図5A)は、断面積38及び断面形状40(図3)を有している。図5Cでは、繊維22の第1の部分52は第1の断面積38aと、長方形の第1の断面形状40aとを有している。長方形の断面形状は、短軸86と長軸88とを有している。図5Dは、第2の断面積38bと、長方形である第1の断面形状40aに類似の第2の断面形状40bとを有する第2の部分54(図5A)を示している。これに関して、図5A〜5Dは、繊維長34(図5A)に沿って断面積38が可変であり、繊維長34に沿って断面形状40がほぼ一定(例えば、長方形)である繊維22(図5B)の一実施形態を表している。図5Aの繊維22の繊維長34に沿った断面積38が変化するのは、長軸88に沿って長方形の断面形状40のアスペクト比が増大するためである。図5A〜5Dに示す繊維22の実施形態は、面内方向内での(例えば、層内での)繊維−繊維間の機械的連結を促進する。

0027

図6Aは、別の実施形態による繊維22の一つの上面図であり、繊維22は第1の部分52と第2の部分54とを交互に含んでいる。第2の部分54は、繊維22を少なくとも部分的に又は完全に貫通する穴又はスロットのような開口66を含んでいる。有利には、繊維22の第2の部分54は、繊維長34に沿って、繊維22の第1の部分52の断面形状が繊維22の第2の部分54の断面形状に対して変化するように構成される。加えて、図6Aに示す実施形態では、繊維22の第2の部分54の断面積は、繊維22の第1の部分52の断面積とほぼ等しい。繊維22の荷重担持能(例えば、引張荷重)は、繊維22の長さに沿った任意の地点における最小断面積の荷重担持能に限定される。図6Aでは、繊維22の最小断面積は第1の部分52に位置している。第2の部分54の断面積を第1の部分52の断面積にほぼ等しく制限することにより、繊維22の断面積の拡大に関連付けられる重量ペナルティがあったとしても、それは最小化される。

0028

図6Bは、図6Aの繊維22の側面図である。繊維22は、図5A〜5Dの実施形態の繊維22について上述したように、概ね平坦な構成を有している。これに関して、図6A〜6Dに示される繊維22は、繊維長34に沿ってほぼ一定の繊維厚42を有している。しかしながら、一実施形態では、一定でない厚みを有する繊維22が使用されうる。

0029

図6Cは、図6Aの繊維22の第1の部分52の断面である。第1の部分52における繊維形状32は、第1の断面積38aを取り囲む、斜線の長方形部により表された第1の断面形状40aからなる。図6Dは、第2の断面積38bと第2の断面形状40bとを有する第2の部分54を示している。第2の断面形状40bは、二つの斜線領域の間の開口66によって分割された繊維22の概ね長方形の形状である。第2の部分54の第2の断面形状40bは、一対の斜線領域からなる総面積を含む。図6Dに示す一対の斜線部の総面積は、図6Cの斜線部の面積にほぼ等しい。これに関して、図6A〜6Dは、繊維22の断面積38が繊維長34(図6A)に沿ってほぼ一定であり、断面形状が繊維長34に沿って可変であるように構成された多数の繊維実施形態の一つを示している。

0030

図7は、繊維長34に沿って変化する繊維形状32を有する繊維22の一実施形態を示している。繊維形状32は、互いに交互に並ぶ一連の第1の部分52と第2の部分54とからなっている。図では、第1の部分52及び第2の部分54は、繊維長34に沿って周期的58に配置されている。しかしながら、上述のように、繊維形状32は、図15に示して後述するように、半周期的64に構成されてもよい。繊維形状32は、非周期的に変化するように構成されてもよい。

0031

図7Bに示すように、繊維22は、繊維22の第1の部分52(図7A)を表す円形状の第1の断面積38aと第1の断面形状40aとを有している。図7Cは、やはり円形状の第2の断面積38bと第2の断面形状40bとを有する繊維22の第2の部分(図7A)を示している。図7A〜7Cは、繊維長34(図7A)に沿って変化する断面積38(図7C)と、繊維長34に沿ってほぼ一定の断面形状40とを有する繊維22の一実施形態を示している。図7B〜7Cにおける断面積38の変化は、円形の断面形状40の大きさの、半径方向に一定の増加又は拡大によるものである。

0032

一実施形態では、繊維22の第2の部分54(図7A)の第2の断面積38b(図7C)は、第1の部分52(図7A)の第1の断面積38a(図7B)より、第1の部分の約50%未満だけ大きくすることができる。しかしながら、第1の部分の第1の断面積38aより、第1の部分の約50%を超える分だけ大きい第2の部分54の第2の断面積38bを有する繊維22が供給される実施形態も可能である。本明細書では、各第2の部分54の第2の断面積38bは、第1の部分52又は繊維コア50(図7A)の第1の断面積38aを包含、包囲、又は他の方法で含む。上述のように、繊維22の荷重担持能(例えば、引張荷重)は、第1の部分52に位置する繊維22最小断面の荷重担持能によって決定される。第2の部分54の大きさを制限することにより、繊維22の荷重を担持しない部分に関連付けられる重量ペナルティ及び/又はコスト的ペナルティは最小化される。

0033

有利には、図7A〜7Cに示す繊維22の実施形態は、面内方向(例えば、層内)における繊維−繊維間の機械的連結と、面外方向(例えば、層間)における繊維−繊維間の機械的連結とを促進することができる。図示しないが、繊維22の面外の機械的連結は、一の層20内の繊維22の第2の部分54を、直接隣接する層20内の繊維22の第1の部分52と入れ子にすることにより促進される。

0034

図8Aは、蛇行形状782を有する繊維22の一実施形態の上面図である。繊維22は、繊維長34に沿った複数の異なる位置39において長手軸36からずれた断面積38を有している。一実施形態では、繊維22の繊維幅44は、繊維長45に沿って概ね一定とすることができるが、繊維長34に沿って概ね可変の繊維幅44をもたせることもできる。図8Bに示すように、繊維22は、ほぼ一定の繊維厚42を規定する互いにほぼ平行な上面26と下面28とを有する。しかしながら、上述のように、一実施形態による繊維22においては、繊維表面24の一又は複数は、互いに平行でなくともよい。一実施形態では、図8Aに示される複数の繊維22は、横並びの構成(図示しない)に配置されて、繊維22のずれ76が少なくとも部分的に互いに入れ子状になっていることにより繊維−繊維間の連結が提供される層を形成している。

0035

図8Cは、繊維22の長方形の断面積38を示す繊維22(図8B)の断面図である。断面積38は、繊維22の長手軸36(図8C)の一方の側又は両側にずれ76ていてよい面積重心48を規定している。図8Dは、繊維22のさらなる断面図であり、図8Cに示される断面重心48のずれ76に対し、長手軸36の一方の側にずれ76ている断面重心48を有する繊維22の長方形の断面積38を示している。図8A〜8Dの繊維22は、繊維長34に沿って、ほぼ一定の断面積38と、ほぼ一定の断面形状40(図8C)を有している。ずれ76は、長手軸36のそれぞれの側で互い違いに繊維長34に沿って周期的58(図8A)であるが、長手軸36の対向する側で、上述のように、半周期的又は非周期的でもよい。さらに、ずれ76は、図8C〜8Dに示すような一方向、例えば長軸88に沿ったずれ76に限定されず、短軸86方向を含む一又は複数の様々に異なる方向、或いは様々に異なる方向のいずれか一つにずれていてよい。

0036

図9Aは、繊維長34に沿って形成されたほぼ等しい大きさ及び構成の一連の突出部81を有する繊維22の一実施形態の上面図である。図示の突出部81は、長手軸36に沿って概ねセンタリングされている。しかしながら、突出部81は、長手軸36に対してどのような位置に設けてもよい。図示の繊維22は、ほぼ直線上の側面30を有しているが、繊維22は、限定しないが、図8Aに示すような蛇行形状78などの任意の形状、或いは他のいずれかの形状を有することができる。

0037

図9Bは、図9Aの繊維22の側面図であり、繊維長34に沿ってほぼ一定の繊維厚42を示している。図示の突出部81は、繊維22の上面26と下面28の両方から交互に延びている。しかしながら、突出部81は、上面26及び下面28の一方のみに形成してもよい。或いは、突出部81は、上面26及び下面28上に、交互以外のパターンで(図示しない)形成されてもよい。図示の実施形態では、突出部81の各々が、繊維22の外側に向かって開口する空洞部84を随意で含むことができることにより、突出部81は、繊維22を含む複合品10(図4)の総重量を低減する穴を有することができる。

0038

図9Cは、二つの突出部81の間の繊維22の部分に沿って取られた繊維22の断面図である。斜線部によって示されるように、繊維形状32は、長方形に形成された第1の断面形状40aによって規定される第1の断面積38aを有している。図9Dは、突出部81の一つを通る繊維22の断面図である。図示の位置における繊維形状32は、第2の断面積38bと、アーチ形状に形成された第2の断面形状40bとを有している。第2の断面積38bは、第1の断面積38a(図9C)より大きくすることができる。突出部81は、マトリックス18(図4)との機械的連結を促進することができる。加えて、図示しないが、繊維22の一の層20に含まれる突出部81は、直接隣接する層20の繊維22(図4)に含まれる突出部81の空洞部84(図9B)と入れ子になるような大きさ及び構成を有することができる。突出部81のこのような入れ子状態は、面外方向の(例えば、層20間の)機械的連結を促進することができ、これによって弾道事象に関与する繊維22の量が増加する。

0039

図10Aは、繊維長34に沿って形成された一連の大きな突出部82と小さな突出部83とを有する、一実施形態による繊維22の上面図である。図10Bは、上面26上に形成された大きな突出部82と、下面28上に形成された小さな突出部83とを示す繊維22の側面図である。図10Cは、小さな突出部83の一つを通る繊維22の断面図であり、斜線部は、アーチ状に形成された第1の断面積38aを表している。図10Dは、大きな突出部82の一つを通る繊維22の断面図であり、斜線部は、アーチ状に形成された第2の断面積38bを表している。繊維22の上面26及び下面28に異なる大きさの突出部を設けることにより、マトリックス18及び/又は他の繊維22との間に異なるレベルの機械的連結が提供される。

0040

図11A〜11Bは、螺旋形状80に形成された繊維22の一実施形態を示している。繊維形状32は、長軸88を有する断面形状40を有している。断面形状40の長軸88の方向は、繊維長34に平行な方向に沿って繊維22を見たとき、繊維長34に沿って変化する。図示の実施形態では、繊維22の断面積38及び/又は断面形状40は、繊維長34に沿ってほぼ一定である。しかしながら、一実施形態による繊維22においては、断面積38及び/又は断面形状40は、繊維長34に沿って変化してもよい(図示しない)。図示の実施形態では、長軸88の方向は、繊維22を見る方向に応じて、連続的に、例えば時計回りに、又は反時計回りに変化する。図示の繊維22は、繊維長34に沿って長軸88の方向が定率で変化する螺旋形状80を有している。しかしながら、繊維22は、長軸88の方向が可変率で、又はランダムに変化するような構成を有することもできる。長軸88の方向は、繊維長34に沿ってツイストを繰り返してもよく(図11C〜11D)、螺旋形状80の、時計回りに定率で変化する方向に限定されない。

0041

図11C〜11Dは、ツイストを繰り返す形状79に形成された繊維22の一実施形態を示している。繊維形状32は、繊維長34に平行な方向に沿って繊維22を見たとき、長軸88(図11D)の方向が繊維長34に沿ってツイストを繰り返す(図11C)断面形状40を有している。例えば、図示の実施形態では、長軸88は、繊維長34に沿って約90度のツイストを繰り返している。しかしながら、繊維22は、長軸88が任意の角度量のツイストを繰り返すように構成してもよい。図11A〜11Dの繊維22の実施形態は、繊維長34に沿ってほぼ一定の断面積38を有している。有利には、繊維の負荷担持能は、通常、繊維の長さに沿った任意の地点における最小断面積の荷重担持能によって規定されるので、図11A〜11Dの実施形態による繊維22の断面積38がほぼ一定であることにより、別の構成において繊維長に沿う断面積を拡大させた繊維に関連付けられる重量ペナルティが最小化される。

0042

図12Aは、繊維長34に沿ってほぼ一定の断面形状40と、繊維長に沿って変化する断面積38とを有する繊維22の一実施形態の上面図である。図示の繊維22は、繊維長34に沿って断面形状40及び断面積38が周期的58に変化するという形で、概ね周期的58に変化する繊維形状32を有している。しかしながら、上述のように、繊維22の断面形状40及び断面積38は、半周期的に又は非周期的に変化するように構成してもよい。図12Bは、繊維長34に沿った繊維形状32の変化を示す繊維22の側面図である。図12Cは、第1の断面積38aと、概ね長方形である第1の第1の断面形状40aとを有する繊維22の断面図である。図12Dは、第2の断面積38bと、概ね正方形である第2の断面形状40bとを有する繊維22の、繊維長に沿った一地点において取られた断面図である。図示の実施形態では、第1の断面積38aと第2の断面積38bとはほぼ等しい。しかしながら、上述のように、断面積38は繊維長34に沿って可変である。

0043

図13Aは、第1の材料60と第2の材料62とからなる繊維22の上面図である。一実施形態では、繊維22の第1の材料60は、繊維22の第1の部分52に含まれている。繊維22の第1の部分は、繊維コア50を含み、繊維22の長手軸36に沿って延びている。繊維22の第2の部分62は、繊維22の一又は複数の第2の部分54に含まれている。一実施形態では、第2の部分54は、繊維コア50の上に取り付けられるか、又は他の方法で配置される。図13Bは、繊維22の長手軸36沿って取った繊維22の断面図である。第1の材料60から形成されて、繊維径46を有する有する繊維コア50が示されている。さらには、第2の材料62から形成されて繊維コア50に取り付けられた複数の第2の部分54が示されている。図13Cは、繊維コア50に沿って取った断面図であり、繊維コア50の第1の断面積38aと、円形に形成された繊維コア50の第1の断面形状40aとを示している。

0044

図13Dは、繊維22(図13A)の第2の部分54に沿って取った断面図である。図示の実施形態では、第2の部分54は、正方形に形成された第2の断面形状40bを有している。一実施形態では、第2の部分54の各々は、第2の材料62からなり、繊維コア50に取り付けられた(例えば、接着された)繊維ビーズ56として形成される。図では正方形に示されているが、繊維ビーズ56は様々な断面形状のいずれか一つを有することができる。例えば、繊維ビーズ56は、球、正立方体直方体多角形ビーズ不規則形状のビーズ、概ね円形のビーズ、又は他の様々な大きさ、形状、及び構成のいずれか一つに形成することができる。

0045

図14A〜14Bは、第2の材料62から形成された球形の繊維ビーズ56を有する繊維22の一実施形態を示しており、このビーズ56は、第1の材料60から形成された繊維コア50に取り付けられている。一実施形態では、繊維ビーズ56は、外側の四角形と内側の円形によって画定された斜線部によって表されており、円形内部の斜線部により表される繊維コア50の断面積38より大きな断面積38を有していてよい。

0046

有利には、少なくとも二つの異なる材料から繊維22を形成することにより、マトリックス18(図4)に対する繊維22の結合の度合いを調節する追加的手段が提供される。例えば、第1の材料60のマトリックス18との相互作用は、第2の材料62とマトリックス18との相互作用とは異なる。これに関して、第1の材料60は、第1の材料60とマトリックス18との間の結合に異なる特性を生じさせることができる。例えば、第1の材料60は、第1の材料60とマトリックス18との接着結合に、第2の材料62とマトリックス18との接着結合の特性とは異なるレベルの強度、剛性、延性破断点ひずみ、及び他の特性を付与することができる。

0047

図15は、繊維長34に沿って半周期的64に変化する繊維形状32を有する繊維22の一実施形態を示している。例えば、繊維22は、繊維長34に沿って間隔を空けて位置する第2の部分54の組を含むことができる。第2の部分54の組は、小さな繊維幅44又は繊維径46を有する繊維22のセクションによって分離されており、ほぼ一定の断面積及び/又はほぼ一定の断面形状を有することができる。第2の部分54には、本明細書に開示される構成のいずれか一つを含む様々に異なる断面形状及び断面積のいずれか一つを付与することができる。有利には、第2の部分54の組は、ほぼ一定の間隔によって分離することができるか、又は二つの第2の部分54の組の間の間隔は可変とすることができる。第2の部分54の大きさと、繊維長34に沿った位置とは、マトリックスに対する繊維22に所望のレベルの機械的連結が提供されるように決めることができる。一実施形態では、第2の部分54は、第2の部分54が取り付けられる小さな径のコア50の材料とは異なる材料から形成される。異なる材料により、繊維22とマトリックス18(図3)との間に異なる相互作用が生じ、繊維22とマトリックス18との間の連結を制御する追加的手段が提供される。

0048

図15では、繊維形状32の半周期的64な構成は、繊維長34に沿ったマトリックスに対する繊維22の移動を離散的に制御するために調節又は構成可能である。例えば、弾丸の衝撃に起因する複合品10の光学的ひずみの面積を最小化することが望ましい実施形態の場合、第2の部分54の組は、繊維長34に沿って、弾道事象(例えば、弾丸の衝撃)に関与する繊維の範囲を最小化するような間隔で配置することができる。これに関して、第2の部分54の組は、互いに小さな間隔を空けて設けることができる。反対に、弾丸による衝撃の間に複合品10の弾道性能を最大化することが望ましい実施形態の場合、第2の部分54の組は、弾道事象に関与する繊維の範囲を最大化するように、互いに大きな間隔を空けて設けることができる。加えて、第2の部分54の大きさ及び形状は、マトリックスに対する繊維22の移動を離散的に又は定量的に制御するために調節又は構成可能である。

0049

本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、繊維22の断面形状は、様々に異なる構成のいずれか一つとすることができる。例えば、繊維22の断面形状は、円形、閉じた半円楕円腎臓の形、三角形、四角形、長方形、多角形、又は様々に異なる断面形状のいずれか一とすることができる。さらに、一実施形態の繊維22は、繊維長に沿って二つ以上の異なる断面形状を含むように構成することができる。加えて、繊維22は、いずれかの不規則な又はランダムな断面形状を有することができ、その形状は既知幾何学的形状に限定されない。繊維22の一又は複数は、ほぼ空洞の構成を有してもよく、すなわち繊維22は中実の構成に限定されない。繊維22は、随意で、互いにほぼ平行な、少なくとも一対の繊維表面24(図5B、6B、8B、9B、10B)を有する断面形状を含むことができる。加えて、繊維22には、ほぼ平坦な表面と湾曲した表面とを組み合わせた断面形状(図示しない)を付与してもよい。

0050

本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、マトリックス18(図4)及び/又は繊維22(図4)は、限定しないが、任意の適切な有機又は無機材料熱可塑性プラスチック材料熱硬化性材料、及び/又はガラス材料から形成することができる。例えば、繊維22に使用可能な種々の材料のいずれか一つを含むマトリックス18及び/又は繊維22は、アクリルフルオロカーボンポリアミドナイロン)、ポリエチレンポリエステルポリプロピレンポリカーボネートポリウレタ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ポリエーテルイミド延伸ポリマー、及び他のいずれかの適切な熱可塑性プラスチック材料のうちの少なくとも一つを含む熱可塑性プラスチック材料から形成することができる。同様に、繊維22に使用可能な種々の材料のいずれか一つを含むマトリックス18及び/又は繊維22は、ポリウレタン、フェノール樹脂ポリイミドビスマレイミド、ポリエステル、エポキシシルセスキオキサン、及び他のいずれかの適切な熱硬化性材料のうちのいずれか一つを含む熱硬化性材料から形成することができる。加えて、マトリックス18及び/又は繊維22は、炭素炭化ケイ素ホウ素、又は他の無機材料を含む無機材料から形成することができる。さらには、マトリックス18及び/又は繊維22は、限定しないが、E−glass(アルミニウムホウケイ酸ガラス)、S−glass(アルミニウム−ケイ酸塩ガラス)、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラスセラミックスガラスセラミックス、及び他のいずれかのガラス材料を含むガラスから形成することができる。加えて、マトリックス18及び/又は繊維22は、少なくとも部分的に金属材料から構成されるか、又は金属材料を含む。

0051

一実施形態では、繊維22(図4)は光学的にほぼ透明な繊維材料から形成されるが、繊維22は実質的に不透明な材料から形成されてもよい。マトリックス18(図4)は、光学的にほぼ透明な高分子材料、又は実質的に不透明な材料から形成することもできる。本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、繊維22は、フィラメントベースの繊維、非フィラメント繊維ポリ成分繊維、及び他の繊維構成として形成することができる。一実施形態では、繊維22は、約三(3)ミクロン〜5000ミクロンの範囲の繊維厚42、繊維幅44、及び/又は繊維径46を有している。例えば、繊維22は、約三(3)ミクロン〜100ミクロンの範囲の繊維厚42、繊維幅44、及び/又は繊維径46を有することができる。さらなる実施形態では、繊維厚42、繊維幅44、及び/又は繊維径46は、約20ミクロン〜50ミクロンの範囲とすることができる。しかしながら、繊維22には、3ミクロンより小さいか、又は5000ミクロンより大きな繊維厚42、繊維幅44、又は繊維径46を付与することができる。

0052

複合品10(図4)は、様々に異なる形状、大きさ、及び構成のいずれか一つに構成することができる。これに関して、複合品10は、ビークルに関連する、又はビークルに関連しない任意の用途に使用するために構成することができる。例えば、複合品10は、航空機のようなビークルの透明シートとして構成することができる。複合品10は、航空機の風防、又はキャノピーのいずれかの部分も含むことができる。複合品10は、ビークルに関連する、又はビークルに関連しない用途において窓のいずれかの部分に使用するために構成することもできる。さらには、複合品10は、限定しないが、膜のいずれかの部分、装甲板構造パネル建築パネル、非構造パネル又は非構造品、層系、又は複合品10の他の実装態様のいずれかにおいて実施することができるか、或いはそれらに組み込むことができる。

0053

図16は、マトリックス18に埋め込まれた繊維22を有する複合品10の一部を示しており、図中、繊維22は、複数の層20において横並び70の構成に配置されている。各層20内の繊維22は、隣接する層20内の繊維22と直角に方向づけられている。複合品10は、一の層20内の繊維22を、直接隣接する層20内の繊維22に対して相補的に構成することにより、繊維22の係合92を促進する。これに関して、繊維22が、第1の部分52と第2の部分54とを交互に含むように、各繊維22の繊維形状32を繊維長34に沿って変化させることができる。複合品10に対してほぼ直角又は斜めに力90(図16B)を加えると、一の層20内の繊維22の第2の部分54は、直接隣接して位置する層20内の繊維22内部において少なくとも部分的に入れ子になる。

0054

図16A図16の複合品の端面図であり、交互になっている層20内の繊維22が、直接隣接する層20内の繊維22の第1の部分52と概ね整列している様子を示している。各層20内の繊維22は、当初、直接隣接する層20内の繊維の一番上の表面又は一番下の表面により規定される面の上方又は下方に配置される。例えば、図16Aの一番上の層20の繊維22の底面は、直接その下に位置する層20の繊維22の一番上の表面により規定される面の上方に位置している。

0055

図16Bは、図16Aの複合品10の端面図であり、繊維22に加わる力90を示している。力90は、複合品10に対する弾丸の衝撃に応答して発生する。図示のように、力90は、層20を互いに接近させ、繊維22を直接隣接する層内の繊維22と係合92させる。これに関して、各層20内の繊維22の第2の部分54は、直接隣接する繊維22の第1の部分52と少なくとも部分的にかみ合うか、又は少なくとも部分的に入れ子74状態になる。繊維22の係合92又は入れ子構成は、比較的大きな量の繊維22が弾道事象に関与するように、弾道事象の間に層20の繊維22を機械的に連結することができる。

0056

本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、繊維長34に沿った繊維22の繊維形状34の変化によるマトリックス18と繊維22の機械的連結(例えば、繊維−マトリックス間の連結)は、複合品10の弾道性能及び/又は光学性能を向上させることができる。加えて、同じ層20内における繊維22の機械的な相互連結と、異なる層20内における繊維22の機械的連結と(例えば、面内の繊維−繊維間の連結と、面外の繊維−繊維間の連結)は、複合品10の弾道性能及び/又は光学性能を向上させうる。例えば、複合パネル14のような複合品10が弾丸の衝撃を受ける弾道事象の間に、繊維22が繊維22の長さに沿って長手方向に移動可能であることは、複合パネル14の弾道性能に影響しうる。

0057

上述のように、マトリックス18内で繊維22がマトリックス18に対して繊維長34に沿って長手方向に移動可能であることにより、繊維22が、破壊される前に長手方向に伸張する能力が向上しうる。繊維22の互いに対する移動又はすべりが可能であることによっても、繊維22が長手方向に伸張する能力が向上しうる。繊維22が長手方向に伸張できることにより、複合パネル14との激突の間の、繊維22の弾丸エネルギー吸収能が増大しうる。繊維22のエネルギー吸収能が増大することにより、弾丸112の貫通に対する複合パネル14の耐性が向上して複合パネル14の弾道性能が向上する。

0058

ほぼ透明な複合パネル14の場合、マトリックス18に対する繊維22の移動と互いに対する繊維22の移動も、弾丸激突後の複合パネル14の光学性能に影響しうる。例えば、繊維22のエネルギー吸収能の増大により、衝撃部位116の周辺領域が縮小しうる(図17。反対に、マトリックス18に対する、及び互いに対する繊維22の移動能を増大させることにより、衝撃後の複合パネル14の光学性能は低下しうる。複合パネル14の衝撃後光学性能の低下は、衝撃部位116の周辺領域の拡大を特徴とする。

0059

図17は、試験品100の正面104に弾丸112が激突する間の試験品100を示す側面図である。試験品100は、複数の繊維110がマトリックス108内に埋め込まれている複合品10の上述の実施形態(図1)と同様に構築されている。上述のように、繊維110は、繊維110の繊維長34(図4)に沿って変化する繊維形状32(図4)を有することができる。正面104に対する弾丸112の衝撃は、物品表面102の激突部位116に生じる。

0060

図18は、図17の試験品100の背面106を示しており、図17の試験品の正面104に対する弾丸112の激突に応答して、繊維−マトリックス間の連結、及び/又は繊維−繊維間の連結が比較的小さいことにより、比較的大きな面積にわたって繊維110が局所的及び全体的に影響を受けている様子を示している。図18では、繊維110の局所的関与122には、試験品100の反対側(すなわち、正面104)の、衝撃部位116を直接取り囲む繊維110の部分が含まれる。図示のように、繊維110の全体的関与124は、衝撃部位116を中心に、衝撃部位116から遠ざかる方向に広がっている。試験品100の正面104に対する弾丸112の激突による全体的関与124が比較的大きな範囲にわたっているのは、繊維−マトリックス間の連結及び/又は繊維−繊維間の連結が比較的小さいためである。

0061

図19は、試験品の背面図であり、図18に示す実施形態とは対照的に、繊維−マトリックス間の連結、及び/又は繊維−繊維間の連結の量を増大させることにより、繊維の局所的及び全体的関与が比較的小さい様子を示している。図19では、繊維−マトリックス間の連結、及び/又は繊維−繊維間の連結の量の増大は、繊維の繊維長に沿った繊維形状の変化の大きさを増大させることにより達成されている。繊維−マトリックス間の連結、及び/又は繊維−繊維間の連結の増大は、図15に示す半周期的64な構成において、隣接する第2の部分同士の間、又は第2の部分の組同士の間の間隔を小さくすることによって達成してもよい。

0062

図20〜21は、複合品10が、第1の層96及び第2の層98を有する積層形態に取り付けられている層系94の斜視図である。一実施形態では、第1の層96は、セラミック及び/又はガラス材料、或いは他の材料から構成され、層系94の、防弾面(strike face)(図示しない)を含むことができる。第2の層98は、比較的剛性の高い複合層(図示しない)として形成することができ、第1の層96に隣接して取り付けられる。複合品10は、層系94の背面又は後ろ側に位置するように、第2の層98を挟んで第1の層96とは反対側に取り付けられる。

0063

図20〜21は層系94の後ろ側に位置する単一の複合品10を示しているが、任意の数の複合品10が具備されてよい。さらには、図20〜21には単一の第1の層96と単一の第2の層98とが示されているが、任意の数の複合品10と組み合わせて任意の数の第1の層96と第2の層98とが具備されてよい。さらには、層系94は、第1の層96と複合品10だけを含むように形成してもよい。一実施形態では、層系94は装甲パネルを含む。しかしながら、層系94は、限定しないが、任意の物品に組み込むことができ、装甲パネルに限定されない。

0064

第1の層96は、セラミック及び/又はガラスからなるモノリシックな層といった、好ましくは比較的高い硬度及び剛性を有する材料から構成することができる。しかしながら、第1の層96は、好ましくは比較的高い剛性及び硬度を有する様々に異なる材料で形成することができる。第1の層96は、弾道的用途に使用される防弾面として機能するように構成することができる。例えば、第1の層96は、弾丸による衝撃を受けるように構成することができる。

0065

図20〜21に示すように、第2の層98は第1の層96に隣接して位置することができる。第2の層98は、比較的剛性の高い複合層(図示しない)として形成される。第2の層98は、マトリックス(図示しない)に埋め込まれたガラス繊維(図示しない)を含むことができる。別の構成では、第2の層98は、一又は複数のガラス層又はシート、例えば一又は複数のガラスからなるモノリシックシートで構成される。第2の層98は、少なくとも部分的に、超高比重ポリエチレンといった強度及び/又は剛性の高い高分子材料から形成されて、マトリックス(図示しない)内部に埋め込まれるガラス繊維(図示しない)からなる剛性の高い複合層(図示しない)として形成することもできる。第1の層96、第2の層98、及び複合品10の組み合わせは、共同で、第1の層96の全体的な剛性を高め、層系94の弾道性能を高める補強層系94を形成する。

0066

図22は、複合品10(図1)の製造方法200において実施される一又は複数の工程を示すフロー図である。方法200のステップ202は、各繊維22(図5A〜13A)が繊維長34(図5A〜13A)と繊維形状32(図5A〜13A)とを有する複数の繊維110(図18)を準備することを含む。

0067

ステップ204は、繊維長34(図5A〜14B)に沿って繊維22(図5A〜13A)の繊維形状32(図5A〜14B)を変化させることを含む。例えば、繊維形状32は、繊維長34に沿って第1の部分52(図4)によって分離された一連の第2の部分54(図4)を含むことにより、繊維長34に沿って変形する。一実施形態では、繊維形状32は、繊維長34に沿って周期的58に(図4)変化する。しかしながら、繊維形状32は、半周期的又は非周期的に変化してもよい。

0068

繊維形状32(図5A〜14B)は、繊維長34(図5A〜14B)に沿って繊維22の断面形状40(図3)を変化させることにより、及び/又は繊維長34に沿って繊維22(図5A〜14B)の断面積38(図3)を変化させることにより、変化させることができる。さらなる実施形態では、繊維形状32は、上述のように、他長手軸36を挟んで交互に繊維22の断面形状40をずらすことにより(図3)、又は繊維長34に沿って断面形状40の方向を変化させることにより、変化させることができる。一実施形態では、繊維22には、蛇行形状78(図8A)、螺旋形状80(図10A)、又は他の形状を付与することができる。繊維22は、上述のように、繊維22とマトリックス18(図3)との間に異なる相互作用を生じさせるために、繊維22とマトリックス18との連結に影響しうる一又は複数の材料から形成することができる。

0069

方法200のステップ206は、繊維22(図5A〜14B)を横並び70(図3)の構成に配置することにより、層20(例えば、図1〜3、及び14〜14B)を形成することを含む。しかしながら、繊維は、互いに非平行な関係に配置することもできる。さらには、図示しないが、繊維は、互いに様々な角度の一又は複数に方向づけられているとき、織物ファブリックとして供給することができる。一実施形態では、繊維22は、上述のように、第1の部分52(図4)によって相互に結合された一連の第2の部分54(図4)を含むことができる。

0070

ステップ208は、繊維22の第2の部分54が、層20内の繊維22のうち直接隣接するものの第1の部分52と少なくとも部分的に入れ子74(図4)になるように繊維22を構成することを含む。例えば、図4は、層20内の繊維22の第2の部分54が、層20内で直接隣接する繊維22の第1の部分52と少なくとも部分的に入れ子になるような、層20内の繊維22の配置を示している。図示しない実施形態では、一の層20内の繊維22の第2の部分54は、複合品10の層20のうちの隣接する一の層に含まれる繊維22の第1の部分52と少なくとも部分的に入れ子になるように構成される。

0071

ステップ210は、マトリックス18(図4)に繊維22を埋め込むこと、及びマトリックス18を硬化又は凝固させて複合品10(図4)を形成することを含む。有利には、繊維22の繊維長34に沿った繊維形状32の変化は、弾道事象の間などの相対的な繊維の移動の度合いを調節する手段として、繊維−マトリックス間の機械的連結、及び/又は繊維−繊維間の機械的連結を促進することができる。マトリックスに対する繊維の移動、及び互いに対する繊維の移動の度合いを調節することにより、複合品の弾道性能及び衝撃後光学性能を制御又は改善することができる。

0072

一実施形態では、複合品10(図1)は、繊維長34に沿って周期的又は半周期的に変化する繊維形状32を有する繊維22を使用することで、構造性能を向上させるように構成される。例えば、断面積、断面形状、及び/又は方向が長さに沿って変化する繊維22から複合品10を形成することにより、複合品10の損傷許容性及び亀裂成長に対する耐性が、繊維長に沿って形状がほぼ変化しない繊維から形成された従来の複合品の損傷許容性及び亀裂成長に対する耐性と比較して向上する。

0073

有利には、本明細書に開示される複合品10(図1)には、繊維長34に沿って繊維形状32が変化することにより、マトリックス18材にいくらかの亀裂の偏向が生じる。これに関して、繊維形状32の変化により、複合品10のマトリックス18に、概ね直線状の経路に沿って伝播するのではなく、ねじれた経路に沿って伝播する亀裂が生じうる。ねじれた経路に沿った伝播は、繊維形状が繊維長に沿ってほぼ変化しない従来の繊維を有する従来の複合品のマトリックスにおける亀裂成長と比較して、マトリックス18内における亀裂成長を抑制できる。このような繊維形状が変化しない従来の繊維には、実質的に連続的な又は一定の断面形状、実質的に連続的な又は一定の断面積、及び/又は実質的に連続的な又は一定の断面形状の方向が含まれる。従来の繊維は、また、繊維長に沿ってほぼ不変材料種類から形成することができる。

0074

一実施形態では、本明細書に開示された複合品10(図1)には、マトリックスの亀裂が一の層20又は複数層20を通るねじれた経路に沿って伝播するように変化する繊維形状32を有する繊維22が含まれる。これに関して、繊維長34に沿った繊維形状の変化は、繊維形状が概ね変化しない従来の繊維を有する従来の複合品と比較して、複合品10の層内(例えば、一の層内部の)靭性及び/又は層間(例えば、隣接する層間の)靭性を高めることができる。層内靭性の向上は、層20内部におけるマトリックスの亀裂の伝播に対する耐性が全体的に増大すること、及び/又は繊維−マトリックス間のインターフェース剥離部において亀裂伝播に対する耐性が向上することを意味しうる。層間靭性の向上は、隣接層20の層間はく離に対する耐性が全体的に増大することを意味しうる。一実施形態では、繊維22の繊維形状32は、モードI層間破壊靭性を増大させるように、及び/又はモードII層破壊靭性を増大させるように、変化させることができる。モードI層間破壊靭性は、複合品10の隣接層20にほぼ直角な方向に沿った開離力又は剥離力に対する耐性と特徴づけられる。モードII層間破壊靭性は、複合品10の隣接層20にほぼ平行な剪断力に対する耐性と特徴づけられる。

0075

本明細書に開示される複合品10では、繊維22は、形状の変化によって亀裂成長又は亀裂伝播が抑制される結果、複合品の損傷許容性が向上するように構成される。損傷許容性は、衝撃後圧縮強度及び/又は有孔圧縮強度の上昇として測定することができる。衝撃後圧縮強度の上昇は、複合品に対するオブジェクトの低速度衝撃後の複合品10の残留強度の向上を意味しうる。低速度衝撃の非限定的な例として、ツールを落としたことによる衝撃、又は使用中に複合品10に対して異物が飛んだときの衝撃を挙げることができる。有孔圧縮強度の上昇は、圧縮荷重がかかったときの複合品10の挫屈強度の上昇を意味しうる。

0076

図24は、ビークル(図示しない)などに使用される複合品10(図1)を実装する方法400を示している。複合品10の使用方法400は、上述のようにマトリックス18(図1)に埋め込まれた複数の繊維22(図1)として複合品10を準備するステップ402を含み、これら繊維22の各々は繊維長34(図1)と繊維形状32(図1)とを有し、繊維形状32は繊維長34に沿って変化する。

0077

図24の方法400は、さらに、複合パネル14(図1)などの複合品10(図1)を、ビークルが実質的に移動していないビークルの第1の状態に置くステップ404を含む。複合パネル14は、静的荷重条件下(図示しない)にあってもよい。一実施形態では、ビークルは、空港ターミナルゲートに駐機しているときのような、地上にある航空機を含む。図23は、本明細書に開示される複合品10(図1)の一又は複数の実施形態を包含する航空機300の斜視図である。航空機300は、一対の304と、垂直安定板312及び水平安定板310を含む尾部308とを有する胴体302を含んでいる。航空機300は、さらに、操縦面306と推進ユニット314とを含む。航空機300は、上述のような複合品の一又は複数を包含しうる様々なビークルの一つを一般的に表している。

0078

一実施形態では、複合品10(図1)は、少なくとも部分的に透明で、及び/又は少なくとも部分的に不透明でありうる複合パネル14(図1)を含むことができる。静的荷重条件下では、複合パネル14にかかる荷重は、複合パネル14の質量に作用する重力に起因する荷重に限定される。荷重には、ビークルに対する複合パネル14の取り付けに起因する圧縮荷重も含まれる。静的荷重には、引張荷重、剪断荷重、及び/又は、ビークルに複合パネル14を取り付けたことに起因して、又は隣接する構造の差別的加熱といった他の現象に起因して、又は他の原因に起因して、複合パネル14に作用するねじり荷重が含まれる。

0079

図24の方法400は、さらに、ビークルが移動中である、及び/又は複合パネル14が動的荷重条件(図示しない)下にある第2の状態に複合パネル14を置くステップ406を含む。例えば、ビークルは、離陸の間に滑走路上で移動中の航空機300(図23)を含む。動的荷重条件下では、複合パネル14にかかる荷重は、圧縮荷重、引張荷重、剪断荷重、及びねじり荷重のいずれか一つ、又はこれらの任意の組み合わせを含みうる。荷重には、弾丸又は飛来する異物による衝撃に起因して複合パネル14上に作用する局所的荷重も含まれる。上述のように、複合パネル14の繊維形状32の長さに沿った変化は、繊維22(図1)とマトリックス18との機械的連結(例えば、繊維−マトリックス間の連結)、及び/又は複合パネル14を形成する層20(図1)のうちの一又は複数内での隣接する繊維22間の機械的連結(例えば、繊維−繊維間の連結)を促進する。機械的連結は、マトリックスに対する繊維の移動、及び/又は繊維間の移動を制御することにより、複合パネル14に激突する弾丸を減速させる能力を増大させる手段となりうる。

0080

図24の方法400は、さらに、マトリックス18中に亀裂がある場合に、その亀裂に、複合パネル14中の繊維22の繊維形状32を長方向に沿って変化させることにより得られたねじれた経路(図示しない)を伝播させるステップ408を含む。これに関して、ねじれた経路の方向は、繊維22の繊維形状32の変化によって規定される。亀裂伝播の経路がねじれていることにより、複合パネル14の、層内(例えば、一の層内の)破壊靭性、及び/又は層間(例えば、隣り合う層間の)破壊靭性が向上しうる。これに関して、亀裂がねじれて伝播することにより、航空機300(図23)が離陸又は着陸中に移動している場合に、複合パネル14がツール、滑走路の異物、又は砂利による衝撃といった低速度衝撃をうけたときの複合パネル14の衝撃後圧縮強度が向上しうる。さらには、亀裂がねじれて伝播することにより、圧縮荷重下において、複合パネル14の挫屈強度を上昇させる複合パネル14の有孔圧縮強度が向上しうる。

0081

本発明の一態様によれば、マトリックスと、マトリックスに埋め込まれた複数の繊維であって、各々が繊維長と、繊維長に沿って変化する繊維形状とを有する複数の繊維とを備える複合品が提供される。有利には、繊維は第1の材料と第2の材料とからなる。有利には、マトリックス及び繊維の少なくとも一方が、アクリル、ナイロン、フルオロカーボン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、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、ポリエーテルイミド、及び延伸ポリマーのうちの少なくとも一つを含む熱可塑性プラスチック材料:ポリウレタン、フェノール樹脂、ポリイミド、ビスマレイミド、ポリエステル、エポキシ、及びシルセスキオキサンのうちの少なくとも一つを含む熱硬化性物質:炭素、炭化ケイ素、ホウ素、並びに、E−glass(アルミニウム−ホウケイ酸ガラス)、S−ガラス(アルミニウム−ケイ酸塩ガラス)、純シリカ、ホウケイ酸ガラス、光学ガラス、セラミックス、及びガラスセラミックスを含むガラスのうちの少なくとも一つを含む無機材料のうちの一つから形成される。有利には、繊維は不透明及び光学的にほぼ透明のうちの少なくとも一方であり、マトリックスは不透明及び光学的にほぼ透明のうちの少なくとも一方である。有利には、複合品は、風防、キャノピー、窓、膜、装甲板、構造パネル、建築パネル、非構造品、及び層系の少なくとも一つに含まれる。有利には、繊維長に沿った繊維形状の変化によりマトリックス中の亀裂がねじれた経路に沿って伝播するように、マトリックス内で繊維が配置され、ねじれた経路により、繊維長に沿って繊維形状がほぼ変化しない繊維を有する複合品のマトリックス中における亀裂成長と比較して、マトリックス中の亀裂成長が抑制される。有利には、ねじれた経路は、少なくとも部分的に、一の繊維層内のマトリックス材、隣り合う層の間のマトリックス材の少なくとも一方の内部に延びる。有利には、繊維の繊維形状は、モードI層間破壊靭性及びモードII層内破壊靭性といった損傷許容性の少なくとも一方を増大させるように変化する。

0082

本発明のまた別の態様によれば、複合日の製造方法が提供され、この方法は、各々が繊維長と繊維形状とを有する複数の繊維であって、繊維の少なくとも一つが繊維長に沿って変化する繊維形状を有する複数の繊維を準備するステップと、マトリックス内に繊維を埋め込むステップとを含む。有利には、繊維の形成には第1の材料と第2の材料とが含まれる。有利には、さらなるステップは、層を形成するために、各々が第1の部分によって分離された一連の第2の部分を有する繊維を横並びの構成に構成することと、層内の繊維の一つの第2の部分が、層内の繊維のうちの直接隣接する一つの第1の部分と少なくとも部分的に入れ子になるように、繊維を配置することとを含む。

0083

本発明のさらなる態様によれば、繊維長と繊維形状とを有し、繊維形状が繊維長の少なくとも一部に沿って変化する、複合品のための繊維が提供される。有利には、繊維形状は、繊維長に沿って可変の断面積を有する。有利には、繊維形状は、繊維長に沿って可変の断面形状を有する。有利には、繊維形状は、繊維長に沿ってほぼ一定の断面積を有する。有利には、繊維は繊維長に沿って延びる長手軸を有し、繊維形状は断面積を有し、断面積は、繊維長に沿った複数の異なる位置において長手軸からずれている。有利には、繊維形状の変化は、繊維長に沿った一連の第1の部分と第2の部分から構成される。有利には、繊維は約3ミクロン〜5000ミクロンの範囲の繊維厚を有している。

0084

業者には、本発明の他の修正例及び改良例が明らかであろう。したがって、本明細書に記載及び例示した部品の具体的な組み合わせは、本発明の特定の実施形態を表しているに過ぎず、本発明の精神及び範囲に含まれる別の実施形態又はデバイスを限定するものではない。

0085

10複合品
12 複合品の表面
14複合パネル
16パネル表面
18マトリックス
20 層
22 繊維
24 繊維表面
26 繊維の上面
28 繊維の下面
30 繊維の側面
32繊維形状
34繊維長
36長手軸
38断面積
38a 第1の断面積
38b 第2の断面積
39 繊維長に沿った位置
40 断面形状
40a 第1の断面形状
40b 第2の断面形状
42 繊維厚
44繊維幅
46繊維径
48断面重心
50繊維コア
52 繊維の第1の部分
54 繊維の第2の部分
56 繊維ビーズ
58周期的
60 第1の材料
62 第2の材料
64半周期的
70横並び
72 空隙
74入れ子
76 ずれ
78蛇行形状
80螺旋形状
81 突出部
82 大きな突出部
83 小さな突出部
84 空洞部
86短軸
88長軸
90 力
92係合
94層系
96 第1の層
98 第2の層
100試験品
102物品表面
104 正面
106 背面
108 マトリックス
110 繊維
112弾丸
116激突部位
122局所的関与
124 全体的関与
300航空機
302胴体
304翼
306操縦面
308尾部
310水平安定板
312垂直安定板
314 推進ユニット

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