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技術 繊維強化積層板およびそれを含むサンドイッチ複合材

出願人 ファイバリーインフォーストサーモプラスティックスベー.フェー.
発明者 ウィスマンスヨリスレデブールヘンドリック-ヤン
出願日 2018年8月13日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2020-507594
公開日 2020年10月22日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-530413
状態 未査定
技術分野 積層体(2)
主要キーワード プレス手順 フック領域 試験セットアップ 積層板間 強度対重量比 非対称積層 各支持棒 発泡体コア
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

本開示は、繊維強化積層板およびそれを含むサンドイッチ複合材を含む。

概要

背景

2.関連技術の説明
サンドイッチ複合材は、コア層と、コア層の両側に配置されたスキン層とを含む複合材である。典型的なサンドイッチ複合材では、コア層はスキン層よりも厚くかつ密度が低く、スキン層はコア層よりも剛性である。そのスキン層とコア層との連携により、サンドイッチ複合材は比較的高い剛性と比較的低い重量との両方を有し得、例えば、剛性のスキン層が複合材の湾曲を阻止し得、これは低密度のコア層のそばに提供されるスキン層の配置によって増進されている。例としては、コア層は発泡体ハニカム構造アルミニウム、木材などを含み得、スキン層は典型的には繊維強化積層板を含む。

多くのサンドイッチ複合材では、スキン層はクロスプライ積層板つまり0°ラミナおよび90°ラミナのみを含む積層板である。重量および厚さを低減させることが望まれるため、そのようなクロスプライ積層板は非対称、例えば、単一の0°ラミナと単一の90°ラミナとを含むものなどであることが多い。

低減した重量および厚さを有しているにもかかわらず、そのような積層板はその非対称な層構成のために圧密化時および冷却時に湾曲することがある。湾曲した積層板はサンドイッチ複合材を製造する場合に多くの問題を生じる。例えば、湾曲した積層板はコア層に対するその配置を困難にし、コア層へのその接着を複雑化し、そのような接着に用いられる器具を損傷し、かつ/またはサンドイッチ複合材における湾曲を誘発し得る。

概要

本開示は、繊維強化積層板およびそれを含むサンドイッチ複合材を含む。

目的

各サンドイッチ複合材セット毎のサンドイッチ複合材特性の平均値を表14に提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

コアと、該コアの両側に配置された第1および第2の積層板とを含む、サンドイッチ複合材であって、該積層板の各々が、3つ以上の一方向性(UD)ラミナを含み、該UDラミナの各々が、ポリマーマトリックス材料と、該ポリマーマトリックス材料内に分散した繊維とを含み、該UDラミナが、1つまたは複数の該UDラミナを含む内側部分であって、該1つまたは複数のUDラミナの各々において、該繊維が第1の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として厚さを有する、内側部分と、該内側部分の両側に配置された第1および第2の外側部分であって、該外側部分の各々が1つまたは複数の該UDラミナを含み、該1つまたは複数のUDラミナの各々において、該繊維が第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として厚さを有する、外側部分とを該積層板が含み;該第1の外側部分のUDラミナの厚さが、該第2の外側部分のUDラミナの厚さと実質的に等しく;かつ該内側部分のUDラミナの厚さが、該第1の外側部分のUDラミナの厚さおよび該第2の外側部分のUDラミナの厚さの0.6〜3.25倍であるように層状に積み重ねられており、該UDラミナの全体としての厚さが、約0.4ミリメートル(mm)〜約1.0mmである、サンドイッチ複合材。

請求項2

前記積層板の各々について、前記内側部分のUDラミナの厚さが、前記第1の外側部分のUDラミナの厚さおよび前記第2の外側部分のUDラミナの厚さの1.5〜2.5倍である、請求項1記載のサンドイッチ複合材。

請求項3

前記積層板の各々について、前記内側部分のUDラミナの厚さが、前記第1の外側部分のUDラミナの厚さおよび前記第2の外側部分のUDラミナの厚さの1.5〜2.0倍である、請求項2記載のサンドイッチ複合材。

請求項4

前記積層板の各々について、前記内側部分のUDラミナの厚さが約0.250mmであり、かつ前記第1の外側部分のUDラミナの厚さおよび前記第2の外側部分のUDラミナの厚さがそれぞれ約0.156mmである、請求項3記載のサンドイッチ複合材。

請求項5

前記第1の積層板のUDラミナの厚さが、前記第2の積層板のUDラミナの厚さと実質的に等しい、請求項1〜3のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

請求項6

各積層板について、前記第1の外側部分のUDラミナが全体として、前記第2の外側部分のUDラミナの全体としての目付と実質的に等しい目付を有し、かつ前記内側部分のUDラミナが全体として、前記第1の外側部分のUDラミナの目付および前記第2の外側部分のUDラミナの目付の0.5〜3.7倍の目付を有する、請求項1〜5のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

請求項7

コアと、該コアの両側に配置された第1および第2の積層板とを含む、サンドイッチ複合材であって、該積層板の各々が、3つ以上のUDラミナを含み、該UDラミナの各々が、ポリマーマトリックス材料と、該ポリマーマトリックス材料内に分散した繊維とを含み、該UDラミナが、1つまたは複数の該UDラミナを含む内側部分であって、該1つまたは複数のUDラミナの各々において、該繊維が第1の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として目付を有する、内側部分と、該内側部分の両側に配置された第1および第2の外側部分であって、該外側部分の各々が1つまたは複数の該UDラミナを含み、該1つまたは複数のUDラミナの各々において、該繊維が第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として目付を有する、外側部分とを該積層板が含み;該第1の外側部分のUDラミナの目付が、該第2の外側部分のUDラミナの目付と実質的に等しく;かつ該内側部分のUDラミナの目付が、該第1の外側部分のUDラミナの目付および該第2の外側部分のUDラミナの目付の0.5〜3.7倍であるように層状に積み重ねられており、該UDラミナの全体としての目付が、約700グラム/平方メートル(gsm)〜約1700gsmである、サンドイッチ複合材。

請求項8

前記積層板の各々について、前記内側部分のUDラミナの目付が、前記第1の外側部分のUDラミナの目付および前記第2の外側部分のUDラミナの目付の1.5〜2.5倍である、請求項6または7記載のサンドイッチ複合材。

請求項9

前記積層板の各々について、前記外側部分の各々のUDラミナの繊維重量分率が、前記内側部分のUDラミナの繊維重量分率の95%以下、任意で90%以下である、請求項7に従属する請求項8記載のサンドイッチ複合材。

請求項10

前記積層板の各々について、前記内側部分のUDラミナの目付が、前記第1の外側部分のUDラミナの目付および前記第2の外側部分のUDラミナの目付の1.5〜2.0倍である、請求項8記載のサンドイッチ複合材。

請求項11

前記積層板の各々について、前記内側部分のUDラミナの目付が約428gsmであり、かつ前記第1の外側部分のUDラミナの目付および前記第2の外側部分のUDラミナの目付がそれぞれ約237gsmである、請求項9記載のサンドイッチ複合材。

請求項12

前記繊維が、炭素繊維ガラス繊維アラミド繊維ポリエチレン繊維ポリエステル繊維ポリアミド繊維セラミック繊維玄武岩繊維、および/または鋼繊維を含む、請求項1〜11のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

請求項13

前記繊維が、炭素繊維および/またはガラス繊維を含む、請求項12記載のサンドイッチ複合材。

請求項14

前記ポリマーマトリックス材料が、熱可塑性マトリックス材料を含む、請求項1〜13のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

請求項15

前記熱可塑性マトリックス材料がPPを含む、請求項14記載のサンドイッチ複合材。

請求項16

前記コアが、発泡体および/またはハニカム構造を含む、請求項1〜15のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

請求項17

前記コアの厚さが、前記第1の積層板のUDラミナの厚さおよび前記第2の積層板のUDラミナの厚さの20〜60倍である、請求項1〜16のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

請求項18

前記積層板の各々について、前記積層板と前記コアの間に配置された接着剤を含む、請求項1〜17のいずれか一項記載のサンドイッチ複合材。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本願は、2017年8月11日に出願の米国仮特許出願第62/544,771号の優先権を主張し、その全内容が参照により本明細書に組み入れられる。

0002

1.発明の分野
本発明は、概して繊維強化複合材に関し、より具体的には繊維強化積層板およびそれを含むサンドイッチ複合材に関する。

背景技術

0003

2.関連技術の説明
サンドイッチ複合材は、コア層と、コア層の両側に配置されたスキン層とを含む複合材である。典型的なサンドイッチ複合材では、コア層はスキン層よりも厚くかつ密度が低く、スキン層はコア層よりも剛性である。そのスキン層とコア層との連携により、サンドイッチ複合材は比較的高い剛性と比較的低い重量との両方を有し得、例えば、剛性のスキン層が複合材の湾曲を阻止し得、これは低密度のコア層のそばに提供されるスキン層の配置によって増進されている。例としては、コア層は発泡体ハニカム構造アルミニウム、木材などを含み得、スキン層は典型的には繊維強化積層板を含む。

0004

多くのサンドイッチ複合材では、スキン層はクロスプライ積層板つまり0°ラミナおよび90°ラミナのみを含む積層板である。重量および厚さを低減させることが望まれるため、そのようなクロスプライ積層板は非対称、例えば、単一の0°ラミナと単一の90°ラミナとを含むものなどであることが多い。

0005

低減した重量および厚さを有しているにもかかわらず、そのような積層板はその非対称な層構成のために圧密化時および冷却時に湾曲することがある。湾曲した積層板はサンドイッチ複合材を製造する場合に多くの問題を生じる。例えば、湾曲した積層板はコア層に対するその配置を困難にし、コア層へのその接着を複雑化し、そのような接着に用いられる器具を損傷し、かつ/またはサンドイッチ複合材における湾曲を誘発し得る。

0006

本発明の積層板のいくつかは、例えば、(1)繊維が第1の方向に整列している1つまたは複数の一方向性(UD)ラミナを含む内側部分と、(2)繊維が第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に整列している1つまたは複数のUDラミナをそれぞれ含む、内側部分の両側に配置された第1および第2の外側部分とを有することによって、圧密化時および冷却時の湾曲を阻止し得る(とりわけ、そのような積層板を用いたサンドイッチ複合材の製造を容易にする)。

0007

いくつかのそのような積層板は、例えば、その内側部分のUDラミナがその第1の外側部分のUDラミナのものおよび第2の外側部分のUDラミナのものとは異なる全体としての厚さおよび/または目付を有することによって、望ましくない厚さおよび/または重さになることなく上記の利点を獲得し得る。例示により説明すると、各外側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付が、その内側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付の約半分である、そのような積層板は、同じ厚さおよび/または同じ目付の0°ラミナおよび90°ラミナを有する従来の非対称積層板と実質的に同じ厚さおよび/または目付を有する一方で、圧密化時および冷却時の湾曲を阻止し得る。

0008

少なくとも、各外側部分および内側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付を調節することによって、いくつかのそのような積層板は圧密化時および冷却時の湾曲を阻止し得かつ従来の非対称であり同じ厚さおよび/または同じ目付の0°ラミナおよび90°ラミナの積層板と同等な厚さおよび/または目付を有することがあるだけでなく、少なくともサンドイッチ複合材において用いられた場合、驚くべきことに、そのような従来の積層板がそのように用いられた場合と比較して、向上したサンドイッチ複合材の機械的特性(例えば、最大荷重、剛性、エネルギー吸収能)をもたらすことがある。そのような積層板は、内側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付が、第1の外側部分のUDラミナのものおよび第2の外側部分のUDラミナのものの1.5〜2.5倍(例えば、1.5〜2.0倍)であるものを含むことがある。その内側部分および外側部分の繊維重量および/または体積分率が異なる積層板を介しても同様の利点が得られることがあると考えられ、例えば、そのような積層板では、各外側部分のUDラミナの繊維重量および/または体積分率が、内側部分のUDラミナの繊維重量および/または体積分率の95%未満(例えば、90%未満)であってもよい。

0009

「1つの(a)」および「1つの(an)」という用語は、本開示がそうでないことを明示的に要求している場合を除いて1つまたは複数と規定される。「実質的に」という用語は、当業者には理解されるように、特定されたものの必ずしも全部ではないが大部分であると規定される(かつ特定されたものを含む、例えば、実質的に90度とは90度を含み、実質的に平行とは平行を含む)。任意の開示の態様では、「実質的に」および「約」という用語は、特定されたもの「の[ある割合の]範囲内」と言い換えてもよく、ここで当該割合には、0.1%、1%、5%、および10%が含まれる。

0010

「および/または」という表現は、およびかまたはを意味する。例示により説明すると、A、B、および/またはCとは、Aのみ、Bのみ、Cのみ、AとBの組み合わせ、AとCの組み合わせ、BとCの組み合わせ、またはAとBとCの組み合わせを含む。言い換えれば、「および/または」は、包括的なまたはとして作用する。

0011

さらに、特定の様式で構成されたデバイスまたはシステムは少なくともその様式で構成されてはいるが、具体的に記載されたもの以外の様式でも構成され得る。

0012

「含む(comprise)」(ならびに「comprises」および「comprising」などのcompriseのあらゆる形態)、「有する(have)」(ならびに「has」および「having」などのhaveのあらゆる形態)、ならびに「含む(include)」(ならびに「includes」および「including」などのincludeのあらゆる形態)という用語はオープンエンド連結動詞である。結果として、1つまたは複数の要素を「含む(comprises)」、「有する(has)」、または「含む(includes)」装置はそれら1つまたは複数の要素を保有しているが、それら1つまたは複数の要素のみを保有していることに限定されない。同様に、1つまたは複数の工程を「含む(comprises)」、「有する(has)」、または「含む(includes)」方法は1つまたは複数の工程を保有しているが、それら1つまたは複数の工程のみを保有していることに限定されない。

0013

装置、システム、および方法すべての任意の態様は、記載された工程、要素、および/または特徴のいずれかを含む(comprise)/有する(have)/含む(include)というよりは、むしろそれらからなるかまたはそれらから本質的になり得る。よって、任意のクレームにおいて、「からなる」または「から本質的になる」という用語が、所与のクレームの範囲をオープンエンドの連結動詞を用いた場合のものから変更するために、上記のオープンエンドの連結動詞のいずれとも置き換えられ得る。

0014

記載または図示されていなくとも、1つの態様の特徴が、本開示または態様の性質によって明示的に禁じられていない場合には他の態様に適用されてもよい。

0015

態様に関連するいくつかの詳細を上に記載しており、その他を下に記載している。

図面の簡単な説明

0016

次の図面は例示であり限定ではない。簡潔さおよび明瞭さのために、所与の構造のあらゆる特徴が、その構造が現れるあらゆる図面において常に符号付けされているわけではない。同一の参照番号が必ずしも同一の構造を表しているわけではない。むしろ、同じ参照番号が類似の特徴を、または類似の機能性を備えた特徴を表すために用いられていることもあるし、異なる参照番号が用いられていることもある。

0017

本積層板の第1の態様の上面図である。

0018

図1の積層板の層構成を示す。

0019

図1の線3-3に沿った、図1の積層板の横断面図である。

0020

本積層板の第2の態様の層構成を示す。

0021

本サンドイッチ複合材の態様を示す。

0022

本積層板およびサンドイッチ複合材の態様を製造するのに好適なプレスを示す。
本積層板およびサンドイッチ複合材の態様を製造するのに好適なプレスを示す。

0023

本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。

0024

比較積層板の画像である。

0025

図9A〜9Cは比較積層板の画像である。

0026

本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。
本積層板の態様の画像である。

0027

本サンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の態様の機械的特性を決定するために用いた3点曲げ試験を示す。

0028

図12A〜12Dはそれぞれ、本サンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の態様についての最大荷重、傾き、横せん断剛性、および曲げ剛性を示すチャートである。
図12Aの説明を参照。
図12Aの説明を参照。
図12Aの説明を参照。

0029

本サンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の態様の3点曲げ試験時の荷重対たわみのグラフである。

0030

3点曲げ試験時に本サンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の態様によって吸収されるエネルギーを示すチャートである。

0031

図15A〜15Dは、3点曲げ試験後の本サンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の態様のサンプルの画像である。
図15Aの説明を参照。
図15Aの説明を参照。
図15Aの説明を参照。

0032

詳細な説明
本積層板(例えば、下により詳細に記載する10a、10bなど)は、ポリマーマトリックス材料(例えば、22)内に分散した繊維(例えば、18)をそれぞれ含む3つ以上のUDラミナ(例えば、任意の3つ以上のUDラミナ14a〜14g)を含み得る。積層板が、(1)それぞれの繊維が第1の方向(例えば、30)に整列している1つまたは複数のUDラミナを有する内側部分(例えば、26)と、(2)それぞれの繊維が第1の方向に対して実質的に垂直(すなわち、垂直の10°以内)な第2の方向(例えば、38)に整列している1つまたは複数のUDラミナを有する第1の外側部分(例えば34a)と、(3)それぞれの繊維が第2の方向に整列している1つまたは複数のUDラミナを有する第2の外側部分(例えば、34b)とを含み、内側部分が第1の外側部分と第2の外側部分の間に配置されるように、UDラミナが層状に積み重ねられ得る。そのような積層板は、クロスプライ積層板と見なされ得る。少なくともこの様式では、本積層板のいくつかは、圧密化時および冷却時の湾曲を阻止することがある。

0033

いくつかの積層板では、内側部分のUDラミナの1つまたは複数の全体としての特質(例えば、全体としての厚さ、全体としての目付など)は、第1の外側部分のUDラミナおよび第2の外側部分のUDラミナのものとは異なる。ある部分のUDラミナの全体としての特質は、そのUDラミナのそれぞれからの寄与を含むが、存在する場合にはその部分の非UDラミナからのあらゆる寄与を除いた特質である。例示により説明すると、3つのUDラミナと1つの非UDラミナとのスタックを有する部分については、UDラミナの全体としての厚さ(これはその部分のUDラミナの厚さと呼ばれることがある)は、3つのUDラミナの厚さの合計である。そして、UDラミナの全体としての目付(これはその部分のUDラミナの目付と呼ばれることがある)は、3つのUDラミナの目付の合計である。

0034

少なくともこの様式では、本積層板のいくつかは、同じ厚さおよび/または同じ目付の0°ラミナおよび90°ラミナを有する従来の非対称積層板と同等の重量および/または厚さ(またはそれと比べて望ましくない増加のない重量および/または厚さ)を有することがある。例示により説明すると、各外側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付が内側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付の約半分である本積層板の1つは、同じ厚さおよび/または同じ目付の0°ラミナおよび90°ラミナを有する従来の非対称積層板と実質的に同じ厚さおよび/または目付を有し得る。

0035

ここで図1〜3を参照すると、本積層板の第1の態様10aが示されている。積層板10aは3つのUDラミナ14a、14b、および14cを含み得る。より具体的には、内側部分26、第1の外側部分34a、および第2の外側部分34bのそれぞれが、UDラミナのそれぞれ1つを含み得、内側部分はUDラミナ14bを含み得、第1の外側部分はUDラミナ14aを含み得、第2の外側部分はUDラミナ14cを含み得る。

0036

積層板10aでは、第1の外側部分34aにおけるUDラミナの全体としての厚さ46a(ラミナ14aの厚さに等しい)は、第2の外側部分34bのUDラミナの全体としての厚さ46b(ラミナ14cの厚さに等しい)と実質的に等しいものであり得る。内側部分26におけるUDラミナの全体としての厚さ42(ラミナ14bの厚さに等しい)は、厚さ46aおよび厚さ46bの約0.62倍であり得る。例示により説明すると、厚さ42は約0.156ミリメートル(mm)であり得、厚さ46aおよび46bはそれぞれ約0.250mmであり得る。各UDラミナ14a〜14cからの寄与を含みかつ、存在する場合には非UDラミナからの寄与を除いた、積層板10aにおけるUDラミナの全体としての厚さ58は、約0.66mmであり得、そのような全体としての厚さは、UDラミナ(特定の部分へ言及せずに)の全体としての厚さと呼ばれることがある。本開示において言及される厚さ(例えば、46a、46b、および58)は、圧密化前またはその後の厚さであり得る。

0037

第1の外側部分34aにおけるUDラミナの全体としての目付(ラミナ14aの目付に等しい)は、第2の外側部分34bにおけるUDラミナの全体としての目付(ラミナ14cの目付に等しい)と実質的に等しいものであり得る。内側部分26におけるUDラミナの全体としての目付(ラミナ14bの目付に等しい)は、第1の外側部分に関連する全体としての目付および第2の外側部分に関連する全体としての目付の約0.55倍であり得る。例示により説明すると、内側部分に関連する全体としての目付は約237グラム/平方メートル(gsm)であり得、第1および第2の外側部分に関連する全体としての目付はそれぞれ約428gsmであり得る。各UDラミナ14a〜14cからの寄与を含みかつ、存在する場合には非UDラミナからの寄与を除く、積層板10aにおけるUDラミナの全体としての目付は、約1093gsmであり得、そのような全体としての目付は、UDラミナ(特定の部分へ言及せずに)の全体としての目付と呼ばれることがある。

0038

積層板10aでは、本積層板の他のものと同様に、第1の外側部分34aのUDラミナは、第2の外側部分34bのUDラミナと実質的に同じ全体としての厚さおよび全体としての目付(上記)や、同じ繊維タイプおよびマトリックス材料(下記)を有し得る。この様式では、そのような積層板は、対称な積層板であると見なされることがある。

0039

ここで図4を参照すると、本積層板の第2の態様10bの層構成が示されている。積層板10bは4つのUDラミナ14d〜14gを含む。示されているように、内側部分26は2つのUDラミナ14eおよび14fを含み、第1の外側部分34aおよび第2の外側部分34bは、前記ラミナのうちの1つ、それぞれ14dおよび14gを含む。

0040

積層板10bでは、第1の外側部分34aにおけるUDラミナの全体としての厚さ(例えば、46a)(ラミナ14dの厚さに等しい)は、第2の外側部分34bにおけるUDラミナの全体としての厚さ(例えば、46b)(ラミナ14gの厚さに等しい)と実質的に等しいものであり得る。内側部分26におけるUDラミナの全体としての厚さ(例えば、42)(ラミナ14eの厚さ+ラミナ14fの厚さに等しい)は、第1の外側部分34aに関連する全体としての厚さおよび第2の外側部分34bに関連する全体としての厚さの約1.25倍であり得る。例示により説明すると、内側部分に関連する全体としての厚さは約0.312mmであり得、第1および第2の外側部分に関連する全体としての厚さはそれぞれ約0.250mmであり得る。積層板10bにおけるUDラミナの全体としての厚さ(例えば、58)は約0.812mmであり得る。

0041

第1の外側部分34aにおけるUDラミナの全体としての目付(ラミナ14dの目付に等しい)は、第2の外側部分34bのUDラミナの全体としての目付(ラミナ14gの目付に等しい)と実質的に等しいものであり得る。内側部分26におけるUDラミナの全体としての目付(ラミナ14eの目付プラス、ラミナ14fの目付に等しい)は、第1の外側部分に関連する全体としての目付および第2の外側部分に関連する全体としての目付の約1.11倍であり得る。例示により説明すると、内側部分に関連する全体としての目付は約474gsmであり得、第1および第2の外側部分に関連する全体としての目付はそれぞれ約428gsmであり得る。積層板10bにおけるUDラミナの全体としての目付は約1330gsmであり得る。

0042

表1〜8は、積層板10aおよび10bならびに本積層板のいくつかの他の態様の層構成を含む。
(表1)積層板10aの層構成


(表2)積層板10bの層構成


(表3)例示的積層板の層構成


(表4)例示的積層板の層構成


(表5)例示的積層板の層構成


(表6)例示的積層板の層構成


(表7)例示的積層板の層構成


(表8)例示的積層板の層構成

0043

本積層板の他の態様は、任意の好適な様式で積層板の内側部分(例えば、26)、第1の外側部分(例えば、34a)および第2の外側部分(例えば、34b)のそれぞれに分配され得る任意の好適な数のUDラミナ(例えば、3、4、5、6、7、8、9、10、またはそれより多くのUDラミナ)を含み得る。

0044

内側部分、第1の外側部分、および第2の外側部分それぞれのUDラミナは任意の好適な全体としての厚さを有し得る。例示により説明すると、内側部分のUDラミナの全体としての厚さ(例えば、42)、第1の外側部分のUDラミナの全体としての厚さ(例えば、46a)、および第2の外側部分のUDラミナの全体としての厚さ(例えば、46b)は、それぞれ0.10、0.12、0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34、0.36、0.38、0.40、0.42、0.44、0.46、0.48、0.50、0.52、0.54、0.56、0.58、または0.60mmのうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間であり得る。さらに例示により説明すると、内側部分に関連する全体としての厚さは、第1の外側部分に関連する全体としての厚さおよび第2の外側部分に関連する全体としての厚さの0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、または3.5倍のうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間(例えば、0.6〜3.25倍)であり得る。積層板におけるUDラミナの全体としての厚さは、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、または1.50mmのうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間(例えば、約0.40mm〜約1.0mm)であり得る。

0045

内側部分、第1の外側部分、および第2の外側部分それぞれのUDラミナは任意の好適な全体としての目付を有し得る。例示により説明すると、内側部分におけるUDラミナの全体としての目付、第1の外側部分におけるUDラミナの全体としての目付、および第2の外側部分におけるUDラミナの全体としての目付は、それぞれ200、225、250、275、300、325、350、375、400、425、450、475、500、525、550、575、600、625、650、675、700、725、750、775、800、825、850、875、900、または925gsmのうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間であり得る。さらに例示により説明すると、内側部分に関連する全体としての目付は、第1の外側部分に関連する全体としての目付および第2の外側部分に関連する全体としての目付の0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、または4.0倍のうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間(例えば、0.5〜3.7倍)であり得る。積層板におけるUDラミナの全体としての目付は、600、625、650、675、700、725、750、775、800、825、850、875、900、925、950、975、1000、1025、1050、1075、1100、1125、1150、1175、1200、1225、1250、1275、1300、1325、1350、1375、1400、1425、1450、1475、1500、1525、1550、1575、1600、1625、1650、1675、1700、1725、1750、1775、または1800gsmのうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間であり得る。

0046

少なくとも、外側部分および内側部分それぞれのUDラミナの全体としての厚さおよび/または目付を調節することによって、本積層板のいくつかは圧密化時および冷却時の湾曲を阻止しかつ、場合によっては、従来の非対称であり同じ厚さおよび/または同じ目付の0°ラミナおよび90°ラミナのものと同等の厚さおよび/または目付を有することがあるだけでなく、少なくともサンドイッチ複合材において用いられた場合、驚くべきことに、そのような従来の積層板がそのように用いられた場合と比較して、サンドイッチ複合材の向上した機械的特性(例えば、最大荷重、剛性、エネルギー吸収能力)をもたらすことがある。そのような積層板は、(1)内側部分のUDラミナの全体としての厚さが、第1の外側部分のUDラミナのものおよび第2の外側部分のUDラミナのものの1.5〜2.5倍(例えば、1.5〜2.0倍または約1.6倍)であり、かつ/または(2)内側部分のUDラミナの全体としての目付が、第1の外側部分のUDラミナのものおよび第2の外側部分のUDラミナのものの1.5〜2.5倍(例えば、1.5〜2.0倍または約1.8倍)であるものを含むことがある。

0047

そのような向上したサンドイッチ複合材の機械的特性は、その内側部分および外側部分では異なる繊維重量および/または体積分率を有する積層板を介しても得られることがあると考えられる。そのような積層板では、例えば、第1および第2の外側部分のUDラミナの繊維重量および/または体積分率は、内側部分のUDラミナの繊維重量および/または体積分率の95%未満(例えば、90%未満、85%未満、または80〜95%)であり得る。

0048

本積層板(例えば、10a、10bなど)のUDラミナ(例えば、14a〜14g)はUDテープから形成し得る。例えば、UDラミナは、UDテープの単一部分から、または互いに隣接して配置されたUDテープの複数部分から形成し得る。そのようなUDテープの非限定例ならびにそのようなUDテープを作製するためのシステムおよび方法は、(1)国際公開公報第WO 2016142784 A1号および(2)2018年3月13日に出願された「UNIDIRECTIONALFIBERTAPESAND METHODS AND SYSTEMS FOR PRODUCING THESAME」というタイトルの国際特許出願第PCT/IB2018/051673号に見出し得、これらのそれぞれはその全体において参照により本明細書に組み入れられる。

0049

本積層板(例えば、10a、10bなど)のUDラミナ(例えば、14a〜14g)は、例えば、炭素繊維ガラス繊維アラミド繊維ポリエチレン繊維ポリエステル繊維ポリアミド繊維セラミック繊維玄武岩繊維、および/または鋼繊維(例えば、炭素繊維および/またはガラス繊維)などの任意の好適な繊維(例えば、18)を含み得る。所与の積層板内では、UDラミナは必ずしもそうである必要はないが同じタイプの繊維を含み得、例えば、いくつかの積層板では、(例えば、外側部分のそれぞれの)1つまたは複数のUDラミナがガラス繊維を含み得、(例えば、内側部分の)1つまたは複数のUDラミナが炭素繊維を含み得る。

0051

UDラミナ(例えば、14a〜14gのいずれか)のポリマーマトリックス材料(例えば、22)は、難燃剤を含み得、例えば、ホスフェート構造(例えば、レゾルシノールビス(ジフェニルホスフェート))、スルホン化塩、ハロゲンリンタルクシリカ水和酸化物臭素化ポリマー塩素化ポリマーリン含有ポリマーナノクレイオルガノクレイポリホスホネート、ポリ[ホスホネート-コ-カーボネート]、ポリテトラフルオロエチレンとスチレン-アクリロニトリルとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレンとメタクリル酸メチルとの共重合体、ポリシリキサン(polysilixane)共重合体などを含み得る。

0052

UDラミナ(例えば、14a〜14gのいずれか)のポリマーマトリックス材料(例えば、22)は、1つまたは複数の添加剤、例えば、ラミナのポリマーマトリックス材料と繊維(例えば、18)との接着を促進するためのカップリング剤酸化防止剤熱安定剤流動性改良剤、安定剤、UV安定剤、UV吸収剤耐衝撃性改良剤架橋剤、着色剤、またはそれらの組み合わせを含み得る。カップリング剤の非限定例は、DUPONTから市販されているPOLYBOND 3150無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレン、DUPONTから市販されているFUSABOND P613無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレン、無水マレイン酸エチレン、またはそれらの組み合わせを含む。流動性改良剤の非限定例は、POLYVEL INCから市販されているCR20P過酸化物マスターバッチである。熱安定剤の非限定例は、BASFから市販されているIRGANOX B225である。UV安定剤の非限定例は、ヒンダードアミン光安定剤ヒドロキシベンゾフェノンヒドロキシフェニルベンゾトリアゾールシアノアクリレートオキサニリド、ヒドロキシフェニルトリアジン、およびそれらの組み合わせを含む。UV吸収剤の非限定例は、4-置換-2-ヒドロキシベンゾフェノンおよびそれらの誘導体、サリチル酸アリールジフェノールモノエステル、例えば、レゾルシノールモノベンゾエート、2-(2-ヒドロキシアリール)-ベンゾトリアゾールおよびそれらの誘導体、2-(2-ヒドロキシアリール)-1,3,5-トリアジンおよびそれらの誘導体、またはそれらの組み合わせを含む。耐衝撃性改良剤の非限定例は、1つまたは複数のマトリックス形モノマーに溶解させたエラストマー/ソフトブロック(例えば、バルHIPS、バルクABS、リアクター修飾(reactor modified) PP、LOMOD、LEXAN EXLなど)、配合によってマトリックス材料に分散させた熱可塑性エラストマー(例えば、ジ、トリ、およびマルチブロックコポリマー、(官能化)オレフィン(コ)ポリマーなど)、配合によってマトリックス材料に分配させた事前に規定したコアシェル(基材グラフト粒子(例えば、MBS、ABS-HRG、AA、ASA-XTW、SWIMなど)、またはそれらの組み合わせを含む。架橋剤の非限定例は、ジビニルベンゼン過酸化ベンゾイルアルキレンジオールジ(メタ)アクリレート(例えば、グリコールビスアクリレートなど)、アルキレントリオールトリ(メタ)アクリレート、ポリエステルジ(メタ)アクリレート、ビスアクリルアミドトリアリルシアヌレートトリアリルイソシアヌレートアリル(メタ)アクリレート、ジアリルマレエートジアリルフマレート、ジアリルアジペートクエン酸トリアリルエステルリン酸のトリアリルエステル、またはそれらの組み合わせを含む。そのような1つまたは複数の添加剤は、未希釈のポリプロピレンを含み得る。

0053

ここで図5を参照すると、本サンドイッチ複合材の1つの態様500が示されている。サンドイッチ複合材500はコア504を含み得、当該コア504は1つまたは複数のコア層を含み得る。示されているように、サンドイッチ複合材500は、コア504の両側に接着された2つの本積層板10(例えば、上に記載の積層板のうちの任意の2つ)を含む。そのような接着は、例えば、熱および圧力の印加接着剤(例えば、粘着フィルム508)などを介して達成し得る。コア504の厚さ512は、該コアの一方の側にある積層板のUDラミナの厚さ(例えば、58)および該コアの他方の側にある積層板のUDラミナの厚さ(例えば、58)の15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、または65倍のうちのいずれか1つより大きいかもしくは実質的に同じであるかまたはそれらのうちの任意の2つの間(例えば、20〜60倍、35〜50倍、または約40倍)であり得る。

0054

コア504または該コアのいずれかの層は、例えば、発泡体(例えば、連続気泡独立気泡など)、ハニカム構造(例えば、発泡体を含みかつ/またはこれで充填され得る)、木材、熱可塑性材料(例えば、上に記載の熱可塑性材料のいずれか)などの任意の好適な材料を含み得る。サンドイッチ複合材500は、コア504および積層板10に加えて、箔層メッシュ層などの1つまたは複数の層を含み得る。

0055

本方法のいくつかの態様は、積層板の層構成に従って3つ以上のUDラミナを積層(stack)すること、ならびにスタックに熱および圧力を印加してスタックを圧密化することによって、1つまたは複数の積層板(例えば、上記の任意の積層板のうちの1つまたは複数)のそれぞれを形成する工程を含む。そのような熱および圧力は、ダブルベルトプレスベルト(例えば、ダブルベルトプレス600のベルト604、図6)間、静的プレスのプラテン(例えば、静的プレス700のプラテン704、図7)間などでスタックをプレスすることによって印加し得る。いくつかの方法は、2つのそのような積層板をコア(例えば、504)の両側に接着してサンドイッチ複合材(例えば、500)を形成する工程を含む。そのような接着はダブルベルトプレス(例えば、600)を用いて実施し得、例えば、それぞれのロールから積層板が巻き出され、積層板間にコアが配置された状態でダブルベルトプレスのベルト(例えば、604)間に供給され得る。そのような接着は、コアが積層板間に配置され、コアおよび積層板がプレスのプラテン(例えば、704)間でプレスされる静的プレス(例えば、700)を用いて実施し得る。

0056

本積層板のいくつかは、それぞれがポリマーマトリックス材料と該ポリマーマトリックス材料内に分散した繊維とを有する3つ以上のUDラミナを含み、積層板が、(1)1つまたは複数のUDラミナを有する内側部分であって、該UDラミナの各々において繊維が第1の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として厚さを有する、内側部分と、(2)該内側部分の両側に配置された第1および第2の外側部分であって、該外側部分の各々が1つまたは複数のUDラミナを含み、該UDラミナの各々において繊維が第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として厚さを有する、外側部分とを含み、第1の外側部分の厚さが第2の外側部分の厚さと実質的に等しく、かつ内側部分の厚さが第1の外側部分の厚さおよび第2の外側部分の厚さの0.6〜3.24倍であるように、UDラミナが層状に積み重ねられており、UDラミナの全体としての厚さは約0.5mm〜約1.0mmである。

0057

いくつかの積層板では、内側部分の厚さは約0.16mmであり、第1の外側部分の厚さおよび第2の外側部分の厚さはそれぞれ約0.25mmである。いくつかの積層板では、内側部分の厚さは約0.25mmであり、第1の外側部分の厚さおよび第2の外側部分の厚さはそれぞれ約0.16mmである。いくつかの積層板では、内側部分の厚さは約0.32mmであり、第1の外側部分の厚さおよび第2の外側部分の厚さはそれぞれ約0.25mmである。いくつかの積層板では、内側部分の厚さは約0.50mmであり、第1の外側部分の厚さおよび第2の外側部分の厚さはそれぞれ約0.16mmである。

0058

いくつかの積層板では、内側部分のUDラミナの全体としての目付は、第1の外側部分のUDラミナの全体としての目付および第2の外側部分のUDラミナの全体としての目付の0.5〜3.6倍である。いくつかの積層板では、UDラミナの全体としての目付は約850gsm〜約1300gsmである。

0059

いくつかの積層板では、繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、セラミック繊維、玄武岩繊維、および/または鋼繊維を含む。いくつかの積層板では、繊維は、炭素繊維および/またはガラス繊維を含む。

0060

いくつかの積層板では、ポリマーマトリックス材料は熱可塑性マトリックス材料を含み、任意で、熱可塑性マトリックス材料は、PET、PC、PBT、PCCD、PCTG、PPO、PP、PE、PVC、PS、PMMA、PEIもしくはその誘導体、TPE、TPAエラストマー、PCT、PEN、PA、PSS、PEEK、PEKK、ABS、PPS、それらのコポリマー、またはそれらのブレンドを含む。いくつかの積層板では、熱可塑性マトリックス材料はPPを含む。

0061

本サンドイッチ複合材のいくつかは、1つまたは複数のコア層を含むコアと、コアの両側に配置された2つの本積層板とを含む。いくつかのサンドイッチ複合材では、コア層の少なくとも1つは、発泡体および/またはハニカム構造を含む。

0062

本方法のいくつかは、少なくとも、3つ以上のUDラミナを積層(stack)してスタックを形成することによって、1つまたは複数の積層板のそれぞれを形成する工程であって、該UDラミナがそれぞれ、ポリマーマトリックス材料内に分散した繊維を含み、該スタックが、(1)1つまたは複数のUDラミナを有する内側部分であって、該UDラミナの各々において繊維が第1の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として目付を有する、内側部分と、(2)該内側部分の両側に配置された第1および第2の外側部分であって、該外側部分の各々が1つまたは複数のUDラミナを含み、該UDラミナの各々において繊維が第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に整列しており、かつ該1つまたは複数のUDラミナが全体として目付を有する、外側部分とを含み、第1の外側部分の目付が第2の外側部分の目付と実質的に等しく、内側部分の目付が第1の外側部分の目付および第2の外側部分の目付の0.5〜3.6倍であり、UDラミナの全体としての目付が約850gsm〜約1300gsmである、工程;ならびにスタックに熱および圧力を印加してスタックを圧密化する工程を含む。

0063

いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、内側部分の目付が約228gsmであり、第1の外側部分の目付および第2の外側部分の目付がそれぞれ約410gsmである。いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、内側部分の目付が約410gsmであり、第1の外側部分の目付および第2の外側部分の目付がそれぞれ約228gsmである。いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、内側部分の目付が約456gsmであり、第1の外側部分の目付および第2の外側部分の目付がそれぞれ約410gsmである。いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、内側部分の目付が約810gsmであり、第1の外側部分の目付および第2の外側部分の目付がそれぞれ約228gsmである。いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、内側部分の目付が約456gsmであり、第1の外側部分の目付および第2の外側部分の目付がそれぞれ約228gsmである。

0064

いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、内側部分のUDラミナの全体としての厚さが、第1の外側部分のUDラミナの全体としての厚さおよび第2の外側部分のUDラミナの全体としての厚さの0.6〜3.25倍である。いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、UDラミナの全体としての厚さが約0.50mm〜約1.0mmである。

0065

いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、セラミック繊維、玄武岩繊維、および/または鋼繊維を含む。いくつかの方法では、繊維は、炭素繊維および/またはガラス繊維を含む。

0066

いくつかの方法では、少なくとも1つの積層板のスタックについては、ポリマーマトリックス材料は熱可塑性マトリックス材料を含み、任意で、熱可塑性マトリックス材料は、PET、PC、PBT、PCCD、PCTG、PPO、PP、PE、PVC、PS、PMMA、PEIまたはその誘導体、TPE、TPAエラストマー、PCT、PEN、PA、PSS、PEEK、PEKK、ABS、PPS、それらのコポリマー、またはそれらのブレンドを含む。いくつかの方法では、熱可塑性マトリックス材料はPPを含む。

0067

いくつかの方法では、積層板は第1および第2の積層板を含み、方法は第1および第2の積層板をコアの両側に接着する工程を含む。いくつかの方法では、コアは発泡体および/またはハニカム構造を含む。いくつかの方法では、第1および第2の積層体をコアの両側に接着する工程は、ダブルベルトプレスまたは静的プレスを用いて実施される。

0068

本発明を具体的な実施例によってさらに詳細に説明する。以下の実施例は、説明目的においてのみ提示され、本発明を何ら限定することを意図していない。当業者であれば、本質的に同じ結果が得られる、変更または改変され得る種々の重要性が低いパラメータを容易に認識するであろう。

0069

実施例1
サンプル積層板および比較積層板
A.サンプル積層板および比較積層板の湾曲I
図8Aおよび8Bは、本積層板(当該積層板は「サンプル積層板」と呼ばれることがある)の態様804aおよび804bそれぞれの画像である。これら積層板のラミナは、それぞれガラス繊維およびポリプロピレンマトリックス材料を含んでいた。積層板804aおよび804bは対称であり、下の表9に提供されている層構成を有していた。

(表9)積層板804aおよび804bの層構成

0070

それらの層構成の対称性により、積層板804aおよび804bは、圧密化時および冷却時に示される湾曲が最小限であった(図8Aおよび8B)。

0071

単一の0°ラミナおよび単一の90°ラミナからなる非対称な層構成を有する比較積層板808を調製した。積層板804aおよび804bと同様に、積層板808のラミナは、それぞれガラス繊維およびポリプロピレンマトリックス材料を有していた。図8Cに示されるように、積層板808は、少なくとも積層板804aおよび804bと比較すると、圧密化時および冷却時に著しく湾曲した。

0072

B.サンプル積層板および比較積層板の湾曲II
サンプル積層板および比較積層板はそれぞれ、UDテープの1つまたは複数のロールからラミナを切り取り、ラミナを積層(stack)し、ダブルベルトプレスを用いてスタックを圧密化することによって調製した。ダブルベルトプレスへのスタックの供給時にラミナのずれを軽減するために、各スタックにおいて、まずスタックの前縁(スタックがダブルベルトプレスに導入される縁)に沿ってラミナを互いにスポット溶接した。表10に記載されたパラメータ用いてダブルベルトプレスを操作した。

(表10)ダブルベルトプレス操作パラメータ

0073

積層板を製造するために用いたUDテープはそれぞれ、表11におけるそれぞれの特性を有するガラス繊維およびポリプロピレンマトリックス材料を含んでいた。

(表11)UDテープ繊維およびマトリックス材料の特性*

サプライヤーデータシートからの値。

0074

UDテープは、異なる厚さと繊維分率とを有する2タイプのうちの各一方である。これらのUDテープタイプの特性を表12に含む。

(表12)UDテープ特性

*厚さおよび繊維重量分率は測定し、他のすべての特性はAUTAR K. KAW, MECHANICS OF COMPOSITEMATERIALS(2nd ed. 2006)に記載のように算出した。
下に検討するUDテープまたはラミナのUDテープタイプはその厚さを用いて特定し得、厚さ0.156mmのUDテープまたはラミナはUDテープ1であり、厚さ0.250mmのUDテープまたはラミナはUDテープ2である。

0075

積層板は、それぞれがC1〜C3タイプの1つである比較非対称積層板およびそれぞれがS1〜S8タイプの1つであるサンプル対称積層板を含んでおり、各タイプ毎にいくつかの積層板を製造した。これらの積層板タイプの特性を下の表13に含む。

(表13)サンプル積層板および比較積層板の特性

0076

図9A〜9Cは、C1積層板の1つ(図9A)、C2積層板の1つ(図9B)、およびC3積層板の1つ(図9B)を示す。これらの図のそれぞれでは、0°ラミナの繊維は左から右に伸びている。示されているように、比較積層板は著しく湾曲した。そのような湾曲の程度および方向は層構成に依存していた。例示により説明すると、より厚いラミナを備えたC1積層板はより薄いラミナを備えたC2積層板よりも湾曲が少なかった。さらに説明すると、それぞれ等しい厚さの0°ラミナおよび90°ラミナを有するC1およびC2積層板は主に0°方向を中心にカールした一方で、90°ラミナが0°ラミナよりも厚いC3ラミナは主に90°方向を中心にカールした。

0077

図10A〜10Hは、S1積層板の1つ(図10A)、S2積層板の1つ(図10B)、S3積層板の1つ(図10C)、S4積層板の1つ(図10D)、S5積層板の1つ(図10E)、S6積層板の1つ(図10F)、S7積層板の1つ(図10G)、およびS8積層板の1つ(図10H)を示す。図9A〜9Cと同様に、図10A〜10Hのそれぞれにおいて0°ラミナの繊維は左から右に伸びている。S1〜S8積層板に包含される層構成の範囲にかかわらず、これらは、少なくとも部分的には層構成が対称であるので、示された湾曲が最小限であった。

0078

実施例2
サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材
A.サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の製造
サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材はそれぞれ、2つのサンプル積層板または比較積層板を発泡体コアの両側に、各積層板とコアとの間に粘着フィルムを据えた状態で、配置することによって製造した。各サンドイッチ複合材について、発泡体コアはARMACEL structural PET-W(溶接)を含みかつ24mmの厚さ、70kg/m3の密度および13MPaのせん断弾性率を有し、粘着フィルムはそれぞれFAITERM A77-100を含みかつ100μmの厚さおよび960kg/m3の密度を有していた。

0079

サンドイッチ複合材はそれぞれ、サンドイッチ複合材コンポーネント間の良好な接着を確実にするためのいくつかの試験に基づいて選択された同じ手順を用いて静的プレスにより圧密化された。プレス手順は次のとおりであった:
1.プレスを150℃まで予熱した。
2.圧密化されていないサンドイッチ複合材のレイアップを、プレス内に配置したスチール金型内に配置した。
3.プレスによって4barの圧力をサンドイッチ複合材に(金型を介して)印加した。
4.依然として圧力を加えたまま、金型を毎分15℃で520秒間冷却した(これは、粘着フィルムの活性化を望ましくなく阻害することなくコアへの熱浸透を低減させた)。
5.圧力を取り除き、金型をプレスから取り出し、圧密化されたサンドイッチ複合材を金型から回収し、その後、室温まで冷却させた。

0080

2セットの比較サンドイッチ複合材を製造した:(1)それぞれがC1積層板を有するPC1セットおよび(2)それぞれがC2積層板を有するPC2セット。そして、2セットのサンプルサンドイッチ複合材を製造した:(1)それぞれがS3積層板を有するPS3セットおよび(2)それぞれがS4積層板を有するPS4セット。各サンドイッチ複合材セット毎のサンドイッチ複合材特性の平均値を表14に提供する。

(表14)サンドイッチ複合材特性*

*すべての特性を測定した。

0081

B.サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の構造試験
サンドイッチ複合材の各セットからの6つのサンプルをASTM7250に準拠した3点曲げ試験に供した。ASTM C393に従って作製したサンプルはそれぞれ幅および長さが同じ200mmであり、サンプルの最も外側のラミナの繊維はその長さ方向に沿って延在していた。図11は試験セットアップの概略図である。示されているように、試験するサンプル1100は2つの支持棒1104に支持され、その長さ方向は支持棒に対して垂直である。各支持棒1104の、サンプル1100と接触する部分間の距離である支持径間長1108は、150mmであった。負荷棒1108を用いて、サンプルの支持部分の中間に位置するサンプル1100の部位に下向きの荷重1112を増加させながら加えた。

0082

3点曲げ試験の結果を表15および図12A〜12Dに示す。

(表15)サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の3点曲げ試験の結果

所与のサンプル、ひいては該サンプルが由来するサンドイッチ複合材については、最大荷重はサンプルの試験時に到達した最大荷重であり、傾きはサンプルの荷重対たわみ曲線の荷重50Nと250Nの間(その曲線線形領域またはフック領域を表す)での傾きであり、Uはサンプルの横せん断剛性であり、Dはサンプルの曲げ剛性である。

0083

最大荷重から始めると(図12A)、PS4サンドイッチ複合材は他のサンドイッチ複合材よりも優れていた。これは比較的厚い(0.250mm)最も外側のラミナを有するPS4サンドイッチ複合材の積層板による可能性がある(上で説明したように、サンドイッチ複合材の、ひいてはその積層板の、最も外側のラミナは、繊維が長手方向にあり試験時の荷重に最も耐えられるように配置されていた)。PS4サンドイッチ複合材はまた最も高い目付を有していた(表14)。PS4サンドイッチ複合材と同様に、PS3サンドイッチ複合材はPC1およびPC2サンドイッチ複合材のどちらよりも優れており、よって対称積層板を有するサンドイッチ複合材は非対称積層板を有するサンドイッチ複合材よりも優れていた。

0084

意外にも、PS3サンドイッチ複合材はPC1サンドイッチ複合材よりも2%重いだけにもかかわらず12%多くの負荷に耐えた(表14)。そして、PS3サンドイッチ複合材はPC2サンドイッチ複合材よりも47%多くの負荷に耐えたが、29%重いだけであった。別の言い方をすると、PS3サンドイッチ複合材はPC1サンドイッチ複合材よりも強度対重量比が10%高く、PC2サンドイッチ複合材よりも14%高かった。

0085

これらの結果の驚くべき性質は、PC1およびPS3サンドイッチ複合材の積層板の層構成を比較することによって確認し得る。PC1サンドイッチ複合材の積層板はそれぞれ、厚さ0.250mmの0°ラミナおよび厚さ0.250mmの90°ラミナを含んでいた(表13)。同様に、PS3複合材の積層板はそれぞれ、厚さ0.250mmの0°ラミナと、PC1サンドイッチ複合材の各積層板の単一の90°ラミナのもの(0.250mm)よりわずかに大きい全体としての厚さ(0.312mm)を有していたが、PC1サンドイッチ複合材の各積層板の単一の90°ラミナの繊維重量分率(71.69%)よりわずかに低い繊維重量分率(61.71%)を有していた2つの90°ラミナとを含んでいた(表12および13)。PC1およびPS3サンドイッチ複合材は、したがって、同様に機能すると予想された。理論に拘束されることを望むものではないが、0°ラミナの片側に配置された全厚の90°ラミナよりもむしろ0°ラミナの両側に配置されたほぼ半分の厚さの90°ラミナを含む積層板(またはこの文章における90°を0°に換え、0°を90°に換えたもの)は、少なくともサンドイッチ複合材において用いられると、対称な層構成の利点(上に記載)を享受するだけでなく、向上した性能も有する(最大荷重がより高くかつ、下に示すように、剛性およびエネルギー吸収能力がより高い)。

0086

傾きに目を向けると(図12B)、PS4サンドイッチ複合材は他のサンドイッチ複合材よりも優れており、これは最大荷重に関して上に記載したのと同じ理由による可能性がある。PS3サンドイッチ複合材の傾きの改善が、最大荷重の改善よりも小さいものの、PC1サンドイッチ複合材(2%)およびPC2複合材(21%)と比べると存在していた。また、対称積層板を有するサンドイッチ複合材は非対称積層板を有するサンドイッチ複合材よりも優れていた。

0087

横せん断剛性に関しては(図12C)、PC1、PC2、PS3、およびPS4サンドイッチ複合材は同様に機能した。しかしながら、サンドイッチ複合材の曲げ剛性(図12D)は顕著な差を示した。最大荷重および傾きと同様に、おそらく同じ理由でPS4サンドイッチ複合材が他のサンドイッチ複合材よりも優れていた。またもやPS3サンドイッチ複合材は予想外に機能し、PC1サンドイッチ複合材よりも2%重いだけにもかかわらず、PS3サンドイッチ複合材は曲げ剛性がPC1サンドイッチ複合材よりも14%高く、PS3サンドイッチ複合材は曲げ剛性がPC2サンドイッチ複合材よりも223%高かったが、PC2サンドイッチ複合材よりも29%重いだけであった。そのような性能は、最大荷重に関して上に記載したPS3複合材の構造の結果である可能性がある。最大荷重および傾きと同様に、対称積層板を有するサンドイッチ複合材は非対称積層板を有するサンドイッチ複合材よりも優れていた。

0088

図13は、各サンプルの荷重対たわみ曲線を示す。これらの曲線を積分することによって、各サンプルによって吸収されたエネルギーを決定して、サンプルが由来するそれぞれのサンドイッチ複合材に帰属するこれらのエネルギーを表16に提供し、図14にグラフ化する。

(表16)サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材によって吸収されたエネルギー

0089

対称積層板を有するPS3およびPS4サンドイッチ複合材が再び、非対称積層板を有するPC1およびPC2サンドイッチ構造体よりも優れていただけでなく、PS3サンドイッチ複合材が継続して予測外の結果を示した。PS3サンドイッチ複合材はPC1サンドイッチ複合材よりも2%重いだけであったが、PC1サンドイッチ複合材よりも236%多くエネルギーを吸収した。そして、PC2サンドイッチ複合材より29%重いだけであったが、PS3サンドイッチ複合材はPC2サンドイッチ複合材より560%多くエネルギーを吸収した。

0090

Cサンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の構造解析
上の試験結果を検証するために、PC1、PC2、PS3、およびPS4サンドイッチ複合材の構造解析を実施した。荷重(P)に対する所与のサンドイッチ複合材のたわみ(δ)は次のようにモデル化し得る:

式中、lおよびbはそれぞれサンドイッチ複合材の長さおよび幅であり、Efおよびtはそれぞれサンドイッチ複合材の各積層板の弾性率および厚さであり、

およびcはそれぞれサンドイッチ複合材のコアのせん断弾性率および厚さである。LORNA J.GIBSON &MICHAEL F. ASHBY, CELLULAR SOLIDS (2nd ed. 1997)。B1およびB2は値が荷重シナリオに応じて異なる定数であって、3点曲げについては、B1は48に等しく、B2は4に等しい。Id.サンドイッチ複合材の傾きは

のように表され得る。

0091

上の式を用いて、PC1、PC2、PS3、およびPS4サンドイッチ複合材の傾きおよび目付を算出し、これらの値と、それらの対応する測定値(表14および15)との比較を表17に含む。

(表17)サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の傾きおよび目付の算出値と測定値

示されているように、実験と理論とは十分に一致していた。

0092

D.サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の破損モード
各サンプルの破損モードはASTMC393に記載のサンドイッチパネル3部破損識別コード(sandwich panel three part failure identification code)を用いて特性決定した。これらの特性を表18に含む。

(表18)サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の破損モード

PS3サンドイッチ複合材のサンプル2を除いて、サンプルは、(1)コアに面する接着部での層間剥離(DAA)を介して荷重棒に近接して、または(2)サンプルのゲージ部分におけるコアの横せん断(SGC)を介してのいずれかで破損した。PS3サンドイッチ複合材のサンプル2は荷重棒に近接したコアの粉砕(CAV)により破損した。これらの破損を示したサンプルの試験後の画像を15A〜15Dに示しており、PC1サンプルについては図15A、PC2サンプルについては図15B、PS3サンプルについては図15C、およびPS4サンプルについては図15Dである。

0093

上の最大荷重、傾き、曲げ剛性のデータに対して破損モードのデータを比較すると、より強固なサンドイッチ複合材はコアのせん断を介して破損し、より軟弱なサンドイッチ複合材は積層板・コアの層間剥離を介して破損したことが確認された。例示により説明すると、最も強固なPS4サンドイッチ複合材はそれぞれコアのせん断を介して破損し、最も軟弱なPC2複合材はそれぞれ積層板・コアの層間剥離を介して破損した。

0094

E.サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材の破損モード解析
なぜ所与のサンドイッチ複合材がコアのせん断を介して破損した、つまりこれはより強固なサンドイッチ複合材であり、積層板・コアの層間剥離を介して破損した、つまりこれはより軟弱なサンドイッチ複合材であったかをよりよく理解するために、これらの破損のメカニズム調査し比較した。

0095

サンドイッチ複合材がコアのせん断を介して破損(例えば、SGC破損)する荷重であるPcsは:

によって近似し得、式中

はコアのせん断強度であり、これらの実施例で用いられたコアについては0.5MPaであった。そして、サンドイッチ複合材が積層板・コアの層間剥離を介して破損(例えば、DAA破損)する荷重であるPbfは

によって近似し得、式中Gcは、各積層板とコアとの間の接着剤の靭性(これは各サンプル複合材および比較複合材毎に同じと仮定した)である。B3およびB4は値が荷重シナリオに応じて異なる定数であって、3点曲げについては、B3は2と等しく、B4は4に等しい。

0096

式(3)および(4)から、サンドイッチ複合材がせん断によるかまたは層間剥離により破損するかどうかを予測するためのパラメータTが存在することが示され得る:

TがGcより大きい場合、破損は層間剥離によるはずであり、TがGcより小さい場合、破損はせん断によるはずである。PC1、PC2、PS3、およびPS4サンドイッチ複合材毎のT値を算出し、表19に含む。

(表19)サンプルサンドイッチ複合材および比較サンドイッチ複合材毎のT値

0097

予測されたとおり、T値が最も低いサンドイッチ複合材であるPS4サンドイッチ複合材はコアのせん断により破損し、T値が最も高いサンドイッチ複合材であるPC2サンドイッチ複合材は積層板・コアの層間剥離により破損した(表18)。意外にも、PC1およびPS3サンドイッチ複合材はT値が類似していたにもかかわらず、PC1複合材の半数は層間剥離により破損した一方で、PS3複合材は層間剥離により破損したものはなかった。

0098

上の明細書および実施例は例示的な態様の構造および使用の完全な説明を提供している。特定の態様をある程度具体的にまたは1つもしくは複数の個別の態様を参照して上に説明したが、当業者であれば本発明の範囲から逸脱することなく開示の態様に多数の変更を加え得る。したがって、方法およびシステムの様々な例示的な態様が開示の特定の形態に限定されることを意図してはいない。むしろ、それらはクレームの範囲内に入るすべての修飾物および代替物を含み、示されたもの以外の態様は図示された態様の特徴の一部またはすべてを含むことがある。例えば、構成要素を省略するかまたは単一構造として組み合わせてもよく、かつ/または連結部を置き換えてもよい。さらに、適切であれば、上に記載の例のいずれかの局面を記載の他の例の局面と組み合わせて、同等もしくは異なる特性および/または機能を有しかつ同じまたは異なる課題に対処するさらなる例を形成してもよい。同様に、上記の利点およびメリットは1つの態様に関連することがあるか、またはいくつかの態様に関連することがあると理解されるであろう。

実施例

0099

請求項は、ミーンズ・プラスまたはステップ・プラス・ファンクションの限定を、そのような限定が「〜のための手段」または「〜のための工程」という表現をそれぞれ用いて所与の請求項において明示的に記載されていない限り、含むことを意図しておらず、また含むように解釈されるべきではない。

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