JP2023554637A - Composite materials and structures - Google Patents

Abstract

明細書において、ナノ材料、可変ピッチ及び部分スパイラルを組み合わせることによって耐衝撃性を向上させた螺旋レイアップを設計・製造する技術的特徴が記載されている。薄い一方向ファイバプライ、ハイブリッド材料、及び／又は一プライ内の湾曲ファイバ。所定の仕方で作られた螺旋構造物は、弾道特性、打撃力又は異物衝撃によって開始される伝搬衝撃波を減衰するために所望の波長に合わせて調整されるとともにピッチ設定されるのがよく、そうすると突発破断を含む破断の伝搬を制止することができる。これらの技術的改良により、かかる用途において、消費製品、保護具、スポーツ用品、衝突保護器具、風力タービン翼、極低温タンク、圧力容器、バッテリケーシング、自動車部品、航空宇宙用材料、建築資材、及び他の複合製品として使用できるようにするための螺旋技術が開拓される。Technical features are described herein to design and manufacture a helical layup with improved impact resistance by combining nanomaterials, variable pitch, and partial spirals. Thin unidirectional fiber plies, hybrid materials, and/or curved fibers within one ply. The helical structure created in a predetermined manner may be tuned and pitched to a desired wavelength to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, striking force or foreign object impact. Propagation of fractures including sudden fractures can be inhibited. These technological improvements have enabled such applications to be used in consumer products, protective equipment, sporting goods, crash protection equipment, wind turbine blades, cryogenic tanks, pressure vessels, battery casings, automotive parts, aerospace materials, construction materials, and Spiral technology is developed for use in other composite products.

Description

本開示は、耐ショック・インパクト性（総称して「耐衝撃性」という）構造物に関する。特に、本開示は、螺旋アーキテクチャを有する材料の実施形態に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to shock and impact resistant (collectively "impact resistant") structures. In particular, the present disclosure relates to embodiments of materials having a helical architecture.

開示する実施形態は、政府支援又は契約下においてなされたというものでは決してない。政府は、本発明に関して何ら権利をもたない。 The disclosed embodiments were not made under any government sponsorship or contract. The Government has no rights in this invention.

〔関連出願の参照〕
本願は、２０２０年１２月１７日に出願された米国特許出願第１７／２４７，６０３号、及び２０２１年６月２８日に出願された米国特許出願第１７／３０４，９０２号の権益主張出願である。上記米国特許出願を参照により引用し、目的が何であれ、どの目的についても参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。 [Reference to related applications]
This application is a filing claiming benefit of U.S. Patent Application No. 17/247,603 filed on December 17, 2020 and U.S. Patent Application No. 17/304,902 filed on June 28, 2021. be. The above US patent applications are incorporated by reference for all purposes and are incorporated herein by reference.

米国特許第６，６４１，８９３号明細書及び同第９，４５２，５８７号明細書は、個々の層を隣接の層に対して既定の角度で縦軸又はｘ－ｙ軸に沿って回転させてｚ方向螺旋繊維配向スタック（すなわち、積層物）を形成する繊維強化弾性複合プライ積み重ね方式を記載しており、これら米国特許の各々を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。この螺旋クロッキング（helicoidal clocking）は、特定の螺旋状ピッチ又は回転偏光を作るために選択されるのがよい。これらのピッチがつけられた繊維の集成から形成されるスパイラル（螺旋体）は、弾道特性、打撃力又は異物の衝撃によって開始される伝搬衝撃波を減衰するために特定の波長に合わせて調整されるのがよく、かかるスパイラルは、強靱にするための母材添加物を含むので突発破断の伝搬を制止することができ、また、かかるスパイラルは、鈍い又は鋭い衝撃から生じる破断をさらに制止するように繊維と母材樹脂との弾性モジュラス差を利用するために作られるのがよい。 U.S. Pat. No. 6,641,893 and U.S. Pat. No. 9,452,587 rotate individual layers relative to adjacent layers at predetermined angles along longitudinal or xy axes. each of these U.S. patents is incorporated by reference and the disclosure thereof is incorporated herein by reference. shall be. This helicoidal clocking may be selected to create a particular helical pitch or rotational polarization. Spirals formed from these pitched fiber assemblages can be tuned to specific wavelengths to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, impact forces, or foreign object impacts. Often, such spirals contain matrix additives to toughen them, thereby inhibiting the propagation of sudden fractures, and such spirals contain fibers to further inhibit fractures resulting from blunt or sharp impacts. It is preferable to make use of the difference in elastic modulus between the resin and the base resin.

米国特許第６，６４１，８９３号明細書US Patent No. 6,641,893 米国特許第９，４５２，５８７号明細書US Patent No. 9,452,587

本開示は、例えばポリマーを主成分とする複合材料のスタックとして配置された薄型一方向（ＴＰＵＤ）、薄手プライ織布（ＴＰＷ）、疑似一方向織布（ＱＵＤＷ）及びハイブリッド繊維強化螺旋材料から耐衝撃性構造物を設計・製造する技術的特徴を記載する。また、想定される構造物、すなわち、消費製品、保護具、スポーツ用品、衝撃保護器具、風力タービン翼、極低温タンク、自動車部品、航空宇宙用材料、建築資材、及び他の複合製品を有する装置が記載される。 The present disclosure discloses methods for making durable materials from thin unidirectional (TPUD), thin ply woven (TPW), quasi unidirectional woven (QUDW) and hybrid fiber reinforced helical materials arranged as a stack of polymer-based composite materials, for example. Describe the technical features of designing and manufacturing impact structures. Also envisaged structures are equipment with consumer products, protective equipment, sports equipment, impact protection equipment, wind turbine blades, cryogenic tanks, automotive parts, aerospace materials, construction materials, and other composite products. is described.

本発明を一般的に説明するにあたり、今、必ずしも縮尺通りには描かれてはいない添付の図面を参照し、幾つかは、少なくとも別段の指定がなければ、背景技術となっている場合がある。 In generally describing the present invention, reference will now be made to the accompanying drawings, which are not necessarily drawn to scale, and some of which, at least unless otherwise indicated, may constitute background art. .

螺旋幾何学的形状の一例の図である。FIG. 2 is an illustration of an example of a spiral geometry. 母材樹脂分子構造の実施例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a base material resin molecular structure. 母材樹脂分子構造の実施例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a base material resin molecular structure. 本発明の実施形態に従って螺旋パターンの状態に配置された繊維層のスタックを示す図である。FIG. 3 illustrates a stack of fibrous layers arranged in a helical pattern according to an embodiment of the invention. 不連続及び連続材料形態（form）を示す図である。FIG. 3 shows discontinuous and continuous material forms. 不連続及び連続材料形態（form）を示す図である。FIG. 3 shows discontinuous and continuous material forms. 一方向材料形態を示す図である。FIG. 3 shows a unidirectional material configuration. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 他の材料形態を示す図である。It is a figure which shows another material form. 織り合わせから生じる繊維けん縮状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the fiber crimp state resulting from interweaving. 本発明の実施形態に従って３Ｄ湾曲形状体上への真っ直ぐな繊維配置で作られた螺旋プレフォーム（「プリフォーム」ともいう）を示す図である。FIG. 3 illustrates a helical preform (also referred to as a “preform”) made with straight fiber placement on a 3D curved shape in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従って２Ｄ形状体上への湾曲繊維配置で作られた螺旋プレフォームを示す図である。FIG. 3 illustrates a helical preform made with curved fiber placement on a 2D shape according to an embodiment of the invention. ＭＸ（多軸）布製造機械の図である。FIG. 2 is a diagram of an MX (multi-axis) fabric manufacturing machine. 繊維金属積層物の図である。FIG. 2 is a diagram of a fiber metal laminate. 複合サンドイッチ構造物の図である。FIG. 2 is an illustration of a composite sandwich structure. 複合サンドイッチ構造物の図である。FIG. 2 is an illustration of a composite sandwich structure. 螺旋積層物スタックの図である。FIG. 2 is an illustration of a spiral laminate stack. 積層物の層内及び層間ゾーンを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing intralayer and interlayer zones of a laminate. 本発明の実施形態に従って個々の繊維相互間接触長さの実施例を示す図である。FIG. 4 illustrates an example of individual fiber-to-fiber contact lengths according to an embodiment of the present invention. 代表的な複合材衝撃損傷状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a typical composite material impact damage state. 代表的な複合材衝撃損傷状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a typical composite material impact damage state. 代表的な複合材衝撃損傷状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a typical composite material impact damage state. ナノ材料が繊維相互間の隙間及び亀裂を橋渡ししている代表的な複合材を示す図である。FIG. 3 shows an exemplary composite in which nanomaterials bridge interstices and cracks between fibers. ナノ材料が繊維相互間の隙間及び亀裂を橋渡ししている代表的な複合材を示す図である。FIG. 3 shows an exemplary composite in which nanomaterials bridge interstices and cracks between fibers. 本発明の実施形態に従って階段形のクロッキングスパイラル組立体を示す図である。FIG. 3 illustrates a stepped clocking spiral assembly according to an embodiment of the invention. 繊維配置ステアリングの図である。FIG. 3 is a diagram of fiber placement steering. 本発明の実施形態に従って耐衝撃性と耐荷強度の両方を含む構造物の略図である。1 is a schematic illustration of a structure that includes both impact resistance and load-bearing strength in accordance with an embodiment of the invention. 本発明の実施形態に従って耐衝撃性と耐荷強度の両方を含む構造物の略図である。1 is a schematic illustration of a structure that includes both impact resistance and load-bearing strength in accordance with an embodiment of the invention. 本発明の実施形態に従って耐衝撃性と耐荷強度の両方を含む構造物の略図である。1 is a schematic illustration of a structure that includes both impact resistance and load-bearing strength in accordance with an embodiment of the invention. 広がりを持ったトウの織布及び軽量トウ織布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a spread tow woven fabric and a lightweight tow woven fabric. 本発明の実施形態としての織布複合材中の初期亀裂生成を示す図である。FIG. 3 illustrates initial crack formation in a woven composite according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態としての織布複合材中の初期亀裂生成を示す図である。FIG. 3 illustrates initial crack formation in a woven composite according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態としての織布複合材中の初期亀裂生成を示す図である。FIG. 3 illustrates initial crack formation in a woven composite according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態としてのＱＵＤＷ布を示す図である。1 is a diagram showing a QUDW fabric as an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態に従ってプライ相互間の夾角が異なるＱＵＤＷ布を示す図である。FIG. 3 illustrates a QUDW fabric with different included angles between plies according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従ってプライ相互間の夾角が異なるＱＵＤＷ布を示す図である。FIG. 3 illustrates a QUDW fabric with different included angles between plies according to an embodiment of the present invention. 図２３Ａは、本発明の実施形態としての螺旋状レイアップのプライ配向を示す図であり、図２３Ｂは、従来型薄手プライ二軸レイアップのプライ配向を示す図である。FIG. 23A is a diagram illustrating ply orientation for a helical layup according to an embodiment of the invention, and FIG. 23B is a diagram illustrating ply orientation for a conventional thin ply biaxial layup. 本発明の実施形態に従って種々のプライ及び配置に関する力と変位の関係を示す図である。FIG. 4 illustrates force and displacement relationships for various plies and arrangements in accordance with embodiments of the invention.

次に、添付の図面を参照して本発明につき以下において、より詳細に説明するが、本発明の全ての実施形態ではなく幾つかの実施形態が図示されている。確かに、本発明は、多くの種々の形態で具体化でき、したがって、本明細書に記載された実施形態に限定されるものと解されてはならず、そうではなく、これら実施形態は、本開示が適用される法上の要件を満たすように提供されている。同一の符号は、全体を通じて全体の要素を示している。 The invention will now be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which some, but not all, embodiments of the invention are illustrated. Indeed, this invention may be embodied in many different forms and therefore should not be construed as limited to the embodiments set forth herein; instead, these embodiments may be embodied in many different forms. This disclosure is provided so that this disclosure will satisfy applicable legal requirements. The same reference numerals refer to elements throughout.

本開示は、本明細書に記載した先行技術の実施形態に勝って螺旋ピッチ及び構成を改造し、耐衝撃性に関与する機構を拡張するとともに向上させることによって螺旋材料設計及び製造アプローチを技術改良する。螺旋幾何学的形状が図１に示されている。本明細書で用いられる「螺旋」という用語は、繊維のプライの積み重ね構造を意味し、この場合、少なくとも１枚のプライの繊維は、その隣りのプライの繊維の配向方向に対する配向方向を定めるとともに０°よりも大きく且つ約３０°未満の夾角をもたらす。積み重ね構造は、この範囲から外れた夾角を定める隣り合うプライを含み、かかる積み重ね構造は、３６０°の丸一回転未満の角度を含むことができ又は１回転を超える角度を含むことができる。１枚以上のプライの繊維配向方向は、真っ直ぐでもよく、湾曲していてもよい。 The present disclosure improves the helical material design and manufacturing approach by modifying the helical pitch and configuration over the prior art embodiments described herein and extending and improving the mechanisms involved in impact resistance. do. A helical geometry is shown in FIG. As used herein, the term "helical" refers to a stacked structure of plies of fibers in which the fibers of at least one ply define an orientation relative to the orientation of the fibers of its adjacent ply and Provides an included angle greater than 0° and less than about 30°. Stacked structures include adjacent plies that define included angles outside of this range; such stacked structures can include less than one full 360° turn or more than one full turn. The fiber orientation direction of one or more plies may be straight or curved.

本明細書に記載される新規な改良範囲は、（ａ）ナノ材料、（ｂ）可変ピッチ及び部分スパイラル、（ｃ）ＴＰＵＤレイアップ、（ｄ）ハイブリッド材料、（ｅ）一プライ内の湾曲繊維、（ｆ）２Ｄ又は３Ｄプレフォームに関する自動繊維又はテープ又はパッチ配置、（ｇ）非けん縮布（織物）、（ｈ）３Ｄ織布、（ｉ）３Ｄ印刷材料、（ｊ）フィラメント巻き材料、（ｌ）ＴＰＷレイアップ、（ｍ）ＱＵＤＷレイアップを含む螺旋材料を含む。これら螺旋材料は、手でレイアップされてもよく、自動機械で直接配置されてもよく、かつ／あるいは織成（weaving）／組成（braiding）／縫成（stitching）機器（例えば、非けん縮布製造機械）を用いてスタックの状態にあらかじめ集成されてもよい。アディティブ（例えば、３Ｄ印刷）マニュファクチャリング技術を用いると、材料の種類を変えたり混ぜ合わせたりすることができる。例えば、螺旋スタックを作る際にアディティブマニュファクチャリング技術を用いて印刷されるポリマー繊維と金属繊維を一緒に用いることができる。これら技術改良は、複合螺旋材料の個別調整能力の向上を可能にするともに広範な製品形式へのその潜在的な用途を拡張する。 The novel improvements described herein include (a) nanomaterials, (b) variable pitch and partial spirals, (c) TPUD layup, (d) hybrid materials, (e) curved fibers within one ply. (f) automatic fiber or tape or patch placement on 2D or 3D preforms; (g) non-crimped fabrics; (h) 3D woven fabrics; (i) 3D printing materials; (j) filament-wound materials. Includes helical material including (l) TPW layup, (m) QUDW layup. These helical materials may be laid up by hand, placed directly in an automated machine, and/or with weaving/braiding/stitching equipment (e.g., non-crimped). It may be pre-assembled into a stack using a fabric making machine). Additive (eg, 3D printing) manufacturing techniques allow materials to be varied and mixed. For example, polymer fibers and metal fibers printed using additive manufacturing techniques can be used together in creating a helical stack. These technological improvements enable increased individualization of composite helical materials and extend their potential applications to a wide range of product formats.

複合構造物の衝撃挙動は、弾性変形、母材樹脂亀裂発生、繊維破断及び最終的にプライ内及び／又はプライ間離層を含む場合のある複雑な動的現象である。コンポーネント破損は、自由縁のところ、集中支持荷重の領域のところ又は異物衝撃によって引き起こされる最大応力箇所のところで生じる場合がある。衝撃損傷は、打撃箇所と反対の側でいっそうひどい場合が多く、かかる衝撃損傷は、視覚的に気づかないままでいる場合が多く、大規模な非破壊検査（例えば、手持ち型超音波機器）が必要となる。したがって、耐衝撃性及び損傷許容範囲は、設計上の限定基準である場合が多い。衝撃損傷は、平面内耐荷能力を減少させ又は制限する場合がありしかも修復のために又は損傷が大規模である場合、製品を使用状態から取り出して大々的にスクラップにするとともに交換する必要がある。多くの材料及び設計上のアプローチが複合コンポーネントを耐衝撃性を高くするとともに／あるいは衝撃損傷の程度を制限するために想定されてきた。一般的に、これらの設計は、歪エネルギーを吸収し又は消散させる積層物の能力の向上を目的としている。あいにく、大抵のかかるアプローチは、繊維の構成を改変するとともに／あるいは引張強度や圧縮強度のような他の特性に悪影響を及ぼす異物を伴う。より一般的なアプローチのうちの幾つかについて以下に説明する。 The impact behavior of composite structures is a complex dynamic phenomenon that may include elastic deformation, matrix resin cracking, fiber breakage, and ultimately intra- and/or inter-ply delamination. Component failure may occur at free edges, at areas of concentrated support loads, or at points of maximum stress caused by foreign object impact. Impact damage is often more severe on the side opposite the point of impact, and such impact damage often remains visually unnoticed and requires extensive nondestructive testing (e.g., hand-held ultrasound equipment). It becomes necessary. Therefore, impact resistance and damage tolerance are often limiting design criteria. Impact damage may reduce or limit in-plane load carrying capacity and require removal of the product from service and extensive scrapping and replacement for repair or if the damage is extensive. Many materials and design approaches have been envisioned to make composite components more impact resistant and/or to limit the extent of impact damage. Generally, these designs aim to improve the laminate's ability to absorb or dissipate strain energy. Unfortunately, most such approaches involve contaminants that alter the composition of the fibers and/or adversely affect other properties such as tensile and compressive strength. Some of the more common approaches are discussed below.

樹脂材料：複合材中の母材樹脂の分子構造は、極めて多くのかつ様々な形式の架橋（すなわち、ネットワーク構造）を備えたバックボーン構造（ポリマー鎖）から成り、これについては図２Ａ及び図２Ｂを参照されたい。伝統的な熱硬化物（最終の形態に達するのに相変化硬化反応を生じる複合材）は、典型的には、硬質で架橋度の高いガラス質重合構造を備えている。この分子構造により、複合材は、衝撃を受けた際に母材亀裂発生及び／又は離層を生じやすくなる場合がある。この欠点を軽減するための伝統的なアプローチとしては以下が挙げられ、すなわち（ａ）熱可塑性樹脂（硬化ではなく溶融し、典型的には、高い分子量及び程度の低い架橋度を有しかつ／あるいは結晶質ではない非晶質である熱可塑性樹脂）の使用、（ｂ）ネットワーク改変による熱硬化性樹脂の強靱化（例えば、モノマー機能の低下、バックボーン分子量の増大、又は柔軟性サブグループの混入）、（ｃ）ばらばらなゴム又は熱可塑性の粒子の導入によるエラストマーの強靱化、及び（ｄ）熱硬化プライ相互間の層間強靱化（薄い、代表的には、０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）の熱可塑性ベールの混入）が挙げられる。樹脂強靱化は、周知であり、当業界で利用されている。樹脂強靱化は、耐衝撃性を高めることができるが、樹脂強靱化はまた、ガラス転移温度、温冷又は乾湿性能、及び耐薬品性のような他の物理的性質に悪影響を及ぼす場合がある。本発明の実施形態は、非再処理性熱硬化性又は熱可塑性樹脂に加えて又はこれに代えて、再加工性の熱硬化性樹脂であるビトリマー（ガラス状物体）をさらに使用する場合がある。 Resin material: The molecular structure of the matrix resin in the composite consists of a backbone structure (polymer chains) with a large number and various types of crosslinks (i.e., network structures), as shown in Figures 2A and 2B. Please refer to Traditional thermosets (composites that undergo a phase change curing reaction to reach their final form) typically have a rigid, highly crosslinked, glassy polymeric structure. This molecular structure may make the composite material susceptible to matrix cracking and/or delamination upon impact. Traditional approaches to alleviate this drawback include: (a) thermoplastics (which are melted rather than cured, typically have a high molecular weight and a low degree of crosslinking, and/or (b) toughening of thermosets by network modification (e.g., reducing monomer functionality, increasing backbone molecular weight, or incorporating flexible subgroups); ), (c) toughening of the elastomer by the introduction of loose rubber or thermoplastic particles, and (d) interlayer toughening between thermoset plies (thin, typically 0.001 inch (0.025 mm) ) of thermoplastic veils). Resin toughening is well known and utilized in the industry. Resin toughening can increase impact resistance, but resin toughening can also negatively impact other physical properties such as glass transition temperature, hot/cold or wet/dry performance, and chemical resistance. . Embodiments of the invention may further use vitrimer, a reprocessable thermoset, in addition to or in place of non-reprocessable thermosets or thermoplastics. .

螺旋積層物中への、例えば図３に示されている繊維構造物中へのマイクロスフェア及び微小孔の導入が複合材で利用されている。しかしながら、本開示によれば、ナノ空洞（例えば、レーザ又は他の機構体によって形成される）をさらに用いると破損モード中に亀裂伝搬を阻止することができるということがさらに想定される。さらに、これよりも大きな空洞ならびに漸変形状の空洞を提供することもまた可能である。例えば、空洞又は弱体化領域が突発故障の好ましい場所でかつ／あるいは好ましい方向に沿って起こるようにするように方向性成分を備えるのがよい。空洞は、例えば０．１ナノメートル～５００ミクロンの任意所望の平均寸法（平均横方向寸法）、又はこれら数値相互間の０．１ナノメートルの任意の増分、又は１０ナノメートル～５０ミクロンの度合いを有する当該範囲内の任意の部分範囲、例えば１０ナノメートル、２５ナノメートル、５０ナノメートル、８０ナノメートル、１００ナノメートル、１５０ナノメートル、２５０ナノメートル、５００ナノメートルなどの部分範囲を有する場合がある。 The introduction of microspheres and micropores into helical laminates, such as the fibrous structure shown in FIG. 3, has been utilized in composites. However, in accordance with the present disclosure, it is further envisioned that nanocavities (eg, formed by a laser or other mechanism) can also be used to inhibit crack propagation during failure modes. Furthermore, it is also possible to provide larger cavities as well as cavities with graduated shapes. For example, a directional component may be provided to cause the void or weakened region to occur at a preferred location and/or along a preferred direction of catastrophic failure. The cavities may have any desired average dimension (average lateral dimension) of, for example, 0.1 nanometers to 500 microns, or any increment of 0.1 nanometers between these numbers, or degrees of 10 nanometers to 50 microns. Any subrange within the range, such as 10 nanometers, 25 nanometers, 50 nanometers, 80 nanometers, 100 nanometers, 150 nanometers, 250 nanometers, 500 nanometers, etc. There is.

ナノ材料：繊維強化材ともまた組み合わせ可能な母材樹脂中へのナノ粒子［例えば、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）及びグラフェン］又は平均直径が１００ｎｍ未満の繊維の形態をした細長いナノ繊維の混入は、同一厚さの従来型複合積層物と比較して機械的性質及び耐衝撃性を向上させることができる。この技術改良は、ウィスカー発生（whiskers interacting）（すなわち、横方向及び層内剪断特性を向上させるために繊維と相互作用するナノスケールウィスカー）の一因となる場合がある。 Nanomaterials: The incorporation of nanoparticles [e.g. carbon nanotubes (CNTs) and graphene] or elongated nanofibers in the form of fibers with an average diameter of less than 100 nm into the matrix resin, which can also be combined with fiber reinforcements, is the same Mechanical properties and impact resistance can be improved compared to conventional composite laminates in thickness. This technological improvement may contribute to interacting whiskers (i.e., nanoscale whiskers that interact with fibers to improve lateral and intralaminar shear properties).

繊維材料：繊維は、強度及びスチフネスを備えた複合材を提供する。繊維は、用途及び製造プロセスに応じて、連続であってもよく不連続であってもよい。繊維はまた、個別調整されても良い（所与の用途に適合するように優先的な配向状態に配置されるのが良い）。当業界において最も普及しているように、プライは、０°配向、＋４５°配向、－４５°配向、及び９０°配向を用いて４５°ごとに時計回りに配置される（クロッキングされる）。複合材中の繊維強化材の種類及び量は、コスト上の理由、製造上の理由、及び性能上の理由で様々であってよい。ある特定の種類の繊維（すなわち、炭素及び黒鉛）は、比強度（引張力及び圧縮力を密度で除算して得られた値のような特性）が高いが、本来的に脆弱である一方で、ガラス繊維のような他のものは、衝撃強度が良好であるが密度の高いことに起因して比強度が低い。アラミド（芳香族ポリアミド）繊維は、優れた靱性及び突出した弾道特性及び耐衝撃性を備えているが、温度変動につれて性能が低下し、紫外線に弱く、しかも水分を吸収する傾向がある。強度及び衝撃に関する特性の最適組み合わせを提供する種類の繊維を用いるというオプションを提供するため、広範な既知の種類の繊維を用いて螺旋構造物、例えば炭素、ガラス繊維、アラミド、バサルト、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、超高分子量ポリプロピレン（ＵＨＭＷＰＰ）（例えば、Innegra（登録商標））、自己強化ポリマー繊維（例えば、Pure（登録商標）、Tegris（登録商標）、Curv（登録商標））、天然繊維、例えば亜麻又は***、金属繊維、石英繊維、セラミック繊維及びこれら形式のうちの任意のもののリサイクル繊維を作ることができる。 Fiber materials: Fibers provide composites with strength and stiffness. Fibers may be continuous or discontinuous depending on the application and manufacturing process. Fibers may also be tailored (placed in a preferential orientation to suit a given application). As is most common in the industry, plies are clocked in 45° increments using a 0° orientation, a +45° orientation, a −45° orientation, and a 90° orientation. . The type and amount of fiber reinforcement in the composite may vary for cost, manufacturing, and performance reasons. Certain types of fibers (i.e. carbon and graphite) have high specific strength (a property such as tensile and compressive forces divided by density) but are inherently brittle while , others, such as glass fiber, have good impact strength but low specific strength due to their high density. Aramid (aromatic polyamide) fibers have excellent toughness and outstanding ballistic and impact resistance, but their performance deteriorates with temperature fluctuations, they are sensitive to UV light, and they tend to absorb moisture. To provide the option of using fiber types that provide the optimum combination of strength and impact properties, a wide range of known fiber types can be used to create helical structures, such as carbon, fiberglass, aramid, basalt, ultra-high molecular weight Polyethylene (UHMWPE), ultra-high molecular weight polypropylene (UHMWPP) (e.g. Innegra®), self-reinforcing polymer fibers (e.g. Pure®, Tegris®, Curv®), natural fibers Recycled fibers can be made, such as flax or hemp, metal fibers, quartz fibers, ceramic fibers and any of these types.

材料形態：樹脂及び繊維選択と同様、材料形態は、一般に、用途、コスト及び製造プロセスによって定められる。広く言って、材料形態としては、図４Ａ及び図４Ｂに示されているように、ランダム配向状態又は配向方向性を備えた不連続又は連続繊維が挙げられる。 Material form: Like resin and fiber selection, material form is generally determined by application, cost, and manufacturing process. Broadly speaking, material forms include discontinuous or continuous fibers with random orientation or orientation, as shown in FIGS. 4A and 4B.

連続／配向繊維形態は、一般に、優れた構造的性質を有するが、製作するのにコスト高であり、不連続繊維形態の製造では普及しているシート成形配合物のプラスチック射出及び圧縮成形に対して、手動の又は特殊化された方法（自動材料配置（ＡＭＰ）又は織成、組成、プライ縫成、３Ｄ印刷又は巻回機器）を必要とする。連続材料形成の２つの主要なカテゴリは、一方向（ＵＤ）と製織（３Ｄ織成及び組成を含む）である。図５Ａは、一方向製造方法を示し、図５Ｂは、製織構造を示している。図５Ｃは、非けん縮多軸布の一例を示し、図５Ｄは、ネットシェイプ状プレフォームを示している。図５Ｅは、３Ｄ製織布の略図であり、図５Ｆは、フィラメント巻回の一例を示し、図５Ｇは、繊維パッチ配置の一例を示し、図５Ｈは、組成の一例を示している。 Continuous/oriented fiber forms generally have superior structural properties but are costly to fabricate, compared to plastic injection and compression molding of sheet molding compounds, which are popular in the production of discontinuous fiber forms. 3D printing or winding equipment). The two main categories of continuous material formation are unidirectional (UD) and woven (including 3D weaving and composition). Figure 5A shows a unidirectional manufacturing method and Figure 5B shows a woven structure. FIG. 5C shows an example of an uncrimped multiaxial fabric, and FIG. 5D shows a net-shaped preform. FIG. 5E is a schematic representation of a 3D woven fabric, FIG. 5F shows an example of filament winding, FIG. 5G shows an example of fiber patch arrangement, and FIG. 5H shows an example of the composition.

ＵＤテープは、一般に、繊維けん縮クリンプ（織り合わせ中に平織りの内外に受け取られる繊維）が存在していないことに起因して、製織布よりも良好な平面内構造的性質を提供し、これについは図６を参照されたい。理解されるように、図は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。織成は、ｚ方向繊維及び相互係止非平面状繊維束を作ることができ、かかる繊維幅は、点荷重を広げるとともに母材亀裂発生及び積層物離層を遅くし又は制止する。しかしながら、織成は、大型の複雑な機械装置を必要とし、それゆえ、コストは、高くサイズが限定されている場合がある。さらに、平面内特性は、典型的には、ＵＤ複合材と比較して、繊維けん縮に起因して低下する。横方向構成は、ｚ方向耐荷能力を生じさせるようにＵＤ複合材に用いられかつ亀裂阻止手段として用いられている。この方式は、高価であり、しかもその技術的価値において信用が置けず、と言うのは衝撃に関する能力を向上させるために必要な縫成量が平面内繊維を変形させるとともに引張強度、圧縮強度及び疲労強度のような中核的な特性を低下させるからである。本発明は、現行の耐衝撃性複合材設計例の欠点及び問題点の解決を助けるために螺旋用途／設計を拡張して特定の材料（最も一般的には、ＴＰＵＤテープ、ＴＰＷ及びＱＵＤＷ）ならびにガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維など、さらにまた、新規な繊維角度クロッキング組み合わせ、ならびに完全螺旋状スタックを再現するための設計空間がないことに起因して螺旋状レイアップが詳しく研究されたことがけっしてなかったサンドイッチ用途におけるスキンを含む。 UD tapes generally provide better in-plane structural properties than woven fabrics due to the absence of fiber crimp crimps (fibers that are received in and out of the plain weave during interweaving); Please refer to FIG. 6 for this. As will be appreciated, the figures are not necessarily drawn to scale. Weaving can create z-direction fibers and interlocking non-planar fiber bundles whose width spreads point loads and slows or inhibits matrix cracking and laminate delamination. However, weaving requires large and complex machinery, and therefore costs can be high and size limited. Furthermore, in-plane properties are typically reduced due to fiber crimp compared to UD composites. Transverse configurations are used in UD composites to create z-direction load-bearing capacity and as a crack arresting means. This method is expensive and of unreliable technical value, since the amount of stitching required to improve impact performance deforms the in-plane fibers and increases tensile and compressive strengths. This is because it reduces core properties such as fatigue strength. The present invention extends helical applications/designs to help address the shortcomings and problems of current high-impact composite design examples for specific materials (most commonly TPUD tape, TPW and QUDW) and Additionally, novel fiber angle clocking combinations such as glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, and helical layups have been studied in detail due to the lack of design space to reproduce fully helical stacks. Including skins in sandwich applications that never existed.

製造方法：乾燥又は予備含浸繊維を用いて連続複合材料を配置する幾つかの普及した方法は、（ａ）手作業によるレイアップ、（ｂ）自動材料配置（連続配置繊維を含むが、ファイバパッチ配置をも含むＡＭＰ）、（ｃ）織成／組成／プライ縫成機械（例えば、繊維束が編成ヤーンと一緒に保たれる多軸非けん縮布製造機械）、（ｄ）フィラメント巻回及びプル巻回）、（ｅ）３Ｄ織成、（ｆ）３Ｄ印刷、（ｇ）有機シート材の熱圧圧密を含む。いずれかの種類の繊維（スリットテープ）を用いるＡＭＰは、材料を飛ばして付加して落下させ、任意のあらかじめプログラムされた角度までクロッキングさせる能力を有し、したがって、ＡＭＰを用いると、ニヤネットシェイプ（near net-shape）状スタックを配置することができる。螺旋スタックは、厳密で正確なクロッキングを必要とするので、ＡＭＰは、螺旋スタックを配置する例示の低コスト方法である。ニヤネットシェイプ状の二次元（２Ｄ）及び三次元（３Ｄ）プレフォーム（後で樹脂を注入することができるほとんどの場合乾燥した繊維レイアップ）は、ＵＤテープ又は多次元テープ（この場合、プライは、粉末結合剤、プライ間不織ベール、及び／又は縫成を用いて結合される）で作られるのがよい。予備含浸テープ（典型的には、幅が１．５インチ（３．８１ｃｍ）～２４インチ（６０．９６ｃｍ））、スリットテープ（典型的には、幅が１／８インチ（０．３２ｃｍ）～１．５インチ（３．８１ｃｍ））、又は「トウプレグ（towpreg）」もまた、ＡＭＰ機器（例えば、異形テープ積層機械（ＣＴＬＭ）、自動繊維配置（ＡＭＰ）又はロボット式繊維配置（ＲＦＰ）、次に、オーブン又はオートクレーブで硬化される）を用いて異形ツール上に形成されるように直接敷かれてもよい。 Manufacturing methods: Some popular methods of placing continuous composite materials using dried or pre-impregnated fibers include (a) manual layup, (b) automated material placement (including continuous placement fibers, but also fiber patching). (c) weaving/composition/ply sewing machines (e.g., multi-axis uncrimped fabric making machines in which the fiber bundles are held together with the knitting yarns); (d) filament winding and (e) 3D weaving, (f) 3D printing, and (g) thermoconsolidation of organic sheet materials. AMP using either type of fiber (slit tape) has the ability to fly, add and fall material and clock it to any pre-programmed angle; therefore, with AMP, near-net A near net-shape stack can be arranged. Because helical stacks require tight and accurate clocking, AMP is an exemplary low-cost method of deploying helical stacks. Near net-shaped two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) preforms (mostly dry fiber layups that can later be injected with resin) are prepared using UD tapes or multidimensional tapes (in this case plywood). may be bonded using a powder binder, an inter-ply non-woven veil, and/or stitching). Pre-impregnated tape (typically 1.5 inches (3.81 cm) to 24 inches (60.96 cm) wide), slit tape (typically 1/8 inch (0.32 cm) to 1/8 inch (0.32 cm) wide) 1.5 inches (3.81 cm)), or "towpreg", is also used with AMP equipment (e.g., contoured tape laminating machine (CTLM), automated fiber placement (AMP) or robotic fiber placement (RFP)), (hardened in an oven or autoclave) to be formed directly onto the profile tool.

ＡＦＰは、相当高い可撓性を提供して可能なあらゆる角度及び無制限の数のプライ又はパッチを備えたニヤネットシェイプ状の螺旋プレフォームを生じさせ、それにより任意所望の螺旋プレフォーム積み重ね順序を生じさせる。これら螺旋材料は、ニヤネットシェイプを部品に提供する。２Ｄ又は３Ｄプレフォーム構造は、粉末結合剤、プライ間不織熱可塑性ベール、針又は空気圧式空気穴あけによって互いに結合された数枚のプライを形成する乾燥ファイバもしくはＵＤテープ又は多次元テープで作られるのがよい。「トウプレグ」又は任意種類の予備含浸繊維、ＵＤテープ、多次元テープ又は熱可塑性母材及び繊維のスリップテープにロボット式ヘッド配置繊維を被着させて図７Ａ及び図７Ｂに記載されているようにすでに含浸されているのが良い螺旋ニヤネットシェイプ状２Ｄ又は３Ｄプレフォームを生じさせるのがよい。図７Ａは、３Ｄ湾曲形状上のまっすぐな繊維配置で作られた螺旋プレフォームを示し、図７Ｂは、２Ｄ形状上の湾曲繊維配置で作られた螺旋プレフォームを示している。連続トウ剪断（ＣＴＳ）を用いると、平面内湾曲繊維配向状態を生じさせることができる。 AFP offers considerable flexibility to produce near net-shaped helical preforms with every possible angle and unlimited number of plies or patches, thereby allowing any desired helical preform stacking order. bring about These helical materials provide a near net shape to the part. 2D or 3D preform structures are made of powder binders, nonwoven thermoplastic veils between the plies, dry fibers or UD tapes or multidimensional tapes forming several plies bonded together by needles or pneumatic air perforations. It is better. "Towpreg" or any type of pre-impregnated fiber, UD tape, multidimensional tape or thermoplastic matrix and fiber slip tape is coated with robotic head placement fibers as described in FIGS. 7A and 7B. A helical near-net shaped 2D or 3D preform may be produced which may already be impregnated. FIG. 7A shows a helical preform made with a straight fiber arrangement on a 3D curved shape, and FIG. 7B shows a helical preform made with a curved fiber arrangement on a 2D shape. Continuous tow shear (CTS) can be used to create in-plane curved fiber orientation conditions.

カール・マイヤー・ゲーエムベーハー（Karl Mayer GMBH）（例えば、図８を参照されたい）のような業界標準のＭＸ布製造機械は、調節可能な角度方向アーム１つ当たり１枚のプライの状態で非けん縮布又は織物（ＮＣＦ）を製造することが可能であり、通常は、５枚のプライに限定され、ロール＋４軸外しプライの巻回方向として定められた０°プライは、浅い角度方向アームの長さを制限し、そして機械出力の減速を回避するように２０°よりも大きな角度を有する。プライは、通常、互いに縫成されるが、僅かに溶融された粉末結合剤又は層間不織熱可塑性ベールによって互いに連係されるのがよい。 Industry standard MX fabric making machines, such as those manufactured by Karl Mayer GMBH (see, e.g., Figure 8), are non-trivial with one ply per adjustable angular arm. It is possible to produce a crimp fabric or woven fabric (NCF) and is typically limited to 5 plies, with the 0° ply defined as the winding direction of a roll + 4 off-axis plies, with a shallow angular direction arm. It has an angle greater than 20° to limit the length and avoid slowing down the mechanical output. The plies are usually sewn together, but may be held together by a slightly molten powder binder or an interlayer nonwoven thermoplastic veil.

この技術は、ヘリコイダル・マルチアキシャル（Helicoidal Multiaxial：ＨＭＸ）布ロール（例えば、［０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°］又は［８０°、６０°、４０°、２０°、０］又は［３９．４°、２８．２°、１６．９°、５．６°］）の大量生産に最適である。しかしながら、この技術は、追加の調節可能なアームを用いることによってかつ／あるいは数個のロールを別々に製作し、次にこれらの層を集成して多数のプライの螺旋シーケンスを形成することによって多数の螺旋プライを製造する上で、費用効果がいっそう良いと言える。例示の一実施例では、ヘリコイダル・マルチアキシャル（ＨＭＸ）布を形成する５螺旋プライのロール［０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°］を製作することができる。次に、このロールをその０°軸回りに丸めるのがよく、それによりその幅を２で割り又はこのロールを裏返しされた別の同じロールと単に組み合わせ、それにより１０プライＨＭＸ［－９０°、－６７．５°、－４５°、－２２．５°、０°、０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°］を形成するのがよい。別の実施例では、第１の螺旋ＭＸ布（例えば、［５６°、７０°、－７９°、－５６°］）を大径の連続ロールから引き出して９０°回転させる（例えば、［－３４°、－１１°、１１°、３４°］）のがよく、そして互いの上に載せ、それにより８プライＨＭＸ布（例えば、８プライ［５６°、７９°、－７９°、－５６°、－３４°、－１１°、１１°、３４°］を備えた２２°ＨＭＸ）を形成する。個々のプライの場合と同様、２つのＨＭＸスタックを縫成（縫合）又は粉末結合剤もしくは熱積層熱可塑性不織ベール又は任意他の適当な公知の技術、例えば、エアパンチ又はニードルパンチの使用により接合するのがよい。 This technology uses helicoidal multiaxial (HMX) fabric rolls (e.g., [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] or [80°, 60°, 40°, 20°, 0] or [39.4°, 28.2°, 16.9°, 5.6°]). However, this technique can be applied to multiple layers by using additional adjustable arms and/or by fabricating several rolls separately and then assembling these layers to form a helical sequence of multiple plies. It can be said that it is even more cost-effective to manufacture the helical ply. In one illustrative example, a five helical ply roll [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] forming a helicoidal multiaxial (HMX) fabric can be fabricated. This roll may then be rolled around its 0° axis, thereby dividing its width by 2, or simply combining this roll with another identical roll turned over, thereby forming a 10-ply HMX [-90°, -67.5°, -45°, -22.5°, 0°, 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°]. In another example, a first helical MX fabric (e.g., [56°, 70°, -79°, -56°]) is pulled from a large diameter continuous roll and rotated 90° (e.g., [-34°]). °, -11°, 11°, 34°]) and placed on top of each other so that the 8-ply HMX fabric (e.g., 8-ply [56°, 79°, -79°, -56°, -34°, -11°, 11°, 34°]. As with individual plies, the two HMX stacks are joined by stitching or using a powder binder or heat laminated thermoplastic nonwoven veil or any other suitable known technique, such as air punching or needle punching. It is better to do so.

これは、８枚以上の螺旋プライを単一のＭＸ布ロール中に埋め込んだＨＭＸを提供する効率の良いかつ革新的な布又は織物であり、これにより、複合材業界において一般的に見受けられるような機械の制約に打ち勝つ。かかるＨＭＸロールを次に予備含浸させるのがよい。 It is an efficient and innovative fabric or fabric that provides HMX with eight or more helical plies embedded in a single MX fabric roll, thereby providing Overcoming the limitations of machines. Such HMX rolls may then be pre-impregnated.

ハイブリッド構成：非ポリマーを組み込むとともに／あるいは支持力、スチフネス及び耐衝撃性のような特性を向上させることができる材料をサンドイッチした複合コンポーネントが作られている。ハイブリッド設計の実施例が以下に提供される。 Hybrid construction: Composite components are created that sandwich materials that can incorporate non-polymers and/or improve properties such as support, stiffness, and impact resistance. An example of a hybrid design is provided below.

金属：複合材が典型的には、エネルギーを消散する弾性能力が限定されており、したがって、これら複合材の局限能力を超えて負荷が加えられると突発的に破損する。変形例として、金属は、衝撃エネルギーを消散させるために可塑的に変形することができる。金属箔、メッシュ及び繊維（例えば、アルミニウム、チタン及びスチール）は、破断靱性、耐衝撃性の向上、落雷保護、及び表面腐食の減少をもたらすように積層物中に選択的に混ぜ込まれる場合があり、これについては、図９を参照されたい。形状記憶合金（ＳＭＡ）が耐衝撃性を提供するように混入されるのがよい。当業界で用いられている代表的な繊維金属積層物（ＦＭＬ）形態としては、ＡＲＡＬＬ（アラミド／アルミニウム）、ＧＬＡＲＥ（ガラス繊維／アルミニウム）、ＣＡＲＡＬＬ（炭素／アルミニウム）、及びＴｉＧｒ（チタン／黒鉛）が挙げられる。金属の混入には、代表的には、重量を増加させる（追加の接着剤の形態で）結合作業を必要とし、高価でありしかも危険な金属表面前処理技術（例えば、蒸気脱脂、アルカリ洗浄及びエッチングもしくは陽極（酸化）処理）を必要とする。追加の金属／複合材ハイブリッドの欠点としては、（ａ）金属がポリマーを主成分とする複合材中に混ぜ込まれたときに非両立性の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する場合があり、（ｂ）金属箔、メッシュ及び繊維は、複雑な輪郭形状に配置するのが困難でありしかも（ｃ）金属は、これらが取って代わる複合材料よりも密度が高いということが挙げられる。 Metals: Composites typically have a limited elastic ability to dissipate energy and therefore fail catastrophically when loaded above the localized capacity of these composites. Alternatively, the metal can be plastically deformed to dissipate impact energy. Metal foils, meshes, and fibers (e.g., aluminum, titanium, and steel) may be selectively incorporated into laminates to provide improved fracture toughness, impact resistance, lightning protection, and reduced surface corrosion. Yes, please refer to FIG. 9 for this. Shape memory alloy (SMA) may be incorporated to provide impact resistance. Typical fiber metal laminate (FML) forms used in the industry include ARALL (aramid/aluminum), GLARE (glass fiber/aluminum), CARALL (carbon/aluminum), and TiGr (titanium/graphite). can be mentioned. Metal contamination typically requires weight-increasing bonding operations (in the form of additional adhesives) and requires expensive and hazardous metal surface pretreatment techniques (e.g., vapor degreasing, alkaline cleaning, and Requires etching or anodic (oxidation) treatment. Additional disadvantages of metal/composite hybrids include (a) metals may have incompatible coefficients of thermal expansion (CTE) when incorporated into polymer-based composites; b) Metal foils, meshes and fibers are difficult to arrange into complex contours and (c) metals are denser than the composite materials they replace.

サンドイッチ構造：例えばポリマー層を含む材料を図１０Ａ及び図１０Ｂに示されているように複合積層品の表面材相互間でハニカムコア又はフォーム（foam）材料上に配置することにより、相乗的構造形態が作られ、この相乗的構造形態では、表面材は、曲げ剛性をもたらし、サンドイッチ材料は、剪断剛性及び耐座屈性を提供する。一体形積層複合材と比較して、サンドイッチパネルは、向上した強度と重量の比、消音性、耐疲労性、断熱性、及び耐衝撃／損傷性を呈することができる。サンドイッチパネルの衝撃性能は、積層物よりも優れていると言え、何故ならば、打撃と関連したエネルギーのうちの何割かは、母材及び／又は繊維損傷ではなく、弾性変形として消散することができかつ／あるいはコアは、表面材がエネルギー吸収を行いながら慣性負荷を緩衝することができるからである。積層物の表面材形態、コア形式／構造特性及び境界条件は、衝撃強度を制御する。代表的には、サンドイッチ設計では、表面材は、比較的薄手であり、コアは、接着剤で表面材に結合される。サンドイッチをある用途については不適正にする構造及び破損機構は、以下のこと、すなわち、（ａ）限定された結合面積及び強度のゆえに、表面材は、衝撃中にコアから時期尚早に分離する場合があり、（ｂ）表面材が均等な積層物設計繊維破断に対して薄いので、繊維母材剥離及び積層物の離層は、低い衝撃レベルで開始する場合があり、（ｃ）コアは、潰れる場合があり又は剪断変形を生じる場合があり、しかも（ｄ）積層物プライをサンドイッチ材料で置き換えることにより、圧縮、引張、強度及びスチフネスのような平面内構造特性が劣化する場合があるといことを含む。 Sandwich construction: A synergistic construction configuration, for example by placing materials including polymer layers on a honeycomb core or foam material between the facings of a composite laminate as shown in FIGS. 10A and 10B. is created and in this synergistic construction configuration, the facing material provides bending stiffness and the sandwich material provides shear stiffness and buckling resistance. Compared to monolithic laminated composites, sandwich panels can exhibit improved strength-to-weight ratio, sound deadening, fatigue resistance, thermal insulation, and impact/damage resistance. The impact performance of sandwich panels can be said to be better than laminates because some of the energy associated with impact can be dissipated as elastic deformation rather than matrix and/or fiber damage. This is because the core and/or the core can buffer inertial loads while the surface material absorbs energy. The laminate's surface morphology, core type/structural properties, and boundary conditions control impact strength. Typically, in a sandwich design, the facing is relatively thin and the core is bonded to the facing with an adhesive. The construction and failure mechanisms that make the sandwich unsuitable for certain applications are: (a) due to limited bonding area and strength, the facing material may separate prematurely from the core during impact; (b) fiber matrix delamination and laminate delamination may begin at low impact levels because the surface material is thin for uniform laminate design fiber breakage, and (c) the core is (d) replacement of laminate plies with sandwich materials may degrade in-plane structural properties such as compression, tensile strength, and stiffness; including.

薄手のプライ：ＴＰＵＤスタックで形成された複合材積層物は、厚手のプライを用いて作られた同一厚さの部品と比較して良好な機械的性質及び微小割れ、離層及び衝撃に対する向上した耐性を示すことが判明している。代表的には、航空宇宙用ＵＤ炭素／エポキシ（Ｃ／Ｅ）プレプレグは、グレード１９０（０．００７３インチ（０．１８５４ｍｍ）／プライ）又はグレード１４５（０．００５６インチ（０．１４２２ｍｍ）／プライ）である。ＴＰＵＤは、典型的には、グレード７５（０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）／プライ）又はこれよりも薄い。このグレードは、ｇ／ｍｍ²で測定されたＵＤプレプレグ中の炭素繊維の公称面積重量を特定する。ＴＰＵＤ積層物は、最小ゲージの減少及び／又は等価性能構造の軽量化を可能にする。コアクールダウン中の反りを回避するため、従来型レイアップは、プライスタックのバランスを取る必要があり（すなわち、積層物は、同数のプラス・マイナス配向プライを持たなければならない）、しかも対称であることを必要とする［すなわち、レイアップの中央平面よりも上方に位置する各プライは、同一プライ（同一材料、同一厚さ、及び同一配向）を中間面よりも下に等しい距離のところに持たなければならない］。 Thin plies: Composite laminates formed with TPUD stacks have better mechanical properties and improved resistance to microcracking, delamination and impact compared to parts of the same thickness made using thicker plies. It has been found to be resistant. Typically, aerospace UD carbon/epoxy (C/E) prepregs are grade 190 (0.0073 inches (0.1854 mm)/ply) or grade 145 (0.0056 inches (0.1422 mm)/ply). ). TPUD is typically grade 75 (0.003 inches (0.076 mm)/ply) or thinner. This grade specifies the nominal areal weight of carbon fiber in the UD prepreg measured in g/ ^mm2 . TPUD laminates allow for reduced minimum gauge and/or weight savings for equivalent performance structures. To avoid warping during core cooldown, conventional layups require a balanced ply stack (i.e., the laminate must have equal numbers of positive and negative oriented plies) and are symmetrical. [i.e., each ply located above the midplane of the layup must have the same ply (same material, same thickness, and same orientation) an equal distance below the midplane. must have].

繊維配向は、耐荷能力を制御する。したがって、繊維のバルクを主要加重方向に延ばすことが最善である。バランス／対称則は、予期しない荷重から保護するための最小配向に関する規則（例えば、任意の一方向において繊維の１０％以上）と一緒になって、積み重ねの自由を制限し、しかも多くの場合、所与の荷重事例に対応するために明確に必要とされるレイアップ厚さよりも厚いレイアップを定める。これらの制約は、加重減少部分領域においてテーパが付いている（落下しつつあるプライ）の際に特に難題である。 Fiber orientation controls load carrying capacity. Therefore, it is best to elongate the bulk of the fiber in the main loading direction. Balance/symmetry laws, together with rules for minimum orientation (e.g., no more than 10% of fibers in any one direction) to protect against unexpected loads, limit stacking freedom and often Define a thicker layup than is specifically needed to accommodate a given load case. These constraints are particularly challenging when the ply is tapered (falling ply) in the area of reduced load.

ＴＰＵＤプライは、全体として又は通常厚さのプライとの組み合わせ状態で、軽量／薄型の積み重ねオプションを開拓する。残念ながら、ＴＰＵＤは、プレプレグスリット及び硬質でありしかもスリットをプレプレグし、丸め直すのにコストがかかる場合があり、しかも多くの欠陥を免れることができず、しかも硬質であってかつ／あるいは自動繊維配置を用いて部品形状に合わせて敷くのに伝統的な厚さのプレプレグテープよりもコストがかかり、したがって、今日まで航空宇宙用途における使用が制限されている。他の用途では、ＴＰＵＤテープは、敷かれているプライの枚数が多いことに起因して伝統的な厚さのプレプレグテープと比較して、部品形状に合わせて敷かれるのに時間が多くかかる。 TPUD plies, either as a whole or in combination with regular thickness plies, open up lightweight/thin stacking options. Unfortunately, TPUD can be expensive to prepare and reroll with prepreg slits and rigid slits, and is subject to many defects, and is rigid and/or automatic. It is more costly to lay to a part shape using fiber placement than traditional thick prepreg tapes, thus limiting its use in aerospace applications to date. In other applications, TPUD tapes take longer to lay to the part shape compared to traditional thick prepreg tapes due to the large number of plies laid down. .

環境に応じて、複合構造物は、想定される打撃、衝突、ひょう、雨、鳥、工具落下、弾道特性、ランダムなデブリ、衝撃波、落雷又はエーロフラッタリング（aero fluttering）からの低速及び高速度衝撃を受ける場合がある。個々の層を縦軸又はｘ方向軸に沿って隣接の層に対して既定の角度で回転させてｚ方向螺旋繊維配向スタックを作る繊維強化弾性複合プライ積層方式が図１１に示されている。左側の画像は、各プライ層（単層）を表すために単一の線を用い、この図は、生じたｚ方向螺旋スパイラルを強調表示している。右側の画像は、螺旋レイアップの構成層をより現実的に示すために繊維の束（代表的には、３０００～５０，０００本以上の繊維から成るトウ）を用いている。次のブローアップは、螺旋積層スタックが均等に分散して広げられた繊維トウ及び樹脂で形成されている個々の単層でどのように作られるかを示している。 Depending on the environment, composite structures can withstand low and high speeds from expected blows, collisions, hail, rain, birds, falling tools, ballistic properties, random debris, shock waves, lightning strikes or aero fluttering. You may receive a shock. A fiber-reinforced elastic composite ply stacking system in which individual layers are rotated at a predetermined angle relative to adjacent layers along the longitudinal or x-direction axis to create a z-direction helical fiber orientation stack is illustrated in FIG. The image on the left uses a single line to represent each ply layer (monolayer), and this figure highlights the resulting z-direction helical spiral. The image on the right uses a bundle of fibers (typically a tow of 3000 to 50,000 or more fibers) to more realistically illustrate the constituent layers of a helical layup. The following blow-up shows how a helical laminate stack is made with individual monolayers formed of evenly distributed spread fiber tows and resin.

螺旋クロッキングは、積層物繊維相互間の層内におけるような相当大きな直接荷重の分散を示すのに足るほど密接した状態にある特定の螺旋ピッチ又は回転偏向ｚ配向繊維を生じさせるように選択されるのがよい。これら左側及び右側キラリティー（構造から区別可能な非重ね合わせ構造）スパイラルは、業界標準０°、±４５°、９０°複合積層物と比較して、新規である（注記：幾つかの場合、２２．５°、３０°、及び６０°の角度が用いられるが、これらの場合、大きなクロッキング角度及び対称／バランス則が依然として代表的である）。角度的に大きく異なる０°、±４５°、９０°単層を積み重ねる際、樹脂の豊富な層が各プライ相互間に結果として生じ、各プライ中では、繊維相互間の荷重分散は、母材樹脂中の層間剪断に依存し、これについては図１２を参照されたい。例えば、伝統的なレイアップクロッキングでは、２枚の隣り合うプライが９０°だけ異なっていてかつ個々の繊維は、直径が０．００３インチ（０．０７６２ｍｍ）（当業界では代表的である）であり、隣り合う層間繊維相互間のオーバーラップ直接接触面積は、９×１０～８平方インチ（なお、１インチは、２．５４ｃｍ）である。また、繊維が４０°だけ異なっている場合、これら繊維は、直接接触の０．０００４２４インチ（０．０１０７７ｍｍ）しかなく、これについては図１３を参照されたい。かかる接触面積の両方は、重要ではなく、しかも大抵の層間荷重伝達が樹脂剪断を通じて行われることを必要とする。これとは逆に、螺旋レイアップでは、非常に広い接触面積が結果として生じ、すなわち、（ａ）３０°‐０．００６インチ（０．０１５２ｍｍ）、（ｂ）２２．５°‐０．００７８４インチ（０．０１９９１４ｍｍ）、（ｃ）１５°‐０．００１１６インチ（０．０２９４６ｍｍ）、及び（ｄ）５°‐０．００３４４インチ（０．０８７３８ｍｍ）である。これら螺旋値（標準の０°、±４５°、９０°レイアップの１．５倍～１０倍）は、直接的な繊維荷重分散が起こるのに足るほど重要である。 The helical clocking is selected to produce a particular helical pitch or rotationally biased z-oriented fibers in close enough proximity to exhibit a substantial direct load distribution, such as within a layer between the laminate fibers. It is better to These left- and right-handed chirality (non-superimposed structure distinguishable from structure) spirals are novel compared to industry standard 0°, ±45°, 90° composite laminates (note: in some cases, Angles of 22.5°, 30°, and 60° are used, but in these cases large clocking angles and symmetry/balance laws are still typical). When stacking angularly significantly different 0°, ±45°, 90° monolayers, a resin-rich layer results between each ply, and within each ply, the load distribution between the fibers is less than that of the matrix. It depends on the interlaminar shear in the resin, see FIG. 12 for this. For example, in traditional layup clocking, two adjacent plies differ by 90 degrees and the individual fibers are 0.003 inches (0.0762 mm) in diameter (typical in the industry). The overlapping direct contact area between adjacent interlayer fibers is 9×10 to 8 square inches (1 inch is 2.54 cm). Also, if the fibers differ by 40 degrees, they have only 0.000424 inches (0.01077 mm) of direct contact, see FIG. 13. Both such contact areas are not critical and require that most interlaminar load transfer occur through resin shear. Conversely, a helical layup results in a much larger contact area: (a) 30° - 0.006 inch (0.0152 mm); (b) 22.5° - 0.00784 inch (0.019914 mm), (c) 15° - 0.00116 inch (0.02946 mm), and (d) 5° - 0.00344 inch (0.08738 mm). These helical values (1.5 to 10 times the standard 0°, ±45°, 90° layup) are significant enough for direct fiber load distribution to occur.

単層プライ相互間で直接的に荷重を分散する繊維の能力は、従来型複合レイアップよりも効率的に衝撃力を吸収して消散させ、そして衝撃疲労効果を最小限に抑える螺旋積層物の能力に対する相当大きな寄与因子である。さらに、これらピッチがつけられた繊維の集成で形成されたスパイラルは、弾道特性、打撃力又は異物衝撃により開始される伝搬衝撃波を減衰させるために特定の波長に合わせて調整されるのがよく、かかるスパイラルは、突発破断の伝搬をさらに阻止し又は制止するために微小球又は強化用粒子を含む母材で満たされるのがよく、また、鈍い又は鋭い衝撃から生じる破断をさらに阻止するように繊維と樹脂との弾性モジュラスの差を利用するように作られるのがよい。 The fibers' ability to directly distribute loads between single plies allows helical laminates to absorb and dissipate impact forces more efficiently than traditional composite layups, and minimize impact fatigue effects. It is a fairly large contributing factor to ability. Additionally, the spirals formed from these pitched fiber assemblages may be tuned to specific wavelengths to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, percussion forces, or foreign object impacts; Such spirals may be filled with a matrix containing microspheres or reinforcing particles to further inhibit or arrest the propagation of catastrophic fractures, and may also be filled with fibers to further inhibit fractures resulting from blunt or sharp impacts. It is preferable to make use of the difference in elastic modulus between the material and the resin.

衝撃力又は衝撃波を受けたときの荷重下にある複合構造物の動的性能は、複雑であり、しかも動的な技術の現状としての微細グリッド有限要素解析法（ＦＥＡ）を用いた場合であっても予測するのが困難である。塑性変形、母材亀裂発生、繊維破断及び最終的な異物衝撃に起因した離層（想定済み又は未想定）の程度は、制御構造試験及び破損後評価によって任意の確度でしか確認することができない。本開示は、螺旋スタックの範囲及び能力を広範な産業用途（例えば、風力タービン、極低温タンク、水素圧力容器、航空宇宙用主要構造物、スポーツ用品、自動車部品、消費製品、防衛／宇宙ビークル、ソフト又はハード装甲車両、建築資材、及び他の複合製品）に拡張する追加の設計及び製造オプションの詳細に関する。ある特定の開示した改良例では、（ａ）ナノ材料、（ｂ）可変ピッチ及び部分スパイラル、（ｃ）ＴＰＵＤプライ、（ｄ）ハイブリッド材料、（ｅ）一プライ内の湾曲繊維、（ｆ）２Ｄ又は３Ｄプレフォームの自動繊維又はテープ又はパッチ配置、（ｇ）非伸縮の製品、（ｈ）３Ｄ織布、（ｉ）３Ｄ印刷材料、（ｊ）フィラメント巻き部品、（ｌ）ＴＰＷレイアップ、（ｍ）ＱＵＤＷレイアップを含む螺旋材料を含む。乾燥及び／又はプレプレグ螺旋レイアップは、手でプライごとに配置されるのがよく、自動繊維配置機械を用いて異形ツール上に直接配置されるのがよく、かつ／あるいは織成／組成／ＵＤプライ及び織布構成機器（例えば、非けん縮布製造機械）を用いてスタックの状態にあらかじめ編成されるのがよい。 The dynamic performance of composite structures under load when subjected to impact forces or shock waves is complex and difficult to understand using fine-grid finite element analysis (FEA) as the current state of the art in dynamic technology. However, it is difficult to predict. The extent of delamination (anticipated or unanticipated) due to plastic deformation, matrix crack initiation, fiber fracture and eventual foreign body impact can only be determined with arbitrary accuracy through controlled structural testing and post-failure evaluation. . This disclosure extends the scope and capabilities of helical stacks to a wide range of industrial applications, such as wind turbines, cryogenic tanks, hydrogen pressure vessels, aerospace major structures, sporting goods, automotive parts, consumer products, defense/space vehicles, For details on additional design and manufacturing options to extend to soft or hard armored vehicles, construction materials, and other composite products). Certain disclosed improvements include (a) nanomaterials, (b) variable pitch and partial spirals, (c) TPUD plies, (d) hybrid materials, (e) curved fibers within one ply, (f) 2D or automatic fiber or tape or patch placement of 3D preforms, (g) non-stretchable products, (h) 3D woven fabrics, (i) 3D printed materials, (j) filament wound parts, (l) TPW layup, ( m) Contains helical material including QUDW layup. The dried and/or prepreg helical layup may be placed ply by ply by hand, may be placed directly onto a profile tool using automated fiber placement machinery, and/or may be placed ply by ply by hand, and/or may be placed ply by ply by hand, and/or may be placed ply by ply by hand, and/or may be placed ply by ply by hand, and/or may be placed directly on the profile tool using an automated fiber placement machine, and/or the weave/composition/UD It may be pre-knitted into a stack using plies and fabric construction equipment (eg, non-crimped fabric making machinery).

ナノ材料を含む螺旋材料：ナノ材料は、１～１０００ナノメートル（１０^-9ｍ）範囲の寸法を有する性状促進粒子である。例としては、炭素ナノファイバ（ＣＮＦ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）、多壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）、黒鉛プレートレット／グラフェン、有機球形粒子、コポリマー、無機クレイ、シリカ、炭化珪素、アルミナ、金属酸化物、及び他の既知又は将来開発されるナノ材料が挙げられる。繊維強化材と組み合わせた状態の樹脂中へのナノ材料の混入は、同一厚さの従来型複合積層物と比較して機械的性質及び耐衝撃性を向上させることが判明している。幾つかの具体化例は、ナノファイバ（直径が１００ｎｍ未満の繊維）が材料中に混ぜ込まれるのがよい。 Helical materials comprising nanomaterials: Nanomaterials are property-enhancing particles with dimensions in the range of 1 to 1000 nanometers (10 ⁻⁹ m). Examples include carbon nanofibers (CNFs), carbon nanotubes (CNTs), single-walled nanotubes (SWNTs), multi-walled nanotubes (MWNTs), graphite platelets/graphene, organic spherical particles, copolymers, inorganic clays, silica, carbonized These include silicon, alumina, metal oxides, and other known or future developed nanomaterials. Incorporation of nanomaterials into the resin in combination with fiber reinforcement has been found to improve mechanical properties and impact resistance compared to conventional composite laminates of the same thickness. In some embodiments, nanofibers (fibers less than 100 nm in diameter) may be incorporated into the material.

図１４Ａ～図１４Ｃは、互いに異なる損傷レベル（すなわち、低、中、及び高）に起因して生じる互いに異なる形式の衝撃損傷（すなわち、変形、層内樹脂亀裂発生、層間樹脂亀裂発生、繊維破断及び離層）を示している。ナノ材料では、衝撃面における改良は、ウィスカー（単結晶）発生として（すなわち、横方向及び層内剪断特性を向上させる繊維相互間のナノスケールブリッジング）によるものである場合である。図１５Ａ～図１５Ｃは、ナノスケールブリッジング（縫成又は縫合とも呼ばれている）が同一の又はほぼ同じ配向の繊維相互間でどれほど特に有効であるかを示している（すなわち、同一配向の層内繊維又は図１３に示された５°螺旋実施例のような似かよった層間繊維）。かかる場合、ナノ材料は、低レベル及び中レベル衝撃に起因して生じる樹脂亀裂を減少させることができ又はそれどころかなくすことができる。螺旋レイアップのプライは、浅い角度（例えば、５°～３０°）にクロッキングされるので、個々の層間繊維相互間の直接接触長さは、標準の０°、±４５°、９０°レイアップの場合の最高１０倍以上である。この長い接触長さにより、ナノ複合添加剤は、４５°又は９０°の角度まで離隔されている業界標準のレイアップよりも高い効果を螺旋レイアップに及ぼす。ナノ添加剤を含む螺旋レイアップは、層内垂直／水平樹脂亀裂発生の減少／消失を示すだけでなく、中程度の衝撃下において図１４Ｂに示されているような水平層間樹脂亀裂発生／消失及びそれどころか離層（全プライ分離）制止を呈していると言える。ナノ材料をプレプレグ形成中、樹脂中に一様に添加してもよく、又は繊維に直接取り付けてもよく、あるいはプライスタック相互間の層間層として追加してもよい。 14A to 14C illustrate different types of impact damage (i.e., deformation, intralaminar resin cracking, interlaminar resin cracking, fiber breakage) resulting from different damage levels (i.e., low, medium, and high). and delamination). For nanomaterials, the improvement in the impact surface is due to whisker (single crystal) generation (ie, nanoscale bridging between fibers that improves lateral and intralaminar shear properties). 15A-15C illustrate how nanoscale bridging (also referred to as stitching or stitching) is particularly effective between fibers of the same or nearly the same orientation (i.e., fibers of the same orientation). (intralayer fibers or similar interlayer fibers such as the 5° helical embodiment shown in FIG. 13). In such cases, nanomaterials can reduce or even eliminate resin cracking that occurs due to low- and moderate-level impacts. Plies in a helical layup are clocked at shallow angles (e.g., 5° to 30°), so the direct contact length between individual interlayer fibers is less than the standard 0°, ±45°, 90° layup. This is at most 10 times higher than in the case of close-up. Because of this long contact length, nanocomposite additives have a higher effect on helical layups than industry standard layups that are spaced up to 45° or 90° angles. The helical layup with nano-additives not only exhibits a reduction/elimination of intralayer vertical/horizontal resin crack initiation, but also reduced horizontal interlayer resin crack initiation/elimination as shown in Figure 14B under moderate impact. In fact, it can be said that delamination (total ply separation) is inhibited. Nanomaterials may be added uniformly into the resin during prepreg formation, or may be attached directly to the fibers, or added as interlayers between ply stacks.

可変ピッチ及び部分螺旋構造：ガラス繊維レイアップのピッチは、プライ１枚当たりの単層厚さ及びプライのクロッキング／積み重ね角度に依存している。結果的に生じるスパイラルを予想衝撃形式／レベル及び／又は所要の強度を予想して特定の波長又は強度に合わせて調整するのがよい。硬化クールダウン中における反りを回避するため、従来型レイアップ（０°、±４５°、９０°プライを用いるレイアッププライ）では、プライスタックのバランス取りをするとともにプライスタックを対称にする必要がある。ある特定の先行技術の認めるところによれば、螺旋レイアップは、左側の方向、右側の方向又は両方向に螺旋巻き可能である場合がある。元来想定されたように、螺旋スタックは、レイアップ全体を通じて一貫した角度オフセットを有する。バランス取りされかつ対称な１８°オフセット螺旋レイアップの一例は、（０°、１８°、３６°、５４°、７２°、９０°、－７２°、－５４°、－３６°、－１８°、０°、－１８°、－３６°、－５４°、－７２°、９０°、７２°、５４°、３６°、１８°、０°）である。浅いクロッキング角度（例えば、３０°以下）のゆえに、螺旋レイアップは、バランスが取れていなくてもかつ／対称でない場合であっても業界標準０°、±４５°、９０°レイアップよりも反る傾向は低い。非標準型螺旋レイアップを製作するこの能力により、独特の薄い単層オプションを特定の要素についてさらに調整することができる。本開示は、追加の螺旋クロッキングオプションを記載している。
１．単一積層物中の可変クロッキング角度、例えば５°、１０°、１５°及び３０°を有するレイアップ。一例は、（０°、５°、１５°、３０、４５°、７５°、－７５°、－４５°、３０°、－１５°、－５°、０°）である。この種のレイアップは、可変波長にわたって調整し、レイアップ中の一ゾーン／深さのところでの衝撃力の制止／消散及び／又は耐衝撃能力と全体的積層物強度のバランス取りについて良好である。
２．レイアップの（ａ）外部、（ｂ）中間部、又は（ｃ）中間部及び外部に対する狭いクロッキングを備えたレイアップ及びレイアップの残部に対する広いクロッキング。（０°、５°、１０°、１５°、４５°、７５°、－７５°、－４５°、－１５°、－１０°、－５°、０°）は、積層物の中間平面及び外面に対する狭いクロッキングを有するレイアップの一例である。この種のレイアップは、荷重支持方向における強度について他のプライの配向を個別調整する自由度を依然として可能にしながら、積層物のある特定の厚み内の衝撃荷重を消散するのに良好である。
３．左又は右にのみ螺旋巻き、例えば、（０°、３０°、６０°、９０°、－６０°、－３０°、０°）及び（０°、－３０°、－６０°、９０°、６０°、３０°、０°）された非対称及び／又は非バランス取りレイアップ。これらレイアップにより、螺旋クロッキング、それゆえに衝撃性能を利用することができ、この場合、厚いバランス取りされた／対称のレイアップを製作する必要はない。より狭い螺旋クロッキングが用いられるので（伝統的な０°、±４５°、９０°ではなく）、かかるレイアップは、反る傾向が小さい。さらに、反る傾向は、多くの場合、部品形状又は局所補剛によって解決できる。
４．部分的にしか螺旋巻きされず、３６０°丸々クロックすることがなく（例えば、０°、５°１０°、１５°、９０°、９０°、１５°、１０°、５°、０°）又は（－３５°、－２５°－１５°、－５°、５°、１５°、２５°、３５°）であるレイアップ。かかるレイアップは、ある特定の積層物ゾーン中の螺旋配置の衝撃の面における利点を分離することができる一方で他のゾーンにおける耐荷繊維を最適化することができる。このクロッキングは、使用中における衝撃の性質及び方向を予測するように方向性があるのがよい。 Variable pitch and partial helical construction: The pitch of the fiberglass layup is dependent on the monolayer thickness per ply and the clocking/stacking angle of the plies. The resulting spiral may be tailored to a particular wavelength or intensity in anticipation of the expected impact type/level and/or required intensity. Conventional layup (layup plies using 0°, ±45°, and 90° plies) requires ply stack balancing and ply stack symmetry to avoid warping during cure cooldown. be. Certain prior art recognizes that the helical layup may be spirally wound in a left-hand direction, a right-hand direction, or both directions. As originally envisioned, the helical stack has a consistent angular offset throughout the layup. An example of a balanced and symmetrical 18° offset helical layup is (0°, 18°, 36°, 54°, 72°, 90°, -72°, -54°, -36°, -18° , 0°, -18°, -36°, -54°, -72°, 90°, 72°, 54°, 36°, 18°, 0°). Because of the shallow clocking angle (e.g., 30° or less), helical layups are faster than industry standard 0°, ±45°, and 90° layups even when unbalanced and/or symmetrical. The tendency to warp is low. This ability to fabricate non-standard helical layups allows unique thin monolayer options to be further tailored for specific elements. This disclosure describes additional helical clocking options.
1. Layups with variable clocking angles in a single laminate, such as 5°, 10°, 15° and 30°. An example is (0°, 5°, 15°, 30, 45°, 75°, -75°, -45°, 30°, -15°, -5°, 0°). This type of layup is good for tuning over variable wavelengths, blocking/dissipating impact forces at one zone/depth in the layup and/or balancing impact capacity and overall laminate strength. .
2. (a) the outside of the layup, (b) the middle, or (c) the layup with narrow clocking for the middle and outside and wide clocking for the remainder of the layup. (0°, 5°, 10°, 15°, 45°, 75°, -75°, -45°, -15°, -10°, -5°, 0°) are the intermediate planes of the laminate and Figure 3 is an example of a layup with narrow clocking to the outside surface. This type of layup is good for dissipating impact loads within a certain thickness of the laminate while still allowing the freedom to individually adjust the orientation of other plies for strength in the load bearing direction.
3. Spiral winding only to the left or right, e.g. (0°, 30°, 60°, 90°, -60°, -30°, 0°) and (0°, -30°, -60°, 90°, 60°, 30°, 0°) asymmetric and/or unbalanced layup. These layups allow helical clocking and therefore impact performance to be taken advantage of without the need to fabricate thick balanced/symmetrical layups. Because a narrower helical clocking is used (rather than the traditional 0°, ±45°, 90°), such a layup has less tendency to warp. Furthermore, the tendency to warp can often be overcome by part geometry or local stiffening.
4. Only partially spiral wound and not clocked the full 360° (e.g. 0°, 5° 10°, 15°, 90°, 90°, 15°, 10°, 5°, 0°) or The layup is (-35°, -25°-15°, -5°, 5°, 15°, 25°, 35°). Such a layup can isolate the impact benefits of a helical arrangement in certain laminate zones while optimizing load-bearing fibers in other zones. This clocking may be directional so as to predict the nature and direction of shock during use.

ＴＰＵＤ螺旋材料：業界の典型的なＵＤ単層／エポキシ（Ｃ／Ｅ）プレプレググレードは、１９０（０．００７３インチ（０．１８５４ｍｍ）／プライ）及び１４５（０．００５６インチ（０．１４２２ｍｍ）／プライ）を含む。薄手プライのプレプレグは、典型的には、グレード６０（０．００２３インチ（０．０５８４ｍｍ）／プライ）又はこれよりも薄い。図１６は、螺旋プライ厚さ及びクロッキングが種々の高さ及び幅の階段状スパイラルをどのようにして作るかということを示している。例えば、グレード１４５ＵＤ螺旋レイアップは、０．００５６インチ（０．１４２２ｍｍ）の垂直段について一プライ当たり互いの上に積み重ねられた約１５～２０本の炭素繊維を有する。約β＝５°のクロッキング角度の場合、標準化されたオフセットａ＝０．０６４インチ（１．６２６ｍｍ）を用いると、水平段は、ｂ＝０．００５６インチ（０．１４２２ｍｍ）として計算され、この場合、ほぼ１対１（１：１）スパイラルが作られる。短い層間樹脂剪断ゾーンを備えかつ実質的に繊維間直接接触があるこの１：１の狭くクロッキングされたスパイラルは、螺旋レイアップの耐衝撃性、亀裂阻止及び可能性相互間の層間荷重分散の核心である。同一の５°クロッキングを備えたグレード１９０（０．００７３インチ（０．１８５４ｍｍ）／プライ）螺旋レイアップは、ほぼ２：１階段を有する。４５°クロッキングを備えた典型的なグレード１４５業界標準のレイアップは、０．０５６インチ（１．４２２ｍｍ）垂直樹脂段及び比較的長い１：１０スパイラルを有する。この長い樹脂剪断ゾーンは、螺旋レイアップと比較すると、層間直接繊維荷重分散を制限し、そして幾つかの場合においては、耐衝撃性の減少を説明することができる。９０°クロッキングは、無限の層間段（すなわち、妨害されない層間樹脂ゾーン）を作る。 TPUD helical materials: Typical UD single layer/epoxy (C/E) prepreg grades in the industry are 190 (0.0073 inch (0.1854 mm)/ply) and 145 (0.0056 inch (0.1422 mm)) / ply). Thin ply prepregs are typically grade 60 (0.0023 inches (0.0584 mm)/ply) or thinner. Figure 16 shows how helical ply thickness and clocking create stepped spirals of varying heights and widths. For example, Grade 145UD helical layup has approximately 15-20 carbon fibers stacked on top of each other per ply for 0.0056 inch (0.1422 mm) vertical steps. For a clocking angle of approximately β = 5°, using a standardized offset a = 0.064 inches (1.626 mm), the horizontal step is calculated as b = 0.0056 inches (0.1422 mm); In this case, an approximately one-to-one (1:1) spiral is created. This 1:1 narrowly clocked spiral with short interlaminar resin shear zones and substantially direct fiber-to-fiber contact improves the helical layup's impact resistance, crack arrest, and potential for interlaminar load distribution between each other. It is the core. A grade 190 (0.0073 inch (0.1854 mm)/ply) helical layup with identical 5° clocking has approximately 2:1 steps. A typical Grade 145 industry standard layup with 45° clocking has a 0.056 inch (1.422 mm) vertical resin step and a relatively long 1:10 spiral. This long resin shear zone limits direct fiber load distribution between layers when compared to a helical layup, and in some cases may explain the reduction in impact resistance. 90° clocking creates an infinite interlayer stage (ie, an undisturbed interlayer resin zone).

以上要約すると、図１６を引き続き参照して注目できることとして、「スパイラル階段」がきつくなればなるほど、潜在的な耐衝撃性はそれほどいっそう良好になり、ただし、他の全ての基準がほぼ同一であることを条件とする。しかしながら、１°から５°までの範囲内の極めて浅い角度は、螺旋状の母材クラックとして説明される主要な破損機構を促進することが見込まれ、他方、１５°から３０°までの範囲にあるこれよりも大きな浅い角度は、プライ内及びプライ間離層及び繊維破断として説明される主要な破損機構体を促進することが見込まれる。本出願人の理解するところによれば、所与の繊維種類及びプライ厚さについて角度値の好ましい範囲スポットが存在し、この場合、上述の破損機構体の両方は、互いに協働して衝撃エネルギー消散及び衝撃強度を最大にする。この好ましい範囲及び当該範囲内の任意の最適値は、繊維層のクロッキング角度に加えて、樹脂特性、繊維特性、トウサイズ、及び層間樹脂厚さを含む数に依存する場合がある。ＴＰＵＤレイアップは、同様な厚さの伝統的なレイアップと比較して、強度及び衝撃に関する能力を有することが判明した。 In summary, with continued reference to Figure 16, it can be noted that the tighter the "spiral staircase", the better the potential impact resistance, provided all other criteria remain approximately the same. The condition is that. However, very shallow angles in the range of 1° to 5° are expected to promote the primary failure mechanism described as helical matrix cracking, while angles in the range of 15° to 30° Some larger shallow angles are expected to promote the primary failure mechanisms described as intra- and inter-ply delamination and fiber breakage. Applicant's understanding is that for a given fiber type and ply thickness there is a preferred range spot of angular values, where both of the failure mechanisms described above work together to reduce impact energy. Maximize dissipation and impact strength. This preferred range, and any optimal value within the range, may depend on a number including, in addition to the clocking angle of the fiber layers, resin properties, fiber properties, tow size, and interlayer resin thickness. TPUD layups have been found to have strength and impact capabilities compared to traditional layups of similar thickness.

本開示により説明される新規な実施形態として、５°クロッキングを備えたＴＰＵＤグレード６０（０．００２３インチ（０．０５８４２ｍｍ）／プライ）螺旋レイアップは、例示の１／２：１階段を作る。かかるプレプレグクロッキング構造は、伝統的な（厚さ及びクロッキング）レイアップと比較して最高５０％の衝撃に関する改良結果を有することが判明した。加うるに、薄手プライレイアップは、ほぼ同じ全厚及び配向の伝統的なレイアップと比較して、最大３０％の強度に関する改良結果をもたらすことが判明した。さらに、注目されるべきこととして、僅かなクロッキング角度に関し、隣り合うプライは、層内垂直樹脂亀裂の発生を制止するのに役立つのに十分に依然として末広がりである。これとは逆に、同一配向の２枚以上のプライを積み重ねた際に見出されたこととして、層内亀裂は、１枚のプライから次のプライに比較的容易に広がる。樹脂層内微小亀裂発生はまた、極低温（例えば、－２００°Ｆ（－１２８．９℃）～－４１５°Ｆ（－２４８．３℃）環境（例えば、宇宙空間極低温タンク）内で起こる場合がある。本発明によれば、改良された衝撃及び微小亀裂阻止の結果は、ＴＰＵＤプレプレグとともに構成された場合に従来知られている螺旋構造物のうちの任意を用いて見込まれる。微小亀裂阻止は、荷重支持能力の維持を助けるだけでなく、格納容器内の液体及び／又はガスの浸透を減少させる。以下のＴＰＵＤバリエーションは、当該技術の例外的な実施形態である。
１．ＴＰＵＤ螺旋スタックは、標準プライ厚さの伝統的なクロッキングレイアップと比較して、向上した強度、耐衝撃性及び層間微小亀裂制止を呈する。これらの能力は、厳密なアスペクト比の急上昇及び向上した層間荷重分散によるものである場合がある。
２．連続的にクロッキングされたスパイラルのＴＰＵＤ螺旋スタックは、配向度の高い伝統的なスタック（主要な耐荷方向における余分のプライ）と同じほど良好な又はこれよりも良好な強度を有し、それでいて耐衝撃特性が向上している。これは、螺旋レイアップが主要荷重方向において少ない全本数の繊維を有することができるが、薄いプライ及び僅かにクロッキングされたオフアングル（off-angle）繊維は、効率的な層間荷重分散を促進するという事実に由来する。加うるに、同一角度の繊維が螺旋スタック中において互いの上に直接積み重ねられていないので、垂直樹脂微小亀裂が高加重中及び／又は衝撃事象中及び／又は寒冷環境内において単層相互間で伝搬する傾向が小さい。微小亀裂阻止は、荷重支持能力の維持を助けるだけでなく、格納容器中における液体及び／ガスの浸透を減少させる。
３．小さな全厚のＴＰＵＤ螺旋スタックは、厚い伝統的な積層物と同等な又はこれよりも良好な衝撃強度を有する場合がある。本明細書においては、この場合、業界の非螺旋標準型のバランスが取れていて対称のしかも方向性配向度が最小の積層物を用いた場合よりもＴＰＵＤ螺旋スタックを用いた場合の方が薄くかつ軽量の積層物を製作することが可能である。
４．薄い最小ゲージのＴＰＵＤ螺旋スタックは、伝統的なレイアップ対称則、バランス則及び最小配向則に準拠しながら所望の特性を備えることができる。例えば、航空機外板は、標準の０°、±４５°、９０°レイアップ則を用いた場合にひょう（雹）による打撃についてはグレード１９０又は全厚において０．０５８インチ（１４．７３２ｍｍ）のＵＤテープの８プライ（０°、＋４５°、－４５°、９０°、９０°、－１５°、＋４５°、０°）を必要とする場合がある。しかしながら、同一の用途に関し、ＴＰＵＤ螺旋レイアップ（１６プライ０．０３７インチ（０．９４０ｍｍ）積層物を用いた衝撃要件及びレイアップ則を満たす可能性がある。
５．螺旋スタックは、ＴＰＵＤと厚いプライを組み合わせて伝統的なレイアップよりも優れた特徴的に調整された強度／衝撃の積層物を作ることができる。ＴＰＵＤの一欠点は、ＴＰＵＤが厚いプライ材料部品と比較して積層物をレイアップするのに多くの時間を必要とする場合があるということであり、と言うのは、より多くの層が必要とされるからである。この欠点は、薄いプライと厚いプライの組み合わせを用いることによって部分的に軽減できる。本開示によって示唆される例示の場合に関し、薄い螺旋プライは、レイアップを調整して全体的な耐衝撃能力を高めるようにレイアップの一部分について使用されるのがよく、他方、厚いプライは、レイアップ時間を短縮して全体的強度を生じさせるために使用されるのがよい。好ましい一実施例では、螺旋プライは、衝撃強度を向上させるために積層物の外面の近くでかつ主要な荷重支持機構としてのレイアップの残部又は中間部上の厚いプライの近くで用いられる場合がある。例えば、風力タービン翼の例では、一方向繊維を用いる厚い内層を有することが可能であり、これは、螺旋材料の層内で巻かれ又は封入されるのがよい。別の例として、螺旋材料は、圧力容器の内層上に用いられるのがよく、それにより亀裂が圧力容器の外層に伝搬するのを阻止することができる。所望ならば、螺旋材料は、圧力容器の内層に加えて又はこれに代えて、圧力容器の中間層又は外層に使用できる。
この例は、図１８Ａ～図１８Ｃで理解でき、図１８Ａ～図１８Ｃは、本発明の実施形態にかかる繊維強化複合構造物１０のためのプライ配置の略図である。図１８Ｂは、図１８Ａ及び図１８Ｃの斜視図に示された構造物の断面図である。複合構造物１０は、繊維強化複合構造物の第１の領域を定める強化用繊維の第１の複数のプライ１１を有し、これらプライは、互いに平行な繊維を含み、これらプライは、繊維強化複合構造物のための荷重支持強度を提供するように配置されている。図示の実施例では、第１の複数のプライ１１は、５枚のプライを含む。底部のところに位置する２枚のプライは、＋８０°／－８０°で配置され、これらの上方に位置する３枚のプライは、全て、０°に配置されているが、この実施例では、０°のプライは、軸対称部品、例えば管状構造物の軸線に沿って配置され、そして主要加重方向に強度を提供する。＋８０°／－８０°のプライは、０°のプライを強化するのに役立ち、そして軸対称部品、例えば長さにおいて有利であるかもしれない薄い管状構造物の座屈に抵抗する。
強化用繊維１２の第２の複数のプライは、繊維強化複合構造物の第２の領域を定めるとともに螺旋関係をなして配置され、少なくとも２枚のトライアルプライの配向方向相互間の夾角は、繊維強化複合構造物のために耐衝撃性を提供するように０°超かつ約３０°未満である。図示の実施例では、プライ（頂部から始まり、その下に進む）は、７０°、６５°、６０°、５５°、５０°、４５°、４０°、３０°、２０°、１０°で配置されている。本明細書のどこか別の場所で説明するように、この螺旋関係は、下に位置する構造物に対して耐衝撃性をもたらす。
強化用繊維の第３の複数のプライは、第２及び第３のプライの中間部に位置する第１の複数のプライの両側に耐衝撃性を提供するように強化用繊維の第２の複数のプライと反対側に位置決めされるのがよい。耐衝撃性、主要耐荷能力及びレイアップ時間の減少という観点において利点を提供する第２の複数の螺旋プライのためのＴＰＵＤプライ及び他のプライのための厚いプライで示されているが、プライの厚さは、これらプライの各々について同一であるのがよい。
６．ＴＰＵＤ螺旋スタックは、伝統的なレイアップよりも優れている強度及び衝撃特性を依然として有する特徴的に調整された積層物を作るように可変クロッキングで作られるのがよい。例えば、業界では典型的である４５°及び９０°の標準クロッキングを用いるのではなく又は基本螺旋レイアップについて実施される場合のある一貫した５°のクロッキングを用いるのではなく、クロッキングが次の各単層について数度ずらす螺旋レイアップを作ることができる。結果的に得られる積層物は、この場合、所定のピッチ及び部品重量を最小限にしながら製品環境の要求（一例として、熱的要件、衝撃要件、及び強度要件）を一意的に満たす調整方式を備えている。
７．狭いクロッキング及び薄いプライを用いて作られた螺旋配置は、標準のクロッキング及び標準のプライ厚さを用いた伝統的なレイアップよりも反る傾向が小さいことが判明した。さらに、反りはＴＰＵＤ非対称／バランスが取られていないスタック中に残存する事態は、部分形状又は極小補剛効果によって解決できる場合が多い。この場合、左側のみ、右側のみのＴＰＵＤ螺旋レイアップでは、螺旋ＴＰＵＤレイアップは、最小限のゲージ及び可能な限り最も小さい重量を保持しながら例示の強度及び衝撃特性を有することができる。
８．組み合わせ型ＴＰＵＤ・厚手プライ螺旋スタックは、伝統的なレイアップよりも優れている特徴的に調整されかつ強度／衝撃能力を備えた積層物を作るために可変クロッキングで製作されるのがよい。この場合、薄いプライと厚いプライは、レイアップコストを最小限に抑えるとともに強度／スパイラル調整能力を最適するために使用でき、他方、可変クロッキングピッチは、特性を別の度（°）まで最大にし又は別の性質の特性を最大にするように使用できる。例えば、薄いプライと厚いプライの選択を、主として、レイアップ比の見地から行うのがよく、他方、可変クロッキングは、垂直層内樹脂微小亀裂発生を制止するように選択できる。強度に対するコスト、耐衝撃性に対するコスト、及びコストパフォーマンスを向上させるように重量調整に対するコストの他の組み合わせを想定することができる。 As a novel embodiment described by this disclosure, a TPUD grade 60 (0.0023 inch (0.05842 mm)/ply) helical layup with 5° clocking creates an exemplary 1/2:1 staircase. . Such prepreg clocking structures have been found to have improved impact results of up to 50% compared to traditional (thickness and clocking) layups. In addition, thin ply layups have been found to provide improved strength results of up to 30% compared to traditional layups of approximately the same overall thickness and orientation. Additionally, it should be noted that for small clocking angles, adjacent plies are still sufficiently divergent to help inhibit intralayer vertical resin cracking. Conversely, intralaminar cracks propagate relatively easily from one ply to the next, as has been found when stacking two or more plies of the same orientation. Intra-resin layer microcracking also occurs in extremely low temperature (e.g., -200°F (-128.9°C) to -415°F (-248.3°C)) environments (e.g., space cryogenic tanks). In accordance with the present invention, improved impact and microcrack arrest results are anticipated using any of the previously known helical structures when constructed with TPUD prepreg. The blocking not only helps maintain load carrying capacity, but also reduces liquid and/or gas infiltration within the containment vessel.The following TPUD variations are exceptional embodiments of the technology.
1. TPUD helical stacks exhibit improved strength, impact resistance, and interlaminar microcracking control compared to traditional clocking layups of standard ply thickness. These capabilities may be due to tight aspect ratio jumps and improved interlayer load distribution.
2. TPUD helical stacks of continuously clocked spirals have as good or better strength as highly oriented traditional stacks (extra plies in the main load-bearing direction), yet withstand Improved impact properties. This is because the helical layup can have a lower total number of fibers in the primary loading direction, but the thinner plies and slightly clocked off-angle fibers promote efficient interlayer load distribution. It comes from the fact that In addition, because fibers of the same angle are not stacked directly on top of each other in a helical stack, vertical resin microcracks can occur between monolayers during high loads and/or impact events and/or in cold environments. Less tendency to propagate. Microcrack inhibition not only helps maintain load carrying capacity, but also reduces liquid and/or gas infiltration within the containment vessel.
3. A small total thickness TPUD helical stack may have impact strength comparable to or better than thick traditional laminates. In this case, we demonstrate that using a TPUD helical stack is thinner than using industry non-helical standard balanced, symmetrical and minimally directional laminates. Moreover, it is possible to produce a lightweight laminate.
4. Thin minimum gauge TPUD helical stacks can have the desired properties while complying with traditional layup symmetry, balance, and minimum orientation laws. For example, aircraft skin can be graded 190 or 0.058 inches (14.732 mm) at full thickness for hail strikes using standard 0°, ±45°, 90° layup rules. Eight plies of UD tape (0°, +45°, -45°, 90°, 90°, -15°, +45°, 0°) may be required. However, for the same application, it is possible to meet the impact requirements and layup rules using a TPUD helical layup (16 ply 0.037 inch (0.940 mm) laminate).
5. Helical stacks can combine TPUD and thick plies to create uniquely tailored strength/impact laminates that are superior to traditional layups. One disadvantage of TPUD is that TPUD may require more time to lay up the laminate compared to thicker ply material parts, meaning more layers are required. This is because it is said that This drawback can be partially alleviated by using a combination of thin and thick plies. For example cases suggested by this disclosure, thinner helical plies may be used for a portion of the layup to tailor the layup to increase overall impact capacity, while thicker plies may It may be used to reduce layup time and create overall strength. In one preferred embodiment, helical plies may be used near the outer surface of the laminate to improve impact strength and near thicker plies on the rest or midsection of the layup as the primary load-bearing mechanism. be. For example, in the example of a wind turbine blade, it is possible to have a thick inner layer using unidirectional fibers, which may be wound or encapsulated within a layer of helical material. As another example, a helical material may be used on the inner layer of the pressure vessel to prevent cracks from propagating to the outer layer of the pressure vessel. If desired, the helical material can be used in the middle or outer layer of the pressure vessel in addition to or in place of the inner layer of the pressure vessel.
An example of this can be seen in FIGS. 18A-18C, which are schematic illustrations of ply arrangements for a fiber-reinforced composite structure 10 according to embodiments of the invention. FIG. 18B is a cross-sectional view of the structure shown in the perspective views of FIGS. 18A and 18C. The composite structure 10 has a first plurality of plies 11 of reinforcing fibers defining a first region of the fiber-reinforced composite structure, the plies including fibers parallel to each other, the plies having fiber-reinforced Arranged to provide load-bearing strength for the composite structure. In the illustrated example, the first plurality of plies 11 includes five plies. The two plies located at the bottom are located at +80°/-80° and the three plies located above these are all located at 0°, but in this example: A 0° ply is placed along the axis of an axisymmetric component, such as a tubular structure, and provides strength in the primary loading direction. The +80°/−80° ply serves to strengthen the 0° ply and resist buckling of axisymmetric components, such as thin tubular structures that may be advantageous in length.
The second plurality of plies of reinforcing fibers 12 define a second region of the fiber-reinforced composite structure and are arranged in a helical relationship, the included angle between the orientation directions of the at least two trial plies being greater than 0° and less than about 30° to provide impact resistance for reinforced composite structures. In the example shown, the plies (starting at the top and proceeding below) are arranged at 70°, 65°, 60°, 55°, 50°, 45°, 40°, 30°, 20°, 10°. has been done. This helical relationship provides impact resistance to the underlying structure, as explained elsewhere herein.
The third plurality of plies of reinforcing fibers are arranged in a manner such that the second plurality of plies of reinforcing fibers provide impact resistance on both sides of the first plurality of plies located intermediate the second and third plies. It is preferable that the ply be positioned on the opposite side of the ply. Although shown in the TPUD ply for the second multiple helical ply and thicker ply for the other plies offering advantages in terms of impact resistance, primary load-bearing capacity and reduced lay-up time, the ply The thickness may be the same for each of these plies.
6. TPUD helical stacks may be made with variable clocking to create a characteristically tailored laminate that still has superior strength and impact properties than traditional layups. For example, instead of using the standard 45° and 90° clocking that is typical in the industry, or the consistent 5° clocking that may be implemented for basic helical layups, the clocking A helical layup can be made with each subsequent monolayer offset by several degrees. The resulting laminate, in this case, has a conditioning scheme that uniquely meets the demands of the product environment (by way of example, thermal, impact, and strength requirements) while minimizing a given pitch and part weight. We are prepared.
7. It has been found that helical arrangements made with narrow clocking and thin plies have less tendency to warp than traditional lay-ups with standard clocking and standard ply thickness. Additionally, warping that remains in the TPUD asymmetry/unbalanced stack can often be resolved by partial geometry or minimal stiffening effects. In this case, for a left-side only, right-side only TPUD helical layup, the helical TPUD layup can have exemplary strength and impact properties while retaining minimal gauge and the lowest possible weight.
8. Combination TPUD thick ply helical stacks may be fabricated with variable clocking to create laminates with characteristically tailored and strength/impact capabilities superior to traditional lay-ups. In this case, thin and thick plies can be used to minimize layup costs and optimize strength/spiral adjustability, while variable clocking pitch maximizes properties to different degrees (°). It can be used to maximize the properties of other properties. For example, the selection of thin and thick plies may be made primarily from a layup ratio standpoint, while variable clocking may be selected to inhibit vertical intralaminar resin microcracking. Other combinations of cost for strength, cost for impact resistance, and cost for weight adjustment can be envisioned to improve cost performance.

プライを追加して落下させることによって複合コンポーネントを特別に製作することができ、それにより高い加重の領域における強度及び耐衝撃性を高める一方で他の領域における最小厚さ及び最小重量を維持することができるということにある。多くの場合、部品に詰め物をして、構造物、例えば締結具配置場所及び導管通過部に設けられた開口部及び結合ゾーンに設けられた開口部の周りに膨らませてリベット付きの航空宇宙構造組立体又はスポーク取り付け箇所周りの自転車リムのようにコンポーネントを局所的に補剛するとともに／あるいは維持及び／又は構造強度を向上させる。他の場合、部品をウィング又は風力タービン翼の前縁、ゴルフクラブ、バットやクラブの打撃領域、保護ヘルメットなどのような衝撃力の高いことが予想される領域において厚くする。他の場合、部品は、例えば、釣り竿、ゴルフクラブ、棒高跳び用ポール、セーリングマスト、スキー及びスノーボード、運動用シューズなどの場合と同様に一領域において撓み、他の領域においては剛であるように製作できる。本開示によって説明する別の特定の場合として、コンポーネントのパッドアップ（pad-up）領域は、明細書において説明する螺旋変形物のうちの任意のものから成ってよい。このパッドアップには、基本的な伝統的レイアップ又は同一構造もしくは異なる構造の基本螺旋レイアップを組み込むことができる。８つの先の列挙した場合で詳述したように、ＴＰＵＤ螺旋積層物は、減少した最小ゲージ及び／又は軽量の良好な又は均等な働きをする構造物の実現を可能にする。バランス／対称則は、積み重ね自由度を制限し、そして多くの場合、所与の荷重の場合を取り上げるために明確に必要とされる場合よりも厚いレイアップを定める予想していない加重（例えば、任意の一方向において繊維の１０％以上）について保護すべき最小配向のための規則と一緒に、ＴＰＵＤ螺旋構造物に控え目に使用でき又は幾つかの場合においては無視できる。 Composite components can be specially fabricated by adding and dropping plies to increase strength and impact resistance in areas of high loading while maintaining minimum thickness and weight in other areas. The reason is that it can be done. In many cases, parts are stuffed and inflated around the structure, e.g., openings in fastener locations and conduit passages and in bonding zones, to create riveted aerospace structural assemblies. Locally stiffening and/or increasing maintenance and/or structural strength of a component, such as a bicycle rim, around the volume or spoke attachment points. In other cases, parts are thickened in areas where high impact forces are expected, such as the leading edge of a wing or wind turbine blade, the striking area of a golf club, bat or club, protective helmets, and the like. In other cases, parts are made to be flexible in one area and rigid in other areas, as is the case, for example, with fishing rods, golf clubs, pole vaulting poles, sailing masts, skis and snowboards, athletic shoes, etc. can. As another specific case described by this disclosure, the pad-up region of the component may be comprised of any of the helical variations described herein. This pad-up can incorporate a basic traditional lay-up or a basic helical lay-up of the same or different construction. As detailed in the eight previously enumerated cases, TPUD helical laminates allow the realization of better or equally performing structures of reduced minimum gauge and/or light weight. Balance/symmetry laws limit the stacking degrees of freedom and often dictate a thicker layup than is clearly needed to take a given load case (e.g. With the rule for a minimum orientation to be protected (more than 10% of the fibers in any one direction), it can be used sparingly or in some cases ignored in TPUD helical structures.

ハイブリッド材料螺旋構造物：ナノ材料、可変ピッチ及び部分スパイラル及びＴＰＵＤを含む螺旋積層物をハイブリッド材料（例えば、織り複合材、非ポリマー、金属、フォーム、サンドイッチ材料、及び／又は当業界において知られている又は開発される他の材料）と組み合わせると、全体的重量、制作費、耐荷重、スチフネス及び耐衝撃性のような特性を向上させることができる。これら組み合わせは、全域的に（例えば、母材樹脂全体を通じて組み合わせされたナノ材料）又は地域的に（例えば、薄‐厚螺旋スパイラル中の伝統的な厚さのプレプレグの４枚のプライに置き換わるチタン箔の１つの層）実施されるのがよく、それにより比強度及び衝撃特性を調整する一方で、コスト、重量及び／又は厚さを最小限にすることができる。ハイブリッド螺旋構造物の特定の例示の実施例が以下に列挙されている。
１．織布複合材プライがスタック中に又は内面及び外面上に分布して配置された螺旋構造物を耐衝撃性の向上のために選択された特徴的なクロッキング配置で作ることができる。織りプライは、穴あけし又はトリムする際に繊維のちぎれを最小限に抑えるように内面及び外面上で有用な場合があり、そして腐食及び衝撃に対する能力を向上させることができる。レイアップ内において、布は、衝撃力の吸収及び消散を助け、そして衝撃疲労の効果を最小限に抑える特徴的なクロッキング／螺旋巻き及び調整組み合わせを作ることができる。布プライは、落雷を消散させ、電流を通し、電気部品をシールドし又は熱伝導率を変化させるのを助けるために金属箔、繊維又はメッシュをさらに含むのがよい。
２．金属箔が内面及び外面上に施された螺旋構造物を作って耐腐食性及び耐衝撃性を向上させることができる。この場合、金属箔は、軸受破損をなくし、腐食を軽減し又は遅らせるとともに／あるいは衝撃下で撓むことができる一方で、螺旋構造物が無傷のままでいることができ、それによりさらに耐衝撃性及び耐荷特性を向上させることができる。
３．減衰フォーム又はサンドイッチ材料の層を螺旋スタックの中心に配置することは、剪断剛性を高め、慣性荷重を緩衝し、打撃エネルギーを消散させるとともに／あるいは耐座屈性を向上させるように実施されるのがよい。かかる構成により、コンポーネントの強度と重量の比、消音、耐疲労性、断熱、及び／又は衝撃／損傷に対する耐性を向上させることができる。
４．二軸（例えば、［＋ｘ°／－ｘ°］）、三軸（例えば、［０°，＋ｘ°，－ｘ°］）もしくは四軸（例えば、［０°，±４５°、９０°］）、又は織布で作られた伝統的なスキン構造物に置き換わったサンドイッチ構成内に螺旋ＴＰＵＤスキンを用いることにより、スキンの貫通厚さの衝撃強度を向上させることができ、しかも平面内圧縮下におけるスキン座屈を遅延させることができる。これは、小さなプライ間角度及び多数のプライの結果から生じ、それにより、重量の低減が可能である。かかる構造物では、螺旋積み重ね方式は、高い貫通厚さ衝撃強度をもたらし、そして面外強度に関して薄いプライの積層物に特有の脆弱さを補完したり打ち消したりする。かくして、薄いプライの螺旋積み重ねにより、軽量化を高めることができるように薄いプライの平面内特性を向上させることができる。
５．ナノ材料を母材樹脂中に組み込むと、螺旋プライ自体とハイブリッド材料（例えば、金属及びサンドイッチ）との間の結合度を高め、それにより、層間強度及びかかる層間強度（例えば、強度剪断、曲げ引張、圧縮及び衝撃）に依存する特性を向上させることができる。 Hybrid material helical structures: Helical laminates including nanomaterials, variable pitch and partial spirals, and TPUD can be combined with hybrid materials (e.g., woven composites, non-polymers, metals, foams, sandwich materials, and/or known in the art). When combined with other materials currently available or being developed, properties such as overall weight, manufacturing cost, load capacity, stiffness and impact resistance can be improved. These combinations can be applied globally (e.g. nanomaterials combined throughout the matrix resin) or regionally (e.g. titanium to replace four plies of traditional thickness prepreg in a thin-to-thick helical spiral). One layer of foil) may be implemented, thereby minimizing cost, weight and/or thickness while adjusting specific strength and impact properties. Certain illustrative examples of hybrid helical structures are listed below.
1. A helical structure in which woven composite plies are arranged in a stack or distributed on inner and outer surfaces can be made with a characteristic clocking arrangement selected for improved impact resistance. Woven plies may be useful on interior and exterior surfaces to minimize fiber tearing when drilling or trimming, and can improve corrosion and impact resistance. Within the layup, the fabric can create a distinctive clocking/spiral wrap and adjustment combination that helps absorb and dissipate impact forces and minimizes the effects of impact fatigue. The fabric ply may further include metal foil, fibers, or mesh to help dissipate lightning strikes, conduct electrical current, shield electrical components, or change thermal conductivity.
2. Spiral structures can be created with metal foil applied on the inner and outer surfaces to improve corrosion and impact resistance. In this case, the metal foil eliminates bearing failure, reduces or retards corrosion and/or can flex under impact while the helical structure remains intact, thereby making it even more impact resistant. It is possible to improve the durability and load-bearing properties.
3. Placing a layer of damping foam or sandwich material in the center of the helical stack may be implemented to increase shear stiffness, buffer inertial loads, dissipate impact energy and/or improve buckling resistance. Good. Such configurations may improve the component's strength-to-weight ratio, sound deadening, fatigue resistance, thermal insulation, and/or impact/damage resistance.
4. Two axes (e.g. [+x°/-x°]), three axes (e.g. [0°, +x°, -x°]) or four axes (e.g. [0°, ±45°, 90°]) By using a helical TPUD skin in a sandwich configuration to replace traditional skin structures made of , or woven fabrics, the impact strength of the through-thickness of the skin can be improved, yet under in-plane compression. Skin buckling can be delayed. This results from the small inter-ply angle and large number of plies, which allows weight reduction. In such constructions, the helical stacking scheme provides high through-thickness impact strength and complements or negates the inherent weakness of thin ply laminates with respect to out-of-plane strength. Thus, helical stacking of thin plies can improve the in-plane properties of the thin plies so that weight savings can be increased.
5. Incorporation of nanomaterials into the matrix resin increases the degree of bonding between the helical ply itself and the hybrid materials (e.g., metals and sandwiches), thereby increasing interlaminar strength and such interlaminar strengths (e.g., strength shear, flexural tensile , compression and impact) can be improved.

サンドイッチ構造物に関し、フェースシート又はスキンをコアと組み合わせて用いることにより、上述の利点を提供することができる。しかしながら、複合材の分野における従来の知見は、バランス取りされていてかつ対称である複合レイアップを形成することにある。この結果、スキンは、バランス及び対称性を提供するのに必要なプライ層の全てに対応するために、比較的大きな最小厚さを有する。ある特定の用途ではバランスの取れていないレイアップを用いるが、これらは、耐衝撃性の面で制約があるということが知られている。本明細書における本発明の実施形態は、複合スキンサンドイッチ構造に耐衝撃性を与え、スキンのうちの少なくとも１枚は、必ずしもバランス取りされるとともに／あるいは対称であるということはない螺旋状関係に配置された強化用繊維の複数のプライを含む。 With respect to sandwich constructions, the use of a face sheet or skin in combination with a core can provide the advantages described above. However, conventional wisdom in the field of composites is to form composite layups that are balanced and symmetrical. As a result, the skin has a relatively large minimum thickness to accommodate all of the necessary ply layers to provide balance and symmetry. Certain applications use unbalanced layups, but these are known to have limited impact resistance. Embodiments of the invention herein provide impact resistance to composite skin sandwich structures, wherein at least one of the skins is in a helical relationship that is not necessarily balanced and/or symmetrical. It includes a plurality of plies of reinforcing fibers arranged.

スキンの厚さ又は重量は、サンドイッチ構造物のための究極的な意図した用途に関する場合がある。例えば、本発明の実施形態によれば、スキンは、約１，６００ｇｓｍ以下の全布繊維面積重量を有する。この重量の布は、例えば、サーフボードに用いられるのがよい。本発明の実施形態によるもう１つの実施例として、スキンは、約５，０００ｇｓｍ以下の全布繊維面積重量を有する。この重量の布は、例えば、Ｅガラス繊維で作られた風力タービン翼向きに用いられるのがよい。諸実施形態によれば、スキンは、約４ｍｍ以下の厚さを有する。炭素繊維に関し、スキン重量は、諸実施形態によれば、約３，０００ｇｓｍ以下であるのがよい。複合サンドイッチ構造物のスキンは、部分的に方向性（又は疑似等方性）の強度分布を有し、かつ向上した耐衝撃性を有するのがよい。 The thickness or weight of the skin may be related to the ultimate intended use for the sandwich construction. For example, according to embodiments of the invention, the skin has a total fabric fiber areal weight of about 1,600 gsm or less. Fabrics of this weight may be used, for example, on surfboards. As another example according to embodiments of the invention, the skin has a total fabric fiber areal weight of about 5,000 gsm or less. Fabrics of this weight may be used, for example, for wind turbine blades made of E-glass fibers. According to embodiments, the skin has a thickness of about 4 mm or less. For carbon fibers, the skin weight may be about 3,000 gsm or less, according to embodiments. The skin of the composite sandwich structure may have a partially directional (or quasi-isotropic) strength distribution and enhanced impact resistance.

加うるに、スキンの螺旋状配置は、優れた平面内耐圧縮性を示す。圧縮下にあるサンドイッチ構造物の従来型多軸積層スキンに関し、軸外しプライ（すなわち、繊維方向が加重方向に沿って整列していないプライ）は、母材亀裂の生成で破損する最初のプライであるのが通例である。これら母材亀裂は、多くの場合、軸外しプライに平行な方向に始まり、その結果、これら亀裂は、軸外しトウ内で整列するとともに／あるいはかかるトウに隣接して位置するようになる。母材亀裂はここから、プライ相互間のインターフェース損傷に伝播し、それにより離層を生じさせるとともに、早期の突発破断が生じる場合がある。これは、軸外しプライが中程度から大きな配向、例えば、±３０°、±４５°、及び±６０°ならびに９０°配向に沿って配向している従来型スキンでは特に明らかである。 In addition, the helical arrangement of the skins exhibits excellent in-plane compression resistance. For conventional multiaxially laminated skins of sandwich structures under compression, off-axis plies (i.e., plies whose fiber direction is not aligned along the loading direction) are the first plies to fail with matrix crack formation. There is usually one. These matrix cracks often begin in a direction parallel to the off-axis ply, such that the cracks become aligned within and/or located adjacent to the off-axis tow. From here, the matrix crack propagates to an interface failure between the plies, which can cause delamination and premature catastrophic failure. This is particularly evident in conventional skins where the off-axis plies are oriented along moderate to large orientations, such as the ±30°, ±45°, and ±60° and 90° orientations.

螺旋状繊維構造が設けられていることにより、軸外しプライに沿う良好な荷重再分布が得られ、それにより亀裂が生じて伝播するのが困難になる。これは、少なくとも２つの理由のうちの一方又は両方に起因している。第一に、螺旋状繊維構造は、代表的には、軸外しプライが少なく、しかも／あるいは従来型スキンと比較して基準方向（０゜）に対するわずかな角度をなして位置決めされる軸外しプライを有し、かくして、母材亀裂の開始する部位が少ない。 The helical fiber structure provides good load redistribution along the off-axis ply, making it difficult for cracks to form and propagate. This is due to one or both of at least two reasons. First, helical fiber structures typically have fewer off-axis plies and/or off-axis plies that are positioned at a slight angle to the reference direction (0°) compared to conventional skins. Thus, there are fewer sites where base metal cracks can initiate.

第二に、２枚のプライ相互間のインターフェースのところでの層間亀裂が伝搬するかどうかは、１枚のプライから次のプライまでの方向性弾性の差によって少なくとも一部が伝えられる層間剪断応力によって決まる。共通基準方向に沿う１枚のプライから次のプライまでの弾性の大きな変化は、層間母材亀裂を招く恐れが高い。螺旋状構造中の隣り合うプライ相互間の繊維配向の滑らかな移行により、１枚のプライから次のプライまでの弾性の差が減少し（従来型スキンに対して）、それによりプライ相互間のインターフェースのところでの層間応力が減少するとともに、漸増中の圧縮荷重下における亀裂の伝搬及び離層が遅延される。これら離層は、スキンのスチフネスの局所的減少をもたらすことができ、その結果、スキンの早期座屈が生じる場合がある。それゆえ、螺旋状繊維構造に関し、軸外しプライ中の母材亀裂の発生の際であっても、離層の発生が遅延され、それにより、良好な圧縮強さが得られる。 Second, propagation of an interlaminar crack at the interface between two plies is determined by interlaminar shear stress, which is transmitted at least in part by the difference in directional elasticity from one ply to the next. It's decided. Large changes in elasticity from one ply to the next along the common reference direction are likely to result in interlaminar matrix cracking. The smooth transition of fiber orientation between adjacent plies in the helical structure reduces the difference in elasticity from one ply to the next (vs. a conventional skin), thereby reducing the elasticity between plies. Interlaminar stress at the interface is reduced and crack propagation and delamination under increasing compressive loading is retarded. These delaminations can result in a localized reduction in skin stiffness, which may result in premature buckling of the skin. Therefore, for the helical fiber structure, even during the occurrence of matrix cracks in off-axis plies, the occurrence of delamination is delayed, thereby providing good compressive strength.

螺旋状スキンの平面内耐圧縮性は、サンドイッチ構造物において特に有利であり、と言うのは、複合構造物の耐曲げ性又は耐屈曲性（業界で知られている３点曲げ試験によって定められる）は、多くの場合、圧縮荷重を受けるサンドイッチのスキンによって制限される（引張荷重を受ける反対側のスキンとは対照的に）からである。 The in-plane compression resistance of the helical skin is particularly advantageous in sandwich constructions, as it increases the bending resistance or bending resistance (as determined by the industry-known three-point bending test) of composite structures. ) is often limited by the skin of the sandwich, which is loaded in compression (as opposed to the opposing skin, which is loaded in tension).

本発明の実施形態によれば、サンドイッチ構造物は、２つの螺旋状スキン及びこれらの間に位置するコア材料を備えた３層構造を有するのがよい。しかしながら、本発明の諸実施形態は、スキンのうちの１つだけが螺旋状スキンであり、反対側のスキンが例えば従来型複合材料から成るのがよい３層構造もまた含む。かかる構造は、サンドイッチ構造物が一方向にのみ曲げ力を受けかつ／あるいはサンドイッチ構造の一表面だけが衝撃力を受けると見込まれる設計環境に好適である。同様に、コアは、２つ以上の材料層を有するとともに／あるいは２種類以上のコア材料で形成されるのがよい。複合材料の追加の層もまた、補剛又は他の構造的性質を提供するために設けられるのがよい。 According to an embodiment of the invention, the sandwich structure may have a three-layer structure with two helical skins and a core material located between them. However, embodiments of the invention also include three-layer structures where only one of the skins is a helical skin and the opposite skin may be comprised of, for example, a conventional composite material. Such a structure is suitable for design environments where the sandwich structure is expected to be subject to bending forces in only one direction and/or only one surface of the sandwich structure is subject to impact forces. Similarly, the core may have more than one layer of material and/or be formed from more than one type of core material. Additional layers of composite material may also be provided to provide stiffening or other structural properties.

プライ内の湾曲繊維は、伝統的な繊維配置器具又はロボットによる繊維配置器具を用いて作られるのがよい。この場合、スリットテープ又はトウの比較的幅の狭い（例えば、１／４インチ（０．６３５ｃｍ）のストリップを幅の広い（例えば、４インチ（１０．１６ｃｍ））バンド中に並置して配置され、そして同時に配置されるのがよい。配置ヘッドは、バンドが円弧をなして（例えば、２００ｍｍ半径）、ｓ字形をなしてあるいは大抵の複合材を配置する際に用いられる伝統的な直線配向に代えて任意所望の輪郭をなして、ステアリングされることができるような仕方で熱、配置圧力及び角度剪断敷設力を変更するのがよく、これについては図１７を参照されたい。この曲率は、より多くの自由度を螺旋スタックに追加することができ、そして本明細書で説明される別の設計例のうちの任意のものに使用することができる。螺旋プライ積み重ねと組み合わせられる２Ｄ又は３Ｄ形状内の平面内湾曲は、波長調整（同調）及び衝撃能力をさらに向上させることができる。 The curved fibers within the ply may be created using traditional fiber placement equipment or robotic fiber placement equipment. In this case, relatively narrow (e.g., 1/4 inch (0.635 cm)) strips of slit tape or tow are placed side by side in a wider (e.g., 4 inch (10.16 cm)) band. , and may be placed simultaneously.The placement head may be placed with the band in an arc (e.g., 200 mm radius), in an s-shape, or in the traditional linear orientation used when placing most composite materials. Alternatively, the heat, placement pressure and angular shear installation force may be varied in such a way that it can be steered to any desired contour, see FIG. 17. This curvature is More degrees of freedom can be added to the helical stack and used in any of the alternative design examples described herein. 2D or 3D shapes combined with helical ply stacks In-plane curvature within can further improve wavelength tuning (tuning) and impact capabilities.

薄手のプライ織（ＴＰＷ）布は、高い強度及び耐摩耗性を提供するために出現しつつある等級の高性能繊維強化材料である。ＴＰＷ布は、代表的には２つの形式、すなわち、１）広がったトウ布、トウが薄出のかつ扁平な一方向テープである（繊維面積重量がＴＰＵＤのものとほぼ同じである）、次に、種々のテープを織成して布を形成する、及び２）図１９に示すように、軽量トウを用いて作られた布に見受けられる。軽量トウを、本明細書では、炭素フィラメントの場合に１トウ当たり１ｋ～１２ｋフィラメントを有するトウと定め、ガラスに関して約３００ｔｅｘ以下の重量を有するトウと定める。本発明の実施形態としての軽量トウＴＰＷ繊維は、天然繊維（≦３２０ｔｅｘ）、アラミド繊維（≦３００ｔｅｘ）、ＵＨＭＷＰＥ繊維（≦３００ｔｅｘ）、ポリプロピレン繊維（≦２００ｔｅｘ）、及び一般的にこれらの複合材及び混合物に用いられる他の典型的な繊維を含むのがよい。 Thin ply woven (TPW) fabrics are an emerging class of high performance fiber reinforced materials to provide high strength and abrasion resistance. TPW fabrics typically come in two forms: 1) spread tow fabrics, thin tow and flat unidirectional tapes (with fiber areal weights approximately the same as those of TPUD); 2) weaving various tapes together to form fabrics; and 2) fabrics made using lightweight tow, as shown in FIG. Lightweight tow is defined herein as a tow having 1k to 12k filaments per tow in the case of carbon filaments, and a tow having a weight of about 300 tex or less for glass. Light tow TPW fibers as embodiments of the present invention include natural fibers (≦320 tex), aramid fibers (≦300 tex), UHMWPE fibers (≦300 tex), polypropylene fibers (≦200 tex), and generally composites thereof and Other typical fibers used in the mixture may also be included.

本発明の諸実施形態によれば、ＴＰＷ布は、螺旋状にレイアップされて、かかるＴＰＷ布は、従来型の厚手のトウと比較して優れた耐衝撃性能をもたらす。本明細書で用いられる織布（ＴＰＷ及びＱＵＤＷの両方を含む）の螺旋状レイアップは、当接する布層の２つの対応したトウ方向相互間の夾角が螺旋角度だけオフセットした螺旋状レイアップを意味している。例えば、２枚の重ね合わされた織布のたて糸トウは、５°だけオフセットしているのがよく［０°／５°／……配置を定めるように］、かくして、よこ糸トウは、それに応じて９０°だけオフセットしている［９０°／９５°／……方向に］。 According to embodiments of the present invention, TPW fabrics are laid up in a helical fashion, and such TPW fabrics provide superior impact performance compared to conventional thick tows. As used herein, a helical layup of woven fabrics (including both TPW and QUDW) refers to a helical layup in which the included angle between two corresponding tow directions of abutting fabric layers is offset by a helical angle. It means. For example, the warp tows of two superimposed woven fabrics may be offset by 5° [to define the 0°/5°/... arrangement], and thus the weft tows will be offset accordingly. It is offset by 90° [in the 90°/95°/... direction].

本明細書において開示する螺旋状ＴＰＷレイアップの優れた耐衝撃性能の根拠は、決定的であるとは言えない母材スプリット（衝撃によって生じる）が次第に成長してスパイラル亀裂発生パターンをなして積層物内に嵌まり込むことができるということにある。任意の織布複合材が衝撃を受けると、破損機構が代表的には、母材中のスプリットで始まり、このスプリットは、繊維材料よりも低い引張強度（単独では）を有する。このスプリットは、図２０Ａ～図２０Ｃに示すように、トウ相互間の母材の一部分のところで始まる場合があり、又はトウを貫通して（しかもその繊維配向方向に平行に）始まる場合もある。図２０Ａは、たて糸トウとよこ糸トウが互いに交差した従来型織布の２つの層を示し、図２０Ｂは、広がったトウＴＰＷ布の２つの層を示し、図２０Ｃは、軽量トウＴＰＷ布の２つの層を示している。しかしながら、スプリットは、進展して衝撃をさらに吸収するためには、スプリットの方向において次のトウの繊維と交差する必要がある。織布の場合、この次のトウは、一般的にいって、スプリットトウと直交しており、かくして、スプリットは、図２０Ａ～図２０Ｃの層１，層２について示されているように、次のトウの繊維を（これらの引張方向において）破談させる必要がある。 The basis for the superior impact performance of the helical TPW layup disclosed herein is that non-deterministic matrix splits (caused by impact) gradually grow and stack up in a spiral crack initiation pattern. The reason is that it can fit inside things. When any woven composite is subjected to impact, the failure mechanism typically begins with a split in the matrix, which has a lower tensile strength (alone) than the fibrous material. The split may begin at a portion of the matrix between the tows, as shown in FIGS. 20A-20C, or it may begin through the tow (and parallel to its fiber orientation direction). Figure 20A shows two layers of conventional woven fabric with warp and weft tows crossing each other, Figure 20B shows two layers of spread tow TPW fabric, and Figure 20C shows two layers of light tow TPW fabric. It shows two layers. However, the split needs to intersect the fibers of the next tow in the direction of the split in order to develop and absorb more impact. In the case of woven fabrics, this next tow is generally orthogonal to the split tow, and thus the split is the next tow, as shown for layer 1, layer 2 in FIGS. 20A-20C. It is necessary to break the fibers of the tow (in their direction of tension).

繊維強化複合材中の層貫通破断靭性は、プライの厚さとともに増大する。しかしながら、予想されていた内容とは対照的に、層貫通破断靭性は、プライ厚さの増大に連れて線形的に増大することはない。一例として、プライ厚さやトウの数を２倍にすると、亀裂が伝播するのに必要なエネルギーが２倍以上になる。これは、エネルギー散逸プロセスに寄与する追加のエネルギー消散機構、例えば、分割、離層、キンクバンド（圧縮）及び繊維プルアウト（引張）、の起動に関連付けられる。 Translaminar fracture toughness in fiber reinforced composites increases with ply thickness. However, in contrast to what was expected, through-layer fracture toughness does not increase linearly with increasing ply thickness. As an example, doubling the ply thickness or number of tows more than doubles the energy required for crack propagation. This is associated with the activation of additional energy dissipation mechanisms that contribute to the energy dissipation process, such as splitting, delamination, kink bands (compression) and fiber pull-out (tension).

直交トウの層貫通破断時に放出されるエネルギーが高すぎて、破断が隣接の織層とのインターフェースのところで止まることができない場合、これにより、不安定な亀裂伝播が生じ、その結果、致命的な破壊につながる場合がある。トウカウントが少なくかつ／あるいは広がったトウ層を有するＴＰＷ布を用いると、よこ糸の薄手のトウ／広がったトウ（相対的な基準で）を破断するのに必要なエネルギーの量が大幅に減少し、それゆえ、螺旋状構造の破損機構が不安定性を生じないで起動することができる。例示の実施形態として、螺旋状に積層されたＴＰＷ布層を有する複合構造体は、スパイラル亀裂発生パターンを示す場合があり、かくして、不安定な仕方で破損する恐れのある従来型の厚手のプライ織布複合材と比較して、優れた耐衝撃性を示すことができる。ＴＰＷ布複合材の使用例としては、スポーツ用品、自動車／モータースポーツ部品（ウィング、スプリッタ、ディフューザ、車体パネルなど）、船舶部品（船体、マスト、デッキを含む）が挙げられる。他の例示の使用例としては、消費製品、例えばスーツケースや手荷物が挙げられる。本発明の実施形態に従ってポリプロピレン繊維から作られたスーツケースや手荷物は、妥当なコストで衝撃保護及び強靭性をもたらす。 If the energy released during a through-layer fracture of an orthogonal tow is too high for the fracture to stop at the interface with the adjacent woven layer, this will result in unstable crack propagation resulting in fatal It may lead to destruction. Using TPW fabrics with low tow counts and/or spread tow layers significantly reduces the amount of energy required to break thin tows/splayed tows (on a relative basis) of the weft yarn. , therefore, the failure mechanism of the helical structure can be activated without creating instability. As an exemplary embodiment, a composite structure having helically stacked TPW fabric layers may exhibit a spiral cracking pattern, thus preventing conventional thick plies from failing in an unstable manner. It can exhibit superior impact resistance compared to woven composite materials. Examples of uses for TPW fabric composites include sporting goods, automotive/motorsports parts (wings, splitters, diffusers, body panels, etc.), marine parts (including hulls, masts, decks). Other exemplary uses include consumer products such as suitcases and luggage. Suitcases and luggage made from polypropylene fibers according to embodiments of the present invention provide impact protection and toughness at a reasonable cost.

本発明の諸実施形態によれば、疑似一方向織（ＱＵＤＷ）布は、標準型、厚手、及び薄手の織布の状態で提供でき、しかも衝撃性能の向上をもたらすよう螺旋状に配置できる。ＱＵＤＷ布は、繊維のうちの８０％超がたて糸方向に沿って整列し、残りの割合（＜２０％）がよこ糸方向に沿って整列し、この場合、図２１Ａ～図２１Ｃに示すように安定性及びドレープ適性を布にもたらす機能を発揮する、非常にアンバランスな布である。よこ糸の繊維は、たて糸繊維によって（すなわち、耐荷繊維）弾性の差を最大にするようたて糸の繊維とは異なっているのがよい。かかる弾性の差は、繊維方向と直交した弾性よりも母材特性の方が主因をなす一方向プライの直交弾性とほぼ同じ直交弾性を有する織布を作るのに有用である。もう１つの実施形態では、たて糸方向に沿い、それゆえ布の大部分を形成する繊維（＞８０％）は、比較的安価な種類の繊維を用いてスチフネス及び強度の大部分をプライに大部分を提供するためにガラス繊維を含んだ状態で作られるのがよい。よこ糸トウの繊維（＜２０％）は、炭素繊維で作られるのがよく、このことは、たて糸と直交した方向に補剛効果をもたらすため、ガラス繊維よりも費用が高くつくが良好に働く。 According to embodiments of the present invention, quasi-unidirectional weave (QUDW) fabrics can be provided in standard, thick, and thin woven fabrics, and can be arranged in a helical pattern to provide improved impact performance. The QUDW fabric has more than 80% of the fibers aligned along the warp direction and the remaining percentage (<20%) aligned along the weft direction, in which case it is stable as shown in FIGS. 21A-21C. It is a very unbalanced fabric that exhibits the function of giving the fabric both flexibility and drapability. The weft fibers may be different from the warp fibers to maximize the difference in elasticity between warp fibers (ie, load-bearing fibers). Such a difference in elasticity is useful in creating a woven fabric having orthogonal elasticity approximately the same as that of a unidirectional ply, where matrix properties are the primary cause rather than elasticity perpendicular to the fiber direction. In another embodiment, the fibers along the warp direction and therefore forming the majority of the fabric (>80%) are of a relatively inexpensive type to provide most of the stiffness and strength to the ply. It is best to be made with glass fibers included to provide this. The fibers of the weft tow (<20%) are preferably made of carbon fibres, which are more expensive but work better than glass fibres, as they provide a stiffening effect in the direction perpendicular to the warp yarns.

布のアンバランス及び分散したよこ糸相互間の相対的間隔は、ＱＵＤＷ布が螺旋状に配置されたときに衝撃性能の向上を達成して本発明の諸実施形態に従って螺旋状レイアップの破損機構を確立する上で有利である。ＴＰＷ布に関して上述したように、たて糸に沿って生じる母材ストリップは、たて糸上で交差するよこ糸により止められることなく、隣のプライ‐布中で伝播することができる。それゆえ、繊維は、螺旋状亀裂が生じて、成長することができるように破断する必要なく、それにより、螺旋状レイアップ破損機構の利点を奏することができる。 The unbalance of the fabric and the relative spacing between the dispersed weft yarns achieves improved impact performance when the QUDW fabric is arranged in a helical manner and reduces the failure mechanism of the helical layup according to embodiments of the present invention. It is advantageous for establishment. As mentioned above with respect to TPW fabrics, the matrix strips that occur along the warp threads can propagate in the adjacent ply-fabric without being stopped by the weft threads that cross over the warp threads. Therefore, the fibers do not have to break so that a helical crack can initiate and grow, thereby allowing the benefits of a helical layup failure mechanism to take place.

図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、本発明の諸実施形態は、ＱＵＤＷ布についてより大きな夾角を有する。２つの隣り合うプライのよこ糸が重なり合う領域により、螺旋状亀裂の伝搬に対して高い抵抗が生じ、と言うのは、亀裂が螺旋状に伝搬するのに必要なエネルギーにより、亀裂がよこ糸の繊維を破断する必要があるからである。これにより、不安定な突発故障が生じる恐れがある。 As shown in FIGS. 22A and 22B, embodiments of the present invention have larger included angles for QUDW fabrics. The area where the weft threads of two adjacent plies overlap creates a high resistance to the propagation of a helical crack because the energy required for the crack to propagate helically causes the crack to move through the weft fibers. This is because it needs to be broken. This may cause unstable sudden failures.

よこ糸相互間の周期を増大させる（間隔を小さくする）ことにより、積層物は、よりバランスがとれた状態になる。図２２Ａは、９５％たて糸繊維、及び５％よこ糸繊維を含む２枚のＱＵＤＷプライを示し、図２２Ｂは、７５％たて糸繊維、及び２５％よこ糸繊維を含む２枚のＱＵＤＷプライを示している。よこ糸の間隔を小さくすることにより、小さな夾角レイアップ中の互いにオーバーラップした隣り合うよこ糸の全面積が増大する。大きな夾角レイアップを除けば、互いにオーバーラップしたよこ糸の全面積の滑らかな増大がよこ糸の間隔を小さくすることによって達成される。それゆえ、大きなピッチ角の螺旋積層物に関し、互いにオーバーラップしたよこ糸の過度の増大を招くことなく、よこ糸の本数／周期を増大させる（かくしてバランスを向上させる）ことが可能である。その結果、スプリットの長さは、ピッチ角の小さな螺旋状ＱＵＤＷ積層物と比較して減少することになる。これにより、亀裂のネスティング及び損傷の拡散を促進し、それゆえ、破損プロセスをさらに安定化する。 By increasing the period (decreasing the spacing) between the weft threads, the laminate becomes more balanced. Figure 22A shows two QUDW plies with 95% warp fibers and 5% fill fibers, and Figure 22B shows two QUDW plies with 75% warp fibers and 25% fill fibers. By reducing the weft spacing, the total area of adjacent weft threads that overlap each other in a small included angle layup is increased. Except for large included angle layups, a smooth increase in the total area of the weft threads overlapping each other is achieved by reducing the weft thread spacing. Therefore, for large pitch angle helical laminates, it is possible to increase the number/period of weft threads (thus improving the balance) without incurring an excessive increase in weft threads overlapping each other. As a result, the split length will be reduced compared to a helical QUDW stack with a small pitch angle. This promotes crack nesting and damage diffusion, thus further stabilizing the failure process.

ＱＵＤＷ布は、典型的には、複合材中に用いられる炭素繊維及びた種類の繊維で作られるのがよい。本発明の諸実施形態によれば、たて糸及び／又はよこ糸は、ガラス繊維で作られるのがよい。ＱＵＤＷ布複合材に関する例示の使用例としては、スポーツ用品、自動車／モータースポーツ部品（車体パネル、シャーシ部品、バッテリケーシング、スキッドパネルを含む）、風力タービン翼、パイプ類、及び船舶部品（船体、マスト、デッキを含む）が挙げられる。 QUDW fabrics may be made from carbon fibers and other types of fibers typically used in composites. According to embodiments of the invention, the warp and/or weft yarns may be made of glass fibers. Illustrative uses for QUDW fabric composites include sporting goods, automotive/motorsports parts (including body panels, chassis parts, battery casings, skid panels), wind turbine blades, piping, and marine parts (ship hulls, masts). , including decks).

かくして、本開示は、先行技術に勝るある範囲の新規な螺旋設計及び製造上の技術的改良を詳述している。本開示は、螺旋ピッチ及び特に建築資材／変形例に対する改造を教示しており、かかる改造例としては、（ａ）ナノ材料、（ｂ）可変ピッチ及び部分スパイラル、（ｃ）ＴＰＵＤ、（ｄ）ハイブリッド材料、（ｅ）一プライ内の湾曲繊維、（ｆ）２Ｄ又は３Ｄプレフォームのための自動繊維又はテープ配置、（ｇ）非けん縮布、（ｈ）３Ｄ織布、（ｉ）３Ｄ印刷材料、（ｊ）フィラメント巻き部品、（ｌ）ＴＰＷ、及び（ｍ）ＱＵＤＷが挙げられる。 Thus, the present disclosure details a range of novel helical design and manufacturing improvements over the prior art. The present disclosure teaches modifications to helical pitches and particularly construction materials/variants, including (a) nanomaterials, (b) variable pitch and partial spirals, (c) TPUDs, (d) Hybrid materials, (e) curved fibers within one ply, (f) automatic fiber or tape placement for 2D or 3D preforms, (g) non-crimped fabrics, (h) 3D woven fabrics, (i) 3D printing. (j) filament wound components, (l) TPW, and (m) QUDW.

かくして、本発明によれば、以下の実施例は、本発明の諸観点を説明している。しかしながら、理解されるように、これら実施例は、本発明を限定するものではなく、例示であることが意図されている。 Thus, in accordance with the invention, the following examples illustrate aspects of the invention. However, it will be understood that these examples are intended to be illustrative rather than limiting.

実施例１：ＣＮＦ、ＣＮＴ、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、黒鉛プレートレット／グラフェン、有機球形粒子、コポリマー、無機クレイ、シリカ、炭化珪素、アルミナ、金属酸化物、及び他の既知又は将来開発されるナノ材料を含む（しかしながら、これらには限定されない）ナノ材料を含む螺旋構造物。繊維強化材と組み合わせた状態の樹脂中へのナノ材料の混入は、同一厚さの従来型複合積層物と比較して、機械的性質及び耐衝撃性を向上させることが判明した。所望ならば、ナノファイバ（直径１００ｎｍ未満の繊維）を材料中に混入することが可能である。繊維相互間のウィスカー発生は、横方向及び層内剪断特性を向上させるとともに低レベル及び中レベル衝撃に起因して生じる樹脂亀裂を減少させることができ又はそれどころかなくすことができる。層間繊維相互間の直接接触長さを増大させるクロッキング角度の浅い螺旋レイアップは、ウィスカー発生効果を高めることができる。狭い螺旋クロッキングから結果として得られるこの長い接触長さにより、ナノ複合添加剤の効果は、螺旋レイアップ中に混入された場合に、業界標準のレイアップに用いられた場合よりも高くなる。ナノ添加剤を含む螺旋レイアップは、層内垂直／水平樹脂亀裂発生の減少／消失を示すだけでなく、水平層間樹脂亀裂の減少／消失及び離層の未然防止を図ることができる。 Example 1 : CNFs, CNTs, SWNTs, MWNTs, graphite platelets/graphene, organic spherical particles, copolymers, inorganic clays, silica, silicon carbide, alumina, metal oxides, and other known or future developed nanomaterials. Helical structures comprising nanomaterials, including (but not limited to) nanomaterials. It has been found that the incorporation of nanomaterials into the resin in combination with fiber reinforcement improves mechanical properties and impact resistance compared to conventional composite laminates of the same thickness. If desired, nanofibers (fibers less than 100 nm in diameter) can be incorporated into the material. Interfiber whiskering can improve lateral and intralaminar shear properties and reduce or even eliminate resin cracking caused by low and moderate impact. A shallow helical layup with a clocking angle that increases the direct contact length between the interlayer fibers can enhance the whisker generation effect. This long contact length resulting from narrow helical clocking makes the nanocomposite additive more effective when incorporated into a helical layup than when used in industry standard layups. The helical layup containing nano-additives not only shows a reduction/elimination of intralayer vertical/horizontal resin cracking, but also can reduce/eliminate horizontal interlaminar resin cracking and prevent delamination.

実施例２：ＴＰＵＤ螺旋構造物は、短い層間樹脂剪断ゾーン及び相当多くの繊維間直接接触を含む厳密にクロッキングされたスパイラルを作る。かかるレイアップは、耐衝撃性であって亀裂発生を制止し（両方共、衝撃及び低温に起因する）であり、しかも向上した層間荷重分散能力を有する。ＴＰＵＤ螺旋積層物は、最小ゲージの減少及び／又は等価性能発揮構造の軽量化を可能にする。積み重ねの自由を制限し、しかも多くの場合、所与の荷重事例に対応するために明確に必要とされる場合よりも厚いレイアップを定めるバランス／対称則は、予期しない加重から保護するための最小配向に関する規則（例えば、任意の一方向において繊維の１０％以上）と一緒になって、ＴＰＵＤ螺旋構造物に控え目に使用でき又は幾つかの場合においては無視できる。この実施例の特定の変形例は、以下の内容を含む。
１．全ての層がＴＰＵＤプライである螺旋スタック。
２．連続的にクロッキングされたスパイラルのＴＰＵＤ螺旋スタック。
３．伝統的レイアップよりも薄いが、同様な又は良好な強度及び耐衝撃性を有する業界標準のバランス、対称性、及び最小方向配向則を固守したＴＰＵＤ螺旋スタック。
４．伝統的レイアップ対称性、バランス及び最小方向配向則を固守しながら所望の性質を備えた薄手の最小ゲージＴＰＵＤ螺旋スタック。
５．ＴＰＵＤと厚いプライを組み合わせて伝統的なレイアップよりも優れた特徴的に調整された強度／衝撃性能積層物を作る螺旋スタック。例えば、薄い螺旋プライは、レイアップを調整して全体的な耐衝撃能力を高めるようにレイアップの一部分について使用されるのがよく、他方、厚いプライは、レイアップ時間を短縮して全体的強度を生じさせるために使用されるのがよい。
６．伝統的なレイアップよりも優れた強度及び衝撃に関する特性を依然として備えた特徴的に調整された積層物を作るための可変クロッキングを有するＴＰＵＤ螺旋スタック。
７．標準のクロッキング及び標準のプライ厚さを用いた伝統的なレイアップよりも反る傾向が小さい狭いクロッキング及び薄いプライを有する螺旋スタック。これにより、螺旋ＴＰＵＤレイアップは、最小限のゲージ及び可能な限り最も低い重量を有しながら例示の強度及び衝撃に関する性質を有することができる。
８．伝統的なレイアップよりも優れている特徴的に調整されかつ強度／衝撃能力を備えた積層物を作るために可変クロッキングを備えた組み合わせ型ＴＰＵＤ・厚手プライ螺旋スタック。例えば、薄いプライと厚いプライの選択を、主として、レイアップ比の見地から行うのがよく、他方、可変クロッキングは、垂直層内樹脂微小亀裂発生を制止するように選択できる。
９．コンポーネントのパッドアップ領域は、本開示において説明した螺旋変形例のうちの任意のものを含むことができる。このパッドアップには、基本的な伝統的レイアップ又は同一構造もしくは異なる構造の基本螺旋レイアップを組み込むことができる。 Example 2 : TPUD helical construction creates a tightly clocked spiral with short interlaminar resin shear zones and significant fiber-to-fiber direct contact. Such layups are impact resistant and resist cracking (both due to impact and low temperatures), yet have improved interlaminar load distribution capabilities. TPUD helical laminates allow for reduced minimum gauge and/or lighter weight equivalent performance structures. Balance/symmetry laws that limit stacking freedom and often prescribe thicker layups than are explicitly needed to accommodate a given load case are used to protect against unexpected loads. Together with the rules regarding minimum orientation (eg, 10% or more of the fibers in any one direction), they can be used sparingly or in some cases ignored in TPUD helical structures. Particular variations of this embodiment include the following.
1. Spiral stack where all layers are TPUD plies.
2. TPUD helical stack of continuously clocked spirals.
3. TPUD helical stack adheres to industry standard balance, symmetry, and minimum directional orientation laws that are thinner than traditional layups but have similar or better strength and impact resistance.
4. A thin minimum gauge TPUD helical stack with the desired properties while adhering to traditional layup symmetry, balance and minimum directional orientation laws.
5. A helical stack that combines TPUD and thick plies to create a uniquely tailored strength/impact performance laminate that is superior to traditional layups. For example, thinner helical plies are often used for a portion of the layup to adjust the layup and increase overall impact capacity, while thicker plies are used to reduce layup time and increase the overall It is best used to create strength.
6. TPUD helical stack with variable clocking to create a uniquely tailored laminate that still has superior strength and impact properties than traditional layups.
7. A helical stack with narrow clocking and thin plies that has less tendency to warp than a traditional layup with standard clocking and standard ply thickness. This allows the helical TPUD layup to have exemplary strength and impact properties while having minimal gauge and the lowest possible weight.
8. Combined TPUD thick ply helical stack with variable clocking to create a laminate with characteristically tuned and strength/impact capabilities superior to traditional layups. For example, the selection of thin and thick plies may be made primarily from a layup ratio standpoint, while variable clocking may be selected to inhibit vertical intralaminar resin microcracking.
9. The pad-up region of the component can include any of the helical variations described in this disclosure. This pad-up can incorporate a basic traditional lay-up or a basic helical lay-up of the same or different construction.

実施例３：強度、支持力、スチフネス及び耐衝撃性を向上させるために上述のナノ材料、可変ピッチ、部分スパイラル、及びＴＰＵＤプライのうちの任意のものをハイブリッド材料（例えば、非ポリマー、金属、フォーム及び／又はサンドイッチ材料）と組み合わせて用いてハイブリッド材料螺旋構造物を製作することとができる。これら組み合わせは、全域的に又は選択された領域でのみ実施されるのがよく、それにより比強度及び衝撃特性を調整する一方で、コスト、重量及び／又は厚さを最小限にすることができる。この実施例の特定の変形例は以下の内容を含む。
１．衝撃力を吸収・消散させ、穴あけし又はトリムする際に繊維のちぎれを最小限に抑え、そして耐腐食性及び耐衝撃性を向上させることができるように選択された特徴的なクロッキング配置を作るためにスタック中に又は内面及び外面上に分布して配置された織布複合材プライを有する螺旋変形例。布プライは、落雷を消散させ、電流を通し、電気部品をシールドし又は熱伝導率を変化させるのを助けるために金属箔、繊維又はメッシュをさらに含むのがよい。
２．腐食及び衝撃に対する能力を向上させるように内面及び外面上に施された金属箔を有する螺旋変形例。
３．剪断剛性を高め、慣性荷重を緩衝し、打撃エネルギーを消散させるとともに／あるいは耐座屈性を向上させるために減衰フォーム又はサンドイッチ材料がレイアップの中心に配置された螺旋変形例。加うるに、コンポーネントの強度と重量の比、消音、耐疲労性、断熱、及び／又は衝撃／損傷に対する耐性を向上させるためである。
４．螺旋材料は、非けん縮布又は織布で作られた伝統的なスキン構造物に置き換わるサンドイッチ構造の状態に集成された薄いプライの一方向（ＴＰＵＤ）材料を用いて製作できる。この構造物により衝撃強度の対応の改善が可能であり、しかも平面内圧縮下においてスキン座屈の遅延を助けることができる。かかる構造物では、螺旋積み重ね方式は、比較的高い貫通厚さ衝撃強度をもたらし、そして面外強度に関して薄いプライの積層物に特有の脆弱さを補完したり打ち消したりすることが見込まれる。かくして、この例では、ＴＰＵＤの螺旋積み重ねにより、薄いプライの平面内特性を向上させることができ、それにより部品の軽量化を可能にすることができる。
５．螺旋プライ自体とハイブリッド材料（例えば、金属及びサンドイッチ）との間の結合度を高め、それにより、層間強度及びかかる層間強度（例えば、強度剪断、曲げ引張、圧縮及び衝撃）に依存する特性を向上させるようにナノ材料を樹脂中に用いた螺旋変形例。 Example 3 : Hybrid materials (e.g., non-polymeric, metallic, foam and/or sandwich materials) to create hybrid material helical structures. These combinations may be implemented throughout or only in selected areas, thereby minimizing cost, weight and/or thickness while adjusting specific strength and impact properties. . Particular variations of this embodiment include the following.
1. Distinctive clocking arrangement selected to absorb and dissipate impact forces, minimize fiber tearing when drilling or trimming, and improve corrosion and impact resistance. A helical variant with woven composite plies distributed in a stack or on the inner and outer surfaces to create. The fabric ply may further include metal foil, fibers, or mesh to help dissipate lightning strikes, conduct electrical current, shield electrical components, or change thermal conductivity.
2. Spiral variant with metal foil applied on the inner and outer surfaces to improve corrosion and impact resistance.
3. A helical variant in which damping foam or sandwich material is placed in the center of the layup to increase shear stiffness, cushion inertial loads, dissipate impact energy, and/or improve buckling resistance. In addition, to improve the component's strength-to-weight ratio, sound deadening, fatigue resistance, thermal insulation, and/or impact/damage resistance.
4. Helical materials can be fabricated using thin ply unidirectional (TPUD) materials assembled in a sandwich construction that replaces traditional skin constructions made of uncrimped or woven fabrics. This structure allows for improved impact strength response and can help delay skin buckling under in-plane compression. In such constructions, the helical stacking scheme provides relatively high through-thickness impact strength and is expected to compensate or counteract the inherent weakness of thin ply laminates with respect to out-of-plane strength. Thus, in this example, the helical stacking of TPUDs can improve the in-plane properties of the thin ply, thereby allowing for weight reduction of the part.
5. Increases the degree of bonding between the helical ply itself and the hybrid materials (e.g. metals and sandwiches), thereby improving interlaminar strength and properties dependent on such interlaminar strength (e.g. strength shear, flexural tension, compression and impact) An example of spiral deformation using nanomaterials in resin to create

実施例４：連続繊維、テープ又は繊維パッチの載置のための自動材料配置機器が所与のプライ内における繊維の湾曲をさらに促進させる状態で上述の螺旋設計例のうちの任意のものを作るために使用できる。この曲率は、より多くの自由度を２Ｄ又は３Ｄ形状螺旋スタックに追加することができ、そして波長調整及び衝撃能力をさらに向上させるように使用できる。 Example 4 : Creating any of the helical design examples described above with automated material placement equipment for continuous fiber, tape or fiber patch placement further promoting fiber curvature within a given ply. can be used for This curvature can add more degrees of freedom to the 2D or 3D shaped helical stack and can be used to further improve wavelength tuning and impact capabilities.

実施例５：螺旋多軸（ＨＭＸ）非けん縮布［０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°］を製作することができる。次に、このロールをその０°軸回りに丸めるのがよく、それによりその幅を２で割り又はこのロールを裏返しされた別の同じロールと単に組み合わせ、それにより１０プライＨＭＸ［－９０°、－６７．５°、－４５°、－２２．５°、０°、０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°］を形成するのがよい。別の実施例では、第１の螺旋ＭＸ布（例えば、［５６°、７０°、－７９°、－５６°］）を大径の連続ロールから引き出して９０°回転させる（例えば、［－３４°、－１１°、１１°、３４°］）のがよく、そして互いの上に載せ、それにより８プライＨＭＸ布（例えば、８プライ［５６°、７９°、－７９°、－５６°、－３４°、－１１°、１１°、３４°］を備えた２２°ＨＭＸ）を形成する。個々のプライの場合と同様、２つのＨＭＸスタックは、縫成又は粉末結合剤もしくは熱積層熱可塑性不織ベールもしくは任意他の適当な公知の技術、例えばエアパンチ又はニードルパンチを用いて接合されるのがよい。 Example 5 : Helical multiaxial (HMX) non-crimped fabrics [0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°] can be made. This roll may then be rolled around its 0° axis, thereby dividing its width by 2, or simply combining this roll with another identical roll turned over, thereby forming a 10-ply HMX [-90°, -67.5°, -45°, -22.5°, 0°, 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°]. In another example, a first helical MX fabric (e.g., [56°, 70°, -79°, -56°]) is pulled from a large diameter continuous roll and rotated 90° (e.g., [-34°]). °, -11°, 11°, 34°]) and placed on top of each other so that the 8-ply HMX fabric (e.g., 8-ply [56°, 79°, -79°, -56°, -34°, -11°, 11°, 34°]. As with individual plies, the two HMX stacks may be joined using stitching or powder binders or heat laminated thermoplastic nonwoven veils or any other suitable known technique such as air punching or needle punching. Good.

これは、８枚以上の螺旋プライを単一のＭＸ布ロール中に埋め込んだＨＭＸを提供する効率の良いかつ革新的な布又は織物であり、これにより、複合材業界において一般的に見受けられるような機械の制約に打ち勝つ。次にかかるＨＭＸロールを予備含浸するのがよい。 It is an efficient and innovative fabric or fabric that provides HMX with eight or more helical plies embedded in a single MX fabric roll, thereby providing Overcoming the limitations of machines. Such HMX rolls may then be pre-impregnated.

実施例６：フィラメント巻きは、種々の軸対称、例えばパイプ、テーパ付き管ならびにタンク及び圧力容器（典型的には、一端又は両端にドームを有する場合のある球又は筒体の形態をしている）のための螺旋アーキテクチャに基づいて構造物を作るよう使用されるのがよい。幾つかの用途に関し、これらフィラメント巻き部品（例えば、車両内の燃料タンクの形態をした水素圧力要素）は、大規模な衝突に耐えるとともに爆発を避けるように外部からの衝撃に対して高い耐性を示すことが必要であり、そして粉砕及び落下試験される。かかる構造物は、衝撃強度を高めるとともにさらにガス漏れを避けるとともに稼働ライフサイクルを延ばすようより拡散した亀裂伝搬を示すように全体的又は部分的螺旋積層物を用いて製作されるのがよい。 Example 6 : Filament windings can be applied to various axisymmetric structures, such as pipes, tapered tubes and tanks and pressure vessels (typically in the form of a sphere or cylinder which may have a dome at one or both ends). ) may be used to create structures based on helical architecture. For some applications, these filament-wound components (e.g. hydrogen pressure elements in the form of fuel tanks in vehicles) are highly resistant to external shocks to withstand large-scale collisions and avoid explosions. Must be shown and crushed and drop tested. Such structures may be fabricated using full or partial helical laminates to increase impact strength and exhibit more diffuse crack propagation to further avoid gas leakage and extend service life cycle.

螺旋巻き技術を用いると、例えばマンドレル上で一端から他端まで巻回することによって、螺旋状に形成された一方向繊維方向又はバンドテープを織り合わせるために使用できる。かかる織り合わせ螺旋パターン（例えば、図５Ｈに示されている）は、マンドレル被覆を二角＋Ｘ°／－Ｘ°二重層で完成させることができる。この角度は、０°角度基準を説明するマンドレル回転軸から測定できる。この技術により、この二重層内の２枚の隣り合うプライ相互間相対角度は、Ｘ＜４５°の場合に２Ｘ°（例えば、Ｘ＝７°の場合、１４°）であるのがよく、又はＸ≧４５°の場合に１８０°－２Ｘ°（例えば、Ｘ＝８５°の場合に－１０°）であるのがよい。したがって、このフィラメント技術により、連続して折り合わされた螺旋二重層を形成することが可能であり、これら層相互間の小さな浅いクロッキング角度（例えば、５°～１０°）は、０°又は９０°配向回りである。４５°方向回りにおいて、繊維は、ほぼ直角に交差することになる。 Spiral winding techniques can be used to interweave helically formed unidirectional fiber direction or band tapes, for example by winding from one end to the other on a mandrel. Such an interwoven helical pattern (eg, shown in FIG. 5H) can complete the mandrel coating with a diagonal +X°/−X° bilayer. This angle can be measured from the mandrel rotation axis accounting for the 0° angle reference. With this technique, the relative angle between two adjacent plies in this double layer may be 2X° for X<45° (e.g. 14° for X=7°) or When X≧45°, the angle is preferably 180°−2X° (for example, −10° when X=85°). Therefore, with this filament technology it is possible to form successively folded helical bilayers, with small shallow clocking angles (e.g. 5° to 10°) between these layers, such as 0° or 90°. ° It is around the orientation. Around the 45° direction, the fibers will intersect at approximately right angles.

別の具体化例では、螺旋アーキテクチャを有する構造物は、全てが同一の角度を有し又は一プライ当たりの層内の可変角度を有する繊維の層を巻回することによってフィラメント巻きで製造できる。これは、ロボット式フィラメント巻回機械をそれに従ってプログラムして所望のパターンを巻回することによって又はロービングディスペンサのセットアップを調整することによって達成できる。この技術により、プライ相互間のクロッキング角度の僅かなばらつきで繊維の数枚の全平面プライを巻回して螺旋アーキテクチャの利点を得ることができる。一例として、連続した円周方向プライを９０°に近い相対角度（４°の増分で、例えば８８°、８４°、８０°、７６°、７２°）で巻回することにより、極めて高い衝撃強度及びより拡散した亀裂伝搬を呈する製品、例えば圧力容器が提供される。かかる螺旋アーキテクチャはまた、部分的に損傷した積層構造物内の亀裂を通るガス漏れに関して安全係数を高めるよう内側層として使用できる。プル巻回プロセスは、プロフィールの引き抜き成形と巻線に又はテープを含む繊維強化材の０°周方向と組み合わせて横方向解除に対する耐性をさらに高めることができる。これら巻きプライはまた、螺旋アーキテクチャを有する構造物を形成して高い横方向耐衝撃性を提供するようにこれらの角度の僅かなばらつきで互いに隣接するのがよい。 In another embodiment, a structure with a helical architecture can be fabricated with filament winding by winding layers of fibers that all have the same angle or have variable angles within the layers per ply. This can be accomplished by programming the robotic filament winding machine accordingly to wind the desired pattern or by adjusting the roving dispenser setup. This technique allows winding several full planar plies of fibers with small variations in clocking angles between the plies to obtain the benefits of a helical architecture. As an example, extremely high impact strength can be achieved by winding continuous circumferential plies at relative angles close to 90° (in 4° increments, e.g. 88°, 84°, 80°, 76°, 72°). and products exhibiting more diffuse crack propagation, such as pressure vessels. Such a helical architecture can also be used as an inner layer to increase the safety factor with respect to gas leakage through cracks in partially damaged laminate structures. The pull winding process can be combined with pultrusion of the profile and the 0° circumferential direction of the fiber reinforcement including the winding or tape to further increase the resistance to lateral release. The wrapped plies may also abut each other with slight variations in their angles to form a structure with a helical architecture to provide high lateral impact resistance.

実施例７：編組及びねじれの製品。２Ｄ又は３Ｄ技術を用いて製造された編組は、直径のばらつきが繊維角度のばらつきと関連しているというおもしろい性質を提供する。繊維は、管状編組内で滑ることができるので、これにより、かかる編組の直径を拡張し又は減少させることができる。この性質は、構造物の直径を次第に大きくするように互いの上に効果的にスリーブ状にされた数個の層を備えた螺旋アーキテクチャを有する構造物を製作したり層相互間及び／又は層に沿う繊維角度を僅かに変えて２つの隣り合う編成層相互間の極めて僅かなクロッキング角度のばらつきを生じさせたりする上で有利な場合がある。かかる編成繊維強化構造物は、長手方向に沿って切断され、次に平らに置かれた管状編組から得られた平らな編成テープの形態でも提供できる。繊維角度配向はまた、テープの幅につれて変化する。かかる編成テープはまた、螺旋アーキテクチャを有する構造物を形成するように僅かに異なる繊維角度を備えた同一テープの互いに異なる層を積み重ねるために使用できる。この性質はまた、たて糸とよこ糸との間の当初の９０°角度を変更するようにねじれる織布でも見受けられる場合があり、この角度は、１つの布層から次の布層までの僅かな角度のばらつきを備えた一連のたて糸／よこ糸の角度を形成するように調整でき（例えば、層を９０°、８５°、８０°、７５°などで整列させるための５°クロッキング角度）、かくして、螺旋アーキテクチャを有する構造物が作られる。 Example 7: Braided and twisted product. Braids produced using 2D or 3D techniques offer an interesting property in that diameter variations are related to fiber angle variations. The fibers can slide within the tubular braid, thereby allowing the diameter of such braid to expand or decrease. This property allows the fabrication of structures with a helical architecture with several layers effectively sleeved on top of each other to progressively increase the diameter of the structure, and between and/or between the layers. It may be advantageous to slightly change the fiber angles along the fabric to produce very small clocking angle variations between two adjacent knitted layers. Such knitted fiber-reinforced structures can also be provided in the form of flat knitted tapes obtained from tubular braids that are cut longitudinally and then laid flat. Fiber angular orientation also changes with tape width. Such knitted tapes can also be used to stack different layers of the same tape with slightly different fiber angles to form structures with helical architecture. This property may also be found in woven fabrics that are twisted to change the original 90° angle between the warp and weft, where the angle is a slight angle from one fabric layer to the next. can be adjusted to form a series of warp/weft angles with a variation of (e.g., a 5° clocking angle to align the layers at 90°, 85°, 80°, 75°, etc.), thus A structure with a helical architecture is created.

実施例８：アディティブマニュファクチャリング：上述の技術のうちの多くは、既存の組をなす布、プレプレグなどを用いる。この実施例では、螺旋アーキテクチャを形成する別の方法が提供される。アディティブマニュファクチャリングに対しては、多くのルートが存在し、かかるアディティブマニュファクチャリングとしては、レーザを用いて層ごとにフォトポリマー樹脂を硬化させる光造形（ＳＬＡ）、３Ｄプリンタを用いて熱可塑性ガイドを堆積させる熱溶融積層法（ＦＤＭ）、材料を三次元で堆積させるプリンタヘッドにより材料を構築することができるマルチジェットモデリング（ＭＪＭ）、及び高出力レーザを用いて小さなポリマー、金属、又はセラミック／ガラス粒子を互いに溶融する選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）が挙げられる。上述の技術のうちの全てによって、螺旋構造物を構成することができる。用いられる方法論、１つには、用いられる材料及び特定の用途に必要とされる特徴の長さスケールに依存する。したがって、これは、螺旋材料を製作するだけでなく、繊維又はプレプレグフォーム、ｚピン止め構造物などの状態で購入するのに利用できない材料の印刷により多機能性の実現を可能にする多くの機会を提供する。 Example 8 : Additive Manufacturing: Many of the techniques described above use existing sets of fabrics, prepregs, etc. This example provides another method of forming a helical architecture. There are many routes to additive manufacturing, including stereolithography (SLA), which uses a laser to harden photopolymer resin layer by layer, and 3D printers to harden photopolymer resin layer by layer. fused deposition modeling (FDM) to deposit guides, multijet modeling (MJM), which can build materials with a printer head to deposit materials in three dimensions, and high-power lasers to build small polymers, metals, or ceramics. /Selective laser sintering (SLS), which fuses glass particles together. Helical structures can be constructed by all of the techniques described above. The methodology used depends, in part, on the materials used and the length scale of the features required for the particular application. This therefore allows for the realization of multifunctionality not only by fabricating helical materials, but also by printing materials that are not available to purchase in the form of fibers or prepreg foams, z-pinned structures, etc. Provide opportunities.

一実施例では、マルチジェットモデリング（ＭＪＭ）を用いて２つの以上の材料を同時に印刷することができ、これら材料は、全て、螺旋構造物を有することができるが、特定の角度（例えば、二重螺旋体）だけオフセットするのがよく、又は１つの材料を平面内螺旋体及びｚピン止め構造物として働く面外に印刷されるべき別の材料として作用させることができる。さらに、材料は、固体繊維形態の状態に印刷される必要はない。例えば、印刷中、「コア‐シェル」プリントヘッドを用いると、コア‐シェル材料を印刷することができ、この場合、シェルは、所望の最終材料であり、コアは、犠牲テンプレートして用いられる。一実施例では、疎水性ポリマー、例えばポリプロピレン（ＰＰ）をコアとしてのポリ塩化ビニル（ＰＶＡ）と一緒に印刷できる。印刷後、この構造物を水性浴内に配置するのがよく、この水性浴は、次に、ＰＶＪを除去し、中空ＰＰ繊維／管を生じさせる。別の実施例では、材料は、ポリマーとして印刷される必要なく、セラミックを主成分とする前駆体（例えば、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ）などとして印刷される。この場合、セラミック前駆体（例えば、ポリカーボシラン、ＳｉＣの前駆体）をコアとしてのＰＶＡと共にシェルとして印刷できる。低温（例えば、２００℃）でのアニーリング時点、セラミック前駆体は、凝固することになる（まだＳｉＣには変換しない）。この後、管を潰すことなくＰＶＡを安全に取り出すことができ、次に結果として生じる構造物をアニーリングしてセラミック前駆体を所与の材料（例えば、ＳｉＣ）に完全に変換させることができる。結果的に得られる繊維は、マクロ又はナノチューブであるのがよく、かかるチューブは、流体（空気、水、自己回復樹脂、熱冷却材料など）のための乾燥チャネルとして作用することができる。 In one example, multijet modeling (MJM) can be used to print two or more materials simultaneously, all of which can have helical structures, but at specific angles (e.g. The helix may be offset by a helix) or one material can act as an in-plane helix and another material to be printed out of plane that acts as a z-pinning structure. Furthermore, the material need not be printed in solid fiber form. For example, during printing, a "core-shell" printhead can be used to print a core-shell material, where the shell is the desired final material and the core is used as a sacrificial template. In one example, a hydrophobic polymer, such as polypropylene (PP), can be printed with polyvinyl chloride (PVA) as the core. After printing, the structure may be placed in an aqueous bath that then removes the PVJ and yields a hollow PP fiber/tube. In another example, the material need not be printed as a polymer, but as a ceramic-based precursor (eg, SiC, B ₄ C), or the like. In this case, a ceramic precursor (eg polycarbosilane, a precursor of SiC) can be printed as a shell with PVA as the core. Upon annealing at low temperatures (eg, 200° C.), the ceramic precursor will solidify (not yet convert to SiC). After this, the PVA can be safely removed without crushing the tube, and the resulting structure can then be annealed to completely convert the ceramic precursor to the given material (eg, SiC). The resulting fibers may be macro- or nanotubes, and such tubes can act as drying channels for fluids (air, water, self-healing resins, thermal cooling materials, etc.).

多くのアディティブマニュファリング方法として、強制する可能性が得られ、それにより、構成されるべき勾配構造物を高精度で構築することができるようにするリアルタイムで用いられる印刷材料を調整することができる。これは、種々のやり方で適用でき、かかるやり方としては、以下のやり方が含まれるが、これらには限定されない。
１．堆積されるべき材料のスチフネス又は硬度（又は材料組成、粒径などに依存する任意他の材料性質）を印刷リザーバ内の材料を連続的に変更することによって徐々に変化させることができる。
２．螺旋体の回転角度は、さらに、勾配のついた螺旋複合材料を形成するようにさらに調整でき、それにより、追加の機械的利点もまた提供することができる。 As many additive manufacturing methods, it is possible to force and adjust the printing materials used in real time, thereby allowing the gradient structures to be constructed to be constructed with high precision. can. This can be applied in a variety of ways, including but not limited to the following ways.
1. The stiffness or hardness of the material to be deposited (or any other material property depending on material composition, particle size, etc.) can be gradually varied by continuously changing the material in the printing reservoir.
2. The rotation angle of the helix can be further adjusted to form a tapered helical composite, thereby also providing additional mechanical advantages.

別の具体化例では、既存のテンプレート付き構造物を足場又は犠牲構造物として印刷段上に配置することができ、かかる構造物は、まさに螺旋アーキテクチャを超えるアーキテクチャを生じさせる。例えば、ピン、管、又は他の構造物（例えば保つことができ又は溶解して除去することができる多数の形式の材料で構成される）の２Ｄ又はそれどころか３ＤアレイをＳＬＡプリンタの構成プレート上に配置することができる。螺旋アーキテクチャをこの足場周りに印刷し、その後、足場を除去することができ、それにより耐衝撃性を維持するが、追加の利点（例えば、機械的利点、例えばｚピンニング（z-pinning）及び熱的利点：冷却）を提供する螺旋アーキテクチャを備えた多構造物が得られる。別の具体化例では、３Ｄ印刷技術を用いると、湾曲した構造物を容易に印刷することができる。この場合、単純ＣＡＤモデルを作ってＦＤＭプリンタ（例えば）が繊維を螺旋アレイの状態に、しかしながら湾曲した微小構造部品の状態に配置することができる。 In another embodiment, existing templated structures can be placed on the printing stages as scaffolding or sacrificial structures, such structures giving rise to architectures that go beyond just helical architectures. For example, a 2D or even 3D array of pins, tubes, or other structures (e.g., composed of multiple types of material that can be kept or dissolved and removed) can be placed on the configuration plate of an SLA printer. can be placed. A helical architecture can be printed around this scaffold and the scaffold subsequently removed, thereby maintaining impact resistance but with additional benefits (e.g. mechanical advantages, such as z-pinning and thermal A multi-structure with a helical architecture is obtained which provides a cooling advantage. In another embodiment, curved structures can be easily printed using 3D printing techniques. In this case, a simple CAD model can be created so that an FDM printer (for example) can place the fibers in a helical array, but in a curved microstructured part.

実施例９：ＴＰＷ及びＱＵＤＷ布の螺旋状構造は、螺旋状アーキテクチャの優れた耐衝撃性の利点と、ドレープ適性の向上、レイアップ時間の短縮、耐摩耗性及び外観の向上のための織布のクラスの利点を併せ持つ。かかるレイアップは、耐衝撃性、亀裂制止性（衝撃と低温の両方から）、層間荷重共有機能が向上している。ＴＰＷ及びＱＵＤＷ螺旋状積層物は、従来型織積層物の衝撃性能を向上させる一方で、螺旋状構造物の製造費を減少させることによって、構造物の軽量化を可能にする。よこ糸及びたて糸繊維の存在により、非常に広い設計空間で螺旋を用いた解決策を提供するバランスの取れた／バランスの取れていないレイアップを用いる問題がなくなる。この実施例の特定の変形例としては、以下が挙げられる。
１．全ての層がＴＰＷプライである螺旋状スタック。
２．全ての層がＱＵＤＷプライである螺旋状スタック。
３．連続してクロッキングされたスパイラルのＴＰＷ螺旋状スタック。
４．連続してクロッキングされたスパイラルのＱＵＤＷ螺旋状スタック。
５．ＴＰＵＤ、厚手プライ、及び厚手織プライを組み合わせて、伝統的なレイアップよりも優れた、独自に調整されるとともに強度／衝撃につよい積層物を作るためのＴＰＷ及び／又はＱＵＤＷ螺旋状スタック。例えば、本発明の諸実施形態としてのＴＰＷ螺旋状プライは、耐摩耗性、外観、耐衝撃性を局所的に向上させるようにレイアップの頂部分に用いられ、他方、ＴＰＵＤ又は厚手ＵＤプライは、自由に設定されたスチフネス及び平面内強度を提供するために使用されるのがよい。
６．伝統的なレイアップよりも優れた強度及び体衝撃性を依然として保つ独自に調整された積層物を作るために、可変クロッキングを備えたＴＰＷ及び／又はＱＵＤＷ螺旋状スタック。
７．伝統的なレイアップよりも優れた独自に調整された強度／衝撃に強い積層物を作るように可変クロッキングを備えたＴＰＷ及び／又はＱＵＤＷと、厚手織、ＴＰＵＤ、及び厚手ＵＤプライ螺旋状スタックの組み合わせ。 Example 9: The helical structure of TPW and QUDW fabrics combines the superior impact resistance benefits of helical architecture with woven fabrics for improved drapability, reduced layup time, improved abrasion resistance and appearance. It combines the advantages of the class. Such layups have improved impact resistance, crack control (from both impact and low temperatures), and interlaminar load sharing capabilities. TPW and QUDW helical laminates improve the impact performance of conventional woven laminates while reducing the manufacturing cost of helical structures, thereby allowing for lighter weight structures. The presence of weft and warp fibers eliminates the problem of using balanced/unbalanced lay-ups, which provides a helical solution in a very wide design space. Particular variations of this embodiment include the following.
1. Spiral stack where all layers are TPW ply.
2. Spiral stack where all layers are QUDW ply.
3. TPW helical stack of consecutively clocked spirals.
4. QUDW helical stack of continuously clocked spirals.
5. TPW and/or QUDW helical stacks for combining TPUD, thick plies, and thick woven plies to create uniquely tailored and strong/impact laminates that are superior to traditional layups. For example, TPW helical plies in embodiments of the present invention are used at the top of the layup to locally improve abrasion resistance, appearance, and impact resistance, while TPUD or thick UD plies are , may be used to provide freely set stiffness and in-plane strength.
6. TPW and/or QUDW helical stacks with variable clocking to create uniquely tailored laminates that still retain superior strength and body impact properties than traditional layups.
7. Thick woven, TPUD, and thick UD ply helical stacks with TPW and/or QUDW with variable clocking to create uniquely tailored strength/impact resistant laminates superior to traditional layups A combination of.

実施例１０：従来型軽量サンドイッチ構造は、スチフネス、音響インピーダンス、軽量化、ならびに他の構造的及び機械的性質を提供するためのコア、通常はＰＶＣ、ＥＰＳ、ハニカム、アラミド繊維ハニカム、剪断増粘フォームコア（Ｄ３Ｏ（登録商標））、メタマテリアルコア（MetaCORE（商標）、MetaCORE-LD（商標）、MetaTHERM（商標））、及び同等物を含む。全繊維面積重量が５０００ｇｓｍ以下でありかつ／あるいはスキン厚さが４ｍｍ以下である軽量繊維強化複合材スキンは、強度及びスチフネスを軽量サンドイッチ用途においてサンドイッチ構造に提供するために用いられる。ＴＰＵＤ、ＱＵＤＷ、ＴＰＷ、ＮＣＦ、ＵＤを単一材料として、又は厚手プライ及び標準型織層とハイブリッド化して使用することにより、限定された数の層を用いて螺旋状レイアップを作ることができるような用途において螺旋状スキンを導入することができる。 Example 10: Conventional lightweight sandwich structures include a core, typically PVC, EPS, honeycomb, aramid fiber honeycomb, shear thickening to provide stiffness, acoustic impedance, weight reduction, and other structural and mechanical properties. including foam cores (D3O®), metamaterial cores (MetaCORE™, MetaCORE-LD™, MetaTHERM™), and the like. Lightweight fiber reinforced composite skins having a total fiber areal weight of 5000 gsm or less and/or a skin thickness of 4 mm or less are used to provide strength and stiffness to sandwich structures in lightweight sandwich applications. By using TPUD, QUDW, TPW, NCF, UD as a single material or hybridized with thick plies and standard woven layers, helical layups can be created using a limited number of layers. Spiral skins can be introduced in such applications.

図２３Ａに示す一つの例示の実施形態では、サンドイッチ用途は、５ｍｍ厚さのＰＶＣコアに適用するために２００ｇｓｍのスキンを含む。各プライの互いに平行な繊維が螺旋状関係を作るよう、［－１５／－２５／－３５／－４５／－６０／－４５／－３５／－２５／－１５］を定めた状態で配列された２０ｇｓｍ炭素フィラメントＴＰＵＤの１０個の層を用いてスキンが形成されている。他方、図２３Ｂは、［＋４５／－４５］₅関係をもつ従来型ＴＰＵＤ２軸を示している。 In one exemplary embodiment shown in FIG. 23A, the sandwich application includes a 200 gsm skin applied to a 5 mm thick PVC core. The mutually parallel fibers of each ply are arranged in a fixed [-15/-25/-35/-45/-60/-45/-35/-25/-15] to form a spiral relationship. The skin was formed using ten layers of 20 gsm carbon filament TPUD. On the other hand, FIG. 23B shows a conventional TPUD two-axis with a [+45/-45] ₅ relationship.

図２４は、ASTM D7249に準拠した３点曲げ屈曲試験の結果を示している。同等なＴＰＵＤ２軸［＋４５°／－４５°］₅と比較した場合、螺旋状ＴＰＵＤレイアップは、長手方向（０°）及び横断方向（９０°）に沿って検査すると、それぞれ８８％及び５４％の曲げ強度の増大を示した（注目すべきこととして、従来型２軸では、０°及び９０°の特性が均等であると見込まれている）。重量の等しい標準厚さの２軸［+ ４５°／－４５°］層と比較すると、この実施形態による螺旋状ＴＰＵＤレイアップは、長手方向及び横断方向に沿って検査すると、それぞれ１１８％及び７７％の曲げ強度の増大を示した。このように、方向性螺旋状スキンを備えた結果として得られる革新的なサンドイッチは、長手方向と直交方向加重方向の両方において、スキンの優れた圧縮強度を提供している。事実、螺旋状繊維配置の方向性が所与の場合、長手方向に沿う高い圧縮強さを達成することが見込まれる。しかしながら、螺旋状配置は、直交方向に沿っても高いスチフネス及び強度を達成し、この螺旋状配置は、螺旋体において荷重に整列した繊維成分の割合が基準［＋４５／－４５］よりも低いという特徴を備えている。 FIG. 24 shows the results of a three-point bending test according to ASTM D7249. When compared to an equivalent TPUD 2-axis [+45°/-45°] ₅ , the helical TPUD layup was tested along the longitudinal (0°) and transverse (90°) directions by 88% and 54%, respectively. (Notably, in conventional biaxial, the 0° and 90° properties are expected to be equal). Compared to a standard thickness biaxial [+45°/-45°] layer of equal weight, the helical TPUD layup according to this embodiment has an increase of 118% and 77% when examined along the longitudinal and transverse directions, respectively. % increase in flexural strength. Thus, the resulting innovative sandwich with a directional helical skin provides superior compressive strength of the skin in both the longitudinal and orthogonal loading directions. In fact, given the orientation of the helical fiber arrangement, it is expected to achieve high compressive strength along the longitudinal direction. However, the helical arrangement achieves high stiffness and strength also along the orthogonal direction, and this helical arrangement is characterized by a lower proportion of load-aligned fiber components in the helix than the standard [+45/-45]. It is equipped with

他の実施形態としては、以下が挙げられる。
１．全ての層がＴＰＷプライ、又はＱＵＤＷプライ、又はＴＰＵＤ、又はＮＣＦ、又はＵＤプライである螺旋状スキン。
２．連続的にクロッキングされたスパイラルのＴＰＷ又はＱＵＤＷ又はＴＰＵＤ又はＮＣＦ又はＵＤ螺旋状スキン。
３．ピッチ角度が連続しているか可変であるかのいずれかの部分的にクロッキングされたスパイラルのＴＰＷ又はＱＵＤＷ又はＴＰＵＤ又はＮＣＦ又はＵＤ螺旋状スタック。
４．ＴＰＵＤ、ＮＣＦ、厚手プライ、及び厚手織プライを組み合わせて、伝統的なスキンよりも優れた、独自に調整されるとともに強度／衝撃につよい積層物を作るためのＴＰＷ又はＱＵＤＷ又はＴＰＵＤ又はＮＣＦ又はＵＤ螺旋状スキン。例えば、ＴＰＷの１つの層は、見栄え及び耐摩耗性を向上させるようにトップスキンとして使用でき、他方、ＴＰＵＤ螺旋状プライは、自由に設定される耐衝撃性、スチフネス、及び平面内強度をもたらすようにスキンの残部について使用できる。
５．頂部（衝撃に面した）螺旋状スキンのみを備えたサンドイッチ用途。例えば、二重曲率又は複雑な形状を備えた用途では、これは、全体的スチフネスが構造体の幾何学的特徴によって提供される耐衝撃機構を提供する。かかるアーキテクチャは、衝撃の際に高い応力再分布をもたらし、さらに衝撃性能を向上させる。
６．頂部（衝撃方向に向いている）螺旋状スキン及び底部螺旋状スキンの両方を備えたサンドイッチ用途。
７．頂部又は底部スキンのいずれかが螺旋状であり又は部分螺旋状レイアップであるサンドイッチ用途。
８．頂部スキンと底部スキンが対称であるサンドイッチ用途。
９．頂部螺旋状スキンと底部螺旋状スキンが対称ではないサンドイッチ用途。
１０．頂部スキンが螺旋状であり、底部スキンが非螺旋状であり、しかも、頂部及び底部スキンがほぼ同じ又は互いに異なる重量を有する場合のあるサンドイッチ用途。例えば、圧縮強さ及び耐衝撃性を提供するように厚手の頂部螺旋状スキンが設けられる一方で、曲げ引張強さ及びスチフネスを提供するように底部の非螺旋状スキンが設けられる。 Other embodiments include the following.
1. A helical skin in which all layers are TPW plies, or QUDW plies, or TPUD, or NCF, or UD plies.
2. Continuously clocked spiral TPW or QUDW or TPUD or NCF or UD helical skin.
3. TPW or QUDW or TPUD or NCF or UD helical stack of partially clocked spirals with either continuous or variable pitch angle.
4. TPUD or QUDW or TPUD or NCF or UD to combine TPUD, NCF, thick ply, and thick woven ply to create uniquely tailored and strong/impact laminates that are superior to traditional skins. spiral skin. For example, one layer of TPW can be used as a topskin to improve appearance and abrasion resistance, while TPUD helical plies provide freely configurable impact resistance, stiffness, and in-plane strength. It can be used for the rest of the skin as follows.
5. Sandwich applications with only the top (impact facing) helical skin. For example, in applications with double curvature or complex shapes, this provides an impact protection mechanism where the overall stiffness is provided by the geometry of the structure. Such architecture provides high stress redistribution during impact, further improving impact performance.
6. Sandwich application with both a top (facing in the direction of impact) helical skin and a bottom helical skin.
7. Sandwich applications where either the top or bottom skin is helical or has a partial helical layup.
8. Sandwich applications where the top and bottom skins are symmetrical.
9. Sandwich applications where the top and bottom spiral skins are not symmetrical.
10. Sandwich applications in which the top skin is helical and the bottom skin is non-helical, and the top and bottom skins may have approximately the same or different weights. For example, a thick top helical skin may be provided to provide compressive strength and impact resistance, while a bottom non-helical skin may be provided to provide flexural tensile strength and stiffness.

当業者であれば理解されるように、事実上任意の布を用い、そして螺旋構造物の状態に集成することができ、これが炭素繊維であれ別の材料であれいずれにせよそうである。上述すると共に図示した本発明の方法、システム、及び製品は、とりわけ、改良された複合材料及び改良された複合材料を形成する方法を提供する。当業者には明らかなように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の装置及び方法に関して種々の改造及び変形を行うことができる。かくして、本発明は、本発明の範囲及び均等範囲に含まれる改造例及び変形例として含むものである。 As those skilled in the art will appreciate, virtually any fabric can be used and assembled into a helical structure, whether carbon fiber or another material. The methods, systems, and articles of manufacture described and illustrated above provide, among other things, improved composite materials and improved methods of forming composite materials. As will be apparent to those skilled in the art, various modifications and variations can be made to the apparatus and method of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Thus, the present invention includes such modifications and variations as come within the scope of the present invention and the range of equivalents thereof.

本発明の以下の諸観点は、上述した本発明の実施形態に係る本発明の特徴を表している。
１．螺旋鋼材プライクロッキング／積み重ね設計及び方法であって、複合プライがｚ方向繊維配置状態を生じさせるために特定のピッチに合わせて密なスパイラルをなして積み重ねられ、ｚ方向繊維配置状態は、衝撃波伝搬を減衰させるとともに吸収し、歪エネルギーを消散させ、衝撃疲労効果を最小限に抑え、そして衝撃と関連した損傷を最小限に抑えるとともに／あるいは制止する。
２．観点１に記載された螺旋システムであって、螺旋システムは、手でレイアップされて直接自動機械内に配置され、かつ／あるいは織成／組成／縫成機器（例えば、非けん縮布製造機械）を用いてスタックの状態にあらかじめ編成されることを特徴とする螺旋システム。あらかじめ編成されたスタック（例えば、強度及び耐衝撃性が得られるように選択された４枚、６枚、１０枚以上の特別にクロッキングされた螺旋プライ）として配置されると、スタックは、乾燥しているのがよく、後で液体成形され又はプレプレグから作られる。このスタックは、本明細書において開示した諸変形例のうちの任意のものを用いて螺旋改良が得られるように選択されたコンポーネントの部分全体又は特定の領域であるのがよい。
３．観点１に記載された螺旋システムであって、自動配置機器が所与のプライ内の繊維を湾曲させるために用いられることを特徴とする螺旋システム。
４．観点１に記載された螺旋システムであって、ピッチがつけられた繊維は、弾道特性、打撃力又は異物衝撃によって開始される伝搬衝撃波を減衰させるために特定の波長に合わせて調整されることを特徴とする螺旋システム。
５．観点１に記載された螺旋システムであって、クロッキングは、特定の螺旋ピッチ又は回転偏光ｚ配向を生じさせるように選択され、繊維は、プライ相互間の相当大きな層内直接荷重分散を示すのに足るほど互いに密接していることを特徴とする螺旋システム。
６．観点１に記載された螺旋システムであって、母材樹脂改変（例えば、モノマー機能の低下、骨格分子量の増加、又は軟質サブグループの混入）及び／又は添加剤（微小球、分離したゴム、熱可塑性粒子又はベール）は、積層物を強化し、さらに突発破断の伝搬をさらに制止するために用いられることを特徴とする螺旋システム。
７．観点１に記載された螺旋システムであって、樹脂及び繊維は、繊維と樹脂との弾性モジュラスの差を利用するために特別に選択されることを特徴とする螺旋システム。
８．観点１に記載された螺旋システムであって、繊維強化材の種類［例えば、炭素、ガラス繊維、アラミド、超硬分子量ポリオレフィン繊維、ＰＢＯ繊維、及び天然繊維、例えば亜麻及び***］、量、及び形態は、コスト、製造要件及び性能要件に最もよくマッチするように選択されることを特徴とする螺旋システム。
９．観点１に記載された螺旋システムであって、コンポーネントのパッドアップ領域は、本明細書に同一又は異なる構成の基本的な伝統的レイアップ又は基本的な螺旋レイアップを含む本明細書において説明した螺旋変形例のうちの任意のものを含むことができることを特徴とする螺旋システム。
１０．観点１～７に記載された螺旋システムであって、樹脂中に添加され、直接繊維に取り付けられ又は層間層として配置されるナノ材料（ＣＮＦ、ＣＮＴ、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、黒鉛プレートレット／グラフェン、有機球形粒子、コポリマー、無機クレイ、シリカ、炭化珪素、アルミナ、金属酸化物、及び他の既知又は将来開発されるナノ材料）を含むことを特徴とする螺旋システム。この場合、結果として得られた螺旋／ナノ材料ハイブリッドは、繊維を跨ぐとともに繊維相互間の分散を可能にし、積層物の機械的性質を向上させ、耐衝撃性を向上させ、そして亀裂制止特性を有するナノスケールウィスカー／結合部を有する。
１１．観点８に記載された螺旋システムであって、ナノ材料添加は、螺旋クロッキング角度に対して横方向及び層内剪断特性を改善する（すなわち、狭いクロッキング角度は、長い接触長さ及び高い繊維間相互作用を生じさせる）ことを特徴とする螺旋システム。
１２．観点８に記載された螺旋システムであって、螺旋／ナノ材料ハイブリッドは、（ａ）層内垂直及び／又は水平樹脂亀裂発生、（ｂ）水平層間樹脂亀裂、及び／又は（ｃ）衝撃を受けた際の離層の減少及び／又は消失を呈することを特徴とする螺旋システム。
１３．観点１～７に記載された螺旋システムであって、予想衝撃形式、レベル、及び源を予想して特定の波長及び／又は配向に合わせて調節されるとともに／あるいは特定の加重要件を満たすように個別調整される可変ピッチ及び／又は部分スパイラルを含むことを特徴とする螺旋システム。
１４．観点１に記載された螺旋システムであって、単一の積層物中の可変クロッキング（すなわち、５°、１０°、１５°）は、可変波長にわたって調整され、特定のゾーン／深さのところの衝撃力を制止／消散させ、そして可変クロッキング角度を衝撃能力と全体的積層物強度の好ましい組み合わせが得られるように最適化できることを特徴とする螺旋システム。
１５．観点１１に記載された螺旋システムであって、積層物のある特定の厚み容器内の衝撃荷重を消散させる一方で、自由度が平面内強度が得られるようにプライのうちの大部分の配向を個別調整することができるようにするためにレイアップの（ａ）外部、（ｂ）中間部、（ｃ）内部、又は（ｄ）内部、中間部及び外部のうちの１つ以上に設けられた狭いクロッキング（すなわち、５°）及びレイアップの残部に設けられた広いクロッキングを含むことを特徴とする螺旋システム。
１６．観点１１に記載された螺旋システムであって、例えば左又は右巻きにしかすることができない非対称及び／又はバランスが取れていないプライ積み重ねを有することを特徴とする螺旋システム。かかるレイアップは、厚さを増大させてバランス及び対称に関する経験則を固守する必要なく、螺旋クロッキングにより得られる利点を利用することができる。浅い螺旋クロッキング角度で作られたコンポーネントは、伝統的な０°、±４５°、９０°レイアップよりも歪む傾向が低い。さらに、歪み傾向があったとしてもこれに部分形状又は局所補剛効果が打ち勝つことができるできる場合が多い。
１７．観点１１に記載された螺旋システムであって、レイアップは、部分的に巻かれるに過ぎず、また３６０°全体にわたってクロッキングするわけではないことを特徴とする螺旋システム。かかるレイアップは、ある特定の積層物ゾーン中の螺旋配置の衝撃の面における利点を分離することができる一方で他のゾーンにおける耐荷繊維を最適化することができる。
１７．１ 観点１～７に記載された螺旋システムであって、螺旋状スパイラル（helicoidal spiral）の状態に配列されたＴＰＷ及び／又はＱＵＤＷプライＴＰＵＤプライを使用することを特徴とする螺旋システム。よこ糸の低い層貫通破断靱性靭性（ＴＰＷ）及びよこ糸相互間の大きな間隔（ＱＵＤＷ）のいずれかを特徴とするかかる織布の特定の構成を自由に設定すると、螺旋構造の消散性の高い破損機構を起動させることができ、それにより高い衝撃性能が得られる。織布の使用により、複雑な形状に対する螺旋スタックのドレープ適性を向上させてレイアップコストを減少させることができる。
１８．観点１～７に記載された螺旋システムであって、ＴＰＵＤプライ（代表的には、一プライ当たり０．００２３インチ（０．０５８４２ｍｍ）／又はこれよりも薄い）ことを特徴とする螺旋システム。結果的に得られた狭くクロッキングされた螺旋スパイラルは、短い層間樹脂剪断ゾーンを有し、それ故に相当な繊維間直接接触／分散（すなわち、厳密なアスペクト比）を呈し、それにより螺旋スパイラルは、耐衝撃性にかつ亀裂制止可能になる。さらに、ＴＰＵＤレイアップは、ほぼ同じ厚さの伝統的なレイアップと比較して、強度が向上していることが判明した。
１９．観点１６に記載された螺旋システムであって、衝撃事象からの優れた樹脂亀裂制止能力を有するだけでなく、例えば宇宙用途及び極低温タンク用途の際に受ける極端な環境（例えば、－２００°Ｆ（－１２８．９℃）～－４１５°Ｆ（－２４８．３℃））に起因する層内及び層間亀裂発生を最小限に抑える能力をも示すことを特徴とする螺旋システム。
２０．観点１６に記載された螺旋システムであって、配向度の高い伝統的なスタック（主要な耐荷方向における余分のプライ）と同じほど良好な又はこれよりも良好な強度を有し、それでいて耐衝撃特性が向上している連続的にクロッキングされたスパイラルを有することを特徴とする螺旋システム。かかる用途では、螺旋レイアップが主要加重方向において全本数が少ない繊維を有する場合であっても、薄いプライと僅かにクロッキングされたオフアングル繊維が組み合わさって効率のよい層間荷重分散をもたらし、その結果、優れた平面内強度性能が得られる。
２１．観点１６に記載された螺旋システムであって、同性能の伝統的な積層物スタックよりも全厚が小さいが、螺旋システムは、ほぼ同じ又はこれよりも良好な強度及び衝撃性能を有することができることを特徴とする螺旋システム。この場合、業界標準のバランス、対称性、及び最小方向配向則を固守した場合に可能なレベルよりも薄くかつ軽量のＴＰＵＤ螺旋積層物を製作することが可能である。
２２．観点１６に記載された螺旋システムであって、本螺旋システムは、所望の性質を依然として保持しながら伝統的なレイアップの対称性、バランス及び最小配向則に固執しながら、薄い又は最小ゲージ（ひょう又は鳥の衝突のような臨界荷重の場合に取る厚さ）のものであることを特徴とする螺旋システム。
２３．観点１６に記載された螺旋システムであって、本螺旋システムは、ＴＰＵＤと厚いプライを組み合わせて特徴的に調整され、強度及び衝撃能力のコンポーネントを作ることができることを特徴とする螺旋システム。例えば、薄い螺旋プライは、レイアップを調整して耐衝撃能力を高めるようにレイアップの一部分について使用されるのがよく、他方、厚いプライは、レイアップ時間を短縮して全体的平面内強度を生じさせるために使用されるのがよい。
２４．観点１６に記載された螺旋システムであって、伝統的なレイアップよりも優れた強度及び衝撃特性を依然として有する特徴的に調整された積層物を作るために可変クロッキングを有することを特徴とする螺旋システム。
２５．観点１６に記載された螺旋システムであって、本螺旋システムは、狭いクロッキング及び薄いプライを用い、そして標準のクロッキング及び標準のプライ厚さを用いて伝統的なレイアップよりも反る傾向が小さいことを特徴とする螺旋システム。したがって、螺旋ＴＰＵＤ非対称／バランスの取れていないスタックは、最小ゲージ及び低重量を有することができる。
２６．観点１６に記載された螺旋システムであって、伝統的なレイアップよりも優れた特徴的に調整されるとともに強度／耐衝撃性の積層物を生じさせるための組み合わせ型ＴＰＵＤ・厚いプライ螺旋スタック及び可変クロッキング方式を有することを特徴とする螺旋システム。この場合、薄いプライと厚いプライは、レイアップコストを最小限に抑えるとともに強度／スパイラル調整変数をある特定の度（°）まで最適するために使用でき、他方、可変クロッキングピッチは、特性を最適化するために使用できる。
２７．観点１６に記載された螺旋システムであって、コンポーネントのパッドアップ領域は、観点１７～２４に記載されたＴＰＵＤ変形例のうちの任意のものを同一又は異なる構成の基本的な伝統的レイアップ又は基本的な螺旋レイアップと共に含むのが良いことを特徴とする螺旋システム。
２８．観点１～２５に記載された螺旋システムであって、強度、支持力、スチフネス及び／又は耐衝撃性を向上させるためにハイブリッド材料（例えば、非ポリマー、金属、フォーム及び／又はサンドイッチ材料）と組み合わされていることを特徴とする螺旋システム。かかる組み合わせは、比強度、腐食特性、及び衝撃特性を満たす一方でコスト、重量及び／又は厚さを最小限にするために定められたように全域的に（例えば、母材樹脂全体を通じて組み合わされたナノ材料）又は選択的に（例えば、チタン箔の層）実施されるのがよい。
２９．観点２６に記載された螺旋システムであって、ナノ材料が螺旋プライとハイブリッド材料（例えば、金属及びサンドイッチ）との結合部を改善し、それにより層間強度及びかかる層間強度（例えば、強度剪断、曲げ引張、圧縮及び衝撃）に依存する特性を向上させるように樹脂に混入されていることを特徴とする螺旋システム。
３０．観点２６に記載された螺旋システムであって、布複合プライが衝撃力を吸収して消散するように特別に選択された特徴的なクロッキング構成を作るようにスタック内に又は内面及び外面上に選択的に配置されていることを特徴とする螺旋システム。また、穴あけ又はトリム中に繊維のちぎれを最小限に抑えるように外側プライ上に用いられる場合、織りプライは、落雷を消散させ、電流を通し、電気部品をシールドし又は熱伝導率を変化させるのを助けるために金属箔、繊維又はメッシュをさらに含むのがよい。
３１．観点２６に記載された螺旋システムであって、強度、耐腐食性、支持力及び耐衝撃能力を向上させるために金属箔が内面及び外面に施されていることを特徴とする螺旋システム。かかる螺旋／ハイブリッドの事例では、金属箔は、撓むことができ、螺旋プライは、衝突中にエネルギーを吸収／減衰することができる。
３２．観点１７又は１８に記載された螺旋システムであって、剪断剛性を高め、慣性荷重を緩衝し、打撃エネルギーを消散させるとともに／あるいは耐座屈性を向上させるために減衰フォーム又はサンドイッチ材料の層が螺旋スタックの中心に配置されていることを特徴とする螺旋システム。
３３．観点１～３０に記載された螺旋システムであって、衝撃波伝搬を減衰させるとともに吸収し、衝撃疲労効果を最小限に抑え、そして衝撃と関連した亀裂及び損傷を最小限に抑えるとともに／あるいは制止するために消費製品、保護具、スポーツ用品、衝突保護器具、風力タービン翼、自動車部品、航空宇宙用材料、水素圧力容器、建築資材、及び他の複合製品中に組み込まれることを特徴とする螺旋システム。
３４．観点１～３０に記載された螺旋システムであって、想定される打撃、衝突、ひょう、工具落下、弾道特性、ランダムなデブリ、衝撃波、落雷、キャビテーション及びエーロフラッタリングからの低、中及び高エネルギー衝撃効果を最小限に抑えるために複合構造物中に組み込まれることを特徴とする螺旋システム。
３５．多軸布製造機械を用いて螺旋構造物を非けん縮布から製作する方法。
３６．観点３５に記載された方法であって、材料の複数のロールを作り、そして材料ロールの層を集成して多数のプライの螺旋シーケンスを形成することによって複数の螺旋プライを製作することを特徴とする方法。
３７．観点３６に記載された方法であって、多軸ヘリコイド・ノンクリンプ・ファブリック（Helicoid Non-Crimp Fabric ：ＨＭＸ）を形成する４枚又は５枚の螺旋プライのロール（例えば、Ｈ‐ＮＣＦ１２°：［４８°、６０°、７２°、８４°］又はＨ‐ＮＣＦ２２．５°：［０．２２、５．４５、６７．５、９０］）が製造されることを特徴とする方法。
３８．観点３７に記載された方法であって、材料ＨＭＸの８枚又は１０枚のプライのロール（例えば、Ｈ‐ＮＣＦ１２°：［４８°、６０°、７２°、８４°、－８４°、－７２°、－６０°、－４８°］又はＨ‐ＮＣＦ２２．５°：［９０、－６７．５、－４５、－２２．５、０、０、２２．５．４５、６７．５、９０］）を形成するように材料のロールから材料を裏返すステップを含むことを特徴とする方法。
３９．観点３８に記載された方法であって、材料を材料のロールから約その０°軸回りに折り曲げてその幅を２で割り、それにより材料ＨＭＸの８枚又は１０枚のプライロール（例えば、Ｈ‐ＮＣＦ１２°：［４８°、６０°、７２°、８４°、－８４°、－７２°、－６０°、－４８°］）又はＨ‐ＮＣＦ２２．５°：［９０、－６７．５、－４５、－２２．５、０、０、２２．５、４５、６７．５、９０］）を形成するステップを含むことを特徴とする方法。
４０．観点３８に記載された方法であって、材料のロールからプラス又はマイナス９０°回転させて材料ＨＭＸの８枚又は１０枚のプライロール（例えば、－９０°回転させた［５６．３°、７８．８°、－７８．８°、－５６．３°］：Ｈ‐ＮＣＦ２２．５°：［５６．３°、７８．８°、－７８．８°、－５６．３°、－３３．８°、－３３．８°、－１１．３°、１１．３°、３３．８°］）を形成するように組み合わされた［－３３．８°、－１１．３°、１１．３°、３８．８°］）を形成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
４１．観点３８～４０に記載の方法であって、初期ＨＭＸロールの裏返し、折り曲げ及び回転が連続螺旋を備えた非常に多くのプライのロールを作るための組み合わせ運動であるのが良いことを特徴とする方法。
４２．観点３５～４１に記載の方法であって、布の層は、縫成機械又は熱積層熱可塑性ベール、粉末結合剤、エアパンチもしくはニードルパンチによって組み合わされることを特徴とする方法。
４３．観点３５～４２に記載された方法であって、可変クロッキング角度は、観点１３～１５に記載されているように適用されることを特徴とする方法。 The following aspects of the invention represent features of the invention according to the embodiments of the invention described above.
1. A helical steel ply locking/stacking design and method wherein composite plies are stacked in a tight spiral to a specific pitch to create a z-fiber configuration, the z-fiber configuration being induced by a shock wave. Attenuate and absorb propagation, dissipate strain energy, minimize impact fatigue effects, and minimize and/or prevent impact-related damage.
2. The helical system described in aspect 1, wherein the helical system is hand laid up and placed directly into an automatic machine and/or in a weaving/composition/sewing equipment (e.g., a non-crimped fabric making machine). ) a helical system characterized in that it is pre-organized into a stack. Once arranged as a pre-knitted stack (e.g. 4, 6, 10 or more specially clocked helical plies selected for strength and impact resistance), the stack can be dried It is often made from pre-preg, which is then liquid molded or made from prepreg. The stack may be an entire portion of the component or a specific region selected to provide helical improvement using any of the variations disclosed herein.
3. A helical system according to aspect 1, characterized in that automatic placement equipment is used to curve the fibers within a given ply.
4. The helical system described in aspect 1, wherein the pitched fibers are tuned to a specific wavelength to attenuate propagating shock waves initiated by ballistics, striking force or foreign object impact. Features a spiral system.
5. The helical system described in aspect 1, wherein the clocking is selected to produce a particular helical pitch or rotationally polarized z-orientation, and the fibers exhibit a substantial intra-ply direct load distribution between the plies. A helical system characterized by close proximity to each other.
6. A helical system as described in Aspect 1, in which base resin modification (e.g., reduced monomer functionality, increased backbone molecular weight, or incorporation of soft subgroups) and/or additives (microspheres, isolated rubber, thermal A helical system characterized in that plastic particles or veils are used to strengthen the laminate and further inhibit the propagation of sudden fractures.
7. The helical system according to aspect 1, characterized in that the resin and the fibers are specifically selected to take advantage of the difference in elastic modulus between the fibers and the resin.
8. The helical system according to aspect 1, wherein the type of fiber reinforcement [e.g., carbon, glass fibers, aramid, superhard molecular weight polyolefin fibers, PBO fibers, and natural fibers such as flax and hemp], amount, and morphology A helical system characterized in that it is selected to best match cost, manufacturing requirements and performance requirements.
9. The helical system described in aspect 1, wherein the pad-up area of the component is as described herein including a basic traditional layup or a basic helical layup of the same or different configuration. A helical system characterized in that it can include any of the helical variants.
10. Helical systems as described in aspects 1 to 7, comprising nanomaterials (CNFs, CNTs, SWNTs, MWNTs, graphite platelets/graphene, organic A helical system characterized in that it contains spherical particles, copolymers, inorganic clays, silica, silicon carbide, alumina, metal oxides, and other known or future developed nanomaterials. In this case, the resulting helical/nanomaterial hybrid spans the fibers and enables interfiber dispersion, improving the mechanical properties of the laminate, improving its impact resistance, and improving its crack inhibition properties. nanoscale whiskers/bonds.
11. The helical system described in aspect 8, wherein the nanomaterial addition improves the lateral and intralaminar shear properties relative to the helical clocking angle (i.e., a narrow clocking angle results in a long contact length and a high fiber A spiral system characterized by:
12. The helical system described in aspect 8, wherein the helical/nanomaterial hybrid undergoes (a) intralayer vertical and/or horizontal resin cracking, (b) horizontal interlaminar resin cracking, and/or (c) impact A helical system characterized in that it exhibits a reduction and/or disappearance of delamination upon delamination.
13. A helical system as described in aspects 1-7, wherein the helical system is tailored to a particular wavelength and/or orientation in anticipation of expected impact types, levels and sources and/or to meet particular loading requirements. A helical system characterized in that it comprises individually adjusted variable pitch and/or partial spirals.
14. The helical system described in aspect 1, wherein variable clocking (i.e. 5°, 10°, 15°) in a single stack is tuned over variable wavelengths and at specific zones/depths. 1. A helical system for suppressing/dissipating impact forces, and a variable clocking angle that can be optimized for a favorable combination of impact capability and overall laminate strength.
15. The helical system described in aspect 11, wherein the degrees of freedom orient the majority of the plies to provide in-plane strength while dissipating impact loads within a certain thickness container of the laminate. provided on one or more of (a) the exterior, (b) the middle, (c) the interior, or (d) the interior, the middle, and the exterior of the layup to permit individual adjustment; A helical system characterized by comprising a narrow clocking (i.e. 5°) and a wide clocking provided in the remainder of the layup.
16. 12. A helical system according to aspect 11, characterized in that it has an asymmetric and/or unbalanced ply stack that can only be left-handed or right-handed, for example. Such a layup can take advantage of the advantages afforded by helical clocking without having to increase thickness and adhere to rules of thumb regarding balance and symmetry. Components made with shallow helical clocking angles are less prone to distortion than traditional 0°, ±45°, 90° layups. Moreover, even if there is a tendency for distortion, this can often be overcome by partial geometry or local stiffening effects.
17. 12. The helical system according to aspect 11, characterized in that the layup is only partially wound and not clocked over the entire 360°. Such a layup can isolate the impact advantages of a helical arrangement in certain laminate zones while optimizing load-bearing fibers in other zones.
17.1 A helical system according to aspects 1 to 7, characterized in that it uses TPW and/or QUDW plies and TPUD plies arranged in a helicoidal spiral. Free setting of a particular configuration of such woven fabrics, characterized either by low transply breaking toughness (TPW) of the weft yarns and large spacing between the weft yarns (QUDW), results in a highly dissipative failure mechanism of the helical structure. can be activated, thereby achieving high impact performance. The use of woven fabrics can improve the drapeability of the helical stack over complex shapes and reduce layup costs.
18. A helical system according to aspects 1-7, characterized by TPUD plies (typically 0.0023 inches (0.05842 mm) per ply or thinner). The resulting narrowly clocked helical spiral has a short interlaminar resin shear zone and therefore exhibits significant interfiber direct contact/dispersion (i.e., tight aspect ratio), whereby the helical spiral , impact resistance and crack prevention. Additionally, TPUD layups have been found to have improved strength compared to traditional layups of approximately the same thickness.
19. The helical system described in aspect 16 not only has excellent resin crack inhibition capabilities from impact events, but also withstands extreme environments such as those encountered in space applications and cryogenic tank applications (e.g., -200°F). A helical system characterized in that it also exhibits the ability to minimize intralaminar and interlaminar cracking caused by temperatures between (-128.9°C) and -415°F (-248.3°C).
20. A helical system as described in aspect 16, having strength as good as or better than a highly oriented traditional stack (extra ply in the main load bearing direction), yet with impact properties. A helical system characterized in that it has a continuously clocked spiral with increasing speed. In such applications, the combination of thin plies and slightly clocked off-angle fibers provides efficient interlayer load distribution, even though the helical layup has fewer total fibers in the primary loading direction. The result is superior in-plane strength performance.
21. Although the helical system described in aspect 16 has a lower overall thickness than a traditional laminate stack of comparable performance, the helical system can have about the same or better strength and impact performance. A spiral system featuring In this case, it is possible to produce TPUD helical laminates that are thinner and lighter than would be possible if industry standard balance, symmetry, and minimum directional orientation laws were adhered to.
22. The helical system described in aspect 16, wherein the present helical system adheres to the symmetry, balance and minimum orientation laws of traditional layup while still retaining the desired properties; or a helical system characterized in that it is of a thickness taken in the case of critical loads such as bird strikes).
23. 17. The helical system according to aspect 16, wherein the helical system is capable of combining TPUD and thick plies to create a uniquely tailored strength and impact capability component. For example, thin helical plies are often used for a portion of the layup to tune the layup and increase impact resistance, while thicker plies reduce layup time and increase overall in-plane strength. It is best used to generate
24. A helical system as described in aspect 16, characterized by having variable clocking to create a characteristically tailored laminate that still has superior strength and impact properties than traditional layups. spiral system.
25. The helical system described in aspect 16, wherein the helical system uses narrow clocking and thin plies, and has a greater tendency to warp than a traditional layup with standard clocking and standard ply thickness. A spiral system characterized by a small . Therefore, the helical TPUD asymmetric/unbalanced stack can have minimal gauge and low weight.
26. The helical system described in aspect 16, wherein the combination TPUD thick ply helical stack and A helical system characterized in that it has a variable clocking scheme. In this case, thin and thick plies can be used to minimize layup costs and optimize the strength/spiral tuning variables to a certain degree (°), while variable clocking pitch can improve the properties. Can be used to optimize.
27. The helical system described in aspect 16, wherein the pad-up region of the component can be any of the TPUD variations described in aspects 17-24, or a basic traditional lay-up of the same or different configuration. A helical system that is good to include with a basic helical layup.
28. A helical system according to aspects 1 to 25, in combination with a hybrid material (e.g., non-polymeric, metallic, foam and/or sandwich material) to improve strength, bearing capacity, stiffness and/or impact resistance. A spiral system characterized by: Such combinations may be combined globally (e.g., throughout the matrix resin) as determined to minimize cost, weight, and/or thickness while meeting specific strength, corrosion properties, and impact properties. nanomaterials) or selectively (e.g. a layer of titanium foil).
29. The helical system described in aspect 26, wherein the nanomaterial improves the bond between the helical ply and the hybrid material (e.g., metal and sandwich), thereby improving interlaminar strength and such interlaminar strength (e.g., strength shear, bending). A helical system characterized in that it is incorporated into a resin to improve its tensile, compressive and impact-dependent properties.
30. A helical system as described in aspect 26, wherein the fabric composite plies are in the stack or on the inner and outer surfaces to create a distinctive clocking configuration specifically selected to absorb and dissipate impact forces. A helical system characterized by selective arrangement. Woven plies also dissipate lightning strikes, conduct current, shield electrical components, or change thermal conductivity when used on the outer ply to minimize fiber tearing during drilling or trimming. It may further include metal foils, fibers or meshes to assist in this process.
31. 27. The helical system according to aspect 26, characterized in that the internal and external surfaces are coated with metal foil to improve strength, corrosion resistance, bearing capacity and impact resistance capabilities. In such a helical/hybrid case, the metal foil can flex and the helical ply can absorb/attenuate energy during impact.
32. The helical system according to aspect 17 or 18, wherein a layer of damping foam or sandwich material is provided to increase shear stiffness, cushion inertial loads, dissipate impact energy and/or improve buckling resistance. A helical system characterized by being located in the center of a helical stack.
33. A helical system according to aspects 1-30, which attenuates and absorbs shock wave propagation, minimizes impact fatigue effects, and minimizes and/or inhibits impact-related cracking and damage. Helical systems characterized by being incorporated into consumer products, protective equipment, sporting goods, collision protection equipment, wind turbine blades, automotive parts, aerospace materials, hydrogen pressure vessels, construction materials, and other composite products for purposes .
34. Helical systems as described in aspects 1 to 30, with low, medium and high energies from expected strikes, impacts, hail, tool drops, ballistics, random debris, shock waves, lightning strikes, cavitation and aerofluttering. A helical system characterized by its incorporation into composite structures to minimize impact effects.
35. A method of manufacturing a helical structure from non-crimped fabric using a multi-axis fabric manufacturing machine.
36. A method according to aspect 35, characterized in that the plurality of helical plies are fabricated by forming a plurality of rolls of material and assembling the layers of material rolls to form a helical sequence of multiple plies. how to.
37. The method of aspect 36, wherein a roll of four or five helical plies (e.g., H-NCF12°: [48 60°, 72°, 84°] or H-NCF22.5°: [0.22, 5.45, 67.5, 90]).
38. A method according to aspect 37, wherein a roll of 8 or 10 plies of material HMX (e.g. H-NCF12°: [48°, 60°, 72°, 84°, -84°, -72 °, -60°, -48°] or H-NCF22.5°: [90, -67.5, -45, -22.5, 0, 0, 22.5.45, 67.5, 90] ) of a roll of material to form a material.
39. The method described in aspect 38, wherein the material is folded from a roll of material about its 0° axis and its width divided by 2, thereby forming an 8 or 10 ply roll of material HMX (e.g. H -NCF12°: [48°, 60°, 72°, 84°, -84°, -72°, -60°, -48°]) or H-NCF22.5°: [90, -67.5, -45, -22.5, 0, 0, 22.5, 45, 67.5, 90]).
40. The method described in aspect 38, wherein an 8 or 10 ply roll of material HMX is rotated plus or minus 90° from a roll of material (e.g., rotated -90° [56.3°, 78 .8°, -78.8°, -56.3°]: H-NCF22.5°: [56.3°, 78.8°, -78.8°, -56.3°, -33. 8°, -33.8°, -11.3°, 11.3°, 33.8°]) [-33.8°, -11.3°, 11.3 38.8°]).
41. The method according to aspects 38 to 40, characterized in that the everting, folding and rotation of the initial HMX roll may be a combined movement to create a multi-ply roll with a continuous helix. Method.
42. 42. A method according to aspects 35 to 41, characterized in that the layers of fabric are combined by a sewing machine or a hot laminated thermoplastic veil, a powder binder, an air punch or a needle punch.
43. A method as described in aspects 35-42, characterized in that the variable clocking angle is applied as described in aspects 13-15.

Claims (28)

複合スキンサンドイッチ構造物であって、前記複合スキンサンドイッチ構造物は、
少なくとも１つのコア材料で作られたコアと、
前記コアに取り付けられた少なくとも１枚のスキンと、前記スキンは、
螺旋状関係をなして配列された強化用繊維の複数のプライを有し、前記プライは、配向方向を定める互いに平行な繊維を含み、少なくとも２枚の隣り合うプライの前記配向方向相互間の夾角は、０°よりも大きく且つ約３０°未満である、複合スキンサンドイッチ構造物。 A composite skin sandwich structure, the composite skin sandwich structure comprising:
a core made of at least one core material;
at least one skin attached to the core, the skin comprising:
a plurality of plies of reinforcing fibers arranged in a helical relationship, the plies including mutually parallel fibers defining an orientation direction, and an included angle between the orientation directions of at least two adjacent plies; is greater than 0° and less than about 30°. 前記螺旋状関係をなして配列された前記プライは、部分的に螺旋巻きされている、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the plies arranged in helical relationship are partially helically wound. 前記少なくとも１枚のスキンから見て前記コアの反対側に取り付けられた少なくとも１枚の第２のスキンをさらに有する、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1 further comprising at least one second skin attached to an opposite side of the core from the at least one skin. 前記少なくとも１枚の第２のスキンは、
螺旋状関係をなして配列された強化用繊維の複数のプライを有し、前記プライは、配向方向を定める互いに平行な繊維を含み、少なくとも２枚の隣り合うプライの前記配向方向相互間の夾角は、０°よりも大きく且つ約３０°未満である、請求項３記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The at least one second skin includes:
a plurality of plies of reinforcing fibers arranged in a helical relationship, the plies including mutually parallel fibers defining an orientation direction, and an included angle between the orientation directions of at least two adjacent plies; 4. The composite skin sandwich structure of claim 3, wherein: is greater than 0[deg.] and less than about 30[deg.]. 前記コア材料は、ＰＶＣフォームから成る、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the core material comprises PVC foam. 前記コア材料は、ハニカム構造から成る、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the core material comprises a honeycomb structure. 前記サンドイッチ構造物は、風力タービン翼、自動車部品及びウィングを含む空気力学的構造の形状を成形するように配置されている、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 2. The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the sandwich structure is arranged to mold the shape of an aerodynamic structure including wind turbine blades, automotive parts, and wings. 前記サンドイッチ構造物は、スポーツ用品の形状を成形するように配置されている、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the sandwich structure is arranged to form the shape of a sports equipment. 前記少なくとも１枚のスキンは、炭素繊維から成り、前記少なくとも１枚のスキンの重量は、約３，０００ｇｓｍ以下である、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the at least one skin is comprised of carbon fiber and wherein the at least one skin has a weight of about 3,000 gsm or less. 前記少なくとも１枚のスキンは、ガラス繊維から成り、前記少なくとも１枚のスキンの重量は、約５，０００ｇｓｍ以下である、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the at least one skin is comprised of fiberglass and wherein the at least one skin has a weight of about 5,000 gsm or less. 前記プライは、［－１５°／－２５°／－３５°／－４５°／－６０°／－４５°／－３５°／－２５°／－１５°］として配列されている、請求項２記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 Claim 2, wherein the plies are arranged as [-15°/-25°/-35°/-45°/-60°/-45°/-35°/-25°/-15°]. The composite skin sandwich structure described. 前記複数のプライは、ＵＤトウ、ＴＰＵＤトウ、ＱＵＤＷ布、ＴＰＷ布及びＮＣＦ布のうちの少なくとも１つから成る、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the plurality of plies comprises at least one of UD tow, TPUD tow, QUDW fabric, TPW fabric, and NCF fabric. 螺旋状関係をなして配列された強化用繊維の前記複数のプライは、少なくとも第３のプライをさらに含み、前記第３のプライは、配向方向を定める互いに平行な繊維を含み、前記第３のプライと前記少なくとも１枚の隣のプライの前記配向方向相互間の夾角は、０°よりも大きく且つ約３０°未満である、請求項１記載の複合スキンサンドイッチ構造物。 The plurality of plies of reinforcing fibers arranged in a helical relationship further include at least a third ply, the third ply including mutually parallel fibers defining an orientation direction; 2. The composite skin sandwich structure of claim 1, wherein the included angle between the orientation directions of a ply and the at least one adjacent ply is greater than 0[deg.] and less than about 30[deg.]. 耐衝撃性を有する繊維強化複合材料であって、前記複合材料は、
第１のＴＰＷ布層を有し、前記第１のＴＰＷ布層は、複数のよこ糸トウと複数のたて糸トウとを含み、前記複数のトウのうちの少なくとも１つは、配向方向を定め、
第２のＴＰＷ布層を有し、前記第２のＴＰＷ布層は、複数のよこ糸トウと複数のたて糸トウとを含み、前記複数のトウのうちの少なくとも１つは、配向方向を定め、
前記第１及び前記第２のＴＰＷ布層は、螺旋状関係をなして配列され、前記第１のＴＰＷ布層の前記トウの前記配向方向と前記第２のＴＰＷ布層の前記トウの前記配向方向とのなす夾角は、前記繊維強化複合材料に耐衝撃性をもたらすように０°よりも大きく且つ約３０°未満である、耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 A fiber reinforced composite material having impact resistance, the composite material comprising:
a first TPW fabric layer, the first TPW fabric layer including a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, at least one of the plurality of tows defining an orientation direction;
a second TPW fabric layer, the second TPW fabric layer including a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, at least one of the plurality of tows defining an orientation direction;
The first and second TPW fabric layers are arranged in a helical relationship, the orientation direction of the tow of the first TPW fabric layer and the orientation of the tow of the second TPW fabric layer. An impact resistant fiber reinforced composite material, wherein the included angle with the direction is greater than 0° and less than about 30° so as to provide impact resistance to the fiber reinforced composite material. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つは、広がったたて糸トウ及び／又は広がったよこ糸トウから成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber-reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the TPW fabric layers comprises spread warp tows and/or spread weft tows. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つは、軽量のたて糸トウ及び／又は軽量のよこ糸トウから成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the TPW fabric layers comprises lightweight warp tow and/or lightweight weft tow. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、炭素繊維から成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the tows of at least one of the TPW fabric layers comprises carbon fiber. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、ガラス繊維から成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the tows of at least one of the TPW fabric layers comprises glass fibers. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、アラミド繊維から成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the tows of at least one of the TPW fabric layers comprises aramid fibers. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、ＵＨＭＷＰＥ繊維から成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the tows of at least one of the TPW fabric layers comprises UHMWPE fibers. 前記ＴＰＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、ポリプロピレン繊維から成る、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 14, wherein at least one of the tows of at least one of the TPW fabric layers comprises polypropylene fibers. 前記繊維強化複合材料は、スポーツ用品、自動車／モータースポーツ部品、手荷物を含む消費製品、及び船舶部品のうちの少なくとも１つの形状に成形される、請求項１４記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 15. The impact-resistant fiber-reinforced composite of claim 14, wherein the fiber-reinforced composite material is formed into the shape of at least one of sporting goods, automotive/motorsports parts, consumer products including luggage, and marine parts. material. 耐衝撃性を有する繊維強化複合材料であって、前記複合材料は、
第１のＱＵＤＷ布層を有し、前記第１のＱＵＤＷ布層は、複数のよこ糸トウと複数のたて糸トウとを含み、前記複数のトウは、配向方向を定め、
第２のＱＵＤＷ布層を有し、前記第２のＱＵＤＷ布層は、複数のよこ糸トウと複数のたて糸トウとを含み、前記複数のトウは、配向方向を定め、
前記第１及び前記第２のＱＵＤＷ布層は、螺旋状関係をなして配列され、前記第１のＱＵＤＷ布層の前記たて糸トウの前記配向方向と前記第２のＱＵＤＷ布層の前記たて糸トウの前記配向方向とのなす夾角は、前記繊維強化複合材料に耐衝撃性をもたらすように０°よりも大きく且つ約３０°未満である、耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 A fiber reinforced composite material having impact resistance, the composite material comprising:
a first QUDW fabric layer, the first QUDW fabric layer including a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, the plurality of tows defining an orientation direction;
a second QUDW fabric layer, the second QUDW fabric layer including a plurality of weft tows and a plurality of warp tows, the plurality of tows defining an orientation direction;
The first and second QUDW fabric layers are arranged in a helical relationship such that the orientation direction of the warp tow of the first QUDW fabric layer and the warp tow of the second QUDW fabric layer A fiber-reinforced composite material having impact resistance, wherein the included angle with the orientation direction is greater than 0° and less than about 30° so as to provide impact resistance to the fiber-reinforced composite material. 前記複合材料のための前記繊維のうちの８０％超がたて糸トウ内に配置されている、請求項２３記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 24. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 23, wherein more than 80% of the fibers for the composite material are located within warp tows. 前記ＱＵＤＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、炭素繊維から成る、請求項２３記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 24. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 23, wherein at least one of the tows of at least one of the QUDW fabric layers comprises carbon fiber. 前記ＱＵＤＷ布層のうちの少なくとも１つの前記トウのうちの少なくとも１つは、ガラス繊維から成る、請求項２３記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 24. The impact resistant fiber reinforced composite material of claim 23, wherein at least one of the tows of at least one of the QUDW fabric layers comprises glass fibers. 前記ＱＵＤＷ布層のうちの少なくとも１つの前記たて糸トウは、ガラス繊維から成り、前記ＱＵＤＷ布層のうちの少なくとも１つの前記よこ糸トウは、炭素繊維から成る、請求項２３記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 24. The impact resistant material of claim 23, wherein the warp tow of at least one of the QUDW fabric layers is comprised of glass fibers and the weft tow of at least one of the QUDW fabric layers is comprised of carbon fiber. Fiber reinforced composite material. 前記繊維強化複合材料は、スポーツ用品、自動車／モータースポーツ部品、手荷物を含む消費製品、及び船舶部品のうちの少なくとも１つの形状に成形される、請求項２３記載の耐衝撃性を有する繊維強化複合材料。 24. The impact-resistant fiber-reinforced composite of claim 23, wherein the fiber-reinforced composite material is formed into the shape of at least one of sporting goods, automotive/motorsports parts, consumer products including luggage, and marine parts. material.

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