JP6468761B2 - 開繊されたフィラメントを含む複合材テキスタイル - Google Patents
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Description
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）複合材料は、航空宇宙構造における応用にとって魅力的である。これらは金属よりもはるかに強度及び剛性が高く、重量、燃料及び動作コストの削減につながる。
外板、スティフナ、フレーム及び桁などのＦＲＰ構造要素は互いに結合され、翼、胴体及び尾部などの主要コンポーネントを形成する。これらのＦＲＰ要素の接着剥離は望ましくない。
本明細書に記載の一実施形態によれば、物体は、第１の方向に延びる第１の強化繊維トウと、第２の方向に延びる第２の強化繊維トウとの多方向テキスタイルを含む。第１の繊維トウのフィラメントはテキスタイルの境界を過ぎて延び、開繊される。トウは樹脂に埋め込まれる。
本明細書による別の実施形態で、構造体は、互いに結合される第１及び第２の部品を含む。第１の部品は強化繊維の複数の層を含む。複数の層のうち外側の層が、第２の部品の表面に結合された開繊されたフィラメントを有するトウの多方向テキスタイルを含む。
本明細書による別の実施形態で、複合構造体を製造する方法は、第１の部品と第２の部品とを係合させることを含む。第１の部品は、第１の方向に延びる第１のトウと第２の方向に延びる第２のトウとの織物を有する外側の層を含む。方法はさらに、トウの端部を個々のフィラメントへと開繊させること、及び、開繊したフィラメントを第２の部品の表面に結合させることを含む。
これらの特徴および機能は、種々の実施形態において単独で達成することも、他の実施形態において組み合わせることもできる。実施形態のさらなる詳細は、下記の説明及び図面を参照することによって理解することができる。
さらに、本発明は、以下の条項による実施形態を含む。
条項１
互いに結合された第１の部品及び第２の部品を含む構造体であって、第１の部品は強化繊維の複数の層を含み、複数の層のうち外側の層は、第２の部品の表面に結合される、開繊されたフィラメントを有する強化繊維トウの多方向テキスタイルを含む。
互いに結合された第１の部品及び第２の部品を含む構造体であって、第１の部品は強化繊維の複数の層を含み、複数の層のうち外側の層は、第２の部品の表面に結合される、開繊されたフィラメントを有する強化繊維トウの多方向テキスタイルを含む。
条項２
第１の部品及び第２の部品は別個の部品である、条項１に記載の構造体。
第１の部品及び第２の部品は別個の部品である、条項１に記載の構造体。
条項３
別個の部品は航空機の構造要素である、条項２に記載の構造体。
別個の部品は航空機の構造要素である、条項２に記載の構造体。
条項４
第１の部品は第２の部品に対するパッチである、条項１に記載の構造体。
第１の部品は第２の部品に対するパッチである、条項１に記載の構造体。
条項５
第２の部品は、航空機の衝撃による損傷を受けやすいエリアに位置決めされる、条項４に記載の構造体。
第２の部品は、航空機の衝撃による損傷を受けやすいエリアに位置決めされる、条項４に記載の構造体。
条項６
フィラメントの端部は波形である、条項１に記載の構造体。
フィラメントの端部は波形である、条項１に記載の構造体。
図１Ａを参照すると、第１の方向に延びる第１の強化繊維トウと第２の方向に延びる第２の強化繊維トウとの多方向複合材テキスタイル１１０を含む、物体１００が示される。幾つかの実施形態で、多方向複合材テキスタイル１１０は、ｘ方向に延びるトウとｙ方向に延びるトウとの織物である。図１Ａに示す実施形態で、ｘ方向とｙ方向とは直交する。多方向複合材テキスタイル１１０は境界１１２を有する。テキスタイル１１０の境界１１２内部で、トウはｘ及びｙ方向に沿って構造的強度をもたらす。
通常、繊維トウは数千（例えば１Ｋ、３Ｋ、１２Ｋ、２４Ｋ）の繊維を含む。個々の繊維又は各トウのフィラメントは任意の数（Ｎ）の列に束ねられる。トウで束ねられたフィラメントは通常、幅方向の繊維（ｃｒｏｓｓ−ｆｉｂｅｒｓ）により互いに保持（すなわち支持）される。幅方向の繊維は通常フィラメント１２０に直交する。
トウのフィラメント１２０は境界１１２を過ぎて延びる。これらのフィラメント１２０は、延びる方向にのみ構造的強度をもたらす。フィラメント１２０は直角方向の支持がなく、弛緩している。例えば、通常トウに使用される幅方向繊維の（例えば１０％から３０％）のみという小さな割合で幅方向繊維を使用することにより、支持は弛緩する。図１Ａの例では、ｘ方向に延びるトウと、境界１１２を過ぎて延びるこれらのトウのフィラメント１２０について考察する。フィラメント１２０はｘ方向に構造的強度をもたらす。これらのフィラメント１２０を支持する幅方向繊維は使用されていない。同様に、ｙ方向に境界１１２を過ぎて延びるフィラメント１２０は、ｙ方向にのみ構造的強度をもたらす。これらのフィラメント１２０を支持する幅方向繊維は使用されていない。
このような直角方向の弛緩又は構造的支持の欠如により、フィラメント１２０は「開繊」されることができる。圧縮されると、フィラメント１２０は任意の数（Ｎ）の列が減少するよう、再分配される。図１Ａのテキスタイル１１０で、境界１１２を過ぎて延びるフィラメント１２０は開繊される。
図２Ａ及び図２Ｂは、フィラメント２２０が開繊される前及び後の、テキスタイルにおけるトウ２１０を示す。図２Ａは、フィラメント２２０が開繊される前の、Ｎ＝５列のフィラメント２２０を有するトウ２１０を示す。圧縮力（Ｆ）がトウ２１０の支持されていない又は支持の緩い部分にｚ方向に加えられると、圧縮力がフィラメント２２０の直角（ｙ）方向の開繊を引き起こす。図２Ｂは開繊された後のフィラメント２２０を示す。図２Ｂの例で、開繊されたフィラメント２２０の列数が、５から２へと減少する。開繊されたフィラメント２２０の幅は、トウ２１０の完全に支持されたフィラメントより大きくなるであろう。
再度図１Ａを参照する。幅方向繊維を減らすまたは省くことは、境界１１２を通って延びるフィラメント１２０の軸方向の剛性を減少させることでもある。すなわち、テキスタイル１１０は境界１１２内部よりも境界１１２外部で柔軟である。
境界１１２外部でのフィラメント１２０の剛性は、フィラメント端部１２２のいくらか又は全体を波形にすることにより、さらに減少され得る。図１Ａは、波形端部１２２で終端する直線部分を有するフィラメント１２０を示す。波形端部１２２はｘ−ｙ平面上にある。フィラメント１２０も同平面上にあるため、この波形は「面内に」あると言える。
したがってテキスタイル１１０は様々な剛性を有する。剛性は境界１１２内部で最高度であり、境界１１２の外部では減少し、波形端部１２２ではさらに減少する。端部で荷重を担うフィラメント１２０は、境界１１２内部のフィラメントよりも、受ける歪みが少ない。
図１Ａに示すテキスタイル１１０で、境界１１２外部のフィラメントの直線部分は荷重を伝達する。フィラメントの波形端部１２２は荷重を伝達しない。
ここで図１Ｂを参照すると、トウの複合材テキスタイル１６０を含む物体１５０の別の例が示される。フィラメント１７０はトウの境界１６２を過ぎて延びる。フィラメントが異なる位置で荷重を担うよう、フィラメント１７０の長さを変化させることで荷重伝達を調整することができる。端部１７２のいくつかを波形にし、端部１７４のいくつかを直線にすることで、荷重伝達はさらに調整され得る。
図１Ａ及び図１Ｂの物体１００及び１５０は樹脂（図示せず）をさらに含む。テキスタイル１１０及び１６０は樹脂に埋め込まれる。第１の例として、トウ及び開繊されたフィラメントが、硬化の直前に樹脂マトリクスに含浸される。第２の例として、トウはレイアップ前に樹脂マトリクスに予備含浸される。第３の例として、最終加工の前に保管及び移動しやすいように、トウは部分的に架橋結合した（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄ）樹脂に互いに結着される。
図３を参照すると、距離ｄだけ離間した第１のトウ３１０及び第２のトウ３２０の一例が示される。第１のトウ３１０のフィラメント３１２が開繊されると、開繊された繊維の幅は第１のトウ３１０の幅を越えるであろう。これは第２のトウ３２０のフィラメント３２２にも当てはまる。続いて、第１のトウ３１０から延びる幾つかのフィラメント３１２は、第２のトウ３２０から延びる幾つかのフィラメント３２２と混合される（図３ではこの態様を例示するために、混合される２つのフィラメント３１２及び３２２のみが示される）。
ここで図４を参照すると、プライスタック４１０が示される。プライスタック４１０は複数の層４２０を含む。プライスタック４１０の一又は複数の最も外側の層４２０は、本発明による多方向テキスタイルを含み得る（図４では、一のみの外側の層における、本発明によるテキスタイルを示す）。その他の層４１０は従来技術によるトウを含む。
プライスタック４１０は、いかなる特定の部品又は構造体にも限定されない。ここで２つの実施例を提示する。
ここで図５を参照すると、第１の部品５１０が第２の部品５２０に結合される第１の例が示される。一例に過ぎないが、第１の部品５１０はビームであり第２の部品５２０はパネルである。第１の部品５１０はプライスタック４１０を含む。プライスタック４１０の外側の層から延びるフィラメント４１２は、第２の部品５２０の表面に位置決めされる。部品５１０と部品５２０とは、接着、共接着、又は共硬化により結合される。共硬化とは、部品５１０及び部品５２０が未加工である（すなわち未硬化である）間に、部品５１０と部品５２０とを結合することである。共接着とは、２つの部品のうちの片方が未加工でもう片方が硬化済み又は他の方法で形成済みである間に、部品５１０と部品５２０とを結合することである。接着とは、２つの部品５１０及び５２０が硬化された後に、２つの部品５１０と５２０とを結合することである。
フィラメント４１２により２つの部品５１０及び５２０の結合が改善される。数千のフィラメント４１２を個々に第２の部品５２０に結合することにより、接着剥離の可能性は減少する。各フィラメント４１２は他から独立しているため、数百又は数千のフィラメントの接着剥離が発生するのはよほど重大なことである。
フィラメント端部の、面内にある波形により、さらなる利点が生まれる。波形は荷重を全く又はほとんど担わない。
ここで図６を参照すると、プラスチックマトリクスに埋め込まれた炭素強化繊維の複数の層を含むパネル６１０をパッチングする第２の例が示される。各層に、特定の角度（例えば０度、＋４５度、−４５度、及び９０度）で単一方向に炭素繊維が延びる。
パネル６１０の損傷領域は削り取られている。図６の例では、削られた領域６１２は７層に渡り深く、ある角度で削られている。
パネル６１０に対するパッチ６２０はプライスタックを含む。スタックのプライは、除去されたパネル６１０の層に対応する。したがって、パッチ６２０の各プライは除去されたパネル層に代わるサイズ及び形状とされる。さらに、各プライは除去されたパネル層と同じ繊維方向を有し得る。最上部のプライの境界は、パネル６１０の上層における開口と一致する。
図６のパッチ６２０で、最上部のプライはトウの多方向織物を含む。開繊されたフィラメント（図示せず）は織物の境界を越えて延びる。例えば、開繊されたフィラメントは４つの縁に渡って延びる。各フィラメントは面内の波形を有する。パッチ６２０の他のプライは通常の織物又は単向性の繊維トウを含む。
接着剤の層６３０がパネル６１０の削られた領域６１２に配置される。パッチ６２０が削られた領域６１２に配置される。織物の境界を越えて延びるフィラメントは、パネル６１０の上面に位置決めされ結合される。
数千の開繊されたフィラメントがパッチ６２０から、パッチ６２０とパネル６１０との間に形成された結合部に渡り、パネル６１０上へと延びる。開繊されたフィラメントは数千の個別の接合を生み出し、これにより、パッチ６２０がパネル６１０から剥がれることが防止される。フィラメントの波形端部は荷重を担うが、パッチの他の部分へ荷重を伝達することはないため、パッチ６２０がパネル６１０から剥がれることがさらに防止される。
本発明によるテキスタイルは第１の複合材部品と第２の複合材部品との結合に限定されない。第２の部品は金属又は他の非複合材で造られていてもよい。２つの部品間の結合部を過ぎて延びる開繊されたフィラメントは、金属部品に接着剤により接着されてもよい。
本発明によるテキスタイルは、１つの複合材部品と非複合材部品との結合にも限定されない。パネル及びパッチの両方が繊維強化プラスチックではなく金属製であることを除いて、図６の例について考察する。金属パッチは金属パネルの損傷領域内に接着され、本発明によるテキスタイルは、結合部を過ぎて金属パネル表面へと延びる開繊されたフィラメントを伴って、金属パッチを覆うことができる。金属パッチをパネルに保持することに加え、テキスタイルは水分の侵入に対するバリアを提供する。
本発明によるテキスタイルは図１Ａ及び図１Ｂに示す型に限定されない。本発明によるテキスタイルは、直交する第１の方向及び第２の方向に延びるフィラメントに限定されない。
図７は、３方向（ｗ、ｘ及びｙ）に延びるトウの３軸編組を含むテキスタイル７１０を示す。テキスタイル７１０の中心部７２０は、３方向全てに延びるオーバーラップしたトウから形成される。テキスタイル７１０の周辺部７３０は、３方向のうちの２方向に延びるトウから形成される。例えば、テキスタイル７１０の右下周辺部７３０は、ｗ及びｙ方向に延びるトウから形成される。テキスタイル７１０の境界を過ぎて延びるフィラメントは開繊される。
図８は、円形の境界８３０と円形の境界８３０を過ぎて延びるフィラメント８２０とを有するテキスタイル８１０を示す。このテキスタイル８１０は、多方向織物を円形に切り、境界における個々のフィラメントを引き出し、これら個々のフィラメントを境界８３０に対して直角に整えることにより、形成される。
本発明による多方向テキスタイルは織物又は編組に限定されない。他の実施形態では、多方向テキスタイル１１０はトウの複数の層の積層を含み、各層のトウは単向性である。例えば、第１の層はｘ方向に延びるトウを含み、第２の層はｙ方向に延びるトウを含む。オーバーラップする層の部分により、ｘ方向及びｙ方向に強度がもたらされる。
本発明によるテキスタイルは境界を過ぎて延びる全フィラメントに限定されない。幾つかの実施形態で、フィラメントのうちの幾つかのみが境界を過ぎて延び、同方向に延びる他のフィラメントは境界で終端してもよい。幾つかのフィラメントを境界で終端させることにより、境界を過ぎて延びるフィラメントを開繊しやすくなる。
本発明によるテキスタイルにおいて、全フィラメントは同じ熱膨張率及び係数を有し得る。しかしながら、本発明によるテキスタイルはそれほど限定されない。
本発明によるテキスタイルにおいて、全フィラメントは同じ組成を有し得る。例えば、本発明によるテキスタイルは炭素フィラメントのみを有し得る。しかしながら、本発明によるテキスタイルはそれほど限定されず、異なる組成のフィラメントを有する実施形態もあり得る。例えば、本発明によるテキスタイルはガラスフィラメント及び炭素フィラメントを有し得る。ガラスフィラメントの使用により、荷重における歪みがより大きくなり得る図１Ｂについて考察する。波形端部を有し得る炭素フィラメントが、直線端部を有するガラス繊維により置き換えられる。
本発明によるテキスタイルは、いかなる特定の幅又は特定のフィラメント数のトウにも限定されない。トウは数千のフィラメントを含み得る。
本発明によるテキスタイルにおいて、フィラメントは正弦波形状を有する波形端部に限定されない。図９に示すように、幾つかの実施形態で、テキスタイル９１０のフィラメント９２０はテキスタイルの境界９１２に並行に曲げられた波形端部９２２を有し得る。
ここで図１０を参照すると、本発明によるテキスタイルを使用する一般的な方法が示される。ブロック１０１０で、第１の部品と第２の部品とが係合される。第１の部品は、第１の方向に延びる第１のトウと第２の方向に延びる第２のトウとの織物を有する外側の層を含む。第１のトウの終端部分が第２の部品の表面上へと延びる。第１の部品及び第２の部品の接着面に接着剤が配置される。
ブロック１０２０で、トウの終端部分は個々のフィラメントに開繊される。終端部分に（例えばローラーにより）圧力が印加され、フィラメントの開繊が引き起こされる。フィラメントはさらにコーミングされ、確実に開繊される。接着材が開繊されたフィラメントにも配置されてよい。
ブロック１０３０では、第１の部品が第２の部品に結合され、これにより両部品の接着面は互いに結合され、開繊されたフィラメントは第２の部品の表面に結合される。部品の組成及び硬化の度合により、結合は共硬化、共接着、又は接着により実施され得る。硬化又は接着中に、オートクレーブにより熱及び圧力が印加され得る。第１の部品がパッチである場合、ヒートブランケットにより熱及び圧力が印加され得る。
ここで図１１を参照すると、胴体１１１０、翼アセンブリ１１２０及び尾部１１３０を含む航空機１１００が示される。一又は複数の推進ユニットを含む推進システム１１４０は、胴体１１１０、翼アセンブリ１１２０又は航空機の他の部分に連結される。外板、スティフナ、フレーム及び桁などのＦＲＰ構造要素は互いに結合されて、胴体１１１０、翼アセンブリ１１２０、及び尾部１１３０を形成する。本発明によるテキスタイルは、これらのＦＲＰ構造要素において使用され得る。外板パネルに接着される及び／又は繋止されるＦＲＰフランジを有するビームの例を考察する。ビームは外板パネルを補強するために使用され得る。本発明によるテキスタイルは、フランジの外側の層で使用される。テキスタイルから延びる個々のフィラメントは外板パネルに結合される。フィラメントはフランジから長手方向に及び／又はフランジから横断方向に延びる。
本発明によるテキスタイルはまた、胴体１１１０、翼アセンブリ１１２０及び尾部の損傷部分のパッチングにも使用され得る。航空機１１００のある部分は浸食による損傷及び／又は衝撃による損傷に弱い。本発明によるテキスタイルは、上述の損傷のパッチングに使用され得る。テキスタイルの個々のフィラメントは、パッチの剥離を防止する。フィラメントの波形端部は、パッチの剥離をさらに防止する。
パッチはまた、衝撃後の損傷も減少させる。パッチングされたエリアが瓦礫により再度衝撃を受けた場合、フィラメントの波形端部が衝撃荷重を担うが、パッチの他の部分には衝撃荷重を伝達しない。
１００ 物体
１１０ 多方向複合材テキスタイル
１１２ 境界
１２０ フィラメント
１２２ フィラメント端部
１５０ 物体
１６０ 複合材テキスタイル
１６２ 境界
１７０ フィラメント
１７２ 波状端部
１７４ 直線端部
２１０ トウ
２２０ フィラメント
３１０ 第１のトウ
３１２ 第１のトウのフィラメント
３２０ 第２のトウ
３２２ 第２のトウのフィラメント
４１０ プライスタック
４２０ 最も外側の層
５１０ 第１の部品
５２０ 第２の部品
６１０ パネル
６１２ 削られた領域
６２０ パッチ
６３０ 接着剤の層
７１０ テキスタイル
７２０ 中心部
７３０ 周辺部
８１０ テキスタイル
８２０ フィラメント
８３０ 境界
９１０ テキスタイル
９１２ 境界
９２０ フィラメント
９２２ 波形端部
１１０ 多方向複合材テキスタイル
１１２ 境界
１２０ フィラメント
１２２ フィラメント端部
１５０ 物体
１６０ 複合材テキスタイル
１６２ 境界
１７０ フィラメント
１７２ 波状端部
１７４ 直線端部
２１０ トウ
２２０ フィラメント
３１０ 第１のトウ
３１２ 第１のトウのフィラメント
３２０ 第２のトウ
３２２ 第２のトウのフィラメント
４１０ プライスタック
４２０ 最も外側の層
５１０ 第１の部品
５２０ 第２の部品
６１０ パネル
６１２ 削られた領域
６２０ パッチ
６３０ 接着剤の層
７１０ テキスタイル
７２０ 中心部
７３０ 周辺部
８１０ テキスタイル
８２０ フィラメント
８３０ 境界
９１０ テキスタイル
９１２ 境界
９２０ フィラメント
９２２ 波形端部
Claims (13)
- 第１の方向に延びる第１の強化繊維トウと第２の方向に延びる第２の強化繊維トウとの多方向テキスタイルを含む物体であって、前記第１の強化繊維トウにおけるフィラメントの部分は前記テキスタイルの境界を過ぎて延び及び開繊され、前記トウは樹脂に埋め込まれ、
前記テキスタイルは任意の数の束ねられたフィラメントの列を含み、開繊された前記フィラメントは前記列の数がより少ない、
物体。 - 前記第２の強化繊維トウにおけるフィラメントも、前記テキスタイルの前記境界を過ぎて延び及び開繊される、請求項１に記載の物体。
- 前記テキスタイルの前記境界内のフィラメントは、前記第１の方向及び前記第２の方向に沿って構造的強度をもたらし、前記境界を過ぎて延びるフィラメントは、フィラメントの伸長方向にのみ構造的強度をもたらす、請求項１又は２に記載の物体。
- 前記テキスタイルは前記トウの織物を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の物体。
- 前記境界を過ぎて延びる前記フィラメントは、幅方向繊維による支持が疎である又は支持がない、請求項４に記載の物体。
- 前記テキスタイルは、第１の方向、第２の方向、及び第３の方向に延びるトウの編組を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の物体。
- 前記テキスタイルは円形の境界を有し、前記境界を過ぎて延びる前記フィラメントは前記境界に対して垂直である、請求項１から６のいずれか一項に記載の物体。
- 開繊された前記フィラメントの端部は面内の波形を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の物体。
- 前記境界を過ぎて延びる前記フィラメントは異なる長さで終端する、請求項１から８のいずれか一項に記載の物体。
- 強化繊維の複数の層と、請求項１から９のいずれか一項に記載の前記物体を含む外側の層とを含む、レイアップ。
- 複合構造体の製造方法であって、
第１の方向に延びる第１のトウと第２の方向に延びる第２のトウとの織物を有する外側の層を含む第１の部品を第２の部品の近傍または接触する位置に置き、
前記トウの端部を個々のフィラメントへと開繊させ
開繊された前記フィラメントを前記第２の部品の表面に結合させること
を含む、方法。 - 前記第１の部品及び前記第２の部品は航空機の構造要素である、請求項１１に記載の方法。
- 前記第１の部品は、航空機の構造要素である前記第２の部品に対するパッチである、請求項１１に記載の方法。
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