特許 5787470 複合材料の不透明な繊維強化材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5787470

(24)【登録日】2015年8月7日

(45)【発行日】2015年9月30日

(54)【発明の名称】複合材料の不透明な繊維強化材

(51)【国際特許分類】

   B29C 43/34 20060101AFI20150910BHJP

   B29C 43/20 20060101ALI20150910BHJP

   B64C 1/14 20060101ALI20150910BHJP

   B29K 105/12 20060101ALN20150910BHJP

   B29L 9/00 20060101ALN20150910BHJP

【ＦＩ】

   B29C43/34

   B29C43/20

   B64C1/14

   B29K105:12

   B29L9:00

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2009-156728(P2009-156728)

(22)【出願日】2009年7月1日

(65)【公開番号】特開2010-23508(P2010-23508A)

(43)【公開日】2010年2月4日

【審査請求日】2012年6月29日

(31)【優先権主張番号】12/173,776

(32)【優先日】2008年7月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】マーク エス． ウィレンスキ

(72)【発明者】

【氏名】アラン エム． マーカス

(72)【発明者】

【氏名】ラリー エー． ゴッドビー

【審査官】 平井 裕彰

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５３７０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０２８９２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ４３／００〜４３／５８

７０／００〜７０／８８

Ｂ６４Ｃ １／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高分子マトリックス（１８）、
前記高分子マトリックス中に配置された複数の光透過性要素（１７）を含む少なくとも一つの透明領域（１６）、及び
前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して前記高分子マトリックス中に配置された複数の不透明な強化要素（２３）を含む少なくとも一つの不透明領域（２２）
を含み、前記不透明な強化要素が不透明な繊維及び／又はリボンである、透明なデバイスのコンポーネントとして使用するのに適した複合材料であって、前記複数の光透過性要素及び前記複数の不透明な強化要素が、前記高分子マトリックスに埋設されている、複合材料（１９；１９ｂ）。

【請求項2】

前記複数の不透明な強化要素が、カーボンファイバー、有機質繊維、金属繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維及び／又はポリイミド繊維である、請求項１に記載の複合材料。

【請求項3】

前記複数の光透過性要素が、ガラス繊維又はガラスリボンである、請求項１に記載の複合材料。

【請求項4】

前記高分子マトリックスが光透過性である、請求項１に記載の複合材料。

【請求項5】

ウィンドウリテイナー（１５）を有する複合材料（１９；１９ｂ）であって、
高分子マトリックス（１８）、
前記高分子マトリックス中に配置された複数の光透過性要素（１７）を含む少なくとも一つの透明領域（１６）、及び
前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して前記高分子マトリックス中に配置された複数の不透明な強化要素（２３）を含む少なくとも一つの不透明領域（２２）
を含む複合材料を有する窓構造であって、
前記複数の光透過性要素及び前記複数の不透明な強化要素が、前記高分子マトリックスに埋設されている、窓構造（１４；１４ａ；１４ｂ）。

【請求項6】

ウィンドウリテイナー（１５）を有する複合材料（１９；１９ｂ）であって、
高分子マトリックス（１８）、
前記高分子マトリックス中に配置された複数の光透過性要素（１７）を含む少なくとも一つの透明領域（１６）、及び
前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して前記高分子マトリックス中に配置された複数の不透明な強化要素（２３）を含む少なくとも一つの不透明領域（２２）
を含む複合材料を有する窓構造であって、
前記少なくとも一つの不透明領域が、前記高分子マトリックス中に格子状に方向付けられた複数の不透明領域を含む、窓構造（１４；１４ａ；１４ｂ）。

【請求項7】

ウィンドウリテイナー（１５）を有する複合材料（１９；１９ｂ）であって、
高分子マトリックス（１８）、
前記高分子マトリックス中に配置された複数の光透過性要素（１７）を含む少なくとも一つの透明領域（１６）、及び
前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して前記高分子マトリックス中に配置された複数の不透明な強化要素（２３）を含む少なくとも一つの不透明領域（２２）
を含む複合材料を有する窓構造であって、
前記少なくとも一つの不透明領域が、前記複合材料の縦軸と概ね平行に配向された第１の複数の不透明な領域と、前記複合材料の縦軸に対して概ね傾斜して配向された第２の複数の不透明な領域とを含む、窓構造（１４；１４ａ；１４ｂ）。

【請求項8】

前記複数の不透明な強化要素が、カーボンファイバー、有機質繊維、金属繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維及びポリイミド繊維からなる群より選択された少なくとも一つの繊維である、請求項５、６または７に記載の窓構造。

【請求項9】

高分子マトリックス樹脂（１８）を供給するステップ、
透明なガラス要素（１７）を供給するステップ、
不透明な強化要素（２３）を供給するステップ、
前記高分子マトリックス樹脂と共に前記透明なガラス要素と前記不透明な強化要素とを使用して、プリプレグを作成するステップ、
前記プリプレグを積層させることにより複合材料を形成するステップ、及び
前記複合材料を硬化させるステップ
を含む透明なデバイスのコンポーネントとして使用するのに適した複合材料（１９；１９ｂ）の強化方法。

【請求項10】

前記不透明な強化要素が、カーボンファイバー、有機質繊維、金属繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維及び／又はポリイミド繊維である、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記透明なガラス要素が、ガラス繊維又はガラスリボンである、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記高分子マトリックス樹脂が、エポキシ、ポリメタクリル酸メチル（アクリル）、ポリウレタン、又はポリカーボネートを含む、請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合材料に関するものである。具体的には、本発明は、複合材料の構造的性能又は耐衝撃性能を強化するための、光透過性の要素からなる一又は複数の透明な領域に隣接する一又は複数の不透明な領域を有する複合材料に関する。

【背景技術】

【0002】

光透過性の複合材料の強度及び剛度は、材料に含まれるガラス繊維の量、強度、及び種類に応じて変化しうる。光学的ひずみの度合いは、材料に含まれるガラスの量に応じて変化しうる。つまり、多数の用途において許容可能なガラスの量は、系の光学的性能によって制限されうる。従って、光透過性の複合材料の強度及び剛度を向上させる新しい方法が望まれている。

【発明の概要】

【0003】

本発明は、概して、強化した複合材料を目的とする。強化複合材料の例示的な一実施形態は、高分子マトリックス、高分子マトリックス中に設けられた複数の光透過性要素を含む少なくとも一つの透明領域、及び前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して高分子マトリックス中に設けられた一又は複数の不透明な強化要素を含む少なくとも一つの不透明領域を含んでいる。

【0004】

本発明の更なる目的は、概して、窓構造である。窓構造の例示的一実施形態は、ウィンドウリテイナーを有する複合材料であって、高分子マトリックス、高分子マトリックス中に設けられた複数の光透過性要素を含む少なくとも一つの透明領域、及び前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して高分子マトリックス中に設けられた複数の不透明な強化要素を含む少なくとも一つの不透明領域を含む複合材料を含む。

【0005】

本発明の更なる目的は、概して、複合材料を強化する方法である。本方法の例示的一実施形態は、高分子マトリックス樹脂を供給するステップ、高分子マトリックス樹脂中に複数の光透過性要素を含む少なくとも一つの透明領域を設けるステップ、高分子マトリックス樹脂中に複数の不透明な強化要素を含む少なくとも一つの不透明領域を設けるステップ、及び高分子マトリックス樹脂を硬化させるステップを含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】窓構造の形態の複合材料の正面図であり、複合材料中における強化不透明領域の一例示的パターンを示す。

【図2】窓構造の透明領域及び隣接する不透明領域の断面図である。

【図3】窓構造の形態の複合材料の別の例示的実施形態の正面図であり、複合材料中における強化不透明領域の別の例示的パターン（格子状）を示す。

【図4】中央に透明領域を、外側に不透明領域を有する複合材料を含む窓構造の正面図である。

【図5】図４に示す線５に沿った拡大断面図であり、複合材料の透明領域中の光透過性要素と、不透明領域内の強化不透明要素とが互いに概ね平行である。

【図6】図４に示す窓構造の部分断面図であり、透明領域内の光透過性要素及び透明領域内の透明強化要素が複合材料の高分子マトリックスに埋設されている。

【図7】複合材料を強化するための一例示的方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明の目的は、概して、少なくとも一つの不透明領域を含む複合材料であり、この不透明領域は、限定しないが、例えば、高分子マトリックス中の、複合材料の性能を向上させるように選択された位置に分散して埋設された不透明な繊維及び／又はリボンなどの不透明要素を有している。一又は複数の不透明領域は、限定しないが、例えば、ガラス繊維及び／又はリボンなどの光透過性要素を有する一又は複数の透明領域に概ね隣接させることができる。一又は複数の不透明領域からなる強化不透明要素は、一又は複数の透明領域の光透過性要素に対して、一又は複数の所望の方向に方向付けることができる。

【実施例】

【0008】

まず図１−３を参照する。複合材料１９を含む窓構造１４が、図１及び２に示されている。窓構造１４は、所望の大きさ及び形状を持つウィンドウリテイナー１５を有することができる。複合材料１９は、光透過性とすることができる高分子マトリックス１８を含むことができる。高分子マトリックス１８は、透明材料又は他の材料の製造に適したあらゆる種類のポリマーとすることができ、これには、限定しないが、エポキシ、ポリメタクリル酸エチル（アクリル）、ポリウレタン、ポリカーボネート及び透明ポリマーが含まれる。

【0009】

それぞれが高分子マトリックス１８中に埋設された不透明な強化要素２３を有する一又は複数の不透明領域２２は、複合材料１９の強化が望まれる窓構造１４の選択された位置に配置することができる。不透明な強化要素２３の各々は、限定しないが例えば、不透明な繊維又はリボンとすることができ、炭素（グラファイト）、ＳＰＥＣＴＲＡ（登録商標）又はＫＥＶＬＡＲ（登録商標）などの有機質繊維、金属繊維、ホウ素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ポリイミド又はその他の高強度繊維材料とすることができる。不透明な強化要素２３の材料は、改善が望まれる特性に応じて選択することができる。例えば、固いグラファイト繊維からなる不透明な強化要素２３を使用することにより複合材料１９の剛度性能を向上させることができるのに対し、高ひずみ有機質繊維からなる不透明な強化要素２３を使用することにより耐衝撃性能を向上させることができる。図２に示すように、複合材料１９の一又は複数の透明領域において、光透過性要素１７を高分子マトリックス１８に埋め込むことができる。光透過性要素１７は、ガラス繊維及び／又はガラスリボンなどのあらゆる適切な光透過性材料とすることができ、及び／又は限定しないが例えば、光透過性のポリマー繊維及び／又はセラミックファイバーとすることができる。複合材料１９の所望の特性（例えば耐性又は剛度の向上）に応じて高分子マトリックス１８は樹脂を有し、この樹脂は、一又は複数の透明領域１６と一又は複数の不透明領域２２とで同じでも異なってもよい。更に、各透明領域１６は複数の透明な層を含むことができ、これらの層の方向は、複合材料１９に所望の構造特性、耐衝撃特性又はその他の特性を与えるために異なっていてよい。

【0010】

不透明な強化要素２３を有する不透明な領域２２は、あらゆる適切なパターンで、高分子マトリックス１８全体に亘って方向付け且つ分配することができる。図１に示すように、窓構造１４の実施形態の一部では、窓構造１４の縦軸にほぼ平行に、一又は複数の不透明領域２２ａを縦に配置し、且つ窓構造１４の縦軸に対して傾斜した複数の不透明領域２２ｂを斜めに配置することができる。縦に配置された不透明領域２２ａと、斜めに配置された不透明領域２２ｂとは、窓構造１４の一又は複数の光透過性の透明な領域１６を取り囲む枠を形成することができる。図３に示す窓構造１４ａのような他の実施形態では、不透明領域２２は、複合材料１９ａ内において交差する縦と横の列に方向付けることができ、これによって隣接する複数の光透過性の透明領域１６を有する格子状のパターンが形成される。

【0011】

次に、図４−６を参照する。別の窓構造１４ｂは、中央の透明領域１６と、中央の透明領域１６に概ね隣接してそれを取り囲む不透明領域２２とを有する複合材料１９ｂを含むことができる。或いは、一部の実施形態では、透明領域１６を、窓構造１４ｂの不透明領域２２の外側に配置することができる。複合材料１９ｂ全体に亘る透明領域１６及び不透明領域２２の数と位置は、窓構造１４ｂの所望の用途に応じて決定することができる。

【0012】

図７には、光透過性の複合材料を強化するための例示的な方法を説明するフローチャート９００が示されている。ブロック９０２において、高分子マトリックス樹脂を供給する。ブロック９０４ａにおいて、透明なガラス繊維を供給する。ブロック９０４ｂにおいて不透明な繊維を供給する。ブロック９０４ａと９０４ｂとは同時に実行することができる。ブロック９０５ａにおいてプリプレグを形成する。ブロック９０５ｂにおいて、ブロック９０４ａで供給された透明なガラス繊維と、ブロック９０４ｂで供給された不透明な繊維とを用いてプリプレグを積層させる。ブロック９０６では、結果として得られた複合材料を硬化させる。

【0013】

そのように限定するわけではないが、透明な複合材料からなる物品は、窓アセンブリ又はその他透明なデバイスのコンポーネントとして使用するのに適している。本明細書で使用する場合、窓アセンブリは、窓及び窓に付属するコンポーネントを含み、これには、窓、フレーム、取り付け装置、又はその他の付属設備又は装置が含まれる。例えば、透明な複合材料からなる物品は、航空機の窓アセンブリに組み立てることができるか、或いは自動車、装甲車（例えば軍用人員運搬車又は輸送車）、又は船舶（例えば、ガラス底のボート）の透明部分に組み立てることができる。加えて、透明な複合材料からなる物品は、超高層ビル又はその他建築物などの固定構造物の窓アセンブリに組み立てることができる。更に、窓としての用途に加え、透明な複合材料からなる物品は、耐衝撃性の材料を通して視認可能であることが望まれるフェイスシールド又はアームシールドなどの暴動鎮圧用装備又はその他身辺警護に使用することに適している。

【0014】

特定の例示的実施形態を参照して本発明の実施形態について説明したが、これら特定の実施形態は説明を目的とするものであって限定的なものではなく、当業者であれば他の変形例を想起できるであろう。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
高分子マトリックス、
前記高分子マトリックス中に配置された複数の光透過性要素を含む少なくとも一つの透明領域、及び
前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して前記高分子マトリックス中に配置された複数の不透明な強化要素を含む少なくとも一つの不透明領域
を含む複合材料。
（態様２）
前記複数の不透明な強化要素が、カーボンファイバー、有機質繊維、金属繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維及び／又はポリイミド繊維である、態様１に記載の複合材料。
（態様３）
前記複数の光透過性要素が、ガラス繊維又はガラスリボンである、態様１に記載の複合材料。
（態様４）
前記複数の光透過性要素及び前記複数の不透明な強化要素が、前記高分子マトリックスに埋設されている、態様１に記載の複合材料。
（態様５）
前記高分子マトリックスが光透過性である、態様１に記載の複合材料。
（態様６）
ウィンドウリテイナーを有する複合材料であって、
高分子マトリックス、
前記高分子マトリックス中に配置された複数の光透過性要素を含む少なくとも一つの透明領域、及び
前記少なくとも一つの透明領域に概ね隣接して前記高分子マトリックス中に配置された複数の不透明な強化要素を含む少なくとも一つの不透明領域
を含む複合材料からなる窓構造。
（態様７）
前記複数の不透明な強化要素が、カーボンファイバー、有機質繊維、金属繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維及びポリイミド繊維からなる群より選択された少なくとも一つの繊維である、態様６に記載の窓構造。
（態様８）
前記少なくとも一つの不透明な領域が、前記高分子マトリックス中に格子状に方向付けられた複数の不透明領域を含む、態様６に記載の窓構造。
（態様９）
前記少なくとも一つの不透明な領域が、前記複合材料の縦軸と概ね平行に配置された第１の複数の不透明な領域と、前記複合材料の縦軸に対して概ね傾斜した第２の複数の不透明な領域とを含む、態様６に記載の窓構造。
（態様１０）
高分子マトリックス樹脂を供給するステップ、
透明なガラス要素を供給するステップ、
不透明な要素を供給するステップ、
プリプレグを作成するステップ、
前記透明なガラス要素と前記不透明な要素とを使用して前記プリプレグを積層させることにより複合材料を形成するステップ、及び
前記複合材料を硬化させるステップ
を含む複合材料の強化方法。
（態様１１）
前記複数の不透明なガラス要素が、カーボンファイバー、有機質繊維、金属繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維及び／又はポリイミド繊維である、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
前記複数の透明なガラス要素が、ガラス繊維又はガラスリボンである、態様１０に記載の方法。
（態様１３）
前記高分子マトリックスが、エポキシ、ポリメタクリル酸メチル（アクリル）、ポリウレタン、又はポリカーボネートを含む、態様１０に記載の方法。

【符号の説明】

【0015】

１４ 窓構造
１５ ウィンドウリテイナー
１６ 透明領域
１７ 光透過性要素
１８ 高分子マトリックス
１９ 複合材料
２２ 不透明領域
２３ 不透明な強化要素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】