特開 2024-85401 パイ（π）字形プリフォームおよびその結合ジョイント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024085401

(43)【公開日】2024-06-26

(54)【発明の名称】パイ（π）字形プリフォームおよびその結合ジョイント

(51)【国際特許分類】

   C08J 5/04 20060101AFI20240619BHJP

【ＦＩ】

C08J5/04 CFC

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023209243

(22)【出願日】2023-12-12

(31)【優先権主張番号】18/065,850

(32)【優先日】2022-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．テフロン

(71)【出願人】

【識別番号】504242618

【氏名又は名称】ロッキード マーティン コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＬＯＣＫＨＥＥＤ ＭＡＲＴＩＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100128428

【弁理士】

【氏名又は名称】田巻 文孝

(72)【発明者】

【氏名】ロバート ワーナー クーン

(72)【発明者】

【氏名】フェリクス ニャンチャウ グエン

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル エイチ ヘクト

(72)【発明者】

【氏名】カール キュー ルソー

【テーマコード（参考）】

4F072

【Ｆターム（参考）】

4F072AA02

4F072AA07

4F072AA08

4F072AB06

4F072AB08

4F072AB09

4F072AB10

4F072AD23

4F072AG03

4F072AG17

4F072AK05

4F072AK14

4F072AL02

(57)【要約】

【課題】例えば複合航空機構造体分野において、低コストのパイ（π）字形プリフォームを提供する。
【解決手段】ベース部材（１２）および１対の軸方向に細長いレッグ（１４，１６）を有するパイ（π）字形プリフォーム（１０）が提供され、１対の軸方向に細長いレッグ（１４，１６）は、これら１対の軸方向に細長いレッグ（１４，１６）相互間にチャネルを形成するようベース部材に結合されている。１対の軸方向に細長いレッグは、プライスタック内で配向したプレプレグのプライを含み、プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パイ（π）字形プリフォームであって、
ベース部材と、
１対の軸方向に細長いレッグとを有し、前記１対の軸方向に細長いレッグは、前記軸方向に細長いレッグ相互間にチャネルを画定するよう前記ベース部材に結合され、前記１対の軸方向に細長いレッグは、プライスタック内で配向したプレプレグのプライを含み、前記プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含む、パイ字形プリフォーム。

【請求項2】

前記ベース部材と前記一対の軸方向に細長いレッグとの間の第１の空間内に配置された充填材をさらに有する、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項3】

前記一対の軸方向に細長いレッグを前記ベース部材に結合する接着剤をさらに有する、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項4】

前記１対の軸方向に細長いレッグは、第１のＬ字形部材と第２のＬ字形部材に結合されたＵ字形部材を含み、前記第２のＬ字形部材は、前記第１のＬ字形部材の反対側に位置決めされ、
充填材が
（ｉ）前記Ｕ字形部材と前記第１のＬ字形部材との間に形成された第１の空間、および
（ｉｉ）前記Ｕ字形部材と前記第２のＬ字形部材との間に形成された第２の空間内に配置されている、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項5】

接着剤をさらに含み、前記接着剤は、
（ｉ）前記Ｕ字形部材と前記第１のＬ字形部材を結合し、
（ｉｉ）前記Ｕ字形部材と前記第２のＬ字形部材を結合し、
（ｉｉｉ）前記第１のＬ字形部材と前記ベース部材を結合し、
（ｉｖ）前記第２のＬ字形部材と前記ベース部材を結合している、請求項４記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項6】

前記プレプレグは、前記不連続整列繊維が埋め込まれたポリマーマトリックス材料を含み、前記ポリマーマトリックス材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、またはこれらの組み合わせから選択される、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項7】

前記不連続整列繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、グラファイト繊維、ホウ素繊維、またはこれらの組み合わせから選択される、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項8】

前記プレプレグのプライの個々のプライ中の前記不連続整列繊維は、第１の軸線に沿って整列し、前記個々のプライ中の前記不連続整列繊維は、前記第１の軸線から５゜未満の角度をなして整列している、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項9】

前記プレプレグのプライの前記個々のプライに隣接して位置する第２のプライ中の前記不連続整列繊維は、前記第１の軸線に対して角度をなして位置決めされた第２の軸線に沿って整列している、請求項８記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項10】

第１の軸線に対して０゜、９０゜、または１８０°の角度をなして前記プライスタック内で配向したプレプレグの個々のプライは、連続した整列繊維を含み、前記第１の軸線に対して０゜、９０゜、または１８０°以外の角度をなして前記プライスタック内で配向したプレプレグの個々のプライは、不連続の整列繊維を含む、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項11】

前記プレプレグのプライの各個々のプライは、不連続の整列繊維を含む、請求項１記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項12】

パイ（π）ジョイント組立体であって、
ベース部材を含み、
１対の軸方向に細長いレッグを含み、前記１対の軸方向に細長いレッグは、前記軸方向に細長いレッグ相互間にチャネルを画定するよう前記ベース部材に結合され、前記１対の軸方向に細長いレッグは、プライスタック内で配向したプレプレグのプライを含み、前記プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含み、
前記ベース部材に結合された第１の材料を含み、
前記軸方向に細長いレッグ相互間の前記チャネルの内面に結合された第２の材料を含む、パイジョイント組立体。

【請求項13】

接着剤をさらに含み、前記接着剤は、
（ｉ）前記第１の材料を前記ベース部材に結合し、
（ｉｉ）前記第２の材料を前記軸方向に細長いレッグに結合している、請求項１２記載のパイジョイント組立体。

【請求項14】

前記プレプレグは、前記不連続整列繊維が埋め込まれたポリマーマトリックス材料を含む、請求項１２記載のパイジョイント組立体。

【請求項15】

前記プレプレグのプライの個々のプライ中の前記不連続整列繊維は、第１の軸線に沿って整列し、前記個々のプライ中の前記不連続整列繊維は、前記第１の軸線から５゜未満の角度をなして整列している、請求項１２記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項16】

前記プレプレグのプライの前記個々のプライに隣接して位置する第２のプライ中の前記不連続整列繊維は、前記第１の軸線に対して角度をなして位置決めされた第２の軸線に沿って整列している、請求項１２記載のパイ字形プリフォーム。

【請求項17】

パイ（π）字形プリフォームを製造する方法であって、
ベース部材および１対の軸方向に細長いレッグを得るために、プライスタック内にプレプレグのプライを布設するステップを含み、前記プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含み、
前記プレプレグのプライを前記ベース部材および前記１対の軸方向に細長いレッグの形状に熱成形するステップを含み、
前記１対の軸方向に細長いレッグを前記ベース部材に結合して前記パイ字形プリフォームを形成するステップを含む、方法。

【請求項18】

Ｕ字形部材、第１のＬ字形部材、および第２のＬ字形部材を得るために、プライスタック内にプレプレグのプライを布設するステップと、
前記プレプレグのプライを前記Ｕ字形部材、前記第１のＬ字形部材、および前記第２のＬ字形部材の形状に熱成形するステップと、
充填材を前記Ｕ字形部材と前記第１のＬ字形部材との間の第１の空間内に配置するとともに、充填材を前記Ｕ字形部材と前記第２のＬ字形部材との間の第２の空間内に配置するステップと、
前記第１のＬ字形部材、前記Ｕ字形部材、前記第２のＬ字形部材、および前記ベース部材を結合して前記パイ字形プリフォームを形成するステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。

【請求項19】

結合ステップは、（ｉ）前記Ｕ字形部材と前記第１のＬ字形部材との間、（ｉｉ）前記Ｕ字形部材と前記第２のＬ字形部材との間、（ｉｉｉ）前記第１のＬ字形部材と前記ベース部材との間、および（ｉｖ）前記第２のＬ字形部材と前記ベース部材との間に設けられた接着剤を硬化させるステップを含む、請求項１７記載の方法。

【請求項20】

前記プレプレグのプライの個々のプライ中の前記不連続整列繊維は、第１の軸線に沿って整列し、前記個々のプライ中の前記不連続整列繊維は、前記第１の軸線から５゜未満の角度をなして整列している、請求項１６記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示（本発明）は、一般に、同種または異種材料を接合する構造的支持体、特に、パイ（π）字形プリフォームおよびその結合ジョイントに関する。

【背景技術】

【0002】

一体型複合構造体は、航空機構造体重量および製造費を減少させる有望な方法を提供するものとして認識されている。３Ｄ織物パイ字形プリフォーム（短く「パイプリフォーム」と呼ばれる場合がある）は、現在のところ、複合航空機構造体内に、剪断および引き離し強さの面で許容範囲内の機械的性能レベルを達成する堅牢な接着ジョイントを実現するベースラインとしての方法を提供している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、３Ｄ織物パイ字形プリフォームのコストは、高性能接着剤ジョイントから恩恵を受けることになりそうな数多くの用途にとっては、とてつもなく高くつく。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明のシステムおよび方法は、従来のパイ字形プリフォーム技術と比較して幾つかの技術的利点を提供し、かかる技術的利点としては、（ｉ）３Ｄ織物パイプリフォームと比較して製造費が節減されること、（ｉｉ）剪断強さが向上すること（例えば、本明細書において提供されるパイ字形プリフォームの実施形態は、ベースライン３Ｄパイプリフォームの約２２０％剪断強さを実証している）、および（ｉｉｉ）機械的性質を維持しながら（例えば、向上した剪断強さおよび同等の引き離し強さを維持しながら）所望のレイアップを備えた個々の部材（コンポーネント）からのパイ字形プリフォームの複雑な形状の創成を許容するプレプレグ内の不連続整列繊維を一つの要因として生じる可撓性のある構造および優れた成形性が得られることが挙げられる。

【0005】

パイ字形複合プリフォームの形成は、その設計に固有の急変する幾何学的特徴に起因して達成するのが困難である。３Ｄ織物パイプリフォームは、パイ字形プリフォームの製造の際に用いられてきており、そして性能としての剪断強さと引き離し強さの所望の組み合わせを実証してきた。技術の現状の自動織成および／または編成技術を用いて３Ｄ織物パイプリフォームを製造するための費用は、多岐にわたる研究にもかかわらず、高いままである。本発明は、達成すべきパイプリフォームの複雑な幾何学的形状を許容する不連続で整列した繊維から成るパイ字形プリフォームを提供する。さらに、繊維の不連続の整列した性状および所望の機械的性質が得られるようプライシーケンスを自由に設定できるということに起因して、機械的性能を維持しまたは向上させる。

【0006】

一実施形態によれば、本発明は、ベース部材と、１対の軸方向に細長いレッグとを有するパイ（π）字形プリフォームを提供し、１対の軸方向に細長いレッグは、軸方向に細長いレッグ相互間にチャネルを画定するようベース部材に結合されている。１対の軸方向に細長いレッグは、プライスタック内で配向したプレプレグのプライを含み、プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含む。

【0007】

もう１つの実施形態によれば、本発明は、ベース部材と、１対の軸方向に細長いレッグとを含むパイ（π）ジョイント組立体を提供し、１対の軸方向に細長いレッグは、これら１対の軸方向に細長いレッグ相互間にチャネルを画定するようベース部材に結合される。１対の軸方向に細長いレッグは、プライスタック内で配向したプレプレグのプライを含み、プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含む。パイジョイントは、ベース部材に結合された第１の材料および軸方向に細長いレッグ相互間のチャネルの内面に接合された第２の材料を有する。

【0008】

一実施形態によれば、パイ（π）字形プリフォームを製造する方法を提供する。本方法は、ベース部材および１対の軸方向に細長いレッグを得るために、プライスタック内にプレプレグのプライを布設するステップを含み、プレプレグの少なくとも一部分は、不連続の整列した繊維を含む。本方法は、プレプレグのプライをベース部材および１対の軸方向に細長いレッグの形状に熱成形するステップと、１対の軸方向に細長いレッグをベース部材に結合してパイ字形プリフォームを形成するステップとをさらに含む。

【0009】

他の技術的利点は、以下の図、以下の説明、および以下の特許請求の範囲の記載から当業者には容易に明らかになろう。さらに、特定の利点を上記において列挙したが、種々の実施形態は、列挙した利点のうちの全て、いくつかを含む場合があり、あるいは、これら列挙した利点のうちのどれも含まない場合がある。

【0010】

次に、本発明およびその利点のより完全な理解を得るため、添付の図面と関連して以下の説明を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ある特定の実施形態に従ってパイ字形プリフォームを示す図である。

【図2】ある特定の実施形態に従って図１のパイ字形プリフォームの個々のプライを示す図である。

【図3】ある特定の実施形態に従って図１のパイ字形プリフォームのプライスタックを示す図である。

【図4】ある特定の実施形態に従ってパイジョイント組立体を示す図である。

【図5】ある特定の実施形態に従ってパイ字形プリフォームを製造する方法の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

３Ｄ織物パイプリフォームは、現時点では、接着剤によって結合されたジョイントを複合航空機構造体内に実現するために用いられている。３Ｄ織物パイ字形プリフォームのコストは、高性能接着剤ジョイントから恩恵を受けることになりそうな数多くの用途にとっては、とてつもなく高くつく。典型的な３Ｄ織物パイプリフォームと関連したこれらの課題および他の課題を解決するため、開示する実施形態は、性能の犠牲を最小限に抑えたレベルから全く生じさせないで、それどころか、さらに高い性能を持たせて、３Ｄ織物パイプリフォームに対する低コストの選択肢であるパイ字形プリフォームを提供する。したがって、本発明の提供するパイ字形プリフォームは、複合設計内での広範な用途に対するパイジョイント形態の使用を可能にする。

【0013】

本発明の良好な理解を容易にするため、ある特定の実施形態についての実施例を以下に示す。以下の実施例が本発明の範囲を限定しまたは定めるよう読まれることは全くない。本発明の実施形態および本発明の利点は、添付の図を参照することによって最もよく理解でき、図中、同一の参照符号は、同一及び対応の部分を示すために用いられている。

【0014】

図１は、本発明の一実施形態としてのパイ字形プリフォーム要素または「プリフォーム」１０の略図である。断面で見て、プリフォーム１０は、ベース部材１２、およびベース部材１２に結合された１対の軸方向に延びるレッグ（脚）１４，１６を備えたギリシャ文字“π”、すなわち「パイ」を逆さまにした形状に似ている。１対の軸方向に延びるレッグ１４，１６は、構造体に適合するようベース部材１２に対して垂直であってもよく、あるいは角度が付けられていてもよい。チャネル１８が軸方向に細長いレッグ１４，１６相互間に形成されている。幾つかの実施形態では、チャネル１８は、クレビスジョイントである。

【0015】

幾つかの実施形態では、パイ字形プリフォーム１０は、種々の部材によって形成できる複合材料である。例えば、軸方向に細長いレッグ１４，１６は、Ｕ字形部材２０を、第１のＬ字形部材２２および第１のＬ字形部材２２の反対側に位置決めされた第２のＬ字形部材２４に結合することによって形成されるのがよい。充填材（フィラー）２６がＵ字形部材２０と第１のＬ字形部材２２との間に形成された第１の空間内に配置され、充填材２６は、Ｕ字形部材２０と第２のＬ字形部材２４との間に形成された第２の空間内に配置されている。幾つかの実施形態では、オプションとしての接着剤２８が種々の部材相互間に配置されてこれらを直接的または間接的に結合している。例えば、接着剤２８は、（ｉ）Ｕ字形部材２０と第１のＬ字形部材２２との間、（ｉｉ）Ｕ字形部材２０と第２のＬ字形部材２４との間、（ｉｉｉ）第１のＬ字形部材２２とベース部材１２との間、および（ｉｖ）第２のＬ字形部材２４とベース部材１２との間に設けられ、それによりこれらの部材を互いに結合することができる。接着剤２８は、Ｕ字形部材２０と充填材２６との間にも設けられるのがよい。

【0016】

幾つかの実施形態では、パイ字形プリフォーム１０は、プライスタックで配向したプレプレグ３０のプライを含む。図２は、プレプレグ３０の個々のプライの略図であり、図３は、プライスタック内で配向したプレプレグ３０のプライの略図である。幾つかの実施形態では、ベース部材１２および１対の軸方向に細長いレッグ１４，１６は各々、プレプレグ３０のプライを含む。例えば、軸方向に細長いレッグ１４，１６のＵ字形部材２０、第１のＬ字形部材２２、および第２のＬ字形部材２４は各々、それぞれのプライスタック３６内に配置されたプレプレグ３０のプライを含むのがよい。

【0017】

パイプリフォームを整列繊維複合材の別々のプライで構成することができるようにすることによって、プライの向きおよび体積は、各ボンド用途の機械的要件を満たすよう容易にかつ費用効果のよい仕方で自由に設定できる。現行の３Ｄ織物パイプリフォームは、特定の機械的要件を満たすことを目的として迅速にかつ費用効果のよい仕方では変更できない。

【0018】

幾つかの実施形態では、プレプレグ３０のプライは、ポリマーマトリックス（母材）３２を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、１０％～６０％（ｗ／ｗ）のポリマーマトリックス３２を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％～３５％未満、４０％未満、４５％未満、５０％未満、５５％未満、または６０％未満（ｗ／ｗ）のポリマーマトリックスを含む。幾つかの実施形態では、ポリマーマトリックス３２は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、またはこれらの組み合わせを含む。

【0019】

適当な熱可塑性樹脂としては、ポリアクリル酸、ポリアクリルエステル、ポリ（メチルメタクリレート）、アクリロニトリルブタジエンスチレンポリマー、ポリアミド、ポリ乳酸、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリオキシメチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクリルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサルファイド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。幾つかの実施形態では、熱可塑性樹脂は、市販のポリマーまたは市販のポリマーよりも分子量が小さいオリゴマーである。

【0020】

適当な熱硬化性樹脂としては、ポリエステル、ポリウレタン、ポリウレア、加硫ゴム、フェノール‐ホルムアルデヒドポリマー、メラミンポリマー、ビスマレイミドポリマー（ＢＭＩ樹脂）、ポリエポキシド（エポキシ樹脂）、ポリベンゾオキサジン、ポリイミド、ポリシアヌレート、ポリフラン、ポリシリコーン、ポリフェノール、ポリビニルエステル、ポリチオライト、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態では、熱硬化性樹脂は、市販のポリマーまたは市販のポリマーよりも分子量が小さいオリゴマーである。

【0021】

幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、硬化剤を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、０．１％～１５％（ｗ／ｗ）の硬化剤または架橋剤を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、少なくとも０．１％の硬化剤、または少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、または少なくとも５％～１０％未満、１１％未満、１２％未満、１３％未満、１４％未満、または１５％未満（ｗ／ｗ）の硬化剤を含む。

【0022】

適当な硬化剤としては、ポリエチレンテトラアミン、ジシアンジアミド、フェニレンジアミン（特にメタ異性体）、ビス（４‐アミノ‐３，５‐ジメチルフェニル）‐１，４‐ジイソプロピルベンゼン、ビス（４‐アミノ‐フェニル）１，４‐ジイソプロピルベンゼン、ジエチルトルエンジアミン、メチレンジアニリン、メチレンジアニリンとポリメチレンポリアニリン化合物の混合物、ジアミノジフェニルスルホン、フェノール系硬化剤、またはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。

【0023】

幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、添加剤を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、０．１％～１５％（ｗ／ｗ）のポリマー添加剤を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、少なくとも０．１％（ｗ／ｗ）の添加剤、または少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、または少なくとも５％～１０％未満、１５％未満、２０％未満、２５％未満、３０％未満、４０％未満、または５０％未満（ｗ／ｗ）の添加剤を含む。

【0024】

例示の添加剤は、充填剤、促進剤、またはこれらの組み合わせを含む。適当な充填剤としては、炭酸カルシウム、カオリン、水酸化マグネシウム、ウォラストナイト、シリカ、カーボンブラック、フライアッシュ、ナノ充填剤（例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン）、ポリマー発泡ビーズ、カルボキシレート化ゴムまたはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。適当な促進剤としては、３‐フェニル‐１，１‐ジメチル尿素、３‐（３‐クロロフェニル）‐１，１，‐ジメチル尿素、３‐（３，４‐ジクロロフェニル）‐１，１‐ジメチル尿素、２，４‐トルエンビスジメチル尿素、２，６‐トルエンビスジメチル尿素、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。

【0025】

連続繊維複合材料を用いてパイ字形プリフォームに複雑な形状（例えば、Ｌ字形部材やＵ字形部材）を形成することは、この形成プロセス中には過度の欠陥が必ず生じ、例えばプライにしわが生じるので、難題である。かかる欠陥により、パイ字形プリフォーム１０の機械的性能が許容限度を超えるほどになる。図２を参照すると、プレプレグ３０には不連続の整列した繊維３４が埋め込まれている。本明細書で用いられる「不連続」という用語は、プレプレグ３０内の繊維３４を指しており、これら繊維３４は、繊維３４がプレプレグ３０内の軸線４４に沿って延びているときに少なくとも１つの隙間または間隔を含む。幾つかの実施形態では、繊維３４は、個々のプレプレグ３０内の軸線４４から５゜未満の角度をなして、あるいは個々のプレプレグ３０内の軸線４４から４゜未満、３゜未満、２゜未満、１゜未満、または０．５゜未満の角度をなして整列している。

【0026】

幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、プレプレグ３０の全重量を基準として、３０％～８５％（ｗ／ｗ）の不連続整列繊維３４を含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０は、少なくとも３０％（ｗ／ｗ）の不連続整列繊維３４、あるいは少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％～６０％未満、６５％未満、７０％未満、７５％未満、８０％未満、または８５％未満（ｗ／ｗ）の不連続整列繊維３４を含む。適当な不連続整列繊維３４としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、グラファイト繊維、ホウ素繊維、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらには限定されない。幾つかの実施形態では、不連続整列繊維３４の公称繊維長さは、少なくとも０．２５インチ（０．６４ｃｍ）、少なくとも０．５インチ（１．２７ｃｍ）、少なくとも１インチ（２．５４ｃｍ）、少なくとも１．５インチ（３．８１ｃｍ）、少なくとも２インチ（５．０８ｃｍ）～２．５インチ（６．３５ｃｍ）未満、３インチ（７．６２ｃｍ）未満、３．５インチ（８．８９ｃｍ）未満、または４インチ（１０．１６ｃｍ）未満である。幾つかの実施形態では、不連続整列繊維３４は、これとほぼ同じ公称繊維長さを有する（例えば、不連続整列繊維の各々に関する公称繊維長さは、公称繊維長さの０．１％～１０％の範囲内にある）。

【0027】

図３を参照すると、プレプレグ３０のプライは、プライスタック３６内に配置されるのがよい。プライスタック３６は、プレプレグ３０の個々のプライのレイアップを含む。幾つかの実施形態では、プレプレグ３０のプライは、不連続整列繊維３４の配向がプライスタック３６内におけるプレプレグ３０の隣り合うプライ相互間で異なるよう積み重ねられるのがよい。例えば、第１のプレプレグ３８中の不連続整列繊維３４は、第１の軸線４０に沿って整列するのがよく、第１のプレプレグ３８に隣接して位置する第２のプレプレグ４２中の不連続整列繊維３４は、第２の軸線４４に沿って整列するのがよい。第２の軸線４４は、第１の軸線４０に対して角度４６をなして位置決めされるのがよい。角度４６は、任意の角度であってよいが、幾つかの例示の実施形態では、角度４６は、±３０゜、±４５゜、±６０゜、または±９０゜である。

【0028】

幾つかの実施形態では、プレプレグ３０のプライは、プライスタック３６内でプライシーケンスをなして配置されている。本明細書で用いる「プライシーケンス」という表現は、プライスタック３６の少なくとも一部分にわたり、またはプライスタック３６全体にわたって繰り返されるプレプレグ３０のプライに関するスタック配置状態を意味している。プライシーケンスは、パイ字形プリフォーム１０の所望の構造的性質に基づいて選択されるのがよい。非限定的な一実施例では、ベース部材１２または軸方向に細長いレッグ１４，１６に関するプレプレグ３０のプライは、［４５／０／－４５／９０］ｓまたは［０／４５／－４５／０／－４５／９０／４５／－４５／－４５／０］ｔから選択されたプライシーケンスをなして配置されるのがよく、ここで０は、第１の軸線４０と整列するよう配向した不連続整列繊維３４を指している。このように、プライシーケンスを自由に設定して全体的パイ字形プリフォーム１０に望ましい等方性性能を達成できるようにすることにより、現行の３Ｄ織物パイプリフォームと比較して、優れた機械的性能が得られる。

【0029】

上述したように、不連続整列繊維３４は、複雑なパイ字形幾何学的形状を達成するために成形性と性能の組み合わせを提供する。加うるに、プライスタック３６および特定のレイアップは、パイ字形プリフォーム１０の性能をもたらす一方で、従来の技術と比較してコストを減少させるよう特別に作られるのがよい。幾つかの実施形態では、プライスタック３６中のプレプレグ３０の個々のプライの各々は、不連続整列繊維３４を含む。しかしながら、幾つかの用途に関し、パイ字形プリフォーム１０の強度を増大させることが望ましい場合がある。したがって、幾つかの実施形態では、プライスタック３６中のプレプレグ３０の個々のプライの少なくとも一部分は、連続した整列繊維を含むのがよい。本明細書で用いる「連続」という用語は、隙間もしくは間隔なしでプレプレグ３０の全長にわたって延びる繊維３４、または隙間もしくは間隔なしでプレプレグ３０の長さの少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９９％にわたって延びる繊維３４を指している。幾つかの実施形態では、第１の軸線４０に対して０゜、９０゜、または１８０°の角度をなしてプライスタック３６内で配向したプレプレグ３０の個々のプライは、連続した整列繊維を含み、第１の軸線に対して０゜、９０゜、または１８０°以外の角度をなしてプライスタック内で配向したプレプレグ３０の個々のプライは、不連続整列繊維３４を含む。

【0030】

図４は、本発明の幾つかの実施形態としてのパイジョイント組立体４８を示している。パイジョイント組立体４８は、図１～図３に記載したのと同一の部材を有するパイ字形プリフォーム１０を含む。パイ字形プリフォーム１０は、第１の材料５０を第２の材料５２に接合するために用いられるのがよい。幾つかの実施形態では、第１の材料５０は、航空機の外板であり、第２の材料５２は、航空機のウェブである。幾つかの実施形態では、第１および第２の材料５０，５２は、金属材料または複合材料であるのがよい。第１の材料５０は、パイ字形プリフォーム１０のベース部材１２に結合されるのがよく、第２の材料５２は、軸方向に細長いレッグ１４，１６相互間のチャネル１８の内面５４に結合されるのがよい。幾つかの実施形態では、オプションとしての接着剤２８（図４には示さず）が第１の材料５０をベース部材１２に結合するとともに、第２の材料５２を軸方向に細長いレッグ１４，１６に結合している。

【0031】

幾つかの実施形態では、第１の材料５０は、熱硬化性複合材料であり、この場合、熱硬化性複合材料は、未硬化であってもよく、部分的に硬化していてもよく、または完全に硬化していてもよい。幾つかの実施形態では、第２の材料５２は、熱硬化性複合材料であり、この場合、熱硬化性複合材料は、未硬化であってもよく、部分的に硬化していてもよく、または完全に硬化していてもよい。幾つかの実施形態では、第１の材料５０は、熱硬化性複合材料であり、第２の材料５２は、第１の材料の樹脂と同種またはこれとは異種の樹脂および第１の材料の繊維と同種またはこれとは異種の繊維から成る熱硬化性複合材料であり、これに対して、熱硬化性複合材料のうちの一方またはこれら両方は、未硬化であってもよく、部分的に硬化していてもよく、または完全に硬化していてもよい。完全硬化状態では、熱硬化性複合材料は、最大ガラス転移温度に達することができる。

【0032】

図５は、パイ字形プリフォーム１０を製造する方法１００を示している。この方法１００は、作業１０２で始まるのがよく、この作業１０２は、ベース部材１２および１対の軸方向に細長いレッグ１４，１６を得るために、プレプレグ３０のプライをプライスタック３６内に布設するステップを含む。幾つかの実施形態では、作業１０２は、Ｕ字形部材２０、第１のＬ字形部材２２、および第２のＬ字形部材２４を得るために、プライスタック内にプレプレグ３０のプライを布設するステップをさらに含むのがよい。充填材２６を形成するために用いられる材料は、所定寸法に切断される。

【0033】

作業１０４では、方法１００は、プレプレグ３０のプライを圧密化してこれらプライをベース部材１２および１対の軸方向に細長いレッグ１４，１６の形状に熱成形するステップを含む。例えば、作業１０４は、プレプレグ３０のプライをＵ字形部材２０、第１のＬ字形部材２２、および第２のＬ字形部材２４の形状に熱成形するステップを含むのがよい。熱成形ステップでは、プレプレグ３０のプライ３０を、ポリマーマトリックス３２を剪断するのに適した温度プロフィールまで加熱して構造的形状を作るのがよく、また熱成形は、プレプレグ３０のプライを互いに一体的に連携させる化学結合を促進することができる。バウンダリーツーリング（boundary tooling：例えばシリコーンゴム、金属、または他の物質の成形後の形状）がプライスタック３６をベース部材１２および１対の軸方向に細長いレッグ１４，１６の所望の形状に付形するためのテンプレートとして使用できる。作業１０４は、プレプレグ３０のプライを圧力または真空下で配置してプレプレグ３０のプライをバウンダリーツーリングの形状に合わせるステップをさらに含むのがよい。専用ツーリングは、プライスタックを圧密化して、最終のプリフォーム中にしわを生じさせないで鋭利なコーナー部を達成するために用いられる。作業１０４は、熱成形およびツーリングを用いて充填材２６を図１に示すような形状に成形するステップを含むのがよい。

【0034】

作業１０６では、方法１００は、１対の軸方向に細長いレッグ１４，１６をベース部材１２に結合してパイ字形プリフォーム１０を形成するステップを含む。例えば、作業１０６は、充填材２６を１対の軸方向に細長いレッグ１４，１６とベース部材との間の第１の空間内に配置するステップを含むのがよい。幾つかの実施形態では、作業１０６は、充填材２６をＵ字形部材２０と第２のＬ字形部材２４との間の第１の空間内に配置するステップを含むのがよい。作業１０６は、第１のＬ字形部材２２、Ｕ字形部材２０、第２のＬ字形部材２４、およびベース部材１２を結合してパイ字形プリフォーム１０を形成するステップをさらに含むのがよい。幾つかの実施形態では、方法１００は、第１の材料５０をベース部材１２に結合するとともに、第２の材料５２をチャネル１８の内面５４に接合することによってパイジョイント組立体４８を製造するステップをさらに含む。接合は、上述の部材相互間に配置された複合材、具体的には接着剤を硬化させるステップを含むのがよい。複合材または接着剤を硬化させるステップは、任意の硬化方法により、例えば光硬化または熱硬化により実施されるのがよい。

【0035】

以下の実施例は、本発明を説明するために提供されているが、本発明の範囲を限定するものではない。

【0036】

実施例１および比較サンプルＡ

【0037】

実施例１：パイ字形プリフォーム

【0038】

不連続ＥＴ‐４０の形態をしたトレカ（Torayca）（商標）プレプレグＴ８００／３９００‐２を用いて、ベース部材、第１のＬ字形部材、第２のＬ字形部材、およびＵ字形部材を作る。ベース部材は、［０／４５／－４５／０／－４５／－４５／９０／４５／－４５／０／－４５／－４５／－４５／０］ｔプライシーケンスをなして配列されたプレプレグの１３枚のプライを含んでいた。第１および第２のＬ字形部材は、［４５／０／－４５／９０］ｓプライシーケンスをなして配列されたプレプレグの８枚のプライを含んでいた。Ｕ字形部材は、［４５／０／－４５／９０］ｓプライシーケンスをなして配列されたプレプレグの８枚のプライを含んでいた。従属的な部材（サブコンポーネント）としてのスタックプライ幅をプライ２枚目ごとに減少させてテーパ付きの縁部を作った。充填材は、Ｔ８００／３９００‐２プレプレグの軸方向整列プライで構成されており、このプライは、適正な体積を形成するために所定幅に切断され、圧延され、そしてほぼ６０℃の状態にある扁平なプレート上で丸形ツールにより充填材の形状に合わせて成形されたものである。第１のＬ字形部材とＵ字形部材との間に位置する第１の空間は、充填材を含み、第２のＬ字形部材とＵ字形部材との間に位置する第２の空間は、充填材を含む。組立部品をベース上の中央に置き、ツーリングをチャンネル中にかつＬ字形部材の外側に挿入し、そしてこれをバギング（bag）してデバルキング（de-bulk）し、そしてパイジョイント組立体の状態に最終的に形成する。

【0039】

組み立てた後に硬化させたSolvay IM7-977-3エポキシ樹脂プレリプレグで構成された複合スキン・ウェブの積層体と一緒にパイ字形プリフォームを用いてパイジョイント組立体を組み立てた。０．１９３インチ（０．５ｃｍ）厚さの布地補強ウェブパネルおよび布地外側プライ補強スキンを備えた０．２６６インチ（０．７ｃｍ）厚さのユニテープは、ガラス布地／９７７‐３エポキシの外側剥離プライと共に疑似等方性プレプレグスタックシーケンスを利用したものである。硬化済みパネルを、７インチ（１７．８ｃｍ）幅、３７インチ（９４．０ｃｍ）長さ（ウェブ）および３６インチ（９１．４ｃｍ）長さ（スキン）に切断した。接合されるべきウェブの縁部をわずかに丸めて、パイ字形プリフォームのクレビス幾何学的形状に良好に合わせた。編組キャリアを備えた３Ｍ（商標）ＡＦ１９１（商品名）０．０８ポンド／平方フィート接着剤の４インチ（１０．２ｃｍ）×３６インチ（９１．４ｃｍ）ストリップを過剰幅で内部クレビスおよび底部のベース表面を覆うよう切断し、それにより、過剰な接着剤を部品領域のジョイント端部に供給した。パイ字形プリフォームをスキンパネルが扁平な硬化ツール上の中心に位置するよう組み立て、剥離プライを中央の４．５インチ（１１．４ｃｍ）幅分から除去して接合性の高いエポキシ表面を露出させ、そしてＡＦ１９１の１つのストリップを剥離した区分の中央に被着させる。パイジョイント組立体をＡＦ１９１上の中央に配置し、これを押さえてくっつける。パイジョイント中に接合されるべきウェブパネルの最初の２．５インチ（６．４ｃｍ）分の両面を剥離して接着剤の塗布を行う。ＡＦ１９１接着剤の第２のストリップを二つ折りし、そして剥離後のウェブに巻き付け、その後、パイ字形プリフォームのクレビス中に挿入する。ウェブを垂直の関節運動ツールバーに取り付け、これらツールバーは、スキンパネルに対して９０゜の向きを維持し、そして、ウェブを狭いクレビス中に引き込むための力を加えるねじファスナー部品を備えている。パイ字形プリフォームのベースとレッグのスキン、接着剤、およびジョイントスタックの推定積み重ね高さに等しい複合シムを過剰ウェブ長さ分の下に挿入し、ツールプル締結具を用いてこれらを引き締め、それにより、適正なジョイント幾何学的形状およびプライごとの厚さを定める。組み立て状態の“Ｔ”パネルジョイント部材を業界標準の材料でバギングしてこれにシリコーンのオーバープレスを施し、それにより硬化中、成形後の形状を維持する。テフロン膜インサートを用いて、“Ｔ”パネルの接合を阻止し、次にこれらを除去して剪断クーポン機械加工を行う。ジョイントを２時間かけて１８０℃および９０ｐｓｉで硬化させた。

【0040】

比較サンプルＡ：

【0041】

ＩＭ７３Ｄ織物プリフォーム（LMdrwg#LMA-MB0031,スタイルA1111）を用いて３Ｄ織物パイプリフォームを作製した。３Ｄ織物パイプリフォームにSolvay IM7-977-3エポキシ樹脂を浸透させた。組み立てた後に硬化させたSolvay IM7-977-3エポキシ樹脂プレリプレグで構成された複合スキン・ウェブの積層体と一緒に３Ｄ織物パイプリフォームを用いてパイジョイント組立体を組み立てた。０．１６６インチ（０．４ｃｍ）厚さの布地補強ウェブパネルおよび布地外側プライ補強スキンを備えた０．２６６インチ（０．６７６ｃｍ）厚さのユニテープは、ガラス布地／９７７‐３エポキシの外側剥離プライと共に疑似等方性プレプレグスタックシーケンスを利用したものである。硬化済みパネルを、７インチ（１７．８ｃｍ）幅、３７インチ（９４．０ｃｍ）長さ（ウェブ）および３６インチ（９１．４ｃｍ）長さ（スキン）に切断した。接合されるべきウェブの縁部をわずかに丸めて、クレビス幾何学的形状に良好に合わせた。編組キャリアを備えた３Ｍ（商標）ＡＦ１９１（商品名）０．０８ポンド／平方フィート接着剤の４インチ（１０．２ｃｍ）×３６インチ（９１．４ｃｍ）ストリップを過剰幅で内部クレビスおよび底部のベース表面を覆うよう切断し、それにより、過剰な接着剤を部品領域のジョイント端部に供給した。３Ｄ織物パイプリフォームをスキンパネルが扁平な硬化ツール上の中心に位置するよう組み立て、剥離プライを中央の４．５インチ（１１．４ｃｍ）幅分から除去して接合性の高いエポキシ表面を露出させ、そしてＡＦ１９１の１つのストリップを剥離した区分の中央に被着させる。パイジョイント組立体をＡＦ１９１上の中央に配置し、これを押さえてくっつける。パイジョイント中に接合されるべきウェブパネルの最初の２．５インチ（６．４ｃｍ）分の両面を剥離して接着剤の塗布を行う。ＡＦ１９１接着剤の第２のストリップを二つ折りし、そして剥離後のウェブに巻き付け、その後、３Ｄ織物パイプリフォームのクレビス中に挿入する。ウェブを垂直の関節運動ツールバーに取り付け、これらツールバーは、スキンパネルに対して９０゜の向きを維持し、そして、ウェブを狭いクレビス中に引き込むための力を加えるねじファスナー部品を備えている。３Ｄ織物パイプリフォームのベースとレッグのスキン、接着剤、およびジョイントスタックの推定積み重ね高さに等しい複合シムを過剰ウェブ長さ分の下に挿入し、ツールプル締結具を用いてこれらを引き締め、それにより、適正なジョイント幾何学的形状およびプライごとの厚さを定める。組み立て状態の“Ｔ”パネルジョイント部材を業界標準の材料でバギングしてこれにシリコーンのオーバープレスを施し、それにより硬化中、成形後の形状を維持する。テフロン膜インサートを用いて、“Ｔ”パネルの接合を阻止し、次にこれらを除去して剪断クーポン機械加工を行う。ジョイントを２時間かけて１８０℃および９０ｐｓｉで硬化させた。

【0042】

剪断強さ試験：

【0043】

剪断強さ試験が実施例１および比較サンプルＡについて実施される。剪断強さ試験は、ウェブパネルを接合済みパイジョイントからこのジョイントの軸方向長さに沿って引き出すことによって実施される。検査ジグは、アライメントを維持し、それにより検査クーポンを検査フレームのグリップに結合する。最終的な強度および荷重と強度の関係を記録する。実施例１は、非常に高い剪断強さを示した。具体的には、実施例１は、比較サンプルＡと比較して約２２０％の剪断強さを示した。

【0044】

引き離し強さ試験：

【0045】

引き離し強さ試験が実施例１および比較サンプルＡについて実施された。引き離し強さ試験は、検査フレームがロッドによって支持されたウェブおよびスキンを把持した状態でウェブを通常、ジョイントから引き出すことによって実施される。最終的な強度および荷重と強度の関係を記録する。実施例１は、比較サンプルＡと比較して同等な引き離し強さを示した。具体的には、実施例１は、比較サンプルＡと比較して約８５％の引き離し強さを示した。

【0046】

比較サンプルＡと比較して低コストの代替例であるにもかかわらず、実施例１は、向上した剪断強さおよび同等の引き離し性能を提供している。

【0047】

本明細書において、「または」は、文脈上別段の明示の指定または別段の指示がなければ、包括的であって、排他的ではない。したがって、本明細書において「ＡまたはＢ」は、文脈上別段の明示の指定または別段の指示がなければ、「Ａ、Ｂ、または両方」を意味している。さらに、「および（と）」は、文脈上別段の明示の指定または別段の指示がなければ、連帯して（jointly and severally）の意である。したがって、本明細書において「ＡおよびＢ」は、文脈上別段の明示の指定または別段の指示がなければ、「ＡとＢを連帯して」を意味している。

【0048】

本発明の範囲は、当業者が理解する本明細書において説明しまたは図示した例示の実施形態に対するあらゆる変更、置換、変形、代替、および改造を含む。本発明の範囲は、本明細書において説明しまたは図示した例示の実施形態には限定されない。さらに、本発明は、特定のコンポーネント、要素、機能、作用、またはステップを含むものとして本明細書においてそれぞれの実施例を説明するとともに図示しているが、これら実施形態のうちの任意のものは、当業者が理解する本明細書における任意の場所において説明しまたは図示したコンポーネント、要素、機能、作用、またはステップのうちの任意の組み合わせまたは並び替えを含むことができる。さらに、特許請求の範囲において、装置もしくはシステム、または装置およびシステムのコンポーネントが、特定の機能を実行するように適合され、配置され、機能し、構成され、実施可能とされ、作動可能とされ、または動作可能とされ、という記載は、当該装置、システム、またはコンポーネントがそのように適合され、配置され、機能し、構成され、実施可能とされ、作動可能とされ、または動作可能とされている限り、その特定の機能が発揮されているか、オン状態にされているか、ロック解除されているかどうかにかかわらず、当該装置、システム、またはコンポーネントを含む。

【符号の説明】

【0049】

１０ プリフォーム
１２ ベース部材
１４，１６ レッグ（脚）
１８ チャネル
２０ Ｕ字形部材
２２，２４ Ｌ字形部材
２６ 充填材
２８ 接着剤
３２ ポリマーマトリックス
３４ 繊維
３６ スタック
３８ プレプレグ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】