複合構造用ナノチューブ強化中間層
本明細書に、カーボンナノチューブ中間層アセンブリ、カーボンナノチューブ中間層アセンブリを製造する方法、及びカーボンナノチューブ中間層アセンブリを有する複合部品を製造する方法が開示されている。一実施形態においては、本発明の実施形態による複合構造を製造する方法は、基板の片側又は両側に複数のカーボンナノチューブを作製し、基板を第１繊維層に付着させるステップを含む。本方法はさらに、第２繊維層を第１繊維層に隣接して配置することにより、第１及び第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置するステップを含むことができる。本方法は、第１及び第２繊維層に樹脂を注入して、樹脂を硬化させるステップを更に含むことができる。一実施形態では、カーボンナノチューブ基板を溶解接着によって第１繊維層に付着させることができる。別の実施形態においては、カーボンナノチューブ基板を第１繊維層に縫合して付着させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
下記の本発明は概して複合構造に関し、更に具体的には複合構造に使用されるナノチューブ強化中間層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化樹脂材料、又は一般に知られるように「複合」材料は、高い強度重量比、耐食性、及び他の好適な特性のために、航空宇宙、自動車及び海洋への応用に頻繁に用いられている。従来の複合材料は通常、ガラス、カーボン、又は織物構成及び／又は不織物構成のポリアリミド繊維「層」を含む。繊維層を未硬化のマトリクス材（例えばエポキシ樹脂）で互いに積層させることによって、複合部品を製造することができる。その後積層体に熱及び／又は圧力を加えることによって硬化させて完成部品を作製することができる。
【０００３】
複合部品はプリプレグ材料から、又は「プリフォーム」として結集した乾燥繊維層から製造することができる。プリプレグは、マトリクス材（例えばエポキシ樹脂）を予め含浸させた布、マット、ロービング、テープ又は他の形態の、成形準備ができた材料であり、未硬化又は半硬化した状態で使用するために保存される。プリプレグシートを、完成部品の形に成形面上に積層する。次に圧力をかけてプリプレグシートを圧縮し、熱を加えて硬化サイクルを完了することができる。プリフォームは、プリプレグアセンブリとは異なり、成形面上での樹脂注入プロセスのために準備された乾燥布及び／又は繊維のアセンブリである。プリフォーム層は普通、最終処理を行う前および最終処理を行っている間その形状を維持するために、互いに仮縫い及び／又は縫合されている、又はそうでなければ安定化されている。プリフォームが一旦安定化したら、液体成形プロセスを用いてプリフォーム層に樹脂を注入することができる。その次に部品を加圧及び／又は加熱することによって硬化させることができる。
【０００４】
複合部品の繊維材料により、繊維の方向に比較的高い強度が得られる。しかしながら、耐衝撃性は硬化されたマトリクス材の特性によっておおむね決定される。耐衝撃性を高める一つの方法は、例えば熱可塑性材料等の粒子をマトリクス材に加えることである。熱可塑性材料は、通常裸眼では見えない、例えば異物片等によって発生した部品の亀裂伝播を抑えることができる。
【０００５】
複合部品の耐衝撃性と破壊靱性を高める別の方法は、複合材料の交互層の間の接合線の構造的特性（すなわち中間層の特性）を強化させることである。カーボンナノチューブを中間層に加えることは、複合材料の中間層特性を向上させる一つの方法である。カーボンナノチューブは、（１０ナノメートル（すなわち、１×１０−８メートル）規模の）非常に小さな円筒でできている純粋な炭素の秩序分子である。カーボンナノチューブは並外れた強度を呈し、通常のカーボン繊維の３０倍の強さを持つことができ、同等の重量を持つ鋼鉄よりも１００倍強い。
【０００６】
２つの繊維層の間にカーボンナノチューブを導入する一つの方法は、ナノチューブを接合線樹脂に加えることである。しかしながら、この方法の一つの不利点は、液体樹脂においてナノチューブの均一な分布を維持することがしばしば難しいということである。この方法の別の不利点は、樹脂にナノチューブを浮遊させた結果、隣接する繊維層の間のナノチューブの方向が不ぞろいになることである。さらに、わずかな量のナノチューブを液体樹脂に加えることによっても、液体樹脂の粘度が大幅に上がり、このため液体樹脂の加工性が下がる。したがって、複合部品のメーカーにとっては、カーボンナノチューブを繊維層の間に適切な配向で均一に分布する方法を有することが有利である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は概して、複合構造用ナノチューブ強化中間層に関するものである。本発明の一態様にしたがって複合構造を製造する方法は、複数のカーボンナノチューブを基板上に作製し、基板を第１繊維層に付着させるステップを含む。本方法はさらに、第２繊維層を第１繊維層に隣接して配置することにより、第１繊維層と第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置するステップを含む。本方法はその後、第１及び第２繊維層に樹脂を注入し、樹脂を硬化して複合構造を固くするステップに進む。この方法の一実施形態では、基板を第１繊維層に接着して樹脂注入の前にカーボンナノチューブを配置する。別の実施形態では、基板を第１繊維層に糸で縫いつける。更に別の実施形態では、基板をタッキファイヤーで第１繊維層に留める。
【０００８】
本発明の別の態様に従って構成された複合構造は、第１及び第２繊維層の間に配置された中間層を含んでいる。中間層は、基板に取り付けられた複数のカーボンナノチューブを含むため、ナノチューブは基板に対して少なくともおおむね垂直であり、基板上に均一に分布している。複合構造は、第１及び第２繊維層に注入されたマトリクス材を更に含むことができる。一実施形態では、複数のカーボンナノチューブは、基板の第１側面から延びる複数の第１カーボンナノチューブと、基板の第２側面から延びる複数の第２カーボンナノチューブを含むことができる。
【０００９】
本発明の別の態様による複合構造を製造するシステムは、基板上に複数のカーボンナノチューブを作製する手段と、複数のカーボンナノチューブが第１繊維層から離れるように延在するように、基板を第１繊維層に付着させる手段を備えている。本システムはさらに、第２繊維層を基板上に配置して、第１繊維層と第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置する手段を備えることができる。本システムは、基板と、第１及び第２繊維層に樹脂を注入する手段と、樹脂を硬化させる手段をさらに備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は航空機の製造及び保守方法のフロー図である。
【図２】図２は航空機のブロック図である。
【図３】図３Ａは本発明の一実施形態による繊維層に付着されたカーボンナノチューブ強化中間層の断面側面図であり、図３Ｂは図３Ａのカーボンナノチューブ強化中間層の拡大した断面側面図である。
【図４】図４Ａは本発明の別の実施形態による繊維層に付着されたカーボンナノチューブ強化中間層の断面側面図であり、図４Ｂは図４Ａのカーボンナノチューブ強化中間層の拡大した断面側面図である。
【図５】図５は図４Ａのカーボンナノチューブ強化中間層の部分的に切り取った等角図である。
【図６】図６Ａは本発明の一実施形態に従って構成された第１カーボンナノチューブ強化中間層を有する第１複合積層板の等角図であり、図６Ｂは本発明の別の実施形態に従って構成された第２カーボンナノチューブ強化中間層を有する第２複合積層体の等角図である。
【図７】図７Ａは図６Ａの第１複合積層体の一部を拡大した断面等角図であり、図７Ｂは図６Ｂの第２複合積層体の一部を拡大した断面等角図である。
【図８】図８は本発明の一実施形態による複合部品を製造する方法を図示したフロー図である。
【図９】図９は本発明の別の実施形態による複合構造を製造する方法を図示したフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
下記の開示では、複合構造用ナノチューブ強化中間層と、ナノチューブ強化中間層を製造する方法と、航空機用複合部品及びナノチューブ強化中間層を有する他の構造体を製造する方法が説明される。下記の説明、及び図１Ａ〜９において記載されている特定の詳細事項は、本発明の種々の実施形態を完全に理解するためのものである。複合部品及び複合部品製造にしばしば付随する周知の構造及びシステムを説明する他の詳細事項は、種々の実施形態の説明を不必要に分かりにくくしないために記載されていない。
【００１２】
図面に示す詳細事項、寸法、角度及び他の特徴の多くは、特定の実施形態を単に図示するためのものである。したがって、本発明の精神又は範囲を逸脱することなしに、他の実施形態が他の詳細事項、寸法、角度及び特徴を有することができる。さらに、本発明の更なる実施形態を下に説明する詳細事項の幾つかを省いて実行することができる。
【００１３】
図面においては、同じ参照番号は、同じ又は少なくとも全体的に同様の要素を特定している。全ての特定の要素の説明をしやすくするために、全ての参照番号の最も重要な数字又は複数の数字は、その要素が最初に示される図面に属する。例えば、要素３１０は図３Ａを参照して最初に示され、説明されている。
【００１４】
さらに具体的に図面を参照すると、本発明の実施形態は図１に示す航空機の製造及び保守方法１００、及び図２に示す航空機１０２において説明することができる。試作段階においては、本方法１００は航空機１０２の仕様及び設計１０４と、材料調達１０６を含むことができる。製造段階においては、航空機１０２の部品及びサブアセンブリの製造１０８と、システム統合１１０がおこなわれる。そのあとに、航空機１０２は、検査及び納入１１２を経て就航１１４されることができる。顧客によって就航されている間、航空機１０２には所定の保守及び点検１１６（変更、再構成、改装等も含むことができる）が予定される。
【００１５】
本方法１００の各プロセスは、図１のフロー図の右側の格子線内の「Ｘ」によって示されるように、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客等）によって行う又は実施することができる。この説明のために、システムインテグレータは限定しないが、任意の数の航空機メーカー、及び主要システムの下請け業者を含むことができ；第三者は限定しないが、任意の数の供給メーカー、下請け業者、及びサプライヤを含むことができ；オペレータは、航空会社、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。
【００１６】
図２に示すように、例示の方法１００によって製造された航空機１０２は、複数のシステム１２０及び内装１２２を有する機体１１８を含むことができる。高レベルシステム１２０の例は、一以上の推進システム１２４、電気システム１２６、油圧システム１２８、及び環境システム１３０が挙げられる。
【００１７】
本明細書に具現化された装置及び方法は、製造及び保守方法１００の任意の一以上の段階において採用することができる。例えば、製造プロセス１０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機１０２が就航されている間に製造される部品又はサブアセンブリと同様の方法で加工又は製造することができる。また、一以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを例えば、航空機１０２の組立を実質的に迅速に行うことによって、又は航空機１０２の費用を削減することによって、製造段階１０８、１１０において用いることが可能である。同様に、一以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１０２が就航されている間、例えば限定しないが保守及び点検１１６が実施されている間に使用することができる。
【００１８】
図３Ａは本発明の一実施形態に従って構成された中間層アセンブリ３００の断面側面図である。図示した実施形態においては、中間層アセンブリ３００は繊維層３０２に付着した中間層３１０を含む。繊維層３０２は、複数の方向性を持つ、たとえばカーボン、ガラス、ポリアラミド等の単向性、織物、不織物、組物、及び／又はワープニット繊維を含む技術的に周知の様々な種類の繊維材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、繊維層３０２は複数の方向に織ったカーボン繊維を含むことができる。別の実施形態においては、繊維層３０２は単一の方向性を持ったカーボン繊維を含むことができる。
【００１９】
図３Ｂは図３Ａの中間層３１０を拡大した断面側面図である。中間層３１０は覆い又は基板３１２上でおおむね垂直に配向しているカーボンナノチューブ３１４の比較的均一な分布形態を含む。基板３１２は、限定しないが、カーボンナノチューブの製造又は「生成」にしばしば必要とされる比較的高温に耐えることができるカーボンファイバー、ガラス繊維、セラミック繊維（例えばアルミナ繊維）及び／又は他の柔軟性材料を含むことができる。基板３１２はまた、限定しないが、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニルサルフォン、ポリエステル−ポリアリレート（例：Ｖｅｃｔｒａｎ（登録商標））、ポリアラミド（例：Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（例：Ｚｙｌｏｎ（登録商標））、ビスコース（例：Ｒａｙｏｎ（登録商標））等を含むことができる。基板３１２はさらに、ナノチューブ成長プロセスにおいて基板繊維の適切な配向性を保つために必要な場合に、結合剤（例えば、可塑性樹脂；図示せず）を含むことができる。
【００２０】
カーボンナノチューブ３１４は、技術的に周知の任意の適切な方法を使用して、基板３１２上に「生成」する又はそうでなければ作製することができる。上記方法は、例えばアーク放電法、レーザー切断法、及び化学蒸着（ＣＶＤ）法を含むことができる。ＣＶＤでカーボンナノチューブを製造する方法は基本的に、触媒生成、そしてその後のナノチューブ合成を含む２つのステッププロセスである。触媒はスパッタリングによって、又はそうでなければ基板３１２上に遷移金属（例：Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ等）を積層することによって生成することができ、その後化学エッチング又は熱アニールによって触媒をパターニングして、触媒粒子の核生成を誘発する。この結果、基板３１２上に触媒のクラスターが形成され、ここからカーボンナノチューブ３１４を生成することが可能になる。炭素源（例えばメタン、エチレン、又は一酸化炭素等）からなるガスは、それのみ、あるいは他のガスと混ざった状態のいずれかで、約６５０〜９００℃の範囲に及ぶ温度でパターニングされた触媒上を流れる。
【００２１】
カーボンナノチューブ３１４が基板３１２の片側で成長した後に、接着層３１６を基板３１２の他の側に形成することができる。接着層３１６は、例えば限定しないが、熱硬化性又は熱可塑性樹脂（例えば、ナイロンベース又はポリエステルベースの樹脂）等の溶解接着剤、又は技術的に周知の他の適切な接着剤を含むことができる。
【００２２】
図示した実施形態においては、基板３１２上のカーボンナノチューブ３１４は、接着層３１６を繊維層３０２に（例えば溶解接着によって）接着させることにより、繊維層３０２に付着されている。溶解接着は、接着層３１６の温度を上昇させて材料（例えば熱可塑性樹脂）を溶かし、これによって繊維層３０２を接着させることによって実施される。中間層の繊維層への溶解接着は、２００３年５月２日出願の米国特許出願第１０／４２８５００号明細書に詳しく説明されている。この方法で中間層３１０を繊維層３０２に接着させることによって、おおむね垂直に配向した状態でカーボンナノチューブ３１４を繊維層３０２の表面上に比較的均一に分布させることができる。
【００２３】
図４Ａは本発明の別の実施形態に従って構成された中間層アセンブリ４００の断面側面図である。中間層アセンブリ４００は、繊維層４０２に付着した中間層４１０を含む。図４Ｂは中間層４１０の拡大した断面側面図である。図４Ｂに示すように、中間層４１０は、基板４１２の第１側面４１３ａ上の複数の第１カーボンナノチューブ４１４ａと、基板４１２の第２側面４１３ｂ上の複数の第２カーボンナノチューブ４１４ｂを含んでいる。基板４１２は、図３Ａ及び３Ｂを参照して上述した基板３１２と、構造及び機能において少なくともおおむね同じようなものであってよい。同様に、複数の第１及び第２カーボンナノチューブ４１４を、それぞれ基板４１２の第１及び第２側面４１３ａ及び４１３ｂ上に、上に説明したように技術的に周知の任意の適切な方法を用いて形成することができる。基板４１２の両側にカーボンナノチューブ４１４が形成されると、中間層４１０を繊維層４０２に接着させにくくなり得る。上記の実施形態においては、図５を参照しながら下にさらに詳細に説明するように、縫合、仮縫い及び／又は他の形態の構造的又は機械的留め具等の他の方法を用いて、中間層アセンブリ４１０を繊維層４０２に付着させることができる。
【００２４】
図５は図４Ａの中間層アセンブリ４００の部分的に切り取った等角図である。図示した実施形態においては、中間層４１０は糸５２０で繊維層４０２に（例えば表編み、又は縫いつけにより）縫合されている。糸５２０は中間層４１０と繊維層４０２を貫通して延在している。縫合は、繊維層４０２、中間層４１０、糸５２０等の性質により、色々なパターン、密度、及び／又は縫合長さとなってよい。例えば、図示した実施形態においては、糸５２０はトリコット縫合を形成している。しかしながら他の実施形態においては、例えば限定しないが、ロック縫い、鎖縫い等を含む他の縫合パターンを使用することができる。糸５２０は例えば限定しないが、ポリエステル−ポリアリレート（例：Ｖｅｃｔｒａｎ（登録商標））、ポリアラミド（例：Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（例：Ｚｙｌｏｎ（登録商標））、Ｖｉｓｃｏｓｅ（例：Ｒａｙｏｎ（登録商標））、アクリル、ポリアミド、カーボン、グラスファイバー等を含む、様々な厚みの種々の好適な材料から選択することができる。編成又は縫合ステップは、プレフォームとして中間層アセンブリ４００を使用する前に、又はプレフォームの形態で繊維層４０２を最初に積層した後に、手動で又は自動的に実施することが可能である。中間層４１０を繊維層４０２に縫合する様々な方法は、２００４年１０月２７日出願の米国特許出願第１０／９７４４２６号明細書に詳しく説明されている。図５においては中間層４１０は糸５２０で繊維層４０２に縫合されているが、他の実施形態においては、中間層４１０は他の種類の留め具によって繊維層４０２に付着させることができる。例えば、他の実施形態においては、中間層４１０を例えば限定しないが、プラスチック製リベット、挿入具、ステープル等の機械的留め具で繊維層４０２に付着させることができる。
【００２５】
図６Ａは本発明の一実施形態にしたがって構成された第１複合積層体６３０ａの等角図であり、図６Ｂは別の実施形態にしたがって構成された第２複合積層体６３０ｂの等角図である。図６Ａをまず参照すると、第１複合積層体６３０ａは成形面６４０上に形成された複数の中間層アセンブリ６００（個別には第１中間層アセンブリ６００ａ及び第２中間層アセンブリ６００ｂとして特定される）を含む。図示した実施形態においては、中間層アセンブリ６００は図３Ａ及び３Ｂを参照して上述した中間層アセンブリ３００と、構造及び機能において少なくともおおむね同じである。さらに具体的には、中間層アセンブリ６００はそれぞれ、対応する繊維層３０２（個別には第１繊維層３０２ａ及び第２繊維層３０２ｂとして特定される）に溶解接着又は別の方法で付着された中間層３１０（個別には第１中間層３１０ａ及び第２中間層３１０ｂとして特定される）を含む。中間層アセンブリ６００は積み重ねられることにより、交互に繊維層／中間層／繊維層の配置になるように形成される。第３繊維層６０２ａを第２中間層アセンブリ６００ｂの上に置くことが可能である。
【００２６】
図示目的で３つの繊維層と２つの中間層を図６Ａに示したが、任意の数の中間層及び繊維層を様々な配向で（例えば＋４５／０／−４５／９０の方向）本発明にしたがって使用することができる。例えば、様々な実施形態は各繊維層の間、及び／又は積層体の外側の対応するナノチューブ強化中間層を有する３つ以上の繊維層を含むことができる。さらに、様々な中間層及び繊維層が異なる厚さ、異なる材料組成等を有することが可能である。
【００２７】
所望の数の中間層アセンブリ６００と繊維層６０２ａが、所望の配向で成形面６４０上に形成されたら、第１複合積層体６３０ａを技術的に周知の様々な液体成形プロセスを用いて完成複合部品として形成することが可能である。上記方法は例えば、真空補助樹脂トランスファー成形法（ＶＡＲＴＭ）を含む。ＶＡＲＴＭ法では、プレフォームの上に真空バッグが載せられ、真空による圧力差を利用してプレフォームの中に樹脂が注入される。次にこの積層体をオートクレーブ、オーブン等に挿入し加熱して樹脂を硬化することができる。他の液体成形プロセスは、樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ）及び樹脂フィルム注入法（ＲＦＩ）を含む。ＲＴＭにおいては、閉じた型内のプレフォームに加圧下で樹脂が注入される。ＲＦＩでは、半固体の樹脂がプレフォームの下あるいは上に置かれ、積層体の上にはツールが配置される。積層体アセンブリは次に真空バッグ処理が施され、オートクレーブ内に挿入されて半固体樹脂が溶解し、この結果樹脂がプレフォームに注入される。
【００２８】
別の実施形態においては、成形面６４０に載せる前に、中間層アセンブリ６００及び／又は第３繊維層６０２に樹脂（例：プリプレグ）を含浸させることができる。部品はその次に、積層体を真空バッグの下に挿入しマトリクス材に高温及び／又は高圧を加えて硬化させることにより、硬化させることができる。前述の実施例で述べたように、実施形態は特定の液体成形プロセス又は更に言うならば液体成形に制限されるものではない。
【００２９】
次に図６Ｂを参照すると、第２複合積層体６３０ｂは、成形面６４０上に積み重ねられた状態の複数の中間層アセンブリ６５０（個別には第１中間層アセンブリ６５０ａ及び第２中間層アセンブリ６５０ｂとして特定される）を含む。図示した実施形態では、中間層アセンブリ６５０は、図４Ａ及び４Ｂを参照して上述した中間層アセンブリ４００と、構造及び機能において少なくともおおむね同様である。例えば、各中間層アセンブリ６５０は、対応する繊維層４０２（個別には第１繊維層４０２ａ及び第２繊維層４０２ｂとして特定される）に糸５２０で縫合あるいは別の方法で留められた中間層４１０（個別には第１中間層４１０ａ及び第２中間層４１０ｂとして特定される）を含む。中間層アセンブリ６５０は積み重ねられることにより、交互に繊維層／中間層／繊維層の配置になるように形成される。第３繊維層６０２ｂを第２中間層アセンブリ６５０ｂの上に置くことが可能である。図示目的で３つの繊維層と２つの中間層を図６Ｂに示したが、任意の数の中間層及び繊維層を様々な配向で（例えば０／９０／０の方向）本発明にしたがって使用することができる。さらに、様々な中間層及び繊維層が異なる厚さ、異なる材料組成等を有することが可能である。
【００３０】
所望の数の中間層アセンブリ６５０及び繊維層６０２ｂが、成形面６４０上に形成されたら、第２複合積層体６３０ｂを技術的に周知の様々な液体成形プロセスを用いて完成部品として形成することが可能である。上記方法は例えば、図６Ｂを参照して上述したように、真空補助樹脂トランスファー成形法（ＶＡＲＴＭ）、樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ）、及び樹脂フィルム注入法（ＲＦＩ）を含むことができる。別の実施形態では、成形面６４０上に載せる前に、中間層アセンブリ６５０及び／又は第３繊維層６０２ｂにプリプレグ状態の樹脂を注入することができる。液体成形法又はプリプレグ法のいずれが用いられても、第２複合積層体６３０ｂを、真空圧を用いて圧縮（減量）した後、温度を上げて硬化してマトリクス材を硬化させる。
【００３１】
図７Ａは図６Ａの第１複合積層体６３０ａの一部を拡大した断面図であり、図７Ｂは図６Ｂの第２複合積層体６３０ｂの一部を拡大した断面図である。図７Ａに示すように、カーボンナノチューブ３１４は、第１中間層アセンブリ６００ａから上向きに隣接する繊維層３０２ｂまで延びている。この構成により、２つの繊維層３０２の間の界面の強度を増すことが可能になり、完成した複合部品の破壊靱性と衝撃耐性が向上する。
【００３２】
図７Ｂに示すように、複数の第１カーボンナノチューブ４１４ａは第１中間層４１０ａの第１側面４１３ａから延びており、複数の第２カーボンナノチューブ４１４ｂは第１中間層４１０ａの第２側面４１３ｂから外向きに延びている。この結果、複数の第１カーボンナノチューブ４１４ａは第１繊維層４０２ａの一部に延びており、複数の第２カーボンナノチューブ４１４ｂは第２繊維層４０２ｂの一部に延びている。図７Ｂに示す両面を有するナノチューブ構成により、図７Ａの片側しかないナノチューブ配置構成よりも中間層の強度と破壊靱性をさらに向上させることができる。
【００３３】
図８は本発明の一実施形態によるカーボンナノチューブ中間層アセンブリを有する複合部品を製造する方法を示すフロー図である。本方法は、カーボンナノチューブが基板の第１側面、又は基板の第１側面及び基板の第２側面の両方に形成されるブロック８０２から開始する。カーボンナノチューブが基板の第１側面にのみ形成された場合、本方法はブロック８０４に進み接着層（例えば熱可塑性接着層、接着剤、結合剤等）が基板の第２側面に形成される。本方法はブロック８０６において、ナノチューブで覆われた基板を繊維層に（例えば溶解接着によって）接着して中間層アセンブリを形成する。ブロック８０６の後は、本方法は決定ブロック８０８に進む。
【００３４】
ブロック８０２に戻ると、カーボンナノチューブは基板の両側に形成され、本方法はブロック８１０に進みナノチューブで覆われた基板を繊維層に機械的に固定（たとえば糸又は他の好適な材料で縫合することによって）し中間層アセンブリを形成する。ブロック８１０の後に、本方法は決定ブロック８０８に進む。
【００３５】
決定ブロック８０８においては、予め中間層アセンブリをマトリクス材（例：エポキシ樹脂）に含浸させ、その後の使用のためにプリプレグアセンブリを保存するか、あるいはプレフォームの形で乾燥した中間層アセンブリを使用するかのいずれかが決定される。中間層アセンブリを前もって含浸させると決定した場合、本方法はブロック８１８に進み中間層アセンブリにマトリクス材（例：エポキシ樹脂）を注入する。ここで、中間層アセンブリは、技術的に周知の任意の好適な方法を用いて未硬化のマトリクス材料を注入してプリプレグ繊維層を形成することができる。ブロック８２０では、プリプレグ中間層アセンブリを使用前の長期間必要に応じて保存することができる。プリプレグ中間層アセンブリの使用準備ができたら、本方法はブロック８２２に進み、プリプレグ中間層アセンブリを成形面において所望の配向で、一以上のプリプレグ繊維層及び／又は一以上の追加のプリプレグ中間層アセンブリと組み合わせる。本方法はブロック８２４において、プリプレグアセンブリに真空バッグ処理を行い積層体を圧縮し、加熱及び／又は加圧してアセンブリを硬化させ複合部品を硬化させる。ブロック８２４の後に本方法は終了する。
【００３６】
図９は本発明の別の実施形態による複合構造を製造するための方法９００を示すフロー図である。本方法はブロック９０２において、基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップを含む。本方法はブロック９０４において、基板を第１繊維層に付着させるステップを含む。ブロック９０６において、第２繊維層は第１繊維層に隣接して配置され、複数のカーボンナノチューブが第１及び第２繊維層の間に配置される。ブロック９０８においては、第１及び第２繊維層に樹脂が注入され、ブロック９１０において樹脂が硬化される。ブロック９１０の後に本方法は終了する。
【００３７】
決定ブロック８０８に戻ると、乾燥した中間層アセンブリからプレフォームを形成する決定がなされた際には、本方法はブロック８１２に進み、中間層アセンブリを成形面において、一以上の繊維層及び／又は一以上の追加の中間層アセンブリと組み合わせる。本方法はブロック８１４において、技術的に周知の任意の好適な液体成形プロセスを用いて、プレフォームにマトリクス材を注入する。本方法はブロック８１６において、樹脂が注入されたアセンブリを真空下におき気泡を取り除いた後に、アセンブリを加熱及び／又は加圧して硬化させて完成した複合部品を形成する。ブロック８１６の後に本方法は終了する。
【００３８】
上述した方法は、航空機の構造を含む、広い範囲の異なる構造用の複合部品を製造するのに使用することができる。例えば、これらの方法は航空機の外板、フレーム、補強材、及び／又は様々な航空機の部分を形成するのに使用することができる。接着剤、留め具、及び／又は技術的に周知の他の好適な取付け方法を用いて、複合部品を互いに組立てて航空機の構造（例えば、機体、翼、尾翼等）を形成することができる。
【００３９】
前述したように、当然ながら本発明の特定の実施形態を図示目的で本明細書に説明したが、本発明の様々な実施形態の思想及び範囲を逸脱することなく、種々の修正を施すことが可能である。さらに、本発明の特定の実施形態に関連する種々の利点をこれらの実施形態において上述したが、他の実施形態でも上記利点を得ることができ、また全ての実施形態が本発明の範囲内に収まるために上記利点を必ずしも呈する必要はない。したがって、本発明は添付の請求項による以外には限定されることはない。
【技術分野】
【０００１】
下記の本発明は概して複合構造に関し、更に具体的には複合構造に使用されるナノチューブ強化中間層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化樹脂材料、又は一般に知られるように「複合」材料は、高い強度重量比、耐食性、及び他の好適な特性のために、航空宇宙、自動車及び海洋への応用に頻繁に用いられている。従来の複合材料は通常、ガラス、カーボン、又は織物構成及び／又は不織物構成のポリアリミド繊維「層」を含む。繊維層を未硬化のマトリクス材（例えばエポキシ樹脂）で互いに積層させることによって、複合部品を製造することができる。その後積層体に熱及び／又は圧力を加えることによって硬化させて完成部品を作製することができる。
【０００３】
複合部品はプリプレグ材料から、又は「プリフォーム」として結集した乾燥繊維層から製造することができる。プリプレグは、マトリクス材（例えばエポキシ樹脂）を予め含浸させた布、マット、ロービング、テープ又は他の形態の、成形準備ができた材料であり、未硬化又は半硬化した状態で使用するために保存される。プリプレグシートを、完成部品の形に成形面上に積層する。次に圧力をかけてプリプレグシートを圧縮し、熱を加えて硬化サイクルを完了することができる。プリフォームは、プリプレグアセンブリとは異なり、成形面上での樹脂注入プロセスのために準備された乾燥布及び／又は繊維のアセンブリである。プリフォーム層は普通、最終処理を行う前および最終処理を行っている間その形状を維持するために、互いに仮縫い及び／又は縫合されている、又はそうでなければ安定化されている。プリフォームが一旦安定化したら、液体成形プロセスを用いてプリフォーム層に樹脂を注入することができる。その次に部品を加圧及び／又は加熱することによって硬化させることができる。
【０００４】
複合部品の繊維材料により、繊維の方向に比較的高い強度が得られる。しかしながら、耐衝撃性は硬化されたマトリクス材の特性によっておおむね決定される。耐衝撃性を高める一つの方法は、例えば熱可塑性材料等の粒子をマトリクス材に加えることである。熱可塑性材料は、通常裸眼では見えない、例えば異物片等によって発生した部品の亀裂伝播を抑えることができる。
【０００５】
複合部品の耐衝撃性と破壊靱性を高める別の方法は、複合材料の交互層の間の接合線の構造的特性（すなわち中間層の特性）を強化させることである。カーボンナノチューブを中間層に加えることは、複合材料の中間層特性を向上させる一つの方法である。カーボンナノチューブは、（１０ナノメートル（すなわち、１×１０−８メートル）規模の）非常に小さな円筒でできている純粋な炭素の秩序分子である。カーボンナノチューブは並外れた強度を呈し、通常のカーボン繊維の３０倍の強さを持つことができ、同等の重量を持つ鋼鉄よりも１００倍強い。
【０００６】
２つの繊維層の間にカーボンナノチューブを導入する一つの方法は、ナノチューブを接合線樹脂に加えることである。しかしながら、この方法の一つの不利点は、液体樹脂においてナノチューブの均一な分布を維持することがしばしば難しいということである。この方法の別の不利点は、樹脂にナノチューブを浮遊させた結果、隣接する繊維層の間のナノチューブの方向が不ぞろいになることである。さらに、わずかな量のナノチューブを液体樹脂に加えることによっても、液体樹脂の粘度が大幅に上がり、このため液体樹脂の加工性が下がる。したがって、複合部品のメーカーにとっては、カーボンナノチューブを繊維層の間に適切な配向で均一に分布する方法を有することが有利である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は概して、複合構造用ナノチューブ強化中間層に関するものである。本発明の一態様にしたがって複合構造を製造する方法は、複数のカーボンナノチューブを基板上に作製し、基板を第１繊維層に付着させるステップを含む。本方法はさらに、第２繊維層を第１繊維層に隣接して配置することにより、第１繊維層と第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置するステップを含む。本方法はその後、第１及び第２繊維層に樹脂を注入し、樹脂を硬化して複合構造を固くするステップに進む。この方法の一実施形態では、基板を第１繊維層に接着して樹脂注入の前にカーボンナノチューブを配置する。別の実施形態では、基板を第１繊維層に糸で縫いつける。更に別の実施形態では、基板をタッキファイヤーで第１繊維層に留める。
【０００８】
本発明の別の態様に従って構成された複合構造は、第１及び第２繊維層の間に配置された中間層を含んでいる。中間層は、基板に取り付けられた複数のカーボンナノチューブを含むため、ナノチューブは基板に対して少なくともおおむね垂直であり、基板上に均一に分布している。複合構造は、第１及び第２繊維層に注入されたマトリクス材を更に含むことができる。一実施形態では、複数のカーボンナノチューブは、基板の第１側面から延びる複数の第１カーボンナノチューブと、基板の第２側面から延びる複数の第２カーボンナノチューブを含むことができる。
【０００９】
本発明の別の態様による複合構造を製造するシステムは、基板上に複数のカーボンナノチューブを作製する手段と、複数のカーボンナノチューブが第１繊維層から離れるように延在するように、基板を第１繊維層に付着させる手段を備えている。本システムはさらに、第２繊維層を基板上に配置して、第１繊維層と第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置する手段を備えることができる。本システムは、基板と、第１及び第２繊維層に樹脂を注入する手段と、樹脂を硬化させる手段をさらに備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は航空機の製造及び保守方法のフロー図である。
【図２】図２は航空機のブロック図である。
【図３】図３Ａは本発明の一実施形態による繊維層に付着されたカーボンナノチューブ強化中間層の断面側面図であり、図３Ｂは図３Ａのカーボンナノチューブ強化中間層の拡大した断面側面図である。
【図４】図４Ａは本発明の別の実施形態による繊維層に付着されたカーボンナノチューブ強化中間層の断面側面図であり、図４Ｂは図４Ａのカーボンナノチューブ強化中間層の拡大した断面側面図である。
【図５】図５は図４Ａのカーボンナノチューブ強化中間層の部分的に切り取った等角図である。
【図６】図６Ａは本発明の一実施形態に従って構成された第１カーボンナノチューブ強化中間層を有する第１複合積層板の等角図であり、図６Ｂは本発明の別の実施形態に従って構成された第２カーボンナノチューブ強化中間層を有する第２複合積層体の等角図である。
【図７】図７Ａは図６Ａの第１複合積層体の一部を拡大した断面等角図であり、図７Ｂは図６Ｂの第２複合積層体の一部を拡大した断面等角図である。
【図８】図８は本発明の一実施形態による複合部品を製造する方法を図示したフロー図である。
【図９】図９は本発明の別の実施形態による複合構造を製造する方法を図示したフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
下記の開示では、複合構造用ナノチューブ強化中間層と、ナノチューブ強化中間層を製造する方法と、航空機用複合部品及びナノチューブ強化中間層を有する他の構造体を製造する方法が説明される。下記の説明、及び図１Ａ〜９において記載されている特定の詳細事項は、本発明の種々の実施形態を完全に理解するためのものである。複合部品及び複合部品製造にしばしば付随する周知の構造及びシステムを説明する他の詳細事項は、種々の実施形態の説明を不必要に分かりにくくしないために記載されていない。
【００１２】
図面に示す詳細事項、寸法、角度及び他の特徴の多くは、特定の実施形態を単に図示するためのものである。したがって、本発明の精神又は範囲を逸脱することなしに、他の実施形態が他の詳細事項、寸法、角度及び特徴を有することができる。さらに、本発明の更なる実施形態を下に説明する詳細事項の幾つかを省いて実行することができる。
【００１３】
図面においては、同じ参照番号は、同じ又は少なくとも全体的に同様の要素を特定している。全ての特定の要素の説明をしやすくするために、全ての参照番号の最も重要な数字又は複数の数字は、その要素が最初に示される図面に属する。例えば、要素３１０は図３Ａを参照して最初に示され、説明されている。
【００１４】
さらに具体的に図面を参照すると、本発明の実施形態は図１に示す航空機の製造及び保守方法１００、及び図２に示す航空機１０２において説明することができる。試作段階においては、本方法１００は航空機１０２の仕様及び設計１０４と、材料調達１０６を含むことができる。製造段階においては、航空機１０２の部品及びサブアセンブリの製造１０８と、システム統合１１０がおこなわれる。そのあとに、航空機１０２は、検査及び納入１１２を経て就航１１４されることができる。顧客によって就航されている間、航空機１０２には所定の保守及び点検１１６（変更、再構成、改装等も含むことができる）が予定される。
【００１５】
本方法１００の各プロセスは、図１のフロー図の右側の格子線内の「Ｘ」によって示されるように、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客等）によって行う又は実施することができる。この説明のために、システムインテグレータは限定しないが、任意の数の航空機メーカー、及び主要システムの下請け業者を含むことができ；第三者は限定しないが、任意の数の供給メーカー、下請け業者、及びサプライヤを含むことができ；オペレータは、航空会社、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。
【００１６】
図２に示すように、例示の方法１００によって製造された航空機１０２は、複数のシステム１２０及び内装１２２を有する機体１１８を含むことができる。高レベルシステム１２０の例は、一以上の推進システム１２４、電気システム１２６、油圧システム１２８、及び環境システム１３０が挙げられる。
【００１７】
本明細書に具現化された装置及び方法は、製造及び保守方法１００の任意の一以上の段階において採用することができる。例えば、製造プロセス１０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機１０２が就航されている間に製造される部品又はサブアセンブリと同様の方法で加工又は製造することができる。また、一以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを例えば、航空機１０２の組立を実質的に迅速に行うことによって、又は航空機１０２の費用を削減することによって、製造段階１０８、１１０において用いることが可能である。同様に、一以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１０２が就航されている間、例えば限定しないが保守及び点検１１６が実施されている間に使用することができる。
【００１８】
図３Ａは本発明の一実施形態に従って構成された中間層アセンブリ３００の断面側面図である。図示した実施形態においては、中間層アセンブリ３００は繊維層３０２に付着した中間層３１０を含む。繊維層３０２は、複数の方向性を持つ、たとえばカーボン、ガラス、ポリアラミド等の単向性、織物、不織物、組物、及び／又はワープニット繊維を含む技術的に周知の様々な種類の繊維材料を含むことができる。例えば、一実施形態では、繊維層３０２は複数の方向に織ったカーボン繊維を含むことができる。別の実施形態においては、繊維層３０２は単一の方向性を持ったカーボン繊維を含むことができる。
【００１９】
図３Ｂは図３Ａの中間層３１０を拡大した断面側面図である。中間層３１０は覆い又は基板３１２上でおおむね垂直に配向しているカーボンナノチューブ３１４の比較的均一な分布形態を含む。基板３１２は、限定しないが、カーボンナノチューブの製造又は「生成」にしばしば必要とされる比較的高温に耐えることができるカーボンファイバー、ガラス繊維、セラミック繊維（例えばアルミナ繊維）及び／又は他の柔軟性材料を含むことができる。基板３１２はまた、限定しないが、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニルサルフォン、ポリエステル−ポリアリレート（例：Ｖｅｃｔｒａｎ（登録商標））、ポリアラミド（例：Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（例：Ｚｙｌｏｎ（登録商標））、ビスコース（例：Ｒａｙｏｎ（登録商標））等を含むことができる。基板３１２はさらに、ナノチューブ成長プロセスにおいて基板繊維の適切な配向性を保つために必要な場合に、結合剤（例えば、可塑性樹脂；図示せず）を含むことができる。
【００２０】
カーボンナノチューブ３１４は、技術的に周知の任意の適切な方法を使用して、基板３１２上に「生成」する又はそうでなければ作製することができる。上記方法は、例えばアーク放電法、レーザー切断法、及び化学蒸着（ＣＶＤ）法を含むことができる。ＣＶＤでカーボンナノチューブを製造する方法は基本的に、触媒生成、そしてその後のナノチューブ合成を含む２つのステッププロセスである。触媒はスパッタリングによって、又はそうでなければ基板３１２上に遷移金属（例：Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ等）を積層することによって生成することができ、その後化学エッチング又は熱アニールによって触媒をパターニングして、触媒粒子の核生成を誘発する。この結果、基板３１２上に触媒のクラスターが形成され、ここからカーボンナノチューブ３１４を生成することが可能になる。炭素源（例えばメタン、エチレン、又は一酸化炭素等）からなるガスは、それのみ、あるいは他のガスと混ざった状態のいずれかで、約６５０〜９００℃の範囲に及ぶ温度でパターニングされた触媒上を流れる。
【００２１】
カーボンナノチューブ３１４が基板３１２の片側で成長した後に、接着層３１６を基板３１２の他の側に形成することができる。接着層３１６は、例えば限定しないが、熱硬化性又は熱可塑性樹脂（例えば、ナイロンベース又はポリエステルベースの樹脂）等の溶解接着剤、又は技術的に周知の他の適切な接着剤を含むことができる。
【００２２】
図示した実施形態においては、基板３１２上のカーボンナノチューブ３１４は、接着層３１６を繊維層３０２に（例えば溶解接着によって）接着させることにより、繊維層３０２に付着されている。溶解接着は、接着層３１６の温度を上昇させて材料（例えば熱可塑性樹脂）を溶かし、これによって繊維層３０２を接着させることによって実施される。中間層の繊維層への溶解接着は、２００３年５月２日出願の米国特許出願第１０／４２８５００号明細書に詳しく説明されている。この方法で中間層３１０を繊維層３０２に接着させることによって、おおむね垂直に配向した状態でカーボンナノチューブ３１４を繊維層３０２の表面上に比較的均一に分布させることができる。
【００２３】
図４Ａは本発明の別の実施形態に従って構成された中間層アセンブリ４００の断面側面図である。中間層アセンブリ４００は、繊維層４０２に付着した中間層４１０を含む。図４Ｂは中間層４１０の拡大した断面側面図である。図４Ｂに示すように、中間層４１０は、基板４１２の第１側面４１３ａ上の複数の第１カーボンナノチューブ４１４ａと、基板４１２の第２側面４１３ｂ上の複数の第２カーボンナノチューブ４１４ｂを含んでいる。基板４１２は、図３Ａ及び３Ｂを参照して上述した基板３１２と、構造及び機能において少なくともおおむね同じようなものであってよい。同様に、複数の第１及び第２カーボンナノチューブ４１４を、それぞれ基板４１２の第１及び第２側面４１３ａ及び４１３ｂ上に、上に説明したように技術的に周知の任意の適切な方法を用いて形成することができる。基板４１２の両側にカーボンナノチューブ４１４が形成されると、中間層４１０を繊維層４０２に接着させにくくなり得る。上記の実施形態においては、図５を参照しながら下にさらに詳細に説明するように、縫合、仮縫い及び／又は他の形態の構造的又は機械的留め具等の他の方法を用いて、中間層アセンブリ４１０を繊維層４０２に付着させることができる。
【００２４】
図５は図４Ａの中間層アセンブリ４００の部分的に切り取った等角図である。図示した実施形態においては、中間層４１０は糸５２０で繊維層４０２に（例えば表編み、又は縫いつけにより）縫合されている。糸５２０は中間層４１０と繊維層４０２を貫通して延在している。縫合は、繊維層４０２、中間層４１０、糸５２０等の性質により、色々なパターン、密度、及び／又は縫合長さとなってよい。例えば、図示した実施形態においては、糸５２０はトリコット縫合を形成している。しかしながら他の実施形態においては、例えば限定しないが、ロック縫い、鎖縫い等を含む他の縫合パターンを使用することができる。糸５２０は例えば限定しないが、ポリエステル−ポリアリレート（例：Ｖｅｃｔｒａｎ（登録商標））、ポリアラミド（例：Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（例：Ｚｙｌｏｎ（登録商標））、Ｖｉｓｃｏｓｅ（例：Ｒａｙｏｎ（登録商標））、アクリル、ポリアミド、カーボン、グラスファイバー等を含む、様々な厚みの種々の好適な材料から選択することができる。編成又は縫合ステップは、プレフォームとして中間層アセンブリ４００を使用する前に、又はプレフォームの形態で繊維層４０２を最初に積層した後に、手動で又は自動的に実施することが可能である。中間層４１０を繊維層４０２に縫合する様々な方法は、２００４年１０月２７日出願の米国特許出願第１０／９７４４２６号明細書に詳しく説明されている。図５においては中間層４１０は糸５２０で繊維層４０２に縫合されているが、他の実施形態においては、中間層４１０は他の種類の留め具によって繊維層４０２に付着させることができる。例えば、他の実施形態においては、中間層４１０を例えば限定しないが、プラスチック製リベット、挿入具、ステープル等の機械的留め具で繊維層４０２に付着させることができる。
【００２５】
図６Ａは本発明の一実施形態にしたがって構成された第１複合積層体６３０ａの等角図であり、図６Ｂは別の実施形態にしたがって構成された第２複合積層体６３０ｂの等角図である。図６Ａをまず参照すると、第１複合積層体６３０ａは成形面６４０上に形成された複数の中間層アセンブリ６００（個別には第１中間層アセンブリ６００ａ及び第２中間層アセンブリ６００ｂとして特定される）を含む。図示した実施形態においては、中間層アセンブリ６００は図３Ａ及び３Ｂを参照して上述した中間層アセンブリ３００と、構造及び機能において少なくともおおむね同じである。さらに具体的には、中間層アセンブリ６００はそれぞれ、対応する繊維層３０２（個別には第１繊維層３０２ａ及び第２繊維層３０２ｂとして特定される）に溶解接着又は別の方法で付着された中間層３１０（個別には第１中間層３１０ａ及び第２中間層３１０ｂとして特定される）を含む。中間層アセンブリ６００は積み重ねられることにより、交互に繊維層／中間層／繊維層の配置になるように形成される。第３繊維層６０２ａを第２中間層アセンブリ６００ｂの上に置くことが可能である。
【００２６】
図示目的で３つの繊維層と２つの中間層を図６Ａに示したが、任意の数の中間層及び繊維層を様々な配向で（例えば＋４５／０／−４５／９０の方向）本発明にしたがって使用することができる。例えば、様々な実施形態は各繊維層の間、及び／又は積層体の外側の対応するナノチューブ強化中間層を有する３つ以上の繊維層を含むことができる。さらに、様々な中間層及び繊維層が異なる厚さ、異なる材料組成等を有することが可能である。
【００２７】
所望の数の中間層アセンブリ６００と繊維層６０２ａが、所望の配向で成形面６４０上に形成されたら、第１複合積層体６３０ａを技術的に周知の様々な液体成形プロセスを用いて完成複合部品として形成することが可能である。上記方法は例えば、真空補助樹脂トランスファー成形法（ＶＡＲＴＭ）を含む。ＶＡＲＴＭ法では、プレフォームの上に真空バッグが載せられ、真空による圧力差を利用してプレフォームの中に樹脂が注入される。次にこの積層体をオートクレーブ、オーブン等に挿入し加熱して樹脂を硬化することができる。他の液体成形プロセスは、樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ）及び樹脂フィルム注入法（ＲＦＩ）を含む。ＲＴＭにおいては、閉じた型内のプレフォームに加圧下で樹脂が注入される。ＲＦＩでは、半固体の樹脂がプレフォームの下あるいは上に置かれ、積層体の上にはツールが配置される。積層体アセンブリは次に真空バッグ処理が施され、オートクレーブ内に挿入されて半固体樹脂が溶解し、この結果樹脂がプレフォームに注入される。
【００２８】
別の実施形態においては、成形面６４０に載せる前に、中間層アセンブリ６００及び／又は第３繊維層６０２に樹脂（例：プリプレグ）を含浸させることができる。部品はその次に、積層体を真空バッグの下に挿入しマトリクス材に高温及び／又は高圧を加えて硬化させることにより、硬化させることができる。前述の実施例で述べたように、実施形態は特定の液体成形プロセス又は更に言うならば液体成形に制限されるものではない。
【００２９】
次に図６Ｂを参照すると、第２複合積層体６３０ｂは、成形面６４０上に積み重ねられた状態の複数の中間層アセンブリ６５０（個別には第１中間層アセンブリ６５０ａ及び第２中間層アセンブリ６５０ｂとして特定される）を含む。図示した実施形態では、中間層アセンブリ６５０は、図４Ａ及び４Ｂを参照して上述した中間層アセンブリ４００と、構造及び機能において少なくともおおむね同様である。例えば、各中間層アセンブリ６５０は、対応する繊維層４０２（個別には第１繊維層４０２ａ及び第２繊維層４０２ｂとして特定される）に糸５２０で縫合あるいは別の方法で留められた中間層４１０（個別には第１中間層４１０ａ及び第２中間層４１０ｂとして特定される）を含む。中間層アセンブリ６５０は積み重ねられることにより、交互に繊維層／中間層／繊維層の配置になるように形成される。第３繊維層６０２ｂを第２中間層アセンブリ６５０ｂの上に置くことが可能である。図示目的で３つの繊維層と２つの中間層を図６Ｂに示したが、任意の数の中間層及び繊維層を様々な配向で（例えば０／９０／０の方向）本発明にしたがって使用することができる。さらに、様々な中間層及び繊維層が異なる厚さ、異なる材料組成等を有することが可能である。
【００３０】
所望の数の中間層アセンブリ６５０及び繊維層６０２ｂが、成形面６４０上に形成されたら、第２複合積層体６３０ｂを技術的に周知の様々な液体成形プロセスを用いて完成部品として形成することが可能である。上記方法は例えば、図６Ｂを参照して上述したように、真空補助樹脂トランスファー成形法（ＶＡＲＴＭ）、樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ）、及び樹脂フィルム注入法（ＲＦＩ）を含むことができる。別の実施形態では、成形面６４０上に載せる前に、中間層アセンブリ６５０及び／又は第３繊維層６０２ｂにプリプレグ状態の樹脂を注入することができる。液体成形法又はプリプレグ法のいずれが用いられても、第２複合積層体６３０ｂを、真空圧を用いて圧縮（減量）した後、温度を上げて硬化してマトリクス材を硬化させる。
【００３１】
図７Ａは図６Ａの第１複合積層体６３０ａの一部を拡大した断面図であり、図７Ｂは図６Ｂの第２複合積層体６３０ｂの一部を拡大した断面図である。図７Ａに示すように、カーボンナノチューブ３１４は、第１中間層アセンブリ６００ａから上向きに隣接する繊維層３０２ｂまで延びている。この構成により、２つの繊維層３０２の間の界面の強度を増すことが可能になり、完成した複合部品の破壊靱性と衝撃耐性が向上する。
【００３２】
図７Ｂに示すように、複数の第１カーボンナノチューブ４１４ａは第１中間層４１０ａの第１側面４１３ａから延びており、複数の第２カーボンナノチューブ４１４ｂは第１中間層４１０ａの第２側面４１３ｂから外向きに延びている。この結果、複数の第１カーボンナノチューブ４１４ａは第１繊維層４０２ａの一部に延びており、複数の第２カーボンナノチューブ４１４ｂは第２繊維層４０２ｂの一部に延びている。図７Ｂに示す両面を有するナノチューブ構成により、図７Ａの片側しかないナノチューブ配置構成よりも中間層の強度と破壊靱性をさらに向上させることができる。
【００３３】
図８は本発明の一実施形態によるカーボンナノチューブ中間層アセンブリを有する複合部品を製造する方法を示すフロー図である。本方法は、カーボンナノチューブが基板の第１側面、又は基板の第１側面及び基板の第２側面の両方に形成されるブロック８０２から開始する。カーボンナノチューブが基板の第１側面にのみ形成された場合、本方法はブロック８０４に進み接着層（例えば熱可塑性接着層、接着剤、結合剤等）が基板の第２側面に形成される。本方法はブロック８０６において、ナノチューブで覆われた基板を繊維層に（例えば溶解接着によって）接着して中間層アセンブリを形成する。ブロック８０６の後は、本方法は決定ブロック８０８に進む。
【００３４】
ブロック８０２に戻ると、カーボンナノチューブは基板の両側に形成され、本方法はブロック８１０に進みナノチューブで覆われた基板を繊維層に機械的に固定（たとえば糸又は他の好適な材料で縫合することによって）し中間層アセンブリを形成する。ブロック８１０の後に、本方法は決定ブロック８０８に進む。
【００３５】
決定ブロック８０８においては、予め中間層アセンブリをマトリクス材（例：エポキシ樹脂）に含浸させ、その後の使用のためにプリプレグアセンブリを保存するか、あるいはプレフォームの形で乾燥した中間層アセンブリを使用するかのいずれかが決定される。中間層アセンブリを前もって含浸させると決定した場合、本方法はブロック８１８に進み中間層アセンブリにマトリクス材（例：エポキシ樹脂）を注入する。ここで、中間層アセンブリは、技術的に周知の任意の好適な方法を用いて未硬化のマトリクス材料を注入してプリプレグ繊維層を形成することができる。ブロック８２０では、プリプレグ中間層アセンブリを使用前の長期間必要に応じて保存することができる。プリプレグ中間層アセンブリの使用準備ができたら、本方法はブロック８２２に進み、プリプレグ中間層アセンブリを成形面において所望の配向で、一以上のプリプレグ繊維層及び／又は一以上の追加のプリプレグ中間層アセンブリと組み合わせる。本方法はブロック８２４において、プリプレグアセンブリに真空バッグ処理を行い積層体を圧縮し、加熱及び／又は加圧してアセンブリを硬化させ複合部品を硬化させる。ブロック８２４の後に本方法は終了する。
【００３６】
図９は本発明の別の実施形態による複合構造を製造するための方法９００を示すフロー図である。本方法はブロック９０２において、基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップを含む。本方法はブロック９０４において、基板を第１繊維層に付着させるステップを含む。ブロック９０６において、第２繊維層は第１繊維層に隣接して配置され、複数のカーボンナノチューブが第１及び第２繊維層の間に配置される。ブロック９０８においては、第１及び第２繊維層に樹脂が注入され、ブロック９１０において樹脂が硬化される。ブロック９１０の後に本方法は終了する。
【００３７】
決定ブロック８０８に戻ると、乾燥した中間層アセンブリからプレフォームを形成する決定がなされた際には、本方法はブロック８１２に進み、中間層アセンブリを成形面において、一以上の繊維層及び／又は一以上の追加の中間層アセンブリと組み合わせる。本方法はブロック８１４において、技術的に周知の任意の好適な液体成形プロセスを用いて、プレフォームにマトリクス材を注入する。本方法はブロック８１６において、樹脂が注入されたアセンブリを真空下におき気泡を取り除いた後に、アセンブリを加熱及び／又は加圧して硬化させて完成した複合部品を形成する。ブロック８１６の後に本方法は終了する。
【００３８】
上述した方法は、航空機の構造を含む、広い範囲の異なる構造用の複合部品を製造するのに使用することができる。例えば、これらの方法は航空機の外板、フレーム、補強材、及び／又は様々な航空機の部分を形成するのに使用することができる。接着剤、留め具、及び／又は技術的に周知の他の好適な取付け方法を用いて、複合部品を互いに組立てて航空機の構造（例えば、機体、翼、尾翼等）を形成することができる。
【００３９】
前述したように、当然ながら本発明の特定の実施形態を図示目的で本明細書に説明したが、本発明の様々な実施形態の思想及び範囲を逸脱することなく、種々の修正を施すことが可能である。さらに、本発明の特定の実施形態に関連する種々の利点をこれらの実施形態において上述したが、他の実施形態でも上記利点を得ることができ、また全ての実施形態が本発明の範囲内に収まるために上記利点を必ずしも呈する必要はない。したがって、本発明は添付の請求項による以外には限定されることはない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構造を製造する方法であって、
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップ、
基板を第１繊維層に付着させるステップ、
第２繊維層を第１繊維層に隣接して配置することにより複数のカーボンナノチューブを第１繊維層及び第２繊維層の間に配置するステップ、
第１及び第２繊維層に樹脂を注入するステップ、及び
樹脂を硬化させて複合構造を硬化させるステップ
を含む方法。
【請求項２】
基板を第１繊維層に付着させるステップが、第１繊維層に基板を接着するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板が接着層を含み、基板を第１繊維層に付着させるステップが、接着層と第１繊維層を加熱して基板を第１繊維層に溶解接着させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
基板を第１繊維層に付着させるステップが、基板を第１繊維層に機械的に留め付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
基板を第１繊維層に付着させるステップが、基板を糸で第１繊維層に縫合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップが、柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
基板が第１側面及び第２側面を有し、基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップが、基板の第１側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第１部分を作製し、基板の第２側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第２部分を作製するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
複数のカーボンナノチューブを第１繊維層及び第２繊維層の間に配置するステップが、複数のカーボンナノチューブを、第１及び第２繊維層に対して少なくともおおむね垂直に延びるように方向付けするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
基板と第１及び第２繊維層に樹脂を注入するステップが、第２繊維層を基板に隣接させて配置する前に、基板と第１繊維層に予め樹脂の第１部分を含浸させ、第２繊維層に予め樹脂の第２部分を含浸させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップが、第１柔軟基板上に複数の第１カーボンナノチューブを生成するステップを含み、基板を第１繊維層に付着させるステップが、第１柔軟基板と第１繊維層を加熱して、第１柔軟基板を第１繊維層に溶解接着させるステップを含み、当該方法がさらに、
第２柔軟基板上に複数の第２カーボンナノチューブを生成するステップ、
第２柔軟基板と第２繊維層を加熱して、第２柔軟基板を第２繊維層に溶解接着するステップ、及び
第３繊維層を第２繊維層に隣接して配置することにより、複数の第２カーボンナノチューブを第２繊維層と第３繊維層の間に配置するステップを含み、
第１及び第２繊維層に樹脂を注入するステップが、第１及び第２柔軟基板と、第１、第２、及び第３繊維層に樹脂を注入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第３繊維層の上に追加のカーボンナノチューブ強化繊維層を積層させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
複合構造が航空機の複合構造であり、当該方法がさらに、航空機の一部分に硬化した複合構造を取り付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
複合構造用のカーボンナノチューブ強化中間層アセンブリを製造する方法であって、
柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップ、及び
柔軟基板を繊維層に付着させるステップ
を含む方法。
【請求項１４】
柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップが、化学蒸着法で遷移金属触媒上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップを含み、柔軟基板を繊維層に付着させるステップが、基板及び繊維層を加熱することにより、基板の少なくとも一部を溶かしてカーボンナノチューブを繊維層に接着するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
基板が第１側面と第２側面を有し、柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップが、基板の第１側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第１部分を作製し、基板の第２側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第２部分を作製するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
柔軟基板を繊維層に付着させるステップが、繊維層をほぼ垂直なカーボンナノチューブでおおむね均一な配分で覆うステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
柔軟基板に接着層を積層するステップをさらに含み、繊維層に柔軟基板を付着させるステップが接着層の少なくとも一部を溶かすステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップが、柔軟基板の第１側面上に複数の第１カーボンナノチューブを生成し、柔軟基板の第２側面上に複数の第２カーボンナノチューブを生成するステップを含み、柔軟基板を繊維層に付着させるステップが、柔軟基板の少なくとも一部を繊維層に縫合するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
第１繊維層；
第２繊維層；
第１及び第２繊維層の間に配置されて、
基板；及び
基板に付着され且つ基板に対して少なくともおおむね垂直である複数のカーボンナノチューブ；
を含む中間層；ならびに、
第１及び第２繊維層に注入されたマトリクス材
を備える、複合構造。
【請求項２０】
複数のカーボンナノチューブが、基板の第１側面から延びる複数の第１カーボンナノチューブであり、中間層が、基板の第２側面から延びる複数の第２カーボンナノチューブをさらに含む、請求項１９に記載の複合構造。
【請求項２１】
基板が第１繊維層に溶解接着されている、請求項１９に記載の複合構造。
【請求項２２】
複合構造を製造するシステムであって、
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製する手段と、
複数のカーボンナノチューブが第１繊維層から離れて延びるように基板を第１繊維層に付着させる手段と、
基板の上に第２繊維層を配置して、第１繊維層及び第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置する手段と
を備えるシステム。
【請求項２３】
基板と第１及び第２繊維層に樹脂を注入する手段；並びに、
樹脂を硬化させる手段
を更に備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項１】
複合構造を製造する方法であって、
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップ、
基板を第１繊維層に付着させるステップ、
第２繊維層を第１繊維層に隣接して配置することにより複数のカーボンナノチューブを第１繊維層及び第２繊維層の間に配置するステップ、
第１及び第２繊維層に樹脂を注入するステップ、及び
樹脂を硬化させて複合構造を硬化させるステップ
を含む方法。
【請求項２】
基板を第１繊維層に付着させるステップが、第１繊維層に基板を接着するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板が接着層を含み、基板を第１繊維層に付着させるステップが、接着層と第１繊維層を加熱して基板を第１繊維層に溶解接着させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
基板を第１繊維層に付着させるステップが、基板を第１繊維層に機械的に留め付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
基板を第１繊維層に付着させるステップが、基板を糸で第１繊維層に縫合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップが、柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
基板が第１側面及び第２側面を有し、基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップが、基板の第１側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第１部分を作製し、基板の第２側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第２部分を作製するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
複数のカーボンナノチューブを第１繊維層及び第２繊維層の間に配置するステップが、複数のカーボンナノチューブを、第１及び第２繊維層に対して少なくともおおむね垂直に延びるように方向付けするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
基板と第１及び第２繊維層に樹脂を注入するステップが、第２繊維層を基板に隣接させて配置する前に、基板と第１繊維層に予め樹脂の第１部分を含浸させ、第２繊維層に予め樹脂の第２部分を含浸させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製するステップが、第１柔軟基板上に複数の第１カーボンナノチューブを生成するステップを含み、基板を第１繊維層に付着させるステップが、第１柔軟基板と第１繊維層を加熱して、第１柔軟基板を第１繊維層に溶解接着させるステップを含み、当該方法がさらに、
第２柔軟基板上に複数の第２カーボンナノチューブを生成するステップ、
第２柔軟基板と第２繊維層を加熱して、第２柔軟基板を第２繊維層に溶解接着するステップ、及び
第３繊維層を第２繊維層に隣接して配置することにより、複数の第２カーボンナノチューブを第２繊維層と第３繊維層の間に配置するステップを含み、
第１及び第２繊維層に樹脂を注入するステップが、第１及び第２柔軟基板と、第１、第２、及び第３繊維層に樹脂を注入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第３繊維層の上に追加のカーボンナノチューブ強化繊維層を積層させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
複合構造が航空機の複合構造であり、当該方法がさらに、航空機の一部分に硬化した複合構造を取り付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
複合構造用のカーボンナノチューブ強化中間層アセンブリを製造する方法であって、
柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップ、及び
柔軟基板を繊維層に付着させるステップ
を含む方法。
【請求項１４】
柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップが、化学蒸着法で遷移金属触媒上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップを含み、柔軟基板を繊維層に付着させるステップが、基板及び繊維層を加熱することにより、基板の少なくとも一部を溶かしてカーボンナノチューブを繊維層に接着するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
基板が第１側面と第２側面を有し、柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップが、基板の第１側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第１部分を作製し、基板の第２側面から少なくともおおむね垂直に延びるカーボンナノチューブの第２部分を作製するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
柔軟基板を繊維層に付着させるステップが、繊維層をほぼ垂直なカーボンナノチューブでおおむね均一な配分で覆うステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
柔軟基板に接着層を積層するステップをさらに含み、繊維層に柔軟基板を付着させるステップが接着層の少なくとも一部を溶かすステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
柔軟基板上に複数のカーボンナノチューブを生成するステップが、柔軟基板の第１側面上に複数の第１カーボンナノチューブを生成し、柔軟基板の第２側面上に複数の第２カーボンナノチューブを生成するステップを含み、柔軟基板を繊維層に付着させるステップが、柔軟基板の少なくとも一部を繊維層に縫合するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
第１繊維層；
第２繊維層；
第１及び第２繊維層の間に配置されて、
基板；及び
基板に付着され且つ基板に対して少なくともおおむね垂直である複数のカーボンナノチューブ；
を含む中間層；ならびに、
第１及び第２繊維層に注入されたマトリクス材
を備える、複合構造。
【請求項２０】
複数のカーボンナノチューブが、基板の第１側面から延びる複数の第１カーボンナノチューブであり、中間層が、基板の第２側面から延びる複数の第２カーボンナノチューブをさらに含む、請求項１９に記載の複合構造。
【請求項２１】
基板が第１繊維層に溶解接着されている、請求項１９に記載の複合構造。
【請求項２２】
複合構造を製造するシステムであって、
基板上に複数のカーボンナノチューブを作製する手段と、
複数のカーボンナノチューブが第１繊維層から離れて延びるように基板を第１繊維層に付着させる手段と、
基板の上に第２繊維層を配置して、第１繊維層及び第２繊維層の間に複数のカーボンナノチューブを配置する手段と
を備えるシステム。
【請求項２３】
基板と第１及び第２繊維層に樹脂を注入する手段；並びに、
樹脂を硬化させる手段
を更に備える、請求項２２に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１０−５２７３０２（Ｐ２０１０−５２７３０２Ａ）
【公表日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０８４９１（Ｐ２０１０−５０８４９１）
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０６２３８６
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１４７８８
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０６２３８６
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１４７８８
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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