Связанные волокна в композитных конструкциях

Связанные волокна в композитных конструкциях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка представляет собой продолжающую заявку по отношению к рассматриваемой заявке на патент США №12/968575, поданной 15 декабря 2010 г. и озаглавленной «ВЫБОРОЧНО СВЯЗАННЫЕ ВОЛОКНА В КОМПОЗИТАХ», и испрашивает по ней приоритет.

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к композитам и, в частности, к армированным волокнами композитным конструкциям, содержащим связанные волокна для улучшения баллистических рабочих характеристик.

Уровень техники

Композитные конструкции обычно содержат матрицу, армированную волокнами, причем волокна внедрены в матрицу. Композитные конструкции разработаны для передачи нагрузок вдоль длины волокон. Нагрузки от одного волокна могут быть переданы к другому волокну в том же слое или к волокнам в соседнем слое посредством передачи через материал матрицы. Однако матрица обычно слабее волокон, так что при достаточно высокой нагрузке, передаваемой от одного волокна к другому волокну через матрицу, матрица будет разрушена. Разрушение матрицы обеспечивает возможность бокового перемещения волокон внутри композитной конструкции.

Во время баллистического события при ударе пули о композитную панель способность волокон к боковому перемещению или перемещению в сторону обычно ухудшает совокупные баллистические рабочие характеристики композитной панели. Например, способность волокон в матрице к боковому перемещению позволяет пуле вклиниваться между волокнами. Такое вклинивание пули между волокнами обеспечивает пуле возможность прохождения через толщину композитной панели без раздробления волокон.

При этом боковое перемещение волокон и последующее вклинивание пули ухудшает баллистические рабочие характеристики панели.

Как можно видеть, в данной области техники существует потребность в композитной конструкции, обеспечивающей пониженную восприимчивость к боковому перемещению волокон таким образом, что баллистические рабочие характеристики могут быть улучшены. Пониженная восприимчивость к боковому перемещению волокон может также приводить к улучшению конструктивных характеристик композитной конструкции во время статической и/или квазистатической нагрузки композитной конструкции.

Раскрытие изобретения

Именно на удовлетворение вышеописанных потребностей, связанных с композитными конструкциями для баллистических и конструктивных приложений, и направлено настоящее изобретение, которое, в одном из вариантов реализации, предлагает композитную конструкцию, содержащую множество волокон, внедренных внутрь матрицы. Эти волокна могут включать первое волокно и второе волокно, которые могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу. Первое и второе волокна могут быть соединены друг с другом в одном или большем количестве мест соединения.

В другом варианте реализации настоящего изобретения раскрыта композитная конструкция, имеющая множество волокон, внедренных внутрь матрицы. Волокна могут включать первые волокна и вторые волокна, которые могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу. Первые и вторые волокна могут быть размещены в первой плоскости и могут быть соединены друг с другом во множестве мест соединения.

Дополнительно раскрыт способ изготовления композитной конструкции, который может включать этапы расположения множества волокон по существу параллельно друг другу. Множество волокон может включать первые и вторые волокна. Способ может дополнительно включать присоединение первого волокна ко второму волокну по меньшей мере в одном месте соединения. Способ может дополнительно включать внедрение множества волокон внутрь матрицы.

Также раскрыта композитная конструкция, способная содержать множество волокон, внедренных, по меньшей мере частично, внутрь матрицы. Волокна могут быть присоединены друг к другу во множестве мест соединения. Каждое место соединения может обладать типом соединения и качеством соединения. По меньшей мере два из мест соединения могут иметь различный тип соединения и/или различное качество соединения.

Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения раскрыта композитная конструкция, способная содержать множество волокон, внедренных по меньшей мере частично внутрь матрицы. Волокна могут быть размещены в двух или большем количестве слоев. По меньшей мере одно из волокон по меньшей мере в одном слое может быть присоединено по меньшей мере к одному из волокон в другом слое.

Настоящее изобретение также включает способ изготовления композитной конструкции. Способ может включать обеспечение наличия множества волокон и соединение по меньшей мере части волокон друг с другом в местах соединения. Способ может дополнительно включать обеспечение по меньшей мере у двух из мест соединения различного типа соединения и/или различного качества соединения. Способ может дополнительно включать внедрение волокон в матрицу.

Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения раскрыт способ изготовления композитной конструкции, который может включать расположение множества волокон в двух или большем количестве слоев. Способ может включать соединение по меньшей мере одного из волокон по меньшей мере в одном слое по меньшей мере с одним из волокон в другом слое, и внедрение волокон в матрицу.

Описанные признаки, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или они могут быть скомбинированы в других вариантах реализации настоящего изобретения, дополнительные подробности которых могут быть понятны со ссылками на приведенные ниже описание и чертежи.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки настоящего изобретения будут более очевидны со ссылками на чертежи, на которых в настоящей заявке одинаковые позиционные обозначения относятся к одинаковым частям и на которых:

Фигура 1 является иллюстрацией в перспективе композитной конструкции по одному варианту реализации настоящего изобретения, содержащей матрицу и множество волокон;

Фигура 2 является иллюстрацией в перспективе композитной конструкции по Фигуре 1, иллюстрирующей множество слоев волокон по одному варианту реализации настоящего изобретения, причем волокна соединены друг с другом с периодическими интервалами между местами соединения;

Фигура 3 является увеличенной иллюстрацией в перспективе части композитной конструкции по Фигуре 1, иллюстрирующей расположение слоев волокон внутри матрицы и кроме того иллюстрирующей внутриплоскостную связь волокон каждого слоя;

Фигура 4 является увеличенной иллюстрацией части композитной конструкции, аналогичной тому, что показана на Фигуре 3, и иллюстрирующей вариант реализации волокон, имеющих в целом удлиненную форму поперечного сечения;

Фигура 5 является схематической иллюстрацией одного слоя волокон, соединенных друг с другом во множестве мест соединения и представляющих внутриплоскостную связь соседних волокон;

Фигура 6 является схематической иллюстрацией волокон, где слои расположены в виде однонаправленной конфигурации и волокна соединены во множестве мест соединения через слои, что отражает внеплоскостную связь с соседним волокном в однонаправленной конфигурации композитного изделия;

Фигура 7 является схематической иллюстрацией пары слоев волокон, расположенных в однонаправленной конфигурации, иллюстрирующей множество мест соединения, соединяющих соседние волокна и представляющих плоскостную и внеплоскостную связь соседних волокон при однонаправленной конфигурации композитного изделия;

Фигура 8 является схематической иллюстрацией пары слоев волокон, размещенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующей множество мест соединения, соединяющих волокна через слои при ступенчатом расположении, представляющем внеплоскостную связь соседних волокон в конфигурации с перекрестным расположением волокон композитного изделия;

Фигура 9 является схематической иллюстрацией пары слоев волокон, расположенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующей множество мест соединения, соединяющих волокна через слои и представляющих связь волокон в одном слое с соседними и несоседними волокнами в соседнем слое при конфигурации с перекрестным расположением волокон композитного изделия;

Фигура 10 является иллюстрацией композитной конструкции, включающей множество слоев, иллюстрирующей самый внешний слой волокон, соединенных посредством множества мест соединения при внутриплоскостной конфигурации;

Фигура 11 является иллюстрацией моделируемого на компьютере события столкновения пули с композитной конструкцией, показывающая внутриплоскостную связь волокон, предотвращающую вклинивание пули между волокнами;

Фигура 12 является иллюстрацией блок-схемы одного или большего количества этапов, которые могут быть включены в способ изготовления композитной конструкции, содержащей множество мест соединения;

Фигура 13А является схематическим видом сверху композитной конструкции, содержащей волокна, взаимно соединенные в местах соединения, расположенных в первой и второй областях соединения;

Фигура 13В является схематическим видом сбоку композитной конструкции по Фигуре 13А, иллюстрирующем внеплоскостную связь волокон первого и второго слоев волокон вдоль первой и второй областей соединения;

Фигура 13С является схематическим видом с торца композитной конструкции по Фигуре 13А, дополнительно иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон второго и третьего слоев вдоль первой и второй областей соединения;

Фигура 14 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в однонаправленной конфигурации, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон первого и второго слоев с остальными слоями, не соединенными с другими волокнами;

Фигура 15 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в однонаправленной конфигурации, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон в любом другом слое (например, в перемежающихся слоях);

Фигура 16 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон между парами слоев;

Фигура 17 является схематическим видом сбоку композитной конструкции в конфигурации с перекрестным расположением волокон, иллюстрирующим внеплоскостную связь волокон с изменениями качества соединения между различными парами слоев;

Фигура 18 является схематической иллюстрацией одного слоя однонаправленных волокон, соединенных друг с другом во множестве мест соединения, имеющих по меньшей мере два различных типа соединения и/или качества соединения;

Фигура 19 является схематической иллюстрацией первого слоя, имеющего первые волокна, соединенные друг с другом во множестве мест соединения, и второго слоя, имеющего вторые волокна, соединенные друг с другом во множестве мест соединения с типом соединения и/или качеством соединения, отличными от типа и качества соединения в местах соединения между первыми волокнами;

Фигура 20 является схематической иллюстрацией первого, второго и третьего слоев, содержащих соответствующие первые волокна, вторые волокна и третьи волокна, соединенные в первых, вторых и третьих местах соединения, имеющих различные типы соединения и/или качество соединения;

Фигура 21 является схематической иллюстрацией композитной конструкции, содержащей первый слой волокон, присоединенных ко второму слою, выполненному в виде плоского элемента, содержащего пленку, лист или пластину;

Фигура 22 является схематической иллюстрацией композитной конструкции, содержащей первый слой волокон, присоединенных ко второму слою, выполненному в виде плоского элемента, содержащего слой ткани из сплетенных волокон;

Фигура 23 является схематической иллюстрацией первого слоя, выполненного в виде слоя ткани из сплетенных волокон, причем соединенные волокна в слое ткани из сплетенных волокон соединены в месте пересечения волокон;

Фигура 24 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает круговой формой, как частью глобальной картины мест соединения для связи волокон в индивидуальном слое или связи волокон в различных слоях;

Фигура 25 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает закрытой круговой формой как частью глобальной картины мест соединения;

Фигура 26 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает закрытой круговой формой и расположена с большей плотностью, чем локальные области соединения, показанные на Фигуре 25;

Фигура 27 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает синусоидальной формой как частью глобальной картины мест соединения;

Фигура 28 является схематическим видом множества локальных областей соединения, имеющих синусоидальные формы различной толщины;

Фигура 29 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает серповидной формой как частью глобальной картины мест соединения;

Фигура 30 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает Х-образной формой как частью глобальной картины мест соединения;

Фигура 31 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает Х-образной формой и расположена с большей плотностью, чем локальные области соединения, показанные на фиг. 30;

Фигура 32 является схематическим видом множества локальных областей соединения каждая из которых обладает Х-образной формой и расположена с большей плотностью, чем локальные области соединения, показанные на Фигуре 31;

Фигура 33 является схематическим видом множества локальных областей соединения, каждая из которых обладает стержневидной формой как частью глобальной картины мест соединения;

Фигура 34 является видом в разрезе двухкомпонентного волокна, содержащего ядро, окруженное плавкой оболочкой;

Фигура 35 является видом в разрезе пары двухкомпонентных волокон, состыкованных друг против друга;

Фигура 36 является видом в разрезе пары двухкомпонентных волокон, взаимосоединенных друг с другом посредством совместного сплавления оболочек;

Фигура 37 является покомпонентным схематическим видом множества слоев двухкомпонентных волокон, размещенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон;

Фигура 38 является схематическим видом сбоку слоев по Фигуре 37, спрессованных друг с другом и со сплавленными вместе оболочками;

Фигура 39 является схематическим видом сбоку композитной конструкции после заливки слоев матричным материалом;

Фигура 40 является схематической иллюстрацией в перспективе конфигурации с перекрестным расположением волокон первого и второго слоев, содержащих волокна с первой функциональной особенностью и волокна со второй функциональной особенностью;

Фигура 41 является покомпонентным схематическим видом множества волокон с первой функциональной особенностью и волокон со второй функциональной особенностью, расположенных в конфигурации с перекрестным расположением волокон;

Фигура 42 является схематическим видом сбоку слоев по Фигуре 41, спрессованных вместе для химической связи волокон со второй функциональной особенностью с волокнами с первой функциональной особенностью в местах, где волокна со второй функциональной особенностью входят в контакт с волокнами с первой функциональной особенностью;

Фигура 43 является схематическим видом сбоку композитной конструкции после заливки химически связанных слоев матричным материалом;

Фигура 44 является блок-схемой, иллюстрирующей один или большее количество этапов, которые могут быть включены в способ изготовления композитной конструкции, содержащей волокна, связанные во множестве мест соединения с изменяемым типом соединения и/или изменяемым качеством соединения; и

Фигура 45 является блок-схемой, иллюстрирующей один или большее количество этапов, которые могут быть включены в способ изготовления композитной конструкции, содержащей множество слоев, причем волокна по меньшей мере в одном слое соединены с волокнами другого слоя.

Подробное описание изобретения

На чертежах изображения предназначены для целей иллюстрации предпочтительных и различных вариантов реализации изобретения, при этом на фиг. 1 показан вариант реализации композитной конструкции 10. Композитная конструкция 10 может быть изготовлена в виде армированной волокном композитной панели 14, содержащей по существу оптически прозрачную и/или прозрачную в инфракрасной области полимерную матрицу 22 и множество аналогичных по существу оптически прозрачных и/или прозрачных в инфракрасной области волокон 30, которые могут быть внедрены внутрь полимерной матрицы 22. Хотя на фиг. 1 панель 14 показана в конфигурации, содержащей поверхности 16 панели, композитная конструкция 10 может быть реализована без ограничений в любом варианте из широкого разнообразия размеров, форм и конфигураций, и может содержать плоские и/или составные изогнутые поверхности.

На фиг. 2 показан покомпонентный вид панели 14 по фиг. 1, иллюстрирующий множество волокон 30, выполненных в виде лент, имеющих удлиненную поперечную форму, и расположенных в слоях 60. На фиг. 2 среднее волокно имеет позиционное обозначение 31. Волокна 30 в любом из слоев 60 могут быть выполнены с любым размером, формой и конфигурацией и не ограничены удлиненными формами поперечного сечения. В любом раскрытом в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 могут быть ориентированы по существу параллельно друг другу в любом заданном слое 60, хотя предусмотрены и непараллельные ориентации волокон 30 внутри слоя 60. В предпочтительном варианте реализации описанная в настоящей заявке композитная конструкция 10 обеспечивает связь волокон 30 друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения, как схематично показано на фиг. 2. Например, на фиг. 2 показано три слоя 60, каждый из которых содержит множество волокон 30, расположенных по существу параллельно друг другу. Волокна 30 в каждом из слоев 60 соединены с соседними волокнами 30 во множестве мест 80 соединения, которые могут быть расположены на любом желательном расстоянии друг от друга вдоль длины одного или большего количества волокон 30. Связь волокон 30 в одном или большем количестве мест 80 соединения может облегчить взаимодействие и/или кооперацию между соседними волокнами 30 и/или несоседними волокнами 30, что может значительно изменить траектории действия нагрузок (например, направление и/или длину траекторий действия нагрузок) через композитную конструкцию 10 и ограничить распространение повреждения через композитную конструкцию 10, что может иметь место во время события отказа, например, в случае баллистического удара. Кроме того, в любом раскрытом в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения добавление волокна 30, связанного в одном или большем количестве мест 80 соединения, способно эффективно улучшать механические свойства композитной конструкции 10 и/или управлять ими, включая улучшение таких свойств, как прочность при межслойном сдвиге, сопротивление расслаиванию, жесткость, прочность на сжатие, ударная вязкость и допустимые повреждения композитной конструкции 10.

Хотя на фиг. 2 показаны места 80 соединения, схематично представленные в виде относительно тонких линий, проходящих между в целом уплощенными волокнами композитной конструкции 10. Следует иметь ввиду, что на схематических иллюстрациях по фиг. 1-9 и на схематических иллюстрациях по фиг. 13А-33 волокна 30 в каждом слое 60 показаны с преувеличенным интервалом между ними для иллюстрации концепции связи волокон 30 в одном или большем количестве мест 80 соединения. Однако волокна 30 в слое 60 фактической композитной конструкции 10 могут быть расположены на относительно малом расстоянии друг от друга, а в некоторых примерах параллельные волокна 30 в каждом слое 60 могут контактировать друг с другом, но быть связанными друг с другом лишь в одном или большем количестве мест 80 соединения. Кроме того, схематические иллюстрации на фиг. 1-4 показывают волокна 30 с преувеличенным поперечным размером относительно размера композитной конструкции 10. Например, хотя на фиг. 2 показано семь (7) индивидуальных волокон 30 в каждом из трех (3) слоев 60 композитной конструкции 10, фактическая композитная конструкции 10 может содержать десятки тысяч или большее количество волокон 30 в каждом слое 60. Кроме того, фактическая композитная конструкция 10 может содержать сотню слоев 60. Кроме того, в фактической композитной конструкции 10 толщина каждого волокна 30 может быть относительно мала. Например, толщина каждого волокна 30 может составлять от примерно 5 микрон до примерно 5000 микрон (например, от 0,0002 до 0,20 дюймов (от 0,000508 см до 0,508 см)). Однако, волокна 30 могут обладать любой толщиной 50 волокна, без ограничения.

Схематическое представление мест 80 соединения на фиг. 2 иллюстрирует внутриплоскостную связь 82 волокон 30 в каждом слое 60. Однако настоящее изобретение предполагает внеплоскостную связь 84 волокон 30 или комбинации внутриплоскостной связи 82 и внеплоскостной связи 84 волокон 30 в любом расположении из описанного ниже множества различных расположений. Волокна 30 могут быть связаны в одном или большем количестве мест 80 соединения при использовании одного или большего количества типов 88 соединения, включающих, без ограничения, адгезивное соединение, химические соединение, тепловое сплавление, механическое скрепление и/или другие подходящие типы соединения. Адгезивное соединение может представлять собой соединение волокон 30 в местах 80 соединения посредством подходящего адгезива. Химическое соединение может представлять собой реакционное соединение наружных поверхностей волокон 30 в местах контакта волокон 30 друг с другом в результате химической композиции материалов волокна 30, как описано ниже. Тепловое сплавление может представлять собой локальное нагревание волокон 30 в каждом месте 80 соединения для сплавления или сварки волокон 30 вместе в каждом месте 80 соединения. Например, волокна 30 могут быть локально нагреты лазером (не показан) в каждом месте 80 соединения до температуры выше температуры стеклования волокон 30 для сплавления волокон 30 вместе.

Технический результат от связи волокон 30 друг с другом в местах 80 соединения состоит в улучшении композитной конструкции 10 относительно препятствования проникновению пули через композитную конструкцию 10. В частности, связь волокон 30 друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения по всей композитной конструкции 10 уменьшает способность пули к вклиниванию между волокнами 30. Кроме того, связь волокон 30 друг с другом в одном или большем количестве мест 80 соединения по всей композитной конструкции 10 обеспечивает средство для управления размером или областью композитной конструкции 10, которые могут быть повреждены в результате удара пули. При этом связь волокон 30 в одном или большем количестве мест 80 соединения по всей композитной конструкции 10 обеспечивает средство для настройки или адаптации жесткости композитной конструкции 10 для улучшения баллистических рабочих характеристик, например, во время удара пули, когда волокна 30 могут быть подвергнуты относительно высоким скоростям деформации. Кроме того, связь волокон 30 может быть применена к композитным конструкциям 10, которые подвергнуты статической нагрузке и/или квазистатической нагрузке, для улучшения структурных характеристик таких композитных конструкций 10.

На фиг. 3 показан увеличенный перспективный вид композитной конструкции 10, иллюстрирующий волокна 30, расположенные в слоях 60 внутри матрицы 22. На фиг. 3 каждый из слоев 60 содержит волокна 30, ориентированные по существу параллельно друг другу. Волокна 30 в каждом слое 60 ориентированы перпендикулярно относительно волокна 30 в соседних слоях 60, формируя конфигурацию 72 с перекрестным расположением волокон композитной конструкции 10, аналогичную конфигурации, показанной на фиг. 2. Однако в любом из раскрытых в настоящей заявке вариантов реализации волокна 30 могут быть расположены в любой ориентации относительно друг друга внутри композитной конструкции 10 и не ограничены ориентациями, показанными на фиг. 2 и 3. Например, волокна 30 в каждом из слоев 60 могут быть ориентированы параллельно волокнам 30 в соседних слоях 60, образуя однонаправленную конфигурацию 70 (фиг. 6) композитной конструкции 10. Более того, волокна 30 в любом заданном слое 60 могут быть ориентированы под любым, без ограничения, углом относительно ориентации волокон 30 в соседних слоях 60. Например, в любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения волокна 30 из одного слоя 60 могут быть ориентированы под любым неперпендикулярным углом (то есть, равным 15°, 22,5°, 45°, 60°, 75° и т.д.) относительно волокон 30 соседнего слоя из слоев 60.

Хотя композитная конструкция 10 показана на фиг. 3 имеющей три слоя 60 волокон 30, может быть выполнено любое количество слоев 60. Например, композитная конструкция 10 может содержать один слой 60 волокон 30 или десятки или сотни слоев 60. В любом описанном в настоящей заявке варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 в одном или большем количестве слоев 60 могут быть расположены с возможностью контакта или отсутствия контакта с волокнами 30 из соседних слоев 60. Например, матрица 22 может содержать волокна 30, не контактирующие друг с другом. Однако в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения слои 60 волокон 30 расположены без вхождения в контакт, за исключением связи волокон 30 в местах 80 соединения, как показано на фиг. 2 и 3 и показано в альтернативных вариантах реализации изобретения на фиг. 5-9, как описано ниже. Например, на фиг. 3-4 схематично и преувеличенным способом показаны слои 60, расположенные на расстоянии друг от друга так, что волокна 30 не контактируют друг с другом. Однако слои 60 могут быть расположены с возможностью в целом контактировать друг с другом в матрице 22. Некоторые из волокон могут контактировать друг с другом в определенном месте вдоль длины волокон 30, а в других местах может присутствовать относительно тонкая пленка матрицы 22 между слоями 60. Интервал между слоями 60 частично зависит от толщины матрицы 22, окружающей или покрывающей каждое волокно 30. Например, волокна 30 могут быть выполнены как волокна 30 препрега, имеющие покрытие матрицей 22, окружающей волокно 30.

Во время изготовления композитной конструкции 10 посредством процесса, известного в данной области техники, волокна 30 могут быть наложены поверх друг друга слоями 60 и могут быть нагреты для размягчения и перемешивания матрицы 22 между соседними волокнами 30 с последующим охлаждением композитной конструкции 10 для затвердевания матрицы 22, что приводит к получению окончательной композитной конструкции 10. Толщина матрицы 22 на каждом волокне 30 будет определять расстояние между слоями 60 волокон 30. Во время разработки композитной конструкции 10 может быть выбрана толщина покрытия матрицы 22 на волокнах 30 для достижения желательной объемной доли волокна композитной конструкции 10, известной в данной области техники. Композитная конструкция 10 со слоями 60, расположенными на относительно большом расстоянии друг от друга, будет иметь меньшее суммарное количество волокон 30 и, следовательно, меньший полный суммарный объем волокон 30 (то есть, меньшую объемную долю волокон), чем у композитной конструкции 10 со слоями 60, ближе расположенными друг к другу. Таким образом объемная доля волокна представляет собой суммарный объем волокон 30 в отвержденной композитной конструкции 10 относительно суммарного объема отвержденной композитной конструкции 10.

Отвержденная композитная конструкции 10 с относительно высокой объемной долей волокон может обладать повышенной удельной прочностью и/или повышенной удельной жесткостью по сравнению с отвержденной композитной конструкцией 10 с пониженной объемной долей волокон. Следовательно, как известно в данной области техники, для определенных вариантов использования может быть желательным разработать и изготовить композитную конструкцию 10 с возможностью обладания относительно высокой объемной долей волокон. В некоторых примерах объемная доля волокна композитной конструкции 10 может быть в диапазоне примерно 50-70 процентов, хотя может быть достижимо и большее значение объемной доли волокон. Однако композитная конструкция 10 должна, как правило, содержать достаточное количество материала матрицы 22 для удержания волокон 30 в определенном положении относительно друг друга во время эксплуатации композитной конструкции 10 таким образом, что объемная доля волокон в 100 процентов (то есть, композитная конструкция 10 не содержит матрицы 22) является обычно нежелательной. Следует иметь ввиду, что значения удельной прочности и удельной жесткости, которые могут желательны для композитной конструкции 10, могут быть разными для различных вариантов использования. Кроме того, как известно в данной области техники, значение объемной доли волокон в композитной конструкции 10 и наличие или отсутствие контакта между слоями 60 могут быть основаны на производственных решениях, решениях, связанных с весом и стоимостью, и на множестве других решений.

На фиг. 4 показан вид поперечного сечения композитной конструкции 10, подобной той, что показана на фиг. 3, иллюстрирующий вариант расположения волокон 30 в трех (3) слоях 60 внутри матрицы 22. На фиг. 4 среднее волокно, расположенное между верхним и нижним слоями 60, имеет позиционное обозначение 31. Как может быть видно на фиг. 4, эти два волокна 30 в верхнем слое 60 и в нижнем слое 60 могут обладать удлиненной формой поперечного сечения, имеющей относительно уплощенные или по существу плоские грани волокон 30, например, верхнюю и нижнюю поверхности 44 и 46, для сведения к минимуму рассеяния света, которое в противном случае может иметь место при попадании света на изогнутую поверхность или при прохождении через нее. Среднее волокно на фиг. 4 показано на виде сбоку в соответствии с ориентацией волокон 30, 31 на фиг. 3, на основании которой выполнена фиг. 4.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения по существу плоская конфигурация верхней и нижней поверхностей 44, 46 волокна 30 уменьшает оптическое искажение композитной конструкции 10. Например, при прозрачной композитной конструкции 10, такой, например, как окно здания или транспортного средства, уменьшение оптического искажения может улучшить оптическую ясность объектов, наблюдаемых через композитную конструкцию 10. В целом удлиненная форма поперечного сечения волокон 30 предпочтительно имеет относительно высокое значение соотношения сторон, которое может быть определено как отношение ширины 52 волокна к толщине 50 волокна. В любом из раскрытых в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения волокна 30 могут иметь удлиненную форму поперечного сечения, обладающую относительно уплощенными или по существу плоскими гранями волокон, причем волокна имеют значение соотношения сторон, способное к изменению от примерно 3 до примерно 500, хотя поперечное сечение волокна 30 может обладать любым значением соотношения сторон. Кроме того, толщина 50 волокна может быть любой. В любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения значение толщины волокна 30 может составлять от примерно 5 микрон до примерно 5000 микрон (например, от 0,0002 до 0,20 дюйма (от 0,000508 см до 0,508 см)). Однако, волокно 30 может обладать, без ограничения, любым значением толщины 50 волокна.

На фиг. 4 также можно видеть, что удлиненная форма поперечного сечения волокна 30 может содержать пару по существу плоских граней волокна 30 (то есть, верхнюю и нижнюю поверхности 44, 46), которые предпочтительно ориентированы по существу параллельно поверхности 12 композитной конструкции 10. Однако в любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения, волокна 30 могут быть внедрены внутрь матрицы 22 и ориентированы в ней таким образом, что грани волокон 30 размещены в любой ориентации относительно поверхности 12 структуры. Хотя грани волокна 30 показаны по существу плоскими, они могут быть слегка изогнуты, включая слегка вогнутую, слегка выпуклую форму или форму с выступающим центром и не ограничены строго по существу плоским или уплощенным профилем. Кроме того, предусмотрено, что грани волокна 30 могут содержать одну или большее количество поверхностных особенностей (не показаны) на одной или большем количестве граней волокна 30 и не ограничены строго прямоугольной удлиненной формой поперечного сечения, показанной на фиг. 4.

На фиг. 4 схематично показано поперечное сечение композитной конструкции 10 по фиг. 3. Как указано выше, волокна в композитной конструкции 10 по фиг. 3 находятся в конфигурации 72 с перекрестным расположением волокон, известной в данной области техники, причем продольное направление волокон 30 в каждом слое 60 ориентировано перпендикулярно к продольному направлению волокон 30 в соседних слоях 60. При этом на фиг. 4 показано поперечное сечение волокон 30 в верхнем, среднем и нижнем слоях 60, взятых вдоль линии 4 на фиг. 3. В верхнем слое 60 по фиг. 4 поперечное сечение перпендикулярно продольному направлению волокон 30 в верхнем слое 60. В среднем слое 60 по фиг. 4 поперечное сечение волокна 31 параллельно продольному направлению волокна 31 в среднем слое 60. В нижнем слое 60 по фиг. 4 поперечное сечение перпендикулярно продольному направлению волокон 30 в нижнем слое 60.

В верхнем и нижнем слоях 60 боковые края 48 соседних волокон 30 показаны расположенными на расстоянии друг от друга. Однако, в непоказанном варианте реализации настоящего изобретения волокна 30 в слое 60 могут быть расположены так, что боковые края 48 волокна 30 размещены в контакте с боковыми краями 48 соседнего волокна из волокон 30 (например, см. фиг. 35-36). Однако, как указано выше, волокна 30 могут быть расположены с любым желательным интервалом и не ограничены интервалом для волокон 30, показанным на фиг. 4.

На фиг. 5 схематически показан вид слоя 60 из параллельных волокон 30, отделенных друг от друга. При этом на фиг. 5 схематично показаны места 80 соединения, связывающие волокна 30 во внутриплоскостной связи 82, аналогичной внутриплоскостной связи 82, показанной на фиг. 2. Волокна 30 показаны в виде толстых линий и могут быть выборочно связаны в местах 80 соединения, показанных в виде линий, более тонких по сравнению с линиями, представляющими волокна 30. Расположение волокон 30 на фиг. 5 представляет собой один слой 60, причем волокна 30 могут быть соединены друг с другом по меньшей мере в одном месте 80 соединения.

Волокна 30, показанные на фиг. 5, могут быть выборочно связаны друг с другом в местах 80 соединения при использовании определенного типа 88 соединения, которые способны обладать определенными качествами 100 соединения, как описано подробно ниже, для обеспечения желательного отклика композитной конструкции 10 во время попадания пули. В частности, на фиг. 5 показано первое волокно 32 и второе волокно 34 из множества волокон 30, которые могут быть соединены друг с другом во множестве мест 80 соединения. В любом из описанных в настоящей заявке вариантов реализации настоящего изобретения места 80 соединения могут быть распределены по различным расположениям вдоль длин волокон 30. Например, на фиг. 5 показан относительно равномерный шаг 86 между местами 80 соединения вдоль длины волокон 30. Однако места 80 соединения, соединяющие соседние волокна 30, могут отстоять друг от друга с заранее определенной периодичностью вдоль длины волокон 30, как подробнее описано ниже.

Первые и вторые волокна 32, 34 могут быть соединены друг с другом во множестве мест 80 соединения посредством адгезивного соединения, сплавления и/или механического скрепления или посредством других подходящих типов 88 соединения. Адгезивное соединение может представлять собой соеди