包括不同性能的區(qū)域的復(fù)合材料和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】包括不同性能的區(qū)域的復(fù)合材料和方法
[0001]要求申請(qǐng)日的權(quán)益
[0002]本發(fā)明要求2011年2月21提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/444，942的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的申請(qǐng)日權(quán)益；其內(nèi)容通過(guò)引用整體結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及具有三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其包括一插入兩個(gè)金屬層之間的聚合物核心，其中復(fù)合材料包括多個(gè)具有一種或多種不同性能的區(qū)域，本發(fā)明還涉及用于制造這種復(fù)合材料的工藝、用于生產(chǎn)包括這種復(fù)合材料的部件的工藝以及包括這種復(fù)合材料的部件。
【背景技術(shù)】
[0004]許多金屬部件需要有較高要求性能的區(qū)域和其他性能要求較低的區(qū)域。以減輕重量和/或部件材料的使用量，有各種技術(shù)加工、切割、或以其他方式裁剪作為整體的金屬部件。
[0005]例如，近期已經(jīng)通過(guò)使用拼焊板實(shí)現(xiàn)了部件重量減少的發(fā)展，該拼焊板包括沿一邊緣焊接在一起的不同厚度的金屬。拼焊板、生產(chǎn)、焊接這種板的方法以及拼焊板的應(yīng)用的實(shí)例描述在專(zhuān)利號(hào)為7，062，853 (Reed等人)，專(zhuān)利號(hào)為6，957，848 (ffalther)和專(zhuān)利號(hào)為7，543，384(Ni等人)的美國(guó)專(zhuān)利中，在“拼焊板”和2004年12月6日的I_Car優(yōu)勢(shì)在線(xiàn)(http://www.1-car.com/pdf/advantage/online/2004/120604.pdf)，這些都通過(guò)引用整體結(jié)合到本文中。
[0006]盡管在拼焊板中實(shí)現(xiàn)了重量的減少，但是，仍然需要有一材料系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)重量減少，費(fèi)用減少，以及易于制造，易于處理，易于焊接到其他部件或者它們的任何組合。這些材料還需要有良好的阻尼性能、良好的耐腐蝕性，能夠容易的形成(例如在一個(gè)或多個(gè)區(qū)域)，或者它們的任意組合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是基于設(shè)計(jì)和制造復(fù)合材料的能力，該復(fù)合材料包括具有不同性能的多個(gè)區(qū)域。優(yōu)選的，可在具有不同性能要求的部件中使用該復(fù)合材料，使得該部件的重量能夠減少(例如與通過(guò)整塊金屬形成的部件相比)或者使得這種部件制造起來(lái)更容易或成本更低。
[0008]一般來(lái)說(shuō)，此處的教義適合包括核心層的復(fù)合材料，該核心層包括被夾在兩金屬層之間的聚合物。復(fù)合材料優(yōu)選包括具有不同厚度的兩個(gè)區(qū)域，一區(qū)域包括一襯墊(例如另一不同的區(qū)域不含襯墊)，或者兩個(gè)區(qū)域皆包含襯墊。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，復(fù)合材料是一輕質(zhì)復(fù)合物，包括:第一金屬薄板；第二金屬薄板；一個(gè)或多個(gè)插入第一和第二金屬薄板之間的金屬襯墊；以及一插入第一和第二金屬薄板之間的聚合物層；其中聚合物層包括一熱塑性聚合物；輕質(zhì)復(fù)合物包括一具有插入第一金屬薄板之間的襯墊的第一區(qū)域，其中第一區(qū)域具有相對(duì)高的抗張強(qiáng)度和/或相對(duì)較高的厚度；輕質(zhì)復(fù)合材料還包括一第二區(qū)域，其抗張強(qiáng)度弱于第一區(qū)域和/或厚度小于第一區(qū)域。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)方面是針對(duì)一種生產(chǎn)輕質(zhì)復(fù)合材料，例如根據(jù)本文教義獲得的復(fù)合材料的方法，包括擠壓聚合物材料層或者使聚合物材料層在模具中成型的步驟。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)方面是針對(duì)一種形成一部件或組件的方法，包括使復(fù)合材料，例如根據(jù)本文教義獲得的復(fù)合材料變形的步驟。
[0012]根據(jù)本文教義獲得的輕質(zhì)復(fù)合材料通過(guò)使用沖壓工藝變形和/或通過(guò)電阻焊工藝焊接。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)方面是針對(duì)一種部件或組件，例如通過(guò)根據(jù)本文教義獲得的方法和/或根據(jù)本文教義獲得的復(fù)合物材料形成的汽車(chē)零件或組件。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是通常具有同樣性能和統(tǒng)一厚度的示例性復(fù)合物圖；
[0015]圖2是一示例性復(fù)合物的橫截面圖，其通常具有統(tǒng)一厚度并包括一襯墊使其具有性能不同的區(qū)域；
[0016]圖3是一示例性復(fù)合物的橫截面圖，該復(fù)合物通常具有統(tǒng)一厚度和包括兩個(gè)襯墊使其具有性能不同的區(qū)域；
[0017]圖4是一示例性復(fù)合物的橫截面圖，該復(fù)合物通常具有統(tǒng)一厚度和包括兩個(gè)具有不同寬度的襯墊；
[0018]圖5是一示例性復(fù)合物的橫截面圖，該復(fù)合物通常具有統(tǒng)一厚度，并包括一襯墊，其附著接觸一個(gè)金屬層但不接觸第二金屬層；
[0019]圖6是包括一襯墊的示例性復(fù)合物的橫截面圖，該襯墊不接觸金屬層；
[0020]圖7-圖8是示例性輕質(zhì)復(fù)合物的橫截面圖，該圖闡明了襯墊、兩個(gè)金屬層和核心層的特征；
[0021]圖9、10、11、12、13、14A、14B和14C是具有不同厚度區(qū)域的示例性輕質(zhì)復(fù)合物的橫截面圖；
[0022]圖15顯示了根據(jù)本文教義，復(fù)合材料相對(duì)于通過(guò)激光焊接兩個(gè)整體金屬板制造的拼焊板的重量減少。
【具體實(shí)施方式】
[0023]根據(jù)本文教義，輕質(zhì)復(fù)合材料(即異質(zhì)輕質(zhì)復(fù)合物)能夠滿(mǎn)足部件需具備表現(xiàn)性能不同的區(qū)域的需求，例如通過(guò)使用具有不同厚度的拼焊板實(shí)現(xiàn)的性能。通過(guò)采用具有多樣性的機(jī)械和/或物理性能的新型復(fù)合物，與通過(guò)使用拼焊板制造的部件相比，有可能出乎意料的進(jìn)一步減少部件的重量以及簡(jiǎn)化制造工藝?？梢圆捎枚喾N方法實(shí)現(xiàn)這些必須的多種性能。例如，復(fù)合物可采用一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)或加固組件，復(fù)合物可采用一個(gè)或多個(gè)厚度不同的組件，復(fù)合物可采用不同的材料，或它們的任何組合。
[0024]根據(jù)本文教義，輕質(zhì)復(fù)合材料不同于其他通常具有統(tǒng)一厚度和統(tǒng)一性能的復(fù)合物，如圖1所示的復(fù)合物10。例如，通常具有不同性能的復(fù)合物在國(guó)際公布號(hào)為T(mén)O2010/021899和W02011/100734 (2011年2月15日提交)的國(guó)家專(zhuān)利申請(qǐng)和國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/US11/45778(2011年8月15日提交)中有所描述，其內(nèi)容通過(guò)引用整體結(jié)合到本文中。通過(guò)參考圖1所示的復(fù)合物薄板的橫截面圖，復(fù)合物10可以是一三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，其包括一對(duì)金屬層12和一插入金屬層12之間的核心層14。一般來(lái)說(shuō)圖1所示的復(fù)合物10沿著其長(zhǎng)度和寬度具有統(tǒng)一的厚度。如圖1所示的復(fù)合物10沿著其長(zhǎng)度和寬度具有統(tǒng)一的性能(例如通常具有恒定的拉伸性能和/或恒定的剛度)。核心層14和金屬層12可能各自具有通常一致的厚度。核心層14可包括一聚合物16和金屬纖維18。圖1中的金屬纖維具有一寬度和厚度(如與長(zhǎng)度垂直的方向)，它們與核心層厚度相比相對(duì)較小。在復(fù)合物10中任何位置的金屬層12之間的空間中的金屬量通常低于總體積的約60%，低于總體積的50%或者低于總體積的40%。因此，復(fù)合10具有有限的一般統(tǒng)一的金屬增強(qiáng)性。
[0025]根據(jù)本文教義獲得的輕質(zhì)復(fù)合材料通常是異質(zhì)的，因?yàn)閺?fù)合物具有兩個(gè)或更多個(gè)具有不同橫截面和/或不同機(jī)械性能的區(qū)域。參考圖2，一異質(zhì)輕質(zhì)復(fù)合物20可具有一第一區(qū)域24，其具有一與第二區(qū)域26不同的橫截面。第一區(qū)域24可包括一插入到一對(duì)金屬層12之間的襯墊22。第二區(qū)域26可包括核心層14，其包括一個(gè)或多個(gè)聚合物16。襯墊22優(yōu)選由比核心層14的抗張強(qiáng)度更高的材料形成。核心層也可可選的包括足夠數(shù)量的一種或多種金屬纖維18，使得可使用電阻焊工藝焊接第二區(qū)域。如圖2所示，襯墊22可接觸一個(gè)或兩個(gè)金屬層12和/或核心層14可接觸一個(gè)或兩個(gè)金屬層12。例如，核心層14和/或襯墊22可在它們各自的區(qū)域均跨越兩個(gè)金屬層12之間的空間。如圖2所示，襯墊22可接觸核心層14。例如，襯墊22可在其邊緣表面23上接觸核心層14。在襯墊22和核心層14之間的唯一接觸可以是沿著襯墊22的一個(gè)邊緣表面23。
[0026]異質(zhì)輕質(zhì)復(fù)合物可包括兩個(gè)以上的區(qū)域，如圖3所示的復(fù)合物20的橫截面中，該復(fù)合物包括至少兩個(gè)具有較高抗張強(qiáng)度的區(qū)域24和一具有較低抗張強(qiáng)度的區(qū)域26。相對(duì)較低的抗張強(qiáng)度區(qū)域26可將兩個(gè)相鄰的抗張強(qiáng)度相對(duì)較高的區(qū)域24分隔開(kāi)。復(fù)合物20可包括兩個(gè)襯墊22。一個(gè)或兩個(gè)襯墊22可跨越兩金屬層12之間的距離，核心層14可跨越兩金屬層12之間的距離，襯墊22的一個(gè)或兩個(gè)可沿著襯墊22的邊緣接觸核心層14，或者它們的任意組合。參考圖2、3、4、5、6、7和8所示的橫截面圖，復(fù)合物20可具有通常統(tǒng)一的厚度。因此，復(fù)合物20的異質(zhì)性可能主要由于(或僅僅由于)復(fù)合物的不同區(qū)域的材料不同。異質(zhì)輕質(zhì)復(fù)合物20可具有一襯墊22延伸至復(fù)合材料的一個(gè)或多個(gè)邊緣25，如圖3所示。因此，復(fù)合材料可具有一寬度，其特征是沿著周邊區(qū)域具有較高的抗張強(qiáng)度，沿著中央?yún)^(qū)域具有相對(duì)較低的抗張強(qiáng)度。復(fù)合材料可包括兩個(gè)或更多個(gè)抗張強(qiáng)度相對(duì)較低的區(qū)域26，如圖4所示。例如，兩個(gè)相鄰的抗張強(qiáng)度相對(duì)較低的區(qū)域26可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)襯墊22分隔開(kāi)。如圖4所示，復(fù)合物可包括具有不同寬度的兩個(gè)襯墊22和/或兩個(gè)核心層14具有不同的寬度。如圖4所示，一襯墊22可在襯墊的兩個(gè)邊緣上接觸核心層材料。
[0027]有兩個(gè)或更多個(gè)襯墊的復(fù)合材料可包括由相同或不同材料制造的襯墊。例如，復(fù)合材料可包括一第一襯墊和一第二襯墊，其性能(例如，抗張強(qiáng)度、密度、厚度、或其任何組合)相同或不同。特定襯墊的材料由復(fù)合材料的功能需求決定，其在復(fù)合材料的不同區(qū)域可以不同。為了闡述目的，復(fù)合物的第一區(qū)域可能需要比其他不同區(qū)域更高的強(qiáng)度，這可通過(guò)使用與其他不同區(qū)域的襯墊相比具有更高抗張強(qiáng)度和/或更高厚度的襯墊來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0028]可以想象，襯墊22在襯墊24區(qū)域具有比金屬層12的分隔距離小的厚度，如圖5和圖6所示。例如，襯墊22可僅接觸一個(gè)金屬層12(如圖5所示)，或者一襯墊22可不與金屬層12接觸(如圖6所示)。襯墊22和金屬層12之間的空間可包括一聚合物材料30。聚合物材料30可與核心層14材料相同或不同。襯墊可具有四個(gè)表面，與聚合物材料30或者核心層14接觸，如圖6所示。
[0029]參考圖7和圖8，核心層14可具有一厚度(如平均厚度)34，第一金屬層可具有一厚度32，第二金屬層可具有一厚度36。核心層的厚度可足夠大使得復(fù)合物重量通常較低(例如比整塊金屬材料的重量至少小約5%，至少小約10%或者至少小約15，該整塊金屬材料具有相同尺寸，由與第一金屬層和/或第二金屬層相同的金屬形成)。例如，核心層34的厚度可大于第一金屬層32的厚度和/或大于第二金屬層36的厚度。優(yōu)選的，核心層34的厚度大于第一金屬層32和第二金屬層32的總厚度。參考圖8，襯墊具有一厚度(如平均厚度)40，假設(shè)為h，襯墊22和第一金屬層12之間的分隔區(qū)42的距離可以tsl，在襯墊22和第二金屬層12之間的分隔區(qū)38的距離可以是ts2。襯墊的厚度h可大于131和/或t s2。^與(t sl+ts2)的比例優(yōu)選約為1或更大，更優(yōu)選的約為1.5或更大，更優(yōu)選的約為2或更大，最優(yōu)選的約為3或更大。如上文所討論的，tsl和ts2可各自約為0。應(yīng)了解的是，襯墊可被一個(gè)或多個(gè)在一個(gè)或多個(gè)表面上接觸的襯墊部分代替(例如一襯墊的兩個(gè)部分可堆疊，例如沿著復(fù)合物的厚度堆疊和/或一襯墊的兩個(gè)部分可沿著一邊緣，例如在