兩件式膠接車輛組件的制作方法

兩件式膠接車輛組件的制作方法
【專利摘要】提供一種車輛組件，其包括具有主要纖維填料短切玻璃纖維的模塑組合物的第一固化層，具有主要纖維填料短切碳纖維的模塑組合物的第二固化層，以及具有設置為適應線性熱膨脹的微分系數的伸長特性的在所述的第一固化層和所述的第二固化層之間的粘合劑。所述的第二固化層是基本上無玻璃纖維的。所述的粘合劑是彈性粘合，其在-40至205℃之間是有效的。所述的第一固化層形成車輛的外皮層的表面，以及所述的第二固化層形成內部層，在其中，所述的外皮層的表面具有A類處理。
【專利說明】兩件式膠接車輛組件
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求在2013年6月26日提交的序列號為61/839, 434的美國臨時申請的 優先權；其內容通過引用結合于此。

【技術領域】
[0003] -般地，本發明涉及車輛結構，以及尤其是，由至少兩層形成的兩件式車輛組件： 所述的層之一主要由短切和分布式玻璃纖維加固，以及第二層主要由碳纖維加固，不同的 層經樹脂加工處理后結合，以形成該組件。

【背景技術】
[0004] 使用纖維夾雜物（fiber inclusions)來加固基體對于該領域是眾所周知的。用于 基體加固的完善建立的機制，包括減緩和延長穿過所述的基體的裂紋擴展的路徑，以及與 拉伸纖維擺脫周圍的基體材料相關的能量分布。在上下文的片狀模塑組合物（SMC)制劑、 散裝模塑組合物（BMC)制劑，以及樹脂傳遞模塑（RTM)纖維加固習慣上包括短切玻璃纖維 的應用。在模塑組合物的領域中日益認識到在模塑組合物中用碳纖維部分地，或者全部地 代替所述的玻璃纖維能夠提供改善的組件性能；然而，技術問題仍然存在，其包括不同層的 連接，纖維流，纖維表面能量，以及合成的組件的表面質量。
[0005] 碳纖維在組合物，片狀組合物，以及樹脂傳遞模塑（RTM)的應用的結果是，與玻璃 纖維加固材料相比形成具有較低質量的組件。通過碳纖維加固實現的質量的節省源于碳比 玻璃具有較低的密度，以及在一定厚度下產生更強和更硬的零件的事實。
[0006] 在車輛、運輸以及基于產業的物流上的重量的節省一直是一個巨大的關注點，以 為地面和空中運輸制造更多省油的車輛。在車輛零件中采用碳纖維加固的復合材料的質 量節省幫助了這些行業實現了有意義的質量節省。然而，高質量的表面處理，像是在車 輛行業中的A類表面的特征在于一高的表面光澤，通常只通過包含玻璃纖維的高級定制 的樹脂制劑獲得，像是商業上從康廷南拓結構塑料有限公司（Continental Structural Plastics, Inc.)獲得的用于SMC或者RTM的TCA?4對脂，或者像是鋁及其合金的金屬。車 輛表面面板一般都要求是A類表面：門，罩，圍板，行李箱，頂層結構，保險杠等，其構成了車 輛的大量的質量。
[0007] 因此，存在對將碳加固部分應用于車輛表面面板的方法和設計的需要。


【發明內容】

[0008] 一車輛組件包括具有主要的纖維填料短切玻璃纖維的模塑組合物的第一固化層， 具有主要的纖維填料短切碳纖維的模塑組合物的第二固化層；以及具有設置為適應線性熱 膨脹的微分系數的伸長特性的在所述的第一固化層和所述的第二固化層之間的粘合劑。所 述的第二固化層是基本上無玻璃纖維的，以及是由散裝模塑組合物（BMC)、片狀模塑組合物 (SMC)或者樹脂傳遞模塑（RTM)之一形成。所述的第一固化層或者所述的第二固化層其中 至少一個包括相對于全部纖維質量的一少數百分比的自然纖維。所述的第一固化層是外部 板，其成形成具有A類處理的車輛的外皮層的表面。所述的第二固化層是內部加固板。所 述的粘合劑是一彈性粘合劑，其在-40至400° F(-40至205°C )之間是有效的。
[0009] 所述的車輛組件可以包括至少一個附加層：具有主要的纖維填料短切玻璃纖維的 模塑組合物的第三固化層以及具有主要的纖維填料短切碳纖維的模塑組合物的第四固化 層，以及將所述的至少一附加層連接到所述的第一固化層或者所述的第二固化層之一以形 成一層壓制品的粘合劑的第二層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 就下列旨在說明本發明的某些方面的附圖，本發明進一步地被詳細說明，但是不 應該被解釋為對本發明在實施上的限制。
[0011] 圖1A-1C為根據本發明的實施例的，一具有玻璃纖維加固的A類片材的外部層的 兩件式車輛罩，以及具有碳纖維加固的片狀模塑組合物或者碳加固樹脂傳遞模塑（RTM)的 一內部層的車罩透視圖；
[0012] 圖2為根據本發明的實施例的，圖1A-1C由玻璃纖維加固處理表面外部板（邊界 線表面）與碳纖維加固結構內部板在多點粘合形成的車罩；以及
[0013] 圖3為根據本發明的實施例的，一典型的主體面板密封邊緣的截面圖，在其中，基 于玻璃纖維的A類外部板粘合（粘合劑，環氧基樹脂等等）或者固定在基于碳纖維的結構 內部板的粘合邊緣處。

【具體實施方式】
[0014] 本發明具有在兩件式車輛組件的形成中的應用，其由短切和分布式玻璃纖維在第 一固化層以及一粘合的由分布式碳纖維加固的第二固化層加固。雖然本發明在此被詳述為 涉及一兩件式結構，但是其應當理解為在此所述的兩件式結構可容易地復制以創建多層層 壓制品。通過舉例的方式，主要為玻璃纖維填料的外皮層與主要為碳纖維填料芯層的芯的 相對面結合；反之亦然；或者一系列可替換的主要纖維填料層以A-B-A…B的樣式結合。在 某些發明實施例中，模塑組合物的固化的內部主要由短切碳纖維加固，與主要由玻璃纖維 加固的第二片狀組合物的固化外皮結合，在其中，所述的外表面具有車輛表面質量處理，例 如A類處理。在此所使用的A類表面處理與表面光澤以及由車輛制造商所要求的外部主體 板的反射率有關，在一實施例中，所述的固化的內部是基本上無玻璃纖維的；而所述的外皮 是基本上無短切碳纖維的。
[0015] 在此所用的"模塑組合物"指的是SMC、BMC和RTM樹脂制劑，其經得起用玻璃或碳 的短切纖維裝填（loading)。
[0016] 在一特定的發明實施例中，在模塑組合物中的碳纖維存在于車輛組件的內部層 中，其包括占所述的內部層10到40%重量的碳纖維，具有基于商業上可獲得的包括玻璃纖 維的TCA? (康廷南拓結構塑料有限公司（Continental Structural Plastics, Inc.)) 的SMC的外皮層，其包括介于所述的TCA?·部分質量的10至60%之間的玻璃纖維，正如在 美國專利7655297中的實施例。內部與外皮的厚度的比率范圍介于01-10:1之間。所得到 的SMC內部層和外皮層被設置，形成，并且分別固化以及所述的兩層隨后結合以形成一組 件。注意到這樣的具有包含碳纖維的內部層的兩件式組件具有一密度，其是10、20、30甚至 40 %地少于完全從TCA?.或者其它A類表面處理樹脂形成的可比較的制品。使用這種方 法，一個輕量級的制品形成，其保留了 A類表面的高表面光澤。應當理解的是，給定的層，可 以包括碳纖維和玻璃纖維的結合，以及其他類型的纖維，像是天然素纖維，作為說明地，在 其他類型的纖維的負載被限制的條件下，包括椰子纖維，使得玻璃纖維主要存在于第一層 以及碳纖維主要存在于第二層。在此給定類型的纖維的主要存在被使用意味著所述的纖維 類型表現出高于在該層中出現的纖維的總質量的50%。在某一實施例中，每一層是100% 的給定類型的纖維，然而在其他實施例中，主要纖維在介于51至99%之間存在。
[0017] 被了解的是，在提供值的范圍的實例中，所述的范圍旨在不僅包括該范圍的終點 值，還包括作為明確地被包括在所述的范圍內的以及隨著所述的范圍的最后的有效數字改 變的所述的范圍的中間值。通過舉例的方式，一從1至4的列舉范圍旨在包括1 -2、1 -3、2-4、 3-4 以及 1-4。
[0018] 在本發明的另一個實施例中，碳纖維分散在基于甲基丙烯酸甲酯單體的模塑組合 物中。用作說明地，其他的合適的單體，模塑組合物制劑由其產生，包括不飽和聚酯，環氧樹 月旨，以及其組合。用作說明地，基于環氧樹脂的模塑組合物制劑包括雙酚-A以及酚醛基5 環氧封端樹脂（Novolac based 5epoxy terminated resins)。用作說明地，用于基于模塑 組合物制劑的這樣的環氧樹脂適合的固化劑包括酸酐，如偏苯三酸酐，甲基四氫鄰苯二甲 酸酐（MTHPA)，納迪克甲基酸酐（NMA)，二-和三-官能胺，以及其組合。
[0019] 在本發明的另一個發明實施例中，碳纖維分散在模塑組合物單體中或者包括具有 大于0. 26的相對極性的單體的溶液中，并且在某些實施例中大于0. 5,但是在其他實施例 中介于0. 5至0. 8之間。相對極性定義于皮?克里斯?蒂賴卡特，溶劑以及在有機化學中 的溶劑反應，威利-VCH，第3版，2003。
[0020] 在另一個發明實施例中，所述的碳纖維在結果是一加固的SMC、BMC或者RTM固化 制品的固化前分散在模塑組合物制劑中，當與玻璃纖維加固形成的類似層相比較時，其整 體上具有較低的密度，以及在質量上較低的纖維的裝填（loading)百分比。此外，通過使用 偶聯劑，實現了優異的拉伸強度。
[0021] 在某些發明實施例中，在接觸在固化時形成含有碳纖維的基體的模塑組合物之 前，在適當的大氣壓條件下進行加熱以去除在所述的碳纖維的表面上的任何膠料或者其他 常規的表面覆料。盡管如此，在其他發明實施例中，在惰性或者還原氣氛下進行加熱以從核 心碳纖維（the core carbon fibers)促進所述的膠料的熱解。可以理解的是在一發明的 兩件式車輛組件中回收碳纖維是可實現的。
[0022] 正如從相應的線性熱膨脹系數（CLTE)所了解的，由于碳的散熱比玻璃的好得多， 主要碳纖維填料層比其他方面類似的主要玻璃纖維填料層冷卻得快得多。固化后在動態冷 卻中的差異對于更薄的碳纖維填料層是嚴重的，以使它們特別容易彎曲。因此，由于在CTLE 中的差異以及介于所述的主要玻璃纖維填料層和主要碳纖維填料層的材料硬度，結合粘合 劑必須具有特殊的伸長能力，以補償在-40至140° F(40至60°C )的溫度范圍之上，以及 甚至與固化條件以及層的熱結合相關的高達400° F(205°C)的所結合的層的相差的CTLE。 在具體的發明實施例中，彈性粘合劑可以用于粘結內部層和外部層。用作說明地，此處有效 的以結合一發明的組件的不同層的彈性粘合劑包括氨基甲酸酯、環氧樹脂，以及其結合。在 發明實施例中，所述的粘合邊緣的厚度從為了結合相似的纖維填料層在一起的1/4-1/2英 尺（0. 63-1. 27厘米）增加到為了該發明兩件式結構的1-1. 5英尺（2. 54-3. 81厘米）。 [0023] 現在參閱圖1A-1C所示的發明的兩件式組件形成車輛罩10,具有主要玻璃纖維加 固A類片材的外部層12,以及主要碳纖維加固片狀模塑材的內部層14。正如所示的，所述 的外部層12具有頂部12T，其作為所述的車輛的外部的處理表面被暴露，以及以底部12B， 其與內部層14結合。所述的頂部12T是經磨的，以及噴漆以實現A類或者類似的與新的車 輛外部相關的高光澤表面處理。在附圖1A-1C的層12和14的典型的厚度分別是2. 5-2. 7 毫米（mm)以及l-2mm。正如上述的，可以理解的是，用作說明地，層結合在一起以形成更復 雜的層壓制品，其分類排列的順序包括12-14-12、l-14-12-14、12-14-(12-14) n?12以及 12-14-(12-14)n，其中η是整數η或者其他。還應理解的是，層12和14的厚度是可變的， 取決于期望的強度以及整體層壓制品厚度，以具有超出上述提出的典型值的值。
[0024] 根據本發明的具體實施例，圖2示出圖1中的由主要玻璃纖維加固處理表面的外 部層12(為了視覺清晰示出為透明的）在復合點粘合主要碳纖維加固結構的內部板14形 成的組件10。所述的內部層14在各種節點16處，或者沿著層周長18粘合。此外，乳香滴 (mastic drops) 20可提供準確的粘合以修改連接屬性。
[0025] 根據本發明的具體實施例，圖3是一個典型的主體面板密封邊緣的截面圖，在其 中基于玻璃纖維的A類外部層12粘合16 (粘合劑，環氧樹脂）或者固定在基于碳纖維的結 構內部層14的的粘合邊緣22處。一般地，車輛圍繞框架建造，在其中車輛具有處理的表面 面板，其被固定或者被結合至底部構造以形成主體面板，其為結合所述的框架的不規則表 面而設計。所述的粘合邊緣22挨著相應的密封承載面。所述的結構的內部板14的"帽"部 分24延伸至到達并附著在所述的框架上（未示出）。
[0026] 前面所述的是說明本發明的特定的具體實施例的，但是此處并不意味著在實施中 的限制。以下的權利要求，包括此處其中所有的等同物，旨在說明本發明的范圍。
【權利要求】
1. 一種車輛組件包括： 具有主要的纖維填料短切玻璃纖維的模塑組合物的第一固化層； 具有主要的纖維填料短切碳纖維的模塑組合物的第二固化層；以及 具有設置為適應線性熱膨脹的微分系數的伸長特性的在所述的第一固化層和所述的 第二固化層之間的粘合劑。
2. 根據權利要求1所述的車輛組件，其特征在于，所述的第二固化層是基本上無玻璃 纖維的。
3. 根據權利要求1所述的車輛組件，其特征在于，所述的粘合劑在-40至205°C之間是 有效的。
4. 根據權利要求1所述的車輛組件，其特征在于，所述的粘合劑是彈性粘合劑。
5. 權利要求1所述的車輛組件進一步地包括一介于2. 54?3. 81cm之間的粘合邊緣。
6. 根據權利要求1所述的車輛組件，其特征在于，所述的第二固化層由散裝模塑組合 物（BMC)、片狀模塑組合物（SMC)或者樹脂傳遞模塑（RTM)之一形成。
7. 權利要求1至6任意一項所述的車輛組件進一步地包括至少一附加層：具有主要的 纖維填料短切玻璃纖維的模塑組合物的第三固化層以及具有主要的纖維填料短切碳纖維 的模塑組合物的第四固化層，以及將所述的至少一附加層連接到所述的第一層或者所述的 第二層之一以形成一層壓制品的粘合劑的第二層。
8. 根據權利要求1至6任意一項所述的車輛組件，其特征在于，所述的第一固化層或者 所述的第二固化層其中至少一個包括相對于全部纖維質量的一少數百分比的自然纖維。
9. 根據權利要求1至6任意一項所述的車輛組件，其特征在于，所述的第一固化層為一 外部板。
10. 根據權利要求1至6任意一項所述的車輛組件，其特征在于，所述的第二固化層為 一內部加固板。
11. 根據權利要求1所述的車輛組件，其特征在于，所述的第一固化層形成了一車輛的 外皮層的表面以及所述的第二固化層形成了內部層。
12. 根據權利要求11所述的車輛組件，其特征在于，所述的外皮層表面具有A類處理。
13. 根據權利要求11所述的車輛組件，其特征在于，所述的內部層具有一內層厚度以 及所述的外皮層具有一外皮厚度，且所述的內部層的厚度與所述的外皮的厚度的比值介于 01-10:1 之間。
14. 根據權利要求1所述的車輛組件，其特征在于，所述的模塑組合物為A類表面處理 樹脂。
15. 根據權利要求14所述的車輛組件，其特征在于，所述的A類表面處理樹脂是基本上 無短切碳纖維的。
16. 權利要求1至6任意一項所述的車輛組件進一步地包括多層薄片，所述的多層層壓 制品包括所述的第一固化層和所述的第二固化層的替換層，在其中，所述的替換層和所述 的粘合劑結合。
【文檔編號】B62D25/10GK104520173SQ201480002031
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2013年6月26日
【發明者】普羅拜爾·庫馬爾·古哈, 邁克爾·J·西瓦杰克, 邁克爾·J·希爾圖寧, 沙恩·什科普, 薩蒂什·哈里阿迪 申請人:康廷南拓結構塑料有限公司