包括不同性能的區域的復合材料和方法
【專利說明】包括不同性能的區域的復合材料和方法
[0001]要求申請日的權益
[0002]本發明要求2011年2月21提交的申請號為61/444，942的美國臨時申請的申請日權益；其內容通過引用整體結合到本文中。
技術領域
[0003]本發明一般涉及具有三明治結構的復合材料，其包括一插入兩個金屬層之間的聚合物核心，其中復合材料包括多個具有一種或多種不同性能的區域，本發明還涉及用于制造這種復合材料的工藝、用于生產包括這種復合材料的部件的工藝以及包括這種復合材料的部件。
【背景技術】
[0004]許多金屬部件需要有較高要求性能的區域和其他性能要求較低的區域。以減輕重量和/或部件材料的使用量，有各種技術加工、切割、或以其他方式裁剪作為整體的金屬部件。
[0005]例如，近期已經通過使用拼焊板實現了部件重量減少的發展，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、焊接這種板的方法以及拼焊板的應用的實例描述在專利號為7，062，853 (Reed等人)，專利號為6，957，848 (ffalther)和專利號為7，543，384(Ni等人)的美國專利中，在“拼焊板”和2004年12月6日的I_Car優勢在線(http://www.1-car.com/pdf/advantage/online/2004/120604.pdf)，這些都通過引用整體結合到本文中。
[0006]盡管在拼焊板中實現了重量的減少，但是，仍然需要有一材料系統，進一步實現重量減少，費用減少，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(例如在一個或多個區域)，或者它們的任意組合。
【發明內容】
[0007]本發明是基于設計和制造復合材料的能力，該復合材料包括具有不同性能的多個區域。優選的，可在具有不同性能要求的部件中使用該復合材料，使得該部件的重量能夠減少(例如與通過整塊金屬形成的部件相比)或者使得這種部件制造起來更容易或成本更低。
[0008]一般來說，此處的教義適合包括核心層的復合材料，該核心層包括被夾在兩金屬層之間的聚合物。復合材料優選包括具有不同厚度的兩個區域，一區域包括一襯墊(例如另一不同的區域不含襯墊)，或者兩個區域皆包含襯墊。
[0009]根據本發明的一個方面，復合材料是一輕質復合物，包括:第一金屬薄板；第二金屬薄板；一個或多個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；輕質復合物包括一具有插入第一金屬薄板之間的襯墊的第一區域，其中第一區域具有相對高的抗張強度和/或相對較高的厚度；輕質復合材料還包括一第二區域，其抗張強度弱于第一區域和/或厚度小于第一區域。
[0010]本發明的另一個方面是針對一種生產輕質復合材料，例如根據本文教義獲得的復合材料的方法，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]本發明的另一個方面是針對一種形成一部件或組件的方法，包括使復合材料，例如根據本文教義獲得的復合材料變形的步驟。
[0012]根據本文教義獲得的輕質復合材料通過使用沖壓工藝變形和/或通過電阻焊工藝焊接。
[0013]本發明的另一個方面是針對一種部件或組件，例如通過根據本文教義獲得的方法和/或根據本文教義獲得的復合物材料形成的汽車零件或組件。
【附圖說明】
[0014]圖1是通常具有同樣性能和統一厚度的示例性復合物圖；
[0015]圖2是一示例性復合物的橫截面圖，其通常具有統一厚度并包括一襯墊使其具有性能不同的區域；
[0016]圖3是一示例性復合物的橫截面圖，該復合物通常具有統一厚度和包括兩個襯墊使其具有性能不同的區域；
[0017]圖4是一示例性復合物的橫截面圖，該復合物通常具有統一厚度和包括兩個具有不同寬度的襯墊；
[0018]圖5是一示例性復合物的橫截面圖，該復合物通常具有統一厚度，并包括一襯墊，其附著接觸一個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是示例性輕質復合物的橫截面圖，該圖闡明了襯墊、兩個金屬層和核心層的特征；
[0021]圖9、10、11、12、13、14A、14B和14C是具有不同厚度區域的示例性輕質復合物的橫截面圖；
[0022]圖15顯示了根據本文教義，復合材料相對于通過激光焊接兩個整體金屬板制造的拼焊板的重量減少。
【具體實施方式】
[0023]根據本文教義，輕質復合材料(即異質輕質復合物)能夠滿足部件需具備表現性能不同的區域的需求，例如通過使用具有不同厚度的拼焊板實現的性能。通過采用具有多樣性的機械和/或物理性能的新型復合物，與通過使用拼焊板制造的部件相比，有可能出乎意料的進一步減少部件的重量以及簡化制造工藝。可以采用多種方法實現這些必須的多種性能。例如，復合物可采用一個或多個加強或加固組件，復合物可采用一個或多個厚度不同的組件，復合物可采用不同的材料，或它們的任何組合。
[0024]根據本文教義，輕質復合材料不同于其他通常具有統一厚度和統一性能的復合物，如圖1所示的復合物10。例如，通常具有不同性能的復合物在國際公布號為TO2010/021899和W02011/100734 (2011年2月15日提交)的國家專利申請和國際專利申請PCT/US11/45778(2011年8月15日提交)中有所描述，其內容通過引用整體結合到本文中。通過參考圖1所示的復合物薄板的橫截面圖，復合物10可以是一三明治結構的復合物，其包括一對金屬層12和一插入金屬層12之間的核心層14。一般來說圖1所示的復合物10沿著其長度和寬度具有統一的厚度。如圖1所示的復合物10沿著其長度和寬度具有統一的性能(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(如與長度垂直的方向)，它們與核心層厚度相比相對較小。在復合物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，復合10具有有限的一般統一的金屬增強性。
[0025]根據本文教義獲得的輕質復合材料通常是異質的，因為復合物具有兩個或更多個具有不同橫截面和/或不同機械性能的區域。參考圖2，一異質輕質復合物20可具有一第一區域24，其具有一與第二區域26不同的橫截面。第一區域24可包括一插入到一對金屬層12之間的襯墊22。第二區域26可包括核心層14，其包括一個或多個聚合物16。襯墊22優選由比核心層14的抗張強度更高的材料形成。核心層也可可選的包括足夠數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域。如圖2所示，襯墊22可接觸一個或兩個金屬層12和/或核心層14可接觸一個或兩個金屬層12。例如，核心層14和/或襯墊22可在它們各自的區域均跨越兩個金屬層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的一個邊緣表面23。
[0026]異質輕質復合物可包括兩個以上的區域，如圖3所示的復合物20的橫截面中，該復合物包括至少兩個具有較高抗張強度的區域24和一具有較低抗張強度的區域26。相對較低的抗張強度區域26可將兩個相鄰的抗張強度相對較高的區域24分隔開。復合物20可包括兩個襯墊22。一個或兩個襯墊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的一個或兩個可沿著襯墊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，復合物20可具有通常統一的厚度。因此，復合物20的異質性可能主要由于(或僅僅由于)復合物的不同區域的材料不同。異質輕質復合物20可具有一襯墊22延伸至復合材料的一個或多個邊緣25，如圖3所示。因此，復合材料可具有一寬度，其特征是沿著周邊區域具有較高的抗張強度，沿著中央區域具有相對較低的抗張強度。復合材料可包括兩個或更多個抗張強度相對較低的區域26，如圖4所示。例如，兩個相鄰的抗張強度相對較低的區域26可通過一個或多個襯墊22分隔開。如圖4所示，復合物可包括具有不同寬度的兩個襯墊22和/或兩個核心層14具有不同的寬度。如圖4所示，一襯墊22可在襯墊的兩個邊緣上接觸核心層材料。
[0027]有兩個或更多個襯墊的復合材料可包括由相同或不同材料制造的襯墊。例如，復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合材料的功能需求決定，其在復合材料的不同區域可以不同。為了闡述目的，復合物的第一區域可能需要比其他不同區域更高的強度，這可通過使用與其他不同區域的襯墊相比具有更高抗張強度和/或更高厚度的襯墊來實現。
[0028]可以想象，襯墊22在襯墊24區域具有比金屬層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，假設為h，襯墊22和第一金屬層12之間的分隔區42的距離可以tsl，在襯墊22和第二金屬層12之間的分隔區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)的比例優選約為1或更大，更優選的約為1.5或更大，更優選的約為2或更大，最優選的約為3或更大。如上文所討論的，tsl和ts2可各自約為0。應了解的是，襯墊可被一個或多個在一個或多個表面上接觸的襯墊部分代替(例如一襯墊的兩個部分可堆疊，例如沿著復合物的厚度堆疊和/或一襯墊的兩個部分可沿著一邊緣，例如在