可成型的輕質復合材料體系及方法
【專利說明】
[0001] 要求申請日期的權益
[0002] 本發(fā)明要求享有美國臨時專利申請US 61/304,640(Mizrahi等于2010年2月15 日申請）、US 61/371，360 (Mizrahi 等于 2010 年 8 月 6 日申請）、US 61/377, 599 (Mizrahi 于2010年8月27日申請）及US 61/387, 164 (Mizrahi于2010年9月28日申請）的申請 日期的權益，以上專利的內容通過引用整體結合在本申請中。
技術領域
[0003] 總的來說，本發(fā)明涉及纖維填充聚合物材料，并且涉及包括纖維填充聚合物材料 層的復合材料，特別是涉及包括纖維填充聚合物層和金屬層的夾芯復合材料。
【背景技術】
[0004] 國際專利申請公開WO 2010/021899 (Mizrahi于2010年2月25日申請，并通過引 用整體結合到本申請中），描述了獨特且輕質的新型復合材料及相關方法和體系。此類復 合材料廣泛應用于一系列技術中。例如，據描述，此類復合材料在運輸技術（如汽車技術） 中具有特殊用途。它們還有其它應用，如建筑技術或家電技術。遺憾的是，各種技術領域的 成本和性能要求不同，或者即使在同一技術領域的不同應用之間，性能和成本要求也不同， 因此，提供"通用型"材料體系是一個難題。因此，不管國際專利申請公開WO 2010/021899 中的各種教導，探索材料體系的各種變化，用于增強復合材料，如夾芯型復合層壓材料的商 業(yè)魅力，仍然具有吸引力。此外，對于某些應用來說，調節(jié)各種復合材料，如WO 2010/021899 中材料的性能，使它們具有相對較寬的加工窗口，具有焊接性、拉伸性、可以涂布與/或在 各種應用中代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料（如鋼），
[0005] 同時，相對于傳統(tǒng)材料，重量明顯減輕，也是有吸引力的。例如，在交通運輸業(yè)，汽 車部件（如面板、支持構件等）仍然需要采用重量相對較輕的材料代替鋼材、鋁或代替它們 兩者。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明涉及夾芯層壓材料體系。正如應該了解的是，雖然本發(fā)明強調在汽車工業(yè) 的應用，但是，它們也可以在其它領域使用。
[0007] 總的來說，本發(fā)明涉及填充聚合物材料（及復合材料，如包括所述填充聚合物材 料的夾芯復合材料），包括：熱塑性聚合物和分布在所述聚合物中的多根金屬纖維，所述 熱塑性聚合物選自由以下聚合物組成的群組：聚烯烴、縮醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚 物（如包括至少兩種酰胺單體的聚酰胺共聚物和包括至少一種非酰胺單體的聚酰胺共聚 物）、離聚物、聚酰亞胺、聚酯、聚碳酸酯、熱塑性聚氨酯、熱塑性聚醚-酯共聚物、丙烯腈-丁 二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、包括至少60wt. % α-烯烴和至少另外一種單體的共聚 物、包括任意所述聚合物的共聚物、包括任意所述聚合物的離聚物以及以上所述聚合物的 任意組合；其中所述金屬纖維的含量大于所述填充聚合物材料總體積的大約3%體積％ (vol% ) 〇
[0008] 本發(fā)明的這個方面還可以進一步以下述任意組合中的一種表征：熱塑性材料包 括聚烯烴（如聚丙烯、聚乙烯或它們的組合）、縮醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚物、聚酰亞 胺、聚酯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、包括至少60wt. % α-烯 烴和至少另外一種單體的共聚物、包括所述聚合物中任一種聚合物的共聚物或它們的任意 組合；熱塑性材料包括聚酰胺共聚物、熱塑性聚氨酯、熱塑性聚醚-酯共聚物、離聚物或它 們的任意組合；填充聚合物有厚度，所述纖維是以纖維束的形式存在，所述纖維束貫穿填 充聚合物材料的厚度；或者所述熱塑性材料在在拉伸應變率大約〇. Is 1條件下按照ASTM D638-08標準測定時的斷裂伸長率至少大約是20%。
[0009] 在本發(fā)明的一個特殊方面，所述聚合物可選自聚烯烴、聚酰胺或它們的組合；所述 纖維是包括帶狀，如鋼帶的纖維束（如纏結纖維束）形式。
[0010] 本發(fā)明的另一個方面涉及一種輕質復合材料，包括：第一金屬層（如鋼板）；第二 金屬層（如鋼板）；夾在第一金屬層和第二金屬層之間的聚合物層（如本發(fā)明以上各方面 所描述的聚合物）；分布在所述聚合物層內的多根金屬纖維；其中至少沿一半纖維長度與 金屬層接觸的金屬纖維部分（fraction)為大約0. 3或更少；所述聚合物層包括含聚合物的 填充聚合物材料，所述聚合物在拉伸應變率大約〇. Is 1時按照ASTM D638-08標準測定的斷 裂伸長率至少大約是20% ;因此，所得復合材料可以焊接，而且所得復合材料在應變率大于 大約0.1 s 1時能夠塑性變形。根據本發(fā)明的這一方面，第一金屬層，第二金屬層或這兩個金 屬層可以未進行任何表面處理、不含任何涂層或在金屬層和聚合物層之間不含任何其它層 (應該了解的是，盡管如此，可以任選采用一個或多個合適的層，而且仍然屬于本發(fā)明的范 圍）。
[0011] 本發(fā)明方法相關方面涉及一種板的成型工藝，包括：成型此處所述的填充熱塑性 聚合物板，并監(jiān)測所述板的質量。例如，所述聚合物層可以如在連續(xù)工藝、間歇工藝或其它 工藝中預成型（即預成型板），并層壓到至少一個金屬層上或層壓到相對的兩個金屬層之 間。
[0012] 本發(fā)明的另一個方面涉及復合部件的成型工藝，包括一個對此處所述的復合材料 進行沖壓的步驟。
[0013] 本發(fā)明的另一個方面涉及包括復合材料，如此處所述的復合材料的焊接結構，所 述復合材料被焊接到鋼材（如電阻焊）、焊接到除鋼材以外的金屬、焊接到基本上相同的復 合材料、焊接到不同的復合材料或焊接到以上所述材料的組合上。令人吃驚的是，這種輕質 復合材料可以包含一聚合物層，所述聚合物層布置一定量的金屬纖維，所述金屬纖維的量 足夠使復合材料的電導率達到使復合材料能夠焊接的程度（如采用目前汽車生產線中電 阻焊鋼材使用的傳統(tǒng)設備和工藝），而且纖維的量仍然足夠低，使復合材料具有頗有吸引力 的性能特點，如相對較高的強度重量比、可涂布性、通過材料降低聲音的傳輸或以上所述特 點的組合。
【附圖說明】
[0014] 圖IA示出了包含聚合物層和金屬層的復合材料；
[0015] 圖IB示出了包括夾在兩個金屬層之間的聚合物芯層的復合材料；
[0016] 圖2是監(jiān)測聚合物材料或復合材料的示意工藝圖。
【具體實施方式】
[0017] 總的來說，正如即將說明的那樣，此處的材料采用填充聚合物材料，尤其是包括分 布在聚合物基質中的金屬纖維相的填充聚合物材料。一般說來，此處所述復合材料采用至 少兩層，其中一層是上文所述結合的（如纖維填充的）（如在纖維填充聚合物層內的）聚合 物材料。更具體地說，此處所述材料是包括夾芯結構的復合材料，其中在兩層或多個其它層 之間夾了一層纖維填充聚合物層。此處所述材料還考慮了夾芯結構前體，即第一層，所述填 充聚合物層連接在第一層上，這樣，填充聚合物層具有一個暴露的外表面，然后，第二層可 連接到填充聚合物層上。本發(fā)明還考慮了包括本發(fā)明纖維填充聚合物材料的原料組合物 (即顆粒、板或其它形式）。正如將要闡述的那樣，此處所述材料具有獨特的、令人吃驚的、 頗有吸引力的性能組合，使所述材料適合變形操作（如相對較高的應變率成型操作，如沖 壓）、焊接操作或適合這兩種操作。例如，正如將從這些教導中看到的那樣，所述填充聚合物 設計為多相。至少一個相（如填料）提供導電通路，而且是可以塑性變形的，而且當經受誘 導塑性變形的應力時，甚至會出現(xiàn)應變硬化，此外，聚合物相應足夠粘到另一材料（如金屬 層，如鋼板）上，復合材料進行焊接與/或變形（如成型，如沖壓）加工時，將不會出現(xiàn)復合 材料的分層。當進行涂布操作時，聚合物相還應能夠耐受降解（如當進行金屬板涂布操作 中常用的化學浴，如靜電涂布浴，或其它賦予其防腐性能的?。?。
[0018] 本發(fā)明教導的各個方面利用材料的獨特組合，以得到一種頗有吸引力的復合材 料，尤其是一種層壓復合材料。舉例而言（但是本發(fā)明并不受這些實例的限制），層壓材料 可以拉伸（如深拉）、焊接或兩者均可，一般說來，以傳統(tǒng)技術領域公開的板材，如金屬板 (如不銹鋼與/或低碳鋼）的類似方式，本發(fā)明利用多相復合材料，其中對材料進行選擇和 利用，整體上，它們賦予拉伸性、焊接性或賦予這兩種性能。此外，所述材料是這樣的：得到 的層壓材料可以以類似于傳統(tǒng)技術領域公開的薄壁結構的方式加工，尤其是其涉及賦予裝 飾性或功能性表面處理（如涂料、電鍍或其它）的工藝。
[0019] 例如，在此處尤其優(yōu)選的材料組合時，可能包括夾住芯層材料的兩層，所述芯層優(yōu) 選是填充聚合物材料。所述填充聚合物材料優(yōu)選包括至少一種聚合物，所述聚合物可能包 括熱塑性聚合物、基本上或完全由熱塑性聚合物組成，或者具有使其通常可作為熱塑性聚 合物加工的特點。所述填充聚合物材料優(yōu)選還包括填料相，并優(yōu)選包括纖維相，基本上或完 全由纖維相組成，尤其是伸長纖維相，如伸長金屬纖維相。此相可足夠定位與/或分布（如 包覆、編織、對齊、纏結或它們的組合），且用量足夠，即使聚合物本身通常并不導電，也能在 至少部分填充聚合物材料處實現(xiàn)導電網絡。尤其優(yōu)選的伸長纖維相本身也能夠伸長（單根 纖維或纖維束整體能夠伸長或單根纖維和纖維束整體均能夠伸長），并且可能出現(xiàn)應變硬 化。
[0020] 應該了解的是，此處提到的"層"并不一定要求材料部件是分離的和獨立的。例 如，如果層壓復合材料包括本身折疊而定義了兩層的單塊材料，這兩層材料共有一個邊，在 這兩層材料之間是填充聚合物材料，這樣的材料仍然屬于本發(fā)明的教導范圍。
[0021] 現(xiàn)在，轉向此處教導的更具體的方面，可以看出，本發(fā)明的第一個方面是一種采用 相鄰之間不同材料層制造的復合材料，所述材料包括至少一層（如金屬層，如金屬面層）和 至少一種聚合物層，所述復合材料可以形成成型面板（如可通過施加應力誘導材料的塑性 應變（如以相對較快的速率）而可以沖壓，或者能夠在壓機上冷成型）。所述復合材料可以 是包含一個金屬層和一個聚合物層的復合層壓材料，或者它可包括一個或多個其它層。例 如，它可以是在兩個聚合物層之間夾有一個金屬層的層壓材料，或是在至少兩個相對的金 屬層之間夾有一個聚合物層的層壓材料。如上所述，尤其優(yōu)選的是后面這種結構，前一結構 可作為后一結構的前體。在這種情況下，成型夾芯結構的方法可包括一個將一層應用到前 體上以形成夾芯結構的步驟，一個將第一前體應用于第二前體上以形成夾芯結構的步驟， 或包括這兩個步驟。
[0022] 圖IA所示的一個實例所示，復合層壓材料10具有一個金屬層14和一個聚合物層 16。夾芯層12可包括第一金屬層14,第二金屬層14'和夾在第一金屬層和第二金屬層之間 的聚合物層16 (如聚合物芯層），如圖IB所示。參考圖IA和圖1B，所述聚合物層18包括 至少一種聚合物（如熱塑性聚合物）18和纖維20。聚合物層16和第一金屬層14具有共同 表面22。如圖IA和IB所示，某些或全部纖維具有這樣的長度和方向：使它們從聚合物層 的一個表面延伸到聚合物層的相對表面。然而，應該注意的是，其它纖維長度和方向也屬于 本發(fā)明的范圍。例如，在聚合物層相對的兩個表面之間延伸的纖維（如金屬纖維）的含量 小于20%、小于10%、小于5%或小于1%。圖IA和IB所示的纖維通常是直纖維。從此處 教導應該了解的是，優(yōu)選的纖維通常并不是直的。優(yōu)選的纖維在纖維長度方向具有一個或 多個彎曲，具有通常彎曲的輪廓，或者兩者均具。
[0023] 正如提到的那樣，除復合材料之外，多層結構，本發(fā)明的另一個方面，考慮了一種 包括熱塑性聚合物和纖維（如金屬纖維）的前體聚合物層板材（即單層聚合物層），然后， 所述板材可以夾在兩個金屬層之間。
[0024] 本發(fā)明的另一個方面考慮了一種包含聚合物和纖維的前體聚合物原料材料。此類 聚合物原料材料可以作為單層或采用一種或多種其它材料稀釋（如一種或多種其它聚合 物）成型（如注射成型或擠出成型）成聚合物層（如板）。為此，前體聚合物原料材料可包 括復合材料聚合物層中的某些或全部組分。前體聚合物原料材料優(yōu)選包括聚合物層的幾乎 所有纖維。
[0025] 在使用中，復合材料可以變形（如成型，如通過沖壓成型）、連接到另一結構（如鋼 材或另一種復合材料），或兩者均可。優(yōu)選的方法是采用一個將本發(fā)明的復合材料焊接到其 它結構的步驟。成型面板可以與其它部件連接，若必要的話，采用除焊接之外的技術，如通 過粘合劑、釬焊等。在這兩種情況下，復合材料（如層壓復合材料或夾芯板）可采用成本低 的沖壓方法成型，令人吃驚的是，這樣做也不存在本領域先有技術面臨的各種限制。所述復 合材料的獨特特征使其在傳統(tǒng)上利用規(guī)則整體金屬板的應用中，成為極端有吸引力的候選 材料，如交通工業(yè)（如汽車）中目前采用的車身面板。
[0026] 本發(fā)明的一個獨特特點是其包括聚合物的具體選擇（如熱塑性聚合物）和金屬纖 維，并在聚合物基質中包括金屬纖維和任選顆粒，以及其它任選填料，以制備適用于低成本 沖壓操作的新型可成型的復合材料（如夾芯或層壓結構）。另一個新穎性是可沖壓的夾芯 層可采用傳統(tǒng)的焊接技術，如電阻焊連接（如點焊、縫焊、閃光焊、凸焊或電阻對接焊）、能 束焊接（如激光束、電子束或激光復合焊接）、氣焊（如采用氧乙炔等為氣體的氧燃氣焊）、 電弧焊（如氣體保護金屬極弧焊、金屬惰性氣體電弧焊或掩護金屬電弧焊）。優(yōu)選的連接技 術包括高速焊接技術，如電阻點焊和激光焊。
[0027] 可成型/可沖壓材料的各種特點、測試方法、測試標準、缺陷描述、焊接工藝和特 點、成型工藝說明均在下述出版物中進行了說明，所有出版物均通過引用而整體結合在本 申請中。
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