专利名称：在金属皮之间带有牛皮纸芯的结构面板的制作方法
技术领域：
本发明涉及在非常薄的金属板之间叠压牛皮纸，且更具体地涉及以较小的附加成本或重量制造具有提高的刚性的复合板的钢。
在以低成本来要求强度、耐用性及易于制造的许多应用中使用薄钢板。例如，在车身、设备、用具、构造和包装中使用薄钢板。薄钢板性能的一重要的度量是其抗弹性挠曲度，或被称之为刚度。
对于需要高刚度的应用，薄钢板的厚度必须与所要求的刚度成比例地增大。超过的材料厚度提供了附加的抗弹性挠曲度。然而，薄钢板厚度的增加不利地提高了成品的成本和重量。
这样，尽管钢的成本明显地低于铝的成本，对于成品的重量是关键性的应用来说，铝成为选择的材料。采用包括具有聚合物芯和铝板制成的外金属皮的铝复合板的构成材料实现了重量的更多降低。例如在US4958472和US4940279中公开的车辆的拖车身的构成中发现了这些板的应用。
已认识到在这样的复合板中取得的增大的强度对重量比导致外皮的物理分离，且可不需要填充材料或芯材料。在WO96/23621中，建议生产一种空心板，其中通过在被选择地焊接至一相邻薄钢板的一薄钢板中形成的半球形圆顶而保持两薄钢板之间的分离。
另一方面，申请人未意识到通过用一种替换的芯材料来替代聚合物芯而保持复合板的刚度的提议。申请人还未意识到制做分层结构面板，其中外皮由薄钢板制成的任何提议。已知金属对纸被分层的那些应用包括例如US4314002中的inter alia铠装接线卡以支持电子元件，在这里使用纸是因为它对介电特性的贡献且未提供结构上的优点。在其他已知的金属和纸叠压，例如US3055768中公开的包装物料中，该金属是没有结构效用的很薄的铝箔。
本发明的目的是提高在上述种类的结构应用中所用的金属板的刚度而不增加过多的成本或重量。
根据本发明，提供有一种结构面板，包括对一纸芯被分层的金属板外皮。该金属皮比箔厚且具有0.005英寸(0.1mm)的最小厚度。最好，这些金属皮还比卡片薄且具有0.012英寸(0.3mm)的最大厚度。“夹”在这些金属皮之间的该纸芯是相对厚的且具有0.01英寸(0.2mm)的最小厚度并通常不超过0.05英寸(1.3mm)。
最好，这些金属皮为薄钢板而该纸芯包括一单卷牛皮纸，该单卷牛皮纸具有多个用于生成粘接地桥接这些外皮的路径并使由对弯曲导致的故障的抵抗性最优的开孔。
为了更好地理解本发明，以下参照
优选实施例，附图中图1为包括单层纸芯的本发明的第一实施例的概略性截面视图；图2为包括双层纸芯的本发明的第二实施例的概略性截面视图；图3为本发明(阴影区)和现有技术(非阴影区)的金属皮和纸芯的相对厚度的图形示意图；图4为一束中的刚度的图形表示；图5(图4上方所画的)为将一负载加至一束以测量刚度的概略性示意图；图6为没有任何粘结桥的根据本发明的一层压板的放大的不连续的透视图；图7为具有粘结桥的根据本发明的一层压板的放大的局部切开的透视图；图8a为将一负载加至一束以表明弯曲的中性轴的概略性示意图；图8b为表示平行于该弯曲的中性轴的纸的加工方向的一卷纸的平面视图；图9a为将一负载加至一束以表明弯曲的中性轴的概略性示意图；图9b为表示垂直于该弯曲的中性轴的纸的加工方向的一卷纸的平面视图；图10为呈现一皮弯曲故障的根据本发明的一层压板(没有粘结桥)的概略性示意图；图11为具有在一加压负载下的粘结桥并抵抗皮弯曲故障的一层压板的概略性示意图；图12为具有粘结桥的根据本发明的制做的一层压板的强度提高的图形示意图；图13至17为根据本发明制造的各种不同的层压板和一铝板的刚度的图形示意图；及图18(相邻图2所画的)为表示作为与一聚合物芯相关联的外皮的根据本发明的一层压板的应用的概略性截面视图。
一束片或板的弹性挠曲与由该束片或板绕其挠曲轴所生成的惯性量成反比。因此通过增大一金属板绕其挠曲轴的惯性量而能增大一金属板的弹性刚度。因此，通过增大该金属板的厚度而能实现该点。
本发明所建议的增大金属板的厚度的一种经济的替换方案是在暴露的金属板之间叠放连续的低成本的牛皮纸片，从而增大该复合板的惯性量且实质地增大该复合板的刚度。
这些层纸可用具有所需的粘连强度和机械特性的粘结剂被相互粘连并被粘结至金属板以放止叠放层之间的滑动，或这些叠放层与这些金属板的分层。
在其最简单的实施例中，图1中所画的根据本发明的一结构面板10包括夹在两金属板22之间的一单卷牛皮纸20，该纸用一粘结层24被粘连至其两侧上的金属板。
作为替换地，该纸芯可包括多个相互粘连并粘连至外金属板22的纸卷20，如图2中结构面板12所概略地示出的。
可理解可通过任何适合的粘结材料提供一纸芯中纸卷的粘连和该纸芯对这些金属皮的粘连且例如可包括该纸芯的树脂浸渍。
如上所示，本发明提供一种保持刚度同时减少重量从而允许使用更薄的金属而不损害性能的方法。通过例子，下面的描述是有关金属板和纸的叠放以示出这些复合是对仅是铝板的可行的替换。可理解包括除了钢板以外的金属板和纸的叠放层被期望呈现出刚度的相当的提高而无附加的成本和金属的厚度增加的重量。
为使本发明可适合作为结构面板，并提供令人满意的经济利益，申请人已确定外金属皮最好具有范围在0.005英寸(0.1mm)和0.012英寸(0.3mm)之间的厚度同时该纸芯将具有0.01英寸(0.2mm)的最小厚度及实际的0.05英寸(1.3mm)的最大厚度。本发明所覆盖的产品范围由图3中所画的阴影区图形地示出而没有阴影分割的区域表示申请人已知的现有技术的金属和纸的叠放层。可理解0.005英寸(0.1mm)的最小厚度表示钢板可被轧制的实际的最低厚度范围而无附加的产生一所谓的“箔”的处理成本。
请注意已用经验单位确定所有的厚度，为了方便而提供括号中的公制等效替换。
下面的表1示出提供具有表示图3的阴影区的极限的厚度的钢板和纸的各种组合的等同刚度所需的铝板的厚度。
表1等同刚度的板厚度
将看到图1示出的种类的一复合板的累计厚度一直小于具有等同刚度的铝板的厚度。样本计算将足以说服本领域的熟练技术人员不付出通常由等同刚度的钢板导致的重量代价而能节省经济成本。
本领域的熟练技术人员可理解术语“刚度”是一负载对挠曲的比例或对弹性或可恢复弯曲性的抵抗性量度。为简明起见，相邻于表示将一负载L施加至一样本束B以产生一挠曲D的图5中所画出的概略性示意图有图4中所画的刚度的图形示意图。
申请人所做的选择的试验被示出在表2中且包括例1至5，各例对应于一叠层结构，各叠层结构的刚度被测量且与具有0.062英寸(1.6mm)厚度的铝板进行比较。这些结果被图形地示出在图13至17中。
表2
申请人已进行了数个试验以表明作为铝板的替代的根据本发明的所建议的结构面板的实用性。这些试验在叠层的板上进行，其中外金属皮为被叠层至包括一单卷牛皮纸板的一芯的具有标称厚度0.0074英寸(0.2mm)的未涂覆低碳的钢板。示例性结构被示出在图6和7中。
在图6中，叠放层总地由参考数字30指示且包括以下序列层第一钢板外皮32，第一粘结层34，一牛皮纸板芯36，第二粘结层38，和第二钢板外皮40。在例2中使用这种叠放层。
在其余的例1，3-5中使用的叠放层总地由图7中的参考数字50指示，且类似地，包括以下序列层第一钢板外皮52，第一粘结层54，一牛皮纸板芯56，第二粘结层58，和第二钢板外皮60。然而在此结构中，该牛皮纸板芯56被穿孔且具有该纸被穿孔的一圆形开口矩阵62，各开口62具有1mm的标称直径(其范围在0.5-2mm之间)且在该牛皮纸板芯56的纵向和横向上以约6.4mm的间隔相互隔开。
这些开口62确定了粘结地相互桥接外金属皮52，60的路径，粘结桥64包括与被提供以保持叠放结构的完整性的粘结层横向地被定向的且被整体地连接至这些粘结层的粘结材料列。
在例1-5中所用的纸板芯56被设置为牛皮纸，表明使用硫酸盐处理，典型地为苛性钠和硫化钠在蒸煮锅中在高压和高温下对木片进行去木质来制做形成该纸的纸浆，导致具有更高纤维素含量且比自机械纸浆制成的纸更好粘合的纸浆。该牛皮纸板出自于韦斯特瓦科公司并以商标Kraftpak和Durasorb进行销售。Kraffpak和Durasorb为韦斯特瓦科公司的注册商标。
将理解在制做纸的期间将沿“加工方向(machine direction)”校准纤维素纤维且叠放层中纸的定向是影响该叠放层的刚度和强度的一因素。这些例子表明当牛皮纸的加工方向被校准与弯曲的中性轴相平行时(图8)比当牛皮纸的加工方向被校准与弯曲的中性轴相垂直时(图9)，该叠放层呈现更好的性能。
影响叠放层的另一重要因素是具有粘结桥64。没有桥接，叠放层的完整性易对故障，具体是被称为“翘曲”且概略地示出在图10中的及由在该叠放层的弯曲期间在顶皮上的压应力导致的缺陷敏感。这样该纸芯中的纤维变得分开且有局部的分层。这是与被称之为“起诌”的故障模式相反，在起诌的故障模式下，仅有该外皮的局部翘曲且该翘曲的波长与该芯的是同幅度级别的。
通过选择地间隔纸芯56中的开口62以使粘结桥64在翘曲波长的估算范围内被相互间隔，如图11中概略性所示，可使对由翘曲导致的叠放层的故障的抵抗性最佳。在图12中图形地示出与没有图6中所示种类的粘结桥的叠放层(例2)相比的，具有图7中所示的种类的粘结桥64的叠放层中实现的改善的性能。然而，由于弹性翘曲的理论教知翘曲波长取决于样本几何形状，所要求的开口62的最大间隔将不得不根据期望的叠放层的应用，在逐事件的基础上被计算。
这些例子也示出该牛皮纸板芯可最佳地用树脂渍透以改善性能(例3)但没有树脂浸渍也可取得满足要求的性能(例1)且没有该相关的浸渍成本。如上所示，所选择的树脂也可起到粘结剂的作用。
还期望该粘结剂的性质是一影响性能的因素，如例4和5所示，在该两例中使用基于水的粘结剂而在其余的例1至3中使用基于尿烷的粘结剂。
可理解根据本发明的叠放层制成的结构面板将根据期望的应用被定尺寸且将具有便于安装这些板到一例如框架的一支撑机构所需的加强件。相信根据本发明的一结构面板将发现金属板被使用在任何之处的应用且相信它可替代这些板，或者它们被使用带有基本上暴露的两表面或者它们是一复合板70的自身的部分并被连接至一增补的聚合物芯72以使本发明的复合板确定外皮74。这样一结构被概略性地示出在图18中。
在所附权利要求的范围内可对本发明的上述实施例做出几种改型。可理解外金属皮(22，32，40，52，60)可由除钢外的金属制成且例如可包括铝或铜合金。这些金属皮还可包括从以下中选出的薄钢板冷轧钢、镀锌钢、镀锡钢、和不锈钢，包括所述薄钢板中的锌铝合金铸件和涂漆而没有限制。
而且，可理解根据本发明，一些金属板可比其他更适合于作为结构面板中所用的皮。例如，设想单侧镀锡钢板在需要一外镀锡表面以提高耐老化的一些应用中是较佳的，而一没有镀锡或涂覆的内碳素钢表面对于提高对纸芯的粘结力是期望的。
申请人还预见外金属皮可方便地包括镀锡薄钢板，其随后被冷轧到期望的应用可接收的最小厚度而没有任何随后的退火处理。
权利要求
1.一种结构面板(10、12、30、50、70)，其特征在于具有至少0.005英寸(0.1mm)厚度的第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)；夹在所述金属板皮(22、32、40、52、60)之间的一纸芯(20、36、56)，该纸芯(20、36、56)具有至少0.015英寸(0.4mm)的厚度。
2.一种结构面板(10、12、30、50、70)，其特征在于具有0.005英寸(0.1mm)至0.012英寸(0.3mm)厚度的第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)；和附着地粘结在所述皮之间的一纸芯(20、36、56)，该纸芯(20、36、56)具有至少0.01英寸(0.2mm)的厚度。
3.根据权利要求1或2的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该金属板(22、32、40、52、60)是从以下组中选择的薄钢板冷轧钢、镀锌钢、镀锡钢、和不锈钢。
4.根据权利要求1或2的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该金属板(22、32、40、52、60)是铝板。
5.根据权利要求1或2的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该纸芯(20、36、56)包括一单卷纸。
6.根据权利要求5的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该纸卷(20、36、56)的加工方向被校准与预期的使用该板的弯曲的中性轴平行。
7.根据权利要求1或2的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该纸芯(20、36、56)包括一多卷纸。
8.根据权利要求1或2的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该纸芯(20、36、56)被用树脂浸渍。
9.根据权利要求1或2的结构面板(10、12、30、50、70)，其中该纸芯(20、36、56)具有形成在其中的多个开口(62)，该多个开口(62)确定了用于附着地桥接所述第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)的路径。
10.根据权利要求9的结构面板(10、12、30、50、70)，其中这些开口(62)被选择地相互间隔开以使对由翘曲导致的故障的抵抗性最佳。
11.一种结构面板(10、12、30、50、70)，其特征在于第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)；夹在所述金属板皮(22、32、40、52、60)之间的一纸芯(20、36、56)，该纸芯(20、36、56)具有在其中形成的多个开口(62)，在所述第一和第二金属板皮之间延伸；和包括配置在所述开口(62)中的粘结材料(24)并附着地相互粘结所述第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)的一粘结桥(64)。
12.一种结构面板(10、12、30、50、70)，其特征在于具有至少0.005英寸(0.1mm)厚度的第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)；夹在所述金属板皮(22、32、40、52、60)之间的一纸芯(20、36、56)，该纸芯(20、36、56)具有至少0.015英寸(0.4mm)的厚度且具有在其中形成的多个开口(62)，所述第一和第二金属板皮之间延伸；和包括配置在所述开口(62)中的粘结材料(24)并附着地相互粘结所述第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)的一粘结桥(64)。
13.一种结构面板(10、12、30、50、70)，其特征在于具有至少0.005英寸(0.1mm)至0.012英寸(0.3mm)厚度的第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)；夹在所述金属板皮(22、32、40、52、60)之间的一纸芯(20、36、56)，该纸芯(20、36、56)具有至少0.015英寸(0.4mm)的厚度且具有在其中形成的多个开口(62)，在所述第一和第二金属板皮之间延伸；和包括配置在所述开口(62)中的粘结材料(24)并附着地相互粘结所述第一和第二金属板皮(22、32、40、52、60)的一粘结桥(64)。
全文摘要
一种结构面板(10、12、30、50、70)包括一金属和纸复合物,其中该金属外皮(22、32、40、52、60)具有超过箔的0.005英寸(0.1mm)的最小厚度和一较佳的0.012英寸(0.3mm)的最大厚度而纸芯(20、36、56)的范围在0.01英寸(0.2mm)至0.05英寸(1.3mm)。该板是对较厚金属的一刚性的、重量轻的替换物并可用一复合物替换例如铝的轻金属板,其中这些金属皮包括由例如钢的较重金属制成的板。该纸芯(20,36,56)被附着地粘结至这些金属皮并可具有若干开口(62)以建立在金属皮(22、32、40、52、60)之间的粘结桥(64)的路径以便由翘曲导致的故障最小。
文档编号B32B15/08GK1246906SQ98802432
公开日2000年3月8日 申请日期1998年2月10日 优先权日1997年2月10日
发明者戴维·达西·克利福德 申请人:多发斯科公司