可成型的轻质复合材料体系及方法
【专利说明】
[0001] 要求申请日期的权益
[0002] 本发明要求享有美国临时专利申请US 61/304,640(Mizrahi等于2010年2月15 日申请）、US 61/371，360 (Mizrahi 等于 2010 年 8 月 6 日申请）、US 61/377, 599 (Mizrahi 于2010年8月27日申请）及US 61/387, 164 (Mizrahi于2010年9月28日申请）的申请 日期的权益，以上专利的内容通过引用整体结合在本申请中。
技术领域
[0003] 总的来说，本发明涉及纤维填充聚合物材料，并且涉及包括纤维填充聚合物材料 层的复合材料，特别是涉及包括纤维填充聚合物层和金属层的夹芯复合材料。
【背景技术】
[0004] 国际专利申请公开WO 2010/021899 (Mizrahi于2010年2月25日申请，并通过引 用整体结合到本申请中），描述了独特且轻质的新型复合材料及相关方法和体系。此类复 合材料广泛应用于一系列技术中。例如，据描述，此类复合材料在运输技术（如汽车技术） 中具有特殊用途。它们还有其它应用，如建筑技术或家电技术。遗憾的是，各种技术领域的 成本和性能要求不同，或者即使在同一技术领域的不同应用之间，性能和成本要求也不同， 因此，提供"通用型"材料体系是一个难题。因此，不管国际专利申请公开WO 2010/021899 中的各种教导，探索材料体系的各种变化，用于增强复合材料，如夹芯型复合层压材料的商 业魅力，仍然具有吸引力。此外，对于某些应用来说，调节各种复合材料，如WO 2010/021899 中材料的性能，使它们具有相对较宽的加工窗口，具有焊接性、拉伸性、可以涂布与/或在 各种应用中代替传统材料（如钢），
[0005] 同时，相对于传统材料，重量明显减轻，也是有吸引力的。例如，在交通运输业，汽 车部件（如面板、支持构件等）仍然需要采用重量相对较轻的材料代替钢材、铝或代替它们 两者。
【发明内容】
[0006] 本发明涉及夹芯层压材料体系。正如应该了解的是，虽然本发明强调在汽车工业 的应用，但是，它们也可以在其它领域使用。
[0007] 总的来说，本发明涉及填充聚合物材料（及复合材料，如包括所述填充聚合物材 料的夹芯复合材料），包括：热塑性聚合物和分布在所述聚合物中的多根金属纤维，所述 热塑性聚合物选自由以下聚合物组成的群组：聚烯烃、缩醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚 物（如包括至少两种酰胺单体的聚酰胺共聚物和包括至少一种非酰胺单体的聚酰胺共聚 物）、离聚物、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、热塑性聚醚-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-烯烃和至少另外一种单体的共聚 物、包括任意所述聚合物的共聚物、包括任意所述聚合物的离聚物以及以上所述聚合物的 任意组合；其中所述金属纤维的含量大于所述填充聚合物材料总体积的大约3%体积％ (vol% ) 〇
[0008] 本发明的这个方面还可以进一步以下述任意组合中的一种表征：热塑性材料包 括聚烯烃（如聚丙烯、聚乙烯或它们的组合）、缩醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚物、聚酰亚 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 烃和至少另外一种单体的共聚物、包括所述聚合物中任一种聚合物的共聚物或它们的任意 组合；热塑性材料包括聚酰胺共聚物、热塑性聚氨酯、热塑性聚醚-酯共聚物、离聚物或它 们的任意组合；填充聚合物有厚度，所述纤维是以纤维束的形式存在，所述纤维束贯穿填 充聚合物材料的厚度；或者所述热塑性材料在在拉伸应变率大约〇. Is 1条件下按照ASTM D638-08标准测定时的断裂伸长率至少大约是20%。
[0009] 在本发明的一个特殊方面，所述聚合物可选自聚烯烃、聚酰胺或它们的组合；所述 纤维是包括带状，如钢带的纤维束（如缠结纤维束）形式。
[0010] 本发明的另一个方面涉及一种轻质复合材料，包括：第一金属层（如钢板）；第二 金属层（如钢板）；夹在第一金属层和第二金属层之间的聚合物层（如本发明以上各方面 所描述的聚合物）；分布在所述聚合物层内的多根金属纤维；其中至少沿一半纤维长度与 金属层接触的金属纤维部分（fraction)为大约0. 3或更少；所述聚合物层包括含聚合物的 填充聚合物材料，所述聚合物在拉伸应变率大约〇. Is 1时按照ASTM D638-08标准测定的断 裂伸长率至少大约是20% ;因此，所得复合材料可以焊接，而且所得复合材料在应变率大于 大约0.1 s 1时能够塑性变形。根据本发明的这一方面，第一金属层，第二金属层或这两个金 属层可以未进行任何表面处理、不含任何涂层或在金属层和聚合物层之间不含任何其它层 (应该了解的是，尽管如此，可以任选采用一个或多个合适的层，而且仍然属于本发明的范 围）。
[0011] 本发明方法相关方面涉及一种板的成型工艺，包括：成型此处所述的填充热塑性 聚合物板，并监测所述板的质量。例如，所述聚合物层可以如在连续工艺、间歇工艺或其它 工艺中预成型（即预成型板），并层压到至少一个金属层上或层压到相对的两个金属层之 间。
[0012] 本发明的另一个方面涉及复合部件的成型工艺，包括一个对此处所述的复合材料 进行冲压的步骤。
[0013] 本发明的另一个方面涉及包括复合材料，如此处所述的复合材料的焊接结构，所 述复合材料被焊接到钢材（如电阻焊）、焊接到除钢材以外的金属、焊接到基本上相同的复 合材料、焊接到不同的复合材料或焊接到以上所述材料的组合上。令人吃惊的是，这种轻质 复合材料可以包含一聚合物层，所述聚合物层布置一定量的金属纤维，所述金属纤维的量 足够使复合材料的电导率达到使复合材料能够焊接的程度（如采用目前汽车生产线中电 阻焊钢材使用的传统设备和工艺），而且纤维的量仍然足够低，使复合材料具有颇有吸引力 的性能特点，如相对较高的强度重量比、可涂布性、通过材料降低声音的传输或以上所述特 点的组合。
【附图说明】
[0014] 图IA示出了包含聚合物层和金属层的复合材料；
[0015] 图IB示出了包括夹在两个金属层之间的聚合物芯层的复合材料；
[0016] 图2是监测聚合物材料或复合材料的示意工艺图。
【具体实施方式】
[0017] 总的来说，正如即将说明的那样，此处的材料采用填充聚合物材料，尤其是包括分 布在聚合物基质中的金属纤维相的填充聚合物材料。一般说来，此处所述复合材料采用至 少两层，其中一层是上文所述结合的（如纤维填充的）（如在纤维填充聚合物层内的）聚合 物材料。更具体地说，此处所述材料是包括夹芯结构的复合材料，其中在两层或多个其它层 之间夹了一层纤维填充聚合物层。此处所述材料还考虑了夹芯结构前体，即第一层，所述填 充聚合物层连接在第一层上，这样，填充聚合物层具有一个暴露的外表面，然后，第二层可 连接到填充聚合物层上。本发明还考虑了包括本发明纤维填充聚合物材料的原料组合物 (即颗粒、板或其它形式）。正如将要阐述的那样，此处所述材料具有独特的、令人吃惊的、 颇有吸引力的性能组合，使所述材料适合变形操作（如相对较高的应变率成型操作，如冲 压）、焊接操作或适合这两种操作。例如，正如将从这些教导中看到的那样，所述填充聚合物 设计为多相。至少一个相（如填料）提供导电通路，而且是可以塑性变形的，而且当经受诱 导塑性变形的应力时，甚至会出现应变硬化，此外，聚合物相应足够粘到另一材料（如金属 层，如钢板）上，复合材料进行焊接与/或变形（如成型，如冲压）加工时，将不会出现复合 材料的分层。当进行涂布操作时，聚合物相还应能够耐受降解（如当进行金属板涂布操作 中常用的化学浴，如静电涂布浴，或其它赋予其防腐性能的浴）。
[0018] 本发明教导的各个方面利用材料的独特组合，以得到一种颇有吸引力的复合材 料，尤其是一种层压复合材料。举例而言（但是本发明并不受这些实例的限制），层压材料 可以拉伸（如深拉）、焊接或两者均可，一般说来，以传统技术领域公开的板材，如金属板 (如不锈钢与/或低碳钢）的类似方式，本发明利用多相复合材料，其中对材料进行选择和 利用，整体上，它们赋予拉伸性、焊接性或赋予这两种性能。此外，所述材料是这样的：得到 的层压材料可以以类似于传统技术领域公开的薄壁结构的方式加工，尤其是其涉及赋予装 饰性或功能性表面处理（如涂料、电镀或其它）的工艺。
[0019] 例如，在此处尤其优选的材料组合时，可能包括夹住芯层材料的两层，所述芯层优 选是填充聚合物材料。所述填充聚合物材料优选包括至少一种聚合物，所述聚合物可能包 括热塑性聚合物、基本上或完全由热塑性聚合物组成，或者具有使其通常可作为热塑性聚 合物加工的特点。所述填充聚合物材料优选还包括填料相，并优选包括纤维相，基本上或完 全由纤维相组成，尤其是伸长纤维相，如伸长金属纤维相。此相可足够定位与/或分布（如 包覆、编织、对齐、缠结或它们的组合），且用量足够，即使聚合物本身通常并不导电，也能在 至少部分填充聚合物材料处实现导电网络。尤其优选的伸长纤维相本身也能够伸长（单根 纤维或纤维束整体能够伸长或单根纤维和纤维束整体均能够伸长），并且可能出现应变硬 化。
[0020] 应该了解的是，此处提到的"层"并不一定要求材料部件是分离的和独立的。例 如，如果层压复合材料包括本身折叠而定义了两层的单块材料，这两层材料共有一个边，在 这两层材料之间是填充聚合物材料，这样的材料仍然属于本发明的教导范围。
[0021] 现在，转向此处教导的更具体的方面，可以看出，本发明的第一个方面是一种采用 相邻之间不同材料层制造的复合材料，所述材料包括至少一层（如金属层，如金属面层）和 至少一种聚合物层，所述复合材料可以形成成型面板（如可通过施加应力诱导材料的塑性 应变（如以相对较快的速率）而可以冲压，或者能够在压机上冷成型）。所述复合材料可以 是包含一个金属层和一个聚合物层的复合层压材料，或者它可包括一个或多个其它层。例 如，它可以是在两个聚合物层之间夹有一个金属层的层压材料，或是在至少两个相对的金 属层之间夹有一个聚合物层的层压材料。如上所述，尤其优选的是后面这种结构，前一结构 可作为后一结构的前体。在这种情况下，成型夹芯结构的方法可包括一个将一层应用到前 体上以形成夹芯结构的步骤，一个将第一前体应用于第二前体上以形成夹芯结构的步骤， 或包括这两个步骤。
[0022] 图IA所示的一个实例所示，复合层压材料10具有一个金属层14和一个聚合物层 16。夹芯层12可包括第一金属层14,第二金属层14'和夹在第一金属层和第二金属层之间 的聚合物层16 (如聚合物芯层），如图IB所示。参考图IA和图1B，所述聚合物层18包括 至少一种聚合物（如热塑性聚合物）18和纤维20。聚合物层16和第一金属层14具有共同 表面22。如图IA和IB所示，某些或全部纤维具有这样的长度和方向：使它们从聚合物层 的一个表面延伸到聚合物层的相对表面。然而，应该注意的是，其它纤维长度和方向也属于 本发明的范围。例如，在聚合物层相对的两个表面之间延伸的纤维（如金属纤维）的含量 小于20%、小于10%、小于5%或小于1%。图IA和IB所示的纤维通常是直纤维。从此处 教导应该了解的是，优选的纤维通常并不是直的。优选的纤维在纤维长度方向具有一个或 多个弯曲，具有通常弯曲的轮廓，或者两者均具。
[0023] 正如提到的那样，除复合材料之外，多层结构，本发明的另一个方面，考虑了一种 包括热塑性聚合物和纤维（如金属纤维）的前体聚合物层板材（即单层聚合物层），然后， 所述板材可以夹在两个金属层之间。
[0024] 本发明的另一个方面考虑了一种包含聚合物和纤维的前体聚合物原料材料。此类 聚合物原料材料可以作为单层或采用一种或多种其它材料稀释（如一种或多种其它聚合 物）成型（如注射成型或挤出成型）成聚合物层（如板）。为此，前体聚合物原料材料可包 括复合材料聚合物层中的某些或全部组分。前体聚合物原料材料优选包括聚合物层的几乎 所有纤维。
[0025] 在使用中，复合材料可以变形（如成型，如通过冲压成型）、连接到另一结构（如钢 材或另一种复合材料），或两者均可。优选的方法是采用一个将本发明的复合材料焊接到其 它结构的步骤。成型面板可以与其它部件连接，若必要的话，采用除焊接之外的技术，如通 过粘合剂、钎焊等。在这两种情况下，复合材料（如层压复合材料或夹芯板）可采用成本低 的冲压方法成型，令人吃惊的是，这样做也不存在本领域先有技术面临的各种限制。所述复 合材料的独特特征使其在传统上利用规则整体金属板的应用中，成为极端有吸引力的候选 材料，如交通工业（如汽车）中目前采用的车身面板。
[0026] 本发明的一个独特特点是其包括聚合物的具体选择（如热塑性聚合物）和金属纤 维，并在聚合物基质中包括金属纤维和任选颗粒，以及其它任选填料，以制备适用于低成本 冲压操作的新型可成型的复合材料（如夹芯或层压结构）。另一个新颖性是可冲压的夹芯 层可采用传统的焊接技术，如电阻焊连接（如点焊、缝焊、闪光焊、凸焊或电阻对接焊）、能 束焊接（如激光束、电子束或激光复合焊接）、气焊（如采用氧乙炔等为气体的氧燃气焊）、 电弧焊（如气体保护金属极弧焊、金属惰性气体电弧焊或掩护金属电弧焊）。优选的连接技 术包括高速焊接技术，如电阻点焊和激光焊。
[0027] 可成型/可冲压材料的各种特点、测试方法、测试标准、缺陷描述、焊接工艺和特 点、成型工艺说明均在下述出版物中进行了说明，所有出版物均通过引用而整体结合在本 申请中。
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