金属/cfrp复合结构及其制造方法和制造设备的制造方法
【技术领域】
[0001](相关申请的交叉引用)
[0002]本申请要求于2012年11月19日在日本提交的日本专利申请2012-253228的优先权，在此其全部公开内容通过引用被并入本文中。
[0003]本发明涉及包括金属材料与碳纤维增强塑料(CFRP)材料的组合的金属/CFRP复合结构及其制造方法和制造设备。
【背景技术】
[0004]从改善燃料消耗和环境保护的观点出发，要求汽车零件轻量化(weightsavings)，常规的做法是，通过对钢板进行热压(也被称为“模压淬火”，原因是压制成型(压制模制)和淬火同时进行)来处理零件的轻量化(使板的厚度减薄)并且同时增强零件的强度。为了进一步使零件轻量化并增强零件的强度，首选的是，替换为重量轻且强度高的材料而不是钢板(钢材)，并且还考虑应用铝、由纤维和塑料组合的复合材料。特别地，碳纤维增强塑料(CFRP)为重量轻且强度高的材料，并期望将来将该材料应用到车身(底盘)以及车身零件。然而，对于CFRP，目前其材料成本昂贵，并且问题是，零件成型时的周期需要时间长(因此，制造成本昂贵)。
[0005]在专利文献I (JP06-101732A)中公开了“一种用于复合结构的冲击吸收的材料(amaterial for impact absorpt1n of the composite structure)，，，其中销合金(减振器)和纤维增强塑料(重量轻和强度高的材料)通过螺栓附接(接合)，然而，专利文献I的技术是由铝合金制成的基材的实例。
[0006]在专利文献2 (W099/10168A)中公开了一种结构材料(轻金属/由CFRP制成的结构构件)，该结构材料通过碳纤维增强树脂(CFRP)与轻金属材料之间的粘合层将碳纤维增强树脂(CFRP)材料附接(接合)在轻金属材料的表面上。然而，在专利文献2中公开的轻金属主要是铝。
[0007]引用列表
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:JP06-101732A(0017 段至 0022 段，等)
[0010]专利文献2:W099/10168A(Toray Industries, Inc.)
【发明内容】
[0011]技术问题
[0012]认为以上各专利文献的全部公开内容通过引用被并入本文中。
[0013]本发明给出如下分析。
[0014]在专利文献I中，铝基材的成型(模制)步骤、作为具有高强度的重量轻的材料的纤维增强塑料的成型步骤、以及成型之后铝基材与纤维增强塑料的附接步骤是相互分离的独立步骤，并且由于必需采用许多步骤，所以制造成本昂贵。此外，由于铝基材与纤维增强塑料的连接为经由螺栓的连接，即，点连接，所以不能否认的是，与整个表面被附接的情况(面附接结构)相比，该复合结构的强度和刚度较差。
[0015]在专利文献2中，轻金属的成型步骤、包含碳纤维和塑料(热固性树脂或热塑性树脂)的CFRP的成型步骤以及成型之后轻金属与CFRP的附接步骤是相互分离的独立步骤，并且由于必需采用许多步骤，所以制造成本昂贵。此外，由于需要向CFRP添加粘合剂，所以需要向CFRP添加粘合剂的材料成本以及施加粘合剂和接合在一起的加工成本，这点也造成成本的增加。此外，在专利文献2的实例中，使用固化型(在室温下)粘合剂作为粘合剂，存在由于需要粘合剂的固化时间而使制造过程的周期也变长的趋势。
[0016]本发明的目的是提供:一种通过将经热压的金属材料和碳纤维增强塑料(CFRP)材料组合而具有轻重量和高强度的金属/CFRP复合结构；一种金属/CFRP复合结构的制造方法，在该方法中能够以低能量消耗和低成本制造这样的金属/CFRP复合结构；以及一种适于执行该制造方法的金属/CFRP复合结构的制造设备。
[0017]问题的解决方案
[0018]本申请包括制造方法、产品及制造设备三方面的发明。
[0019]<金属/CFRP复合结构的制造方法>
[0020]在第一方面，提供了一种金属/CFRP复合结构的制造方法。所述制造方法包括:
[0021]加热步骤，将金属坯料加热至能够进行淬火的温度；
[0022]热压步骤，对所述坯料进行热压以获得通过热压而淬火的第一中间产品；以及
[0023]制备步骤，制备由碳纤维和未固化的热固性塑料形成的碳纤维增强塑料(CFRP)预浸料。
[0024]所述制造方法还包括:
[0025]CFRP成型步骤，其中，通过将经热压的第一中间产品和CFRP预浸料设置在CFRP成型模具中、接着通过加压成型，来对CFRP预浸料进行加压成型以获得CFRP预浸料紧密接触第一中间产品的表面的第二中间产品；以及
[0026]热固化接合步骤，通过对由CFRP成型步骤获得的第二中间产品保温和加压预定时间段，使包括在CFRP预浸料中的所述热固性塑料热固化同时使位于CFRP预浸料和第一中间产品的边界中的热固性塑料热固化，牢固地接合所述CFRP预浸料与所述第一中间产品O
[0027]更优选地，所述金属为铁基金属。
[0028]更优选地，进行CFRP预浸料的成型(模制)使得CFRP预浸料重叠在经热压的第一中间产品上。
[0029]根据所述制造方法，因为热压(模压淬火)中的余热被有效地利用以使得CFRP预浸料能够成型，所以能够实现制造成本的降低和节能。因为CFRP成型和热固化附接可以通过第一中间产品和CFRP预浸料的叠合来进行，所以CFRP成型模具和用于固化/附接的保持模具的结构可以简化，并且可以降低制造成本。
[0030]<铁基金属/CFRP复合结构>
[0031]在第二方面，提供了一种铁基金属/CFRP复合结构。
[0032]所述复合结构包括:
[0033]能够通过热压铁基金属还料而获得的经淬火的金属基体；和
[0034]紧密地安置在金属基结构的表面的至少一部分上的碳纤维增强塑料(CFRP)。
[0035]碳纤维增强塑料包含碳纤维和热固性塑料。
[0036]金属基体和碳纤维增强塑料通过热固性塑料的位于金属基体与碳纤维增强塑料的边界中的部分的热固化而牢固地接合，所述部分由碳纤维增强塑料提供。
[0037]根据所述复合结构，通过组合可通过热压获得的经淬火的金属基体和碳纤维增强塑料(CFRP)可以相对以低成本制造重量轻和强度高的一个或多个部件和零件(复合结构)。此外，因为所使用的CFRP的量可以被降低至必需的最小量，所以容易实现低成本。
[0038]〈金属/CFRP复合结构的制造设备〉
[0039]在第三方面，提供了一种金属/CFRP复合结构的制造设备。
[0040]所述制造设备包括:
[0041]加热室和压力机；
[0042]加热室包括第一加热腔和第二加热腔，第一加热腔用于将金属坯料加热至能够进行淬火的温度；
[0043]压力机包括:
[0044]热压装置，其用于通过热压所述坯料而获得第一中间产品；和
[0045]CFRP成型(模制)装置，其用于通过将经热压的第一中间产品和包含碳纤维和未固化的热固性塑料的CFRP预浸料设置在CFRP成型模具中来对CFRP预浸料进行加压成型以获得第二中间产品，在第二中间产品中CFRP预浸料紧密接触第一中间产品的表面；
[0046]所述第二加热腔适于:通过在所述第二中间产品保持在用于固化/附接的保持模具中预定时间段时对所述第二中间产品保温和加压，使包含在所述CFRP预浸料中的所述热固性塑料经受热固化同时使所述热固性塑料的位于所述CFRP预浸料与所述第一中间产品的边界中的部分热固化，牢固地接合所述CFRP预浸料与所述第一中间产品；
[0047]第二加热腔设置在第一加热腔的正上方，适于接受来自第一加热腔的余热作为热源。<