聚合物复合材料的连结方法与流程

本发明涉及使用流螺钉或者其它合适的紧固件来连结聚合物复合材料以及其它材料的方法。

背景技术：

本段落中提供的信息用于大体呈现本发明的上下文的目的。目前提及的发明人在本段落中描述的范围内的工作以及在提交时可能不符合现有技术的描述的各方面既不明确地也不隐含地被承认为是针对本发明的现有技术

诸如碳纤维增强尼龙复合材料之类的碳纤维增强热塑性塑料(cfrtp)具有高的强度重量比和高的耐腐蚀性，这使得这些材料对于用在汽车应用中是理想的。例如，为了减轻车辆重量，这些材料已用于诸如进气歧管、空气过滤器壳体、谐振器、正时齿轮、散热器风扇、卡车车厢以及散热器储箱之类的部件中。尽管存在这些优点，但crftp材料的应用数量由于可用于连结crftp材料的当前过程而受限。因此，需要用于连结crftp材料的改进过程。

技术实现要素：

一个或多个示例性实施例通过提供一种连结第一和第二层材料的方法来解决上述问题。

根据示例性实施例的一方面，连结第一和第二层材料的方法包括将模制插入件的具有底端部的一部分设置到第一层材料的顶表面中。另一方面包括将粘合剂层施加到第一层的顶表面和第二层材料的底表面之间，以产生粘结线厚度。且另一方面包括利用紧固件的无头式端部刺穿通过第二层材料的顶表面。且又一方面包括将紧固件的无头式端部互锁到模制插入件中。且进而另一方面包括将一层保护涂层施加于第二层材料的顶表面，以覆盖互锁紧固件。

又一方面在于，紧固件是流螺钉。且另一方面包括在将粘合剂层施加到第一和第二层之间之后并且在利用流螺钉的无头式端部刺穿第二层材料之前，将第一和第二层定位在模具上。进而另一方面包括互锁流螺钉，直到无头式端部刺穿模制插入件的底端部为止。又一方面在于，第一和第二层各自包括碳纤维复合材料。且又一方面在于，粘结线厚度在0.1mm至1.5mm的范围内。且进而另一方面包括允许模制插入件的顶端部在第一层材料的顶表面上方突出预定距离，该预定距离等于粘结线厚度。且一个其它方面包括允许粘合剂层至少部分地固化。且进而一个其它方面包括在粘合剂层至少部分地固化之后利用流螺钉的无头式端部刺穿通过第二层材料的顶表面。

从具体实施方式、权利要求以及附图中，本发明的又一些可应用领域会变得显而易见。具体实施方式和特定示例仅仅旨在说明的目的而并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

从具体实施方式和附图中，本发明会变得更易于理解，附图中：

图1a是根据用于连结第一和第二层材料的方法的示例性实施例的具有设置在顶表面中的模制插入件的第一层材料的视图；

图1b是根据示例性实施例的各方面的图1a的第一层材料和模制插入件的视图，其进一步包括施加于第一层的顶表面的粘合剂层；

图1c是根据示例性实施例的各方面的图1b的视图，其进一步包括第二层材料和连结紧固件；

图1d是根据示例性实施例的各方面的图1c的视图，其中，第一和第二层材料连结并且一层保护涂层覆盖第二层材料的顶表面；以及

图2是根据示例性实施例的连结第一和第二层材料的方法的流程图。

在附图中，附图标记可重复使用，以识别类似和/或相同的元件。

具体实施方式

用于连结crftp材料的一种过程具有诸如流螺钉插入的紧固过程。在该过程中，流螺钉插入到多层材料(或工件)中以将各层连结在一起。材料层可包括但不限于所有聚合物复合材料、聚合物、聚合物复合材料金属的组合。流螺钉包括头部和无头式端部或尾部以刺穿通过材料。当流螺钉向下插入到各层中时，无头式端部刺穿通过顶层并且然后进入底层。然而，通常，crftp材料层的此种类型的机械紧固除了紧固接头由于随着时间的电镀腐蚀而易受弱化以外还具有低连结强度。

根据示例性实施例的各方面的用于连结第一和第二层材料、尤其是crftp材料的过程通过使用流螺钉和模制插入件来解决这些问题，将流螺钉和模制插入件设计成使得流螺钉的无头式端部穿透进入并且通过顶层材料，且然后变得互锁到设置于底层材料中的模制插入件中。模制插入件用于改进流螺钉和材料层之间的机械互锁以及总体连结质量。模制插入件可由各种材料制成。基本要求是模制插入件必须比所模制成型的复合材料更硬，并且比插入其中的紧固件更软，例如金属、硬化金属和聚合物复合材料。模制插入件的尺寸可以改变。它可对于插入一个紧固件是小的，或者对于插入多个紧固件是大的/长的，例如沿着部分凸缘的条带。模制插入件还可应用于单片材料或者涉及多个材料堆叠，而不会超出示例性实施例的范围。

现参照图1a、1b、1c和1d，说明用于连结多层材料的流螺钉连结过程的示例。在该过程中，所具有的厚度在0.5mm至6mm的范围内的第一层材料10的顶表面12设置有模制插入件15的具有底端部14的一部分。模制插入件15可作为材料制造过程的一部分(例如，模制)而集成到第一层材料10中，或者可通过本领域技术人员已知的单独的二次过程插入到材料中。

图1b说明第一层材料10的顶表面12和模制插入件15，其覆盖有粘合剂层20以产生粘结线厚度22。较佳地允许模制插入件15的顶端部17在第一层材料10的顶表面12之上突出预定距离，该预定距离等于粘结线厚度22，以使得在连结过程之后，模制插入件15的突出部分用于维持粘结线厚度22。

现参照图1c，第二层材料25的底表面放置在粘合剂层20上，且较佳地受允许而在插入流螺钉30之前部分地固化。第一层10和第二层25是所具有的厚度在0.5mm至6mm的范围内的相对扁平板片，并且放置到紧固件插入机器(未示出)上。流螺钉30包括无头式端部32，其利用无头式端部32刺穿通过第二层材料25的顶表面。流螺钉30的无头式端部32是尖锐的，以使得当流螺钉30以高速旋转时并且在轴向负载下，它能容易地穿透到第二层材料25中。

图1d说明在完成连结过程之后的第一层材料10和第二层材料25。在刺穿通过第二层材料25之后，流螺钉30对准以使得无头式端部32变得互锁到模制插入件15中，直到无头式端部32刺穿模制插入件15的底端部14为止。通常，机械紧固件在复合材料中与复合接头具有低连结强度，但通过例如根据示例性实施例那样将模制插入件15引入到连结过程中，机械连结得以改进并且能维持粘结线厚度。在完成连结过程之后，将一层保护涂层施加于第二层材料25的顶表面12，以覆盖互锁流螺钉30。这会密封流螺钉，以使得水误会进入到螺钉和cfrtp之间的界面中。于是，能使得电化学腐蚀(即，钢上引起的腐蚀损坏)最小。

现参照图2，提供一种用于连结第一和第二层材料的方法50。该方法适合于连结不同类型的分层材料，但尤其是一种用于连结crftp材料或类似聚合物复合材料的优选方法。

在框55处，该方法以将模制插入件15的具有底端部14的一部分设置到第一层材料10的顶表面12中开始。

在框60处，该方法以将粘合剂层20施加到第一层材料10的顶表面12和第二层材料25的底表面之间继续。接下来，在框65处，允许粘合剂层20至少部分地固化。

在框70处，该方法以在粘合剂层20至少部分地固化之后利用流螺钉30的无头式端部32刺穿通过第二层材料25的顶表面继续。

在框75处，流螺钉30的无头式端部32互锁到设置于第一层材料10中的模制插入件15中。

最后，在框80处，该方法以将保护涂层35施加于第二层材料25的顶表面以覆盖互锁流螺钉30结束。

前文描述在本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。本发明的广泛教示能以各种形式实施。因此，虽然本发明包括了特定示例，但是本发明的真实范围不应该局限于此于此，因为在研读了附图、说明书以及以下权利要求之后，其他修改将变得显而易见。应理解的是，方法内的一个或多个步骤能以不同的顺序(或同时)执行，而不会改变改变本发明的原理。此外，虽然每个实施例如上所述具有某些特征，但参照本发明的任何实施例描述的任何一个或多个特征可在任何其他实施例中实施和/或与任何其他实施例的特征组合，即使该组合并未明确地描述。换言之，所描述的实施例并不相互排斥，并且一个或多个实施例彼此的排列组合仍落在本发明的范围内。

元件之间(例如，在模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系使用各种术语来描述，这些术语包括“连接”、“接合”、“联接”、“邻近”、“靠近”、“在其顶部”、“之上”、“之下”以及“设置”。除非明确地描述为“直接”，当第一元件和第二元件之间的关系在上文中描述时，该关系可以是其中在第一元件和第二元件之间并不存在其他居间元件的直接关系，但该关系还可以是其中在第一元件和第二元件之间存在(空间上或功能上)一个或多个居间元件的间接关系。如这里所使用的，术语a、b和c的至少一个应理解成意指使用非排他性逻辑或的逻辑(a或b或c)，并且不应被理解成意指“至少一个a、至少一个b以及至少一个c”。

权利要求中所述的元件都不旨在落在35u.s.c.§112(f)的含义内的平均加功能元件，除非元件使用术语“用于……装置”明确地阐述，或者在方法权利要求的情形中使用术语“用于……的操作”或者“用于……的步骤”。