扬声器塑料锥体的制作方法

专利名称：扬声器塑料锥体的制作方法
技术领域：
本发明涉及扬声器，并更具体地涉及扬声器塑料锥体。
背景技术：
扬声器锥体是每个中低频扬声器的众所周知的元件。另外，众所周知的是，理想的扬声器锥体是具有充足量的刚度和最小化的重量的扬声器锥体。这就是通常所说的刚度重量比(stiffness to weight ratio)。比模量(specific modulus)Ys＝Ye(杨氏模量)/比重，被定义为对代用材料和合成物进行比较和评级的品质因数。许多当今的扬声器锥体由纸制成。不幸的是，纸锥体会展现出潮湿问题。另外，纸锥体的制造公差不合需要地较大。
一些锥体采用聚丙烯制成，并且可以通过注塑法来制造。尽管潮湿和重复性对于未填充的聚丙烯而言可能是更小的问题，但是这样的锥体由于未加强的聚丙烯的相对低的模量，仍会展现出相对低的刚度重量比。将诸如云母的增强填料加入到聚丙烯中，改善了聚丙烯的刚度(弯曲模量)，但是降低了注塑过程中的塑性流动。因此，具有薄壁部分的较大锥体的注塑是困难的。此外，这样的填料增加了材料比重，使得锥体设计的重量也发生了增加。因此，为了获得充分的刚度特性，对于最优声学性能而言，锥体的重量可能会变得不合需要地高。

发明内容
本发明公开了一种扬声器塑料锥体，其被形成为包括基础载体(base carrier)材料和纳米填料(nanofillter)。纳米填料可以以预定重量百分比与基础载体材料结合，以便调节扬声器锥体的许多工艺和声学相关特性。纳米填料的重量百分比的调节，可以有利地使影响刚度重量比和阻尼的声学相关特性得到调节。
由于基础载体材料和纳米填料这二者的性质，可以在可加工性、锥体的低重量、最优刚度和最优声阻尼这些以不同方式相冲突的目标之间维持折衷。可加工性涉及改善流动特性以实现薄壁锥体的可制造性的改善。因此，当增加纳米填料在基础载体材料中的重量百分比时，刚度可以得到增加并且声阻尼可以得到减小，而基本不会增加锥体的重量。锥体的重量基本没有增加，是由于基础载体材料内的纳米填料的有效的添加剂性质。纳米填料的相对小的重量百分比可以提供刚度的相对大的百分比的改变，并且可以在刚度相等的情况下提供阻尼的相对大的百分比的改变。因此，可以在期望最优化塑料锥体中的相竞争的特性之间实现折衷的平衡。
纳米填料可以包括这样的特征，这些特征是散布在基础载体材料中的纳米颗粒或气体。这些特征是分布在基础载体材料中的纳米尺寸的颗粒和/或纳米尺寸的结构。所产生的纳米复合材料可以形成为锥体。
可以通过使用成型工艺而使锥体形成有相对薄的侧壁。因此，用于成型锥体元件的工具可以包括相对精密的公差。基础载体树脂和纳米材料的结合可以有利地拥有充分低的粘度(充足的剪切速率)以满足这种相对精密的公差。基础载体树脂和纳米材料的良好的结合，可以在纳米材料的重量百分比的一定范围内提供充分低的粘度，而不会与所需的工艺和声学特性相冲突。基础载体材料的相对高的流动性质和相对低的比重不会由于纳米材料的添加而受到显著的连累。另外，可能会包含在纳米材料中的剪切稀化性质以及添加到基础载体材料中以实现所需的工艺和声学结果的相对小的重量百分比的纳米材料，可以对粘度产生有利的影响。因此，可以维持令人满意的薄壁部分中的填模能力，同时仍可以维持理想的刚度重量比和声阻尼特性。
对于本领域技术人员来说，在研究过以下附图和详细描述后，本发明的其它系统、方法、特征和优点将是或将变得显而易见。所有这些附加系统、方法、特征和优点都应包括在本描述内，包括在本发明的范围内，并由所附权利要求保护。


参考以下附图和描述，可以更好地理解本发明。图中的部件不必要依比例，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在图中，相似的附图标记在不同示图中始终指示相应的部分。
图1是可以安装在扬声器箱上的示例性扬声器；图2是装配有低频和高频扬声器的示例性扬声器箱；图3是用于形成锥体的材料的比模量与纳米材料含量之间的关系的示例性曲线图；图4是与图3中相同的用于形成锥体的材料的阻尼与纳米材料含量之间的关系的示例性曲线图；图5是与图3和4中相同的用于形成锥体的材料的重量与纳米材料含量之间的关系的示例性曲线图；图6是示例性材料的剪切速率和粘度的流变学曲线；图7是示例性的聚丙烯材料和多个示例性的纳米复合材料的剪切速率与粘度之间的关系的流变学曲线；图8是纳米材料、载体材料以及包括纳米材料和载体材料的纳米复合物的剪切速率与粘度之间的关系的流变学曲线；图9是绘出具有聚丙烯锥体的扬声器和具有包括确定的重量百分比的纳米材料的塑料锥体的扬声器的一组频率响应曲线；图10是具有凯夫拉尔(kevlar)锥体的扬声器和具有包括重量百分比的纳米材料的塑料锥体的扬声器的频率响应曲线；图11是用于成型包括纳米材料的塑料锥体的示例性工具；图12是图11中所示的工具的截面侧视图；图13是采用图11中所示的工具形成的示例性锥体的截面侧视图；并且图14是图13中所示的锥体的部分截面侧视图。
具体实施例方式
本发明提供了一种由塑料和塑料相容性材料(plastic compatiblematerial)制成的扬声器锥体，其通过改善的刚度重量比和相等材料刚度下的更高的材料阻尼来改善扬声器性能。另外，后面描述的扬声器锥体制造工艺可以扩展可被制造出的实际的锥体几何形状和锥体尺寸的范围。具体而言，扬声器锥体可以通过注塑和/或热成型，用使刚度重量比最大化的材料的预定混合物形成。另外，锥体可以具有相对薄的壁部分。由于锥体由塑料和其它塑料相容性材料制成，所以原材料可以更经济，制造过程可以流水线化，并且重复性可以得到改善。另外，可以实现声学性能的显著改善。
下面的实例采用材料和工艺技术的某些组合，其中的材料和工艺技术可被共同使用以便有益于扬声器锥体的制造，同时产生具有理想声学性能的部件。在采用塑料制造扬声器锥体的过程中，与声学性能具有重要联系的两个总的领域是材料和加工。扬声器的声学性能的程度或水平涉及与扬声器相关的许多运动元件和非运动元件的协同操作。
在图1中，示出了示例性的扬声器100，其可以包括支撑框架102和电机组件104。框架102可以包括从框架102的主要部分向外延伸的凸缘106。电机组件104可以包括背板或中央支柱108、永磁体110以及前板或顶板112，它们可以提供穿过空气隙114的大致均匀的磁场。音圈架(voice coil former)116可以在磁场中支撑音圈118。一般而言，在操作期间，来自放大器120的供应给将由扬声器100换能的表示编程材料(program material)的电信号的电流，对音圈118进行驱动。音圈118可以往复运动，从而使其在空气隙114中沿轴向往复运动。音圈118在空气隙114中的往复运动，产生由扬声器100换能的表示编程材料的声音。
扬声器100还可以包括锥体122。锥体122的顶点可以连接至音圈架116位于电机组件104外部的一端上。锥体122的外端可以连接至围边部或柔顺部124。围边部124可以连接在框架102的外周。如上所述，框架102还可以包括凸缘106，该凸缘106可被用于支持将扬声器100安装在诸如表面的所需位置或扬声器箱中。
外伸支架128可以在该外伸支架128的外周处连接至框架102。外伸支架128可以包括中心开口126，音圈架116被连接至该中心开口126。包括围边部124和外伸支架128的悬置可以约束音圈118在空气隙114中沿轴向往复运动。另外，扬声器100可以包括设计成使灰尘或其它颗粒无法进入电机组件104的中心罩或防尘顶130。
扬声器100可以包括一对扬声器端子132。扬声器端子132可以为扬声器100提供正端和负端。图1示出了用于完成扬声器端子132和一对音圈导线134之间的电气连接的典型的但绝非是唯一的机构。音圈导线134可以覆在音圈架116的侧面上，并穿过中心开口126以及音圈架116和锥体122顶点的交点。另外，音圈导线134然后可以覆在锥体122的表面136上到达一对连接点138。在这对连接点138处，音圈导线134可以连接至一对柔性导体140。柔性导体140可以与扬声器端子132相连接。这对柔性导体140可由金属箔、绞合线或任何其它适合的导电材料制成。音圈导线134可以采用非导电粘合剂或任何其它适合的连接材料固定或连接至锥体122的表面136上。
图1中阐述的扬声器100被示出具有以大致圆形形成的框架102、锥体122和围边部124。也可以使用不同几何形状的扬声器，诸如以正方形、椭圆形、矩形等形状形成的扬声器。另外，应该在说明性而不是限制性的意义上看待上面阐述的用于形成扬声器100的部件。也可以使用其它部件来制造扬声器100。
图2是包括第一扬声器202和第二扬声器204的示例性扬声器箱200。第一扬声器202是可在诸如从大约5kHz至大约25kHz的高频范围内工作的高频扬声器或高频驱动器。第二扬声器204是可在诸如大约100kHz至大约6kHz的中频范围内工作的中音扬声器(mid-rangeloudspeaker)。第二扬声器204包括锥体206。在其它实例中，可以将任何其它尺寸和/或频率范围的扬声器构造成包括对应的锥体206。
在一个实例中，锥体206可以用诸如包括填料(诸如纳米结构填充材料，在适当的情况下也可互换地称为“纳米结构材料”、“纳米填料”和“纳米材料”，在本文中将它们定义为在至少一个维度上具有纳米尺寸的材料)的聚丙烯的塑料来形成。纳米(nm)是10-9米，因此，纳米尺寸的范围包括从大约1至999nm。纳米结构填充材料可以在本质上是自然的、改性的或合成的，或者以上的任意组合。基础或载体塑料，诸如模压有纳米结构填充材料或者以其它方式与纳米结构填充材料结合的聚丙烯，被可互换地称为纳米复合物、纳米填充合成物、纳米填充材料、纳米填充树脂和纳米复合合成物(nanocompositecomposition)。
改善锥体的刚度和阻尼质量同时维持锥体的相对低的重量，可以向采用这种锥体进行工作的扬声器提供声学方面的益处。改善的阻尼可以消除扬声器锥体的声反射和其它不期望有的振动。改善的刚度可以提供扬声器的通带频率范围的扩展。更低的重量可以增强扬声器的响应特性，因为这样可以使更低的质量发生振动来产生声音。刚度、重量和阻尼特性全都可以提供扬声器的增强的性能，然而，这些特性(或参数)的一个或多个的改善，会造成一个或多个其它特性的合意性的恶化。由于这些相冲突的目标，材料的选择、锥体设计和制造工艺会与声学性能具有重要的联系。至少预定重量百分比的载体材料基体和预定重量百分比的纳米结构填料的选择性的结合以形成纳米复合物，可以导致这些相冲突的目标的最优折衷的实现。
当与仅由聚丙烯制成的锥体或者由具有标准尺寸颗粒填料(诸如云母、玻璃、碳酸钙、硅灰石或其它填料)的聚丙烯制成的锥体进行比较时，将纳米结构填料包含在塑料中，可以提供改善的刚度重量比和更高的比模量。图3是示出包括通过两种不同的工艺混合到载体或基体材料(诸如聚丙烯)中的确定的重量百分比(wt.％)的纳米材料的锥体的比模量或刚度的增加的示例性曲线300。在所示出的实例中，纳米材料是纳米粘土，并且载体材料是高流动性的聚丙烯，这些将在后面描述。第一曲线302表示比模量随着与后面描述的载体材料进行球团混合(pellet blend)的浓缩物形式的纳米材料的重量百分比的增加而增加。第二曲线304表示比模量随着可以在未浓缩的情况下与载体材料进行复合混合的纳米材料的重量百分比的增加而增加。
材料的比模量可被定义为Ys＝Ye/比重，并且是重量效率的实际度量。Ys对于扬声器锥体的设计和功能是很重要的，这是因为在所需刚度下的锥体重量会直接影响扬声器的响应和声音输出。在图3中，第一曲线302示出，不具有任何重量百分比的纳米材料的所选择的载体材料包括大约3034MPa的比模量。第一曲线进一步示出，当包含在锥体中的纳米材料的重量百分比从大约0％增加至16％时，比模量从大约3034MPa增加至大约4413MPa。第二曲线304示出，在大约8％至12％的纳米材料的重量百分比的范围内，比模量从大约5.3增加至大约4619MPa。在图3中，纳米材料的重量百分比的相对小的增加，提供了刚度的显著和理想的增加。所示出的重量百分比和比模量的增加仅是实例，并且利用所选择的重量百分比的纳米材料的比模量的其它增加是可实现的。图3还示出了对照材料306(其可以是例如填充有20％的重量百分比的云母的聚丙烯共聚物(CPP))的比模量，以便进一步示出在添加了纳米材料的情况下的比模量的改善。
机械阻尼也是锥体材料的期望性质。由于非常小的填料在发展材料性质方面比常规尺寸的填料高效得多，所以可以用更小的填料含量来制造具有等同性质(诸如刚度)的聚合物合成物。填料的这种合成物可被称为“树脂丰富的(resin rich)”。由于总阻尼(耗散机械能的能力)部分地与所存在的树脂的体积分数相关，所以这种树脂丰富的结合体可以具有改善的阻尼并形成理想的锥体材料。可以通过动态机械分析(DMA)来同时确定打算用于锥体应用的纳米材料的比模量和阻尼性质。可以在(线性粘弹性区域内的)恒定低应变和恒定频率下的扭曲试验的过程中取得剪切模量数据。后面描述的诸如ARES流变仪的实验室仪器适合于完成该任务。
图4是示出与比模量已在图3中得到表现的锥体材料相同的示例性锥体材料的阻尼与纳米填料含量(nanoloading)之间的关系的示例性曲线400。在图4中，第一曲线402指示出，在从大约0％的重量百分比至大约16％的重量百分比的球团混合的纳米材料的范围内，阻尼的范围是从大约0.036tan delta(电介质损耗因数)至大约0.037tandelta。第二曲线404指示出，在从大约8％至大约12％的合成混合的纳米材料的范围内，阻尼的范围是从大约0.045至大约0.050。两者都包括较高的树脂含量，该较高的树脂含量会导致相对于对照材料306的阻尼改善。因此，纳米材料的添加会对锥体的刚度和阻尼特性这二者提供有益的影响。
由于锥体的比重和阻尼都可以采用相对少量的纳米材料而得到显著的改善，所以纳米复合物(载体和纳米材料)的比重保持与载体自身基本相同。图5是示出在纳米材料的重量百分比增加时，图3和4中表现的同一锥体材料的重量的差别的示例性曲线500。在图5中，当纳米材料的百分比从大约0％变化到大约16％时，锥体的总重量改变大约6.5％。因此，包含纳米材料，可以缓解在实现具有相对低的刚度重量比和相对高的阻尼因子的最优声学性能的锥体制造过程中，以不同方式相竞争的目标之间的竞争。
锥体可以通过使用模具的注塑工艺来制造。锥体部件的实际尺寸和几何形状会受到使锥体材料在模具的薄壁部分中被容易地加工的能力的限制。特定树脂的薄壁加工的限制和相对适用性，会受到以下因素的影响特定填料和载体树脂的结合体的粘度特性，与填料尺寸相关的填充效率(filler efficiency)，以及可以存在的任何填料的总的重量百分比含量。通常，在给定剪切速率下树脂或树脂-填料的粘度越低，成型工艺就越容易，并且对于给定设计挑战的工艺窗口就越大。纳米填充材料可以通过较低的填料含量要求以实现等同的刚度，以及通过在注塑过程期间熔化的聚合物的更大的剪切稀化，来改善流动性。
在填充合成物中，根据聚合物工程理论，填料会与填料的体积分数成正比地增加粘度。通过研究和测试，已经确定的是，纳米填料可以比常规填料更高效地基于重量来增加基体材料的比模量。对于实现所需的刚度而言，更小的重量百分比含量的纳米填料是必然的。因此，对于增强到相等刚度的给定载体树脂而言，由于纳米填料含量而引起的粘度增加将小于利用标准尺寸填料颗粒观察到的粘度增加。
如后面将说明的那样，在类似注塑过程中存在的高剪切环境中，纳米填充合成物的熔融粘度(melt viscosity)可以比常规填充材料随剪切速率下降得更迅速。由于至少这两个原因，纳米填充材料可以有效地具有更小的粘度，并且更适合于加工到薄壁锥体部件中。
其它纳米填料材料添加剂和诸如微孔注塑(micro-cellular injectionmolding)(MuCell)或Expancell的工艺，可以用于促进锥体成型并提供更高的比模量和/或通过其它方式改善阻尼。MuCell工艺在熔体处于制模机的机桶中时，在熔体刚好被填充进模腔之前，将二氧化氮或二氧化碳超临界流体(SCF)注入到基础聚合物(base polymer)中。在注入时，SCF自发地气化并且气固分散体被形成。产物是包括分散在固体聚合物合成物中的气体的轻重量的成型物。通常，刚度和重量都会被降低，但是成比例的改变会有利于得到更高的材料比模量。此外，附带的临界流体可以暂时降低熔化的聚合物的粘度，从而允许熔化的聚合物在注入期间更迅速地流入到给定的模腔中。
可选地，Expancell是基于材料的技术，其中附带有发泡剂的聚合添加剂被添加到塑料成型球团(molding pellet)中，并通过制模机螺杆的输送、加热和混合动作而分散在熔化的聚合物中。附带的发泡剂在仍然自我控制(discreet)的Expancel颗粒内膨胀，这些颗粒被构成为在熔化的聚合物合成物被注入到模具中时，保持它们分离的特性。这样，形成了微小的“微球(microballoon)”，这降低了成型体的重量，并且改变了成型体的阻尼性质。材料的阻尼和比模量都可以得到增加。
高流动性复合合成物如本文中使用的，术语“流动粘度”是指当聚合物处于流体状态时，聚合物流动的阻力。剪切粘度在本文中被定义为稳定剪切流动情况下的剪切应力除以剪切速率。可以给粘度赋予Ns/m2或Pa.s的单位(这些单位的等价关系为1Ns/m2＝1Pa)。用于粘度的可选单位是泊，其中10泊(g/cm s)＝1kg/m s＝Ns/m2＝1Pa.s。
在识别和定义用于成型薄壁锥体的“高流动性”复合合成物方面，至少两种方法是有用的——对粘度与剪切速率的关系的确定，以及熔融指数。材料熔融粘度随剪切速率的下降是聚合物熔体的特征流动性质，其被称为“触变性”或“剪切稀化”。剪切稀化是聚合物熔体通常展现出的，并且可以采用设计成评估聚合物流变能力的实验室仪器来表现其特征。一种这样的仪器是ARES动态机械分析仪(DMA)，它是特拉华州的TA Instruments公司的产品。特别地，可以在恒定温度下进行粘度与剪切速率之间的关系的测试，以确定和比较热塑性材料的剪切稀化行为。
在一个实例中，锥板或平行板测试治具(test fixture)几何结构可被使用，并且可取决于要评估的剪切范围而在稳定剪切模式或动态剪切模式下操作。在大约1弧度/秒或高于大约1弧度/秒的更高的剪切速率可以在动态测试中更容易地得到评估。该测试模式下的剪切速率的单位是弧度/秒，而稳定剪切模式下的剪切速率的单位以秒的倒数(reciprocal second)(1/秒)来报告的。在任何一种模式下产生的数据可以是成比例的，并且可以通过使用Cox-Mertz关系来相互转换。可以选择代表用于将材料注塑到所关心的部件(诸如扬声器锥体)中的温度的测试温度。粘度数据可以典型地在从大约0.01至大约1000弧度每秒的(动态)剪切速率下收集，然而，高于大约10弧度/秒的数据可能是最有利的。
图6是示例性塑料材料的示例性粘度数据的双对数坐标图600。在图6中，可以将所示出的曲线分成第一区域602和第二区域604。
在以第一区域602标识的低剪切速率下，粘度曲线相对平坦，指示出粘度相对独立于剪切速率并且熔融流被称为有牛顿力学特性。在以第二区域604标识的高于大约10弧度/秒的更高的剪切速率下，在触变性或剪切稀化开始时，粘度与不断增加的剪切速率成指数比例迅速下降。该区域中的熔融流被称为“幂律”流动行为。然后，剪切稀化的相对程度以该区域中的粘度对数与剪切速率对数的关系曲线的斜率来给出。幂率流动可以是注塑工艺中的聚合物溶化物的行为的代表，其中在注塑工艺中，可能会发生从数百至数千弧度/秒的剪切速率。
如前所述，对于扬声器锥体的薄壁注塑而言，剪切稀化更高的合成物是优选的。由此可见，可以通过把在典型是恒温的注塑工艺中的剪切速率下确定的(例如，在“幂律”区域中的)合成物的粘度剪切速率曲线的斜率与常规合成物进行比较，来识别和描述优选的高流动性合成物。
特别地，在图6中，与增加的比模量和阻尼相关的纳米复合合成物，在与诸如云母和粘土的标准颗粒填充合成物比较时，还具有更大的剪切稀化。另外，剪切稀化行为的开始，发生在较低的剪切速率下。纳米填充合成物与标准填料合成物的粘度-剪切速率曲线的“交叉”可以在较高的剪切速率下观察到(参见图7)。薄壁成型因此得到了改善，使得例如扬声器204可以包括这样的扬声器锥体，该扬声器锥体包括良好的阻尼、高比模量、高流动性的热塑性复合材料。
熔体流速方法是材料流动容易性的度量，并且可以用于确定当负荷被施加到机桶中的熔化试样时，在给定时间内有多少材料被挤压通过模具。熔体流速技术被记述在ASTM测试标准D1238中，并被广泛地用于质量控制和工程规范的目的。
高流动性复合合成物优选地具有适合于预期应用的强度/重量比，以及仍然低到足以允许具有所需厚度的锥体的注塑的高剪切速率下的粘度。例如，高流动性复合合成物被合乎需要地配制成允许通过注塑来制造具有各种厚度的扬声器锥体。特别地，高流动性的合成物允许通过注塑来形成薄壁以及较厚的壁的结构。薄壁结构可以具有比用于形成该结构的注射流动路径小的厚度。薄壁注塑包括具有相对高的流动长度与壁厚之比(诸如，大约100∶1及更高)的部件的注塑。“中音”扬声器锥体的薄壁部分可以具有大约0.5mm或更小(优选地在大约0.1mm和0.5mm之间，并且更优选地在大约0.15mm和0.35mm之间)的厚度与大约25mm至50mm的近似范围内的流动长度，其中“大约”是指标称值的+/-5％。
高流动性的复合合成物可以通过测量典型是用于注塑的温度下的聚合物熔融粘度来识别。例如，对于纳米填充聚丙烯而言，可应用的温度可以典型地是大约177摄氏度至大约232摄氏度，并且更可能在大约204摄氏度和大约218摄氏度之间。在高剪切速率下具有相对低的粘度的复合合成物是特别优选的。在复合材料的一些实例中，如后面所述，高流动性的聚合物载体可以合乎需要地被选择成特别是为薄壁结构的注塑提供作为剪切速率的函数的粘度的更迅速的降低。
可以通过使用动态机械分析仪(dynamic mechanical spectrometer)测量在大约0.1-1000弧度/秒的范围内的剪切速率和大约210摄氏度下的动态剪切粘度，来表现聚丙烯合成物的流变学性质的特征。大约10弧度/秒和大约500弧度/秒下的粘度位于幂律区域中，并且可以采用称为VSRR(粘度剪切速率比)的两个数的比例(＝V10/V100)而被分别表示为V10和V500。应注意的是，VSRR是粘度剪切速率曲线在幂律区域中的斜率，并且在定义和识别合乎薄壁锥体成型过程的需要的高流动性的合成物方面是有用的。该值越高，材料的填模能力就越好。用于薄壁纳米复合锥体的高流动性的纳米复合聚丙烯合成物可以具有这样的VSRR，其高于3、更理想地高于6并且最理想地高于8，并且由DMA在210摄氏度和500弧度/秒下测量的动态剪切粘度理想地小于大约5000泊，并更理想地小于大约3000泊。
图7是显示出可以用于成型扬声器锥体的各种示例性的纳米填充合成物和聚丙烯合成物的粘度-剪切速率行为的图700。第一曲线702代表未填充的高流动性基础载体，诸如高流动性聚丙烯。第二和第三曲线704和706表示从分别在高流动性聚丙烯载体中包含大约4％和16％的重量百分比的纳米材料(诸如铝硅酸盐纳米填料)的两种纳米复合物中获得的一组曲线。第四曲线708是作为对照的使用常规尺寸的云母填料的20％云母增强聚丙烯的曲线。
在纳米填充材料的第一、第二和第三曲线702、704和706中，观察到了填料含量对流动性的降低所产生的通常预期的效果。然而，曲线之间的流动行为的关键差别是显而易见的。纳米填充复合物的曲线704和706显示出剪切稀化行为开始于与大约0.1弧度/秒一样低的剪切速率的优点。可选地，第四曲线708(标准云母合成物)和第一曲线702(未填充的高流动性载体)的粘度，直到剪切速率超过10弧度/秒时才有可察觉的下降。因此，当相对于常规填料用纳米填料作为增强剂时，使薄壁填模更容易的剪切稀化的优点在熔体填充时序中开始得更早。其次，增强的剪切稀化允许高模量的纳米合成物含量更高的(诸如第二和第三曲线704和706的纳米合成物)的熔融粘度与第四曲线708“交叉”，这表示出对于薄壁锥体的注塑而言，纳米填充材料熔体的粘度有效地变低。对于这些实例而言，交叉可以分别发生在大约1弧度/秒下和大约10弧度/秒下。
高流动性-高模量载体材料示例性锥体的高流动性复合合成物包括热塑性载体和填料以增加合成物的刚度/重量比和阻尼。热塑性载体优选地是具有如下性质的有利组合的聚合物低密度，高刚度，温度升高情况下的刚度保持力，以及由热变形(heat deflection)行为和高熔体流速指示的高流动性。可以为未填充的树脂状态定义这些属性的宽广和优选的范围并且这些范围可以如下所述比重可以是宽广的范围，诸如小于大约0.95，并且优选地可以小于大约0.92(其通过ASTM D792来测量)。当被表示为根据ASTM D790测量的大约23摄氏度下的弯曲模量时，刚度可以是大于大约1724MPa并优选地大于大约2068MPa的宽广的范围。根据ASTM D648测量的0.45MPa下的热变形温度可以处于大于大约107摄氏度并优选地大于121摄氏度的宽广的范围中。根据ASTM D1238测量的熔体流速可以是在大约230摄氏度和大约2.16Kg负荷下，处于可以大于大约12克/10分钟的宽广的范围中，或者处于大于大约20克/10分钟的较窄的范围中，或者处于大于大约30克/10分钟的更窄的范围中。示例性的载体聚合物包括高流动性的α-烯烃聚烯烃，诸如高结晶成核聚丙烯。
适合的高结晶聚丙烯是可通过市场从BP Amoco Polymers有限公司买到的商标名为ACCPRO的成型球团形式的高结晶聚丙烯。在下面的一些实例中，载体聚合物是来自伊利诺斯州的芝加哥的AmocoPolymers的高结晶聚丙烯ACCPRO 9934(新近被改名为InnoveneH35Z-02)。这种聚合物具有大约35克/10分钟的熔体流速，0.91的比重，大约2241MPa的弯曲模量，66pai下的135摄氏度的热变形温度，以及41.5MPa的抗张强度(ATM D638，26.7摄氏度)。
图8是粘度与剪切速率之间的关系的一组示例性曲线，其示出了高流动性载体对高流动性的纳米复合合成物填充进模具中的较薄部分的能力的贡献。第一曲线802表示未填充的高流动性载体的流动行为，并且第二曲线804表示载体加上8％的重量百分比的纳米填料的行为。纳米填料的剪切稀化效果，以及由于将8％的重量百分比的纳米填料添加到高流动性载体中而引起的粘度增加，是显而易见的。第三曲线806代表也具有8％的重量百分比的纳米填料的另一纳米填充聚丙烯。与填料相关的剪切稀化效果保持明显，但是在整个范围中，第三曲线806移动到了始终更高的粘度值。明显的是，载体树脂的选择是用于获得满足如下条件的总体高流动性纳米填充合成物的重要因素合乎填充被设计成生产薄壁塑料锥体的模具的需要。
聚丙烯载体树脂最初被生产为粉末形式。树脂粉末可以与附加组分相混合，并被直接用在成型和挤压物品的生产中，或者可以根据树脂复合技术中通常采用的方法而首先使其复合并将其制成球状。例如，干燥的树脂可以与可能被需要的稳定化组分、成核剂和添加剂干混合，然后被送至单螺杆或双螺杆挤出机。通过线模(strand die)挤出到水中的聚合物，然后可以被便利地切剁以形成球团，并被存储以供随后进行混合来提供所描述的用于进一步制造的混合物。
这种未填充的材料可进行挤压混合以便直接结合所需水平的纳米填料，或者以便生产出填料浓缩物，该填料浓缩物可以在最终的注塑阶段与相同或其它相容性基础树脂(base resin)混合以实现最终的所需的纳米填料含量。可选地，将另一相容性基础树脂用作载体的纳米填料浓缩物可以与高流动性树脂(诸如高流动性的ACCPRO树脂)成比例地混合，以获得具有所需纳米填料含量的合成物。市场上可买到的纳米填料浓缩物以及一般或定制的成型级别(molding grate)的纳米填充树脂是由俄亥俄州的埃文湖(Avon Lake)的PolyOne制造的商标名为Maxxim的产品。市场上可买到的40+/-2％的重量百分比的纳米填充浓缩物的一个实例是Maxxim MB1001，其被制造用于供聚丙烯使用。
填料可以通过将纳米结构填料材料直接复合到高流动性载体中，或者通过使球团浓缩物在注塑成型压机(injection molding press)中与高流动性载体球团混合，来引入纳米结构填料材料。用于形成浓缩物的高流动性基础树脂和载体树脂必须是相容的，但是可以彼此完全相同或者可以彼此不同。优选地，最终的热塑性复合材料将具有从4wt％至大约20wt％并且更优选地为从4wt％至12wt％的纳米结构填料。
特别适合于使用的纳米结构材料包括以下类别的纳米尺寸特征中的一个或多个纳米颗粒、多层(纳米薄膜)、纳米晶和纳米多孔材料、纳米复合物和纳米纤维(纳米管和纳米线)，以及以上的任意组合。纳米结构材料可能例如包含单纳米晶材料，或者它可能包含与一种类型的纳米颗粒结合的两种纳米复合物。纳米晶材料例如是在尺寸上大约为1至10nm的微晶，在这种尺寸下可以容易地获得超高的表面体积比。另一方面，纳米多孔材料的特征在于由纳米尺寸的腔或孔组成的结构的分子组合体(molecular assembly)。典型的纳米结构材料可以由铝硅酸盐、含碳材料、层状双氢氧化物或者以上的混合物组成。
优选的纳米结构材料可以由铝硅酸盐、含碳材料、层状双氢氧化物或者以上的混合物组成。铝硅酸盐纳米结构材料包括但不限于诸如页硅酸盐(诸如蒙皂石族(smectite group)粘土矿物)的聚硅酸盐，诸如沸石的网硅酸盐，诸如水羟硅钠石(kenyaite)的四硅酸盐，以及沸石。自然或合成的页硅酸盐例如是基本由硅四面体层和氧化铝八面体层构成的片状结构。页硅酸盐是优选类型的结构纳米材料，并且优选类型的页硅酸盐仅包括一种或多种蒙皂石粘土，或者优选类型的页硅酸盐包括一种或多种蒙皂石粘土与其它相容性结构纳米材料的结合。可用在塑料锥体中的页硅酸盐的另外的实例包括但不限于蒙脱石、绿脱石、贝得石、锂蒙脱石、皂石、锌蒙脱石、高岭石、蛇纹石、伊利石、海绿石、海泡石、蛭石或者以上的混合物。尽管并非是特别进行限制，但是页硅酸盐的总阳离子交换能力可以优选地是每100克的页硅酸盐材料为10至300毫克当量，更优选地为从50至200毫克当量。页硅酸盐纳米材料(即纳米粘土)可通过市场从伊里诺斯州的Arlington Heights的Nanocor有限公司买到(产品名为NANOMER)，并且可从德克萨斯州的Gonzales的Southern Clay Products有限公司买到(产品名为CLOSITE)。
含碳纳米材料也可以用于形成纳米结构复合材料。含碳填料的实例包括富勒烯、碳纳米颗粒、金刚烃(diamondoid)、多孔碳、石墨、多微孔中空碳纤维、单壁纳米管和多壁纳米管。富勒烯典型地由60个碳原子构成，这60个碳原子连接在一起而形成对称地排列有20个六边形表面和12个五边形表面的笼状结构。优选的富勒烯材料包括C60和C70，尽管也可以想到采用其它“更高的富勒烯”，诸如C76、C78、C84、C92等或者这些材料的混合物。石墨是结晶形式的碳，其包括在分层平面中共价结合或金属结合的原子，其中各平面之间具有较弱的范德华键。
添加的复合材料复合材料还可以包括增容辅助剂(compatibilizing aid)以促进和改善丙烯聚合母体(propylene polymer matrix)与纤维素纤维填料之间的粘附。如本文中使用的，术语“增容辅助剂”是指可以与聚丙烯和纤维素纤维混合以促进聚丙烯母体与纤维之间的粘附的任何材料。增容辅助剂优选地将包括功能化聚合物，可以将该功能化聚合物进一步描述为可与丙烯聚合母体相容的聚合物，并且具有与其共聚合或者附于其上的极性部分或离子部分。典型地，这些功能化聚合物是接枝有极性部分或离子部分的丙烯聚合物，诸如不饱和的羧酸或其酸酐，例如(甲基)丙烯酸、顺丁烯二酸、反丁烯二酸、顺甲基丁烯二酸、甲叉丁二酸等。
接枝共聚物的丙烯聚合物部分可以是丙烯的均聚物或者是丙烯与另一α-烯烃(诸如乙烯)的共聚物；丙烯的均聚物是优选的。功能化丙烯聚合物包括马来化聚丙烯(maleated polypropylene)，该马来化聚丙烯具有从大约0.4至大约2wt.％、优选地为0.5-1.25wt.％的马来化水平，以及190摄氏度和2.16kg下确定的从大约1至大约500克/10分钟、优选地为从大约5至大约300克/10分钟的熔融指数(MI)。特别适合的马来化聚丙烯是可从Uniroyal获得的商标名为Polybond.TM.3200的产品。其它级别的Polybond.TM.树脂可被发现是适合的，如同以下产品一样也可被发现是适合的来自DuPont的Fusabond.TM.马来化聚丙烯树脂，来自Eastman Chemicals的Epolene.TM.改性剂树脂(modifier resin)，以及来自Exxon Chemicals的Exxelor.TM.改性剂树脂。
功能化聚合物在被采用时可以以足以充当聚合材料和纤维素纤维之间的相容性剂(compatibility agent)的量被包含到锥体206中。典型地，大约0.3至大约12wt.％的功能化聚合物足以提供聚合母体与纤维组分之间的充足粘附。由于功能化聚合物比大多数高结晶丙烯聚合物更贵，所以存在着使这种功能化聚合物在总产品中的比例最小化的经济动机。优选地，基于树脂和填料组分的总重量，以大约0.5至10wt.％的水平并且更优选地为大约1至6wt.％的水平，将这种功能化聚合物结合到本发明的产品中。包含从大约1至大约4wt.％的尤其是马来化聚丙烯的功能化聚合物的产品被发现是特别适合的。
高流动性热塑性复合合成物的注塑可以通过配制热塑性复合物并使用热塑成型技术使复合物成形，来形成扬声器锥体。可以通过将丙烯基聚烯烃载体材料和纳米结构材料剪切混合在温度等于或大于聚合物的熔点的熔体中来制备复合物。熔体的温度、熔体在混料机内的驻留时间以及混料机的机械设计，是控制在混合期间施加到合成物的剪切量的几个变量。
可选地，可以使载体成粒状并使其与各纳米材料干混合，此后，在混料机中加热合成物直到使聚合物熔化以形成可流动的混合物。该可流动的混合物然后可以在混料机中经历足以形成所需复合物的剪切。也可以在添加纳米结构材料之前在混料机中加热聚合物以形成可流动的混合物，然后使其经历足以形成所需的离子化纳米复合物的剪切。最有利地包含到聚烯烃中的纳米结构材料的量，取决于各种因素，这些因素包括用于形成复合物的特定纳米材料和聚合物，以及其被期望具有的性质。
在一个实例中，通过在组合式啮合同向旋转双螺杆挤出机(modularintermeshing co-rotating twin-screw extruder)(诸如由Werner-Pfleider制造的挤出机)中将组分混合，来制备复合材料。该类型设备的其它制造者包括来自Berstorff、Leistritz、Japanese Steel Works及其它厂商的同向旋转双螺杆挤出机。该类型的混料机的螺杆直径可在从大约25mm至大约300mm的范围内变化。
混合挤出机包括对合成物执行某些混合功能的一系列部分或模块。聚合组分作为固体颗粒在主进料斗处被进给到挤出机的初始进给部分中。诸如填料、热稳定剂等的其它配料也可以作为干粉或液体被进给到混合挤出机的主进料斗中。大多数热稳定剂和UV稳定剂可以添加到混料机的下游部分中。每种任选的配料可以与混合物混合，该混合物在生产该混合物的过程中与配料混合。上述混合物可以通过例如挤压来生产。聚烯烃树脂混合物可以通过能够确保生成相对均匀的混合物的任何常规方式来进行混合。任选的配料也可以以具有如前所述的其它主要配料或任选配料中的一种或多种的母料形式来制备。
组分典型地采用挤出机的初始熔化和混合部分而被均质化。聚合物熔体温度通过一系列的捏合块而被升高到刚好高于聚合物混合物的最高软化点。大约160℃至230℃的熔体温度可以用于第一混合部分。
在第一混合部分之后，存在着挤出机的第二混合部分来执行捏合和分布性混合。该部分中的混合温度可以为从大约160℃至大约225℃，或者可以为从大约170℃至大约220℃，以便使纳米结构材料充分地分散在聚烯烃混合物中。第二混合部分内的驻留时间应该为至少10秒，但至多为100秒，以便防止过度的热降解。优选地，纳米结构材料至少大致均匀地分散在聚烯烃内，并且更优选地，纳米结构材料被均匀地分散在聚烯烃内。
混合挤出机的最后的部分在通过拉模板(die plate)挤出之前进行熔体压缩。熔体压缩可以采用同向旋转双螺杆挤出机来实现，或者熔体压缩可以通过解耦工艺(诸如单螺杆挤出机或熔体齿轮泵)来进行。在压缩部分的末端，合成物通过拉模板而被排出。
可以通过绞线成球(strand pelleting)或商用水下成丸(commercialunderwater pelletization)来将复合物制成球状。复合合成物的球团然后可以用于通过许多手段中的任何一种来制造具有所需形状或构造的物品，其中许多手段诸如各种类型的注塑工艺，挤压或混合挤压过程，压缩成型过程，热成形过程，等等。可以将合成物配制成具有适合于期望被使用的常规成型或成型设备的熔体流动性。
形成为包括诸如纳米材料的填料的锥体206的性能，可以提供具有较低的总谐波失真(THD)的频率响应，后面将对此进行描述。另外，塑料锥体206的质量可以有利地得到降低。由于灵敏度与质量成反比，所以得到降低的质量将增加扬声器对音频信号的灵敏度。塑料锥体还可以是防水的或者至少是抗水的。取决于基础树脂的选择，一些纳米复合塑料可以展现出比纸更好的耐燃性和更高的工作温度性能，这有时对锥体应用是很重要的。
由于在制造中使用的原材料相对均匀，所以在与常规纸锥体和/或金属锥体相比时，塑料锥体的制程变异可以得到显著的降低。另外，在与纸锥体相比时，塑料锥体可以更坚固。因此，考虑到塑料锥体的得到改善的刚度，装运、制造过程中的处理、扬声器装配等，都可以有利地得到改进。考虑到塑料锥体的增加的坚固性，诸如围边部和音圈的其它扬声器零件与塑料锥体的结合(包括热塑弹性体(TPE)覆盖成型(over-molding))，可以通过二次处理(诸如等离子体处理)而得有利地得到改进。
在另一实例中，塑料锥体206可以采用引入填料的过程来形成，该填料是大致均匀地分布在整个塑料中的气体。产物可以是具有减小的重量和减小的扭曲而没有显著的刚度损失的锥体。因此，这样的锥体也可以具有改善的刚度重量比。可用于将作为气体的填料引入到塑料材料中的示例性工艺包括MUCELL、EXPANCEL或者能够将气体分布在塑料内的任何其它材料和/或工艺。
在又一实例中，塑料锥体206可以包括附加的超轻重量的填料。示例性的超轻重量的填料包括飞尘或煤胞(cenosphere)。可以包含超轻重量的填料以进一步改善塑料锥体206(图2)的刚度重量性能。
如前所述，采用这种填料形成的锥体展现出显著高于由未填充的聚丙烯(UF PP)制成的锥体的比模量。同样如前所述，用于形成锥体的塑料和纳米材料的百分比可以发生变化，同时仍能有利地维持低的元件比重。例如，可以采用大约4wt.％的纳米材料、大约6wt.％的聚丙烯载体树脂和大约90wt.％的聚丙烯来形成锥体。在另一实例中，可以采用大约12wt.％的纳米材料、大约18wt.％的聚丙烯载体树脂和大约70wt.％的聚丙烯来形成锥体。在又一实例中，可以采用大约20wt.％的纳米材料、大约30wt.％的聚丙烯载体树脂和大约50wt.％的聚丙烯来形成锥体。在这些实例中，锥体的平均壁厚可以为大约0.28mm。在另一实例中，可以采用大约12wt.％的纳米材料、大约18wt.％的聚丙烯载体树脂和大约70wt.％的聚丙烯来形成锥体，并且平均壁厚为大约0.19mm。如前所述，可以省去聚丙烯载体树脂，或者可以在其它实例中使用其它类型的塑料(诸如液晶聚合物(LCP)和GTX)，由尼龙+PPO+聚苯乙烯构成的专有的General Electric合金。
在又一实例中，锥体可以采用MuCell工艺来成型以包括大约8wt.％的诸如纳米粘土的纳米材料，大约12wt.％的聚丙烯载体树脂，大约1wt.％的Mucell超临界流体(SCF)，以及大约80wt.％的聚丙烯。在该实例中，锥体的平均壁厚可以为大约0.28mm。在又一实例中，锥体可以采用大约8wt.％的诸如纳米粘土的纳米材料、大约12wt.％的聚丙烯载体树脂、大约1wt.％至大约3wt.％的Expancell以及大约77wt.％至大约79wt.％的聚丙烯来形成。在该实例中，锥体的平均壁厚可以为大约0.28mm。调节基体材料中存在的纳米材料的重量百分比，会直接影响刚度重量比。当添加了附加的纳米材料时，刚度发生增加，然而如前所述，元件的重量保持基本相同。
如前所述，通过调节锥体的基体材料中的纳米材料的重量百分比，声阻尼类似地得到改变。因此，当调节锥体的壁部分时，还可以将纳米材料的重量百分比调节成维持基本相同的锥体刚度。然而，纳米材料的重量百分比的调节，会对阻尼进行调节。例如，如果减小锥体壁部分的确定的厚度，则可以增加纳米材料的重量百分比，以便即使壁部分变得更薄也能维持基本相同的锥体刚度。由于增加了纳米材料的重量百分比，所以锥体的阻尼将减小。
图9是具有采用不同材料形成的锥体的扬声器的一组示例性的频率响应曲线。图9还包括该组频率响应曲线在5kHz至20kHz的范围内的部分的局部视图。在该实例中，每个锥体的重量基本相同，这可由在通带区域中的不同频率响应曲线中保持基本相似的声压级(SPL)来证明。第一频率响应曲线902代表包括仅采用高流动性34熔体成核共聚物聚丙烯(诸如ACCPRO)成型的锥体的扬声器的性能。第二频率响应曲线904代表包括采用载体(其是高流动性34熔体成核共聚物聚丙烯，诸如ACCPRO)与第一重量百分比(其是8％的重量百分比)的纳米材料成型的锥体的扬声器的性能。第三频率响应曲线906代表包括采用载体(其是高流动性34熔体成核共聚物聚丙烯，诸如ACCPRO)与第二重量百分比(其是16％的重量百分比)的纳米材料成型的锥体的扬声器的性能。示例性的第一、第二和第三频率响应曲线902、904和906基于2.0伏阶梯正弦波(stepped sine wave)输入音频信号以及在1米处对相对应的扬声器的频率响应输出的测量。另外，在该实例中以频率响应曲线4902和4904表示的纳米材料和载体是球团混合的。
在该实例中，第一频率响应曲线902包括大致平坦(其变化在3分贝(dB)内)的从大约200Hz至大约6kHz的第一通带频率范围908。另外，声压级(SPL)的大小为大约88dB。关于频率，术语“大约”描述的是+/-500Hz的范围。关于SPL，术语“大约”描述的是大约+/-.2dB的范围。
相比之下，处于大约相同SPL的第二频率响应曲线904，在从大约200Hz至大约6.3kHz、大约6.5kHz或大约7kHz或大约6kHz和7kHz之间的第二通带频率范围910上，具有大约3dB的SPL变化(基本平坦)。因此，第二频率响应曲线904在比第一频率响应曲线902宽的带宽上，具有SPL变化相对低的频率响应。更具体而言，第二通带频率范围910的SPL的变化，在从大约200Hz至大约6.3kHz的范围上保持小于大约3dB，该范围包括高出第一通带频率范围908的附加的300Hz频率带宽。另外，第二频率响应曲线904的SPL的变化，在更宽的带宽上大致平坦并且相对较小。第二频率响应曲线904的SPL的更宽的带宽和更小的变化，是由于在扬声器锥体中包含了纳米材料。因此，8％的重量百分比的纳米材料的使用，改善了保持基本平坦的所需频率响应的范围(通带频率范围)。在其它实例中，其它载体，其它重量百分比的纳米材料，其它挤压工艺，其它混合工艺，以及其它锥体结构，都是有可能的。
进一步进行对比，具有相似的SPL的第三频率响应曲线906，在从大约200Hz至大约7kHz、或大约8kHz或7kHz和8kHz之间的第三通带频率范围912上，具有大约3dB的SPL变化(基本平坦)。相对于第二频率响应曲线904，产生第三频率响应曲线906的扬声器锥体包括具有添加的16％的重量百分比的纳米材料的锥体。因此，刚度在质量增加很少或没有增加的情况下得到了改善。与第二频率响应曲线904相类似，第三频率响应曲线906在第三通带频率范围912的整个范围上基本平坦。然而，第三频率响应曲线906的通带频率范围912已经被扩展到包括附加的高频率带宽。换言之，与不包含纳米材料的第一频率响应曲线902相比，第三通带频率范围912具有增加的通带频率范围(在该实例中增加了大约1kHz)，而没有使塑料锥体的SPL变化或质量发生显著的改变。
在图9中，当第二频率响应曲线904的SPL的变化在第二通带频率范围910的高频端改变大于3db时，第一频率响应曲线902高出第一通带频率范围908大约500Hz。在第二通带频率范围910的高频端，第一频率响应曲线902的SPL的变化为大约6dB，从而产生大约3dB的第一和第二频率响应曲线902和904之间的SPL变化的差。在第三通带频率响应范围912的高频端，第一频率响应曲线902高出第一通带频率范围908大约1kHz。另外，当第三频率响应曲线906的SPL的变化为大约3dB时，第一频率响应曲线902的SPL的变化为大约8dB。因此，可以通过在塑料锥体中包含确定的百分比重量的纳米材料，来在更宽的通带频率范围上实现显著更低的SPL变化。因此，具有包含预定重量百分比的纳米材料的锥体的扬声器的性能，在比具有纯聚丙烯锥体的扬声器更大的带宽上提供了改善的声学性能。
通过比较第二和第三频率响应曲线904和906，通带频率响应范围基于包含在塑料锥体中的纳米材料的重量百分比的改变而变得更大。在图9中，第三通带频率响应范围912比第二通带频率响应范围910长大约700Hz。因此，可以基于纳米材料的重量百分比的相对应的范围来产生大约500Hz至大约1kHz不等的一系列通带频率响应范围。这样，由于塑料锥体的制造过程的可重复性，可以使用预定重量百分比的纳米材料来获得所需的通带频率响应。
高频率带宽由于刚度重量比的改善而得到扩展，其中刚度通过纳米材料的添加而得到增加。SPL的变化会由于使锥体进入停止模式(breakup mode)的频率的扩展而得到减小。停止模式是指扬声器锥体不再像刚性活塞那样运行时的模式。纳米材料重量百分比的选择，可以用于调节高频率带宽以获得所需的通带频率响应范围。例如，在一些应用中，(包括具有第一预定重量百分比的纳米材料的锥体的)中音扬声器的减小的高频率带宽(更短的通带频率响应范围)，在与具有扩展到相对低的频率的通带频率响应范围的特定高频扬声器耦合时，能够实现改善的系统性能。另一方面，如果特定的高频扬声器具有仅占据相对高的频率的通带频率响应范围，则具有扩展到包括更大的高频率带宽的更长的通带频率响应的中音扬声器(其锥体具有比第一预定重量百分比大的第二预定重量百分比的纳米材料)是合乎需要的。
图10是具有采用未填充的高流动性均聚物聚丙烯与纳米材料成型的锥体的扬声器的第一频率响应曲线1002和具有采用Kevlar复合物形成的锥体的扬声器的第二频率响应曲线1004的一个实例。Kevlar复合物锥体是已知的可以用在扬声器中的具有相对高的性能的锥体。如图10所示，相对于第二响应曲线1004的SPL，第一频率响应曲线1002的SPL变化在大约2kHz和大约7kHz之间得到了显著的改善。更具体而言，第一频率响应曲线1002的SPL的变化，在大约150Hz和大约6kHz之间为大约2dB。相比之下，第二频率响应曲线1004的SPL的变化，在大约150Hz和大约6kHz之间为大约5dB。因此，包括具有未填充的高流动性聚丙烯与纳米材料的锥体的扬声器的性能，显著地好于包括Kevlar锥体的扬声器的声学性能。
由于改善的刚度重量比，灵敏度也可以得到改善。在图9和10中示出的先前的实例中，灵敏度得到了与1或2dB一样大的改善。另外，如前所述，采用具有未填充的高流动性聚丙烯与纳米材料的锥体制成的扬声器的可用带宽，会由于增加的刚度和减少的重量而得到增加。在包括具有未填充的高流动性聚丙烯与纳米材料的锥体的扬声器中，能量存储和耗散性质也可以显著地改善阻尼，这可由最小化的SPL变化来证明。
图11示出了薄壁成型工艺中使用的示例性工具。工具1100包括第一半模1102和第二半模1104。工具1100可以由能够承受与成型相关的温度和压力的诸如钢的任何刚性材料制成。可以将第一半模1102描述为模具1100的固定部件，并且可以将第二半模1104描述为模具的运动部件以反映模具1100的操作方面。第一半模1102可以包括形成有圆周围绕的第一肩部区域1108的第一模具嵌件1106，锥形突出区域1110，以及可用作材料入口的浇口1112。第二半模1104可以包括第二模具嵌件1114，圆周围绕的第二肩部区域1116，锥形凹进1118，以及隔膜1120。
第一和第二嵌件1106和1114可以从模具1100的相应的第一和第二半模1102和1104中拆除。第一和第二嵌件1106和1114可以采用能够在升高的温度和压力下工作的任何刚性材料形成。在一个实例中，第一和第二嵌件1106和1114可以是铍铜以改善热传导。第一和第二嵌件1106和1114可以在预定温度(诸如大约82至大约107摄氏度的范围)下工作，以便在形成锥体的过程中增加材料中的晶体结构并减少材料中的非晶结构。
第一和第二肩部1108和1116可以在第一和第二嵌件1106和1114之间形成密封。第一和第二肩部1108和1116可以包括排气部分以允许空气在纳米复合材料被注入到模具中时可以漏出。可以将锥形突出区域1110形成为，当将第一和第二半模1102和1104合在一起时，锥形突出区域1110可以装配到锥形凹进区域1118内。锥形突出区域1110还可以包括与锥形突出区域1110的外缘相邻布置的第一粗糙环形表面1124，以及布置在锥形突出区域1110上以由第一粗糙环形表面1124围绕的第二粗糙环形表面1126。第一和第二粗糙表面1124和1126可以在模具1110中所形成的锥体上形成不平坦的表面(诸如喷沙效果)。当将围边部结合到锥体的外周边缘附近并且将音圈架结合到锥体的内周边缘附近时，不平坦的表面可以有利地产生附加的摩擦。另外，不平坦的表面可以允许锥体更容易地从模具1100中被释放。可以将第二粗糙表面1126形成为围绕浇口1112。
浇口1112允许将诸如塑料与纳米材料的结合体的材料注入到第一和第二嵌件1106和1114之间的区域中。浇口1112可以呈隔膜形状。隔膜可以进入锥体内孔的全圆周处的部分和围绕该全圆周的部分。该几何结构有利于塑料从浇口1112快速均匀全圆周地填充到锥体的边缘。也可以在工具构造中采用芯腔锁(core and cavity lock)，以防止芯和腔在高压注射过程中的横向移动。横向移动会导致不均匀(厚/薄点)的壁结构，以及填充过程期间的横向材料流动。横向材料流动会产生不希望有的熔接线缺陷。可以以相对高的熔体压力(例如，高达248.2MPa)通过浇口1112注射材料。相对高的压力允许相对快的填充时间，例如小于或等于大约0.5秒，或者小于或等于大约1秒，或者在大约.5秒和大约1秒之间的范围内，这与可能会是大约2秒或更长时间的标准填充时间形成了对比。快速的流动时间有利地避免了材料的过早硬化和不希望有的回流。这样，将纳米复合材料均匀地分散在了整个模具中。
模具1100的第一半模1102上还可以包括模具传感器1130。模具传感器1130可以是能够提供与成型工艺相关的一个或多个操作参数的指示的操作参数测量装置。在一个实例中，模具传感器1130可以是检测第一和第二嵌件1106和1114之间的腔中的压力的压力传感器。与成型工艺相关的操作参数可以用于在形成锥体的过程中实现更好的一致性和控制。
隔膜1120可以用于控制纳米复合材料通过浇口1112进入到模具1100中的进给速度。另外，隔膜可以提供使纳米复合材料进入模具1100的均匀进给，诸如所示出的环形几何形状。
图12是包括第一半模1102和第二半模1104的图11中所示的示例性工具的横截面视图。诸如塑料和纳米材料的结合体的材料可以如箭头1202所示进入模具1100。纳米复合材料可以流动通过管道1204和浇口1112。在一些实例中，管道1204可以是未加热的，从而导致在成型的部件上出现注入口。在其它实例中，管道可以是加热的衬套或阀式浇口，以使管道1204中的纳米复合材料保持热度来避免在成型的部件上形成注入口。该条件改善了材料利用率并降低了工艺成本。
可以通过隔膜1120将纳米复合材料均匀地进给到形成在第一和第二嵌件1106和1114之间的腔1206中。隔膜1120可以形成纳米复合材料通过其流动的圆形孔。圆形孔的尺寸可以采用浇口调节装置1210调节。在一个实例中，厚度在从大约0.2mm至大约0.3mm的范围内变化的许多浇口调节装置1210，可以可互换地插入到工具1100中以选择采用隔膜1120形成的圆形孔的尺寸。
工具1100的第二半模1104还可以包括用底切部限定的吸针(sucker pin)1212。在操作期间，吸针1212被插入保持在隔膜1120的下方的纳米复合材料中。一旦被插入，吸针1212就可以用于吸真空并在第二半模1104离开第一半模1102时将所形成的锥体保持到第二半模1104上以分开第一和第二半模1102和1104。
芯锁(core lock)1216可用于保持第一和第二嵌件1106和1114之间的跨越模具1100的距离的均匀性和平行性。另外，浇口调节装置1210可以用于调节浇口1112的几何形状和锥体的厚度。浇口调节装置1210和芯锁1216可以协同工作以维持所形成的锥体的均匀性。因此，可以避免在所形成的锥体中产生弱点(“熔接”线)的侧流。在一个实例中，标准壁厚可以在从大约0.25mm至大约0.33mm的范围内调节。在另一实例中，壁厚可以在从大约0.15mm至大约0.23mm的范围内调节。
在采用该工具进行的实验模具试验中，第一模具配置提供了锥形壁部分的厚度在如下范围内的锥体从锥颈处的大约0.25mm至锥体外径处的大约0.33mm。第二模具配置提供了壁部分的厚度在如下范围内的锥体从锥颈处的大约0.25mm至锥体直径处的大约0.13mm。当与提供锥体的相对较薄的标称壁厚的诸如第二模具配置的模具配置相比时，诸如第一模具配置的模具配置可以与具有相对较低的弯曲模量和相对高的比重的纳米材料一起使用。因此，可以使用模具配置来控制锥体的体重。当与和第一模具配置一起使用的纳米材料相比时，与第二模具配置一起使用的纳米复合物可以具有相对高的弯曲模量和相对低的比重。第一和第二模具配置仅用于实验目的，并且其它模具设计和/或锥体壁厚是可预期的，诸如在大约0.1mm至大约0.5mm的范围内的锥体壁部分的厚度。
尽管前面的讨论集中在用于扬声器的锥体上，但是也可以应用所描述的材料和工艺来生产用于扬声器的防尘罩、wizzer、外伸支架和/或围边部。因此，锥体和围边部可以采用相同或不同的材料共同成型为单个元件。可选地，锥体可以单独进行成型，并且围边部采用相同或不同的材料进行覆盖成型。可以将围边部覆盖成型以将其结合到所形成的锥体的外部粗糙表面。在另一可选方案中，可以单独成型围边部并将其结合到锥体的外部粗糙表面。先前描述的关于材料成本、可重复性、制造效率和满意的特性的益处，也可以存在于围边部和外伸支架中。
在覆盖成型的围边部的一个实例中，围边部可以用与聚丙烯相容的材料形成，并用诸如热塑性硫化橡胶(TPV)的材料制成。在该实例中，材料的硬度可以在大约45肖氏A和75肖氏A之间。TPV可以注塑到基于含有预定重量百分比(诸如净锥体的8wt.％或12wt.％)的纳米复合聚丙稀的锥体上。锥体可以放置在注塑模具中的定位支柱上。在一个实例中，可以使用采用四(4)个阀式浇口的工具构造以用于材料和加工生产率的目的。可以将阀式浇口引向围边部的平“圈”中。可以使浇口中断部分(gate break)保持与平圈的结合表面齐平或刚好在平圈的结合表面之下，以支撑第二组件。模具设计可以允许在锥体边缘进行选择性地加热，来作为改善或产生最优化的覆盖成型粘接的手段。可以将围边部设计成在提供充足的材料流动性以产生围边部和锥体之间的坚固、无孔隙和均匀的直接结合的任何配置中，来覆盖成型到锥体上。在一个实例中，可以根据通过引用结合在本文中的Mango等人的美国专利第6,224,801号的教导来配置围边部，以便在填充围边部的卷曲部分之前提升实质材料环绕该部件的流动性。
作为覆盖成型的结果，所产生的围边部应该是直接结合到锥体上的无孔隙卷曲结构。因此，可以避免粘合剂、昂贵的装配操作以及相关的质量问题。当与由热成形薄板或成型的热固性橡胶制成的围边部相比时，材料和加工效率可以显著地得到改善。在其它实例中，围边部的材料可以采用诸如SBS、SIS、SES、SEPS、SEBS等的嵌段共聚物(block copolymer)来形成。在又一实例中，围边部可以是热塑性烯烃(TPO)。在又一实例中，围边部可以是除碳和氢之外还包含杂原子的任何柔性弹性体，诸如热塑性尿烷(TPU)或热塑性聚酯弹性体(TPE)等。各种塑料材料可以填充有常规或纳米尺寸的填料或者包含气泡以有利地改变性质和重量。各种材料也可以有利地得到改性以促进对各种锥体材料的粘附，或者可以经历诸如热空气等离子体的二次处理以促进对扬声器框架的粘附。
可以将防尘罩和whizzer形成来套在音圈上，或者可以将防尘罩和whizzer插入音圈内。由于防尘罩和whizzer是运动质量的一部分，所以whizzer和防尘罩的质量重量可以通过使用纳米复合物而有利地得到降低。另外，防尘罩和whizzer的刚度可以有利地得到改善。更硬的防尘罩和whizzer可以使扬声器工作期间的谐波最小化。因此，可以避免某些频带的失落。
图13是采用工具1100(图11)形成的示例性锥体1300的横截面视图。该实例的锥体1300呈圆形，并且包括外凸缘1302、侧壁1304和内凸缘1306。外凸缘1302可以环形地围绕锥体的一部分，并且可以被形成为使锥体周界变硬。在一个实例中，外凸缘1302可以经由围边部与扬声器框架连接。在可选实例中，外凸缘1302可以与扬声器框架直接连接。外凸缘1302可以限定锥体1300的外周。外凸缘1302可以包括相对于侧壁1304形成预定角度(λ)1316(诸如大于90度，或者大约为95度)的外壁1314。外壁1314可以远离侧壁1304沿纵向延伸预定距离(d1)1318。外壁1314也可以具有预定厚度(t1)1320。锥体也可以不形成有外凸缘1302。
侧壁1304可以形成在外凸缘1302和内凸缘1306之间延伸的锥状。可以通过角度(θ)1324(诸如大约28.8度)、外凸缘1302和内凸缘1306之间的距离和/或高度(h)1326来限定侧壁1304的倾斜度。内凸缘1306可以限定同心地安置在锥体1100中的孔1328。孔1328可以具有预定半径(r)并被形成为容纳音圈架116(图1)。内凸缘1306可以包括相对于侧壁1304形成预定角度的外壁1332。预定角度可以是角度(θ)1324加上90度。外壁1332可以远离侧壁1304沿纵向延伸预定距离(d2)1334，诸如大约1.2毫米。外壁1332还可以具有预定厚度(t2)1336。
锥体的侧壁1304可以形成有均匀的厚度。可选地，可以使侧壁1304带有锥度。可以通过使锥形突出区域1110和锥形凹进区域1118(图11)带有锥度，来使侧壁1304带有锥度。在一个实例中，可以将第一和第二嵌件1106和1114形成为协同工作以形成从材料入口1112(图11)朝第一和第二肩部区域1108和1116(图11)逐渐变薄的侧壁。另外，为了节省材料，对侧壁厚度的控制可以提供另一种机制以便通过改变刚度，在这种情况下是通过变更几何形状而不是变更材料，来改变扬声器带宽。
在图13中，内凸缘1306的外壁1332的厚度(t2)1336可以大于侧壁1304的厚度，并且外凸缘1314的厚度(t1)1320可以小于侧壁1304的厚度。图14是图13中所示的锥体的部分横截面视图。图14中所示的侧壁1304示出侧壁1304的厚度从内凸缘1306朝外凸缘1302逐渐变小。在一个实例中，侧壁1304在离内凸缘1306大约4.0毫米的距离d3 1404处的厚度(t3)1402，处于大约.22毫米至大约.32毫米的范围内，并且在离外凸缘1302大约6.0毫米的距离d4 1406处，侧壁1304的厚度(t4)1408处于大约.17毫米至大约.27毫米的范围内。另外，在该实例中，内凸缘1306的外壁1332的厚度(t2)1336可以处于大约.23毫米至大约.33毫米的范围内，并且外凸缘1302的外壁1314的厚度(t1)1320可以为大约.15毫米至大约.25毫米。在其它实例中，厚度的其它范围也是有可能的。
尽管已经描述了本发明的多个实施例，但是对于本领域的普通技术人员来说将显而易见的是，在本发明的范围内可能会有许多其它的实施例和实现方案。因此，本发明除所附权利要求和它们的等价物外，不受其它限制。
权利要求
1.一种扬声器，包括框架；锥体，其包括配置成与所述框架连接的外凸缘，以及对孔进行限定的内凸缘，其中，所述锥体基本上由聚丙烯和纳米材料构成；以及音圈架，其与所述内凸缘连接，使得当所述音圈架相对于所述框架往复运动时，所述锥体发生振动。
2.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述纳米材料是大约1重量百分比和大约20重量百分比之间的纳米复合物，并且剩余物是聚丙烯。
3.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述纳米材料是大约4重量百分比和大约16重量百分比之间的纳米复合物，并且剩余物是聚丙烯。
4.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述纳米材料是大约8重量百分比和大约12重量百分比之间的纳米复合物，并且剩余物是聚丙烯。
5.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述纳米材料包括纳米粘土，并且所述聚丙烯被用作基础树脂以及所述纳米粘土的载体树脂。
6.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述纳米材料包括分散在所述聚丙烯中以在至少一个维度上具有大约1至999纳米的范围的特征。
7.如权利要求1所述的扬声器，还包括连接在所述锥体和所述框架之间的围边部，其中，所述围边部基本上由聚丙烯和纳米材料构成。
8.如权利要求1所述的扬声器，还包括外伸支架，所述外伸支架被形成为限定与所述框架连接的第一孔和与所述音圈架连接的第二孔，其中，所述外伸支架基本上由聚丙烯和纳米材料构成。
9.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述锥体具有大约0.1毫米和大约0.5毫米之间的壁厚。
10.如权利要求1所述的扬声器，其中，所述锥体具有大约0.15毫米和大约0.33毫米之间的壁厚。
11.如权利要求1所述的扬声器，还包括在所述外凸缘和所述内凸缘之间延伸的侧壁，其中，所述外凸缘包括相对于所述侧壁形成大于九十度的预定角度的外壁。
12.一种扬声器锥体，包括热塑性基础材料；以及分布在所述热塑性基础材料中的预定重量百分比的填料，其中，所述填料包括在至少一个维度上小于大约10-9米的分布在所述热塑性基础材料中的特征，以增强所述热塑性基础材料的刚度特性；其中，所述预定重量百分比可被调节，以调节扬声器中的通带频率响应范围的高频端，所述扬声器锥体被安装在所述扬声器中并在所述扬声器中工作。
13.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述热塑性基础材料具有大于3的粘度剪切速率比。
14.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述热塑性基础材料包括小于大约.95的比重。
15.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述热塑性基础材料包括在大约230摄氏度和大约2.16千克负荷下，大于或等于大约12克/10分钟的熔体流速。
16.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述热塑性基础材料包括在大约23摄氏度下大于或等于大约1724MPa的弯曲模量。
17.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述特征是形成在所述热塑性基础材料中的纳米结构。
18.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述热塑性基础材料是高流动性聚丙烯，并且所述扬声器锥体的壁厚处于大约0.1毫米和大约0.33毫米之间。
19.如权利要求12所述的扬声器锥体，其中，所述扬声器锥体的刚度可基于对大约1重量百分比和大约16重量百分比之间的预定重量百分比的调节而被改变，并且所述扬声器锥体的重量的改变小于或等于10百分比。
20.一种扬声器，包括锥体，其包括具有确定的厚度、刚度和阻尼的壁部分，其中，所述壁部分包括一个重量百分比的热塑性基础材料和一个重量百分比的纳米材料；以及音圈架，其与所述锥体连接，其中，所述锥体用于在所述音圈架往复运动时发生振动，其中，对所述确定的厚度的调节和对所述纳米材料的所述重量百分比的调节，导致刚度保持基本相同并且导致阻尼发生改变。
21.如权利要求20所述的扬声器锥体，其中，所述阻尼随着所述纳米材料的所述重量百分比的增加而减小，并随着所述纳米材料的所述重量百分比的减小而增加。
22.如权利要求20所述的扬声器锥体，其中，所述热塑性基础材料是可与所述纳米材料结合并且可被注射以填充模具的高流动性聚丙烯，其包括具有大约0.1毫米和大约0.33毫米之间的确定的厚度的壁部分。
23.如权利要求20所述的扬声器锥体，其中，所述确定的厚度在由所述扬声器锥体形成的内口和所述扬声器锥体的外周边缘之间逐渐变薄。
24.如权利要求23所述的扬声器锥体，其中，所述扬声器锥体的所述确定的厚度在所述内口处的大约0.25毫米和所述外周边缘处的大约0.13毫米之间逐渐变薄。
25.如权利要求23所述的扬声器锥体，其中，所述扬声器锥体的所述确定的厚度在所述内口处的大约0.25毫米和所述外周边缘处的大约0.33毫米之间逐渐变薄。
26.一种扬声器，包括音圈架；锥体，其与所述音圈架连接，其中，所述锥体包括聚丙烯和纳米材料，所述锥体形成有表面，所述表面具有与所述音圈架邻接的第一粗糙区域，以及第二粗糙区域；围边部，其与所述锥体连接以与所述第二粗糙区域邻接；以及框架，其与所述围边部连接。
27.如权利要求26所述的扬声器，其中，所述锥体还包括外凸缘、内凸缘以及形成在所述内凸缘和所述外凸缘之间的侧壁，其中，所述侧壁的厚度从所述内凸缘朝所述外凸缘逐渐变小。
28.如权利要求26所述的扬声器，其中，所述锥体还包括外凸缘、内凸缘以及形成在所述内凸缘和所述外凸缘之间的侧壁，并且其中，所述内凸缘和所述外凸缘各自包括沿纵向以预定角度远离所述侧壁而延伸的外壁。
29.如权利要求26所述的扬声器，其中，所述锥体还包括外凸缘、内凸缘以及形成在所述内凸缘和所述外凸缘之间的侧壁，并且其中，所述内凸缘的厚度大于所述侧壁的厚度，并且所述外凸缘的厚度小于所述侧壁的厚度。
30.一种形成扬声器的方法，所述方法包括提供具有第一半模和第二半模的模具；使所述模具的所述第一半模的内表面的至少一部分变粗糙；将基本上由聚丙烯和纳米材料构成的第一材料注入到所述模具中；采用所述模具形成具有包括平滑部分和粗糙部分的表面的锥体；将第二材料覆盖成型到所述锥体上以将其粘附到所述表面的所述粗糙部分的至少一部分上以形成围边部。
31.如权利要求30所述的方法，其中，形成锥体的步骤包括在大约1秒或更短的时间中注入所述材料以填充所述模具。
32.如权利要求30所述的方法，还包括将所述第一材料和所述纳米材料结合在一起以将所述纳米材料分散在所述第一材料内的初始步骤。
33.如权利要求30所述的方法，其中，形成锥体的步骤包括调节包括在所述模具中的浇口以调节所述锥体的壁厚。
34.一种制造扬声器的方法，包括选择基础塑料材料；选择所需的通带频率响应范围；使产生所述所需的通带频率响应范围的预定重量百分比的纳米材料分散在所述基础塑料内；形成塑料锥体；以及使用可在所述所需的通带频率响应范围内工作的所述塑料锥体来构造扬声器。
全文摘要
本发明公开了一种由包括基础载体材料和填料材料的塑料制成的扬声器锥体。基础载体材料被选择成使总体的流动性、重量和刚度最优化。填料材料可以是纳米材料，其提供在扬声器锥体在扬声器中工作时变得相关的扬声器锥体中的加工和声学相关特性的调节。可以得到调节的声学相关特性包括扬声器锥体的刚度重量比和声阻尼。预定重量百分比的填料材料可以与基础载体材料结合以获得可重复的所需的声学相关特性。声学相关特性可以通过改变填料材料的预定重量百分比而得到调节。
文档编号H04R7/02GK101061750SQ200580039987
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月22日 优先权日2004年11月22日
发明者L·A·曼戈三世, J·F·斯蒂尔, S·W·赫特 申请人:哈曼国际工业有限公司