用于生产夹层结构的方法与流程

本发明涉及包括两个钢表层(skinlayer)之间的聚合物层的夹层结构及其制造方法。

减少机动车能量消耗主要通过降低这些车辆的重量而发生。

传统上用于生产表层部件和结构部件两者的钢具有较轻的金属竞争者，例如铝和复合材料如玻璃纤维增强聚合物或碳纤维增强聚合物。

尽管夹层结构可以提供可替选的方案，但是它们的复杂性使其规格设置变得困难。

因此，本发明的目的是提出用于制造夹层结构的方法，所述方法促进根据待实现的目标设置夹层结构的规格。

为此，本发明的第一目的是用于制造包括由聚合物层分开的两个钢表层的夹层结构的方法，所述方法包括以下步骤：

-根据待实现的目标，通过以下子步骤设置夹层结构的规格：

○通过三个目标值来限定待实现的目标，即，以kn/mm表示的拉伸刚度tc，以kn/mm表示的弯曲刚度bc和以kg/m²表示的面质量(surfacemass)mc，

○限定实现目标值的公差，

○通过五个变量来限定夹层结构，即，以mm表示的钢表层的厚度ea，以mm表示的聚合物层厚度ep，聚合物层的固有杨氏模量yp，聚合物层的固有密度dp，和表示为材料的聚合物层的体积百分比的聚合物层的体积比rp，

○确认使得能够实现具有所限定的公差的目标值的ea、ep、yp、dp和rp的组合，

○对于每个变量确定操作范围，

-选择每个变量均在先前步骤中限定的范围内的钢和聚合物层，

-制造相应的夹层结构。

本发明的方法还可单独或组合地包括以下任选特征：

-待实现的目标是除钢以外的单块式金属材料，

-待实现的目标是铝，

-待实现的目标是厚度为0.9mm的铝，

-待实现的目标是厚度为0.8mm的铝，

-实现目标值的公差为10％，

-确认使得能够实现具有所限定的公差的目标值的ea、ep、yp、dp和rp的组合的步骤包括其间产生ea、ep、yp、dp和rp的组合的步骤，

-其包括对所产生的ea、ep、yp、dp和rp的组合进行图形分析的步骤。

本发明的第二目的是能够通过本发明的方法获得的夹层结构，所述方法实施为获得0.9mm铝目标，所述0.9mm铝目标的tc＝31.5n/mm，bc＝10.2n/mm，mc＝2.43kg/m²且公差为10％，所述夹层结构包括：

-钢厚度ea为0.133mm至0.165mm的两个钢表层，

-介于两个表层之间且具有以下参数的聚合物层：

○(-2.5×ea+0.713)至(-2.5×ea+0.88)的厚度ep，

○0.9至1.4的密度dp，

○大于或等于0.2且严格小于1的体积分数rp，

○低于4000mpa的杨氏模量yp，

○其中体积分数rp和杨氏模量yp满足不等式：

yp^＊(0.49^＊rp²+0.23*rp+1/(yp^＊(1-rp)))≥50mpa。

根据本发明的这种夹层结构还可单独或组合地包括以下任选特征：

-钢厚度ea为0.141mm至0.158mm且聚合物层厚度ep为(-2.5×ea+0.73)至(-2.5×ea+0.87)，

-聚合物层包含乙烯和不饱和羧酸和/或其衍生物的共聚物和聚酰胺的混合物。

本发明的第三目的是能够通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法获得的夹层结构，所述方法实施为获得0.8mm铝目标，所述0.8mm铝目标的tc＝28.0n/mm，bc＝7.2n/mm，mc＝2.16kg/m²且公差为10％，所述夹层结构包括：

-钢厚度ea为0.118mm至0.146mm的两个钢表层，

-介于两个表层之间且具有以下参数的聚合物层：

○(-2.5×ea+0.632)至(-2.5×ea+0.75)的厚度ep，

○0.9至1.4的密度dp，

○大于或等于0.2且严格小于1的体积分数rp，

○低于4000mpa的杨氏模量yp，

○其中体积分数rp和杨氏模量yp满足不等式：

yp*(0.49*rp²+0.23*rp+1/(yp^＊(1-rp)))≥50mpa。

根据本发明的这种夹层结构还可单独或组合地包括以下任选特征：

-钢厚度ea为0.126mm至0.140mm且聚合物层厚度ep为(-2.5×ea+0.646)至(-2.5×ea+0.728)，

-乙烯和不饱和羧酸和/或其衍生物的共聚物和聚酰胺的混合物。

本发明的其他特征和优点出现在随后的描述中。

夹层结构的规格设置开始于选择待实现的目标。该目标可以是通过目标值唯一限定的虚拟目标，或可以是寻求性能复制的竞争产品。在后一种情况下，目标值是所考虑的竞争材料的那些值。

特别地，待实现的目标由三个目标值限定，即，以kn/mm表示的拉伸刚度tc，以kn/mm表示的弯曲刚度bc和以kg/m²表示的面质量mc。

作为非限制性实例，在铝作为目标的情况下，目标值tc、bc和mc可分别具有以下值：

-对于0.9mm铝，31.5n/mm、10.2n/mm、2.43kg/m²

-对于0.8mm铝，28.0n/mm、7.2n/mm、2.16kg/m²。

当设置夹层结构的规格时，允许实现目标值的公差界限(tolerancemargin)。根据目标值在给定情况下的关键程度，该公差可以由本领域技术人员基于具体情况进行调整。

例如，第一方法可以接受目标值实现正或负10％以内，或者优先在正或负5％以内。

然后夹层结构由以下限定：以mm表示的钢表层的厚度ea，以mm表示的聚合物层的厚度ep，以mpa表示的聚合物层的固有杨氏模量yp，聚合物层的固有密度dp，以及表示为材料的聚合物层的体积百分比的聚合物层的体积分数rp。

聚合物层的固有杨氏模量意指构成聚合物层的聚合物或聚合物混合物的杨氏模量，不包括聚合物层的发泡(如果有的话)。

聚合物层的固有密度意指构成聚合物层的聚合物或聚合物混合物的密度，在密度计算中不包括填料和发泡(如果有的话)。

体积分数rp是聚合物层发泡(如果有的话)的函数。因此，在没有发泡的情况下，体积比为1。体积分数的控制是通过控制发泡率实现的。优选地，聚合物层为发泡的，即rp严格小于1。发泡对夹层结构的重量减轻/机械性能提供了更好的折中。

下一步是确认使得能够实现具有所限定的公差的目标值的ea、ep、yp、dp和rp的组合。

该步骤可以根据本领域技术人员已知的任意方法来实施。

作为一个非限制性实例，下文描述了可能的方法。该方法的第一步骤是如下产生ea、ep、yp、dp和rp的组合：

-第一钢表层的杨氏模量ya1被设置为210000mpa，

-第一金属表层的尺寸被设置为50mm的宽度ia1和100mm的长度la1，

-第一钢表层的泊松系数va1被设置为0.3，

-聚合物层的尺寸被设置为50mm的宽度ip和100mm的长度lp，

-聚合物层的泊松系数vp被设置为0.3，

-第二钢表层的厚度ea2被设置为第一表层的厚度，

-第二钢表层的杨氏模量ya2被设置为210000mpa，

-第二钢表层的尺寸被设置为50mm的宽度la2和100mm的长度la2，

-第二钢表层的泊松系数va2被设置为0.3，

-第一钢表层的厚度ea1是随机变化的，优选在0.1mm至0.2mm之间以限制迭代(iteration)次数，

-聚合物层厚度ep是随机变化的，优选在0mm至1mm之间以限制迭代次数，

-聚合物层的固有杨氏模量yp是随机变化的，

-聚合物层的体积分数rp是随机变化的，

-聚合物层的固有密度dp是随机变化的，

-使用式mm4a1＝la^＊ea1^3/12计算第一钢表层二次惯性矩(quadraticmomentofinertia)mm4a1，

-使用式gca1＝ya1/(2^＊(1+va1))计算第一钢表层剪切模量gca1，

-使用式gca1＝ea1/2计算第一表层中性纤维nfa1，

-使用式ma1＝ea1^＊7.8计算第一钢表层的质量ma1，

-使用式yappp＝yp^＊(0.7^2^＊rp^2+(1-0.77)^＊rp+1/(yp^＊(1-rp)))计算聚合物层的表观杨氏模量yappp。

-使用式mm4p＝ip^＊ep^3/12计算聚合物层的二次惯性矩mm4p，

-使用式gcp＝yappp/(2^＊(1+vp))计算聚合物层的剪切模量gcp，

-使用式nfp＝ep/2+ea1计算聚合物层的中性纤维nfp，

-使用式mp＝rp^＊ep^＊dp计算聚合物层的质量mp，

-使用式mm4a2＝ia2^＊ea2^3/12计算第二钢表层的二次惯性矩mm4a2，

-使用式gca2＝ya2/(2^＊(1+va2))计算第二钢表层的剪切模量gca2，

-使用式nf^a2＝ea2/2+ep+ea1计算第二表层nfa2中性纤维，

-使用式m^a2＝e^a2＊7.8计算第二钢表层的质量ma2，

-使用以下式计算夹层结构的弯曲刚度bs：

bs＝1/(la2^3/(48^＊a)+la2/(4^＊d))

其中：

a＝(ya1^＊mm4a1+ea1^＊ya1^＊ia^＊(gca1-c)^2)+(yappp^＊mm4p+ep^＊yappp^＊lp^＊(nfp-c)^2)+(ya2^＊mm4a2+ea2^＊ya2^＊la2^＊(nfa2-c)^2)

而d＝ip^＊gcp^＊((ea¹+e^a2)/2+ep)^2/ep

其中：

c＝(ea1^＊ya1^＊ia^＊gca1+ep^＊yappp^＊lp^＊nfp+ea2^＊ya2^＊ia2^＊nfa2)/(ea1^＊ya1^＊la+ep^＊yappp^＊lp+ea2^＊ya2^＊ia2)

-使用以下式计算夹层结构的拉伸刚度ts：

ts＝50/100^＊(ya1^＊ea1+yappp^＊ep+ya2^＊ea2)/1000

-使用以下式计算夹层结构的质量ms：

ms＝ma1+mp+ma2

-将ts、bs和ms与具有所限定的公差的tc、bc和mc的目标值进行比较。

分析所获得的结果以确认允许实现具有所限定的公差的目标值的ea、ep、yp、dp和rp的组合。特别地，可以用图形方式分析结果。作为实例，图可表示为作为钢表层的厚度ea和聚合物层的固有杨氏模量yp的函数的聚合物层厚度ep。图还可表示为作为钢表层的厚度ea和聚合物层的体积分数rp的函数的聚合物层厚度ep。

在确认使能够实现具有所限定的公差的目标值的ea、ep、yp、dp和rp的组合的过程期间，可以排除某些组合，因为它们已经被确认为不起作用。

作为实例，这是聚合物层表观杨氏模量低于50mpa的夹层结构的情况。低于该值，已经观察到杨氏模量的发展随时间变得对环境过于敏感。特别地，水渗透或夹层结构暴露于接近聚合物层熔点的温度可导致夹层结构的剪切和附着力损失。

类似地，已经发现，小于0.2的体积分数，即大于80％的发泡比例，不能使待获得和/或维持的夹层结构具有足够的刚性。

作为实例，对于tc＝31.5n/mm，bc＝10.2n/mm，mc＝2.43kg/m²且公差为10％的0.9mm铝目标，操作范围由以下限定的参数确定：

-0.133mm至0.165mm的钢厚度ea，

-(-2.5×ea+0.713)至(-2.5×ea+0.88)的聚合物层的厚度ep，

-0.9至1.4的聚合物层的密度dp，

-0.2至1的聚合物层的体积比rp，

-低于4000mpa的聚合物层的杨氏模量yp，

-其中体积分数rp和杨氏模量yp满足不等式：

yp^＊(0.49^＊rp²+0.23^＊rp+1/(yp^＊(1-rp)))≥50mpa。

类似地，对于tc＝31.5n/mm，bc＝10.2n/mm，mc＝2.43kg/m²且公差为5％的0.9mm铝目标，操作范围由以下限定：

-0.141mm至0.158mm的钢厚度ea，

-(-2.5×ea+0.73)至(-2.5×ea+0.87)的聚合物层的厚度ep，

-0.9至1.4的聚合物层的密度dp，

-0.2至1的聚合物层的体积比rp，

-低于4000mpa的聚合物层的杨氏模量yp，

其中体积分数rp和杨氏模量yp满足不等式：

yp^＊(0.49^＊rp²+0.23^＊rp+1/(yp^＊(1-rp)))≥50mpa。

类似地，对于tc＝28.0n/mm，bc＝7.2n/mm，mc＝2.16kg/m²且公差为10％的0.8mm铝目标，操作范围由以下限定：

-0.118mm至0.146mm的钢厚度ea，

-(-2.5×ea+0.632)至(-2.5×ea+0.75)的聚合物层的厚度ep，

-0.9至1.4的聚合物层的密度dp，

-0.2至1的聚合物层的体积比rp，

-低于4000mpa的聚合物层的杨氏模量yp，

其中体积分数rp和杨氏模量yp满足不等式：

yp^＊(0.49^＊rp²+0.23^＊rp+1/(yp^＊(1-rp)))≥50mpa。

类似地，对于tc＝28.0n/mm，bc＝7.2n/mm，mc＝2.16kg/m²且公差为10％的0.8mm铝目标，操作范围由以下限定：

-0.126mm至0.140mm的钢厚度ea，

-(-2.5×ea+0.646)至(-2.5×ea+0.728)的聚合物层的厚度ep，

-0.9至1.4的聚合物层的密度dp，

-0.2至1的聚合物层的体积比rp，

-低于4000mpa的聚合物层的杨氏模量yp，

其中体积分数rp和杨氏模量yp满足不等式：

yp^＊(0.49^＊rp²+0.23^＊rp+1/(yp^＊(1-rp)))≥50mpa。

下一步骤是选择每个变量均在先前步骤中限定的范围内的钢和聚合物层。

了解钢和聚合物特性的本领域技术人员可以容易地做出这种选择。

特别地，钢的选择受以下考虑的指导。

优选地，表层由厚度ea为0.1mm至0.2mm的钢板制成。低于此范围，实现夹层结构的足够的弯曲刚度变得困难。高于此范围，钢板的重量不允许足够轻的夹层结构。优选地，钢板的厚度为0.118mm至0.165mm。甚至更优选地，钢板的厚度为0.126mm至0.158mm。

钢等级(steelgrade)的选择取决于预期应用。对于汽车工业中的用途，通常使用的等级为es级(endc01至dc06)和hle级(enh240la至h400la)。优选地，钢选自if-ti级。这些等级的优点是在固化(烘烤硬化)之后对硬化非常不敏感，这允许它们经受夹层结构的制造阶段(其间夹层结构被加热至240℃至250℃的范围的温度的阶段)而不受损害。这些等级也具有能够经受深拉(deep-drawing)的优点。

这些钢表层可以为裸露的。或者，它们可以被涂覆以改善其性能，特别是其耐腐蚀性。在涂覆钢的情况下，钢厚度ea意指裸钢表层的厚度，而不考虑涂层的厚度。

涂层可以是通过热浸镀锌、电镀或真空沉积例如气相沉积或声波气相射流沉积(sonicvaporjetdeposition)获得的金属涂层。该涂层可包含一种或更多种金属，例如锌、铝、镁或硅。作为非限制性实例，我们可以举出锌涂层(gi)，合金化的锌涂层(ga)，具有0.1重量％至10重量％的镁的锌合金(znmg)，具有0.1重量％至10重量％的镁和0.5重量％至11重量％的铝的锌合金(znalmg)，具有5重量％的铝的锌合金具有55重量％的铝、约1.5重量％的硅、剩余部分是锌和由于加工导致的不可避免的杂质的锌合金具有8重量％至11重量％的硅和2重量％至4重量％的铁、剩余部分是铝和由于加工导致的不可避免的杂质的铝合金和铝涂层

涂层还可包含表面处理、清漆或涂料或油涂层。这些涂层是本领域技术人员已知的，他们将知晓如何使用它们以及如何根据具体情况调整它们。

本领域技术人员在选择聚合物层时也受以下考虑的指导。

聚合物层可以包括单一聚合物或至少两种聚合物的混合物(以下聚合物混合物)。

聚合物或聚合物混合物的选择主要受制造和使用夹层结构期间聚合物或聚合物共混物存在的条件的指导。

为此，应当优选选择以下的聚合物或聚合物混合物：

-具有不超过220℃-240℃的熔点，使得其可以在不被过度加热的情况下用在夹层结构生产线上，

-耐电泳阶段，该电泳阶段是机动车辆制造中的阶段，在此阶段期间，使施加到车辆上的涂料在最高达210℃的温度下固化约45分钟。

优选地，在制造夹层结构期间，聚合物层对待用作直接附接至钢表层的单层的金属具有足够的粘附性。或者，聚合物层可以通过聚合物层/钢表层界面处的胶或粘合剂附接至钢表层。或者，聚合物层可以是多层，其外层对金属具有良好的粘附性。

根据本发明的变型方案，聚合物混合物包含聚酰胺例如pa6、pa6-6、pa11、pa12、pa4-6、pa6-10或pa6-12，其密度和杨氏模量是已知的。优选地，聚合物混合物包含乙烯和不饱和羧酸和/或其衍生物的共聚物和聚酰胺。这样的混合物的组分的特征和用于获得这种混合物的方法的细节可以见于通过引用并入本文的申请wo2005/0142278中。这些基于聚酰胺的混合物具有耐电泳阶段的优点，在成形后具有良好的表面外观，并且对金属具有良好的粘附性。

根据本发明的变型方案，聚合物混合物为双相的且包含：

-熔点不超过210℃的聚酰胺；

-具有羧基的改性聚烯烃，

其在熔融状态下的流变行为的特征在于存在阈值应力。

这样的混合物的组分的特性和用于获得这种混合物的方法的细节可以见于通过引用并入本文的申请wo2012/076763中。

这样的聚合物混合物的优点在于在210℃下抵抗电泳步骤，同时具有不超过210℃的熔点，这促进其实施并因此促进夹层结构的制造。

聚合物层可以是发泡的。

在混合物中存在气泡可能是由于在加工期间将发泡剂并入聚合物混合物中或者由于将气泡物理引入到混合物中而造成的。

如果使用发泡剂，则应当优选在聚合物或聚合物混合物的制造期间并入发泡剂。在夹层板制造期间，聚合物层的加热激活发泡剂，所述发泡剂将气体释放到聚合物中。然后通过添加到聚合物层中的发泡剂的量来控制发泡率，从而控制rp体积比。在可以使用的发泡剂中，作为实例，可以举出微球粒，其以少量重量百分比的水平被添加到聚合物层中。

制造本身，即表层和聚合物层的组装，可以根据本领域技术人员已知的任何方法进行。