cm3。在共混60分钟后，共混物从Brabender密炼机中取出。 如此制备后，实施例1包括约18. 8vol %的钢纤维、约81. 2vol %的尼龙6,复合材料的密度 约为 2. 411g/cm3。
[0152] 实施例2
[0153] 夹心材料的制备方法同实施例1，除了不锈钢纤维的重量约为102g，及尼龙6的重 量约为40g。如此方法制备后，共混物包括约26. 9vol %的钢纤维、约73. Ivol %的尼龙6， 复合材料的密度约为2. 962g/cm3。
[0154] 实施例3
[0155] 夹心材料的制备方法同实施例1，除了不锈钢纤维的重量约为48g，及尼龙6的重 量约为53. 5g。如此方法制备后，共混物包括约15vol%的钢纤维、约85vol%的尼龙6,复 合材料的密度约为2. 157g/cm3。
[0156] 实施例4
[0157] 夹心材料的制备方法同实施例1，除了不锈钢纤维的重量约为35. 4g，及尼龙6的 重量约为50. 6g。如此方法制备后，共混物包括约IOvol %的钢纤维、约90vol %的尼龙6， 复合材料的密度约为I. 816g/cm3。
[0158] 对比例5
[0159] 夹心材料的制备方法同实施例1，除了没有使用不锈钢纤维，及在Brabender Plastograph密炼机中混合的尼龙6的重量约为53g。对比实施例5具有的密度约为 I. 142g/cm3〇
[0160] 对比例6-7
[0161] 复合材料是通过将夹层板直接压模而成，夹层板包括两个钢板，每个的厚度约为 0. 20mm，长度约为74. 2mm，宽度约为124. 2mm，同时尼龙12置于两块金属板间，无金属纤维。 该钢板由5号脱氧回火错（No. 5temper Aluminum killed)低碳钢制成，其符合AISA1008和 ASTM A109的标准。对比例6-7的夹心层的厚度各为约0. 30mm，约0. 44mm，如表1所示。对 比例6-7是通过使用阳模（positive mold)直接压模制成，温度约250°C，载荷约12000kg。 该复合板的密度比复合板中所用的钢板的密度小约32-46wt%。对比例6-7的厚度方向的 电阻率大于I X 101° Ω cm，说明这些板有绝缘的特性。虽然是可冲压的，尝试将对比例6-7焊 接为一个整块钢板，结果它们无法焊接在一起。这些样品的失败在于焊接点比焊接在一起 的板要弱。
[0162] 实施例8-9
[0163] 实施例8和9为复合材料，其通过对比例6-7所描述的方法制备，即通过直接压 模制成夹层板，除了夹心材料包括大约26. 9vol %的钢纤维与约73. Ivol %的尼龙12。该 夹心材料中的钢纤维的平均直径为约3-10 μ m，平均长度为约2-4mm，钢纤维与尼龙12在 Brabender Plastograph密炼机中一起恪融共混，共混温度为260°C。实施例8、9的夹心 材料的厚度分别为约〇.40_，约0. 57_。这些样品如表2所示。复合材料的整体密度比 钢密度小了约29-36wt%。使用AC电阻焊接（点焊）将这些复合材料板焊接到钢板上，钢 板厚度约为〇. 8mm。可以使用9. 7KA的电流与8个焊接周期及600psi的压力取得一较好 的焊接，（即，焊接的地方比被焊接的板更强，如此使得当焊接好的面板被外力分离时，可以 获得一焊接按钮）。这些条件比将两块整块的〇. 8_厚度的钢板焊接起来所需要的条件低 (12. 9Ka，15个焊接周期，600psi的压力）。每个焊接周期约1/60秒，并且焊接工艺参数包 括一周期（即，大约1/60秒），约10个周期的持续时间（即，大约1/60秒）以及大约1秒 的预压时间。
[0164] 表 1
[0166] 实施例 10-11
[0167] 实施例10和11为直接压模一夹层板而制成的，其是使用如实施例8和9中所描 述的方法，除了每个金属板的厚度大约为0. 30mm，并且含有厚度分别为0. 39mm和约0. 54mm 的夹心材料的样品被制备。这些样品如表2所示，复合材料板的整体密度比钢的密度小大 约25-30wt %。这些复合材料板被焊接到钢板上，钢板的厚度大约为0. 8mm，焊接是使用交 流电阻焊接（点焊）。效果较好的焊接是使用了约9. 7KA的焊接电流以及8个焊接周期，以 及约600psi的焊接压力。
[0168] 表 2
[0170] 实施例 12-13
[0171] 实施例12和13为直接压模一夹层板而制成的，其是使用如对比例6-7中所描述 的方法，除了夹心材料包括大约20. 2vol %的钢纤维与大约79. 8vol %的尼龙12。夹心材料 中的钢纤维的平均直径大约为3-10 μ m，平均长度约为2-4mm，并且与尼龙12在Brabender Plastograph密炼机中共混，共混温度为260°C。实施例12和13的夹心材料的厚度大约 分别为〇.37mm，0. 55mm。这些样品如表3所示。复合材料板的整体密度比刚的密度低约 31-41wt %。复合材料板被焊接到钢板上，钢板的厚度大约为0. 8mm，焊接使用交流电阻焊接 (点焊）。效果较好的焊接是使用了约9. 7KA的焊接电流以及8个焊接周期，以及约600psi 的焊接压力。
[0172] 实施例12以及同实施例12的金属层所用的材料相同、厚度相同的一整块板的硬 度和密度在穿过厚度方向上测量，它们的厚度均约为〇.87_。与整块钢板相比，实施例12 有一较高的硬度密度比。
[0173] 实施例14
[0174] 如对比例6所描述的方法那样，实施例14的复合材料样品是通过直接压模夹层板 来制备的，除了实施例3用于该夹心材料。这个复合材料板样品被焊接到钢板上，钢板的厚 度大约为0. 8mm，焊接为使用交流电阻焊接（点焊）。效果较好的焊接是使用了约9. 7KA的 焊接电流以及8个焊接周期，以及约600psi的焊接压力。
[0175] 实施例15
[0176] 如对比例6所描述的方法那样，实施例15的复合材料样品是通过直接压模夹层板 来制备的，除了实施例4用于该夹心材料。这个复合材料板样品被焊接到钢板上，钢板的厚 度大约为0. 8mm，焊接为使用交流电阻焊接（点焊）。效果较好的焊接是使用了约9. 7KA的 焊接电流以及8个焊接周期，以及约600psi的焊接压力。
[0177] 表 3
[0179] 实施例16
[0180] 一复合材料板的尺寸约为340mmX 540mm，并且其组成与实施例12相同，实施例12 是通过一直接压模工艺制备的。该复合材料板被冲压，如此使得板的部分的拉伸比大约为 3。冲压后，预期板不会出现裂缝与皱纹，并且其有A级的表面。进一步的，预期金属纤维没 有撕裂，夹心层也没有从金属层上分离。
[0181] 实施例 17-25
[0182] 实施例17-19为利用实施例1的方法将纯净的聚合物、聚合物混合物同不锈钢纤 维一起制得。实施例17-19分别使用尼龙6与约Owt%、约3wt%、约IOwt%的不锈钢纤维 制得。实施例17的夹心材料的拉伸模量大约为3. 3GPa。当加入的不锈钢纤维的浓度为 约3被％ (实施例18)时，拉伸模量增加超过17%，约为3. 9GPa。当加入的不锈钢纤维的 浓度为约IOwt % (实施例19)时，拉伸模量增加超过100 %，约为7. 3GPa。对实施例20、 21、22来说，尼龙被共聚多酰胺替代，同时不锈钢纤维的浓度分别约为Owt%、约为3wt%、 约为10wt%。实施例20的夹心材料的拉伸模量大约为700MPa。当加入的不锈钢纤维的 浓度为约3wt% (实施例21)时，拉伸模量增加超过50%，约为1160MPa。当加入的不锈钢 纤维的浓度为约l〇wt% (实施例22)时，拉伸模量增加超过200%，约为2280MPa。对于实 施例23, 24, 25来说，尼龙被乙烯-乙酸乙烯共聚物替代，其中含有大约19wt%的醋酸乙烯 酯及大约81wt%的乙稀，不锈钢纤维的浓度分别为约Owt%、约3wt%、约IOwt%。纯净的 乙烯-乙酸乙烯共聚物共聚物（实施例23)的拉伸模量大约为40MPa，断裂伸长率大约为 680%，强度约为36MPa。当加入的不锈钢纤维的浓度约为3wt% (实施例24)时，拉伸模量 增加了 100 %，约为llOMPa，断裂伸长率基本维持相同的数值，大约为680%，强度增加到大 约47MPa。当加入的不锈钢纤维的浓度约为10wt% (实施例25)时，拉伸模量增加了 400%， 约为210MPa，断裂伸长率基大约为70%，强度大约3Mpa。这样，总体来说，这个和其他的实 施例的特征在于，和具有相同组成，但是没有金属纤维的填充聚合物材料相比，包括金属纤 维的填充聚合物材料（例如，夹心层材料）的拉伸模量优选的高至少15 %，更优选的高至少 50%，更优选的高100%，最优选的高至少200%。
[0183] 实施例26 :
[0184] 制备了一复合材料夹层板，其包括作为面板的低碳钢以及一复合层，其中复合层 包含大约20vol %的不锈钢纤维以及大约SOvol %的尼龙。该复合材料通过点焊焊接到一 由低碳钢制成的金属板上。焊接条件包括60周期的预压时间（每个周期大约1/60秒）、大 约一个周期的焊接坡度（a slope of about Icycle)、大约13个焊接周期的焊接时间、大约 5KA的电流，以及大约10个周期的焊接持续时间。
[0185] 焊接连接被截断、抛光并被显微研究、显微硬度研究，以及X-射线能谱研究 (EDS)。图3A、3B，以及3C为显微照片，显示了不同区域和/或焊接连接截面处的不同放大 图。
[0186] EDS图谱以及显微硬度图（根据ASTM E 384-08的标准测试的Vickers硬度）表 明，第一金属层的碳浓度没有变化（例如，在区域32、40、41，以及42之间），除了在焊接区 32附近的少量的不锈钢。EDS图谱以及显微硬度研究表明了在焊接区附近的金属区域38 由不锈钢组成（即，金属纤维中用到的钢）。在焊接区附近的区域，第一金属层的显微结构 代表性的为贝氏体，并且包括铁氧体。在其他区域，远离焊接处（例如，40所标记的地方）， 第一金属层有纯的铁素体晶粒。
[0187] 实施例27-34(电阻）
[0188] 实施例27-34是将表4中所述的浓度的钢纤维与一热塑性塑料置于Brabender密 炼机中共混制备的。该复合材料然后是通过将夹层材料模压出来的，夹层材料的填充热塑 性聚合物材料层的厚度为0. 4mm，两个钢板的厚度均为0. 2mm，该复合材料厚度方向的电阻 率，通过AC调节测量的方法测量，其结果在表4中显示。其中，所有的含有填充热塑性聚合 物材料的复合材料的电阻率相对较低，并且所有的含有未填充热塑性聚合物材料的复合材 料的电阻率相对较高。
[0189] 表 4
[0190]
[0191] 如这里所用的，除非另有说明，该教导说明一类的任何组份都可以从该类中剔除 出来；和/或一 Markush组的任何组份都可从该组中剔除出来。
[0192] 除非另有说明，这里所述的所有数值包括所有的下限值到上限值，增量为1个单 位，假设在任何两个较低的值和较高的值中有至少2个单位增量。作为一个例子，如果阐 述了，一组件的量、性质，或者一工艺过程的参数值有变化，如，温度、压力、时间以及诸如此 类，例如，从1到90,优选的从20到80,更优选的从30到70,其是指中间范围的值如（例 如，15到85、22到68、43到51、30到32等等）在此说明的范围内。同样的，个别中间值也 在现有的技术教导内。对于小于1的数值，一个单位考虑为〇. 〇〇〇1、〇. 〇〇1、〇. 01，或者〇. 1 是恰当的。这些仅仅只是特别指明的，并且如果将本发明的计算出来的最低值和最高值中 取一些值进行任意的组合，其依然被认为是本申请的简单替换。如可以看到的那样，本文中 所述的"重量比份"如果用质量百分数表达，其所述的范围是一样的。因此，本发明的说明 书中，以"最终的聚合物共混物的X'份重量"的方式表达的范围与以"最终的聚合物共混物 的X"重量百分数"的方式表达的范围是一样的。
[0193] 除非另有说明，所有的范围包括两个端点值以及所有在端点值之间的值。"大约" 与"近似的"的使用与该范围的两端相关。因此，"大约20到30"是指"大约20到大约30"， 将至少特定的端点包含在内。
[0194] 对所有文章以及参考的公开，包括专利申请以及出版物，所有的目的均作为参考 引用，术语"基本由......组成"是来描述一组合，其包括该元素、成分、组份或者可识别的 步骤，以及其他的元素成分、组份或者步骤，这些都不影响该组合的基本和创新特性。术语 "包括"或"包含"的使用描述了该要素、成分、组份或者步骤的结合，这里也指，基本由该元 素、成分或者步骤组合的实施例。
[0195] 多个元素、成分、组份或步骤能够由单一组合元素、成分、组份或步骤提供。可替 换地，单一组合元素、成分、组份或者步骤可被分为分离的多个元素、成分、组份或者步骤。 "一"或者"一个"的公开描述了一元素、成分、组份或步骤，其并不用于阻止其它的元素、成 分、组份或者步骤。这里所引用的是指属于某一特定组的元素或者金属，特定组指由CRC出 版公司1989年出版的元素周期表。对该组的引用是为国际理论及应用化学联合会命名体 系所制定的元素周期表。
[0196] 这里所用的术语"聚合物"以及"聚合反应"是一般的概念，并且能包括"均聚物"、 "共聚物"以及"均聚-共聚反应"。
[0197] 应该理解，以上为对本发明的说明而非限制。阅读以上描述后，与本发明提供的实 施例相近的实例或者申请对本领域的技术人员来说是显而易见的，因此，本发明的保护范 围应不仅仅限于以上的描述，但可以由从属权利要求所确定，以及同这样的权利要求等同 的范围所确定。所有的文章以及参考引文的公开，包括专利申请与出版物，所有的目的均作 为参考引入。本发明公开的内容中的任意方面的权利要求的省略不是放弃，也不应认为发 明者不认为此内容是发明公开的一部分。
【主权项】
1. 一轻质复合材料，包括： 第一钢箱卷； 第二钢箱卷； 置于第一钢箱卷和第二钢箱卷之间的挤出聚合物夹心层；以及分布在所述聚合物夹心 层中的钢纤维； 其中所述聚合物夹心层包括一填充聚合物材料，该填充聚合物材料包括占聚合物夹心 层总体积5vol %至25vol %的钢纤维并且包括占聚合物夹心层总体积大于40vol %的热塑 性聚合物； 其中所述聚合物的结晶度小于80%，根据ASTM D638-08的标准测试，在0.1 s 1的拉伸 应变速率下，此聚合物至少伸长20%才断裂失效；并且该聚合物的熔点高于80°C ;以及 所述钢纤维包括包起来的、编织的或缠绕的纤维；所述钢纤维的重均长度为IOOym至 8mm ;以及 所述热塑性聚合物和所述钢纤维的体积比大于2. 2 :1。2. 根据权利要求1所述的一种轻质复合材料，其中所述热塑性聚合物包括由一种或者 多种a -烯烃组成的聚乙烯共聚物和任选地一种或多种添加剂，其中所述热塑性聚合物形 成一聚合物基体，金属纤维分散在聚合物基体中。3. 根据权利要求1所述的一种轻质复合材料，其中所述热塑性聚合物包括含有至少 80wt%乙稀的聚乙稀共聚物。4. 根据权利要求1所述的一种轻质复合材料，其中所述填充聚合物材料包括 10-20vol%的钢纤维。5. 根据权利要求1所述的一种轻质复合材料，其中所述轻质复合材料的总厚度为 0. 7mm 至 4mm 〇6. 根据权利要求5所述的一种轻质复合材料，其中第一和第二钢板的总厚度为所述轻 质复合材料总厚度的5%至50%。7. 根据权利要求6所述的一种轻质复合材料，其中第一钢箱卷和第二钢箱卷每个的厚 度为0? 05mm至L 5謹。8. -种汽车保险杠，其包括权利要求1至7中任一项所述轻质复合材料。9. 一种构件，其包括权利要求1至7中任一项所述轻质复合材料并被焊接至一钢板，其 中所述复合材料具有一冲压结构。10. -种工艺，包括将权利要求1至7中任一项所述轻质复合材料焊接至一钢板的步 骤。
【专利摘要】本发明公开了一种轻质复合材料(10，12)，其包括一金属层(14)和一聚合物层，聚合物层包括填充热塑性聚合物(16)，填充热塑性聚合物包括热塑性聚合物(18)与金属纤维(20)。本发明的复合材料可在环境温度下，通过使用常规的冲压机器成型。本发明的复合材料可通过使用电阻焊接工艺如电阻点焊的工艺焊接到其他的金属材料上。
【IPC分类】B32B7/12, B32B15/08, B32B15/20, B32B27/28, B60R19/03, B23K11/11, B32B27/32, B32B27/34, B32B27/30, B32B15/18, B32B27/36, B32B27/04
【公开号】CN105034482
【申请号】CN201510237366
【发明人】S·米兹拉西
【申请人】多产研究有限责任公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2009年8月13日
【公告号】CA2734738A1, CN102186666A, CN102186666B, EP2328749A1, US7927708, US8540842, US20100040902, US20110162788, US20140162086, WO2010021899A1