具有短纖維增強表面的中空結構芯的製作方法
2023-11-06 05:33:52 2
本申請主張2013年12月6日遞交的序列號為61/912,749的美國臨時申請的優先權，據此，其內容通過引用的方式併入。
技術領域
本發明通常涉及複合材料，特別是涉及一種具有側面薄片(side sheets)的複合夾層結構(composite sandwich structure)和一種介於中間的由與側面薄片相同的複合材料製成的中空結構芯支撐基質(open area core support matrix)。
背景技術：
在汽車、運輸和物流為基礎的行業中為了製造地面和空中運輸均適用的更高燃油效率的車輛，重量減輕(Weight savings)一直是一個主要的焦點。為了實現這些重量減輕(Weightsavings)，輕重量的複合材料已被採用以取代金屬結構的和面體(surface body)的組件與面板。複合材料是兩種或以上具有顯著不同的物理或化學性質的構成材料(constituent materials)製成的,當構成材料結合時,產生的一種具有單個組份(the individual components)所不具備的特性的材料。單個組分(the individual components)在成品結構(finished structure)中保持獨立且有區別的。一種複合材料可能因為很多原因成為優選：常見的例子包括相比較於傳統的材料時更強的、更輕的、或更便宜的材料。一種夾層-結構複合材料(sandwich-structured composite)是一類特殊的通過連接兩個薄但堅硬的面板到一種重量輕但厚的芯以製成的複合材料。該芯材料(core material)通常是一種低強度的材料，但其較高的厚度提供該夾層複合材料(sandwich composite)高抗彎剛度(bending stiffness)以及整體低密度(overall low density)。
儘管夾層複合材料(sandwich composite)為一種較輕質量的組件提供了上述的高抗彎剛度與一較低總密度，但由於用於外部面板壁(outer skin walls)和芯的急需材料(desperate materials)以及其不同的熱膨脹係數引入了熱應力該夾層複合材料的熱循環性能不是最佳的。因此，存在一個優化熱循環性能的一種改進的夾層複合結構的需要。
技術實現要素：
提供一種形成一複合夾層面板組合的方法包括於一開孔基質芯的相對側面定位設置一頂部薄片和一底部薄片。將所述的頂部薄片、底部薄片和芯暴露於一熱源處伴隨一夾緊壓力到所述的頂部薄片和所述的底部薄片的施加。然後去除所述的熱源並維持所述的夾緊壓力一段時間。當所述的頂部薄片、底部薄片和芯已冷卻並融合在一起時去除所述的夾緊壓力。還提供了由這一方法製成的一組合(assembly)。
附圖說明
圖1為根據本發明的一個實施例的移除所述的頂部薄片的一部分以顯示蜂窩狀的複合材料芯的一複合夾層的局部透視圖；以及
圖2為根據本發明的實施例的形成所述的複合夾層結構的一生產方法的一流程圖。
具體實施方式
本發明具有實用性，作為一改進的複合夾層面板結構有兩個側面薄片夾入一種介於中間的由與該頂部的和底部的薄片相同的複合材料製成的中空結構芯支撐基質以改善熱循環性能和減輕成形部分(formed part)的壓力。本發明的實施例的夾層複合結構由包括聚丙烯、尼龍、聚碳酸酯、聚乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene)、聚丁烯、交聯聚乙烯(polyethylene cross linked)、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯、和包含任何上述的嵌段共聚物(block copolymers)的熱塑性聚合物製成。
如本發明中所用的，應用於一類型的聚合物的術語「相同的」旨在表示在兩種聚合物中存在一種以多數存在的共同單體組分(monomeric subunit)。可以理解的是，某些但不是所有的實例的相同的聚合物也具有一個在10％以內的介於玻璃化轉變溫度、重均分子量(weight average molecular weight)(Mw)、交聯密度中的一種或多種之間的特性。在其它情況下，該組件由相同的熱塑性的原料製成。
本發明的實施例夾層可以將所述的芯和頂部的/底部的薄片用短纖維強化。在某些實施方案中，該纖維為未取向的並且在聚合物中為無規的。用於在所述的複合夾層中增強成形的部分(formed part)的纖維包括玻璃、碳、和其他合成纖維、以及天然纖維。天然纖維示例性地包括椰子纖維、竹纖維、甘蔗纖維、香蕉皮纖維、以及它們的組合。所述的中空結構芯支撐基質(open area core support matrix)可以由各種圖案示例性地包括蜂窩狀、菱形、正方形、三角形、平行四邊形、圓形和它們的組合的圖案製成。
應該理解的是，在實施例中設置了值的範圍，該範圍旨在不僅僅包括該範圍的端點值，還包含該範圍的明確包含在該範圍中的，並且隨該範圍的最後有效數字改變的中間值。舉例來說，從1到4的列舉範圍旨在包括1～2、1～3、2～4、3～4和1～4。
在某些本發明的實施例中，單元壁(cell wall)的厚度與一單元中空結構模型(cell open area shape)的最大線性範圍之比介於0.01-10：1之間。在本發明的這些實施例中一個單元壁(cellwall)的厚度範圍為0.1mm到100mm。
在某些本發明的夾層的實施例中，所述的中空芯區域(open core area)可以用相變材料(PCM)填充。相變材料被用來控制和調節物體相對於該物體的周圍環境(ambient environment)的溫度。一PCM具有一相當可觀的熔融潛熱(latent heat of fusion)，並且可設計為具有在該物體的所期望的工作溫度(operating temperature)可調節範圍內的一恆定的熔融溫度(Tm)。根據環境溫度(ambient temperatures)和/或該物體內的溫度，PCM根據需要在一基本恆定的熔融溫度，Tm，從物體中吸收熱量、或對物體釋放熱量以提供物體更好的的溫度穩定性，保持它較長時間在其最佳工作溫度(operating temperature)範圍之內。通常，當PCMs達到它們的相變溫度(它們的熔化溫度)時它們在一幾乎恆定的溫度吸收大量的熱量。PCM和含有該物質的本發明結構中固相和液相均同時存在並且熔化的潛熱要麼被吸收(熔融)要麼被釋放(凍結)因此與周圍相比保持一個窄的溫度範圍。該PCM繼續吸收熱量而沒有一個顯著的溫度上的上升直到所有材料被轉化為液相。當一液體材料周圍的環境溫度(ambient temperatures)下降時，PCM凝固，釋放其儲存的潛熱。
現在參照附圖，圖1為本發明的複合夾層10具有被附上一頂部薄片14和一底部薄片16的一蜂窩狀芯12的一個實施例的一局部透視圖。該頂部薄片14的一部分被去除以顯示出蜂窩狀複合芯12。該頂部薄片14和底部薄片16由與該芯12相同的熱塑性聚合物製成。該熱塑性聚合物可用包括合成的(synthetic)、玻璃、碳、和天然纖維的未取向的纖維強化。在頂部薄片14和底部薄片16以及該芯12中該相同的複合材料的使用確保當它們被加入一夾層10時在材料之間的一熱匹配，從而改善了該夾層10的熱循環性能。熱塑性材料的使用使得在製造夾層10期間該頂部薄片14和底部薄片16內表面18可熱熔化到該芯12。
圖2是根據本發明的實施方式用以形成複合夾層結構的一生產過程(production process)20的流程圖。該過程20由在該芯附近定位設置所述的頂部的和底部的薄片(步驟22)開始然後暴露安排一紅外熱源處以軟化熱塑性塑料(thermoplastic)(步驟24)。在步驟26中，一夾緊壓力被施加到仍然軟化的熱塑性塑料(thermoplastic)以便壓緊薄片到該芯並保持接觸。在步驟28中，仍然施加夾緊壓力隨著熱塑性部件冷卻並融合在一起。一旦部件已經冷卻下來， 且一融合的夾層已經形成，夾具被去除(步驟30)。可以理解的是，相對的壓臺(platens)易於用於施加動態熱和壓力。該壓臺易於根據需要被加熱和被冷卻以達到所述的薄片和所述的芯之間的融合而不會造成開放芯基質區域的塌縮(collapse)。
可以理解的是，可使用一等離子體源以不僅提供熱量，而且提供介於一個薄片和該開孔基質芯(open pore matrix core)之間的自由基鍵合位點。這種等離子體源於本領域是常規的。
上面的描述是本發明的特定的具體實施方案的說明，但是此處並不意味著在實踐中的限制。上述的的權利要求，包括其所有等同物，旨在限定本發明的範圍。