CN102410438A - 纤维包覆的镁管状结构部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纤维包覆的镁管状结构部件。具体地，镁合金管构件具有在机动车车身结构和其他应用中减小重量的可能，但是它们在沿管的纵向轴线端到端施加的压缩应力载荷下破裂和失效。发现了当管的外表面紧密包覆有纤维（例如，玻璃纤维或其他适合纤维）时以及可选地结合到管表面的树脂时，镁合金管承受和吸收压缩载荷的能力大幅度提高。

Description

纤维包覆的镁管状结构部件
技术领域
本发明涉及镁基合金管状结构部件的加强用于增加能量吸收，尤其是沿部件轴线的压缩载荷的吸收。更具体地，本发明涉及纤维包覆的镁合金管。这种管在例如对车辆保险杠以及其他车辆结构部件（其用于吸收压缩载荷或冲击）的持续冲击中显示了显著增加的能量吸收能力。
背景技术
不断地需要减小车辆部件的质量以提高的燃料经济性。并且不断地需要将应用的镁合金作为车辆应用中减小重量的部件而装配。
本发明的目的是为了提高的能量吸收而装配由镁基合金成形的管状部件，尤其是在部件受到沿管结构的纵向轴线的压缩载荷的时候。
发明内容
本文构思的是一对由镁合金成形的管可用于在支撑例如前端车辆保险杠时的能量吸收应用。在很多实施例中，管的截面可为圆柱形或陡圆锥形（截头的）以便接收压缩载荷。保险杠可附接到一对隔开的、水平对齐的、等长的圆管的面向前的端部并由其承载，同时管的后端固定到车身结构。适合的保险杠构件可放置在管上以接收例如相对低速冲击（其会以其他方式损坏车辆的邻近车身部分）。在这种管-保险杠布置中，管状构件被设计成接收沿管的轴线的突然压缩载荷（以可能的变形）并吸收这种冲击的大部分能量。管在轴向压缩载荷下会受到一些变形，但预计到的是其将充分保持其初始形状以避免对邻近车辆面板或其他结构造成损坏。然而，本文发明人发现了当挤出成形的镁合金（AZ31合金）管受到这种压缩载荷时，镁金属趋于渗透破裂，使管破碎，而不是以某些有限的变形吸收载荷。这种使管破碎的现象即使当圆镁合金管以整体的、内部的、半径加强肋挤出成形时仍然发生。
已经发现了镁合金管的能量吸收能力可通过利用纤维（优选地玻璃纤维）以包覆图案固定地包覆管的外圆周（或当管不是圆形时的周边）显著地增加，其中，当管的端部沿其纵向轴线被突然压缩时加固管以防向外破裂。通常，优选的是纤维被紧密地包覆，压缩与管的外表面接触并附接到管的表面。发现了这种纤维包覆允许镁管在管失效或严重损坏之前承受更大压缩载荷。
玻璃纤维，或其他非金属纤维，有时候优选的是包覆材料，因为在大多数管将被期望工作的环境下它们不会引起镁合金管的电化学腐蚀。玻璃纤维相对便宜并且可用于交织的或编织的层中，适合于围绕和抵靠管状结构的外表面拉伸并拉紧表面且结合到表面。在其他实施例中，连续玻璃纤维可以沿管的轴线隔开的带或在共同延伸的层中从管的一端到另一端绕管的外表面缠绕。在一些实施例中，在包覆之前、期间或之后，纤维可涂覆有适合的热塑性或热固性聚合物材料（有时候在本文称为树脂），以用于聚合物树脂包覆结合到管表面。有时候聚合物可用于将纤维从镁管表面隔离开以避免腐蚀。在其他实施例中，纤维或纤维的端部可被熔融或以其他方式结合到管的外表面以将纤维固定就位。纤维可被缠绕从而绕管的外表面施加连续的张力。在其他情况下，纤维包覆将被应用从而在管沿其纵向轴线被压缩装载时抑制管的向外变形。
镁合金管经常为具有纵向轴线的圆柱形，但是它们可以其他截面构造（例如方形，矩形或其他多边形）制备。而且，管可为具有不同截面的截头锥的形状。通常，用作压缩构件的圆锥管将具有适当陡的侧面以沿管的垂直轴线吸收压缩力。镁合金管可具有内部硬化构件以减小管在受到轴线压缩载荷时向内塌陷的趋势。这种管经常被挤出成形，但是它们可以其他方法（例如通过铸造或通过由金属片前驱体形状成形）而成形。
本发明的这些和其他目的和优点将从本发明实施例的一些例子的详细描述中变得明显。在这些例子中会要参考示出的附图，其在本说明书的下面部分描述。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种由镁基合金成形的管，所述管具有一定长度和纵向轴线；内部管表面和互补外部管表面，其与所述内部表面隔开以限定管壁；以及沿所述管的纵向轴线隔开的相对端表面；
所述管的尺寸和形状被设计为用作结构构件，所述结构构件用于接收压缩应力，所述压缩应力施加到所述管的端部并且沿所述管的轴线朝向所述管的相对端部作用；以及
所述管进一步包括从端部到端部绕所述管的外表面包覆的纤维，所述纤维被包覆以在所述管的外表面上施加约束力，从而通过施加到所述管的端部的压缩力来防止所述管的破裂；以及
包覆的纤维附接到所述管的外表面。
2. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维涂覆有聚合物树脂并且树脂结合到所述管的外表面。
3. 如方案1所述的管，其特征在于，所述管具有至少一个肋，其延伸穿过所述管的轴线并且固定到所述管的内表面，从而通过施加到所述管的端部的压缩力来减小所述管的变形。
4. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为金属纤维并且包覆的金属纤维通过聚合物材料的涂覆与所述镁管的表面分开。
5. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为玻璃纤维。
6. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维包括玻璃纤维，其涂覆有聚合物树脂并且利用树脂结合到管表面。
7. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为玻璃纤维，其以交织或编织纤维的形式包覆。
8. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为玻璃纤维，其以交织或编织纤维的形式包覆，涂覆有热固性树脂并且利用树脂结合到管外表面。
9. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为连续玻璃纤维，其在从所述管的一端到另一端的连续层中绕管外表面包覆。
10. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为连续玻璃纤维，其涂覆有聚合物树脂并且在从所述管的一端到另一端的连续层中绕管外表面包覆。
11. 如方案1所述的管，其特征在于，连续玻璃纤维被包覆以在所述管的外表面上形成一系列隔开的纤维带，所述纤维绕所述管的轴线包覆使得所述带大致平行于所述管的端部放置。
12. 如方案1所述的管，其特征在于，涂覆树脂的连续玻璃纤维被包覆以在所述管的外表面上形成一系列隔开的树脂结合的纤维带，所述纤维绕所述管的轴线包覆使得所述带大致平行于所述管的端部放置。
13. 如方案1所述的管，其特征在于，所述管在截面上为圆形或多边柱形。
14. 如方案1所述的管，其特征在于，所述管为具有圆形或多边形截面的截头锥。
15. 如方案3所述的管，其特征在于，所述管是圆形的并且具有以90度弧隔开的两个直径肋。
16. 如方案1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维利用环氧树脂结合到所述管的外表面。
17. 如方案1所述的管，其特征在于，树脂结合的包覆的纤维从所述管的一端延伸到另一端，基本上覆盖汽缸的整个外表面。
18. 如方案1所述的管，其特征在于，环氧树脂结合的包覆的纤维从所述管的一端延伸到另一端，基本上覆盖汽缸的整个外表面。
19. 如方案1所述的管，其特征在于，其用于吸收车辆保险杠上的压缩冲击。
20. 如方案1所述的管，其特征在于，其用于吸收车身上的压缩冲击。
附图说明
图1是镁合金管的斜剖视图，其包覆有结合的环氧树脂，在其外表面上交织的玻璃纤维。在该示图中，镁合金管还具有4个内部半径支柱。
图2是压缩应力（单位为MPa）对压缩应变的数据曲线，比较了如图1所示的玻璃纤维交织覆盖的镁合金管与相同形状和成分的未涂覆镁合金管的数据。
图3是在故障时能量吸收（单位为kJ）的条形图，比较了如图1所示的玻璃纤维交织覆盖的镁合金管与相同形状和成分的未涂覆镁合金管的数据。
具体实施方式
如本说明书上面所述，镁和镁合金提供了大范围的质量节省，但是由镁基合金成形的结构构件经常不具有可接受的碰撞性能。有时候管被缓慢装载；有时候管将受到突然冲击，例如管用作车辆保险杆支撑件或车身构件（其可接收碰撞冲击）时。发现了这种镁基合金管结构作为其原始单体件时不变形，但是它们趋于破裂和突然失效。为了克服该问题，并且根据本发明，管状镁部件包覆有纤维，其抑制或防止镁结构构件或制品在碰撞冲击或其他压缩载荷期间的破裂。
镁管可以各种形状成形从而沿管的轴线接收压缩载荷。很多管由圆柱形内和外表面（其在形状上可被认为是圆形（环形），方形，矩形或其他多边形等）成形。其他管可具有截头锥形状，其截面具有广泛范围。本发明应用于镁合金管结构，其通常在基本上直的轴线上具有两个隔开的端部，并且被设计成受到压缩力，该压缩力抵靠管的一端施加并且向其他端传送。
镁管可具有内部肋或支柱从而抑制管在压缩载荷期间向内变形。这种内部加强构件将典型地为直的，延伸穿过管的轴线，并且相对端固定到管的内表面。内部加强构件可延伸管的全部长度或者在管的选定纵向区域中成形。
管的外表面包覆有纤维以用于支撑压缩装载的镁管以防管状结构的破裂或其他故障的目的。纤维可为玻璃纤维，碳纤维等。纤维可为金属纤维。玻璃纤维经常是优选的，因为它们是强的，相对廉价的，可用于很多形式，并且在很多工作环境中不趋于腐蚀镁管。连续纤维（有时候称作“粗纱”）可绕管以大致螺旋图案缠绕。包覆是加强管的全部长度。然而，连续纤维包覆可沿管的长度在隔开的圆周带中应用。很多纤维（例如玻璃纤维）可在交织的或编织的布中使用，该布可绕管的外表面包覆以在压缩载荷下支撑管。纤维包覆固定到管表面。
很多纤维材料的端部可被熔融或以其他方式简单地附接到镁管的外表面，从而适合地锚固纤维包覆从而用作其预计的支撑角色。然而，在本发明的很多实施例中，在包覆之前或之后，纤维涂覆有适合的聚合物材料，以及聚合物被硬化或固化使得纤维作为复合材料包覆的一部分嵌入聚合物中。聚合物涂层适合于几乎任何纤维包裹，并且对于某些金属纤维来说是必需的从而将它们与腐蚀诱发的与镁管表面接触隔离开。
纤维包覆的镁管将发现很多有用的应用，其中重量相对轻的结构构件需要承受压缩载荷，尤其是突然压缩载荷。例如在机动车中，这种镁管可用于将保险杠附接到车身构件，其中管用于吸收碰撞冲击。实际上，这种管有时候被称作“碰撞罐”。纤维包覆的镁管使得现在要求比较重的金属重量更轻的碰撞罐。而且，纤维包覆的镁管可用作其他车身或底盘构件，其成形或定位成接收突然碰撞冲击等。
说明性例子
下面的例子用于示出本发明的7个元件的组合。应理解的是在纤维包覆的结构镁管的其他应用中，不是所有的示出的元件都是必需的或是希望的。替代地，可使用包覆和管形状的其他组合。
根据本发明的说明性实践，挤出成形的AZ31镁合金，以90度弧隔开的具有4个径向内部加强支柱的圆柱形管使用玻璃纤维交织层和环氧树脂覆模成形。AZ31镁合金包括标称重量百分比大约3 wt%的铝，1 wt%的锌，基本上余量为镁。玻璃纤维交织涂覆的管和相同未涂覆镁合金管受到沿其相应的汽缸轴线的压缩载荷。结果是玻璃纤维交织和环氧树脂覆模成形镁管的能量吸收的多于300%的提高。
图1展示了例如挤出成形的AZ31合金管10的示图，其例如可用作两个（或多个）碰撞罐构件中的一个，该构件用于在其管端之一附接到车身结构的前端并且用于承载附接到其相对管端的保险杠结构。此类镁合金支柱（或碰撞罐）在重量上比其他金属支柱更轻并且可用于例如承载由能量吸收聚合物和聚合物复合材料成形的重量相对轻的保险杆结构。
图1示出了AZ31合金的挤出成形的、圆柱形的管10，其表示镁合金管被选定用于评估其吸收例如车身结构中的压缩载荷的能力。挤出成形的管10长度大约为546，外径大约为50.8 mm。管壁12的厚度均匀地大约为3.5 mm。在该示例中，挤出成形的管10具有以90度隔开的4个内部半径支柱14（或两个直径支柱），并且其从管10的中心16延伸到管10的内表面18。支柱14的每个（在径向长度上大约1英寸）像肋或壁一样沿管10的全部长度延伸。半径支柱14用于提供对管10的结构的加强强度，包括支撑以抵抗在管端20，22之间并且沿管的纵向轴线、经过管中心16地施加压缩载荷时的内部塌陷。
图1中的管10具有成组的玻璃纤维束的交织24，其拉伸到与管10的外表面26结合。玻璃纤维交织24以环氧树脂浸渍并且通过树脂以其固化或干燥的状态结合到表面26。该结合的树脂，交织的玻璃纤维提供了对管10的加强，特别地但不是唯一地，在管受到端到端压缩载荷时。在一个示例中，结合的环氧树脂，交织的玻璃纤维24如下应用到管10。
在该示例中，挤出成形的、50.8 mm外径的、546 mm长的、AZ31镁合金管（如图1所示）利用丙酮擦拭清洁。A&P Technology的玻璃纤维圆交织（#Z24L300R，标称3"直径，18oz/yd2）被切成为长度为19"（质量为54.5 g）。玻璃纤维交织在镁管的外表面上拉出然后纵向张紧以将交织紧密地拉到管。交织在管的端部捆扎到镁管以维持玻璃纤维上的张紧。
基于玻璃纤维交织的质量，希望的树脂质量为27.3 g（大约为玻璃纤维交织的质量的1/2）。需要过量的环氧树脂来允许一些树脂流过交织的部分的端部并且进入吸胶布。
40克环氧树脂在室温混合。树脂的配方基于100份环氧树脂（Dow 383），80份酸酐固化剂（Lonza的MTHPA 600）和2份催化剂（Aldrich的BDMA）。树脂被手工混合并脱气10分钟。玻璃纤维交织-包覆管被放置在防粘膜片上并且环氧树脂被灌注并且在超过包覆的纤维玻璃交织2/3的中心上手工散布。吸胶布被捆扎到交织端部。具有其覆盖交织层的管然后以防粘膜包覆，然后以吸胶布包覆，最后以真空装袋膜的外层包覆。在密封袋之后，施加真空并且整个装袋管被放入80度的烘箱。管留在烘箱中大约3小时以固化。在环氧树脂被固化之后，保护袋被除去。多个玻璃纤维交织复合材料涂覆的镁合金管通过该手工工艺制备。
在上述裸（没有玻璃纤维包覆）镁合金管和如上所述制备的环氧树脂结合的、玻璃纤维交织覆盖的镁合金管之间进行了比较压缩载荷测试。在每个测试中，管在支撑表面的一端上垂直地直立放置，并且压缩载荷被施加到上端。在管的圆上端上均匀地并且沿直立管的垂直中心轴线直接地施加载荷。压缩载荷被程控并施加从而以1 mm/s的速率向下增大每个管并使其变形。观察到未涂覆的镁管迅速渗透破裂并且塌陷。但是以树脂结合的玻璃纤维交织包覆的镁合金管承受更大的压缩载荷。
来自压缩测试的数据在图2和图3的曲线中概括。在图2的数据中看到裸镁合金管在经受大约0.02的压缩应变之后在大约150 MPa的压缩应力下失效。玻璃纤维交织镁合金管在大约450 MPa的压缩应力下和几乎0.1的压缩应变下失效。因此，树脂结合的玻璃纤维交织镁合金管能够在其失效前承受压缩应力，这是未涂覆镁管失效的压缩应力的三倍。
图3显示了裸镁管和玻璃纤维交织镁合金管的能量吸收数据（KJ）。如图3所显示的，纤维涂覆管的能量吸收是裸管的三倍以上。
镁管的纤维包覆的预计功能是确保镁管结构保持在沿管结构的中心轴线的压缩载荷路径中并且吸收施加的能量。挤出成形的AZ31镁合金管的手工应用的玻璃交织包覆被认为在实现此目标上非常有效和成功。
上述制备玻璃交织包覆的镁合金管的例子使用手动叠放工艺，因为仅有少数管被包覆。然而，纤维应用到管状结构的外周边能够通过多个其他公知的且较高产量的技术中的任意技术完成。纤维应用的预计结果是纤维在镁管下面支撑镁管以抵抗轴向压缩力。
例如，纤维可交织成套管，其能够随后在管上拉出，如上面的说明性例子所述。在挤出成形的镁管的情况下，交织机器可被设计成以连续工艺直接交织到形成的挤出成形管上。
在另一工艺中，管可经由单纤维缠绕包覆，其中纤维束以受到机器控制孔眼的位置控制的缠绕角绕旋转管缠绕。
纤维还可利用纤维条带缠绕在管上放置，纤维条带缠绕类似于单纤维缠绕但是代替了单个的单纤维或束，薄宽度的条带绕旋转管缠绕。条带可由单向纤维或编织或交织收集的纤维构成，该纤维已经裂成用于缠绕的适当宽度。具有单纤维缠绕的变体，其中管保持静止并且缠绕孔眼绕管轴线旋转。
管还可滚动包覆。在该工艺中，编织织物的预切矩形块沿一个边缘附接到管，然后管沿其轴线旋转直到整个织物已经绕管包覆自身。
在任何上述纤维应用工艺中，纤维能够应用为“干”（没有大量的聚合物树脂）或“湿”（输入或涂覆聚合物树脂）。在“干”纤维应用的情况下，并且其中纤维不直接结合到管，将需要次要工艺在加固和固化步骤之后应用聚合物树脂。在“湿”纤维应用的情况下，将仅要求加固和固化步骤。
因为聚合物复合材料的功能是确保镁保持在载荷路径上并且吸收施加的能量，各种树脂和纤维能够用于这种目的。在上面的说明性例子中，热固性环氧树脂配方被应用于交织的玻璃纤维。但是在其他实施例中，可优选的是使用热塑性聚合物材料。例如，涂覆热塑性聚合物的玻璃纤维（或其他纤维材料）可绕镁管包覆以形成抑制复合材料。例如，可使用涂覆有热塑性树脂（例如聚丙烯）的玻璃粗纱（例如PPG HYBON 2001）。在包覆过程中，管被保持在适合的升高的温度，使得聚合物涂层充分可动以用于包覆的纤维的加固。在另一例子中，适合的酚醛树脂复合材料（例如PLENCO酚醛树脂）可在单纤维缠绕工艺中应用于玻璃纤维。
因此，基于实验或经验，并且基于镁管状部件几何形状及其应用以及载荷方向，树脂的类型，纤维的类型，纤维在复合层中的定向和分布全部都要被优化。
本发明的一个实施例以圆柱形管示出，所述圆柱形管通过使用AZ31镁合金挤出成形。管可以其他截面形状成形。例如，它们可为圆柱形或圆锥形，或者具有其他适合的结构形状。它们可为具有互补内和外壁表面的方形，多边形，或者采用相对薄壁管形成中的其他形状。这种管可由其他镁合金成形，其适于管铸造或管由材料板等成型。
因此，尽管本发明的实践已经以一些特定例子示出，但是应理解的是本发明的范围不限于这些示出的例子。

Claims (10)

1.一种由镁基合金成形的管，所述管具有一定长度和纵向轴线；内部管表面和互补外部管表面，所述外部管表面与所述内部表面隔开以限定管壁；以及沿所述管的纵向轴线隔开的相对端表面；
所述管的尺寸和形状被设计为用作结构构件，所述结构构件用于接收压缩应力，所述压缩应力施加到所述管的端部并且沿所述管的轴线朝向所述管的相对端部作用；以及
所述管进一步包括从端部到端部绕所述管的外表面包覆的纤维，所述纤维被包覆以在所述管的外表面上施加约束力，从而通过施加到所述管的端部的压缩力来防止所述管的破裂；以及
包覆的纤维附接到所述管的外表面。
2.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维涂覆有聚合物树脂并且树脂结合到所述管的外表面。
3.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述管具有至少一个肋，其延伸穿过所述管的轴线并且固定到所述管的内表面，从而通过施加到所述管的端部的压缩力来减小所述管的变形。
4.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为金属纤维并且包覆的金属纤维通过聚合物材料的涂覆与所述镁管的表面分开。
5.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为玻璃纤维。
6.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维包括玻璃纤维，其涂覆有聚合物树脂并且利用树脂结合到管表面。
7.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为玻璃纤维，其以交织或编织纤维的形式包覆。
8.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为玻璃纤维，其以交织或编织纤维的形式包覆，涂覆有热固性树脂并且利用树脂结合到管外表面。
9.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为连续玻璃纤维，其在从所述管的一端到另一端的连续层中绕管外表面包覆。
10.如权利要求1所述的管，其特征在于，所述包覆的纤维为连续玻璃纤维，其涂覆有聚合物树脂并且在从所述管的一端到另一端的连续层中绕管外表面包覆。
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