CN103522692B - 复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料，包括由可热成型增强热塑性复合物形成的第一层，可从具有初始厚度的初始松散状态夯实到具有小于初始厚度的最终厚度的基本上夯实状态。该材料包括熔合到第一层，并且由发泡聚烯烃泡沫形成的第二层。泡沫可从具有原始平均厚度的原始形式压缩到具有最终平均厚度的压缩形式，最终平均厚度小于原始平均厚度。第二层具有压缩形式的第一和第二区域。第一区域具有小于原始平均厚度的第一厚度。第二区域具有大于第一厚度并且小于原始平均厚度的第二厚度。该材料基本上不含布置在第一和第二层之间的粘合剂。

Description

复合材料
技术领域
本公开总体涉及复合材料。
背景技术
用于车辆部件的复合材料通常根据材料的物理和/或化学性质来选择。即，材料可根据材料的重量、硬度、密度和/或强度来选择。例如，为了最大化车辆燃料经济性，可考虑材料的重量。同样，为了最大化部件强度，可考虑材料的密度和/或硬度。
发明内容
一种复合材料，包括第一层和熔合到第一层的第二层。第一层由可热成型增强热塑性复合物形成，可热成型增强热塑性复合物包括热塑性树脂和分散在热塑性树脂中的多个纤维。可热成型增强热塑性复合物可从具有初始厚度的初始松散状态夯实到具有最终厚度的基本上夯实状态，所述最终厚度小于所述初始厚度。第二层由发泡聚烯烃泡沫形成。发泡聚烯烃泡沫可从具有原始平均厚度的原始形式压缩到具有最终平均厚度的压缩形式，所述最终平均厚度小于原始平均厚度。进一步地，当发泡聚烯烃泡沫以压缩形式布置时，第二层具有第一区域和第二区域。第一区域具有小于原始平均厚度的第一厚度，第二区域具有大于第一厚度并且小于原始平均厚度的第二厚度。另外，复合材料基本上没有布置在第一层和第二层之间的粘合剂。
在一个实施例中，可热成型增强热塑性复合物包括聚丙烯和分散在聚丙烯中的多个玻璃纤维。进一步地，第二层由发泡聚丙烯泡沫形成，并且发泡聚丙烯泡沫可从具有原始平均厚度的原始形式压缩到具有最终平均厚度的压缩形式，所述最终平均厚度小于原始平均厚度。当发泡聚丙烯泡沫以压缩形式布置时，第二层具有第一区域和第二区域。第一区域具有小于原始平均厚度的第一厚度，第二区域具有大于第一厚度并且小于原始平均厚度的第二厚度。进一步地，第一层在以基本上夯实状态布置时，具有小于或等于约500g/m2的基重，并且第二层在以压缩形式布置时，具有小于或等于约500g/m2的基重。另外，最终厚度和最终平均厚度的和为约5mm到约10mm。复合材料还包括由聚烯烃形成并且结合到第一层的附接部件。
一种车辆，包括车体面板和附接到车体面板的复合材料。车体面板具有外表面，和与外表面相对间隔开的内表面。复合材料包括第一层和熔合到第一层的第二层。第一层由可热成型增强热塑性复合物形成，包括热塑性树脂和分散在热塑性树脂中的多个纤维。可热成型增强热塑性复合物可从具有初始厚度的初始松散状态夯实到具有最终厚度的基本上夯实状态，所述最终厚度小于初始厚度。第二层由发泡聚烯烃泡沫形成。发泡聚烯烃泡沫可从具有原始平均厚度的原始形式压缩到具有最终平均厚度的压缩形式，最终平均厚度小于原始平均厚度。进一步地，当发泡聚烯烃泡沫以压缩形式布置时，第二层具有第一区域和第二区域。第一区域具有小于原始平均厚度的第一厚度，第二区域具有大于第一厚度并且小于原始平均厚度的第二厚度。另外，复合材料基本上没有布置在第一层和第二层之间的粘合剂。
详细描述和图或附图支持并且描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了实现权利要求的一些最佳模式和气体实施例，但是存在实践所附权利要求中限定的本发明的多个替代设计和实施例。
附图说明
图1是复合材料的示意性立体图；
图2是图1的复合材料的第二表面的示意性立体图；
图3是图1的复合材料的侧视图的示意图；
图4A是图1的复合材料的第一层和第二层的示意性局部立体图，其中第一层以初始松散状态布置，第二层以原始形式布置；
图4B是图1的复合材料的第一层和第二层的示意性局部立体图，其中第一层以基本上夯实状态布置，第二层以压缩形式布置；和
图5是包括图1的复合材料的车辆的示意性立体图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记指代相同的元件，复合材料总体显示在图1中10处。复合材料10对于需要轻量、结实材料的汽车应用中可以是有用的。例如，复合材料10可用作绝缘材料或结构材料，并且可附接到车辆14（图5）的车体面板12（图5）。在其他非限制性示例中，复合材料10可用于形成用于汽车的顶棚（未示出）、地板面板（未示出）、座椅背衬（未示出）等。但是，复合材料10也可用于非汽车应用，包括但不限于，建筑物、航空和航海应用。
现在参照图1和2，复合材料10包括由可热成型增强热塑性复合物18形成的第一层16。第一层16可用作用于复合材料10的基底，并且可熔合到复合材料10的另一部分，即第二层20，如下面更详细描述的。进一步地，第一层16可为复合材料10提供在最小重量下的优异强度。在一个实施例中，可热成型增强热塑性复合物18可被称为玻璃毡席热塑性复合物（GMT）或轻质增强热塑性复合物（LRT），并且可以以商品名称从AZDEL，Inc.（Fenton,Michigan）商业上获得。
如参照图1所述的，可热成型增强热塑性复合物18包含热塑性树脂22和分散在热塑性树脂22中的多个纤维24。即，热塑性树脂22可形成基质，并且多个纤维24可嵌入基质中并且遍布基质分散。这样的热塑性树脂22的非限制性示例包括聚烯烃和热塑性聚烯烃共混物。例如，热塑性树脂22可选自聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯（polymethylpentene）、聚丁烯-1（polybutene-1）及其组合的组中。在一个实施例中，热塑性树脂22为聚丙烯。更具体地，聚丙烯可以是均聚物、无规共聚物、嵌段共聚物、或其组合。
继续参照图1，多个纤维24可适于与热塑性树脂22组合。例如，多个纤维24中的每一个可选自包括天然纤维、玻璃纤维、矿物纤维、碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、及其组合的组。天然纤维的非限制性示例包括得自植物或动物、木材、棉花、大麻、剑麻（sisal）、黄麻、亚麻、椰皮纤维（coir）、洋麻、纤维素纤维等的纤维。同样，玻璃纤维的非限制性示例包括二氧化硅玻璃、E玻璃、A玻璃、E-CR玻璃、C玻璃、D玻璃、R玻璃、S玻璃等。如本文所用，术语E玻璃是指具有优异电阻率的铝硼硅酸盐玻璃。而且，如本文所用，术语A玻璃是指基本上不含氧化硼的碱钙玻璃。如本文所用，术语E-CR玻璃是指具有优异耐腐蚀性的防腐等级铝钙硅酸盐（alumino-limesilicate）玻璃，例如耐酸和碱腐蚀。进一步，如本文所用，术语C玻璃是指具有优异耐化学性的碱钙玻璃（alkali-lime glass）。如本文所用，术语D玻璃是指具有相对高介电常数的硼硅酸盐玻璃。而且，如本文所用，术语R玻璃是指基本上没有氧化镁和氧化钙的铝硅酸盐（alumino-silicate）玻璃，并且其表现出优异的机械性能。如本文所用，术语S玻璃是指基本上没有氧化钙的铝硅酸盐玻璃，其包含氧化镁，并且具有优异的抗拉强度和耐温度性能。进一步，矿物纤维的非限制性示例包括玄武岩、矿棉、硅灰石（wollanstonite）、铝土等。金属纤维的非限制性示例包括金、银、铝、金属化天然纤维、金属化合成纤维等。陶瓷纤维的非限制性示例可具有多晶结构，并且可由铝土、多铝红柱石（mullite）、碳化硅、氧化锆、碳及其组合形成。碳纤维的非限制性示例包括碳石墨、石墨等。在一个实施例中，多个纤维24可以是玻璃纤维。
现在参照图4A和4B，可热成型增强热塑性复合物18可从具有初始厚度28（图4A）的初始松散状态26（图4A）夯实到具有最终厚度32（图4B）的基本上夯实状态30，最终厚度32小于初始厚度28。可热成型增强热塑性复合物18可通过湿法造纸工艺制造。特别地，可热成型增强热塑性复合物18可形成为纤维湿幅材（未示出），并且被干燥来形成以初始松散状态26布置的可热成型增强热塑性复合物18。当压缩时，如下面更详细提出的，初始松散状态26可夯实为基本上夯实状态30，以使最终厚度32小于初始厚度28。例如，初始厚度28可为从约2mm到约4mm，并且最终厚度32可为从约1mm到约3mm。另外，当压缩时，可热成型增强热塑性复合物18可在密度方面增大约10%到约30%，例如增大约20%。即，可热成型增强热塑性复合物18的最终密度可大于可热成型增强热塑性复合物18的原始密度的从大约10%到约30%。这样，与当可热成型增强热塑性复合物18以初始松散状态26布置时的初始密度相比较，由可热成型增强热塑性复合物18形成的第一层16可当可热成型增强热塑性复合物18以基本上夯实状态30布置时具有更大的最终密度。因此，第一层16为复合材料10提供优异的硬度。
如参照图4B所述，在第一层16以基本上夯实状态30布置时，第一层16可具有小于约550g/m2的基重。例如，在第一层16以基本上夯实状态30布置时，第一层16可具有从约350g/m2到约500g/m2的基重。如本文所用，术语“基重”指纸的密度或材料的面密度，并且以每单位面积重量的单位表示。
再次参照图1，复合材料10还包括第二层20，第二层20熔合到第一层16并且由发泡聚烯烃泡沫34形成。第二层20可配置为期望形状，例如车体面板12的形状（图5），并且可为复合材料10提供优异的绝缘和/或噪声、振动和粗糙特性。进一步，第二层20可与第一层16熔合，即非粘合地结合，如下面更详细所述的，以最小化第一层16与第二层20的分层。进一步，第二层20可还在最小重量为复合材料10提供优异的强度。
继续参照图1，发泡聚烯烃泡沫34可基于与前述的热塑性树脂22的相容性而被选择。这样，发泡聚烯烃泡沫34的适当示例可包括发泡聚丙烯泡沫、发泡聚乙烯泡沫及其组合。在一个实施例中，发泡聚烯烃泡沫34为发泡聚丙烯泡沫。即，对于其中热塑性树脂22为聚丙烯的实施例，发泡聚烯烃泡沫34为发泡聚烯烃泡沫。同样，对于其中热塑性树脂22为聚乙烯的实施例，发泡聚烯烃泡沫34为发泡聚乙烯泡沫。热塑性树脂22和发泡聚烯烃泡沫34之间的这样的相容性有助于第二层20到第一层16的优异熔合。
再次参照图4A和4B，发泡聚烯烃泡沫34可从具有原始平均厚度38（图4A）的原始形式36压缩到具有最终平均厚度42（图4B）的压缩形式40，最终平均厚度42小于原始平均厚度38。即，发泡聚烯烃泡沫34是可压缩的，可例如在热和压力下，如下面更详细提出的。例如，原始平均厚度38可以是从约5mm到约15mm，并且最终平均厚度42可以是从约3mm到约8mm。在一个特定实施例中，原始平均厚度38可以是约10mm，并且最终平均厚度42可以是约5mm。即，压缩形式40可具有比发泡聚烯烃泡沫34的原始平均厚度38更小的最终平均厚度42。进一步地，原始平均厚度38与最终平均厚度42的比率可以是从约3:1到约1.25:1，例如约2:1。另外，当压缩时，发泡聚烯烃泡沫34可在密度方面增大约50%到约70%，例如约60%。即，发泡聚烯烃泡沫34的最终密度可比发泡聚烯烃泡沫34的原始密度大大约50%到约70%。这样，与发泡聚烯烃泡沫34以原始形式36布置时的初始厚度相比较，在发泡聚烯烃泡沫34以压缩形式40布置时，由发泡聚烯烃泡沫34形成的第二层20可具有更大的最终密度。因此，第二层20还为复合材料10提供优异的刚硬度。
继续参照图1，第二层20可以任何适当形式熔合到第一层16，以形成复合材料10。举个非限制性示例，第一层16可邻近第二层20布置，并且第一和第二层16，20可在压缩作用下被加热，例如到从约100°C到约200°C的温度，并且随后冷却，以由此将第二层20熔合到第一层16。更具体地，这样的在压缩作用下的加热可熔化热塑性树脂22和发泡聚烯烃泡沫34，即可熔化热塑性树脂22和发泡聚烯烃泡沫34的相容聚烯烃，以使第一层16熔合到第二层20，由此形成复合材料10。
如图3中最佳所示，当发泡聚烯烃泡沫34以压缩形式40布置时，第二层20具有第一区域44和第二区域46。第一区域44具有第一厚度48，其小于原始平均厚度38（图4A），并且第二区域46具有第二厚度50，其大于第一厚度48，并且小于原始平均厚度38。即，第二层20可具有多个区域44，46，其每一个具有与压缩前第二层20的原始平均厚度38相比较减小的厚度48，50。
现在参照图4A和4B，当发泡聚烯烃泡沫34以原始形式36（图4A）布置时，第一区域44可具有第一原始厚度52（图4A）。类似地，当发泡聚烯烃泡沫34以原始形式36布置时，第二区域46可具有第二原始厚度54（图4A），其大于第一原始厚度52。在该实施例中，第二层20的原始平均厚度38因此等于第一原始厚度52和第二原始厚度54的平均值。
类似地，如图3中最佳所示，当发泡聚烯烃泡沫34以压缩形式40布置时，最终平均厚度42可等于第一厚度48和第二厚度50的平均值。换句话说，当发泡聚烯烃泡沫34以压缩形式40布置时，第二层20可具有不同厚度48，50的区域44，46。这样的区域44，46可因此根据复合材料10的期望应用被剪裁。例如，与第一区域44相比较，第二区域46可在复合材料10的离散或目标区域中为复合材料10提供增加的结构和/或强度。
继续参照图3，第一厚度48可以是从约1mm到约5mm，例如约3mm。进一步地，第二厚度50可以是从约5mm到约10mm，例如约7mm。另外，当第二层20以压缩形式40布置时，第二层20可具有小于约500g/m2的基重。例如，当第二层20以压缩形式40布置时，第二层可具有从约300g/m2到约450g/m2的基重。
再次参照图3，要意识到，对于包括发泡聚烯烃泡沫34的实施例，当发泡聚丙烯泡沫34以压缩形式40布置时，第二层20可进一步包括第三区域56。对于该实施例，第三区域56具有第三厚度58，该第三厚度58大于第一厚度48，并且小于第二厚度50。即，第二层20可具有多于两个区域44，46，例如区分相应厚度48，50，58的三个或更多区域44，46，56。因此，虽然未示出，但是应意识到，对于该实施例，最终平均厚度42等于第一厚度48、第二厚度50和第三厚度58的平均值。再次地，该区域44，46，56可提供在复合材料10的特定选择位置中为复合材料10提供优异强度和/或刚度。
现在参照图1和2，第二层20可具有邻近第一层16布置的主表面60，和与主表面60相对间隔开的副表面62。即，副表面62可形成复合材料10的外表面。如图2中最佳所示，第二层20可限定至少一个孔64，该孔延伸通过主表面60和副表面62。即，所述至少一个孔64可沿基本上垂直于主表面60的平面的方向延伸通过第二层20。进一步地，所述至少一个孔64可不延伸到第一层16中。即，第一层16可不限定所述至少一个孔64。这样，对于汽车应用，由第二层20限定的所述至少一个孔64可配置为容纳和/或接触车辆14（图5）的附加部件（未示出），例如但不限于，电线线束、结构钢、电子器件等。
进一步地，如图3中最佳所示，复合材料10基本上没有布置在第一层16和第二层20之间的粘合剂（未示出）。即，如上面所提出的，第二层20熔合到第一层16，例如非粘合地结合到第一层16。这样，复合材料10不需要或不包括粘合剂（未示出），以将第一和第二层16，20结合到一起。因此，复合材料10最小化材料成本、最小化产品复杂性，并且提高生产效率。
再次参照图4B，当第一层16以基本上夯实状态30布置并且第二层20以压缩形式40布置时，复合材料10具有小于约1000g/m2的基重。在一个非限制性示例中，复合材料10可具有从约750g/m2到约900g/m2的基重。这样，复合材料10是轻质的，并且适于在减小的质量下需要强度的应用。
另外，再次参照图3，复合材料10可具有等于最终厚度32（图4B）和最终平均厚度42（图4B）的和的总平均厚度66。总平均厚度66可以是从约5mm到约15mm，例如从约6mm到约9mm。这样，复合材料10适于在减小厚度下需要强度的应用。
再次参照图1和3，在一个实施例中，复合材料10进一步包括附接部件68，其由聚烯烃形成，并且被结合到第一层16。聚烯烃可选自包括聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯（polymethylpentene）、聚丁烯-1及其组合。进一步地，聚烯烃可根据热塑性树脂22和/或发泡聚烯烃泡沫34的选择来选择。即，附接部件68、热塑性树脂22和发泡聚烯烃泡沫34可由相同的聚烯烃形成。这样的选择便于附接部件68到第一层16的结合。例如，附接部件68可熔合到第一层16，即非粘合地结合到第一层16。即，附接部件68的聚烯烃可被加热和压缩到第一层16上，以将附接部件68和第一层16两者的相容聚烯烃熔化和熔合在一起。在一个非限制性示例中，附接部件68可配置用于附接到车辆14（图5），并且可由聚丙烯形成。即，附接部件68可从第一层16突出，用于例如作为柱塞或扣件附接到车辆14。进一步地，虽然未示出，但是附接部件68可在第一层16和第二层20之间的界面处结合到第一层16。即，虽然未示出，附接部件68可结合到第一层16，延伸通过由第二层20限定的所述至少一个孔64，并且由此从第一层16突出通过第二层20，以附接到车辆14。
现在参照图5，车辆14包括具有外表面70的车体面板12，其可形成车辆14的外部72，以及与外表面70相对间隔开的内表面74。外表面70可被称为“A级”表面。如本文所用，使用“A级”指在普通的车辆使用过程中可由车辆使用者看到的外观表面光洁度。因此，与适于形成或附接到车辆14的内表面74的部件相比较，具有“A级”表面光洁度的部件一般具有相对较高的光泽和图像清晰度。这样，“A级”表面大体上面对车辆14的定位于车辆14的外部的观察者。反之，内表面74可由绝缘和/或结构部件，例如由复合材料10覆盖。
进一步地，继续参照图5，车辆14包括附接到车体面板12的复合材料10。复合材料10可通过任何适当的附接装置和/或方法附接到车体面板12。例如，复合材料10可通过附接部件68（图1）附接到车体面板12。即，如上面提出的，复合材料10可进一步包括附接部件68，其配置用于将复合材料10附接到车体面板12，并且由聚烯烃形成。
复合材料10表现出优异的基重和最小化的总平均厚度66（图3），并且提供用于车辆14（图5）的绝缘或结构部件的轻量的结实材料。特别地，当以基本上夯实状态30（图4B）布置时，第一层（图1）具有减小的最终厚度32（图4B），并且这样，可对于在车辆14的使用过程中需要抗冲击或能量吸收的车辆部件，例如车体面板12（图5），是有用的。第一层16还可结合到附接部件68（图1），以最小化复合材料10的形成步骤。进一步地，第二层20（图1）也表现出优异的基重，并且给复合材料10提供结构。即，第二层20可在特定44，46中提供增加的强度，以使复合材料10可定制用于多个车辆部件。因此，第二层20的强度和结构可被剪裁。第二层20可还提供扭转支撑给复合材料10，并且可有助于车辆14的噪声、振动和粗糙减轻。
虽然已经详细描述了用于实现本发明的最佳模式，但是本发明相关领域的技术人员将意识到，用于实践所附权利要求范围内的本发明的多个替代设计和实施例。

Claims (7)

1.一种复合材料，包括：
第一层，由可热成型增强热塑性复合物形成，所述可热成型增强热塑性复合物包括热塑性树脂和分散在热塑性树脂中的多个纤维；
其中，所述可热成型增强热塑性复合物可从具有初始厚度的初始松散状态夯实到具有最终厚度的基本上夯实状态，所述最终厚度小于所述初始厚度；
其中，第一层以基本上夯实状态布置，并且具有小于550g/m2的基重；和
第二层，熔合到第一层，并且由发泡聚烯烃泡沫形成；
其中，发泡聚烯烃泡沫可从具有原始平均厚度的初始形式压缩到具有最终平均厚度的压缩形式，所述最终平均厚度小于原始平均厚度；
其中，第二层以压缩形式布置，并且具有小于500g/m2的基重；
其中，原始平均厚度与最终平均厚度的比为从3:1到1.25:1；
并且，第二层具有第一区域和第二区域；
其中，第一区域具有小于原始平均厚度的第一厚度，第二区域具有大于第一厚度并且小于原始平均厚度的第二厚度；
其中，复合材料没有布置在第一层和第二层之间的粘合剂。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述发泡聚烯烃泡沫为发泡聚丙烯泡沫。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其中，热塑性树脂为聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其中，当第一层以基本上夯实状态布置，并且第二层以压缩形式布置时，复合材料具有小于1000g/m2的基重。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其中，最终平均厚度等于第一厚度和第二厚度的平均值，其中，复合材料具有等于最终厚度和最终平均厚度的和的总平均厚度，并且进一步地，其中总平均厚度为从5mm到15mm。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其中，原始平均厚度为5mm到15mm。
7.一种车辆，包括：
车体面板，具有外表面，和与外表面相对间隔开的内表面；和
复合材料，附接到车体面板，并且包括：
第一层，由可热成型增强热塑性复合物形成，所述可热成型增强热塑性复合物包括热塑性树脂和分散在热塑性树脂中的多个纤维；
其中，所述可热成型增强热塑性复合物可从具有初始厚度的初始松散状态夯实到具有最终厚度的基本上夯实状态，所述最终厚度小于初始厚度；
其中，第一层以基本上夯实状态布置，并且具有小于550g/m2的基重；和
第二层，熔合到第一层，并且由发泡聚烯烃泡沫形成；
其中，发泡聚烯烃泡沫可从具有原始平均厚度的原始形式压缩到具有最终平均厚度的压缩形式，最终平均厚度小于原始平均厚度；
其中，第二层以压缩形式布置，并且具有小于500g/m2的基重；
其中，原始平均厚度与最终平均厚度的比为从3:1到1.25:1；
并且，第二层具有第一区域和第二区域；
其中，第一区域具有小于原始平均厚度的第一厚度，第二区域具有大于第一厚度并且小于原始平均厚度的第二厚度；
其中，复合材料没有布置在第一层和第二层之间的粘合剂。
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