CN105150627A - 可成型的轻质复合材料体系及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括聚合物(18)和分布在聚合物中的金属纤维束(20)的填充聚合物材料(16)，涉及轻质复合材料(10，12)，所述复合材料包括一对金属层(14)和夹在这一对金属层(14)之间的聚合物层，所述聚合物层包含填充聚合物材料(18)。本发明的复合材料可以采用传统的冲压设备在室温条件下成型。本发明的复合材料还能够采用电阻焊接工艺，如电阻点焊焊接到其它金属材料上。所述复合材料具有下述特点：金属纤维是带状纤维；聚合物选自聚烯烃、聚酰胺或它们的组合，金属层(如一对金属层中的一层或两层)有一个面向填充聚合物材料且未处理的表面。

Description

可成型的轻质复合材料体系及方法
要求申请日期的权益
本发明要求享有美国临时专利申请US61/304,640(Mizrahi等于2010年2月15日申请)、US61/371,360(Mizrahi等于2010年8月6日申请)、US61/377,599(Mizrahi于2010年8月27日申请)及US61/387,164(Mizrahi于2010年9月28日申请)的申请日期的权益，以上专利的内容通过引用整体结合在本申请中。
技术领域
总的来说，本发明涉及纤维填充聚合物材料，并且涉及包括纤维填充聚合物材料层的复合材料，特别是涉及包括纤维填充聚合物层和金属层的夹芯复合材料。
背景技术
国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi于2010年2月25日申请，并通过引用整体结合到本申请中)，描述了独特且轻质的新型复合材料及相关方法和体系。此类复合材料广泛应用于一系列技术中。例如，据描述，此类复合材料在运输技术(如汽车技术)中具有特殊用途。它们还有其它应用，如建筑技术或家电技术。遗憾的是，各种技术领域的成本和性能要求不同，或者即使在同一技术领域的不同应用之间，性能和成本要求也不同，因此，提供“通用型”材料体系是一个难题。因此，不管国际专利申请公开WO2010/021899中的各种教导，探索材料体系的各种变化，用于增强复合材料，如夹芯型复合层压材料的商业魅力，仍然具有吸引力。此外，对于某些应用来说，调节各种复合材料，如WO2010/021899中材料的性能，使它们具有相对较宽的加工窗口，具有焊接性、拉伸性、可以涂布与/或在各种应用中代替传统材料(如钢)，
同时，相对于传统材料，重量明显减轻，也是有吸引力的。例如，在交通运输业，汽车部件(如面板、支持构件等)仍然需要采用重量相对较轻的材料代替钢材、铝或代替它们两者。
发明内容
本发明涉及夹芯层压材料体系。正如应该了解的是，虽然本发明强调在汽车工业的应用，但是，它们也可以在其它领域使用。
总的来说，本发明涉及填充聚合物材料(及复合材料，如包括所述填充聚合物材料的夹芯复合材料)，包括：热塑性聚合物和分布在所述聚合物中的多根金属纤维，所述热塑性聚合物选自由以下聚合物组成的群组：聚烯烃、缩醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚物(如包括至少两种酰胺单体的聚酰胺共聚物和包括至少一种非酰胺单体的聚酰胺共聚物)、离聚物、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、热塑性聚醚-酯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、包括至少60wt.％α-烯烃和至少另外一种单体的共聚物、包括任意所述聚合物的共聚物、包括任意所述聚合物的离聚物以及以上所述聚合物的任意组合；其中所述金属纤维的含量大于所述填充聚合物材料总体积的大约3％体积％(vol％)。
本发明的这个方面还可以进一步以下述任意组合中的一种表征：热塑性材料包括聚烯烃(如聚丙烯、聚乙烯或它们的组合)、缩醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚物、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、包括至少60wt.％α-烯烃和至少另外一种单体的共聚物、包括所述聚合物中任一种聚合物的共聚物或它们的任意组合；热塑性材料包括聚酰胺共聚物、热塑性聚氨酯、热塑性聚醚-酯共聚物、离聚物或它们的任意组合；填充聚合物有厚度，所述纤维是以纤维束的形式存在，所述纤维束贯穿填充聚合物材料的厚度；或者所述热塑性材料在在拉伸应变率大约0.1s-1条件下按照ASTMD638-08标准测定时的断裂伸长率至少大约是20％。
在本发明的一个特殊方面，所述聚合物可选自聚烯烃、聚酰胺或它们的组合；所述纤维是包括带状，如钢带的纤维束(如缠结纤维束)形式。
本发明的另一个方面涉及一种轻质复合材料，包括：第一金属层(如钢板)；第二金属层(如钢板)；夹在第一金属层和第二金属层之间的聚合物层(如本发明以上各方面所描述的聚合物)；分布在所述聚合物层内的多根金属纤维；其中至少沿一半纤维长度与金属层接触的金属纤维部分(fraction)为大约0.3或更少；所述聚合物层包括含聚合物的填充聚合物材料，所述聚合物在拉伸应变率大约0.1s-1时按照ASTMD638-08标准测定的断裂伸长率至少大约是20％；因此，所得复合材料可以焊接，而且所得复合材料在应变率大于大约0.1s-1时能够塑性变形。根据本发明的这一方面，第一金属层，第二金属层或这两个金属层可以未进行任何表面处理、不含任何涂层或在金属层和聚合物层之间不含任何其它层(应该了解的是，尽管如此，可以任选采用一个或多个合适的层，而且仍然属于本发明的范围)。
本发明方法相关方面涉及一种板的成型工艺，包括：成型此处所述的填充热塑性聚合物板，并监测所述板的质量。例如，所述聚合物层可以如在连续工艺、间歇工艺或其它工艺中预成型(即预成型板)，并层压到至少一个金属层上或层压到相对的两个金属层之间。
本发明的另一个方面涉及复合部件的成型工艺，包括一个对此处所述的复合材料进行冲压的步骤。
本发明的另一个方面涉及包括复合材料，如此处所述的复合材料的焊接结构，所述复合材料被焊接到钢材(如电阻焊)、焊接到除钢材以外的金属、焊接到基本上相同的复合材料、焊接到不同的复合材料或焊接到以上所述材料的组合上。令人吃惊的是，这种轻质复合材料可以包含一聚合物层，所述聚合物层布置一定量的金属纤维，所述金属纤维的量足够使复合材料的电导率达到使复合材料能够焊接的程度(如采用目前汽车生产线中电阻焊钢材使用的传统设备和工艺)，而且纤维的量仍然足够低，使复合材料具有颇有吸引力的性能特点，如相对较高的强度重量比、可涂布性、通过材料降低声音的传输或以上所述特点的组合。
附图说明
图1A示出了包含聚合物层和金属层的复合材料；
图1B示出了包括夹在两个金属层之间的聚合物芯层的复合材料；
图2是监测聚合物材料或复合材料的示意工艺图。
具体实施方式
总的来说，正如即将说明的那样，此处的材料采用填充聚合物材料，尤其是包括分布在聚合物基质中的金属纤维相的填充聚合物材料。一般说来，此处所述复合材料采用至少两层，其中一层是上文所述结合的(如纤维填充的)(如在纤维填充聚合物层内的)聚合物材料。更具体地说，此处所述材料是包括夹芯结构的复合材料，其中在两层或多个其它层之间夹了一层纤维填充聚合物层。此处所述材料还考虑了夹芯结构前体，即第一层，所述填充聚合物层连接在第一层上，这样，填充聚合物层具有一个暴露的外表面，然后，第二层可连接到填充聚合物层上。本发明还考虑了包括本发明纤维填充聚合物材料的原料组合物(即颗粒、板或其它形式)。正如将要阐述的那样，此处所述材料具有独特的、令人吃惊的、颇有吸引力的性能组合，使所述材料适合变形操作(如相对较高的应变率成型操作，如冲压)、焊接操作或适合这两种操作。例如，正如将从这些教导中看到的那样，所述填充聚合物设计为多相。至少一个相(如填料)提供导电通路，而且是可以塑性变形的，而且当经受诱导塑性变形的应力时，甚至会出现应变硬化，此外，聚合物相应足够粘到另一材料(如金属层，如钢板)上，复合材料进行焊接与/或变形(如成型，如冲压)加工时，将不会出现复合材料的分层。当进行涂布操作时，聚合物相还应能够耐受降解(如当进行金属板涂布操作中常用的化学浴，如静电涂布浴，或其它赋予其防腐性能的浴)。
本发明教导的各个方面利用材料的独特组合，以得到一种颇有吸引力的复合材料，尤其是一种层压复合材料。举例而言(但是本发明并不受这些实例的限制)，层压材料可以拉伸(如深拉)、焊接或两者均可，一般说来，以传统技术领域公开的板材，如金属板(如不锈钢与/或低碳钢)的类似方式，本发明利用多相复合材料，其中对材料进行选择和利用，整体上，它们赋予拉伸性、焊接性或赋予这两种性能。此外，所述材料是这样的：得到的层压材料可以以类似于传统技术领域公开的薄壁结构的方式加工，尤其是其涉及赋予装饰性或功能性表面处理(如涂料、电镀或其它)的工艺。
例如，在此处尤其优选的材料组合时，可能包括夹住芯层材料的两层，所述芯层优选是填充聚合物材料。所述填充聚合物材料优选包括至少一种聚合物，所述聚合物可能包括热塑性聚合物、基本上或完全由热塑性聚合物组成，或者具有使其通常可作为热塑性聚合物加工的特点。所述填充聚合物材料优选还包括填料相，并优选包括纤维相，基本上或完全由纤维相组成，尤其是伸长纤维相，如伸长金属纤维相。此相可足够定位与/或分布(如包覆、编织、对齐、缠结或它们的组合)，且用量足够，即使聚合物本身通常并不导电，也能在至少部分填充聚合物材料处实现导电网络。尤其优选的伸长纤维相本身也能够伸长(单根纤维或纤维束整体能够伸长或单根纤维和纤维束整体均能够伸长)，并且可能出现应变硬化。
应该了解的是，此处提到的“层”并不一定要求材料部件是分离的和独立的。例如，如果层压复合材料包括本身折叠而定义了两层的单块材料，这两层材料共有一个边，在这两层材料之间是填充聚合物材料，这样的材料仍然属于本发明的教导范围。
现在，转向此处教导的更具体的方面，可以看出，本发明的第一个方面是一种采用相邻之间不同材料层制造的复合材料，所述材料包括至少一层(如金属层，如金属面层)和至少一种聚合物层，所述复合材料可以形成成型面板(如可通过施加应力诱导材料的塑性应变(如以相对较快的速率)而可以冲压，或者能够在压机上冷成型)。所述复合材料可以是包含一个金属层和一个聚合物层的复合层压材料，或者它可包括一个或多个其它层。例如，它可以是在两个聚合物层之间夹有一个金属层的层压材料，或是在至少两个相对的金属层之间夹有一个聚合物层的层压材料。如上所述，尤其优选的是后面这种结构，前一结构可作为后一结构的前体。在这种情况下，成型夹芯结构的方法可包括一个将一层应用到前体上以形成夹芯结构的步骤，一个将第一前体应用于第二前体上以形成夹芯结构的步骤，或包括这两个步骤。
图1A所示的一个实例所示，复合层压材料10具有一个金属层14和一个聚合物层16。夹芯层12可包括第一金属层14，第二金属层14’和夹在第一金属层和第二金属层之间的聚合物层16(如聚合物芯层)，如图1B所示。参考图1A和图1B，所述聚合物层18包括至少一种聚合物(如热塑性聚合物)18和纤维20。聚合物层16和第一金属层14具有共同表面22。如图1A和1B所示，某些或全部纤维具有这样的长度和方向：使它们从聚合物层的一个表面延伸到聚合物层的相对表面。然而，应该注意的是，其它纤维长度和方向也属于本发明的范围。例如，在聚合物层相对的两个表面之间延伸的纤维(如金属纤维)的含量小于20％、小于10％、小于5％或小于1％。图1A和1B所示的纤维通常是直纤维。从此处教导应该了解的是，优选的纤维通常并不是直的。优选的纤维在纤维长度方向具有一个或多个弯曲，具有通常弯曲的轮廓，或者两者均具。
正如提到的那样，除复合材料之外，多层结构，本发明的另一个方面，考虑了一种包括热塑性聚合物和纤维(如金属纤维)的前体聚合物层板材(即单层聚合物层)，然后，所述板材可以夹在两个金属层之间。
本发明的另一个方面考虑了一种包含聚合物和纤维的前体聚合物原料材料。此类聚合物原料材料可以作为单层或采用一种或多种其它材料稀释(如一种或多种其它聚合物)成型(如注射成型或挤出成型)成聚合物层(如板)。为此，前体聚合物原料材料可包括复合材料聚合物层中的某些或全部组分。前体聚合物原料材料优选包括聚合物层的几乎所有纤维。
在使用中，复合材料可以变形(如成型，如通过冲压成型)、连接到另一结构(如钢材或另一种复合材料)，或两者均可。优选的方法是采用一个将本发明的复合材料焊接到其它结构的步骤。成型面板可以与其它部件连接，若必要的话，采用除焊接之外的技术，如通过粘合剂、钎焊等。在这两种情况下，复合材料(如层压复合材料或夹芯板)可采用成本低的冲压方法成型，令人吃惊的是，这样做也不存在本领域先有技术面临的各种限制。所述复合材料的独特特征使其在传统上利用规则整体金属板的应用中，成为极端有吸引力的候选材料，如交通工业(如汽车)中目前采用的车身面板。
本发明的一个独特特点是其包括聚合物的具体选择(如热塑性聚合物)和金属纤维，并在聚合物基质中包括金属纤维和任选颗粒，以及其它任选填料，以制备适用于低成本冲压操作的新型可成型的复合材料(如夹芯或层压结构)。另一个新颖性是可冲压的夹芯层可采用传统的焊接技术，如电阻焊连接(如点焊、缝焊、闪光焊、凸焊或电阻对接焊)、能束焊接(如激光束、电子束或激光复合焊接)、气焊(如采用氧乙炔等为气体的氧燃气焊)、电弧焊(如气体保护金属极弧焊、金属惰性气体电弧焊或掩护金属电弧焊)。优选的连接技术包括高速焊接技术，如电阻点焊和激光焊。
可成型/可冲压材料的各种特点、测试方法、测试标准、缺陷描述、焊接工艺和特点、成型工艺说明均在下述出版物中进行了说明，所有出版物均通过引用而整体结合在本申请中。
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材料
举例而言，人们认为，在聚合物层中使用纤维填料(而且在一个特殊的方面，使用带状纤维填料)，可以方便复合材料制造，而且在含量极低的情况下，可以实现此处所述的有益效果。令人吃惊的是，采用此处所述的材料选择和组合，与传统上类似形状的金属结构(如金属板)相比，每单位体积的金属量可以更少，却仍然具有可与之媲美的性能和特点。出人意料地避免了本领域技术人员认为此类材料组合可能存在的问题。在这一方面，可以预测的材料的某些表现特点令人吃惊地得到了避免，可以有利地应用在所述复合材料中，或者具有这两方面的优点。从而，所得层压材料本身是颇有吸引力的候选材料，可以随时取代现有材料，例如，它们可用于代替钢板，与钢材相比，可以大幅减轻重量，而不需要在重新购买模具方面进行大量投资或显著改变工艺条件。
聚合物层
聚合物层通常可包括填充聚合物(如增强纤维束填充的热塑性聚合物，如金属纤维束，更尤其是包括钢带纤维部件的纤维束)或者甚至可基本上由填充聚合物组成。
在聚合物层中使用的填充聚合物材料优选通常是以下述特点表征的材料：相对坚硬、强度相对较大、具有较高的断裂伸长率、具有较高的应变硬化特性、重量轻或以上特点的任意组合，如国际专利申请WO2010/021899所述(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)，该专利通过引用整体结合在本申请中(例如，参见015-022段、029-051段和085-091段)。
优选的是，至少填充聚合物材料中的某些聚合物是热塑性的，但是，它可以是热固性聚合物或包括热固性聚合物，尤其是可以作为热塑性聚合物加工但可以固化的热固性聚合物。填充聚合物材料中使用的聚合物优选至少50％(更优选至少60％、70％、80％、90％或甚至95％，如果不是100％的话)是热塑性聚合物。
填充聚合物材料可能具有导电性(例如，填充聚合物材料可能是导电体)，这样，导电通路穿过填充聚合物，复合材料可以焊接到另一种结构，如金属板上。聚合物芯层材料的导电性可以通过采用分散在聚合物中且数量至少达到渗透浓度的金属纤维和任选的金属颗粒或碳黑颗粒实现，如国际专利申请WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述，例如，参见064-081段，这些内容通过引用结合到本申请中。本发明所述填充聚合物材料和所述复合材料是可以采用本领域公开的焊接工艺(如焊接程序)或其它焊接工艺(如焊接程序)焊接，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)(参见15、20-22、29-30、37-39、47、109和112-117段，它们通过引用而结合到本申请中)和美国专利申请No12/978,974(Mizrahi于2010年12月27日申请)，例如，参见019-31、034-042和056-137段，以上内容通过引用而结合在本申请中。例如，所述材料可以采用焊接速度更快、要求的能量更少，或者兼具这两种优点的更经济的焊接程序。
所述填充聚合物材料(如填充聚合物材料中的聚合物)还可另外包括聚合物共混领域中人们熟知的一种或多种添加剂，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)所述。例如，填充聚合物材料可包括美国专利3,784,509(Dotson等，1974年1月8日，参见，例如第1栏第59行至第4栏第64行所述的取代酰亚胺)、3,868,388(Dotson等1975年2月25日，参见，例如第1栏第23行至第3栏第39行所述的卤代双酰亚胺)；3,903,109(Dotson等，1975年9月2日，例如，参见第1栏第46行至第4栏第50行所述的取代亚酰胺)；3,915,930(Dotson等，1975年10月28日，例如参见第1栏第27行至第3栏第40行所述的卤代双酰亚胺)；和3,953,397(Dotson等，1976年4月27日，例如，参见第1栏第4行至第2栏第28行所述的溴化酰亚胺和苯甲酰氯的反应产物)公开的卤代阻燃化合物，以上专利通过引用整体结合在本申请中。所述聚合物、填充聚合物材料或它们两者可包括一种或多种改善聚合物与金属层之间粘附性的添加剂。聚合物、填充聚合物材料或它们两者可包括一种或多种改善复合材料拉伸(如冲压)的添加剂。聚合物、填充聚合物材料或它们两者可包括一种或多种控制填充聚合物材料从熔融状态冷却到固体状态时(如增加或减少)填充聚合物材料收缩性的添加剂。聚合物可能基本不含或完全不含降低聚合物和金属层(如钢层)之间粘附性的添加剂。
填充聚合物材料可不含增塑剂或其它可能挥发的(如在电阻焊工艺期间)、分子量相对较低的材料。如果采用增塑剂或其它分子量相对较低的材料的话，它们的浓度优选低于填充聚合物材料总重量的大约3wt.％，更优选低于大约0.5wt.％，最优选低于大约0.1wt.％(如，这样填充聚合物材料不会从金属层剥离)。
本发明还可以考虑一个选择材料、工艺条件或它们两者的步骤，这样，在工艺期间，基本上或完全避免了填充聚合物材料从金属层剥离(如由于填充聚合物材料和金属层之间界面蒸气压积聚而导致的剥离)。
聚合物
现在，将更多注意力集中在此处使用的聚合物的具体实例上，填充聚合物材料采用的聚合物优选包括峰值熔融温度(按照ASTMD3418-08测定)或玻璃化转变温度(按照ASTMD3418-08测定)大于大约50℃(优选大于大约80℃，甚至更优选大于大约100℃，甚至更优选大于大约120℃，甚至更优选大于160℃，甚至更优选大于180℃，及最优选大于大约205℃)的热塑性聚合物。所述热塑性聚合物的峰值熔融温度、玻璃化转变温度或它们两者小于大约300℃，小于大约250℃，小于大约150℃，或者甚至小于大约100℃。它们在室温至少部分结晶，或者在室温基本上完全呈玻璃状。合适的聚合物(如合适的热塑性聚合物)可以下述拉伸性能(按照ASTMD638-08在公称应变率0.1s-1时测定)的一种或其任意组合表征：拉伸模量(如杨氏模量)大于大约30MPa(如大于大约750MPa或大于大约950MPa)；工程拉伸强度(即σe)，实际拉伸强度(即σt，其中σt＝(1+εe)σe，其中εe是工程应变)，或它们两者大于大约8MPa(例如，大于大约25MPa，大于大约60MPa，或者甚至大于大约80MPa)；或者断裂塑性伸长或断裂伸长率至少是大约20％(例如，至少是大约50％，至少是大约90％，或者甚至至少是大约300％)。除非特别规定，术语拉伸强度指的是工程拉伸强度。
聚合物可优选具有应变硬化性能(如相对较高的应变硬化模量，相对较低的推断屈服应力，或这两者)，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，2010年2月25日公开)，例如，参见052-063段，它们通过引用结合在本申请中。因此，应变硬化性能可采用HawardR.N.，StrainHardeningofThermoplastics，Macromolecules，1993，26，5860-5869中所述的方法测定，该文章通过引用整体结合在本申请中。
聚合物层使用的热塑性聚合物实例包括聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯或它们两者)、缩醛共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚物、聚酰亚胺(如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯)、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、热塑性聚醚-酯共聚物(如ASTMD6835-08中所述的热塑性弹性体醚-酯材料，此标准通过引用结合到本申请中)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、包括至少60wt.％α-烯烃和至少一种其它单体(如包括至少80wt.％乙烯的乙烯共聚物)、包括任意所述聚合物的共聚物、包括任意所述聚合物的离聚物、所述聚合物的共混物或它们的组合。
热塑性聚合物可包括聚烯烃，如美国临时专利申请61/371,360(2010年8月6日申请)的065段所述，它们通过引用结合在本申请中。聚烯烃可以是均聚物或共聚物。所述聚烯烃可包括一种或多种α-烯烃、基本上或全部由一种或多种α-烯烃组成，如一种或多种具有大约2个碳原子至大约10个碳原子的α-烯烃。
优选的聚烯烃包括聚丙烯均聚物(如等规聚丙烯均聚物)、聚丙烯共聚物(如无规聚丙烯共聚物、耐冲击聚丙烯共聚物或其它含等规聚丙烯的聚丙烯共聚物)、聚乙烯均聚物(如高密度聚乙烯或其它密度大于大约0.94g/cm3的聚乙烯)、聚乙烯共聚物(如优选包括至少大约60％乙烯，更优选包括至少大约80wt.％乙烯)、低密度聚乙烯、以上任意所述聚合物的混合物或它们的组合。聚丙烯均聚物和聚丙烯共聚物可能基本上不含无规聚丙烯。如果含有无规聚丙烯的话，聚丙烯中无规聚丙烯的浓度优选低于大约10wt.％。不受限制的是，可以采用的共聚物包括基本上(如至少98wt.％)或全部由一种或多种α-烯烃组成的共聚物。更优选的聚烯烃包括高密度聚乙烯(如密度大于大约0.945，如密度是大约0.945至大约0.990g/cm3或大约0.945至大约0.960g/cm3)、低密度聚乙烯(如含有浓度足够高的长支链(一般大于大约15个碳原子长)的聚乙烯，以使其密度大约是0.945g/cm3或更低)、线性低密度聚乙烯(如密度大约0.915-大约0.930g/cm3的共聚物)、中密度聚乙烯(如密度大约0.930-大约0.945g/crn3的共聚物)、极低密度聚乙烯(如密度大约0.900-大约0.915g/cm3)、聚乙烯塑性体(如密度大约0.860-大约0.900g/cm3的共聚物)、间规聚丙烯均聚物、间规聚丙烯共聚物(如结晶度大约5wt.％或更高)、抗冲击聚丙烯、包括一个或多个间规聚丙烯嵌段的聚丙烯嵌段共聚物、它们的混合物、或它们的任意组合；甚至更优选的聚烯烃包括低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、极低密度聚乙烯或它们的任意组合。其它可以采用的聚烯烃包括至少一种烯烃和一种或多种非烯烃单体的共聚物。例如，其它可以采用的聚烯烃包括共聚物，所述共聚物包括以下成分、基本上或全部由以下成分组成：i)一种或多种α-烯烃(如至少60wt.％α-烯烃)及ii)一种或多种极性共单体，如选自由丙烯酸酯(如丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯或它们两者)、醋酸乙烯酯、丙烯酸(如丙烯酸、甲基丙烯酸，或它们两者)、甲基丙烯酸甲酯或它们的任意组合所组成的群组的极性共单体。共单体的浓度可能小于共聚物总重量的大约40wt.％，优选小于大约25wt.％，更优选小于大约20wt.％，最优选小于大约15wt.％。可以采用的聚乙烯共聚物实例包括乙烯-共-醋酸乙烯(即“EVA”，例如，含大约小于20wt.％醋酸乙烯)、乙烯-共-丙烯酸甲酯(即EMA)、乙烯-共-甲基丙烯酸或它们的任意组合。共聚物中可以采用的α-烯烃实例包括乙烯、丙烯、丁烯、己烯、辛烯或它们的任意组合。
在本发明中使用的聚酰胺包括沿聚合物链骨架含有一个或多个含酰胺基团的重复单元的聚合物。例如，聚酰胺可以是二胺和二元酸的反应产物。聚酰胺的其它实例包括一元聚酰胺。一般说来，一元聚酰胺是通过开环反应形成的。二胺和二元酸形成的聚酰胺实例包括含己二酸或对苯二甲酸与二胺的反应产物的聚酰胺(如尼龙)。一元聚酰胺包括尼龙6和聚(对-苯甲酰胺)。尼龙可以是均聚物、共聚物或它们的混合物。本发明使用的优选的聚酰胺均聚物包括尼龙3、尼龙4、尼龙5、尼龙6、尼龙6T、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙69、尼龙7、尼龙77、尼龙8、尼龙9、尼龙10、尼龙11、尼龙12、尼龙91，也可以使用包含任意聚酰胺的共聚物。聚酰胺共聚物可以是无规共聚物、嵌段共聚物或它们的组合。聚酰胺共聚物的实例包括具有多个不同酰胺(即聚酰胺-聚酰胺共聚物)的聚合物、聚酯酰胺共聚物、聚醚酯酰胺共聚物、聚碳酸酯酰胺，或它们的任意组合。
聚酰胺-聚酰胺共聚物可包括两个或多个此处所述聚酰胺均聚物中的聚酰胺。优选的聚酰胺-聚酰胺共聚物包括，聚酰胺6和聚酰胺66、聚酰胺610或它们的任意组合。例如，聚酰胺-聚酰胺共聚物可基本上由选自由聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺69、聚酰胺610、聚酰胺612和聚酰胺12所组成的群组的两个或多个聚酰胺。尤其优选的聚酰胺-聚酰胺共聚物基本上由选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺69和聚酰胺610所组成的群组的两个或多个聚酰胺。此类共聚物的实例包括聚酰胺6/66、聚酰胺6/69和聚酰胺6/66/610。尤其优选的聚酰胺-聚酰胺共聚物是聚酰胺6/66共聚物。聚酰胺6/66共聚物中聚酰胺66的浓度是共聚物总重量的大约90wt.％或更低，优选是大约70wt.％或更低，更优选是大约60wt.％或更低，最优选是大约50wt.％或更低。聚酰胺6/66共聚物中聚酰胺6的浓度是共聚物总重量的大约10wt.％或更高，优选是大约30wt.％或更高，更优选是大约40wt.％或更高，最优选是大约50wt.％或更高。另一个尤其优选的聚酰胺-聚酰胺共聚物是聚酰胺6和聚酰胺69的无规或嵌段共聚物。聚酰胺共聚物(即包括一个或多个酰胺单体的共聚物)可包括聚醚，如脂肪醚或芳醚。
聚酰胺共聚物中可以使用的聚醚可通过二元醇，如二醇聚合(如与一个或多个其它单体)形成。可以使用的二醇实例包括丙二醇、乙二醇、四甲撑二醇、丁二醇或它们的任意组合。上述任意共聚物可以是包括相对较软嵌段和相对较硬嵌段的嵌段共聚物。相对较硬嵌段和相对较软嵌段的弹性模量之比大于大约1.1，优选大于大约2，更优选大于大约10。相对较硬嵌段可包括一种或多种芳酰胺、一种或多种半芳酰胺或一种或多种脂肪酰胺或基本上由一种或多种芳酰胺、一种或多种半芳酰胺或一种或多种脂肪酰胺组成。相对较软嵌段可包括聚酯，如上文所述的聚酯(如脂肪族聚酯)、聚碳酸酯(如脂肪族聚碳酸酯)、聚醚(如脂肪族聚醚)或它们的任意组合。酰胺共聚物可包括第一单体(如第一酰胺单体)和第二单体，每种单体的浓度分别大于共聚物总重量的大约5wt.％，优选大于大约20wt.％，更优选大于大约30wt.％和最优选大于大约40wt.％。第一单体、第二单体或这两种单体的浓度分别小于共聚物总重量的大约95wt.％，优选小于大约80wt.％，更优选小于大约70wt.％，最优选小于大约60wt.％。第一单体和第二单体的总浓度大于共聚物总重量的大约50wt.％，优选大于大约75wt.％，更优选大于大约90wt.％，及最优选大于大约95wt.％。
聚酰胺共聚物可以表征为熔融温度相对较低或相弹性模量对较低或兼具这两种特性的热塑性弹性体。例如，与基本上由共聚物其中的一种单体组成的任意均聚物的最高熔融温度相比，共聚物的熔融温度相对较低。例如，与基本上由共聚物其中的一种单体组成的任意均聚物的最高弹性模量相比，共聚物的弹性模量相对较低。优选的聚酰胺共聚物的特征在于：按照ASTMD3418-08测定的熔点低于大约220℃(优选低于大约190℃，更优选低于大约170℃，及最优选低于大约150℃)；按照ASTMD3418-08测定的熔点大于大约60℃(优选大于大约80℃，更优选大于大约100℃，及最优选大于大约110℃)；按照ASTMD638-08测定的弹性模量小于大约2.5GPa(优选小于大约1.2GPa，更优选小于大约800MPa，最优选小于大约500MPa)；按照ASTMD638-08测定的弹性模量大于大约50MPa(优选大于大约100MPa，更优选大于大约200MPa)；按照ASTMD638-08测定的断裂应变大于大约50％(优选大于大约90％，更优选大于大约300％)；或以上特点的组合。
优选离子化合物和包括极性单体和非极性单体的共聚物的离聚物混合物。离聚物的共聚物中可以使用的非极性单体包括α-烯烃，如具有2个至大约20个碳原子(如大约2个至大约8个碳原子)的α-烯烃。可以采用的非极性单体实例包括乙烯、丙烯、1-丁烯、1-己烯和1-辛烯，或它们的任意组合。合适的极性单体包括带可以聚合的离子基团的单体。离聚物的共聚物中可以使用的极性单体的实例包括酸，如具有大约2个至大约20个碳原子的酸(如甲基丙烯酸、乙基丙烯酸)，但是并不受这些实例的限制。离聚物的共聚物中的极性单体的浓度低于离聚物总重量的大约40wt.％，优选低于大约25wt.％，更优选低于大约20wt.％。离聚物中合适的离子化合物中的极性单体包括含有一种或多种碱金属、一种或多种碱土金属或这两种金属的化合物。离子化合物可以包括钠、钾、锂、钙、镁或它们的任意组合，但是，并不受这些实例的限制。尤其优选的离子化合物包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氢氧化镁。举例而言，商业上可以获得的离聚物包括聚(乙烯-共甲基丙烯酸)离聚物和全氟磺酸离聚物。
优选的聚氨酯包括通过聚合一种或多种二异氰酸酯和一种或多种二醇而形成的热塑性聚合物。更优选的聚氨酯包括通过聚合一种或多种二异氰酸酯和二种或多种二醇而形成的热塑性聚合物。聚氨酯可以是热塑性聚氨酯弹性体，如包括含第一二醇的第一聚合物嵌段和包括第二二醇的第二聚合物嵌段的热塑性聚氨酯弹性体，其中第一嵌段是相对较硬的嵌段(如具有相对较高的模量)，第二嵌段是相对较软的嵌段(如，具有比相对较硬嵌段低的模量)。相对较硬嵌段和相对较软嵌段的浓度分别大于共聚物总重量的大约5wt.％，优选大于大约10wt.％，更优选大于大约20wt.％。相对较硬嵌段和相对较软嵌段的浓度分别小于共聚物总重量的大约95wt.％，优选小于大约90wt.％，更优选小于大约20wt.％。相对较硬嵌段和相对较软嵌段的总浓度大于聚合物总重量的大约60wt.％，优选大于大约80wt.％，更优选大于大约95wt.％，及最优选大于大约98wt.％。可以采用的商业上可以获得的热塑性聚氨酯(TPU)包括路博润公司(LubrizolCorporation)的牌TPU、巴斯夫(BASF)的牌TPU及拜耳(Bayer)的牌TPU。
可以选择热塑性聚合物，使其包括相对较长的链，从而使它们：数均分子量大于大约20,000，优选大于大约60,000，最优选大于大约140,000。它们可以是未增塑的、增塑的、弹性体改性的或不含弹性体。半结晶聚合物的结晶度大于大约10wt.％，更优选大于大约20wt.％，更优选大于大约35wt.％，更优选大于大约45wt.％，及最优选大于大约55wt.％。半结晶聚合物的结晶度小于大约90wt.％，优选小于大约85wt.％，更优选小于大约80wt.％，及最优选小于大约68wt.％。热塑性聚合物的结晶度可采用差示扫描量热法，通过测量熔化热，并将其与本领域已知的具体聚合物的熔化热进行对比而测定。
优选选择聚合物，使其熔融指数足够高，以使聚合物可以利用挤出设备进行加工。优选聚合物按照ASTMD1238在190℃/2.16kg条件下测定的熔融流动速率是大约0.05g/10min或更高，是大约0.1g/10min或更高，或者是大约0.3g/10min或更高。聚合物优选熔融指数足够低，以使聚合物具有良好的机械性能。优选聚合物按照ASTMD1238在190℃/2.16kg条件下测定的熔融流动速率是大约150g/10min或更低，是大约80g/10min或更低，是大约50g/10min或更低，是大约20g/10min或更低，或者是大约4g/10min或更低。
优选选择聚合物，使其具有足够高的落锤冲击性(单位：g，按照ASTM1790A采用2密耳(mil)厚的膜测定)，以使聚合物在高速冲击操作期间能够耐开裂。优选聚合物按照ASTMD1790A(2mil)测定的落锤冲击性是大约10g或更高，大约40g或更高，大约100g或更高，大约150g或更高，大约200g或更高，或者是大约250g或更高。
填充聚合物材料的聚合物还可以包含高达大约10wt.％采用极性分子，如马来酸酐接枝的接枝聚合物(如接枝聚烯烃，如等规聚丙烯均聚物或共聚物)。
所述热塑性聚合物可能包括基本上无定形的聚合物(如结晶度小于大约10wt.％，优选小于大约5wt.％及最优选小于大约1wt.％的聚合物，结晶度采用差热扫描量热法在加热速率大约10℃/min条件下测定)。例如，所述热塑性聚合物可包括在大约1Hz速率条件下采用动态机械分析法测定的玻璃化转变温度大于50℃，优选大于120℃，更优选大于大约160℃，甚至更优选大于大约180℃，及最优选大于大约205℃的无定形聚合物。无定形聚合物的实例包括含聚苯乙烯的聚合物、含聚碳酸酯的聚合物、含丙烯腈的聚合物，及它们的组合。
填充聚合物材料中可以使用的含苯乙烯的共聚物的实例如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，于2010年2月25日公开)所述，但是，并不受这些公开内容所限制。
所述聚合物层可以使用具有以下一种或两种性能的弹性体代替任意热塑性聚合物或除所述热塑性聚合物之外，还可以使用具有以下一种或两种性能的弹性体：100％伸长时的拉伸模量相对较低(如低于大约3MPa，优选低于大约2MPa)，断裂拉伸伸长率相对较高(如大于大约110％，优选大于大约150％)，这两种性能均按照ASTMD638-08在公称应变速率大约0.1s-1条件下测定。可以采用的弹性体的实例在国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，于2010年2月25日公开)中进行了说明。
虽然可以采用一些数量的环氧树脂，但是，填充聚合物材料中的聚合物优选基本上不含或完全不含环氧树脂或者其它脆性聚合物(如按照ASTMD638-08在公称应变速率大约0.1s-1条件下测定的断裂伸长率小于大约20％的聚合物)。如果存在环氧树脂或其它脆性聚合物或它们两者的话，则环氧树脂或其它脆性聚合物或它们两者的含量优选低于所述填充聚合物材料的大约20体积％(vol％)，更优选低于大约10vol％，更优选低于大约5vol％，及最优选低于大约2vol％(按体积)。
在本发明尤其优选的一个方面，所述填充聚合物材料包括一种或多种聚酰胺共聚物、一种或多种热塑性聚氨酯、一种或多种热塑性聚醚-酯共聚物、一种或多种聚烯烃或一种或多种离聚物，或它们的任意组合。聚酰胺共聚物可以是上文所述的任一种聚酰胺共聚物。优选的聚酰胺共聚物包括聚酰胺-聚酰胺共聚物、聚酯酰胺共聚物、聚醚酯酰胺共聚物、聚碳酸酯-酯酰胺共聚物或它们的任意组合。任意热塑性聚合物可以是无规共聚物或嵌段共聚物。任意热塑性聚合物可以是热塑性弹性体。举例而言，填充聚合物材料可包括聚酯酰胺热塑性弹性体、聚醚酯酰胺热塑性弹性体、聚碳酸酯-酯酰胺热塑性弹性体、聚醚-酯热塑性弹性体、酰胺嵌段共聚物热塑性弹性体、或它们的任意组合。填充聚合物材料可任选包括一种或多种不是共聚物的聚合物。例如，填充聚合物材料可包括一种或多种聚酰胺均聚物。尤其优选的聚酰胺均聚物包括聚酰胺6和聚酰胺6，6。如果使用的话，一种或多种聚酰胺均聚物的含量优选相对较低(如与一种或多种共聚物的浓度相比)。如果存在的话，一种或多种聚酰胺均聚物的含量是填充聚合物材料中聚合物总重的大约50wt.％或更低，更优选是大约40wt.％或更低，甚至更优选是大约30wt.％或更低，以及最优选是大约25wt.％或更低。
填充聚合物材料中可以使用的热塑性聚合物实例包括热塑性聚酰胺共聚物(如LG化学有限公司的EMS-Grivory公司的 和(如CA6E、CF6S、CR8、CR9、BM13SBG或GRILLQNBM20SBG)、TorayResinCompany的LanxessCorporation的CustomResinsGroup的BASFCorporation的和WellmanEngineeringResins的聚醚酰胺共聚物(如Arkema的)；尼龙均聚物(如Honeywell的TeknorApexCompany的PolyOneCorporation的NYMAXTM及BASFCorporation的)；热塑性聚氨酯(如APISpA的BayerMaterialScienceAG的及BASFPolyurethanesGmbH的)。填充聚合物材料中可以使用的聚烯烃实例包括乙烯共聚物(如ExxonMobilChemical的EXACTTM、DowChemicalCompany的及DowChemicalCompany的ENGAGETM)；聚丙烯和聚丙烯共聚物(BorealisAG的BORMEDTM、FormosaPlasticsCorporation，USA的DowChemicalCompany的VERSIFYTM及ExxonMobilChemical的VISTAMAXXTM)。热塑性聚合物可包括成型级、挤出级、薄膜级、吹塑成型级、滚塑成型级或它们的任意组合，在本发明的一个方面，薄膜级与相邻板材之间具有令人吃惊的良好的粘附性。
在本发明的一个方面，芯层材料所选择的聚合物通常是非极性的，而仍然与形成复合材料的相邻板材具有非常良好的粘附性。
然而，此处所选用的聚合物通常是极性的。包含通常是极性的聚合物的填充聚合物材料在极性聚合物和金属纤维之间具有足够大的吸引力，这样，并不需要官能化聚合物来改善热塑性聚合物与金属纤维之间的粘附性。为此，填充聚合物材料可以基本上不含，或者甚至完全不含带马来酸酐、丙烯酸、丙烯酸酯、乙酸酯或它们的任意组合的聚合物。例如，填充聚合物可包括马来酸酐接枝聚合物或基本上不含或完全不含马来酸酐接枝聚合物。如果采用带马来酸酐、丙烯酸、丙烯酸酯、乙酸酯或它们的任意组合的聚合物的话，则它们在填充聚合物材料中的浓度优选是填充聚合物材料中聚合物总重量的大约20wt.％或更低，更优选是大约10wt.％或更低，甚至更优选是大约5wt.％或更低，甚至更优选是大约1wt.％或更低，甚至更优选是大约0.1wt.％或更低。举例而言，一般说来，极性聚合物包括缩醛均聚物或共聚物、聚酰胺均聚物或共聚物、聚酰亚胺均聚物或共聚物、聚酯均聚物或共聚物、聚碳酸酯均聚物或共聚物或它们的任意组合。包括极性聚合物的填充聚合物材料可基本上不含或完全不含聚烯烃均聚物和一种或多种烯烃含量是大约50wt.％的共聚物。如果采用的话，任意聚烯烃均聚物及包含大约50wt.％一种或多种烯烃的任意共聚物的总浓度大约是所述填充聚合物材料中聚合物总重量的大约30wt.％或更低，优选是大约20wt.％或更低，甚至更优选是大约5wt.％或更低，及最优选是大约1wt.％或更低。
填充聚合物材料可包括2010年8月6日申请的美国临时专利申请81/371360的0056段所述的单一聚合物或两种或多种聚合物的混合物，这些内容通过引用结合在本申请中。例如，所述填充聚合物材料可包括聚烯烃和一种或多种第二聚合物的混合物，如聚烯烃和极性聚合物，如离聚物的混合物。所述材料可包括足够数量的第二聚合物(如离聚物)，以使聚合物粘附到金属层、金属纤维或这两者上。第二聚合物与聚烯烃的重量比是大约1∶99或更高，是大约3∶97或更高，是大约5∶95或更高，是大约10∶90或更高，或是大约20∶80或更高。第二聚合物与聚烯烃的重量比是大约99∶1或更低，是大约90∶10或更低，是大约70∶30或更低，是大约50∶50或更低，或是大约40∶60或更低。
填料
填充聚合物材料(如填充热塑性聚合物层)包含一种或多种填料。所述填料可以是增强填料，如纤维，及更尤其是金属纤维。可以采用的金属填料(如金属纤维)在国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，于2010年2月25日公开)中进行了说明，例如，参见064-081段，这些内容通过引用结合在本申请中，以及美国专利申请No.12/978,974(Mizrahi，于2010年12月27日申请)的52-70段，图2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I、2J、图3和图4所述，这些内容通过引用结合在本申请中。例如，本发明可以使用的金属纤维包括由钢(如低碳钢、不锈钢等)、铝、镁、钛、铜、包含至少40wt.％铅的合金、包含至少40wt.％铁的合金、其它包含至少40wt.％铝的合金、其它包含至少40wt.％钛的合金或它们的任意组合制造的纤维。优选的纤维包括钢、基本上或完全由钢组成。如果采用钢的话，纤维中的钢是普通碳钢(如碳浓度低于大约0.2、0.15或甚至0.08wt.％)，虽然钢中还可以包含一种或多种合金元素(如Ni、Cr或其它定义不锈钢的元素)。纤维可以含牺牲阳极材料或元素，如下文所述。纤维可以包含两种或多种类型纤维的混合物，如两种或多种不同组成的纤维混合物(如其中一种纤维可选自牺牲阳极)、两种或多种不同截面形状、不同尺寸或其它的纤维的混合物。
填充聚合物材料可包含其它非金属导电纤维，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，2010年2月25日公开)中所述。
所述填充聚合物材料可包括一种金属纤维或其它能够降低或消除金属层腐蚀的填料。在一种方法中，所述填充聚合物材料中的一种或多种金属纤维或其它填料具有相对较高的电化学活性(galvanicactivity)。例如，填充聚合物材料中的金属纤维或其它填料的电化学活性比与填充聚合物材料接触或面向填充聚合物材料的(复合材料的)一个或优选两个金属层表面所采用的金属的电化学活性高。因此，填充聚合物材料基本上或甚至完全不含电化学活性低的填料是可取的。举例而言，这种减少复合材料腐蚀的方法可以采用基本上或完全不含碳黑的填充聚合物材料。具有相对较高电化学活性的一种或多种填料的阳极指数优选比金属层的阳极指数高大约0.05V或更高，更优选高大约0.1V或更高，甚至更优选高大约0.20V或更高，及最优选高大约0.25V或更高。具有相对较高电化学活性的一种或多种填料可以是电化学活性比金属层高的本领域已知的任何材料。例如，此类填料可包括一种或多种含锌材料、一种或多种含镁材料、一种或多种含铝材料或它们的组合。一种或多种填料可包括第一填料和电化学活性比第一填料高的第二填料，其中第二填料是牺牲填料。如果填料聚合物材料包括第一填料和牺牲材料，第一填料优选是金属纤维。与金属层的表面积相比、与第一填料的总表面相比或优选与这两者的表面积相比，牺牲填料的总表面积(即所有牺牲填料颗粒的表面积)相对较高。例如，牺牲填料的总表面积与金属层的表面积之比大约是1.5或更高，优选是大约3或更高，更优选是大约10或更高，及最优选是大约50或更高。如果填充聚合物材料包括第一填料和牺牲填料，第一填料具有一电化学活性低于或等于或大于金属层表面电化学活性的表面。如果第一填料具有一电化学活性比金属层表面电化学活性大的表面，第一填料可作为牺牲填料。因此，第二牺牲填料可能不再重要，填充聚合物可以基本上不含或完全不含第二牺牲填料。
优选选择金属纤维，以使复合材料通常具有良好的焊接特性。例如，可以选择金属纤维的含量、金属纤维的尺寸、金属纤维之间的接触数量、金属纤维的形状，金属纤维和金属层之间的接触量或者选择以上的任意组合，以使复合材料具有通常良好的焊接工艺窗口、通常较高的电导率、通常较高的静态接触电阻(SCR)或这几个特点的任意组合。通常良好的焊接工艺窗口，例如，由较高的焊接电流范围、较高的焊接时间范围或这两者表征。复合材料的焊接电流范围和静态接触电阻可能具有各种特点，并可以按照2010年8月27日申请的美国临时专利申请No.61/377,599的111-117段所述和2010年12月27日申请的美国专利申请No.12/978,974的013、016、023、034-039、076-080和121-126段及图5-8所述的方法测定。这两篇专利通过引用结合在本申请中。
本发明选择使用的纤维或任何其它填料是这样的：当其与本发明的聚合物组分，以及定义复合材料的任何相关材料一起使用时，复合材料与厚度和复合材料相同的整块钢板焊接时的焊接电流范围lc优选大于厚度与复合材料相同的两块整体钢板焊接时的焊接电流范围Irn。例如，选择和采用材料，使lc和lm之比优选是大约1.1或更高，更优选是大约1.2或更高，甚至更优选是大约1.3或更高，甚至更优选是大约1.4或更高，及最优选是大约1.5或更高。复合材料的焊接电流范围lc可能是大约1.5kA或更高，是大约1.7kA或更高，是大约1.9kA或更高，是大约2.1kA、大约2.3kA或更高，或者是大约2.5kA或更高。复合材料的静态接触电阻是大约0.0020Ω或更低，大约0.0017Ω或更低，大约0.0015Ω或更低、大约0.0012Ω或更低，或者是大约0.0008Ω或更低。可以选择和使用材料，使复合材料的静态接触电阻和钢(如冷轧钢、镀锌钢、合金化镀锌钢或它们的任意组合)的静态接触电阻之比是大约1或更高，是大约1.2或更高，是大约1.5或更高，是大约2或更高，是大约3或更高，是大约4或更高，是大约5或更高，及是大约10或更高。应该了解的是，如果复合材料的静态接触电阻太高的话，则电流很难通过复合材料，从而不容易焊接。因此，这样选择和采用材料，使复合材料的静态接触电阻和钢(如冷轧钢、镀锌钢、合金化镀锌钢或它们的任意组合)的静态接触电阻之比优选是大约1000或更低，更优选是大约300或更低，甚至更优选是大约100或更低，甚至更优选是大约75或更低，及最优选是大约40或更低。
金属纤维的尺寸和尺寸分布优选如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，于2010年2月25日公开)中所述。金属纤维的重量平均长度Lavg大于大约1mm，更优选大于大约2mm，及最优选大于大约4mm。合适的纤维的Lavg小于大约200mm，优选小于大约55mm，更优选小于大约30mm及最优选小于大约25mm。纤维的重量平均直径可大于大约0.1微米，更优选大于大约1.0微米，更优选大于大约4微米。纤维的重量平均直径可小于大约300微米，优选小于大约50微米，甚至更优选低于大约40微米，及最优选低于大约30微米。
金属纤维可具有任何形状。金属纤维可包括一曲线部分。通常可采用线性金属纤维。更优选的金属纤维不是直纤维，例如，不是直的金属纤维，可能具有一处或多处弯曲，可能具有通常弧形的轮廓，可能具有通常螺旋形，或者这些形状的任意组合。金属纤维一开始是直的，优选与其它聚合物结合时变为非直线的纤维(如上所述)。
金属纤维可具有2010年8月6日申请的美国临时专利申请61/371,360的099-102,157段和图5所述的一种或多种特点。该专利通过引用结合在本申请中。例如，金属纤维的横截面(即与纤维长度垂直的方向)可具有一个或多个直边。为此，复合材料中金属纤维部分有一个与金属层、与另一根纤维或与这两者接触的平面。金属纤维的横截面通常是有四个边或更多个边的多边形，如横截面通常是矩形、通常是平行四边形、或通常是正方形。因此，此类纤维的结构通常是伸长的扁平条带形。条带的长度(如平均长度)和宽度(如加权平均宽度)之比是大约2或更高，大约4或更高，大约8或更高，或者是大约15或更高。条带的长度(如平均长度)与宽度(如加权平均宽度)之比是大约5000或更低，是大约1000或更低，是大约400或更低，是大约100或更低，或者是大约30或更低。纤维的宽度(如加权平均宽度)和厚度(如加权平均厚度)之比是1或更高，是大约1.4或更高，大约2或更高，大约3或更高，大约5或更高，或者是大约7或更高。纤维的宽度和厚度之比是大约300或更低，大约100或更低，大约50或更低或大约15或更低。此种纤维可通过一个或多个纤维形成步骤制备，如将金属箔(如厚度与纤维厚度大致相同)切成窄条(如两次切割之间的距离定义纤维的宽度)的一个步骤。
与纤维长度方向垂直的金属纤维的横截面可以是任何几何形状。例如，横截面可以是多边形(如矩形或正方形)或通常带直边的其它形状，或横截面可包括至少一个通常为弧形的边(例如，金属纤维的横截面整个是弧形的，如基本上是圆形或基本上是椭圆形的横截面)。与纵轴垂直的平面中的金属纤维的横截面积是大约1×10-6mm2或更高，更优选是大约1×10-5mm2或更高，甚至更优选是大约8×10-5mm2或更高，更优选是大约1×10-4mm2或更高，及最优选是大约4×10-4mm2或更高。与纵轴垂直的平面中的金属纤维的横截面积优选是大约2.5×10-2mm2或更低，更优选是大约1×10-2mm2或更低，甚至更优选是大约2.5×10-3mm2或更低，及最优选是大约1×10-3mm2或更低。例如，令人吃惊的是，与横截面积相对更低的材料相比，采用与纵轴垂直的平面中的金属纤维的横截面积大于大约8×10-5mm2的钢纤维的复合材料，其焊接工艺窗口得到改进。此类包含横截面积大于大约8×10-5mm2的纤维的复合材料的拉伸性和成形性比更薄的纤维的材料高。
金属纤维在整个纤维长度方向的厚度基本上是恒定的、在整个宽度方向的厚度基本上是恒定的或在这两个方向的厚度基本上都是恒定的。纤维的平坦表面是光滑的(即通常没有纹理)或是有纹理的。例如，带状纤维的两个主要表面都是光滑的，两个主要表面都是有纹理的，或者一个主要表面是有纹理的，一个主要表面是光滑的。
任选与一种或多种其它纤维一起使用的尤其优选的金属纤维是其与长度垂直的方向的横截面通常是矩形(如定义了一个通常扁平条带形状)的钢纤维(如碳钢纤维)。金属纤维的加权平均厚度是大约10至大约70微米，加权平均宽度是大约40或大约200微米，加权平均长度是大约0.8mm至大约5mm，或者是它们的组合。
当在两个金属层之间采用聚合物层时，金属纤维优选以纤维束的形式存在。金属纤维束优选包括大量纤维(如20或更多，100或更多，1000或更多，或10000或更多)。金属纤维束可以是互相连接的。金属纤维束可以是缠结的。纤维束可以形成机械联锁(即两根或多根纤维是机械联锁的)。金属纤维束优选贯穿聚合物层的厚度，这样，纤维束(如金属纤维网络)与两个金属层电连接。虽然单根金属纤维可以贯穿聚合物层的厚度，优选没有金属纤维贯穿聚合物层的厚度。如果金属纤维贯穿聚合物层的厚度，则贯穿聚合物层厚度的纤维的含量优选是大约0.4或更低，更优选是大约0.20或更低，甚至更优选是大约0.10或更低，甚至更优选是大约0.04或更低，及最优选是大约0.01或更低。纤维束中的纤维优选以无序的方式排列。例如，通常对齐排列的相邻金属纤维的最高数量低于大约100，优选低于大约50，更优选低于大约20，甚至更优选低于大约10，以及最优选低于大约5。更优选的是，纤维束通常随意排列。与其中一个金属层接触表面接触的单根金属纤维优选不存在平面接触(如在纤维长度方向)。为此，复合材料的特征是基本上不含，或者甚至是完全不含金属纤维和金属层之间的平面接触。与金属表面接触的纤维优选为线接触、点接触或它们二者的组合。某些金属纤维可接触其中一个金属层，然而，优选的是，即使存在其大部分长度接触金属层的任意金属纤维的话，也只有很少的金属纤维是这样。因此，大部分金属纤维不接触金属层或至少很大一部分不接触金属层。
沿至少一半纤维长度接触金属层的金属纤维的部分优选是大约0.3或更低，更优选是大约0.2或更低，甚至更优选是大约0.1或更低，甚至更优选是大约0.04或更低，及最优选是大约0.01或更低。
金属纤维优选足够薄，并且含量足够高，以使许多纤维排列在各层表面之间。例如，与聚合物层厚度方向平行的线交叉且穿过聚合物层的纤维的数量优选是大约3或更高，更优选是大约5或更高，更优选是大约10或更高，及最优选是大约20或更高。人们认为，大量金属纤维更有利地使材料均匀地变形，如在冲压工艺期间，但并不受这一理论限制。
金属纤维的含量优选大约大于填充聚合物材料总体积的1vol％，更优选大约大于3vol％，甚至更优选大约大于5vol％，甚至更优选大约大于7vol％，甚至更优选大约大于10vol％，及最优选大约大于12vol％。填充聚合物材料中金属纤维的含量大约小于60vol％，优选大约小于50vol％，更优选大约小于35vol％，更优选大约小于33vol％，最优选大约小于30vol％(如大约小于25vol％或甚至大约小于20、10或5vol％)。例如，纤维含量是填充聚合物材料总体积的大约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％(体积)，或位于这些值的范围之内(如从大约1％至大约6％)。令人吃惊的是，本发明复合材料中金属纤维的含量可以比实现类以焊接特性所需的颗粒填料的用量低得多。此外，还可以选择纤维和材料，从而以含量相对较低的金属纤维令人吃惊地实现比金属纤维含量更高的相同的复合材料更好的焊接性能。例如，可以令人吃惊地看到，与采用金属纤维含量更高的填充聚合物材料制造的复合材料相比，采用金属纤维含量大约10vol％的填充聚合物材料得到的复合材料具有卓越的焊接特性。
热塑性聚合物材料在填充聚合物材料中的含量大于大约40vol％，优选大于大约65vol％，更优选大于大约67vol％，更优选大于大约70vol％，及最优选大于大约75vol％(如至少是大约80vol％，至少是大约90vol％，或者甚至至少是大约95vol％)。
聚合物(如热塑性聚合物)与纤维(如金属纤维)的体积比优选大于大约2.2∶1，更优选大于大约2.5∶1，及最优选大于大约3∶1。聚合物(如热塑性聚合物)与纤维(如金属纤维)的体积比优选低于大约99∶1，更优选低于大约33∶1，甚至更优选低于大于19∶1，及最优选低于9∶1(如低于大约7∶1)。
本发明夹芯复合材料中的任意芯层材料可以包含孔隙，或者可以基本上不含孔隙。填充聚合物材料中孔隙的含量优选小于填充聚合物材料总体积的大约25vol％，更优选小于大约10vol％，更优选小于大约5vol％，更优选小于大约2vol％(如小于大约1vol％)。
纤维(如导电纤维，如金属纤维)的含量优选大于填充聚合物材料中填料总体积的大约40vol％，更优选大于大约70vol％，最优选大于大约80vol％(如大于大约90vol％或甚至大于大约95vol％)。
聚合物(如热塑性聚合物)和金属纤维的总体积优选至少是填充聚合物材料总体积的大约90vol％，更优选至少是大约95vol％，及最优选是至少大约98vol％。
金属纤维提供适用于焊接的一种电导率或任意电导率组合，适用于增强的增强组合，或利用纤维使聚合物结构应变硬化，因为纤维作为金属，能够伸长且赋予聚合物芯层更好的应变硬化性能。因此，按照ASTMA370-03a测定的金属纤维的拉伸伸长率(断裂时)优选大于大约5％，更优选大于大约30％，及最优选大于大约60％。
本发明的材料可以与纤维、金属颗粒一起使用。金属颗粒可以是球形、细长形或除纤维形状之外的任何形状。可以采用的金属颗粒包括国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，于2010年2月25日公开)所述的金属颗粒。
纤维(如金属纤维)或纤维和金属颗粒的组合优选以低于总聚合物层体积的大约30％(更优选低于大约25％，及最优选低于大约20％)的含量分散在聚合物基质中。如果采用金属颗粒，填充聚合物材料层中纤维(如金属纤维)体积和金属颗粒的体积之比大于大约1∶30，优选大于大约1∶1，最优选大于大约2∶1。
在本发明的一个方面，金属颗粒、金属纤维或它们两者可通过研磨碎屑与/或废料的步骤得到，例如，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi，于2010年2月25日公开)所述。例如，参见124段，以上专利通过引用结合在本申请中。
金属层
如上文所述，可以设想本发明的复合材料采用一种夹芯结构，其中聚合物芯层夹在间隔开的层的相对面之间。例如，本发明的结构包括两块板(如金属板)，金属纤维增强的聚合物芯层材料夹在两块板之间且优选与板接触。夹芯结构的金属层(如第一金属层和第二金属层)可采用合适的材料(如金属)以箔或板的形式制造或为整层厚度相同或不同(如平均厚度)的其它层。每个金属层的厚度通常恒定或有所变化。每面的面金属可采用具有相同特性或不同特性的材料制造和采用相同或不同的金属制造。甚至金属面采用厚度不同的金属板、性能不同的材料或不同的金属材料制造。所述复合材料有一个标志或其它识别和区分不同金属面的措施。相对每层来说，各层的组分、尺寸(如厚度、宽度、体积或其它)、形状或其它特点可以相同或不同。
可以采用的金属层的实例在国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中进行了描述，例如，参见082-091段，该专利通过引用结合在本申请中。优选的金属层包括一种或多种钢，或基本上或完全由一种或多种钢组成。
尤其优选的钢金属层可以采用包括一个或多种热轧步骤、一个或多个冷轧步骤、一个或多个退火步骤、一个或多个清洗步骤、一个或多个回火步骤(如单辊、双辊或其它)或以上步骤的任意组合制备。尤其优选的钢金属层可以具有一个或两个光亮的表面(如具有光滑的表面处理或有光泽的表面处理)、石化处理(如具有磨石图案)、哑光(如缎面处理或喷砂处理)或它们的任意组合。钢可以是裸钢或其它涂层钢、镀层钢或处理钢，如本领域人们熟悉的钢或本发明中所述的钢。钢金属可包括镀锡黑钢板，或者基本上或完全由镀锡黑钢板组成，但是，并不受这些限制。
金属层可具有一个或多个镀层或涂层表面(如带薄膜)，或者进行一种或多种其它表面处理(如清洗、蚀刻、糙化或化学改性表面的处理)。金属面可具有改善填充聚合物材料与金属层之间的粘附性的一种或多种涂料、镀层或表面处理。金属层的一个或多个表面进行了电镀、涂布或处理，以提供耐腐蚀性能、改善油漆、底漆的粘附性，改善刚性，或它们的组合。涂层或镀层的实例包括镀锌、电镀锌、镀铬、镀镍、防腐处理、电泳涂料(e-coat)、涂锌、Granocoat、Bonazinc等。应该了解的是，复合材料上可以采用一种或多种涂料、镀层或表面处理(如在表面材料制备后)。因此，面对填充聚合物层的金属层的表面可以不含涂料、镀层或表面处理，金属层的暴露表面可以含涂料、镀层或表面处理。一个或两个金属表面可以不含涂料、镀层或表面处理(例如，可以对填充聚合物材料进行处理或选择，使其与金属层具有良好的粘附性，而不需要涂料、镀层或表面处理)。
一个或两个金属面优选相对较厚，从而当制备与/或处理复合材料时，金属面不会起皱、撕裂或形成其它缺陷。一个或两个金属面的厚度优选至少是大约0.05mm，更优选至少是大约0.10mm，甚至更优选是至少大约0.15mm，及最优选至少是大约0.18mm。金属板的厚度低于大约3mm，优选低于大约1.5mm，更优选低于大约1mm，及最优选低于大约0.5mm。例如，复合材料可在要求至少A级或B级表面的汽车面板中使用，优选至少在A级表面中使用(如在冲压步骤、焊接步骤、电泳涂装步骤、油漆步骤或它们的任意组合之后)。此类复合材料可具有为A级表面的第一表面及非A级表面的第二表面。第一金属面的表面可以是A级表面且厚度相对较高，第二金属面的表面任选是非A级表面，且厚度相对较低(如厚度比第一金属面低至少大约20％或者甚至低至少大约40％)。一般说来，第一金属层的厚度(如平均厚度)与第二金属层的厚度之比是大约0.2至大约5，优选是大约0.5至大约2.0，更优选是大约0.75至大约1.33，及最优选是大约0.91至大约1.1。
令人吃惊的是，填充聚合物层可提供以复合材料的弯曲模量表示的足够刚性，从而可以降低厚度，例如，通过采用：重量轻复合材料的一个或多个金属层用高强度钢，如2010年8月27日申请的美国临时专利申请No.61/377,599的120段和121段所述，该专利通过引用结合在本申请中。第一金属层、第二金属层或这两个金属层可包括足够数量的高强度钢，以使复合材料按照ASTMD790测定的弯曲模量至少是大约200GPa，其中填充聚合物层的浓度足够高，以使复合材料的密度是大约0.8dm或更低，其中dm是第一金属层和第二金属层的加权平均密度。令人吃惊的是，此种复合材料具有以下一个或两个特点：屈服强度高，大约是100MPa或更高，大约是120MPa或更高，大约是140MPa或更高，大约是170MPa或更高，大约是200MPa或更高，或者大约是240MPa或更高；或者拉伸强度高，大约是160MPa或更高，大约是200MPa或更高，大约是220MPa或更高，大约是250MPa或更高，大约是270MPa或更高，大约是290MPa或更高，或者大约是310MPa或更高。
复合材料
复合材料可以是多层板的形式，如包括材料板的夹芯结构，如金属，夹住填充聚合物材料芯层。板的总的平均厚度小于大约30mm，优选小于大约10mm，更优选小于大约4mm，及最优选小于大约2mm，及优选大于大约0.1mm，更优选大于大约0.3mm，及最优选大于大约0.7mm。复合材料具有通常均匀的厚度或复合材料的厚度可以变化(如在一个或多个方向随机变化或周期性变化)。例如，厚度的变化是这样的：即厚度的标准偏差小于平均厚度的大约10％。厚度的标准偏差优选小于平均厚度的大约5％，更优选小于平均厚度的大约2％，及最优选小于平均厚度的大约1％。
填充聚合物层的厚度大于复合材料总厚度的大约10％、20％、30％、40％或更高。填充聚合物层的体积大于复合材料总体积的大约10％、20％、30％、40％或更高。复合材料体积的50％以上优选是填充聚合物材料。填充聚合物材料的含量更优选大于复合材料总体积的大约60vol％，更优选大于复合材料总体积的大约70vol％。填充聚合物材料的含量通常小于复合材料总体积的92vol％；不过，也可以使用更高的含量，尤其是在相对较厚的复合材料中(如厚度大于大约1.5mm)。
本发明夹芯复合材料结构外层的总厚度(如金属层)小于复合材料总厚度的大约70％。金属层的总厚度优选小于复合材料总厚度的大约50％，更优选小于大约40％及最优选小于大约30％。外层的总厚度(如金属层)大于复合材料总厚度的大约5％，优选大于大约10％，及最优选大于大约20％。
聚合物芯层优选与面向芯层的相邻层(如一个或多个金属层)表面的至少一部分直接接触或不直接接触(如通过底漆层与/或粘合剂层)。接触面积优选至少是面向聚合物芯层的相邻层表面总面积的大约30％，更优选是至少大约50％，最优选是至少大约70％。如果采用底漆层或粘合剂层，其厚度优选足够低，以使其不影响复合材料的电气特性。如果采用底漆层与/或粘合剂层的话，底漆层与/或粘合剂层的厚度与聚合物芯层的厚度之比优选是大约0.30或更低，更优选是大约0.20或更低，甚至更优选是大约0.10或更低，甚至更优选是大约0.05或更低，最优选是大约0.02或更低。两个相邻的金属层优选基本上不彼此接触，如果第一金属层的表面接触第二金属层，接触面积与第一金属层表面面积之比优选是大约0.3或更低，更优选是大约0.1或更低，甚至更优选是大约0.05或更低，甚至更优选是大约0.02或更低，最优选是大约0.01或更低。
复合材料可包括多个聚合物芯层。例如，复合材料可包括一个或多个包括粘合剂的芯层，以使其粘附到金属层、不同的芯层或粘附到这两者上。
复合材料可具有相对较高的刚度-密度比，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述，例如，参见042、090、118和143-143段，该专利通过引用结合在本申请中。
令人吃惊的是，本发明的填充聚合物材料、芯层或复合材料，具有良好的隔音特性、较高的吸音性、较低的声音传播性、并且可减少声音的产生量、减振或以上特性的组合。例如，虽然具有足够含量的金属纤维，这样，复合材料可以采用电阻焊进行焊接，但是，复合材料具有较低的声音传播特性。复合材料具有国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中111段所述的声音传播特性，该专利通过引用结合在本申请中。本发明所述复合材料包括一个减少声音传播、声音产生、减振或兼具这些性能组合的芯层。通过复合材料的声音传播峰值(如根据SAEJ1400测定)、振动传输峰值或这两者优选小于同样尺寸的整块材料的峰值，更优选低至少10％，甚至更优选低至少50％，及最优选低至少90％。
制备填充聚合物层和复合材料的工艺
制备填充聚合物材料和复合材料的工艺可以采用国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述的工艺，例如，参见092-107段，该专利通过引用结合在本申请中。
复合材料可以采用将填充聚合物材料(如芯层)粘结到至少一个相邻层(如金属层)，且优选夹在两层(如两个金属层)之间并粘结到一层或两层上的工艺制备。所述工艺包括加热、冷却、变形(如成型，如冲压)或粘结的一个或任意步骤组合，以实现最终想要的物件。可以想到的是，至少一层，或者甚至所有相邻层(如金属层)可以为轧制板、锻造、铸造、成型结构、挤出层、烧结层或它们的任意组合的形式。
板可以加热到大于大约90℃(如大于大约130℃或大于大约180℃)。板优选加热到大于Tmin的温度，其中Tmin是填充聚合物材料的热塑性聚合物的最高玻璃化转变温度(Tg)和熔融温度(Tm)。金属板、填充聚合物材料或它们两者可以加热到一最高温度，超过这一温度，聚合物(如热塑性聚合物)将经历明显降解。热塑性聚合物可以优选加热到大约350℃以下，更优选加热到大约300℃以下。加热的聚合物可与金属纤维、与任何其它填料混合。加热的聚合物(如热塑性聚合物)可挤出为板层。板层可以在金属面之间直接挤出，或者后面在工艺或独立步骤中放在金属面之间。所述工艺包括一个或多个干燥聚合物的步骤，以使聚合物中水的含量低于预定最高水分含量。干燥聚合物的步骤可在聚合物加热之前、期间或之后进行。所述工艺可包括一个或多个将聚合物芯层或复合材料储存在低湿度环境中的步骤，以使聚合物中水的含量保持在预定最高水分含量之下。
聚合物芯层可以是均匀的层或可以包括多个子层。例如，填充聚合物材料可包含一个如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述的粘合剂层。
制备复合材料的工艺还可包括一个或多个加热一个或多个金属层、对各层施加压力、压延聚合物(如热塑性聚合物或与金属纤维和任选填料共混的热塑性聚合物)、复合材料板退火(如在温度大于材料中任意热塑性聚合物的熔融温度的条件下)的步骤。
制备填充聚合物材料(如本发明夹芯复合材料的芯层)的工艺可包括一个将纤维与至少部分聚合物(如热塑性聚合物)接触的步骤、将纤维与至少部分聚合物混合的步骤或包括这两个步骤。形成聚合物层的工艺可以是连续工艺或间歇工艺。优选采用连续工艺。混合或接触步骤可包括将聚合物加热到最高温度大于大约90℃，大于大约140℃，大于大约170℃，或者大于大约190℃。混合或接触步骤可包括将聚合物加热到最高温度小于大约350℃，小于大约300℃，小于大约280℃，小于大约270℃，或者小于大约250℃。
在填充聚合物材料的至少某些聚合物温度大于大约80℃，优选大于大约120℃，更优选大于大约180℃，甚至更优选大于大约210℃及最优选大于大约230℃时，所述工艺可采用一个或多个施加压力的步骤。施压步骤可以采用的最高压力大于大约0.01MPa，优选大于大约0.1MPa，更优选大于大约0.5MPa，甚至更优选大于大约1MPa，及最优选大于大约2MPa。施压步骤的最高压力小于大约200MPa，优选小于大约100MPa，更优选小于大约40MPa，及最优选小于大约25MPa。所述工艺还包括一个冷却复合材料的步骤(如冷却到Tmin以下，优选低于填充聚合物材料中聚合物的熔融温度，更优选低于50℃)。
所述复合材料可以是层压材料或包括层压材料，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述。
防止水(液体、气体或固体)接触聚合物材料，以使聚合物材料中水的含量较低，从而使聚合物材料中的填料不腐蚀，这是可取的。因此，制备复合材料的工艺可包括一个或多个基本上防止复合材料边缘接触液体或气体的步骤。例如，在聚合物层(芯层)的一个或多个(或优选所有)边提供涂料或保护层。复合材料的一个或多个(或优选所有)边可以密封，或以上方法的任意组合。如果使用的话，聚合物层边上的涂料或保护层优选采用一种或多种渗水性比填充聚合物材料中的聚合物的渗水性相对更低的材料。可以使用渗水性相对较低的任何材料。渗水性低的材料可包括一层聚乙烯-乙烯醇或其共聚物、一层聚烯烃均聚物或一层基本上由一种或多种烯烃组成的共聚物或它们的组合，但是，渗水性低的材料并不限于以上这些。涂料或保护层可以永久施于聚合物层、金属层或它们两者上。或者，可以临时使用涂料或保护层。例如，可在一个或多个成型步骤之前、一个或多个焊接步骤之前、一个或多个电泳涂漆步骤之前或在一个或多个油漆步骤之前，清除涂料或保护层。复合材料的任意边可采用本领域熟知的在金属层之间形成一个或多个密封空间的任何手段进行密封。例如，金属层可在接近边缘处焊接在一起。金属层可以沿复合材料整个周边焊接到一起。
在聚合物层或复合材料的部件组装期间或之后，可以采用一个或多个监测部件质量的步骤。监测的目的是确保两层或多层之间粘结的完整性、确保纤维适当分散、检测表面异常(如裂纹、瑕疵、折痕、粗糙度等)、检测孔隙、测定复合材料一层或任意层组合的厚度分布(如平均厚度、厚度、厚度变化、最小厚度、最大厚度、或所有这些参数的任意组合)，或以上这些项目的任意组合。
一种方法包括一个采用一个或多个探头监测部件的步骤(如聚合物材料或复合材料)。监测可以是光学法(如检测表面缺陷、测定厚度或厚度分布、如采用红外法测定温度，或它们的任意组合)，可以通过测量部件对一个或多个外部刺激的响应而进行监测。例如，可以根据对一个或多个施加的电刺激，测定电导率、电阻、阻抗或其它一些电特性。例如，可采用探头测定部件一处或多处的电特性(相继地与/或基本上同时地响应电刺激)。可以采用类似的方式监测磁特性。刺激可以是磁场，响应可以是机械响应、电响应、磁响应或它们的任意组合。监测可以采用声音法进行(如采用探头或其它声波来源，如超声波)。声学法测定可以用于检测孔隙、裂纹、组成分布等。
优选的监测组件包括电源、一个或多个基本上涵盖评估质量的部件或将部件转换获得测量结果的探头(如在共同载体上的多个探头(可能甚至是一组探头))，及至少一个接收探头信号的处理器。处理器可执行操作，如将信号与测量部件的预测值范围进行比较，当测量值超出预测范围或者落在某一预定范围时发出信号。图1B示出了这种系统的一个实例。
组装了本发明的一个层压工件12(如金属层14、14′，中间夹一个包含金属纤维的聚合物层16)。在各层连接好后，施加刺激(如采用电源102施加电刺激)到一个或多个金属层14、14′、聚合物层16或它们的任意组合上。采用一根或多根线110或其它电通信手段，将电刺激传输到一个或多个金属层。
一个或多个探头104可由载体106携带，并将测定工件对刺激的响应。探头可以位于工件的一侧或两侧。测量的响应可信号传输到处理器108，处理器也受控，或与刺激源(如电源102)进行其它信号通信。
应该了解的是，本发明所述的监测工艺也可用于监测聚合物材料(如聚合物材料的颗粒、板或其它样品)。
成型工艺
本发明的复合材料可经历适当的成型工艺，如一种使材料塑性变形的工艺，可能包括一个冲压、辊轧成型、弯曲、锻造、冲孔、拉伸、卷绕、某些其它金属加工，或它们的任意组合的步骤。优选的成型工艺是一种包括一个冲压复合材料的步骤的工艺。冲压工艺可在室温或接近室温条件下进行。例如，冲压期间复合材料的温度低于大约65℃，优选低于大约45℃，及更优选低于大约38℃。成型工艺涉及拉伸复合材料区域至不同的拉伸比。在本发明的一个方面，复合材料经历一个拉伸步骤，拉伸到相对较高的拉伸比，而不出现断裂、起皱或弯折。例如，它经历一个拉伸步骤，至少部分复合材料拉伸到拉伸比大于1.2。符合要求的是，复合材料能够拉伸，且被拉伸到最大拉伸比大于大约1.5，优选大于大约1.7，更优选大于大约2.1，及最优选大于大约2.5。采用Weiss等(M.Weiss，M.E.Dingle，B.F.Rolfe，andP.D.Hodgson，″TheInfluenceofTemperatureontheFormingBehaviorofMetal/PolymerLaminatesinSheetMetalForming″，JournalofEngineeringMaterialsandTechnology，October2007，Volume129，Issue4，pp.534-535)描述的圆杯拉伸试验，可以确定拉伸比的开裂限值。该文献通过引用结合在本申请中。成型工艺包括一个对与复合材料接触的模具(如模具按照Mohrs硬度计测定的硬度大于金属纤维的硬度)施压的步骤。
可以采用的合适的成型工艺包括国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述的那些成型工艺，例如，参见105-107段，该专利通过引用结合在本申请中。
在形成复合材料后，所述工艺可包括一个或多个保护复合材料边缘的步骤，以减少水分渗到填充聚合物材料内。可以采用前述保护复合材料边缘的任何步骤。
复合材料的特点
聚合物层、复合材料或这两者，可具有较低的回弹角、相对较低的电阻、良好的焊接性(如利用电阻焊)、相对较低的热导率、相对较低的声音传播性或它们的任意组合，如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述。
填充热塑性材料、复合材料或这两者优选是可以焊接的(如可以采用电阻焊技术，如点焊、缝焊、闪光焊、凸焊或电阻对接焊)和具有相对较低的电阻。因此，本发明还设想一个或多个焊接本发明所述复合材料的步骤。复合材料在贯穿方向的电阻可采用金属层和芯层的电阻之和描述。一般说来，金属层的电阻远小于芯层的电阻，因此，复合材料的电阻可利用芯层的电阻进行估计。电阻(如与板的平面垂直的贯穿厚度方向测定的电阻)可以采用交流(AC)调制测定和根据电压降V和电流I确定：
电阻＝(V/I)/(A/t)
其中A是板的面积，t是板的厚度。复合材料、芯层或它们两者(在贯穿厚度方向)的电阻，可以相对较低(如复合材料、芯层(如填充热塑性材料)或它们两者的特征在于其电阻率小于大约100,000Ω·cm，优选小于大约10,000Ω·cm，更优选小于大约3,000Ω·cm，及最优选小于大约1,000Ω·cm。
复合材料可以采用人们熟悉的焊接金属领域的任何普通焊接工艺进行焊接。焊接工艺包括国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)、美国专利申请61/290,384(Mizrahi申请，于2009年12月28日公开)及美国专利申请12/978,974(Mizrahi申请，于2010年12月27日公开)中的22-122段中所述的一个或多个步骤、设备或工艺。
优选的复合材料具有相对较好的防腐性能。复合材料优选其特点在于，面向包括聚合物和金属填料的芯层金属层的表面腐蚀率，比面向复合材料相同但芯层中的金属填料被芯层的聚合物代替的芯层金属层的表面腐蚀率低(更优选至少低50％)。例如，复合材料面向包括牺牲填料的芯层金属层的表面腐蚀率，比面向复合材料相同但芯层中的金属填料被芯层的聚合物代替的芯层金属层的表面腐蚀率低。水中腐蚀率可通过将预定尺寸的复合材料样品放进处于预定腐蚀试验温度的水槽中，放置预定腐蚀试验时间，并测量表面的腐蚀量。盐水中腐蚀率可通过将预定尺寸的复合材料样品放进处于预定盐水含量、预定腐蚀试验温度的盐水槽中，放置预定腐蚀试验时间，并测量表面的腐蚀量。腐蚀试验温度可以是大约40℃，腐蚀试验时间是大约188小时，但是并不受这些限制。
焊接的微观结构
本发明的各种复合材料的焊缝在复合材料上呈现如国际专利申请公开WO2010/021899(Mizrahi申请，于2010年2月25日公开)中所述的微观结构的变化，例如，参见112-117段，该专利通过引用结合在本申请中。
本发明的复合材料可在要求此处所述的一种性能或任意性能组合的任意数量的应用中使用，这些性能包括但不限于相对较低的密度、相对较低的热导率、相对较高的刚性密度比或相对较低的声音传播性。可以采用本发明复合材料的应用实例包括汽车和其它运输相关应用、建筑施工相关应用及电器相关应用。复合材料可在各种应用中使用，如汽车面板、卡车面板、公共汽车面板、容器(如用于运输的容器)、火车车厢面板、喷气式飞机上的面板；管道(如自行车管道)、摩托车面板(如整流罩或减阻装置)、拖车面板；门内部(如车门内部)、顶盖、发动机罩内部、汽车底板、汽车后窗台板、汽车后车厢面板、汽车后座窗格、汽车行李箱内部、旅行车面板、摩托雪车面板、汽车保险杠面板、扰流器、轮舱衬里、空气动力学地面效应、空气阻尼、容器、底座衬里、分配器壁、电器外壳、汽车燃油注油口、汽车保险杠、装饰性插件、导管、扶手、储物箱门、电子设备(如手机、计算机、照相机、平板电脑、音乐或视频存储设备或音乐或视频播放器)外壳、控制台、进气部件、电池外壳、格栅、轮舱、或座板。复合材料可用作建筑设施材料，如室外装修元件、防雨板、引水槽、屋顶板、墙壁、地面、台面、柜面、窗框、门框、面板、排气孔、导管、铺板、框架研究、搁板、卫生器具、水槽、淋浴盆、浴缸及围墙。应用实例有车身面板(如车身外皮，如汽车外皮)。可以采用本发明所述复合材料的汽车面板包括前围侧板、后围侧板、门板、发动机罩面板、顶盖或其它。汽车面板可具有A类、B类或C类表面，优选具有A类或B类表面，更优选具有A类表面。本发明的复合材料还包括一个或多个装饰性外表面或镶面板，如金属镶面板、木制镶面板或聚合物镶面板或其它镶面板。外表面作为相对层，可具有不同的纹理、颜色或其它外观。例如，铁外层可以着色，使其其模拟铜的颜色、青铜色、黄铜色、金色或其它颜色。
本发明的复合材料可在包括涂覆复合材料步骤的工艺中使用，如电泳工艺、油漆工艺、粉末涂料工艺、以上所述工艺的任意组合或者类似工艺。如果采用的话，涂布工艺可包括一个或多个清洗步骤或表面处理步骤、一个或多个加热或烘烤涂料步骤，如在温度大于大约100℃，优选大于大约120℃条件下加热或烘烤，或以上步骤的任意组合。涂料可以采用任何传统方法涂布，如采用浸渍工艺、喷涂工艺，或采用施涂器，如辊子或刷子的工艺。因此，复合材料优选不含析出并污染涂布工艺槽，如电泳工艺槽的成分(如低分子量成分)。同样，此处的方法包括一种或多种涂布步骤，所述步骤不会因复合材料中的成分而污染槽。
复合材料(如由复合材料形成的冲压部件)可在要求将复合材料与一种或多种其它材料或部件连接的组件中使用。例如，复合材料可采用紧固件与另一个部件机械连接，或者采用粘合剂、粘附促进剂(如底漆)或它们两者与另一个部件化学连接。其它连接方式包括焊接、钎焊和锡焊。可以采用所述连接方法中的一种或它们的任意组合。
复合材料优选在复合材料形成部件或组件的工艺期间或在部件使用期间不会出现剥离(如金属层与芯层剥离)。因此，复合材料优选在冲压操作期间、在连接操作期间(如在焊接操作期间)或在这两种操作期间均不会出现剥离。
本发明的另一个方面涉及一种消费后回收、循环利用或回收和循环利用本发明制造的部件的方法。一种方法提供一种具有本发明复合材料结构的部件，使其经历将烃类化合物(如通过高温加热步骤)与金属材料分离的步骤。烃类化合物或金属材料或它们两者均可回收和再利用。另一种方法涉及通过研磨复合材料或者由复合材料形成颗粒，及任选将颗粒作为复合材料芯层的成分(如本发明所述复合材料)。
应该了解的是，下述实例中的组成可以变化大约±20％，而且可以得到类似的结果(如在大约±20％范围内)。此外，此处提供的其它材料可代替那些声明的材料，而且可以得到类似的结果。
实例
实例1
将大约15vol％直径大约4-大约40μm、长度大约1-大约10mm的低碳钢纤维和85vol％由大约50wt.％尼龙6和大约50wt.％尼龙6，9组成的共聚酰胺(该共聚物的特点在于：按照ISO527-2测定的弹性模量大约是300MPa，按照ISO11357测定的熔点大约是130℃及按照ISO527-3测定的断裂伸长率是大约900％。)混合，制备填充热塑性聚合物材料。填充热塑性材料在温度大约190℃至大约250℃混合。然后，将填充热塑性材料放在两块低碳钢板之间，每块板的厚度是大约0.2mm。然后，在温度大约200℃至大约230℃、压力大约1至大约22MPa条件下压制。复合材料中填充热塑性材料芯层的厚度大约是0.4mm。将复合材料在高速冲压操作条件下进行冲压，拉伸比大于大约3，未观察到任何裂纹或其它表面缺陷。在冲压后，与总厚度相同、且在相同条件下冲压的整块低碳钢样品表面相比，复合材料的表面相对比较光滑。然后，将复合材料进行典型的电泳工艺，并涂上底漆和黑漆。油漆表面光滑，不存在任何凹坑、任何皱皮及任何其它可见的表面缺陷。油漆表面的特征在于其是A类光洁度。油漆复合材料的表面比类似处理的厚度大约0.8mm的整块低碳钢样品表面更光滑。
实例2
除了采用在与纤维长度方向垂直的方向具有长方形横截面的低碳钢纤维代替实例1中的纤维之外，采用与实例1相同的材料、组成和方法制备一种复合材料。
纤维的平均长度是大约2.3mm。纤维的平均横截面积是大约0.0045mm2。纤维的宽度-厚度比是大约2-8。复合材料的厚度是大约0.8mm。将复合材料与厚度大约是0.8mm的冷轧钢样品叠在一起。将此组合放在点焊机中一对直径大约13mm的焊接电极之间。对焊接电极施加大约2.2kNt的力。在2.2kNt力的条件下，测定复合材料在贯穿厚度方向的电阻率。经测定，实例2的复合材料的电阻率是大约0.1Ω·cm或更低。当采用厚度大约0.8mm的两块冷轧钢通常采用的焊接工艺程序将复合材料焊接到冷轧钢上，焊点直径大于焊接电极的直径。要得到良好的焊接，实例2不需要进行额外的加热、额外的焊接周期，也不需要额外的电流。
实例3
除金属板采用屈服强度大约350MPa、拉伸强度大约460MPa和伸长率大约22％的0.2mm厚的高强度钢板代替之外，采用与实例1相同的材料、组成和方法制备一种复合材料。该复合材料预期屈服强度是大约193MPa、拉伸强度是大约253MPa、伸长率是大约22％。计算得出复合材料的密度比厚度相同(大约0.8mm)的整块低碳钢板大约低34％。计算得出，复合材料的屈服强度比同样厚度的整块低碳钢板的屈服强度高大约50MPa或更多。经计算，复合材料的拉伸强度至少是厚度相同的整块低碳钢板的拉伸强度的大约90％。经计算，复合材料的弯曲模量至少是厚度相同的整块低碳钢板的弯曲模量的大约85％。
属于本发明范围的其它实例在国际专利申请公开WO2010/021899的126-133段和138-154段及表1-4(实例1-4、8-26、28-31和33-34)及美国专利申请No.12/978,974(于2010年12月27日申请)中的114-117、119-127和129段(实例1-4、6-10和11A)及图2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I、2J、3、4、5、6、7、8、9A和9B中进行了阐明，以上内容通过引用结合在本申请中。
正如此处所使用的那样，除非特别声明，教导设想一类(名单)中任何成员可被从所述类中排除；与/或马库什分组中任何成员可被从分组中排除。
除非特别声明，如果任何更低值与任何更高值之间相差至少2个单位，此处引用的任何数值包括以一个单位递增的从更低值到更高值的全部数值。举例而言，如果声明一个组分、一种特性、或者温度、压力、时间等工艺参数的一个数值，例如，从1至90，优选从20至80，更优选从30至70，它指的是中间范围值，如(例如15至85、22至68、43至51、30至32等)均位于本说明书的范围之内。同样，单个中间值也位于本发明的范围之内。对于小于1的数值，若合适的话，则一个单位可考虑是0.0001、0.001、0.01或0.1。这些都只是特别指定的实例，列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合被视为以类似的方式在本申请中明确得到声明。正如可以看出的那样，此申请中以“重量份(wt.％)”表示的量与重量百分数表示的范围相同。因此，发明详细说明中以“所得聚合物共混组合物的×重量份”也具有与所得聚合物共混组合物的同样列举的重量百分数×相同的范围。
除非特别声明，所有范围均包括端点和端点之间的所有数字。在与范围有关时使用“大约”或“约”适用于范围的两端。因此，“大约20至30”包括“大约20至大约30”，且包括至少规定的端点。
包括专利申请和出版物的所有文章和参考文献的公开内容通过引用且为了所有目的而结合在本申请中。术语“基本上由……组成”描述了一种应该包括识别的元素、成分、组分或步骤的组合，和其它实质上并不影响所述组合的基本新特点的元素、成分、组分或步骤。本申请使用术语“包含”或“包括”来描述元素、组分、成分或步骤的组合，也包括基本上或甚至完全由元素、成分、组分或步骤组成的实施例。
多个元素、成分、组分或步骤可以由单个集成元素、成分、组分或步骤提供。或者，单个集成元素、成分、组分或步骤可分成独立的多个元素、成分、组分或步骤。文中使用“一”或“一个”来描述元素、成分、组分或步骤，它并不排除其它元素、成分、组分或步骤。此处属于某一族的元素或金属的所有参考指的是由CRCPress，Inc.，1989出版的元素周期表。族或各族的任何参考应为此元素周期表中反映的族，族的编号采用国际理论化学和应用化学联合会(IUPAC)命名体系。
正如此申请中所使用的那样，“聚合物”和“聚合”是通用的，可以分别包括更具体的类型“均聚物”及“共聚物”或“均聚合”及“共聚合”或者以上两者均包括。
应该了解的是，上述说明是解释性的而不是限制性的。除本申请中提供的实施例外，对于那些阅读上述说明的熟悉本领域的人员来说，许多实施例以及许多应用是显而易见的。因此，本发明的范围并不应该根据上述说明确定，而是应该参考所附的权利要求书以及这些权利要求书所赋予的相当的全部范围确定。包括专利申请和出版物的所有文章和参考文献的公开内容通过引用且为了所有目的而结合在本申请中。此处公开的任何方面的主题的下述权利要求的省略，并不是放弃这个主题，也不应该视为本发明人认为这种主题不是公开发明主题的一部分。

Claims (20)

1.一种轻质复合材料，包括：
第一金属层；
第二金属层；
夹在第一金属层和第二金属层之间且包括填充聚合物材料的芯层；以及分布在填充聚合物材料中的金属纤维束；其中所述填充聚合物材料包括聚合物；并且
其中所述金属纤维包括带状纤维；所述聚合物包括聚烯烃；以及所述聚合物和金属纤维的体积比大于2.2：1。
2.一种轻质复合材料，包括：
第一金属层；
第二金属层；
夹在第一金属层和第二金属层之间且包括填充聚合物材料的芯层；以及其中所述填充聚合物材料包括：
一聚合物；
金属纤维束；和
一定数量的金属颗粒；其中所述金属纤维和金属颗粒分散在聚合物中；所述聚合物包括聚烯烃；并且所述聚合物和金属纤维的体积比大于2.2：1。
3.根据权利要求2所述的轻质复合材料，其中填充聚合物材料中金属纤维和金属颗粒的体积之比大于1：30。
4.根据权利要求3所述的轻质复合材料，其中填充聚合物材料中金属纤维和金属颗粒的体积之比大于1：1。
5.根据权利要求4所述的轻质复合材料，其中金属颗粒是球形或细长形。
6.根据权利要求4所述的轻质复合材料，其中金属纤维包括带状纤维。
7.根据权利要求6所述的轻质复合材料，其中金属纤维是不锈钢纤维。
8.根据权利要求1所述的轻质复合材料，其中金属纤维是不锈钢纤维。
9.根据权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料，其中至少70wt.％的聚合物是热塑性的且包括含至少60％乙烯的聚乙烯共聚物；
聚合物的含量是填充聚合物材料总体积的大约65vol％；
金属纤维包括在与纤维长度垂直的方向具有大致矩形横截面的带状纤维；
金属纤维的重量平均长度为1mm-55mm；
填充聚合物材料中金属纤维的含量为填充聚合物材料总体积的3-25％；
聚合物和金属纤维的总体积至少是填充聚合物材料总体积的大约90vol％；
填充聚合物材料中孔隙的含量是填充聚合物材料总体积的大约0-10vol％；
金属纤维以纤维束的形式存在并贯穿填充聚合物材料的厚度，并与两个金属层电连接；
复合材料的厚度为0.3mm或更大，填充聚合物材料的厚度是复合材料总体积的40％或更大。
10.根据权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料，其中第一金属层的厚度是大约0.10mm至大约1.5mm；
第二金属层的厚度是大约0.10mm至大约1.5mm；
芯层的体积是轻质复合材料总体积的30vol％-92vol％；第一金属层和第二金属层两个层的总厚度是轻质复合材料总厚度的5％-70％；
至少70wt.％的聚合物是热塑性聚合物；以及
聚合物的含量是填充聚合物材料总体积的大约65vol％或更高。
11.根据权利要求10所述的轻质复合材料，其中纤维束贯穿填充聚合物材料的厚度。
12.根据权利要求10所述的轻质复合材料，其中金属纤维的特征在于重量平均长度为大约200μm至小于25mm，其横截面积为4×10-4mm2或更高；
金属纤维的含量小于填充聚合物材料总体积的20vol％；
聚合物包括按照ASTMD3418-08测定的熔点大于大约80℃且结晶度大于10％的热塑性聚合物；
所述热塑性聚合物包括由一种或多种α-烯烃组成的聚乙烯共聚物；以及
聚合物和金属纤维的体积比大于3：1。
13.根据权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料，其中聚合物包括数均分子量大于20000的聚合物，并且该聚合物全部由一种或多种α-烯烃组成；以及
聚合物中接枝聚合物的含量为0-10wt.％。
14.根据权利要求10所述的轻质复合材料，其中填充聚合物材料中孔隙的含量是填充聚合物材料总体积的大约0-10vol％。
15.根据权利要求1至6任一项所述的轻质复合材料，其中金属纤维包括铝纤维、铝合金纤维，或两者都有。
16.根据权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料，其中复合材料在冲压操作中的拉伸比至少是1.5。
17.根据权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料，其中聚合物的熔融指数足够高，以使聚合物可以利用挤出设备进行加工。
18.根据权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料，其中贯穿芯层厚度的金属纤维部分是大约0.10或更少。
19.一种包括权利要求1至8任一项所述的轻质复合材料的冲压焊接制品。
20.根据权利要求19所述的制品，其中：
第一金属板是厚度为大约0.10mm至大约1.5mm的第一钢板；
第二金属板是厚度为大约0.10mm至大约1.5mm的第二钢板；以及
芯层是由填充聚合物材料组成的挤出物；
轻质复合材料是夹芯结构，该夹芯结构包括夹在第一钢板和第二钢板之间的芯层，芯层的体积是轻质复合材料总体积的30vol％-92vol％，并且第一钢板和第二钢板两板的总厚度是轻质复合材料总厚度的5％-70％；
其中至少70wt.％的聚合物是热塑性聚合物；
聚合物的含量是填充聚合物材料总体积的大约75vol％或更高；
所述聚合物的熔融指数足够高，以使聚合物可以利用挤出设备进行加工；
纤维的重量平均长度小于25mm，并且包括不是直的纤维；
填充聚合物材料中纤维的含量大于填充聚合物材料总体积的大约3vol％并且小于填充聚合物材料总体积的大约25vol％；以及
纤维的平均长度和平均宽度之比是大约8至大约100；
挤出物的填充聚合物材料中孔隙的含量是挤出物的填充聚合物材料总体积的大约0-10vol％。
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