CN105882059A - 以金属细网加强复合材料的结构 - Google Patents

Abstract

一种以金属细网加强复合材料的结构，包含有二复材层体(Composite Layer)、至少一金属细网（meta1 mesh）、数纤维体，其中金属细网、纤维体位于二复材层体之间。借助高强度、高吸收冲击能量的金属细网加入于纤维复合材料零组件（例如自行车的前叉(Fork)、车架（Frame）、或座管(Seat post)），与复合材料一体成型，应用金属细网的孔目，产生易粘着的互穿型（Intra-penetrating network）结构，并利用金属细网材料的强度及破裂韧性（Toughness），防止复合材料的脆性断裂，强化零件的强度及耐冲击性，具有预警性作用特点，避免零件的灾难性破坏(Catastropic Failure)，保障骑乘者生命安全。

Description

以金属细网加强复合材料的结构

技术领域

本发明是有关于一种以金属细网加强复合材料的结构，特别是指其于纤维复合材料中加入金属细网构成的复合材料结构。

背景技术

按，目前纤维复合材料例如碳纤维或玻璃纤维复合材料通常有脆性断裂(brittle fracture)的缺点，当遇到外力产生破坏时，会有瞬间断裂而导致灾难性破坏(Catastrophic failure)的危险，例如目前自行车很流行采用的碳纤维复合材料前叉(Carbon Fork)，当其受到前轮骤烈冲击(Impact)时，会在前叉竖管(Steerer)及肩颈(Crown)区域产生断裂，造成瞬间前轮脱离而导致骑乘人员摔翻，而有致命性的危险。

因此，目前纤维复合材料的结构耐冲击强度，实在有必要进行改善，以防止其脆性断裂。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种以金属细网(meta1mesh)加强复合材料的结构，借助在纤维复合材料中加入金属细网构成一体，并利用金属细网材料的强度及破裂韧性，防止复合材料的脆性断裂，强化复合材料的强度及耐冲击性。

为达上述的目的，本发明一种以金属细网加强复合材料的结构，包含一第一复材层体、一第二复材层体、一金属细网、一上侧复层纤维体、一下侧复层纤维体。

该金属细网、该上侧复层纤维体、该下侧复层纤维体位于该第一复材层 体、该第二复材层体之间，各纤维体包含复数或单数的纤维体，纤维体可为不同纤维角度的排列，或为不同编织纤维的型式，上侧复层纤维体与下侧复层纤维体可呈对称排列(Symmetric stacking sequence)。

本发明一实施例，上侧纤维体包含一第一纤维体、一第二纤维体、一第三纤维体；该下侧复层纤维体包含一第四纤维体、一第五纤维体、一第六纤维体，该第二纤维体和第三纤维体呈交叉结构(Angle-ply structure)，该第五纤维体和该第六纤维体呈交叉结构，该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体位置可相对于该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体呈对称排列。

为达上述的目的，本发明还提供一种以金属细网加强复合材料的结构，其包含一第一复材层体、一第二复材层体、至少二个金属细网、一第一纤维体、一第二纤维体、一第三纤维体、一第四纤维体、一第五纤维体、一第六纤维体、一第七纤维体、一第八纤维体、一第九纤维体、一第十碳纤维体，其中：

该金属细网、该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体、该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体、该第七纤维体、该第八纤维体、该第九纤维体、该第十纤维体位于该第一复材层体、该第二复材层体之间，该第二纤维体、该第三纤维体纤维排列角度呈交叉结构，该第五纤维体、该第六纤维体纤维排列角度呈交叉结构，该第七纤维体、该第八纤维体纤维排列角度呈交叉结构，该第九纤维体、该第十纤维体纤维排列角度呈交叉结构，该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体、该第七纤维体、该第八纤维体位置相对于该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体、该第九纤维体、 该第十纤维体呈对称排列。

借助高强度、高吸收冲击能量的金属细网加入于纤维复合材料零组件(例如自行车的前叉(Fork)、车架(Frame)、或座管(Seat post))，与复合材料一体成型，应用金属细网的孔目，产生易粘着的互穿型(Intra-penetrating network)结构，并利用金属细网材料的强度及破裂韧性(Toughness)，防止复合材料的脆性断裂，强化零件的强度及耐冲击性，具有预警性作用特点，避免零件的灾难性破坏，保障骑乘者生命安全。

附图说明

图1是本发明的剖面图。

图2是本发明的另一构造剖面图。

图3是本发明的再一构造剖面图。

【主要元件符号说明】

第一复材层体11

第二复材层体12

金属细网20

第一纤维体31

第二纤维体32

第三纤维体33

第四纤维体34

第五纤维体35

第六纤维体36

第七纤维体37

第八纤维体38

第九纤维体39

第十纤维体30

上侧复层纤维体3

下侧复层纤维体300。

具体实施方式

请参考图1所示，本发明一种以金属细网加强复合材料的结构，包含一第一复材层体11、一第二复材层体12、一金属细网20、一上侧复层纤维体3、一下侧复层纤维体300，其中：

该金属细网20、该上侧复层纤维体3、该下侧复层纤维体300位于该第一复材层体11、该第二复材层体12之间。

在实施例图中，该金属细网20结合在该上侧复层纤维体3及该下侧复层纤维体300之间，该第一复材层体11结合在上侧复层纤维体3外侧、该第二复材层体12结合在下侧复层纤维体300外侧。

本发明该第一复材层体11、该第二复材层体12、上侧复层纤维体3、下侧复层纤维体300的材料选自玻璃纤维织布(Glass Fabric)、碳纤维织布(Carbon Fabric)、单一方向纤维预浸料(Unidirectional Prepreg)、或表面席(Surface Matt)其中之一，其可在本发明的不同层体交互应用来配合复合材料的设计结构，例如自行车的车架、前叉的设计强度(Strength)、重量配置(Weight Distribution)、刚性(Rigidity)等所需。

本发明一实施例该上侧复层纤维体3包含一第一纤维体31、一第二纤维体32、一第三纤维体33；该下侧复层纤维体300包含一第四纤维体34、一第 五纤维体35、一第六纤维体36，其中：

较佳者该各纤维层位置对称排列在本发明的结构中，或不同的纤维层可以有相异或相同的纤维角度互相叠置组合，例如上侧复层纤维体3和下侧复层纤维体300位置对称，或进一步实施例第一纤维体31位置相对于该第四纤维体34呈对称排列；该第二纤维体32和该第三纤维体33呈交叉结构；或该第二纤维体32位置相对于该第五纤维体35呈对称排列；或该第五纤维体35和该第六纤维体36呈交叉结构；或该第三纤维体33位置相对于该第六纤维体36呈对称排列。

本发明一实施例，请参阅图1所示，本发明包含一第一复材层体11；一第二复材层体12；一金属细网20；该上侧复层纤维体3包含一第一纤维体31、一第二纤维体32、一第三纤维体33、该下侧复层纤维体300包含一第四纤维体34、一第五纤维体35、一第六纤维体36，其中：

该金属细网20一侧由内向外依序结合该第一纤维体31、该第二纤维体32、该第三纤维体33再结合该第一复材层体11；该金属细网20另一侧由内向外依序结合该第四纤维体34、该第五纤维体35、该第六纤维体36再结合该第二复材层体12；该第二纤维体32和该第三纤维体33纤维排列角度呈交叉结构；该第五纤维体35和该第六纤维体36纤维排列角度呈交叉结构；该第一纤维体31、该第二纤维体32、该第三纤维体33位置相对于该第四纤维体34、该第五纤维体35、该第六纤维体36纤维排列角度呈对称排列。

本发明借助高强度、高吸收冲击能量的金属细网20加入于该第一纤维体31、该第二纤维体32、该第三纤维体33、该第四纤维体34、该第五纤维体35、该第六纤维体36及该第一复材层体11、该第二复材层体12所组成的纤维复合 材料中，由于本发明各构件间可以树脂加以粘着而一体成型，因此，应用金属细网20的孔目，产生易粘着的互穿型(Intra-penetrating network)结构，并利用金属细网20材料的强度及破裂韧性(Toughness)，防止复合材料的脆性断裂，强化零件的强度及耐冲击性，具有预警性作用特点，避免零件的灾难性破坏，保障骑乘者生命安全。

请参阅图2所示，本发明另一实施例包含一第一复材层体11、一第二复材层体12、至少一金属细网20，该上侧复层纤维体3包含一第一纤维体31、一第二纤维体32、一第三纤维体33、一第七纤维体37、一第八纤维体38；该下侧复层纤维体300包含一第四纤维体34、一第五纤维体35、一第六纤维体36、第九纤维体39、一第十纤维体30，其中：

该金属细网20、该第一纤维体31、该第二纤维体32、该第三纤维体33、该第四纤维体34、该第五纤维体35、该第六纤维体36、该第七纤维体37、该第八纤维体38、该第九纤维体39、该第十纤维体30位于该第一复材层体11、该第二复材层体12之间，该第二纤维体32和该第三纤维体33纤维排列角度呈交叉结构，该第五纤维体35、该第六纤维体36纤维排列角度呈交叉结构，该第七纤维体37和该第八纤维体38纤维排列角度呈交叉结构，该第九纤维体39和该第十纤维体30纤维排列角度呈交叉结构，该第一纤维体31、该第二纤维体32、该第三纤维体33、该第七纤维体37、该第八纤维体38位置相对于该第四纤维体34、该第五纤维体35、该第六纤维体36、该第九纤维体39、该第十纤维体30呈对称排列。

于本实施例中，其功用与前述实施例类似，增加了数组成交叉结构的该第七纤维体37、该第八纤维体38、该第九纤维体39、该第十纤维体30。

请参阅图1、图2所示，本发明该第二纤维体32、该第三纤维体33为+30°与-30°的交叉结构，以及该第五纤维体35、该第六纤维体36为+30°与-30°的交叉结构。

本发明该第二纤维体32、该第三纤维体33的纤维排列角度为+45°与-45°的交叉结构，以及该第五纤维体35、该第六纤维体36的纤维排列角度为+45°与-45°的交叉结构。

本发明该金属细网20在该第一纤维体31、该第四纤维体34之间。

请参阅图2所示，于一构造实施例中，该第二纤维体32、该第三纤维体33的纤维排列角度为+30°与-30°的交叉结构，该第五纤维体35、该第六纤维体36的纤维排列角度为+30°与-30°的交叉结构，以及该第七纤维体37、该第八纤维体38的纤维排列角度为+45°与-45°的交叉结构，该第九纤维体39、该第十纤维体30的纤维排列角度为+45°与-45°的交叉结构。

请参阅图3所示，本创作一实施例，该金属细网20为复数个，在实施例图中，该金属细网20为二个，本实施例中构造与功用相似于前述该些实施例，其中，该一金属细网20结合在该第三纤维体33及该第七纤维体37之间，以及该另一金属细网20结合在该第六纤维体36及该第九纤维体39之间，借助复数层金属细网加入于纤维复合材料一体成型，进一步再提升强化零件的强度及耐冲击性。

请参阅图1、图2所示，依据本发明的实际测试，该金属细网20的网目线径必须和纤维体直径相匹配，方能有效提升金属细网20和纤维体的界面粘着强度，本发明该金属细网20的网目较佳者为TYLER 80-500Mesh size之间(即泰勒标准80-500目，对应粒度约为25μm-180μm)。

本发明该金属细网20的表面包含有架桥剂(Primer)，据此，于该金属细网20的表面加入特殊架桥剂的处理，方能提升金属细网20和树脂的粘着强度，使金属细网20的特性能充分发挥。

本发明该金属细网20的材料选自可以抽丝织网的材料。

本发明该金属细网20的材料选自不锈钢、合金钢、铝合金、钛合金、铜合金其中之一。

本发明该复合材料例如为自行车的前叉(Fork)、车架(Frame)、座管(Seat post)、手把(Handle Bar)、轮圈(Rim)、曲柄轴(Crank shaft)等零件其中之一。

本发明该第一复材层体11、该第二复材层体12的材料选自玻璃纤维织布、碳纤维织布、单一方向预浸料、及表面席等复合材料其中之一。

以下配合附件的图照说明本发明的具体实验实施范例，以证明于复合材料加入金属细网的效益：

实施范例一：

以复合材料自行车前叉(Fork)为验证对象，对有加入及无加入金属细网的竖管(Steerer)积层复材板执行冲击试验。

试片种类：

试片A：无加入金属细网，试片总厚度为2.2mm的积层平板试片。

叠层结构：

此处G布为：基重164g/㎡的玻璃纤维平织布(Plane Weave Fabric)。

±45°为：FAW150g/㎡的碳纤维单一方向预浸料(Uni-directional prepreg)，做+45°及-45°排列。

±30°为：FAW150g/㎡的碳纤维单一方向预浸料，做+30°及-30°排列。

为：FAW150g/㎡的碳纤维单一方向预浸料，做-30°及+30°排列。

为：FAW150g/㎡的碳纤维单一方向预浸料，做-45°及+45°排列。

O₂为：基重FAW150g/㎡的碳纤维单一方向预浸料，做0°方向二层叠排列。

试片B：加入金属细网，试片总厚度为2.2mm的积层平板。

叠层结构：

复合材料用料与A试件相同。

金属细网：采不锈钢细网，网目(mesh number)为150mesh。

冲击试验方法：ASTM D256Izod impact method

试片尺寸:12.7mm宽*63.5mm长。

冲击试验结果：由下表的试验结果可知加入一层金属细网可明显提升复合材料的耐冲击性能约25％，亦即为提高自行车前叉竖管的抗冲击性，有效保障骑乘者的安全。

实施范例二：

以金属细网加入实际自行车前叉的竖管内防止灾难性裂断的结果:

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)fork的叠层顺序：同范例一的A种试片叠层。加入金属细网的竖管叠层顺序如范例一的B种试片叠层。

CFRP fork的工艺：以一般现有的吹袋成型法(Blow molding)12kg/cm²压力，145℃温度成型。

前叉冲击试验的执行：依据欧规EN147814.9.5节向后冲击测试(Rearward impact test)规范执行。冲锤重量22.5kg，冲击落锤高度640mm，前叉采刚性固定(Rigid-mounted)方式冲击。

未加金属细网的CFRP前叉经冲击后在竖管距肩颈(Crown)约6至8公分处产生断裂(Fracture)。若乘骑者于乘骑时遭遇前轮冲击而产生此种前叉断裂，则会有致命性的危险，绝对应该避免。

加入金属细网于竖管距肩颈5至15公分处于管厚中间一整圈加入不锈钢网(TYLER 150Mesh size即泰勒标准150目，对应ISO3310约为粒度0.106mm，总共重3.5g)，遭受同样冲击后，仅在8cm处造成一表面材料裂开的坑洞，并没有断成二截的情形发生。仅加入3.5g的金属细网即可防止灾难性的断裂，可以证明本发明确实可达到保护乘骑者安全的目的。

在竖管厚度1/3及2/3各加一层不锈细钢网(TYLER mesh size 150mesh即泰勒标准150目，对应ISO3310约为粒度0.106mm，总重量约7g)，施以冲击试验的结果，仅在距肩颈8cm处产生一小压痕，并无明显的裂纹，显然更可提升乘骑者的安全性。

本项施行范例仅增加了3.5g及7g不锈钢细网，对整支360g的前叉重量而言仅增加了1％及2％，却造成巨大的安全差异，可证明本发明的优异之处。

实施范例三：

针对无金属细网、有加金属细网(金属细网表面未经特别处理)、以及有加表面特别处理过的金属细网的复合材料做抗拉性质测试，所得结果如下表所示：

由试件C的数据知加入的金属细网必须经过特殊的表面架桥剂(primer)处理，金属细网的特性才能充分发挥。

实施范例四：

金属细网加入的位置亦应加以设计选择。本实施例以金属细网加于CFRP前叉竖管的靠外侧及靠内侧对竖管承受压爆负荷的影响做一举例。

无金属细网的竖管、前叉竖管靠外侧加入金属细网、前叉竖管靠内侧加入金属细网承受压爆抗压测试的情形。所得压爆负荷及承载刚性的数据如下 表所示：

由压爆测试可知加入金属细网确实可以有效提升复合材料自行车前叉竖管的抗压能力，而金属细网的放置位置以内侧更具有抗压爆的能力，抗压爆刚性增加了一倍以上。

综合以上所述，本发明具有至少下列几点特性：

1.于复合材料中加入金属细网的一体成型结构，提升其强度及抗冲击性，具有预警性作用特点，防止复合材料脆性断裂导致的灾难性破坏。

2.以金属细网的网目结构，可以提升金属细网与复合材料的界面粘着强度。

3.利用金属细网的易柔软变形，很容易配合组件异形型状。

以上为本案所举的实施例，仅为便于说明而设，当不能以此限制本案的意义，即大凡依所列权利要求所作的各种变换设计，均应包含在本案的专利范围中。

Claims (16)

1.一种以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于，其包含一第一复材层体、一第二复材层体、一金属细网、一上侧复层纤维体、一下侧复层纤维体，其中：

该金属细网、该上侧复层纤维体、该下侧复层纤维体位于该第一复材层体、该第二复材层体之间。

2.如权利要求1所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该金属细网结合在该上侧复层纤维体及该下侧复层纤维体之间，该第一复材层体结合在上侧复层纤维体外侧、该第二复材层体之间结合在下侧复层纤维体外侧。

3.如权利要求1所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该上侧复层纤维体包含一第一纤维体、一第二纤维体、一第三纤维体；该下侧复层纤维体包含一第四纤维体、一第五纤维体、一第六纤维体。

4.如权利要求3所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该第二纤维体和该第三纤维体纤维排列角度呈交叉结构。

5.如权利要求3所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该第五纤维体和该第六纤维体纤维排列角度呈交叉结构。

6.如权利要求3所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该金属细网一侧由内向外依序结合该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体再结合该第一复材层体；该金属细网另一侧由内向外依序结合该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体再结合该第二复材层体。

7.如权利要求1所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该上侧复层纤维体包含一第一纤维体、一第二纤维体、一第三纤维体、该下侧复层纤维体包含一第四纤维体、一第五纤维体、一第六纤维体，其中：

该金属细网一侧由内向外依序结合该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体再结合该第一复材层体；该金属细网另一侧由内向外依序结合该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体再结合该第二复材层体；该第二纤维体和该第三纤维体呈交叉结构；该第五纤维体和该第六纤维体呈交叉结构；该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体位置相对于该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体呈对称排列。

8.如权利要求1所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该上侧复层纤维体包含一第一纤维体、一第二纤维体、一第三纤维体、一第七纤维体、一第八纤维体；该下侧复层纤维体包含一第四纤维体、一第五纤维体、一第六纤维体、第九纤维体、一第十纤维体，其中：

该金属细网、该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体、该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体、该第七纤维体、该第八纤维体、该第九纤维体、该第十纤维体位于该第一复材层体、该第二复材层体之间，该第二纤维体和该第三纤维体纤维排列角度呈交叉结构或该第五纤维体和该第六纤维体纤维排列角度呈交叉结构或该第七纤维体和该第八纤维体纤维排列角度呈交叉结构或该第九纤维体和该第十纤维体纤维排列角度呈交叉结构，该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体、该第七纤维体、该第八纤维体位置相对于该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体、该第九纤维体、该第十纤维体呈对称排列。

9.一种以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于，其包含有一第一复材层体、一第二复材层体、至少二个金属细网、该上侧复层纤维体包含一第一纤维体、一第二纤维体、一第三纤维体、一第七纤维体、一第八纤维体；该下侧复层纤维体包含一第四纤维体、一第五纤维体、一第六纤维体、一第九纤维体、一第十纤维体，其中：

该金属细网、该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体、该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体、该第七纤维体、该第八纤维体、该第九纤维体、该第十纤维体位于该第一复材层体、该第二复材层体之间，该第二纤维体和第三纤维体纤维排列角度呈交叉结构或该第五纤维体和该第六纤维体纤维排列角度呈交叉结构或该第七纤维体和第八纤维体纤维排列角度呈交叉结构或该第九纤维体和该第十纤维体纤维排列角度呈交叉结构，该第一纤维体、该第二纤维体、该第三纤维体、该第七纤维体、该第八纤维体位置相对于该第四纤维体、该第五纤维体、该第六纤维体、该第九纤维体、该第十纤维体纤维排列角度呈对称排列。

10.如权利要求3至9的任一项所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该第二纤维体、该第三纤维体为+30 °与-30 °的交叉结构，以及该第五纤维体、该第六纤维体为+30 °与-30 °的交叉结构。

11.如权利要求3至9的任一项所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该第二 纤维体、该第三纤维体为+45 °与-45 °的交叉结构，以及该第五纤维体、该第六纤维体为+45 °与-45 °的交叉结构。

12.如权利要求9所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：

该第二纤维体、该第三纤维体为+30 °与-30 °的交叉结构，该第五纤维体、该第六纤维体为+30 °与-30 °的交叉结构，以及该第七纤维体、该第八碳纤维体为+45 °与-45 °的交叉结构，该第九纤维体、该第十纤维体为+45 °与-45 °的交叉结构。

13.如权利要求9所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：一该金属细网结合在该第三纤维体及该第七纤维体之间，另一金属细网结合在该第六纤维体及该第九纤维体之间。

14.如权利要求1或9所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该金属细网的网目为泰勒标准80-500之间。

15.如权利要求1或9所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该金属细网的表面包含有架桥剂。

16.如权利要求1或7或9所述的以金属细网加强复合材料的结构，其特征在于：该第一复材层体、该第二复材层体、纤维体的材料选自玻璃纤维织布、碳纤维织布、单一方向预浸料、及表面席等复合材料其中之一。