CN112368202B - 用于汽车应用的模块化结构复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化复合结构，该模块化复合结构包含附接在一起的多个单独复合结构。该单独复合结构形成车辆部件的部分。该复合结构是轻质的，并且由可用于吸收能量或衰减振动或噪声的材料制成。该复合结构包含粘附到纤维层的芯材料，以及用于改善该模块化复合结构的强度和刚度的纤维增强区。该模块化复合结构可包括多个底板盘区段，该多个底板盘区段可附接到中心复合结构，该中心复合结构可为实用通道或壳体。

Description

用于汽车应用的模块化结构复合材料

技术领域

本公开涉及用作车身部分的模块化结构复合材料，并且具体地讲，涉及用作车辆中的分段底板盘和实用通道的模块化增强结构复合材料。

背景技术

利用许多不同材料的复合结构用于保证增加的强度(诸如高抗弯刚度)和减小的重量的各种应用。汽车应用采用复合材料以减小车辆重量并向车身部分和面板提供期望的刚度。常用于复合结构的材料包括增强纤维、树脂和塑料。例如，机动车辆底板设计和车身面板可包括模制化合物，该模制化合物包括具有混合在其中的增强纤维(诸如玻璃纤维)的热固性塑性材料。

汽车制造商中存在对以下结构复合材料的需求：该结构复合材料具有足够的刚性以抵抗弯曲，但又具有足够的强度以吸收能量而不增加部分重量。还期望的是，结构复合材料易于以相对较低的成本制造。本发明采用提供轻质设计的材料组合，该轻质设计有效地衰减振动和声音，具有足够的强度以抵抗弯曲并且可能以受控方式吸收能量。

发明内容

在第一方面，本发明公开了一种模块化复合结构，该模块化复合结构包括第一模制复合芯结构，该第一模制复合芯结构具有：第一芯，该第一芯包括第一表面，该第一芯的该第一表面粘结到嵌入第一聚合物中的第一纤维层；以及第一纤维增强区，该第一纤维增强区上覆该第一芯的该第一表面的一部分。该模块化复合结构还包括第二模制复合芯结构，该第二模制复合芯结构具有：第二芯，该第二芯具有第一表面；第一纤维基底，该第一纤维基底包括嵌入第二聚合物中的纤维，该第一纤维基底粘结到该第二芯的第一表面；以及第二纤维增强区，该第二纤维增强区粘结到并上覆该第一纤维基底的一部分，其中该第一模制复合芯结构附接到该第二模制复合芯结构。该第一芯和该第二芯由蜂窝结构、实心热塑性材料或泡沫中的至少一者组成。

在方面1的一个示例中，该第一模制复合芯结构包括沿其长度的增加厚度的中心区域，并且该第一纤维增强区上覆该模制复合芯结构的该增加厚度的中心区域。该增加厚度的中心区域由堆叠在顶部上或上覆彼此的一个或多个芯形成。例如，该增加厚度的区域由2至5个芯组成，其中该多个芯包括延伸超过该增加厚度的区域的第一芯。

在方面1的另一个示例中，该第一纤维增强区嵌入该第一聚合物中，并且该第二纤维增强区嵌入该第二聚合物中，其中该第一聚合物和该第二聚合物可为相同的材料。

在方面1的另一个示例中，该第一纤维增强区上覆该第一纤维层，并且该第一纤维层的一部分与该第一芯直接接触。

在方面1的另一个示例中，该第一纤维层上覆该第一纤维增强区，使得该第一纤维增强区的一部分与该第一芯的该第一表面直接接触。

在方面1的另一个示例中，该模块化复合结构包括第三模制复合芯结构，该第三模制复合芯结构附接到该第二模制复合芯结构，使得该第二模制复合芯结构将该第一模制复合结构和该第三模制复合结构分开。

在方面1的另一个示例中，该第一模块化复合材料为车辆的下部结构部分。

在方面1的另一个示例中，该第一模制复合芯结构为底板盘部分，并且该第二模制复合芯结构为车辆的U形实用通道。

在方面1的另一个示例中，该第三模制复合芯结构为底板盘部分。

在方面1的另一个示例中，该第一模制复合芯结构是分段的，其中该第一模制复合芯包含第一芯部分和第二芯部分。

在方面1的另一个示例中，该第一模制复合芯结构为肋状芯，其中该肋状芯具有不与纤维层接触的自由第二表面，例如，该自由第二表面与粘结到该第一纤维层的该第一表面直接相对。

在方面1的另一个示例中，该肋状芯包括模制热塑性树脂，其中该热塑性材料树脂是具有可在5mm至100mm或更大范围内的纤维的长纤维增强热塑性材料。

在第二方面，存在一种用于车辆的模块化复合下部结构，其包括第一模制复合底板盘区段，该第一模制复合底板盘区段具有：第一芯，该第一芯具有第一表面和沿其长度的增加厚度的中心区域；该第一芯的该第一表面，其粘结到嵌入第一聚合物中的第一纤维层；以及第一纤维增强区，该第一纤维增强区嵌入该第一聚合物中，该第一纤维增强区上覆该第一芯的该增加厚度的中心区域的一部分。该增加厚度的中心区域由堆叠在顶部上或上覆彼此的一个或多个芯形成。例如，该增加厚度的区域由2至5个芯组成，其中该多个芯包括延伸超过该增加厚度的区域的第一芯。该模块化复合下部结构还包括U形实用结构，该U形实用结构包括：第二芯，该第二芯具有第一表面；第一纤维基底，该第一纤维基底包含嵌入第二聚合物中的纤维，该第一纤维基底粘结到该第二芯的该第一表面，并且该第一纤维基底具有水平中心部分以及在该水平中心部分的每侧上的两个基本上垂直部分；以及第二纤维增强区，该第二纤维增强区粘结到并上覆该第一纤维基底的该水平中心部分，其中该第一模制复合底板盘结构附接到该U形实用结构。该第一芯和该第二芯由蜂窝结构、实心热塑性材料或泡沫中的至少一者组成。

在方面2的一个示例中，该第二纤维增强区延伸以上覆该第一纤维基底的该两个基本上垂直部分中的一部分。

在方面2的另一个示例中，该U形实用结构具有第一端部和第二端部，该U形实用结构的该第一端部附接到该第一模制复合底板盘结构。

在方面2的另一个示例中，该U形实用结构的该第二端部附接到第二模制复合底板盘结构，其中该U形实用结构将该第一模制复合底板盘结构与该第二模制复合底板盘结构分开。

在方面2的另一个示例中，该第一芯是分段的，使得该第一芯包括第一芯部分和第二芯部分。

在方面2的另一个示例中，该第一芯是肋状芯，其中该肋状芯包括未粘结到另一个层的自由第二表面。

在方面2的另一个示例中，该肋状芯由模制热塑性树脂制成。

在方面2的另一个示例中，该第一芯的该增加厚度的中心区域具有水平表面部分以及在该水平表面部分的每侧上的两个基本上垂直表面，该第一纤维增强区上覆该增加厚度的中心区域的该水平表面部分。

上述方面(或那些方面的示例)中的任一者可单独提供或与以上讨论的该方面的任何一个或多个示例组合提供；例如，第一方面可单独提供或者与以上讨论的第一方面的任何一个或多个示例组合提供；并且第二方面可单独提供或者与以上讨论的第二方面的任何一个或多个示例组合提供；等等。

另外的特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且对于本领域的技术人员来说，该描述或者通过实践如本文描述的实施方案包括以下详细描述、权利要求书以及附图而认识到的部分将是显而易见的。

应当理解，前述一般描述和以下详细描述都仅是示例性的，并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特性。包括附图以提供进一步理解，并且附图被并入且构成本说明书的一部分。附图示出了一个或多个实施方案，并且与描述一起用于解释各种实施方案的原理和操作。本文所用的方向术语(例如，上、下、右、左、前、后、顶部、底部)仅参考所绘制的附图来制作并且不旨在暗示绝对取向。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细描述时，本公开的方面或示例的以上和其他特征、示例和优点被更好地理解，其中：

图1示出了具有传动通道的车辆底板盘的模块化结构复合材料的截面图。

图2示出了车辆底板盘的结构复合材料的截面图。

图3示出了车辆底板盘的结构复合材料的截面图。

图4示出了车辆底板盘的结构复合材料的截面图。

图5示出了具有传动通道的车辆底板盘的模块化结构复合材料的截面图。

具体实施方式

本文所述的术语仅用于描述实施方案，并且不应被解释成作为整体限制本发明。

本文，当给出诸如5-25(或5至25)的范围时，这意指优选至少或超过5，并且单独且独立地，优选小于或不超过25。在一个示例中，这样的范围独立地定义5或更大，并且单独且独立地定义25或更小。

如本文所用，术语“实质上”、“基本上”及其变型旨在指示所描述的特征等于或约等于值或描述。例如，“基本上平坦的”表面旨在表示平坦或大致平坦的表面。还应当注意，术语“基本上”和“约”在本文中可用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的不确定性的固有程度。这些术语在本文中也用于表示定量表示可与所述参考不同而不会导致所讨论的主题的基本功能发生变化的程度。

本公开涉及可在各种结构或应用中用作部件或元件的模块化复合结构。例如，模块化复合结构可用于汽车应用中，并且可为车辆(例如，客运车辆、汽车、卡车、公共汽车、牵引车、全地形车辆、摩托车)中的结构或框架部件、下部结构部件、底板部件、车身面板、车箱部件(例如，卡车箱部件)等。在一些实施方案中，模块化复合结构可为底板盘或其区段或实用吞吐量或通道或其区段。底板盘可以是客运车辆的下部结构的一部分，并且实用通道可用于为各种车辆部分(例如，布线、传动部分、连接器、联接件等)提供壳体。模块化复合结构可彼此连接或附接以在车辆中形成多部件模块化结构，例如分段的底板盘和实用通道结构。

模块化复合结构一般可具有增加的刚度(该增加的刚度抵抗结构的弯曲和扭转)，并且为相对轻质的。在一个或多个实施方案中，模块化复合结构还可具有能量吸收部件，例如，可压扁的热塑性芯。能量吸收部件优选地具有足够的强度以吸收能量并使其不被送至乘客或车辆中的其他结构部件。模块化复合结构还可具有有效地衰减噪音、振动或它们的组合的一个或多个部件。优选地，模块化复合结构是轻质的、刚性的并且包括用于吸收能量并减小车辆中的噪声和/或振动的部件。模块化复合结构的其他优点可包括能够易于通过常规模制方法形成为期望形状，该常规模制方法优选使用低或中等的压力和热，这有利地降低了用于制造结构的时间和成本。

总体模块化或多部件复合结构的单独复合结构可彼此相同或基本上类似(例如，待附接到的结构的近似镜像)。在一个示例中，底板盘可被分段成两个或更多个部分，其中每个部分由具有与其他一个或多个部分类似的材料和/或设计的复合结构形成，并且当附接在一起时可形成总体底板盘设计。在一个或多个实施方案中，一对单独的复合结构可彼此不同。例如，底板盘或其部分可附接到另一个部件，诸如非底板盘复合结构(例如，实用通道)。在一个或多个实施方案中，单独复合结构彼此附接以形成最终模块化复合结构，该最终模块化复合结构可包括两个或更多个复合结构或2至10个复合结构。单独复合结构可通过常规方法彼此附接，例如，使用粘合剂或环氧树脂、紧固件(例如，螺钉、螺栓、夹子)或焊接。

单独复合结构可具有可由相同或类似材料制成的类似部件。例如，复合结构可具有含纤维层，该含纤维层至少部分地粘附到其上具有选定增强区域或区的芯结构或材料。增强区域提供增加的刚度以抵抗作用在复合结构上的加载力、弯曲力和扭转力。在一个或多个实施方案中，增强区域可定位在复合结构的中心区域处。各种单独复合结构的纤维层和纤维增强区可由相同或类似的材料制成以减小材料和制造成本。相似地，当再循环材料可取代例如纤维层中的纤维时，此类材料可用于进一步减小制造成本并促进可持续性。

一个或多个实施方案还包括用于制作和制造单独和模块化复合结构的方法。例如，可将纤维层定位或施加在芯材料的一个或多个表面(例如，第一表面)上以形成坯料。可在选定区域处将例如以贴片的形式的增强纤维施加到芯材料的表面上或芯材料上施加的纤维层上。增强纤维可能以粗纱方法选择性地施加到纤维层和/或芯材料的暴露表面上。粗纱方法可包括旋转台以将复合结构移动至期望的纤维施加区域，其中可将增强纤维(例如，以单向纤维条)施加(例如，用机械施加器)至坯料的选定表面区域。可将可固化材料(例如，树脂)喷涂、倾倒、铺展、辊涂、刷涂或压延到纤维层和增强纤维上，以将纤维涂覆和嵌入可固化材料中，从而形成预成形复合材料。在加热条件下，可模制预成形复合材料(例如，在压缩或压制模具或类似工具中)以形成复合结构的最终形状。

模制条件诸如温度和压力可根据需要调整，但优选地为低至中等的，以减少制造复合结构的时间和成本。例如，结构可在模制期间被加热至约100℃至约200℃、约110℃至约190℃、约120℃至约180℃、或约130℃至约160℃的范围内的温度。在另一个示例中，结构可在模制期间经受约0.1兆帕(MPa)至约1MPa、约0.15至约0.8MPa、或约0.2至约0.6MPa的范围内的压力。

模制过程可在结构中形成不同厚度的区域，从而选择性地减小芯材料的厚度。在包括蜂窝结构作为芯材料的实施方案中，蜂窝结构芯的部分可被压扁或部分压扁，其中厚度减小。在一个或多个实施方案中，期望利用热塑性材料作为芯材料。例如，热塑性芯材料可在加热模具条件下熔融，并且可实现不同厚度而不改变材料的完整性。

在一个或多个实施方案中，复合结构可在模制之后被修剪和抛光以移除任何不期望的表面缺陷，例如，留在结构上的毛刺或凸起边缘或材料件。可手动或机械地移除毛刺或缺陷，例如机械地磨削或打磨结构的表面。在修剪步骤之后，如果需要，可清洁复合结构以从表面移除碎屑或任何多余材料。清洁可用常规方法进行，例如，可将加压气体或空气吹到结构上以去除粘附到表面的碎屑(诸如灰尘或颗粒)。也可刷涂或擦拭复合结构以移除不需要的材料。在另一个示例中，可使该结构与清洁溶液接触，该清洁溶液可溶解来自结构表面的残余物(例如，脱模剂)。例如，可使用具有清洁剂(例如，表面活性剂)的水性溶液。清洁溶液可通过任何合适的方法(诸如喷涂、浸渍或刷涂)施加到复合结构的表面。

如果需要，修剪和清洁的步骤准备用于下游过程的复合结构。在一些实施方案中，复合结构可具有施加到其表面上的附加涂层，诸如罩面层或保护性涂层。在其他实施方案中，复合结构可被涂漆以用于其最终应用，例如用作车身面板或车身部件。

在一个实施方案中，制造方法可在一系列机器人工作单元或制造工位中进行。在第一单元中，通过将芯材料(例如，蜂窝结构或热塑性材料)夹置在两个面片材(纤维层)之间来形成坯料或坯件，并且任选地，将热固性树脂的初始层施加到面片材。面片材可包含纤维或可为玻璃纤维材料。在第二单元中，可在一个或多个选定区域处将增强材料施加到面片材(例如，润湿的面片材)上。增强材料可包括单向玻璃、芳族聚酰胺、碳纤维或它们的组合。在第三单元中，将热固性树脂施加到增强材料部分，或另选地，施加到整个面片材以将增强材料和/或面片材嵌入树脂材料中。使用钢或铝工具在低压加热压机中模制增强的预成形复合材料。在第四单元中，如果需要，将复合结构修剪为最终形状，并且将一个或多个紧固件施加到边缘区域以有利于附接到另一个复合结构以便形成模块化复合结构。

在另一个示例性方法中，使用一系列机器人单元来形成复合结构。在第一单元中，构造织物片材，例如热塑性玻璃垫。例如，可将片材织物缝合在一起，该片材织物可为可局部焊接的热塑性材料。在第二单元中，将增强材料选择性地施加到织物片材上的区域。增强材料可包括单向玻璃、芳族聚酰胺、碳纤维或它们的组合。在第三单元中，将长纤维模制化合物的电荷施加在期望芯材料的位置中。模制化合物以足够的量施加以用于形成芯材料的肋，如果需要，该肋可适应整体紧固件的添加。在第四单元中，加热(例如，用IR能快速加热)预成形复合材料，并且然后在加热的压力模具中将其模制成最终形状。在最终步骤中，如果需要，完成复合结构的修剪，并且添加一个或多个紧固件以有利于附接到另一个复合结构。

转到附图，图1示出了模块化复合结构40，其包括彼此附接的三个单独复合结构10、20、30。结构40可以是车辆的部件，使得结构40固定到车辆的其他部分或零件，例如框架结构。如图所示，复合结构10和30可为客运车辆的底板盘区段。结构10、30具有布置在两个纤维层之间的芯12、32。芯12、32可沿其整个长度在复合材料的中心区域中延伸，如图所示。

在一个或多个实施方案中，单独复合结构的芯(例如，12)可为由单元壁限定的多个开放或气体填充的单元。单元可具有任何合适的横截面形状(例如，圆形、六边形、正方形等)。例如，芯可为蜂窝结构，该蜂窝结构包括许多并列并且以复合结构布置的单独开放单元，使得单元壁垂直于复合结构或相邻纤维层的纵向轴线。另选地，单元壁可能以其他角度布置，例如相对于复合结构的纵向轴线平行或成角度。单元壁可由塑料(例如，热塑性或热固性材料)制成。在一个示例中，聚丙烯或聚碳酸酯可用作芯和/或单元壁的材料。可模制多个单元以形成期望形状，其中单元的一部分在压力和任选的热量下变形以减小芯材料的初始厚度。

在一个或多个实施方案中，芯可为非单元材料并且由任何合适的热塑性材料组成。热塑性材料的示例包括(但不限于)聚丙烯和聚碳酸酯。热塑性芯可为无开口(诸如单元)的实心结构。热塑性芯材料可在中等的热量和压力下模制以软化材料并使其形成为具有变化厚度的期望形状。在一个示例中，在模制过程中将热塑性材料加热至高于其玻璃化转变温度以形成结构的期望形状。热塑性材料可例如在模具中被加热以具有在约100℃至约200℃、约110℃至约190℃、约120℃至约180℃、或约130℃至约160℃的范围内的温度。在形成芯的期望结构形状之后，可将热塑性材料冷却至室温。在一个或多个实施方案中，芯的平均厚度可在约5至约250毫米(mm)、约5至约100mm、或约10至约50mm的范围内。

芯优选能够易于模制以获得复合结构的期望形状。在一个或多个实施方案中，芯可具有沿其长度的不同厚度和角度的区域。如图所示，芯12、32沿其长度具有大体均匀的厚度，其中每个端部在模制期间被挤压或压扁以具有减小的厚度部分。底板盘芯12、32各自具有增加厚度的中心区域，该增加厚度比每侧附近的芯材料的厚度厚约1.5至3倍。增加厚度的中心区域可为凸起的隆起或脊，其沿芯的长度延伸并且具有与尖峰相对的基本上水平部分。增加厚度的中心区域为芯赋予刚度以抵抗在操作和组装期间可施加到底板盘的弯曲力和扭转力。

图1还示出了实用通道20的复合结构。实用通道20的芯22材料具有模制成U形的基本上均匀的厚度，该U形具有用于附接到其他复合结构的水平端部部分或唇缘。如图所示，芯22为部分压扁的蜂窝结构单元材料。结构20具有水平或平面的中心部分，该中心部分在每侧上由相对于结构20的垂直轴线以约5至20度向外成角度的基本上垂直部分侧接，这也针对图5中的结构60示出。另选地，实用通道20可具有其他芯材料，例如泡沫、热塑性材料、结构、基质或晶格。

如图所示，芯材料可为单一连续设计的均匀材料。在一个或多个实施方案中，芯可以是包括一个或多个芯部分的分段或不连续的芯。单独芯部分可松散地包装在一起并夹置在纤维层之间以保持期望的芯形状。在另一个示例中，芯部分可通过常规方法诸如胶水、粘合剂、胶带、机械紧固件(例如，铆钉)等彼此附接。芯部分可由不同材料制成并且取决于期望的性质具有不同的设计。例如，高振动或高声音区域附近的芯部分可包括振动和声阻尼材料(例如，泡沫)。靠近具有显著几何变化或不均匀形状的区域的芯部分可包含可压扁材料，该可压扁材料可易于模制以适形于复合结构形状的轮廓，例如在复合结构中的弯曲或挤压区域处。芯部分的分段布置可将施加到复合结构上的能量隔离到一个区域，并且防止或降低能量消散到芯的其他部分或附近车辆部分或其中的乘客的能力。

芯材料可具有提供能量吸收能力的特性。例如，芯可为低密度的可压扁芯，其在冲击时变形并且在正常操作中仍然保持机械完整性(例如，刚度)。蜂窝结构芯的开放单元和单元壁可在单元壁塌缩和断裂时吸收冲击能量。可吸收能量的其他材料可包括弹性体、热塑性材料、泡沫(例如，开放单元、粘弹性等)、纸张(例如，纸板)或模制树脂。这些材料可与多个单元组合，例如，单元或其部分(例如，期望振动和/或噪声衰减或增加刚度的选定区域)可填充有或部分地填充有泡沫或弹性体。在其他实施方案中，与其他常规材料诸如钢相比，芯材料可减小声学和结构振动。在一个或多个实施方案中，本公开的复合结构的芯材料可包括例如用于传输电力或监测复合结构的特性或行为的导电纤维(例如，导电的)和/或传感器。

如图1所示，芯12可夹置在纤维层13、14之间并与该纤维层直接接触。纤维层13、14可包含嵌入聚合物材料中的连续和/或不连续纤维以形成具有基本上均匀厚度的层。纤维可被布置在一起以形成可定位在芯材料上的片材或垫。

纤维能够以随机图案或以更系统的设计缠结，例如，纤维能够以织造纤维片材的形式编织在一起。在其他示例中，纤维可一起松散地捆绑或一起压制成垫以形成纤维片材。整个纤维片材可用于覆盖芯材料表面(例如，顶表面)。另选地，可将纤维条或纤维部分以分段布置并列施加以便覆盖芯材料表面。可用于纤维层的纤维的示例包括碳纤维、玻璃纤维、塑性纤维等。在一个示例中，可将廉价的玻璃纤维片材施加到芯材料的第一表面。

可将纤维施加到芯材料的表面以覆盖芯材料的整个面表面或其部分。一旦纤维被布置在芯材料上，就可将聚合物形成材料或树脂施加到纤维上。聚合物形成材料可渗透并浸泡到布置在芯材料上的纤维中。如本文所述，可在模制步骤期间将聚合物形成材料推入并迫使其进入纤维层中以嵌入纤维，例如，压机或压缩模具可将聚合物树脂推入纤维中以涂覆纤维、填充纤维层中的空隙并接触芯材料。可将足量的聚合物形成材料施加到纤维以形成聚合物层，该聚合物层嵌入纤维并接触芯材料以将纤维彼此粘附并粘附到芯。在一个或多个实施方案中，聚合物可由可固化聚合物树脂或组合物形成。组合物可包括组分的混合物，例如热固性材料、热塑性材料、硬化剂、催化剂、填料以及它们的任何组合。材料可包括环氧树脂、聚氨酯、聚醚醚酮、聚乙烯、或它们的组合。组合物优选具有1至20分钟，或小于15、10或5分钟的范围内的低固化时段。一旦固化，聚合物形成材料就可将纤维层粘结到芯材料以形成层合体作为复合结构。纤维层优选地粘结或粘附到芯以防止纤维层在使用期间与芯分层或分离。

如图1所示，纤维层13、14覆盖复合结构10的芯12的顶表面和底表面的全部或显著部分。同样，复合结构30具有类似的布置，其中纤维层33、34直接覆盖芯32的顶表面和底表面。在复合材料10、30两者中，暴露了芯12、32的两个端面。在另选的布置中，纤维层可延伸经过芯的顶表面和底表面的端部以与每个芯端部重叠以便包封芯材料。实用通道结构20还包含顶部纤维层23和底部纤维层24，其分别覆盖并直接接触芯22的顶表面和底表面。

图1的复合结构各自具有上覆芯的选定表面部分的单个纤维增强区。在复合结构10中，纤维增强区16被布置在芯12的增加厚度的中心区域上。纤维增强区16完全覆盖中心区域的基本上水平部分，并且进一步在每侧上的基本上垂直部分上方延伸。在类似的布置中，纤维增强区36覆盖芯32的中心区域的基本上水平部分，连同每侧上的基本上垂直部分的部分。实用通道结构20具有纤维增强区26，该纤维增强区定位在结构20的中心处并覆盖U形的水平中心部分。纤维增强区26略微延伸经过实用通道的水平部分以上覆弯曲区域，该弯曲区域开始转变为每侧上的基本上垂直部分。

纤维增强区向复合结构的选定区域提供附加的强度和增加的刚度以抵抗弯曲力和扭转力。如图1所示，纤维增强区定位在每个复合材料的中心区域上，并且具体地定位在中心区域的基本上水平部分上。沿水平中心部分选择性地定位纤维增强区提供了在复合材料的中心质量处的增加刚度，在复合材料10、30的情况下，该中心质量为最大芯厚度的区域。增强纤维区域可直接定位在芯材料上或直接定位在上覆芯材料的纤维层上。复合材料10、30具有与芯12、32的顶表面直接接触的纤维增强区16、36，而复合结构20具有直接定位在上覆芯22的纤维层23的顶部上的单个纤维增强区。

纤维增强区可能以上述方法应用于纤维层中的纤维。在一个示例中，纤维增强可能以施加到芯或纤维层的贴片、带材、条或线路的形式。纤维增强区在芯材料或纤维层的整个表面上可为对称的或非对称的(即不对称的)。例如，纤维增强区可在其整个表面上具有不同宽度或厚度的部分。在一个或多个实施方案中，复合结构的增加厚度的中心区域或脊可为沿复合结构的长度或宽度成角度或弯曲的非直线区。为了跟随增加厚度的中心区域(例如，上升至最顶部点)或脊，纤维增强区在形状上可为非对称的，其可符合待增强区域的轮廓。

纤维增强区(例如，26、36)可由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等或它们的组合制成。纤维可具有任何合适的长度并且可以单向纤维束供应。纤维的长度可基本上彼此相等或可变化，使得长度在整个增强区中为随机的。纤维的长度优选地大于50mm以向复合材料的选定区域赋予增加的刚度。增强纤维可能以多种方式布置，例如以单向/对准或织造(例如，方平组织)图案。可使用多层单向纤维，例如，每层单向纤维可布置在相对于下面的纤维增强层平行、成角度或垂直的位置处。另选地，纤维可以是不连续的(例如，不同长度的纤维)并且呈现为随机或不均匀的图案。

纤维增强区可能以多种方式定位在纤维层或芯材料上。在一个或多个实施方案中，可将单向纤维施加到复合结构的基本上水平的中心区域(例如，增加厚度的区域)上，使得单向纤维垂直于中心区域或脊的长度铺设。在其他实施方案中，可施加纤维以与基本上水平的中心区域的长度平行或成角度(例如，45度角)地铺设。在其他实施方案中，可在任何方向上施加随机取向的不连续纤维以增强复合结构的选定区域。

当施加到纤维层或芯材料时，可将可固化材料施加到一个或多个纤维增强区上。可固化材料可以是用于嵌入纤维层(例如，纤维层13、14)的纤维的相同可固化材料。例如，材料可包括组分的混合物，例如热固性材料、热塑性材料、硬化剂、催化剂、填料以及它们的任何组合。可固化材料可包括环氧树脂、聚氨酯、聚醚醚酮、聚乙烯、或它们的组合。可将可固化材料(例如，树脂)喷涂、倾倒、铺展、辊涂、刷涂或压延到纤维增强区上，以将纤维嵌入可固化材料中，从而形成预成形复合材料。在加热条件下，可模制预成形复合材料(例如，在压缩模具中)以形成复合结构的最终形状。

在形成时，复合结构可附接或结合在一起以形成模块化复合结构。如图1所示，复合结构10、30用粘合剂2粘附到复合结构20的每个端部。可使用任何合适的粘合剂，例如环氧树脂。将粘合剂施加到复合结构的外表面，例如纤维层24或13的暴露表面。优选的是，复合结构永久性地彼此附接以确保模块化复合结构在使用期间的结构完整性。虽然未示出，但可使用其他紧固件来代替粘合剂，例如，螺钉、卡扣、铆钉、夹具、螺栓或夹子。

可将附接设备、紧固件或其部件模制到复合结构之中或之上以适应附接或锚固到另一个结构，诸如车辆的框架或主体或相邻复合结构。一个或多个附接设备、紧固件或其部件可与复合结构和任何期望的位置(例如，靠近或在端部区处)模制在一起。作为插入件，一个或多个附接设备或部件可定位在芯材料和纤维层或表皮之间，并且与复合结构一起模制以提供用于将复合材料固定到另一个结构的附接区域。在一个示例中，紧固件部件可在将纤维和树脂施加到芯的表面之前定位在芯材料上以将紧固件部件布置为复合结构插入件。作为插入件，附接件或紧固件或其部件可定位在上覆芯材料的纤维层(例如，24、13)或纤维增强区(例如，26、16)的表面上，使得附接设备或部件形成于复合结构的外表面上。使用插入件或插入件附接部件可减小对用于将复合结构固定到其他部分的粘合剂的需要。

在图2和图3中，示出了复合结构的各种实施方案。在图2中，复合结构10包括夹置在两个纤维层13、14之间的芯12，如上文在图1中描述。纤维增强区16在复合材料10的中心区域处布置在纤维层13和芯12之间。复合结构10的每个端部包括不含芯材料的区，使得纤维层13、14两者延伸经过芯并彼此接触以形成仅包括层合纤维层19的端部区。端部纤维层19提供可用于将复合结构10锚固或附接到另一个部分或结构的刚性且实心的区。在另一个实施方案中，如图3所示，复合结构10可具有纤维层13、14之间的延伸到结构的两个端部的芯12。与图1的复合结构相比，芯12在每个端部处不被部分地压扁而是具有均匀的厚度。如图所示，芯材料连同两个纤维层13、14是开放的，并且在复合结构10的每个端部处暴露。尽管未示出，但图2和图3的复合结构的端部区可包括如上所述的用于将结构固定到其他部分或复合材料的粘合剂或附接装置。

图4示出了复合结构的另一个实施方案。复合结构10包括夹置堆叠芯的纤维层13、14。如图所示，芯分成三层。下芯12沿着复合结构10的整个长度延伸，其中下芯12的两个端部被部分地压扁以形成可附接到其他结构的较薄端部区。除了增加厚度的中心区域之外，纤维层13、14与下芯12的上表面和下表面直接接触。复合结构10的增加厚度的中心区域由在下芯12的顶部上堆叠在一起的附加芯16、17形成。中芯17上覆下芯12并且上芯16上覆中芯17，以在结构10的中心处形成增加厚度的局部区域。如图所示，纤维增强区16上覆上芯16和中芯17的一部分。上纤维层13上覆纤维增强区以形成结构的上表面。中芯16和上芯17可由与下芯12相同的材料构成，或者任选地，芯16、17可由不同的材料制成。多个芯可直接堆叠在彼此上，其间没有中间层或材料。在一个或多个实施方案中，芯可用常规粘合剂粘附在一起以确保芯固定在适当位置。

如本文所用，复合结构的增加厚度的局部区域可用堆叠在一起的多个芯来实现。可使用任何数量的芯，例如，可将2至10个、3至8个或4至6个芯堆叠在一起以在复合结构中形成具有增加厚度的中心区域。芯可为任何类型(例如，蜂窝结构、泡沫)并且由如上所述的材料(例如，塑料、纸材、粘弹性泡沫)等制成。在一个或多个实施方案中，

在图5中示出了第二模块化复合结构80。模块化复合结构80包含彼此附接的三个复合结构50、60、70。复合结构50和70为底板盘区段，并且分离底板盘区段的复合结构60为例如可用于容纳传动部件的U形实用通道。

复合结构50具有肋状芯52，该肋状芯具有覆盖有纤维层53并与该纤维层直接接触的顶表面。纤维层53延伸经过肋状芯52的一个端部并形成用于将复合结构50结合到另一个复合结构(例如，结构60)的附接部分。如图所示，纤维层53在未附接到复合结构60的相对端部处延伸到肋状芯52的端部。在一个端部处，肋状芯52具有端盖54。在复合结构的端部上设置一个或多个端盖可减小或消除附加修剪，以在模制步骤之后移除碎屑或倒钩。端盖还用于保护在复合结构的端部处暴露的纤维层边缘和芯材料。在一个或多个实施方案中，端盖54可由用于形成肋状芯52的相同材料(例如，热塑性片材形成材料)制成。在模制步骤之前，端盖可通过在复合结构的一个或多个端部处构建热塑性材料(例如，聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯)块来形成。热塑性材料可包含如上所述的分散或布置的纤维，例如玻璃纤维。短切纤维或短纤维可与热塑性材料共混，或者较长纤维可在材料中使用和配混。

在一个实施方案中，端盖54可通过常规方法形成，例如以直接纤维热塑性模制过程形成。在该方法中，可将热塑性材料与纤维配混并且然后模制在一起。在直接长纤维热塑性模制操作中，可控制与热塑性材料混合的纤维的长度。在一个示例中，可将热塑性化合物在注塑机的圆筒中混合并加热以熔融化合物，其中将长玻璃纤维拉过模具并用热塑性材料涂覆或浸渍。增强材料的挤出部分可被短切或制粒并且用于构建端盖以与复合结构模制在一起。

如图所示，图5中的肋状芯52的底表面52a是暴露的并且不被其他材料覆盖。肋状芯52具有带增加厚度的隆起中心区域。中心区域具有基本上水平部分，其由两个成角度的侧面侧接。纤维增强区56上覆纤维层53并覆盖肋状芯52的增加厚度的中心区域的基本上水平区域。纤维增强区56略微延伸经过中心区域的水平部分以上覆弯曲区域，该弯曲区域开始转变为每侧上的成角度部分。纤维层53和纤维增强区56可嵌入如上讨论的用于图1所示的纤维层和纤维增强区的聚合物形成组合物中。

图5的复合结构60具有形成实用通道结构的整个U形的单个纤维层63。纤维层63在其中心处具有基本上水平部分，该水平部分定位在两个基本上垂直部分之间，该垂直部分各自终止于水平唇缘以用于将实用通道附接到一个或多个其他复合结构(例如，50、70)。纤维层63的基本上水平的中心部分的底表面粘结到或粘附到肋状芯62，该肋状芯横跨基本上水平部分的整个底表面并且进入纤维层63的弯曲区域中，该弯曲区域转变成基本上垂直部分。肋状芯62的底表面不被材料覆盖并且暴露于结构60的开放实用区域。

复合结构60还具有三个纤维增强区66、67和68。纤维增强区可由纤维和材料以及其布置组成，如上文针对图1的复合结构讨论的。如图所示，纤维增强区66覆盖并直接接触实用通道60的纤维层63的基本上水平部分，并且连同纤维层63的弯曲区域的一部分，该弯曲区域转变成每侧上的垂直部分。纤维增强区67和68在基本上垂直部分的底部和两个水平唇缘部分的开始处的弯曲区域处直接定位在纤维层63上。在结构60的一侧上，靠近纤维增强区67的两侧或两个端部，纤维层53的一个端部通过粘合剂81附接到纤维层63的基本上垂直部分。在纤维层63的一个端部处，靠近肋状芯52的端部，粘合剂81将复合结构60固定到纤维层53的底表面。同样，在结构60的相对端部处，靠近纤维增强区68的两侧或两个端部，纤维层73的一个端部通过粘合剂81附接到纤维层63的基本上垂直部分。靠近肋状芯72的端部，附加粘合剂81将纤维层63的端部固定到纤维层73的底表面。三个复合结构的附接形成模块化复合结构80。复合结构的附接可任选地通过常规紧固件来实现，例如，结构的端部可被模制有紧固件或紧固件部件以有利于附接到其他复合结构或车辆的车身或框架。

复合结构70具有肋状芯72，该肋状芯具有未被其他材料覆盖的暴露底表面72a以及沿其整个长度完全被纤维层73覆盖并与该纤维层直接接触的顶表面(例如，第一表面)。肋状芯72具有带增加厚度的隆起中心区域。中心区域具有基本上水平部分，其由两个成角度的侧面侧接。纤维增强区76上覆纤维层73并覆盖肋状芯72的增加厚度的中心区域的基本上水平区域。纤维增强区76略微延伸经过中心区域的水平部分以上覆弯曲区域，该弯曲区域开始转变为每侧上的成角度部分。在一个端部处，纤维层73延伸经过肋状芯72的端部并且形成附接部分(例如，使用粘合剂81)以将结构70固定到另一个复合结构。如上所述，纤维层73和纤维增强区76可嵌入如上讨论的用于图1所示的纤维层和纤维增强区的聚合物形成组合物中。在结构70的相对端部处，纤维层73延伸到肋状芯72的端部并终止于端盖74中。端盖74可由热塑性材料形成，任选地具有纤维，如上文相对于端盖54所述。

模块化结构复合材料80的肋状芯可由可模制成期望形状的热塑性材料制成。优选地，与常规复合层合构造相比，肋状芯通过较便宜的材料实现等效的刚度。用于肋状芯的热塑性材料或树脂可在加热下以低压力或中等压力进行模制。例如，可将以长纤维的形式的热塑性材料(例如，松散缠结的纤维材料)施加到形成复合材料的纤维层的纤维垫(例如，玻璃纤维垫或玻璃垫热塑性材料)。可在压机中将热塑性材料的长纤维模制成期望的芯形状，连同纤维层的固化以及粘结到所形成的芯形状。除了肋状设计之外，可根据需要将芯材料模制成其他形状，例如开放形状(例如，矩形或正方形)的晶格或网格的阵列。作为模制步骤(未示出)的一部分，可将一个或多个紧固件集成到芯或纤维层中以有利于将结构附接到其他复合结构。

虽然本文已经公开了组合物和方法的多个方面和实施方案，但是其它方面和实施方案对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。本文公开的多个方面和实施方案是出于说明的目的，而并非旨在限制，其真实范围和实质由权利要求指示。

Claims (23)

1.一种模块化复合结构，所述模块化复合结构包括：

a.第一模制复合芯结构，所述第一模制复合芯结构包括

i.第一芯，所述第一芯包括第一表面，所述第一芯的所述第一表面粘结到嵌入第一聚合物中的第一纤维层，所述第一芯包括沿其长度的增加厚度的中心区域；

ii.第一纤维增强区，所述第一纤维增强区上覆所述第一芯的所述增加厚度的中心区域的第一表面的一部分；

b.第二模制复合芯结构，所述第二模制复合芯结构包括

i.第一纤维基底，所述第一纤维基底包括嵌入第二聚合物中的纤维，所述第一纤维基底粘结到第二芯的第一表面；

ii.第二纤维增强区，所述第二纤维增强区粘结到并上覆所述第一纤维基底的一部分；

其中所述第一模制复合芯结构附接到所述第二模制复合芯结构。

2.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一纤维增强区上覆所述模制复合芯结构的所述增加厚度的中心区域。

3.根据权利要求2所述的模块化复合结构，其中所述增加厚度的中心区域包括上覆所述第一芯的附加芯。

4.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一纤维增强区嵌入所述第一聚合物中，并且所述第二纤维增强区嵌入所述第二聚合物中。

5.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一纤维增强区上覆所述第一纤维层，并且所述第一纤维层的一部分与所述第一芯直接接触。

6.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一纤维层上覆所述第一纤维增强区，使得所述第一纤维增强区的一部分与所述第一芯直接接触。

7.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述模块化复合结构包括第三模制复合芯结构，所述第三模制复合芯结构附接到所述第二模制复合芯结构，使得所述第二模制复合芯结构将所述第一模制复合结构和所述第三模制复合结构分开。

8.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一模制复合芯结构为车辆的下部结构部分。

9.根据权利要求8所述的模块化复合结构，其中所述第一模制复合芯结构为底板盘部分，并且所述第二模制复合芯结构为车辆的U形实用通道。

10.根据权利要求7所述的模块化复合结构，其中所述第三模制复合芯结构为底板盘部分。

11.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一芯是分段的，所述第一芯包括第一芯部分和第二芯部分。

12.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一芯结构为肋状芯，其中所述肋状芯包括不与纤维层接触的自由第二表面。

13.根据权利要求12所述的模块化复合结构，其中所述肋状芯包括模制热塑性树脂。

14.根据权利要求1所述的模块化复合结构，其中所述第一芯为实心热塑性材料。

15.一种用于车辆的模块化复合下部结构，所述模块化复合下部结构包括：

a.第一模制复合底板盘结构，所述第一模制复合底板盘结构包括

i.第一芯，所述第一芯包括第一表面和沿其长度的增加厚度的中心区域；

ii.所述第一芯的所述第一表面，所述第一芯的所述第一表面粘结到嵌入第一聚合物中的第一纤维层；

iii.第一纤维增强区，所述第一纤维增强区嵌入所述第一聚合物中，所述第一纤维增强区上覆所述第一芯的所述增加厚度的中心区域的一部分；

b.U形实用结构，所述U形实用结构包括

i.第二芯，所述第二芯包括第一表面；

ii.第一纤维基底，所述第一纤维基底包括嵌入第二聚合物中的纤维，所述第一纤维基底粘结到所述第二芯的所述第一表面，并且所述第一纤维基底包括水平中心部分以及在所述水平中心部分的每侧上的两个基本上垂直部分；和

ii.第二纤维增强区，所述第二纤维增强区粘结到并上覆所述第一纤维基底的所述水平中心部分；

其中所述第一模制复合底板盘结构附接到所述U形实用结构。

16.根据权利要求15所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述第二纤维增强区延伸以上覆所述两个基本上垂直部分中的一部分。

17.根据权利要求15所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述U形实用结构包括第一端部和第二端部，所述U形实用结构的所述第一端部附接到所述第一模制复合底板盘结构。

18.根据权利要求17所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述U形实用结构的所述第二端部附接到第二模制复合底板盘结构，其中所述U形实用结构将所述第一模制复合底板盘结构与所述第二模制复合底板盘结构分开。

19.根据权利要求15所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述第一芯是分段的，所述第一芯包括第一芯部分和第二芯部分。

20.根据权利要求15所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述第一芯是肋状芯，其中所述肋状芯包括未粘结到另一个层的自由第二表面。

21.根据权利要求20所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述肋状芯包括模制热塑性树脂。

22.根据权利要求15所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述第一芯的所述增加厚度的中心区域包括水平表面部分以及在所述水平表面部分的每侧上的两个基本上垂直表面，所述第一纤维增强区上覆所述增加厚度的中心区域的所述水平表面部分。

23.根据权利要求15所述的用于车辆的模块化复合下部结构，其中所述第一芯由实心热塑性材料组成。

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