CN1714013A - 含延展金属元件的冲击梁 - Google Patents

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Abstract

冲击梁(101，102，103)包括聚合物基体，优选GMT和金属增强结构(106)，所述金属增强结构(106)包括至少一种延展的金属元件如线材、绳索或金属板。延展的金属元件断裂时的塑性伸长率大于3％。

Description

含延展金属元件的冲击梁
发明领域
本发明涉及含聚合物基体和金属增强结构的冲击梁。
发明背景
目前已知的冲击梁包括用玻璃纤维或其它聚合物纤维增强的聚合物基体。
冲击梁也可包括金属部件，该金属部件通常位于其中冲击梁接收压缩负载的位置上。US-A-5290079给出了这种冲击梁的实例。在US-A-5290079中，冲击梁还包括织造的线网，该线网用于改进冲击梁的韧性和挠性。
目前已知的冲击梁一般具有的缺点是，它们倾向于在冲击位置处断裂成许多部分，或扩散到数个小的颗粒内，这些小颗粒朝向冲击梁周围的物体突出。这可引起对下面物体的进一步的损坏。
此外，存在的倾向是，单位体积的冲击梁吸收较高的冲击能量，或降低能吸收相同量的冲击能量的冲击梁的体积和可能的价值。
发明概述
本发明的一个目的是提供冲击梁，它克服了现有技术的缺点。本发明的另一目的是提供冲击梁，所述冲击梁在冲击过程中具有降低的破碎或扩散可能性，同时能吸收增加量的冲击能量。本发明的又一目的是提供冲击梁，它能吸收要求量的能量，同时具有降低的重量和/或体积。
发现当提供含聚合物基体和金属增强结构的冲击梁时，可获得这种冲击梁，其中所述金属增强结构本身包括至少一种延展的金属元件。这种延展的金属元件，例如是金属线、金属绳股、金属绳索、金属钢丝、一束金属线或成形金属线、金属长条或金属板，可能地，穿孔的金属板或长条。根据本发明，这种延展的金属元件断裂时的塑性伸长率大于3％，更优选大于5％，或甚至更优选大于10％。
优选地，延展的金属元件断裂时的弹性和塑性伸长率大于10％或甚至大于15％或大于20％。优选通过使用韧性金属合金，如优选低碳钢合金，来获得这种该弹性和塑性伸长率。低碳合金要理解为含平衡量Fe和小于0.7％C，最优选小于0.5％C的合金。
延展金属元件的拉伸强度优选小于2500Mpa或小于2000Mpa，或甚至小于1500Mpa或小于1000Mpa。
每一延展的金属元件优选具有截面积大于7.9×10-3mm2，更优选大于10-2mm2或甚至大于2×10-2mm2的截面。
此处所使用的“弹性”和“塑性”之和要理解为在其负载伸长曲线上测量的延展金属元件总的伸长率减去可能的“结构”伸长率。
本领域一般已知的是，金属元件的负载伸长曲线的特征在于弹性伸长区在塑性伸长区之前。
弹性伸长区由在其下端通过曲线的起点(伸长率为0％)和在其上端通过曲线的屈服点处的伸长率来限定。这一屈服点(也称为Rp02)定义为负载伸长曲线与下述直线的交点的拉伸强度，所述直线的斜率等于金属的弹性模量E且在伸长率为0.2％时与横坐标具有交点。
塑性伸长区由在其下端通过伸长区的上限和在其上端通过金属元件断裂时的伸长率来限定。
可能地，金属元件可具有第三个伸长区，即“结构伸长区”，它在弹性伸长区之前的最低负载和伸长率下出现。在这种情况下，结构伸长区由在其下端通过曲线的起点(伸长率为0％)和在其上端通过横坐标与根据杨氏定律的线的交点时的伸长率来限定。在这一情况下，弹性伸长区由在其下端通过横坐标与根据杨氏定律的线的交点时的伸长率和在其上端通过曲线的屈服点处的伸长率来限定。这一屈服点(也称为Rp0.2)定义为负载伸长曲线与下述直线的交点的拉伸强度，所述直线的斜率等于金属的弹性模量E且在伸长率为0.2％时与横坐标具有交点，所述伸长率包括在横坐标与根据杨氏定律的线的交点处的伸长率。
杨氏定律的线定义为：
(σ＝E*ε)
E是负载伸长曲线的弹性伸长区的E模量，这通常是本领域公知的。以这一方式画线，使得该线与弹性伸长区的直线部分的偏离最小。在不存在结构伸长率的情况下，这条线在曲线的起点处与横坐标相交。
结构伸长率，如果有的话，是例如：
-在延展金属元件是绳股、绳索或钢丝情况下，在拉伸负载的过程中，在该结构允许绳股、绳索或钢丝的长丝彼此相对移动的情况下，绳股、绳索或钢丝结构的结果；
-可能的预成形，例如延展金属元件本身给出的波纹的结果；
-在延展金属元件是绳股、绳索或钢丝结果的情况下，包括在延展的金属元件内的金属长丝给出的可能的预成形的结果；
获得结构变形和结构伸长率的这种方式的出现可辅助在冲击梁生产过程中改进金属增强结构的变形。此外，预成形可改进聚合物基体和金属增强结构的机械固定。
优选屈服点Rp0.2大于0.85倍的RM，RM是延展的金属元件断裂时的拉伸强度。最优选Rp0.2在0.85*RM到RM范围内。优选地，延展的金属元件的弹性模量大于聚合物基体的弹性模量，最优选延展的金属元件的弹性模量大于60Gpa或甚至大于200Gpa。
金属增强结构包括至少一种，但优选大于一种延展的金属元件。这些延展的金属元件可以基本上彼此平行。在延展的金属元件是金属线、金属绳股、金属绳索、金属钢丝、成束金属线、成形金属线或金属长条的情况下，延展的金属元件可掺入到金属增强结构内，所述金属增强结构是织造、编织或针织结构，它可包括在延展的金属元件附近的其它元件如玻璃或聚合物纱线。
在延展的金属元件是金属板的情况下，金属板优选穿孔或由所谓的拉伸金属制造，为的是确保在聚合物基体与金属增强结构之间良好的固定。
可能地，使用延展金属元件提供焊接的网状物。或者，可首先用聚合物层涂布一种或数种延展的金属元件，并彼此层压，从而提供网状结构，所述网状结构在两个不同方向上具有延展的金属元件，总是在层压体的同侧上交叉，或在层压体的两侧上交替。
优选地，这一金属增强结构存在于冲击梁的位置处，在冲击过程中在所述位置处经历拉伸负载，该位置是冲击梁表面的相反侧，容易遭受冲击力。
发现当延展的金属元件用于提供作为本发明主题的冲击梁时，作为空穴形式的冲击梁，和尤其金属增强结构可以吸收的冲击能量量，足以保护底层结构。但延展的金属元件的较大的塑性伸长率，允许冲击梁在较大程度上弯曲。这一较大的延伸引起在靠近冲击点的聚合物材料上不那么高的压缩力。由于在冲击点处的这些压缩力引发聚合物断裂和聚合物材料扩散，因此在冲击过程中作为本发明主题的冲击梁的完整性显著改进，这是因为由于延展的金属元件的较大的伸长率导致压缩力下降。
此外，由于金属增强结构和延展的金属元件的这一较大的延伸，延展的金属元件在较大程度上朝向冲击方向。与包括在断裂时具有低的伸长率但较高拉伸强度的延展的金属元件的冲击梁相比，这导致在轴向上延展的金属元件更加重要的负载。
最后，优选延展的金属元件的拉伸强度限制到小于2500Mpa。按照这一方式，在冲击梁上的冲击过程中，在冲击梁上安装的物体的减速水平被限制到可接受的水平下，同时仍然提供冲击梁充足的刚度和提供冲击梁充足的冲击吸收容量。与延展的金属元件的显著较高的弹性模量，例如大于200Gpa结合，可最大化所吸收的能量。
作为本发明主题的冲击梁进一步包括聚合物基体，所述聚合物基体优选选自热塑性半晶聚合物，如聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯以及这些材料的共混物，或热塑性弹性体，例如聚酰胺或聚烯烃基热塑性弹性体，如聚酯酰胺、聚醚酯酰胺、聚碳酸酯-酯酰胺或聚醚嵌段酰胺或热固性聚合物，例如聚酯、环氧、乙烯酯、酚醛树脂、三聚氰胺基热塑性聚合物。
聚合物基体可进一步包括玻璃纤维或碳纤维和/或矿物纤维填料，以增强体积层。纤维可以是无规、单向、双向或多向、短切或那些纤维的结合。可通过添加这种纤维或填料限制聚合物基体的塑性伸长率到仅仅4％。
可能地，延展的金属元件首先与聚合物层(下文称为“包埋层”)一起层压或挤塑。包埋层的聚合物材料优选选自热塑性半晶聚合物，如聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯以及这些材料的共混物，或热塑性弹性体，例如聚酰胺或聚烯烃基热塑性弹性体，如聚酯酰胺、聚醚酯酰胺、聚碳酸酯-酯酰胺或聚醚嵌段酰胺。
优选地，微调冲击梁的形状，聚合物基体和延展的金属元件的性能，为的是最大化所吸收的冲击能量。
作为本发明主题的冲击梁可例如用作车辆的车身部件，例如支持车辆如小汽车、公共汽车或卡车的软质保险杆。它也可用于改进车辆车身的其它元件对冲击力的耐冲击性。作为本发明主题的冲击梁可用于制造更耐冲击的例如门、框架、机罩或排汽管和或交叉梁。熟练本领域的技术人员理解可调节作为本发明主题的冲击梁的截面形状，以及冲击梁的外部形状用于冲击梁。
作为本发明主题的冲击梁可吸收冲击能量并保护车辆的其它元件防止损坏。作为本发明主题的冲击梁还防止聚合物基体的颗粒损坏车辆的周围元件，这是因为可确保在冲击之后冲击梁的完整性。
作为本发明主题的冲击梁也可用于防护阻挡或其它冲击吸收应用。
附图简述
参考附图，更详细地描述本发明，其中
-图1a和图1b图示了作为本发明主题的冲击梁。
-图2a和图2b示出了在冲击负载下测量所吸收的能量的试验装置。
-图3示出了在作为本发明主题的冲击梁和不具有延展金属元件的冲击梁上使用图2的试验装置获得的负载位移曲线。
本发明优选实施方案的详细说明
图1a和图1b图示了作为本发明主题的冲击梁的截面基本上为具有两条平行的腿101和102和与那两条腿垂直的侧面103的U形断面。冲击梁容易在侧面103上遭受冲击力。在远离侧面103的腿的外截面，每条腿具有其中提供延展的金属元件106的增强区域104和105。如图1b所示，增强区域在冲击力的整个长度L上延伸。
选择实施方案的尺寸，其方式使得延展的金属元件的累积体积是冲击梁总体积的5.42％。作为实例：
H＝100mm
D＝100mm
T1＝T2＝10mm
所使用的延展的金属元件选自所谓的低碳钢，其E模量为210Gpa，弹性伸长率为0.26％，和塑性伸长率为至少5％，例如8％，和拉伸强度RM为600Mpa。它们以独立的线材形式提供，例如为2.1mm直径的21根线材，或它们可以以一根或多根由许多线材组成的绳索的形式提供。在不含波浪的单根线材的情况下，得不到结构伸长率。在使用线材的绳索情况下，为了改进延展的金属元件和聚合物材料的机械固定，可优选开放的绳索结构。可获得绳索的结构伸长率。
作为聚合物基体，优选使用GMT，所述GMT包括热塑性玻璃纤维增强的聚合物。最优选的聚合物材料是聚丙烯。GMT包括例如约30％的玻璃纤维和E模量为2.5Gpa。
选择U形断面的长度为1400mm。
为了比较作为本发明主题的冲击梁，比较图1a和图1b所示的冲击梁与具有相同尺寸，但区别仅仅在于不使用延展的金属元件增强的事实的冲击梁。后者在下文被称为“非增强的冲击梁”。
如图2a和图2b所示支持冲击梁。冲击梁201在两个点205处被2个支持件202支持，这两个支持件202彼此的距离207为1000mm。冲击梁在离正面侧206最远的腿的外端204处与支持件202接触。用箭头203表示的冲击力施加在正面侧206的中心上。
使用1500kg的质量，对这两个冲击梁进行冲击。观察到使用1.44km/h的冲击速度时，未增强的冲击梁出现故障。聚合物材料在该冲击梁的腿的外部端204处出现故障，这是由于拉伸应力超过最大可允许的拉伸应力所致。腿的外部端204伸长大于2％，这是GMT的极限。图3示出了负载位移曲线。
该曲线表明，以牛顿为单位表达的施加力F(作为纵坐标)与以mm为单位表达的正面侧206的位移d之间的关系。曲线301示出了未增强的冲击梁的关系。冲击梁吸收120焦耳(曲线301上方的表面)。在26.5mm的位移和约6000N的力下，冲击梁出现故障，这是因为在腿的外侧GMT断裂，其中所述腿的外侧经历最大拉伸负载。
对作为本发明主题且具有图1性能的冲击梁进行相同的试验。使用2.13km/h的冲击速度和1500kg的冲击质量，当在20000N下的位移为20.9mm时，GMT出现故障。然而，如图3所示，来自作为本发明主题的冲击梁，在曲线302下方的表面，已经达到262焦耳的吸收能量。通过调节所使用的延展的金属元件的拉伸强度，防止了GMT的过度故障。在该点处，延展的金属元件优选达到其RP0.2，结果开始塑性流动。对于所给出的实施例，可选择500Mpa的RP0.2。当RP0.2/RM为83.3％时，冲击力受到限制，结果获得可接受的减速。这与作为本发明主题的延展的金属元件的长的塑性伸长率(在该实施方案中为大于3％)结合可显著增加额外吸收的能量。总之，在塑性伸长率为5％时可吸收大于5250焦耳。在这一情况下的位移是至少240mm。这在曲线302的第二部分303中示出。
显然，当该冲击梁用作例如保险杆梁时，在保险杆梁的GMT出现故障之前可吸收的能量得到改进。和甚至更重要的是，在聚合物出现故障之后，冲击梁仍继续吸收能量，结果进一步保护后面的其余结构。

Claims (14)

1.一种冲击梁，它包括聚合物基体和金属增强结构，所述金属增强结构包括至少一种延展的金属元件，其特征在于，所述延展的金属元件断裂时的塑性伸长率大于3％。
2.权利要求1的冲击梁，所述延展的金属元件的拉伸强度RM小于2500Mpa。
3.权利要求1-2任何一项的冲击梁，所述延展的金属元件的弹性模量大于所述聚合物基体的弹性模量。
4.权利要求3的冲击梁，所述延展的金属元件的弹性模量大于60Gpa。
5.权利要求1-4任何一项的冲击梁，所述延展的金属元件的Rp0.2大于0.85×RM。
6.权利要求1-5任何一项的冲击梁，所述延展的金属元件断裂时的弹性与塑性伸长率大于10％。
7.权利要求1-6任何一项的冲击梁，所述延展的金属元件选自金属线、金属绳股、金属绳索、金属钢丝、一束金属线、成形金属线、金属长条或金属板。
8.权利要求1-7任何一项的冲击梁，所述延展的金属元件的截面积大于7.9×10-3mm2。
9.权利要求1-8任何一项的冲击梁，所述延展的金属元件出自于钢合金。
10.权利要求9的冲击梁，所述钢合金包括平衡量的Fe和小于0.7％的C。
11.权利要求1-10任何一项的冲击梁，所述金属增强结构是包括所述延展的金属元件的织造、编织或针织、焊接或层压的结构。
12.权利要求1-11任何一项的冲击梁，所述聚合物基体是热塑性半晶聚合物。
13.权利要求1-11任何一项的冲击梁，所述聚合物基体是热固性聚合物。
14.前述任何一项权利要求的冲击梁作为车辆的车身部件的用途。
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