JP2012500142A - 形成可能な軽量複合材 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1A、1B
Description
本出願は、米国仮出願番号61/089,704(2008年8月18日に出願された)および61181,511(2009年5月27日に出願された)への米国の出願日の利益を請求する。その全ての内容は、引用することによって本明細書に組込まれる。
第1層に配置されたポリマー層;およびポリマー層内に分配された金属繊維;ここで、ポリマー層は、ポリマーを含んでいるポリマー材料を含んでおり、該ポリマーは、ASTM D638-08によって測定される、約0.1s-1の伸歪率で少なくとも約20%欠乏した伸長度を有しており;その結果、結果として生じる合成材は、溶接(例えば、技術分野において開示されている、抵抗溶接方法によって)し、約0.1s-1より大きな歪率で可塑変形(例えば、その結果、破裂、剥離、及び/又は分裂のない、技術分野において開示されている、金属スタンピング操作によってスタンプ(プレス加工)され得る)し、または、その両方を生じる。より好ましくは、ポリマー層は、第1金属層と第2金属層の間にはさまれる。
一例として、ポリマー層の繊維充填材の使用は、合成材製作を促進すると考えられる。また、驚くほど低い濃度のものは、本明細書において有益な結果を達成するために使用することができる。驚いたことに、本明細書に教示されている材料の選択および組み合わせは、類似の形態(例えば金属シート)の従来の金属構造物よりも単位容量当たり少ない金属を利用可能にし、一方で、まだ比較可能な特性および特徴を示す。当業者が予想外の材料の組み合わせで直面する問題は、回避される。この点で、予測される材料のいくつかの行動特性は、驚くほど回避され、結果として生じる合成材、または両方で有利に使用される。結果として生じるラミネートは、従って、現存資料の差し替え代替物である魅力的な候補を与え、例えば、それらは、工具を入れ替えるか、又は、かなり加工条件変更する、供給源のかなりの投資の必要なしに、鋼シートの代わりに使用することができる。
ポリマー層は、充填ポリマー(例えば金属繊維のような補強繊維により充填された熱可塑性ポリマー)を、一般に含み、又は、それらのものから本質的に成るものでもよい。
今、本明細書で使用するポリマーの特定の実施例により多くの注意を払うと、充填ポリマー材料に用いられるポリマーは、好ましくは、熱可塑性ポリマー(ピーク融解温度(ASTM D3418-08によって測定された)、50℃(好ましくは約80℃よりも高い、なお好ましくは約100℃よりも高い、なお好ましくは約120℃より高い、より好ましくは約160℃よりも高い、さらに好ましくは180℃よりも高い、そして最も好ましくは約205℃よりも高い)グラス遷移温度(ASTM D3418-08によって測定された)の何れかを有している)を含む。熱可塑性ポリマーは、約300℃未満、約250℃未満、約150℃未満、約100℃未満の、ピーク融解温度、グラス遷移温度、またはその両方を有していてもよい。それらは、室温で少なくとも、部分的に結晶、または室温で実質完全にガラス質、であってもよい。適切なポリマー(例えば適切な熱可塑性ポリマー)は、以下の張力特性(0.1s-1の公称歪率でASTM D638-08によって測定された)の1つまたは任意の組み合わせを特徴とすることができる。即ち、約30MPa(例えば、約750MPaより大きい、または約950MPaより大きな)より大きな引張係数(例えばヤング率);工学引張強さ(すなわちσe)、正確な引っ張り強さ(すなわちσt、ここで、εeが工学負荷である場合、σt=(1+εe)σe)、またはその両方が、約8MPaより大きな(例えば、約25MPaより大きな、約60MPaより大きな、さらに約80MPaより大きな)ものであり;あるいは、少なくとも約20%(例えば少なくとも約50%、少なくとも約90%、または少なくとも約300%)の破断時の可塑的伸長;の1つまたは任意の組み合わせを特徴とすることができる。別段の定めがない限り、用語「引張強さ」は、工学引張強さを指す。
(L2-1/L)
ここで、Lは、拡張比率、すなわち最後と最初の引っ張られている状況での長さ間の比率である(Haward R.N.による論文、Strain Hardening of Thermoplastics, Macromolecules 1993,26, 5860-5869)。
曲線は方程式によって合わされる。即ち、
St=Y+G(L2-1/L)(式1)
ここで、Yは推定降伏応力であり、Gは歪み硬化係数である。
充填ポリマー材料に適しているポリマー(例えば本明細書に記載のサンドイッチ合成材のコア層等のポリマー層)は、比較的高い歪み硬化係数、比較的低い推定降伏応力、またはその両方を有している。ポリマーの歪み硬化係数は、約1MPaより大きく、好ましくは約2MPaより大きく、より好ましくは約4MPaより大きく、そして最も好ましくは、約10MPaより大きいものでもよい。推定降伏応力は、約120MPa未満、好ましくは約80MPa未満、およびより好ましくは約30MPa未満でもよい。Y/G比率は、好ましくは9未満、好ましくは3未満、およびより好ましくは2未満でもよい。
充填ポリマー材料(例えば充填熱可塑性のポリマー層)は、1つ以上の充填材を包含する。充填材は、繊維、および特に金属性の繊維のような補強性充填材でもよい。繊維は、各々の垂直の寸法に対して最長の寸法(例えば直径に対する長さ)のアスペクト比を有し、アスペクト比は、約10より大きく、好ましくは約20より大きく、そして最も好ましくは、約50より大きい。少なくとも繊維の一部(例えば金属繊維の縦方向)は、優先的に配向されてもよく、又は、充填ポリマー材料内で無作為に分散されてもよい。例えば、繊維のうちの少なくともいくつかの全面的な一般的な縦方向は、充填ポリマー材料の任意の層の横方向に対し、優先的に配向された垂線、又は、任意の前記層の横方向に対し無作為に配向されるものでもよい。金属繊維(例えば金属繊維の縦方向)は、前記層の平面内の1、2、またはそれ以上の方向に優先的に配向されてもよく、又は、層の平面内に無作為に配向されてもよい。金属繊維は、任意の層の充填ポリマー材料内に、一様に配されてもく、又は、任意の層の充填ポリマー材料内に、選択的に位置づけられてもよい。図2は、繊維がどのように配されるかの例を図示する。図2は、いくつかが互いにもつれ合って、ポリマーに付けられている、複数の方角で正しい方角に置かれた、複数の繊維を描写する。
議論されるように、本明細書の合成材は、ポリマーコアの集まりが間隔を置いた層により向かい合う側面を守られる、サンドイッチ構造を利用し得ることが予見される。例えば、本明細書の構造は、シートに接してシート間に配置された、金属繊維を強化したポリマーのコア材料を有する、2枚のシートを含み得る。サンドイッチ構造の金属層(例えば第1金属層および第2金属層)は、層を横切って、箔またはシートまたは等しい或いは不等な厚さ(例えば平均厚み)を有する層の形をしている、適切な材料(例えば金属)からなってもよい。各々の金属層は、一般に一定の厚さを有し、または異なる厚さを有してもよい。各側面の面金属(face metal)は、同じ又は異なる特性を有する材料で作られ、同じ又は異なる金属で作られてもよい。金属面が不等な厚さの金属板で作られている場合、材料は異なる特性を有し、または異なる金属を有する。合成材料は、印をつけ、または異なる金属面を同定し、識別する他の手段を有し得る。層は、互いの層に比例して、構成、サイズ(例えば厚さ、幅、量、またはそれ以外のもの)、形状、または他の特徴において、同じ又は異なるものでもよい。
合成材料は、多層のシート(例えば、充填ポリマー材料のコアをサンドイッチする金属のような材料のシートを含む、サンドイッチ構造)の形状をしている。シートは、約30mm未満、好ましくは約10mm未満、より好ましくは約4mm未満、および最も好ましくは約2mm未満;および好ましくは約0.1mmより大きな、好ましくは約0.3mmより大きな、そして最も好ましくは約0.7mmより大きな合計平均値厚さを有し得る。合成材料は、一般に均一厚さを有し、または合成材料は、異なる(例えば1つ以上の方向における無作為または周期的な変化)厚さを有し得る。例えば、厚さにおける変化は、厚さの標準偏差が平均厚みの約10%未満になり得る。厚さの標準偏差は、好ましくは平均厚みの約5%未満、より好ましくは平均厚みの約2%未満、および最も好ましくは平均厚みの約1%未満である。
合成材料は、少なくとも1つの隣接した層(例えば、金属性のシート)に接合され、好ましくは二層(例えば、2つの金属性の層)の間にはさまれ、一つ又は両方の層に接合される、充填ポリマー材料(例えばコア層)をもたらす過程を使用して、製造され得る。その過程は、最終の所望の論説に到着するために、加熱、冷却、変形(例えばスタンピングなどによるような成形)、または結合の工程の1つまたは任意の組み合わせを含み得る。隣接した層(例えば金属層)の少なくとも1つ、又はすべては、ロールシート、鍛造、鋳造、形成された構造体、押出し加工された層、焼結層、またはそれらの任意の組み合わせの形で提供され得ることが予見される。
本発明の合成材料は、造形術で材料を変形する過程などの、適切な成形過程にさらされ、プレス打抜き加工、ロール成形、曲げる、鍛造する、パンチング、伸ばす、巻きつける、幾つかの他の金属細工、またはそれらの任意の組み合わせの工程を含みうる。好ましい成形プロセスは、合成材料をスタンピングする工程を含むプロセスである。スタンピングプロセスは、外気温度で、またはその付近で生じ得る。例えば、スタンピング中の合成材料の温度は、約65℃未満、好ましくは約45℃未満、およびより好ましくは約38℃未満である。成形プロセスは、様々な延伸比に合成材料の領域を延伸させることを含み得る。本発明の1つの態様では、合成材料は、割れ、皺、またはねじれのない、比較的高い延伸比に延伸する工程にさらされる。例えば、合成材料が延伸する工程にさらされ、その結果、少なくとも一部の合成材は、1.2より高い延伸比にまで延伸される。望ましくは、合成材料は、延伸されることができ、また約1.5より高い、好ましくは約1.7より高い、より好ましくは約2.1より高い、そして最も好ましくは約2.5より高い最大延伸倍率に延伸されこるとができるものでもよい。延伸比のクラッキングが生じる限界点は、Weiss et al.(M. Weiss, M. E. Dingle, B. F. Rolfe, and P. D. Hodgson, "The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in Sheet Metal Forming", Journal of Engineering Materials and Technology, 『t(October 2007)t』, Volume 129, Issue 4, pp. 534-535)により記載されているような、環状のカップ図面試験(the circular cup drawing test)を用いて測定されるものであり、これら文献は引用によって本明細書に組み入れられる。成形プロセスは、合成材料に接して、ダイス型(例えば、モールの硬度計によって測定される、硬度(金属繊維の硬度より大きな)を有するダイス型)に圧力を加える工程を含み得る。
合成材料は、ワイスら(M. Weiss, M. E. Dingle, B. F. Rolfe, and P. D. Hodgson, "The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in Sheet Metal Forming," Journal of Engineering Materials and Technology, 『t(October 2007)t』, Volume 129, Issue 4, pp. 530-537)によって記述された、チャネル曲げ加工法(例えば、23℃で)によって試験された場合、約10%未満、好ましくは約8%未満、より好ましくは約5%未満、そして最も好ましくは約2%未満の壁跳返角(wall springback angle)を有し得る。同じ方法によって試験された場合、合成材料は、約2%未満、好ましくは約1.5%未満、およびより好ましくは約1.0%未満のフランジ跳返角(flange springback angle)に特徴化され得る。
本明細書に教示された様々な合成材を使用して作られた溶接継ぎ手は、合成材にわたって微構造の変化を示してもよい。例えば、継手は、各々のシートがフェライトと随意にセメンタイトを含んでいる(例えばパーライト構造体において)場合、別々に間隔が置かれた金属を有する(溶接の側面を守る側で)ように特徴づけられ得る。溶接点はそれ自身、フェライト、カーバイドおよび随意にオーステナイト(例えばbanite構造で)を含むように特徴づけられ得る。材料の長さに沿って進むことで、溶接継ぎ手の側面の位置からの炭素含量が増加してもよい。
<実施例1>
軽量合成材用のコア材料を、平均直径が約3-10μmであり平均長さが約2-4mmの、約45gのナイロン6と約72gのステンレス繊維を、260℃のブラベンダー・プラストグラフ・ミキサー内で、約20rpmの速度で溶解して混合することよって製造する。ナイロン6は、約1.142g/cm3の密度を有しており、鋼は、約7.9g/cm3の密度を有している。約60分間混合した後に、混和物をブラベンダー・ミキサーから取り除く。このように製造されて、実施例1は、約18.8容量%の鋼繊維および約81.2容量%のナイロン6を含み、約2.411g/cm3の密度を有している。
コア材料を、ステンレス繊維の重量が約102gであり、ナイロン6の重量は約40gであること以外、実施例1と同じ方法を使用して、製造する。このように製造されて、混和物は、約26.9容量%の鋼繊維および約73.1容量%のナイロン6を含み、約2.962g/cm3の密度を有している。
コア材料を、ステンレス繊維の重量が約48gであり、ナイロン6の重量は約53.5gであること以外、実施例1と同じ方法を使用して、製造する。このように製造されて、混和物は、約15容量%の鋼繊維および約85容量%のナイロン6を含み、約2.157g/cm3の密度を有している。
コア材料を、ステンレス繊維の重量が約35.4gであり、ナイロン6の重量は約50.6gであること以外、実施例1と同じ方法を使用して、製造する。このように製造されて、混和物は、約10容量%の鋼繊維および約90容量%のナイロン6を含み、約1.816g/cm3の密度を有している。
コア材料を、ステンレス繊維が使用されず、約53gのナイロン6がブラベンダー・プラストグラフ・ミキサーにおいて混合されないこと以外、実施例1と同じ方法を使用して、製造する。比較実施例5は、約1.142g/cm3の密度を有している。
2つの鋼板(各々が約0.20mmの厚さ、約74.2mmの長さ、約124.2mmの幅を有する)とナイロン12を含むサンドイッチパネルを圧縮成形することによって合成材料を製造し、ナイロン12は、金属繊維なしで、金属製平板の間に置かれる。鋼板を、AISA 1008およびASTM A109基準を満たす、第5硬度アルミニウムキルド低炭素鋼(No. 5 temper Aluminum killed) low carbon steel)で作る。表1に示されるように、比較実施例6および7用のコア材料の厚さは、各々約0.30mm、および約0.44mmである。比較実施例6および7は、約250℃の温度および約12000kgの負荷で押込金型を使用して成型された、圧縮である。合成材板の総合密度は、鋼板において使用される鋼の密度より約32-46重量%低い。比較実施例6-7の導通の厚さの電気抵抗率は、1x1010Ω・cmより大きく、これらパネルが遮音特性を有していることを示している。スタンプ(プレス加工)可能だが、モノリシック鋼鉄パネルに対する比較実施例6-7を溶接する試みは、共に溶接しない構造体をもたらす。これらのサンプルは、溶接点が堅く結びつけられているパネルより弱いという点において、溶接試験に失格になる。
実施例8および9は、26.9容量%の鋼繊維および約73.1容量%のナイロン12を含むコア材料が使用されること以外、比較実施例6-7に記載された方法を使用して、サンドイッチパネルを圧縮成形することによって製造された、合成材料である。コア材料における鋼繊維は、約3-10μmの平均直径および約2-4mmの平均長さを有し、約260℃でブラベンダー・プラストグラフ・ミキサーにおいてナイロン12と混合される。コア材料の厚さは、実施例8および9に関しては、それぞれ約0.40mmおよび約0.57mmである。これらのサンプルは表2に示される。合成材板の総合密度は、鋼の密度より約29-36重量%低い。これらの合成材板を、AC抵抗溶接(点溶接)を使用して、厚さが約0.8mmである鋼板に溶接する。良好な溶接(すなわち、溶接されているパネルより強度であり、その結果、溶接されたパネルが力によって分離される場合、溶接ボタン(weld button)を得る溶接)を、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流と8つの溶接サイクル(8 weld cycles)を使用して、得る。これらの状態は、0.8mmの厚さである鋼の2枚の単一体のシートの溶接に必要なものより低い(12.9kA、15の溶接サイクル、600psiの圧力)。各々の溶接サイクルは、約1/60秒であり、溶接するパラメータは、約1つのサイクル(すなわち約1/60秒)の勾配、約10のサイクル(すなわち約1/6秒)の保持時間、および約1秒のスクイズ時間を含む。
実施例10と11は、金属製平板の厚さが各々約0.30mmであり、サンプルがそれぞれ約0.39mmと約0.54mmのコア材料の厚さで製造されていること以外、実施例8と9に記述された方法を使用して、サンドイッチパネルを圧縮成型することによって製造された合成材料である。これらサンプルは表2に示される。合成材板の総合密度は、鋼の密度より約25-30重量%低い。これらの合成材板を、AC抵抗溶接(点溶接)を使用して、厚さが約0.8mmである鋼板に溶接する。良好な溶接を、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流と8つの溶接サイクルを使用して得る。
実施例12および13は、20.2容量%の鋼繊維および約79.8容量%のナイロン12を含むコア材料が使用されること以外、比較実施例6-7に記載された方法を使用して、サンドイッチパネルを圧縮成形することによって製造された、合成材料である。コア材料における鋼繊維は、約3-10μmの平均直径および約2-4mmの平均長さを有し、約260℃でブラベンダー・プラストグラフ・ミキサーにおいてナイロン12と混合される。コア材料の厚さは、実施例12および13に関しては、それぞれ約0.37および約0.55mmである。これらのサンプルは表3に示される。合成材板の総合密度は、鋼の密度より約31-41重量%低い。これらの合成材板を、AC抵抗溶接(点溶接)を使用して、厚さが約0.8mmである鋼板に溶接する。良好な溶接を、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流と8つの溶接サイクルを使用して得る。
実施例14の合成材料のサンプルを、実施例3がコア材料に使用されること以外、比較実施例6に記述した方法を使用してサンドイッチパネルを圧縮成型することによって製造する。この合成材料のサンプルを、AC抵抗溶接(点溶接)を使用して、厚さが約0.8mmである鋼板に溶接する。良好な溶接を、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流と8つの溶接サイクルを使用して得る。
実施例15の合成材料のサンプルを、実施例4がコア材料に使用されること以外、比較実施例6に記述した方法を使用してサンドイッチパネルを圧縮成型することによって製造する。この合成材料のサンプルを、AC抵抗溶接(点溶接)を使用して、厚さが約0.8mmである鋼板に溶接する。良好な溶接を、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流と8つの溶接サイクルを使用して得る。
約340mmx540mmの寸法を有しており、実施例12の構成を有している合成材板を、圧縮成型過程を使用して製造する。合成材板をスタンプ(プレス加工)して、その結果、パネルの部分は約3の延伸比を有する。スタンピングの後、パネルに割れ目としわがなく、甲種表面があることが予期される。金属繊維が裂けず、コア層は金属層から薄層に分かれないことがさらに予期される。
実施例17-19は、純粋なポリマー、および実施例1の方法を使用して製造された、ステンレス繊維とポリマーの混合物である。実施例17-19を、実施例17、18および19に関してそれぞれ約0重量%、約3重量%、および約10重量%のステンレス繊維を備えたナイロン6を使用して製造する。実施例17のコア材料の引張係数は、約3.3GPaである。鋼繊維が約3重量%の濃度で加えられる場合(実施例18)、引張係数は約3.9GPaに対し17%より多く増加する。鋼繊維が約10重量%の濃度で加えられる場合(実施例19)、引張係数は約7.3GPaに対し100%より多く増加する。ナイロンを共同ポリアミドと取り替え、ステンレス繊維の濃度は、実施例20、21および22に関してはそれぞれ、約0重量%、約3重量%、および約10重量%である。実施例20のコア材料の引張係数は、約700MPaである。鋼繊維が約3重量%の濃度で加えられる場合(実施例21)、引張係数は約1160MPaに対し50%より多く増加する。鋼繊維が約10重量%の濃度で加えられる場合(実施例22)、引張係数は約2280MPaに対し200%より多く増加する。ナイロンを、約19重量%の酢酸ビニルと約81重量%のエチレンを含むエチレン酢酸ビニルコポリマーと取り替え、ステンレス繊維の濃度は、実施例23、24および25に関してはそれぞれ、約0重量%、約3重量%、および約10重量%である。純粋なエチレン酢酸ビニルコポリマー(実施例23)には、約40MPaの引張係数、約680%の欠損の伸率、および約36MPaの強靭性がある。鋼繊維が約3重量%の濃度で加えられる場合(実施例24)、引張係数は約110MPaに対し100%より多くまで増加し、欠損の伸率は約680%と略同じままであり、強靭性は約47MPaにまで増加する。鋼繊維が約10重量%の濃度で加えられる場合(実施例25)、引張係数は約210MPaに対し400%より多くまで増加し、欠損の伸率は約70%であり、強靭性は約3MPaである。そのようなものとして、一般的にこれと本明細書の他の実施形態は、金属繊維を含む充填ポリマー材料(例えばコア層の材料)の引張係数によって特徴化され、該充填ポリマー材料(例えばコア層の材料)の引張係数は、同じ構成であるが、好ましくは少なくとも15%、より好ましくは少なくとも50%、さらにより好ましくは少なくとも約100%、および最も好ましくは少なくとも約200%までの金属繊維を含まない充填ポリマー材料の引張係数よりも大きい。
合成サンドイッチシートを、低炭素鋼表面板と、約20容量%のステンレス繊維と約80容量%のナイロンを含む合成材層を含んで、製造される。合成材料は、低炭素鋼で作られた金属板に点溶接されたものある。溶接状態は、約60のサイクル(約1/60秒である各々のサイクル)のスクイズ時間、約1つのサイクルの勾配、約13の溶接サイクルの溶接時間、約5kAの電流、および約10のサイクルの保持時間を含む。
実施例27〜34を、ブラベンダー・ミキサー中の表4に示される鋼繊維濃度を使用して、熱可塑性材料と鋼繊維を混合することにより製造する。その後、合成材料を、2つの0.2mmの厚さの鋼板の間に熱可塑性樹脂層を満たした0.4mmの繊維があるサンドイッチの成型により製造する。合成材料の導通の厚さの電気抵抗率は、AC調節(AC Modulation)を使用して測定されるように、表4において示される。熱可塑性材料を充填した合成材料のすべては、比較的低い電気抵抗率を有し、充填していない熱可塑性材料はすべて、比較的高い電気抵抗率を有している。
14 金属層
16 充填熱可塑性ポリマー
18 熱可塑性ポリマー
20 金属繊維
Claims (71)
- 軽量合成材であって、
(i) 第1金属層;
(ii)第1層に配置されたポリマー層;
および(iii)ポリマー層内に分配された金属繊維;
ここで、ポリマー層は、ポリマー(ASTM D638-08によって測定される、約0.1s-1の伸歪率で少なくとも約20%の欠乏伸長度を有しているポリマー)を含んでいる充填ポリマー材料を含んでおり;
その結果、結果として生じる合成材料は、溶接、約0.1s-1より大きな歪率での可塑変形、またはその両方がされ得るものである。 - 請求項1記載の軽量合成材であって、ポリマーは、ガラス転移温度、Tg(約80℃よりも高い)または融解温度、Tm(約80℃よりも高い)を有している熱可塑性ポリマーを含んでいる、ことを特徴とする合成材料。
- 金属繊維へのポリマーの容量比は約2.2:1よりも大きいことを特徴とする請求項1または2の軽量合成材。
- 合成材は、第2金属層を含み、その結果、ポリマー層が第1金属層と第2金属層間に置かれたコア層であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 熱可塑性ポリマーは、ポリプロピレン、アセタールコポリマー、ポリアミド、ポリアミドコポリマー、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、アクリロニトリルブタジエンスチレンコポリマー(即ち、ABS樹脂)、ポリスチレン、少なくとも80重量%エチレンを含むエチレンコポリマー、およびそれらの任意の混合または、組み合わせから成る基から選択されたポリマーを含んでいることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 熱可塑性ポリマーは、約20%から約80%の結晶度を有しているポリマーを含むことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 充填熱可塑性ポリマーは、0.1s-1の歪率で測定された、推定降伏応力、Y、および歪み硬化係数、G、によって特徴付けられ、ここで、比率Y/Gは約9未満である、ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 比率Y/Gは約3未満であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 充填熱可塑性ポリマーは、約1MPaより大きい、歪み硬化係数Gによって特徴付けされる請求項1乃至8の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 充填熱可塑性ポリマーは、約120MPa未満の推定降伏応力Y;約750MPaより大きな引張係数;少なくとも約25MPaの工学引張強さまたは正確な引張強さ;それらの任意の組合せにより特徴付けされる請求項1乃至9の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 熱可塑性ポリマーは、エラストマー修正ポリマーを含むことを特徴とする請求項1乃至10の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 熱可塑性ポリマーは、可塑材が実質ないことを特徴とする請求項1乃至11の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 金属繊維は、ポリマー層内に一様に分配され、または、ポリマー層内に選択的に配置されることを特徴とする請求項1乃至12の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 金属繊維は、約1mmより大きな重量平均長さである、ことを特徴とする請求項1乃至13の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 金属繊維は、約1.0μmから約50μmの重量平均直径とする、ことを特徴とする請求項1乃至14の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 充填材は、約0.10mm未満の重量平均粒径を有している金属粒子をさらに含む、ことを特徴とする請求項1乃至15の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 充填材は、カーボンブラック、黒鉛、鉄のリン化物またはその組み合わせから選択された充填材粒子をさらに含んでおり、かつ、充填材粒子は、コア層の全容積に基づいた約5容量%未満の濃度で存在する、ことを特徴とする請求項1ないし16の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 金属繊維は、鋼、マグネシウム、チタン、銅、少なくとも40重量%の銅を含んでいる合金、少なくとも40重量%の鉄を含んでいる合金、少なくとも40重量%のアルミニウムを含んでいる合金、少なくとも40重量%のチタンを含んでいる合金、またそれらの任意の組み合わせ、から成る基から選択された金属から形成された1以上の繊維である、ことを特徴とする請求項1乃至17の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 金属繊維濃度は、ポリマー層の全容量に基づいた約20容量%未満であることを特徴とする請求項1乃至18の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 充填材は、スタンピング操作から再生した屑から製造される、再利用された金属粒子または再利用された金属繊維を含むことを特徴とする請求項1乃至19の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 第1金属層は、鋼、高張力鋼、中張力鋼、超高張力鋼、チタン、アルミニウムおよびアルミニウム合金から成る基から選択された第1金属材料を含むことを特徴とする請求項1乃至10の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 第2金属層は、鋼、高張力鋼、中張力鋼、超高張力鋼、チタン、アルミニウムおよびアルミナム合金から成る基から選択された第2金属材料を含み、ここで、第1金属材料および第2金属材料は同じ金属材料からなる、ことを特徴とする請求項3乃至21の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 第2金属層は、鋼、高張力鋼、中張力鋼、超高張力鋼、チタン、アルミニウムおよびアルミニウム合金から成る基から選択された第2金属材料を含み、ここで第1金属材料および第2金属材料は異なる金属材料からなる、ことを特徴とする請求項3乃至21の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 合成材は、複数の金属層、複数のポリマー層、またはその両方を含むことを特徴とする請求項1乃至23の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 合成材は、2つのポリマー層間に置かれた第3金属層を含み、ここで、第3金属層は、穿孔されることを特徴とする請求項1乃至24の何れか1つに記載の軽量合成材。
- 請求項1乃至25の何れか1つに記載の軽量合成材であって、
合成材が、
i)エポキシが実質無く;
ii)ポリマー繊維が実質無く;
iii)ポリマー層と第1金属層の間に置かれた粘着層が実質無く;または
iv)(i)乃至(iii)の任意の組合せである、
ことを特徴とする合成材。 - 合成材は、ポリマー層と第1金属層の間に置かれた粘着層を含み、ここで、粘着層は、金属繊維、金属粒子,金属繊維,カーボンブラック,黒鉛,鉄リン化物またはその任意の組み合わせから成る基から選択された導電性充填材粒子、またはその両方を含んでいる、
ことを特徴とする請求項1乃至26の何れかに記載の軽量合成材。 - 合成材は、スタンピング操作中に少なくとも1.5の延伸倍率を有している、
ことを特徴とする請求項1乃至27の何れか1つに記載の軽量合成材。 - 請求項1乃至28の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法であって、
i)第1金属層に接合されるポリマー層を形成するため金属繊維およびポリマーを堆積させる工程を含む、
ことを特徴とする方法。 - ポリマー層が第1金属層に直接接合される、
ことを特徴とする請求項29記載の方法。 - 請求項29または30に記載の方法であって、
方法が、
第1金属層へポリマー層を熱接合させる工程と、
ポリマー層および第1金属層に圧力を加える工程と、を含み;
ここで、前記熱接合工程は、Tminより高い温度へ第1金属層に接するポリマー層の少なくとも一部を熱することを含んでおり、
ここで、Tminは、10℃/分の加熱速度で、示差走査熱量測定法によって測定されるような、充填熱可塑性材料の1以上のポリマーの最大融解温度、および、充満熱可塑性材料の1つ以上のポリマーの最大のガラス転移温度、のより高い値である、
ことを特徴とする方法。 - 方法は、ポリマー層へ第2金属層を接合し、その結果、ポリマー層が第1、第2金属層間に置かれたコア層を形成する工程をさらに含む、
ことを特徴とする請求項29乃至31に記載の方法。 - 方法は、Tminより高い温度で押出成形機中の金属繊維および1つ以上のポリマーを含む混合物を押し出す工程をさらに含む、
ことを特徴とする請求項29又は32に記載の方法。 - 請求項29乃至33の何れか1つに記載の方法であって、
金属繊維の少なくともいくつかは、引き抜き形成工程によって形成された金属繊維を含んでいる、予め合成された充填ポリマーの微粒子として押出成形機に与えられ、
ここで、前記引き抜き形成工程は、1以上のポリマーによって複数の金属繊維の繊維をコーティングする工程と、コーティングされた繊維を細かく刻み、金属繊維をコーティングする充填ポリマー材料の粒子状材料を形成し、その結果、金属繊維が充填ポリマー材料の軸方向に方向付けられるようにする、工程と、を含み、
ここで、金属繊維の濃度は、充満ポリマー材料の全容量に基づいた約1容量%より大きい、ことを特徴とする方法。 - 金属繊維は、切り刻まれた金属繊維である、
ことを特徴とする請求項29乃至34の何れか1つに記載の方法。 - 方法は、合成材料を再利用または再使用する工程を含む、
ことを特徴とする請求項29乃至35の何れか1つに記載の方法。 - 金属繊維の少なくともいくつかが、切り刻まれた繊維として、押出機の1つ以上の穴に与えられる、
ことを特徴とする請求項29乃至36の何れか1つに記載の方法。 - 請求項29乃至37の何れか1つに記載の方法であって、
第1、第2金属層は、金属箔のロールとして与えられ、
方法は、連続して行われるものであり、
Tminより高い温度で充填熱可塑性材料を押し出す工程;
Tminより低い温度へ充填熱可塑性材料を冷やす前に、充填熱可塑性材料の表面に向かい合うように第1、第2金属層を接触させる工程;を含んでおり、
ここで、加圧工程は、少なくとも1組の反回転ローラを通って合成材料を通し、その結果、合成材料の厚さが少なくとも2%少なくされる工程を含んでいる、
ことを特徴とする方法。 - 方法は、第1、第2金属層間にスペーサーを少なくとも部分的に置く工程を含み、
ここで、スペーサーは、Tminで固体である、
ことを特徴とする請求項29乃至38の何れか1つに記載の方法。 - スペーサーの第1部品は、第1、第2金属層間に置かれ、および、スペーサーの第2部品は、第1、第2金属層間に置かれず、および、スペーサーの第2部品は、スペーサーの第1部品の厚さより厚くなっている、
ことを特徴とする請求項39記載の方法。 - 方法は、第1金属層を洗浄する工程をさらに含む、
ことを特徴とする請求項29乃至40の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - コア層は、コア層の全容量に基づいて、約1容量%から約30容量%の金属繊維を含む、
ことを特徴とする請求項29乃至41の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - コア層は、コア層の全容量に基づいて、約5容量%から約25容量%の金属繊維を含む、
ことを特徴とする請求項29乃至42の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 金属繊維の容量に対する1つ以上のポリマー容量の比率は、約2.2:1よりも大きい、
ことを特徴とする請求項29乃至43の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 充填熱可塑性材料の容量は、第1、第2金属層間の空間容量の少なくとも90%である、
ことを特徴とする請求項29乃至44の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 合成材料は、AC調節を使用する、2枚のプレート間の電圧降下によって測定されるような約10,000Ω・cm未満の導通厚さ方向の抵抗を有している、
ことを特徴とする請求項29乃至45の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 請求項29乃至46の何れか1つに記載の方法であって、
混合物は、再利用された金属充填材粒子をさらに含み;
ここで、方法は、スタンピング操作からの屑から再利用された金属充填材粒子をポリマーに接触させて混合物を形成する工程であり;
ここで、再利用された充填材粒子は、約0.10mm未満の重量平均粒径を有しており、かつ、約10未満のアスペクト比を有しており;
および、屑は、金属材料である少なくとも1つの屑層、および熱可塑性材料を含んでいる少なくとも1つの屑層を含んでいる、
ことを特徴とする方法。 - 方法は、10未満のアスペクト比を有している金属粒子を含んでいるプライマー、そして、10未満のアスペクト比を有している金属粒子を含んでいる接着剤材料、またはその両方で、第1金属層の第1表面を覆う工程を含んでいる、
ことを特徴とする請求項29乃至47の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 第1金属層の第1表面はプライマーと接着剤材料の両方がない、
ことを特徴とする請求項29乃至48の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 金属繊維は、熱可塑性材料内で無作為に配列され、その結果、垂線方向の繊維容量に対する、繊維の中で最も高い濃度を有しているコア層の面方向の繊維の容量の比率が、約3:1未満である、
ことを特徴とする請求項29乃至48の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 方法は、金属繊維および他の充填材粒子を混合する工程を含む、
ことを特徴とする請求項29乃至50の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 方法は、
金属繊維の繊維を切り刻み、切り刻まれた繊維を形成する工程と、
押出成形機に切り刻まれた繊維を供給する工程と、を含んでおり、
ここで、方法は、容器に切り刻まれた繊維を置く工程が無い、ことを特徴とする請求項29乃至51の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法。 - 請求項29乃至52の何れか1つに記載の合成材料を製造する方法であって、
さらに、
i)第2金属層の第1表面を、第2充填熱可塑性材料の第1表面に付着させる工程;
ii) 第1金属層に接着される充填熱可塑性材料の第2表面を、第2金属層に接着される充填熱可塑性材料の第2表面に接触させ、その結果、2つの充填熱可塑性材料は第1、第2金属層間に置かれる工程;そして
iii)充填熱可塑性材料の第2表面に圧力を加える工程;を含んでおり、
ここで、充填熱可塑性材料の第2表面は、Tminより高温度であり;その結果、2つの充填熱可塑性材料は、第1、第2金属層間に置かれたコア層を接着し、形成する、
ことを特徴とする方法。 - Tminは、約80℃よりも高い、
ことを特徴とする請求項53記載の方法。 - 合成材部分を形成する方法であって、
i) 請求項1乃至28の何れか1つに記載の合成材料をスタンピングして一部分を形成する工程を含んでいる、
ことを特徴とする方法。 - 方法は、合成材料の少なくとも1つの外表面をコーティングする工程を、さらに含む、
ことを特徴とする請求項55記載の方法。 - 合成材料は、スタンピングする工程の間に約45℃未満の温度である、
ことを特徴とする請求項55又は56記載の方法。 - スタンピングする工程は、約1.5より大きな延伸比によって合成材料の少なくとも一部分を延伸する工程を含んでいる、
ことを特徴とする請求項55乃至57の何れか1つに記載の方法。 - 合成材部分は、しわ、くぼみおよび割れ目がない、
ことを特徴とする請求項55乃至58の何れか1つに記載の方法。 - 合成剤部分は、甲種表面を有している、
ことを特徴とする請求項55乃至59の何れか1つに記載の方法。 - 方法は、合成材料の、少なくとも1つの追加金属含有材料への溶接工程をさらに含み、ここで、溶接工程は、抵抗溶接、レーザー溶接および電子ビーム溶接から成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項55乃至60の何れか1つに記載の方法。 - 溶接工程は、抵抗溶接工程である、
ことを特徴とする請求項60記載の方法。 - 請求項62記載の方法であって、溶接工程は、次のものを使用し、即ち、
i) 第1金属層と同じ材料で、合成材料と同じ厚みのモノリシック金属シートを、追加金属含有材料に溶接するのに必要な溶接電流よりも低い溶接電流;
ii) 第1金属層と同じ材料で、合成材料と同じ厚みのモノリシック金属シートを、追加金属含有材料に溶接するのに必要な溶接サイクル数より少ない溶接サイクルの数;
あるいはiii)(i)、(ii)の両方;を使用する、
ことを特徴とする方法。 - 請求項55乃至63の何れか1つに記載の方法であって、
合成材部分は、バンパー、ホイールハウス外側、フェンダー外側、フード外側、前部ドア外側、後部ドア外側、デッキリッド外側、リフトゲート外側、背面シートパネル、リヤシェルフパネル、ダッシュパネルの共同壁、後部コンパートメント・パン、スペアタイヤの保管用のタブを有している部分、シートへの積荷、乗るためのタブを有している部分、屋根外側、フロアー・パン、本体側面またはその任意の組み合わせの群から選択された自動車の部分に用いられる、
ことを特徴とする方法。 - 請求項1乃至28の何れか1つに記載の軽量合成材料の使用であって、
使用は、自動車・パネル、トラック・パネル、バス・パネル、容器、列車のパネル、ジェット機のパネル、自転車チューブ、オートバイ・パネル、トレーラー・パネル、レクレーショナルビークルのパネル、あるいはスノーモービルのパネルから選択される、
ことを特徴とする使用。 - 請求項1乃至28の何れか1つに記載の合成材料を含んでいる溶接構造物であって、鋼、鋼以外の金属、実質同一の合成材料、請求項1乃至28の何れか1つに定められる異なる合成材料、またはその任意の組合せ、に溶接される、
ことを特徴とする溶接構造物。 - 充填ポリマー料材であって、
i)ASTM D638-08によって測定された、約0.1s-1の伸歪率で少なくとも約20%の欠乏伸長度を有しているポリマー;または、
ii)ポリマー内に分配された金属繊維;、またはその両方を含んでおり、
その結果、充填ポリマー材料がポリマー層内に形成されるようになっており、前記ポリマー層は、少なくとも2つの金属層に接着されてサンドイッチ合成材を形成し、その結果、結果として生じる合成材料は、約0.1s-1より大きな歪率で溶接され、可塑変形する、
ことを特徴とする充填ポリマー材料。 - 請求項1乃至28の何れか1つに記載の合成材の層としての、請求項67記載の充填ポリマー材料の使用。
- 請求項67記載の充填ポリマー材料を含むシート材料。
- 前述の発明の詳細な説明に記載の実質的に記載されている充填ポリマー材料。
- 溶接継ぎ手であって、以下のものを含んでおり、即ち、
i)第1金属を有している第1金属層;
ii)第2金属を有している第2金属層;
ここで、第1金属層は、第2金属層と溶接されて接触しており、溶接され接触しているエリアは、溶接領域を定めており、ここで、第1金属および第2金属は同じまたは異なるものであり;
およびiii)溶接領域を少なくとも部分的に取り囲む金属環であって、該金属環は、第1、第2金属層間に配置され、第1、第2または両方の金属層に溶接継ぎ手で取り付けられ、ここで、金属環は、第1、第2金属とは異なる金属である、
ことを特徴とする溶接継ぎ手。
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