TWM537020U - 複合材料構材 - Google Patents

Description

複合材料構材

本創作係與構材有關，特別是關於一種複合材料構材。

按，美國第7357726號專利前案中所揭露之複合材料構材(structural element)之製造方法，係為一般用以進行連續製造異型產品之習知拉擠法(pultrusion)，透過特定模具所提供之模塑空間，使所成型之構材斷面呈工字型、C型、L型或環狀等，以供建築、汽車等不同產業之使用。

微觀上，複合材料之構材中，必需藉由樹脂等基材維持纖維等補強材料之預期排列方向，並於纖維之周側形成封閉之保護膜，提供側向之支撐，避免纖維因彼此間之相互摩擦而受損致造成應力集中，使得構材本身之強度及結構受到影響，而為便於複合材料與其他元件進行結合，在構材上進行鑽孔以提供結合元件進行結合之技術手段仍然有被採用之必要，惟構材一經鑽孔，其纖維之連續性即產生斷點，而成為應力集中之部位，造成脫層或裂縫等影響結構強度之破壞，悖於強化材料提供補強之目的。

因此，為避免對複合材料構成之鑽孔衍生之缺失，習知技術中遂有在保持複合材料中之纖維完整性之前提下，藉由黏著將構材與其他元件進行結合，是等技術固得以避免纖維受到破壞以確保複合材料構材本 身之強度，惟卻將受限於結合部位之黏著力，使得複合材料構材之應用受到侷限，例如以碳纖維為材料所製成之車輛傳動軸，其兩端之金屬接頭與傳動軸間僅能藉由膠合進行結合，而黏著劑之劣化程度與金屬介面之疲勞忍受度因難以預期，對於行車之安全不啻成為一項不可預期之危險因子。

由此可知，複合材料雖已被廣泛地使用於各種不同技術領域中，惟其與其他元件間之結合技術仍然受到限制，鑽孔後固得以螺栓等結合元件提供良好的結合強度，卻因應力之集中將會造成複合材料構材自身的損壞，黏著之膠合手段，雖得以保持複合材料構材自身之完整性，避免造成應力集中，卻因黏著劑所難以避免的劣化，使得結合的強度不若螺栓般之強韌，雖各有其優點，惟均非良善。

因此，本創作之主要目的即係在提供一種複合材料構材，其係可避免構材在與外部元件間結合時，因構材因如鑽孔等局部結構之破壞而使應力集中，造成構材之損壞。

緣是，為達成上述目的，本創作所提供之複合材料構材，乃係將由非等向性之複合材料所製成之複合層，與由等向性材料所製成之夾層彼此交錯疊置所成之帶，作為構材之主要組成成分，並經成型為固定形狀之構材，以供產業上使用者，並可於各該複合層與各該夾層之疊層構造上直接鑽設貫穿之孔洞。

其中，各該複合層係分別具有單向排列之纖維補強材與裹設於各該纖維補強材上之高分子基材，而各該夾層則係由等向性材料所製成，並分別介於任二相鄰之複合層間。

為使構材之形狀特定，係使該複合材料構材更包含有一具有特定形狀之內部，並使各該複合層與各該夾層包裹於該內部之外側上，以形成與該內部輪廓相同之外形。

其中，該內部之形狀係可為工字型、L字型、C字型或其他之幾何形狀，同時，該內部除可為有形體之物品外，亦得以為無形體之空間。

而為使應力之傳遞得以藉由各該夾層適當地分散，避免對各該複合層之纖維補強材造成損壞，係使各該夾層平均地分散於各該複合層之中，而使其彼此係依序地交錯疊置，同時為進一步強化該構材之機械強度，係使各該複合層之個別厚度介於10μm至40μm，以及使各該夾層之個別厚度介於6μm至35μm間。

其中，當該夾層係以鋁或其合金材料製成時，應對各該夾層進行如陽極處理等表面處理，避免產生電位銹蝕(Galvanic corrosion)。

另外，該複合材料構材之製造，則係以上述之複合層與夾層彼此疊置而成之疊層體，經繞捲成為管狀之一外部後，再取用具有特定形狀之芯，穿設於該外部之管內空間中，作為模具，並施加如氣壓等外力，使該外部緊縮並貼覆於該芯之周側上，再經固化成型者。

而於該外部固化成型時，係可使該芯與該外部結合成一體，俾得以該芯作為該構材之內部，此際，為達輕量化之目的，係可以如發泡塑膠等輕質材料製造該芯。

相對的，亦得以於該外部成型後，將該芯予以抽離，而使該芯原所在之空間成為無實體之空間，以形成無實體空間之內部。

(10)‧‧‧複合材料構材

(11)‧‧‧固定孔

(20)‧‧‧外部

(21)‧‧‧複合層

(22)‧‧‧夾層

(30)‧‧‧內部

(41)‧‧‧芯

第一圖係本創作一較佳實施例之構材立體圖。

第二圖係本創作一較佳實施例中由複合層與夾層彼此交錯疊置之疊層構造示意圖。

第三圖係本創作一較佳實施例之剖視圖。

第四圖係本創作一較佳實施例之製造流程示意圖。

首先，請參閱第一圖至第三圖所示，在本創作一較佳實施例中所提供之複合材料構材(10)，係具工字型之形狀，而可作為取代建築材料中之工字型鋼樑或作為車輛之構成者，當然，其亦得以為其他之不同形狀或構造，而可供其他不同產業所利用者，換言之，即本創作所稱之構材並不僅侷限於建築技術中所稱之構材，而於構造上，該複合材料構材(10)，主要乃係包含有一外部(20)及一內部(30)。

該外部(20)係由複合材料與等向性材料分別所製成之多數單層彼此疊置而成之疊層構造(Laminate)，具有多數之複合層(21)與多數之夾層(22)，其中，各該複合層(21)之個別係分別為纖維帶(tape)而非纖維布(fabric)之構造，且各自具有呈單向排列之纖維補強材料，與裹設於各該纖維補強材料上之高分子基材，其單層之厚度則以介於10μm至40μm為較佳，並得以為玻璃纖維、石墨纖維、克夫龍纖維、碳管或其替代、或其取代之材料；各該夾層(22)則係以如鋁等金屬或其他非金屬之等向性材料所製成者，其單層之厚度以介於6μm至35μm間為較佳； 並使各該複合層(21)與各該夾層(22)彼此依序地交錯疊置，從而使各該夾層(22)得以平均地分散於整個疊層構造中，而得以使各該夾層(22)得以在疊層構造之內部，將所接受之力均勻地分散開來，避免應力集中於局部所將衍生之損壞。

該內部(30)係為賦予該構材(10)整體之特定形狀，並可達到增加構材體積及減少該外部(20)使用量之效果者，而可由如泡棉或其他發泡塑膠等輕質材料，供該外部(20)裹設於該內部(30)之周側上。

藉由上述構件之組成，該複合材料構材(10)係得以藉由該外部(20)提供良好的機械強度，同時亦可將多數之固定孔(11)直接鑽設於該外部(20)與該內部(30)上，而分別貫穿各該複合層(21)與各該夾層(22)，據此，當將如螺栓等結合元件固定於各該固定孔(11)中，使該複合材料構材(10)得以與另一複合材料構材或外部構件間結合時，雖然纖維補強材之纖維連續性受各該固定孔(11)所破壞，致使力之傳遞無法續行而集中於斷點部位上，但藉由各該夾層(22)，則可將未能經由纖維傳遞之力，透過各該夾層(22)材料之等向性，將力繼續地傳遞至纖維上，避免應力集中，從而達到提高該複合材料構材(10)結合部位之機械強度，使該複合材料構材(10)得以應用之範圍更為廣泛，並且，由於各該夾層(22)係平均地分散至疊層構造中，以及具有甚薄之厚度，透過這些技術，係可確保力之平均分散，同時得以避免脫層，以維持該複合材料構材(10)結構的穩定性。

進一步請參閱第四圖所示，為製造該複合材料構材(10)，係可實施下述之步驟：

a.取用由各該複合層(21)與各該夾層(22)疊置而成之疊層 體，並予以繞設成為呈管狀之外部(20)。

b.取用一長條狀之芯(41)，同軸地穿伸於該外部(20)之管內空間中。

c.施加如氣壓等外力予該外部(20)之外側，使之受壓而緊縮並貼覆於該芯(41)之外側上。

d.使該外部(20)裹於該芯(41)地受到固化成型。

其中，當於該d步驟實施時，倘係使該外部(20)與該芯(41)一體成型，致該芯(41)於成型後無法與該外部脫離時，則該芯(41)即如第四圖中之(a)所示般，成為該複合材料構材(10)之內部(30)，為此，則以使用泡棉或其他發泡塑膠等輕質材料作為該芯之材料為較佳，以達到輕量化之目的與效果。

相對地，倘於該d步驟實施後，有將該芯(41)與已固化成型之外部(20)予以分開之必要時，則應於該d步驟實施時，使該外部(20)與該芯(41)間有可分離之可能，例如預先於該芯(41)表面塗覆脫模劑等，以於該步驟d實施後，將該芯(41)抽離，而如第四圖中之(b)所示般，使該芯(41)抽離後之空間構成該複合材料構材(10)之內部(30)。

而無論係以有形體之芯或無形體之空間構成該複合材料構材(10)之內部(30)，均不影響該外部(20)所能達成避免應力集中之功效，同時，為獲得該複合材料構材(10)之特定形狀，該芯之斷面形狀除可為本實施例所揭露之工字型外，亦得以為C字型、L字型或其他幾何形狀者，以使該複合材料構材(10)之形狀得以因應不同之需求。

(11)‧‧‧固定孔

(20)‧‧‧外部

Claims (6)

1. 一種複合材料構材，包含有：一外部，具有彼此疊接之多數複合層與多數夾層，各該複合層係分別具有單向排列之纖維補強材與裹設於各該纖維補強材上之高分子基材，各該夾層則係由等向性材料所製成，並分別介於任二相鄰之複合層間。
2. 如請求項1所述之複合材料構材，其更包含有一斷面呈工字型、L字型、C字型或幾何形狀之內部，係位於該外部之中。
3. 如請求項2所述之複合材料構材，其中，該內部係為有體物品或空間。
4. 如請求項1、2或3所述之複合材料構材，其中，各該複合層與各該夾層彼此間係依序交錯疊置。
5. 如請求項4所述之複合材料構材，其中，各該複合層之厚度係分別介於10μm至40μm間，而各該夾層之厚度則分別介於6μm至35μm間。
6. 如請求項5所述之複合材料構材，其係更包含有多數之固定孔，係各自貫穿各該複合層與各該夾層。