TWM545690U - 結構強化金屬板 - Google Patents

Description

結構強化金屬板

本創作係有一種金屬板，其特別有關於使用複合材料強化金屬板。

金屬與金屬合金材料廣泛地應用在工業上，包含航太工業、軍事工業與民生工業。例如，目前航太用結構材料大都以金屬材料為主，而其中以鋁合金佔大部份。當高溫或高速飛行時，傳統的鋁合金之強度會降低，就必須使用鈦合金或不鏽鋼做為機身結構材料。又例如，許多大型系統的支架易經常採用金屬合金，現今的太陽能光電系統經常使用鋁或鋁合金作為系統的支架。

傳統金屬強化是通過合金化、塑性變形和熱處理等手段提高金屬材料的強度，稱為金屬的強化。所謂強度是指材料對塑性變形和斷裂的抗力，用給定條件下材料所能承受的應力來表示。相較於傳統金屬強化方式，金屬表面強化是比較簡單的方式。傳統金屬表面強化使用表面處理是在金屬材料表面形成一層與基體金屬的機械、物理和化學性能不同的表層的工程方法，以滿足產品的耐蝕性、耐磨性、強度或其他功能要求。常用的表面處理方法是，機械打磨，化學處理，表面熱處理，噴塗表面等。

在各種金屬表面強化技術中，噴塗表面是比較簡單 但效果較好的製程。傳統金屬表面強化需要克服的問題是各種不同的金屬板與表面塗料的接和性。

有鑑於此，有必要提出一種使用複合材料強化金屬板，以提昇金屬板適用性及實用性。

本創作主要在提供一種結構強化金屬板，能夠提升金屬板的強度。

為達本創作之主要目的，本創作提出一種一種結構強化金屬板，包含：至少一層金屬板；以及至少一層強化層，設置於該層金屬板之上方。其中，該層強化層由一纖維材料與一複合樹脂所形成，該複合樹脂係嵌入在該纖維材料中，該複合樹脂是由一有機材料與一無機奈米陶瓷材料經由化學接枝所形成，且該無機奈米陶瓷材料之粉體尺寸係介於5奈米至100奈米之間。

根據本創作之一特徵，該無機奈米陶瓷材料在該複合樹脂的重量比例是介於30%至90%之間。

本創作之結構強化金屬板具有以下功效：

1.該複合樹脂係由有機材料與無機奈米陶瓷材料經由化學接枝所形成，能夠良好充填到纖維材料中，形成強度非常高的強化層。

2.該複合樹脂具有無機奈米陶瓷材料，具有特殊化學能力，金屬板不需要額外的表面處理，該層強化層與該層金屬板即能具有良好的接和性。

3.本創作之強化層之厚度(100微米至2厘米)相較於傳統的絕緣層之厚度較薄，因此可減少材料之用量，以降低成本。

100‧‧‧結構強化金屬板

110‧‧‧金屬板

120‧‧‧強化層

130‧‧‧金屬板

140‧‧‧強化層

為讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1顯示本創作之一種結構強化金屬板結構第一實施例示意圖。

圖2顯示本創作之一種結構強化金屬板結構第二實施例示意圖。

雖然本創作可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本創作可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本創作之一範例，非限制性例示性實施例，且本創作之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本創作之範疇內。

本創作將揭示一種結構強化金屬板。請參照圖1，其顯示為本創作之結構強化金屬板100之結構第一實施例示意圖，其至少包含：一層金屬板110；以及一層強化層120，被覆於該層金屬板110之上方。

該層金屬板110由具有特定厚度的金屬板片所構成，該層金屬板之厚度介於100微米至2厘米之間，主要做為結構強化金屬板之機械結構體。該層金屬板110係選自鋁、鋁合金 (Aluminum alloy)、鎂、鎂合金(Magnesium alloy)、鈦、鈦合金(Titanium alloy)、銅、銅合金(Copper alloy)、低合金鋼(Low alloy steel)、不銹鋼(Stainless steel)與耐熱合金(Heat resisting alloy)之一。

鋁合金比重只有軟鋼的三分之一，鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素，跟普通的碳鋼相比有更輕及耐腐蝕的性能，但抗腐蝕性不如純鋁。在乾淨、乾燥的環境下鋁合金的表面會形成保護的氧化層。造成電偶腐蝕(Galvanic corrosion)加速的情況有：鋁合金與不銹鋼接觸的情況、其他金屬的腐蝕電位比鋁合金低或是在潮濕的環境下。鎂合金比重1.8，只有鋁合金的三分之二，在實用合金中重量最輕，因其不需太大荷重但又需適度的材料厚度，但是缺乏耐腐蝕性。鈦合金雖比鋁合金重1.6倍，但拉張力強度為其2倍，與特殊鋼材相近，耐腐蝕性與耐熱性優。但其原料昂貴、不易加工，使用耐高溫的部位。 銅合金是以銅為主的合金，它們能有效地抵抗腐蝕。銅合金主要包括鈹銅合金、銀銅合金、鎳銅合金、鎢銅合金、磷銅合金。低合金鋼，又稱碳鋼，是鋼材除碳元素以外，再添加少量金屬元素(8%以下)而增加其強韌性的鋼材。不鏽鋼是含多量鉻(11%以上)之鋼材之總稱。是一種不只耐腐蝕、高強度且高低溫特性優良的金屬材料。耐熱合金是耐溫超過攝氏650度以上，耐腐蝕及在高溫強度相當優秀合金的總稱，亦稱為超合金。

該層強化層120由一纖維材料與一複合樹脂所形成，該複合樹脂膠係嵌入在該纖維材料中。該層強化層之厚度介於100微米至2厘米之間，能得到足夠的強度；較佳地，該層強化層之厚度介於200微米至1厘米之間，能得到足夠的強度與良 好的接和性。

設該纖維材料的重量是X克，該複合樹脂的重量是Y克，則該層強化層的重量是(X+Y)克，該纖維材料在該層強化層的重量比例是X/(X+Y)，且該複合樹脂在該層強化層的重量比例是Y/(X+Y)。該纖維材料在該層強化層120的重量比例是介於30%至80%之間，較佳介於50%至80%之間，亦即是該複合樹脂在該層強化層120的重量比例是介於20%至70%之間，較佳介於20%至50%之間。

該纖維材料係選自碳纖維(carbon fiber)、玻璃纖維(glass fiber)、Kevlar纖維(Kevlar fiber)、硼纖維(Boron fiber)與碳化矽纖維(silicon carbide fiber)材料所組成之族群。

碳纖維又稱石墨纖維，是一種具有很高強度和模量的耐高溫纖維，為化纖的高端品種。它是由約5-10微米直徑的纖維構成的材料和主要由碳原子的構成。碳纖維的特性，如高硬度，高強度，重量輕，高耐化學性，耐高溫和低的熱膨脹。

玻璃纖維材料包含E-glass、S-glass與E-glass。E-glass為鈣-硼矽玻璃纖維，用於補強塑膠，具有優良的電氣性質；S-glass具高強度及高彈性係數，用於太空方面，與E-glass比較，比重小約2%，抗拉力約大35%，而彈性係數約大20%；C-glass為鈉-鈉-硼矽玻璃纖維，具有優良的耐化學品侵蝕的性質，適合於耐腐蝕性之纖維複合材料製品。

Kevlar纖維材料人造的有機芳香聚醯銨纖維，包含Kevlar 29及Kevlar 49。特性是低密度、高強度、及低成本，但製成的複合材料抗壓強度較低。

硼纖維材料多用來製作硼/環氧樹脂複合材料，利用 化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上，成本較高。

碳化矽纖維材料也是使用化學氣相沉積法或高分子法製成，其直徑約140mm。因為碳化矽纖維能承受較高的溫度，在1000℃左右尚可保持約50%的強度，多使用在鋁或鈦合金複合材料上。

該複合樹脂是由一有機材料與一無機奈米陶瓷材料經由化學接枝所形成，且該無機奈米陶瓷材料之粉體尺寸係介於5奈米至100奈米之間。該無機奈米陶瓷材料係選自奈米氧化鋁、奈米氧化矽、奈米氧化鋯、奈米氧化鈦與奈米氮化硼所組成之族群。該有機材料選自環氧樹脂、壓克力樹脂、矽氧樹脂、氟碳樹脂、酸醇樹脂、氨基樹脂、酚醛樹脂與丙烯酸樹脂所組成之族群。

設該有機材料的重量是M克，該無機奈米陶瓷材料的重量是N克，則該複合樹脂層的重量是(M+N)克，該有機材料在該複合樹脂層的重量比例是M/(M+N)，且該無機奈米陶瓷材料在該複合樹脂層的重量比例是N/(M+N)。

該無機奈米陶瓷材料在該複合樹脂的重量比例是介於30%至90%之間。

在本創作中，不同的結構單元係使用有機材料與無機奈米陶瓷材料，且由於本創作之該無機奈米陶瓷材料是使用溶膠凝膠法所製備，且該無機奈米陶瓷材料之粉體尺寸係介於5奈米至100奈米之間，因此在該無機奈米陶瓷材料之表面上具有良好的反應能力能夠與有機材料化學接枝的接枝共聚物。該無機奈米陶瓷材料係選自奈米氧化鋁、奈米氧化矽、奈米氧化鋯、奈米氧化鈦與奈米氮化硼所組成之族群。亦即是該無機奈米陶瓷材料 係選自單一的奈米氧化鋁，或單一奈米氧化矽，或單一奈米氧化鈦組成，或者是該無機奈米陶瓷材料可以由奈米氧化鋁、奈米氧化矽與奈米氧化鈦以不同比例搭配所組成。

該有機材料選自環氧樹脂、壓克力樹脂、矽氧樹脂、氟碳樹脂酸醇樹脂、氨基樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂所組成之族群。較佳地，該有機材料在該複合樹脂的重量比例是介於10%至70%之間。

該複合樹脂藉由將使用溶膠凝膠法所製備無機奈米陶瓷材料與有機材料形成化學接枝後所形成一膠狀的複合樹脂膠。

該無機奈米陶瓷材料是使用溶膠凝膠法所製備時，利用一奈米陶瓷溶液配合一加熱製程所合成。其中，該奈米陶瓷溶液係由至少一種以上之有機金屬氧化物所組成，並具有一保護基使得該奈米陶瓷溶液得以穩定儲藏。

該複合樹脂之材料係由有機材料與無機奈米陶瓷材料經由化學接枝所形成之膠狀接枝共聚物(Graft copolymers)。該接枝共聚物在結構上屬於支化聚合物，具有主鏈，以及較長的支鏈，且主鏈和支鏈是由不同的結構單元組成。經由控制該複合樹脂的水相與油相的比例，可以達到不同的效果。在本實施例中，該該複合樹脂為一油相的狀態。

在第一實施例中，該結構強化金屬板100是由一對金屬板與強化層貼合形成。但是，事實上，該結構強化金屬板100可以是由一對以上的金屬板與強化層交錯貼合形成。

現請參照圖2，其顯示為本創作之結構強化金屬板100之結構第二實施例示意圖。該第二實施例與第一實施例大致 相同，主要差異在於該結構強化金屬板100具有兩對金屬板與強化層交錯貼合，亦即是一層金屬板110；一層強化層120，貼合於該層金屬板110之上方。一層金屬板130貼合於該層強化層120之上方，且一層強化層140又貼合於該層金屬板130之上方。

需注意的是，該結構強化金屬板100可以是由一對以上的金屬板與強化層交錯貼合形成，例如兩對、三對或四對金屬板與強化層交錯貼合，已形成強度更高的結構強化金屬板。

綜上所述，本創作之結構強化金屬板100具有以下功效：

1.該複合樹脂係由有機材料與無機奈米陶瓷材料經由化學接枝所形成，能夠良好充填到纖維材料中，形成強度非常高的強化層。

2.該複合樹脂具有無機奈米陶瓷材料，具有特殊化學能力，金屬板不需要額外的表面處理，該層強化層與該層金屬板即能具有良好的接和性。

3.本創作之強化層之厚度(100微米至2厘米)相較於傳統的絕緣層之厚度較薄，因此可減少材料之用量，以降低成本。

雖然本創作已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此新型的精神。因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧結構強化金屬板

110‧‧‧金屬板

120‧‧‧強化層

Claims (8)

1. 一種結構強化金屬板，包含：至少一層金屬板；以及至少一層強化層，與該層金屬板貼合；其中，該層強化層由一纖維材料與一複合樹脂所形成，該複合樹脂係嵌入在該纖維材料中，該複合樹脂是由一有機材料與一無機奈米陶瓷材料經由化學接枝所形成，且該無機奈米陶瓷材料之粉體尺寸係介於5奈米至100奈米之間。
2. 如請求項1所述之結構強化金屬板，其中該結構強化金屬板具有複數層金屬板與複數層強化層交錯貼合。
3. 如請求項1所述之結構強化金屬板，該複合樹脂在該層強化層的重量比例是介於20%至70%之間。
4. 如請求項1所述之結構強化金屬板，其中該無機奈米陶瓷材料係選自奈米氧化鋁、奈米氧化矽、奈米氧化鋯、奈米氧化鈦與奈米氮化硼所組成之族群。
5. 如請求項1所述之結構強化金屬板，其中該有機材料選自環氧樹脂、壓克力樹脂、矽氧樹脂、氟碳樹脂、酸醇樹脂、氨基樹脂、酚醛樹脂與丙烯酸樹脂所組成之族群。
6. 如請求項1所述之結構強化金屬板，其中該無機奈米陶瓷材料在該複合樹脂的重量比例是介於30%至90%之間。
7. 如請求項1所述之結構強化金屬板，其中該層金屬板是選自鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金、銅、銅合金、低合金鋼、不銹鋼與耐熱合金之一。
8. 如請求項1所述之結構強化金屬板，其中該層強化層之厚度介 於100微米至2厘米之間。