多维特制层压件 【技术领域】
本发明涉及层压件结构板，更具体地说涉及具有理想结构特性的轻型层压件。
背景技术
车体通常包括金属板，这些金属板是根据板在车辆上的预定位置针对性能例如强度和刚度、可成形性、耐腐蚀性、可焊接性、耐冲击性等来选择的。在应用需要多种特性的情况中，所选择的金属板可以是一种专门的合金，经过常规的热处理并且可以例如通过焊接或用紧固件连接在其它金属上以便在所选择的区域中提供所要求的特性。与任意其它的材料相比，钢板广泛地应用在机动车辆上以形成面板或其它结构。那些本领域普通技术人员将理解的是，所需要的结构特性例如刚度根据特定的用途而变化。当需要钢板具有更高的刚度值时，厚度通常要增加。但是增加钢板厚度使得板或部件不仅更重而且更昂贵。在题目为STRUCTURAL PANEL WITH KRAFT PAPER COREBETWEEN METAL SKINS(“具有位于金属表皮之间的牛皮纸芯的结构板”)的美国专利5,985,457中，该文献的全部内容在这里被引用作为参考，该发明的发明人披露这样一种结构板，该结构板是具有金属表皮的层压结构，这些金属表皮由居间的纤维芯分开并且粘接在其上。在这里所述的层压件具有非常高的比刚度(specific stiffness)并且重量相对较轻。但是如在这里所述一样，纤维芯的布置与金属表皮是连续的。在一些用途中，芯的存在会妨碍形成紧固件、焊接或间隙开孔以及它们的方法。要求提供一种轻型结构层压件，这些层压件可以定制成适应特定的紧固、焊接和间隙开孔操作。本发明符合这些和其它所要求的目标。
发明概述
在一个方面，提供一种具有沿着层压件本体在组成上变化的外形的结构层压件。该层压件具有由金属板形成的第一和第二表皮。纤维纸芯层设在金属板表皮之间并且粘接在这些表皮上。在一个方面中，用粘合剂树脂浸透了纤维纸芯层，该树脂将纤维纸芯层直接粘接在表皮上。在另一个方面中，粘合剂层设在芯部材料和表皮之间以将芯部粘接在表皮上。沿着这些层压件的边缘，在这两层金属表皮之间设有间隙或空间；即，纸芯部在至少一些地方中没有完全延伸到钢板表皮的边缘上。该芯部的横断面是不均匀的，它具有“定制”用于所要求用途的外形。例如，该非均匀外形可以使得紧固件或固定件穿过层压件或者有助于隙孔的设置。所得到的特制层压件结构与厚度和强度相似的单片金属板相比重量非常轻。
在本发明还有另一个方面中，提供一种形成特制结构层压件的方法。该方法包括以下步骤，将纸材料纤维芯设置在两块金属表皮之间，该纤维芯覆盖的面积小于整个相邻表皮面积，即如在前面段落中所述一样沿着层压件的边缘在两块金属表皮之间存在间隙或空间。将压力施加在特制层压件上以促进芯部和金属表皮之间的粘接。在一个方面中，制备出许多层压件，然后将这些层压件一块叠放在另一块上，然后进行挤压以同时粘接各个层。
附图的简要说明
图1为本发明的层压件的剖视图；
图2为图1的层压件的平面图；
图3为在另一个结构中的本发明的层压件；
图4为形成本发明的层压件的冲切机的视图；
图5显示出门板。
优选实施方案的详细说明
现在参照这些图中的图1，该图显示出具有金属表皮22和其中可以看见纤维芯24的中间区域23的非均匀或特制层压板20。如在图2中可以最清楚地看出，在该实施方案中，纤维芯24从板20的每个边缘25凹入。因此，在部分相对的金属表皮22之间存在未填充的间隙或空间27。在该实施方案中，空间是完全围绕着板20的周边延伸的通道形状。在平面图中，空间27的面积可以在很大程度上变化，但是通常为至少1平方英寸。可以看出，板20的组成沿着如由箭头A和B所示的轴线21变化。换句话说，沿着箭头A的路径，板20是金属-间隔-金属；在箭头B处，板20是金属-纸-金属。要理解的是，在板20中间隙27的布置将根据该层压板或部件的预定用途变化；间隙27可以在板20的一个或多个边缘处出现，可以单独地位于板20的内部区域中(即，作为芯部24中心中的切孔或者可以具有不规则形状以适应特定的用途)。芯部24可以是不连续的，例如形成单独的条带等。
在上述美国专利No.5,985,457中全面地说明了一种用于形成纤维芯24地材料，该文献在这里被引用作为参考。
现在将对在图1中所示的各个层进行说明。如所述一样，金属表皮22通常是扁平的，它在每一侧上具有平的表面。可以用来形成表皮22的金属优选选自钢、铝、铜合金和其各种组合。最优选的是以最低成本在使用板20的特定环境中提供足够的结构和(必要时)耐腐蚀性能的金属。
在一个优选结构中，表皮22最优选由镀锌钢板形成，并且每一层22的厚度约为0.005英寸或更大，优选在大约0.005英寸和大约0.030英寸之间，并且更优选的是从大约0.005英寸到大约0.012英寸。在一个实施方案中，中间纤维层24优选的厚度约为0.01英寸和更大，并且优选从大约0.01英寸到大约0.05英寸。因此，在一个实施方案中的板20的整体厚度通常在大约0.020英寸和大约0.110英寸之间。具有在附图图1的说明中所述的尺寸并且具有刚才所述的优选层厚的板通常的重量为尺寸和刚度相似的单块钢板的重量的大约40-70％。
如本领域那些普通技术人员所知道的一样，钢根据碳含量和它所含有的其它元素有许多品级。广义上说，这些品级有低碳钢板、中碳钢板和高碳钢板。在这里优选使用的是低碳钢和低碳微合金高强度钢(HSLA)。本发明所使用的最优选金属表皮是冷轧钢板、镀锌钢、镀锡钢和不锈钢。可以优选的是，利用单面镀锌板，该表皮22的外表面为镀锌表面，这些表皮的内表面为裸露金属以便进行粘合。在一个实施方案中，不同的锌涂层是优选的，即在内侧表面上具有薄锌涂层并且在外表面上具有更厚的锌涂层。在一个实施方案中，镀锌钢板是与该表面上的锌一起被冷轧成最终厚度的。
如所述一样，层24是一种纤维材料。如在这里所使用的一样，在不限制本发明的范围的情况下，术语“纤维”指的是一种可以形成为板制品的纤维(天然的或合成的)的大体上均质集合体。在这里用作层24的最优选的纤维材料(被认为在纤维板中是独特的材料)是纸。如本领域普通技术人员所知道的一样，纸基本上是通过纸浆和水的稀释悬浮液的媒介形成为相对较薄的板的纤维材料的编织或毡状结构。它基本上由纤维素纤维构成。可以通过机械研磨木材或其它植物材料、通过化学处理(亚硫酸盐、牛皮纸或苏打)并且还通过化学处理棉花、亚麻和大麻碎布、废料、稻草等来制作用于造纸的纸浆。
在本发明中，采用牛皮纸制浆法是最优选的。本领域普通技术人员公知的是，牛皮纸制浆法(该方法也被称为硫酸盐制浆法或碱性制浆法)形成物理强度较高并且松密度的纸张。一种优选的纸是由Charleston，S.C的Westvaco销售的饱和牛皮纸。
还有，如本领域普通技术所公知的一样，纸张中的纤维素纤维的平均对准在一定程度上是在造纸期间由“机加工方向”控制。人们相信，在本发明中在层压件中的纸的取向是影响层压件的刚度和强度的一个因素。最优选的是这样的层压件，其中牛皮纸的机加工方向是平行于层压件的弯曲中心轴线的直线。在这里所使用的纤维材料的另一种类别为塑料纤维纸。
在本发明的一个优选实施方案中，层24设置作为树脂浸渍的纤维材料。在层24为牛皮纸的情况中，该纸浸透有树脂，该树脂然后被干燥。在这里最优选使用的是酚醛树脂浸渍的牛皮纸。聚酯树脂浸渍在某些用途中也是适用的。用树脂浸渍纸张的方法对于那些本领域普通技术人员来说是公知的。实质上优选的浸渍树脂的纸张是通过将基底纸张网浸泡在液体酚醛树脂中来形成的。通常，将多层饱和浸渍纸层叠在一起以形成单层半固化浸渍纸。虽然在特定用途中超出在下面针对含树脂层24所提出的范围可以是适当的或理想的，但是在本发明的优选实施方案中，树脂构成树脂浸渍层24重量的大约15％至大约45％。
在大多数情况中，热固树脂用于浸渍纸层24中是优选的，但是在一些用途中，热塑树脂也是可以接受的。在热固树脂的情况中，如所述一样，树脂在形成板20之前通常固化为半熔阶段，但是在下述的层压件挤压操作(受控加热和加压)之前可以使浸渍纸完全固化。在酚醛树脂的情况中，树脂在层压之前固化为半熔阶段。然后它在采用挤压机将表皮22和浸渍纸芯部24层压在一起时完全固化。在某些用途中可以适当地在树脂中包括许多标准的添加剂例如固化剂、填充剂等。
在有或没有纤维层24的树脂浸渍的情况中，优选的是或要求使用一层粘合剂来将表皮22粘结在纤维芯部24上。许多粘合剂可以适于用在特定的用途中，包括环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯、聚氨酯和热熔融物。为此尤其优选的粘合剂是一种由Ashland Chemical以“Arofene 1166”销售的丁腈酚醛树脂粘合剂。该粘合剂可以通过任意方法直接涂覆到层24上或者金属表皮22上或者这两者上。优选的是，用转化涂层例如复杂氧化物或磷酸锌对该钢板进行预处理以改善粘结完整性和耐腐蚀性。
在另一个实施方案中，如图3中所示，设有其材料与纤维芯部24不同的边沿衬条28。该边沿衬条28可以使用各种材料例如热塑性塑料或粘合剂。衬条28可以构成围绕板20的外周边的单根条带。
在另一个实施方案中，纤维层24可以具有从中延伸穿过的多个孔(未示出)；这些孔可以如在上述参考文献美国专利No.5,985,457中更完整地描述的一样提供粘合剂“桥”。
现在参照附图中的图4，该图显示出采用挤压机30装配表皮22和层24的一种方法。挤压机30包括采用液压装置等以常规的方式朝着彼此移动的压板32。如在1999年8月12日申请的题目为IMPROVEDSTRUCTURAL PANEL AND METHOD OF MANUFACTURE(“改进的结构板及其制造方法”)的共同未决的美国专利申请No.09/373,298中所更全面地描述的一样，压板32优选是可加热的，因此可以将热量和压力施加到这些层压件上以使树脂固化并且粘结粘合剂，该文献的全部内容在这里被引用作为参考。
如在刚刚在前面的美国专利申请No.373,298中所述一样，可以将几块金属/纤维/金属层压件层叠在一起并且进行挤压。在被挤压的层叠件已经冷却之后，从挤压机中将它取出，然后使各块板分开。
在一些用途中，本发明的层压板可以取代不是平板的金属部分。因此，如在刚刚在前面的美国专利申请No.373,298中所述一样，具有非平面几何形状的部件可以受益于本发明的特制层压件方法。
这种多维层压件20可以用作在图5中所示的门板34。由标号36表示的门板34的主体可以包括一种刚性轻型复合材料，它包括由钢板制成的外部金属表皮以及由在这里所述类型的纸制的内芯。该门板34具有由38、40表示的前后边缘部分，这些边缘部分包括钢板外表皮和由适合进行焊接的高强度钢板制成的内芯。在形成在门板34中以制出窗口的开口42附近，具有由附图标记44表示的区域，该区域将变形以产生出与门把手(未示出)相关的凹槽，并且包括钢板外表皮和由可以承受高达30％的应变的热塑材料制成的内芯。
虽然这里显示并描述了本发明的具体实施方案，但是当然要理解的是，本发明并不限于此，因为本领域普通技术人员可以在该披露内容的启示下做出许多改进。因此，打算通过附属的权利要求来覆盖落入在本发明的真实精神和范围内的任意这些改进。