(相關(guān)申請的交叉引用)

本申請要求基于2014年3月13日于日本提交的日本專利申請?zhí)?014-050752的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文。

本發(fā)明涉及一種由金屬材料和纖維增強塑料制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

已知這些種類的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法例如如JP2010-149350A和WO2013-146900A中所公開。

引文列表

[專利文獻]

[PTL 1]

JP2010-149350A

[PTL 2]

WO2013-146900A

技術(shù)實現(xiàn)要素：

[技術(shù)問題]

本發(fā)明給出以下分析。

在這些種類的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，纖維增強塑料部分與金屬部分之間的接合位點有著發(fā)生應(yīng)變或?qū)与x的問題，特別是由于所述兩個部分之間熱膨脹系數(shù)的差異。本發(fā)明鑒于如上文所示例的情況等而作。

[問題的解決方案]

考慮到上文所述的情況，在第一個方面，提供一種具有由纖維增強塑料和金屬材料制成的層合結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包含：由金屬材料制成的基礎(chǔ)構(gòu)件；和由纖維增強塑料制成的增強構(gòu)件。所述增強構(gòu)件包含：第一增強部，和第二增強部，所述第一增強部由包含單向排列的增強纖維的纖維增強塑料制成，所述第二增強部由至少包含相對于第一增強部的增強纖維所排列的單向以相交方向排列的增強纖維的纖維增強塑料制成并插入在基礎(chǔ)構(gòu)件與第一增強部之間。所述增強構(gòu)件還包含熱固性樹脂，所述熱固性樹脂包括在與所述基礎(chǔ)構(gòu)件接合的接合位點中。

在纖維增強塑料中，在增強纖維的取向方向(后文可簡稱為“取向方向”)和與取向方向相交(通常垂直)的方向之間存在熱膨脹量或冷卻收縮量的差異。采用單向纖維增強塑料，所謂的“UD(單向)材料”，將產(chǎn)生膨脹或收縮的各向異性，具體取決于取向方向。在UD材料中，在與取向方向垂直相交的方向上的膨脹或收縮量將大于取向方向上的量。這樣的各向異性將在接合位點處導(dǎo)致應(yīng)變或?qū)与x。

在根據(jù)第一個方面的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，與基礎(chǔ)構(gòu)件接合的增強構(gòu)件具有第一和第二增強部(層)，并且在與基礎(chǔ)構(gòu)件接合的接合位點中包含熱固性樹脂，其中第一和第二增強部中包含的增強纖維的取向方向彼此相交。相應(yīng)地，基礎(chǔ)構(gòu)件與增強構(gòu)件之間的接合易于進行或牢固地進行，并且加熱和冷卻時增強構(gòu)件的膨脹和收縮盡可能各向同性。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)可取得UD材料在其取向方向上呈現(xiàn)的纖維增強性質(zhì)，同時抑制接合位點處應(yīng)變或?qū)与x的發(fā)生。

在一個優(yōu)選的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，包含熱固性樹脂的第二增強部與基礎(chǔ)構(gòu)件直接接合。根據(jù)這樣的優(yōu)選配置，根據(jù)第一個方面的具有上述配置的復(fù)合結(jié)構(gòu)通過容易或簡單的制造過程產(chǎn)生。

在一個優(yōu)選的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，包含熱固性樹脂的第一增強部與第二增強部直接接合。根據(jù)這樣的優(yōu)選配置，具有上述配置的復(fù)合結(jié)構(gòu)通過容易或簡單的制造過程產(chǎn)生。

在一個優(yōu)選的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，第二增強部包含布構(gòu)件，其中所述布構(gòu)件中包含的增強纖維用作所述第二增強部的增強纖維。根據(jù)這樣的優(yōu)選配置，在布置于增強構(gòu)件的基礎(chǔ)構(gòu)件側(cè)上的第二增強部中，加熱和冷卻時的膨脹和收縮盡可能各向同性。因此，接合位點處產(chǎn)生的應(yīng)變或?qū)与x被進一步抑制。

在一個優(yōu)選的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，第一和第二增強部中的至少之一由碳纖維增強塑料制成。具有這樣的配置的優(yōu)選復(fù)合結(jié)構(gòu)可具有上述有利特性。

在第二個方面，提供具有由纖維增強塑料和金屬材料制成的層合結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其包括：

(i)通過將第二增強部前體插入在基礎(chǔ)構(gòu)件與第一增強部前體之間來彼此層合所述基礎(chǔ)構(gòu)件、所述第一增強部前體和所述第二增強部前體，所述基礎(chǔ)構(gòu)件由金屬材料制成，所述第一增強部前體由預(yù)浸料形成，所述預(yù)浸料由包含單向排列的增強纖維的纖維增強塑料制成，所述第二增強部前體由預(yù)浸料形成，所述預(yù)浸料由至少包含相對于第一增強部前體的增強纖維所排列的單向以相交方向排列的增強纖維的纖維增強塑料制成；和

(ii)加熱通過所述層合產(chǎn)生的具有基礎(chǔ)構(gòu)件、第一增強部前體和第二增強部前體的層合結(jié)構(gòu)。

在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選制造方法中，層合包括：將包含固化前的熱固性樹脂的第二增強部前體與基礎(chǔ)構(gòu)件直接接合；和將第二增強部前體與包含固化前的熱固性樹脂的第一增強部前體直接接合；從而產(chǎn)生層合結(jié)構(gòu)。

在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選制造方法中，其中：

(i)層合包括：

(ia)設(shè)置具有板形狀的第一和第二增強部前體于設(shè)置于一對模具中的一個模具中的基礎(chǔ)構(gòu)件和該一對模具中的另一模具之間；和

(ib)閉合該一對模具以形成上述層合結(jié)構(gòu)，由此將所述第一和第二增強部前體成形為預(yù)設(shè)形狀，并且其中

(ii)加熱包括：

加熱在閉合的所述一對模具中受熱的所述層合結(jié)構(gòu)。

在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選制造方法中，第二增強部包含布構(gòu)件，其中所述布構(gòu)件中包含的增強纖維用作所述第二增強部的增強纖維。

在所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選制造方法中，第一和第二增強部前體中的至少之一由預(yù)浸料形成，所述預(yù)浸料由碳纖維增強塑料制成。

根據(jù)上述優(yōu)選方法，上述優(yōu)選復(fù)合結(jié)構(gòu)通過容易或簡單的制造過程產(chǎn)生。

附圖說明

[圖1]

圖1為示意性平面視圖，示出了根據(jù)一個示例性實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)的大致配置。

[圖2]

圖2為沿圖1中的線2-2截取的示意性剖視圖。

[圖3]

圖3為示意性局部放大視圖，示出了圖2的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

[圖4]

圖4為示意圖，示出了根據(jù)一個示例性實施方案的制造方法。

[圖5]

圖5為示意圖，示出了根據(jù)一個示例性實施方案的制造方法。

[圖6]

圖6為示意圖，示出了根據(jù)一個示例性實施方案的制造方法。

[圖7]

圖7為示意圖，示出了根據(jù)一個示例性實施方案的制造方法。

[圖8]

圖8為示意性剖視放大視圖，示出了通過如圖7中所示制造方法產(chǎn)生的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下文將結(jié)合附圖描述一個示例性實施方案。另外，將在說明書結(jié)束處指出變型和/或變體，因為當此類變型和/或變體插入在示例性實施方案的描述中時將妨礙對連貫的一個示例性實施方案的描述的理解。

＜復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)成＞

圖1為示意性平面視圖，示出了根據(jù)一個示例性實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)的大致配置。圖2為沿圖1中的線2-2截取的示意性剖視圖。圖3為示意性局部放大視圖，示出了圖2的復(fù)合結(jié)構(gòu)。下文中將結(jié)合圖1-3描述根據(jù)一個示例性實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

以如圖2中所示的帽形(波紋板形狀)形成如圖1中所示具有預(yù)設(shè)縱向(平行于圖中的上-下方向)的復(fù)合結(jié)構(gòu)10。復(fù)合結(jié)構(gòu)10具有通過將由金屬材料制成的金屬板坯料彎曲成上述形狀所形成的基礎(chǔ)構(gòu)件11和包含CFRP(碳纖維增強塑料)并與基礎(chǔ)構(gòu)件11接合的增強構(gòu)件12。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)10具有由CFRP和金屬材料制成的層合(接合)構(gòu)造。

在本示例性實施方案中，假定復(fù)合結(jié)構(gòu)10需要在縱向上具有增強。在復(fù)合結(jié)構(gòu)10中，對于根據(jù)本示例性實施方案的該假定，增強構(gòu)件12僅布置在需要預(yù)設(shè)強度的區(qū)域和該區(qū)域的相鄰區(qū)域上，而不布置在其它部分上，例如垂直于縱向的寬度方向上的端部區(qū)域等。

增強構(gòu)件12具有第一和第二增強部12a、12b。第一增強部12a(由CFRP制成)由所謂的UD材料構(gòu)件形成，從而包含熱固性樹脂和單向排列的連續(xù)或長碳纖維(細絲)。為按著上述情況在縱向上增強復(fù)合結(jié)構(gòu)10，第一增強部12a中增強纖維的取向方向在復(fù)合結(jié)構(gòu)10的上述縱向上(例如，平行于上述縱向)排列。第二增強部12b(由CFRP制成)由布構(gòu)件(材料)形成，從而包含熱固性樹脂和平紋編織增強纖維。在所述平紋編織增強纖維中，經(jīng)緯纖維相對于復(fù)合結(jié)構(gòu)10的上述縱向分別成大約45度地傾斜排列。

如圖2和3中所示，第二增強部12b設(shè)置為插入在基礎(chǔ)構(gòu)件11與第一增強部12a之間。第一和第二增強部12a、12b彼此直接接合而無另外的粘合劑層。因此，增強構(gòu)件12配置為在與基礎(chǔ)構(gòu)件11的接合位點中含熱固性樹脂。

＜制造方法＞

下文將結(jié)合圖4-6描述具有上述構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)10的制造方法。

在下模具20即一對模具中的固定模具(外模具)上形成凹形部分，即腔穴21。下模具20具有內(nèi)壁表面，所述內(nèi)壁表面能夠鄰接基礎(chǔ)構(gòu)件11的外側(cè)表面(與增強構(gòu)件12接合的上述內(nèi)側(cè)表面的相反側(cè)表面)。在下模具20內(nèi)，沿腔穴21的內(nèi)壁表面布置用于加熱的加熱器22。

在上模具30即一對模具中的可移動模具(內(nèi)模具)上形成凸形部分31。凸形部分31分別具有與基礎(chǔ)構(gòu)件11的內(nèi)側(cè)表面相對應(yīng)的形狀。在上模具20內(nèi)，沿凸形部分31的外壁表面布置用于加熱的加熱器32。

首先，如圖4中所示，在下模具20中設(shè)置或布置金屬組分的基礎(chǔ)材料11。在上模具30和其中已設(shè)置基礎(chǔ)構(gòu)件11的下模具20之間設(shè)置第一和第二預(yù)浸料41、42，使得第二預(yù)浸料42夾在基礎(chǔ)構(gòu)件11與第一預(yù)浸料41之間。第一預(yù)浸料41由包含固化前的熱固性樹脂的UD材料構(gòu)件制成，作為本發(fā)明的第一增強部(12a)前體。第二預(yù)浸料42由包含固化前的熱固性樹脂的布構(gòu)件形成，作為本發(fā)明的第二增強部(12b)前體。

其次，如圖5中所示，上下模具20、30彼此閉合。由此，第一和第二預(yù)浸料41、42被層合到基礎(chǔ)構(gòu)件11上并成形為順應(yīng)基礎(chǔ)構(gòu)件11的內(nèi)表面輪廓的帽形。此過程稱為“層合過程”。

接下來，在如圖5中所示的狀態(tài)中，第一和第二預(yù)浸料41、42與基礎(chǔ)構(gòu)件11的層合結(jié)構(gòu)使用加熱器22、32在預(yù)設(shè)溫度下加熱預(yù)設(shè)的時間。此過程稱為“加熱過程”。由此進行第一和第二預(yù)浸料41、42中包含的熱固性樹脂的固化反應(yīng)，使得形成第一和第二增強部12a、12b，并且第一和第二增強部12a、12b與基礎(chǔ)構(gòu)件11以此順序牢固地彼此接合和層合。其后，如圖6中所示，打開上下模具20、30以允許從模具20、30取出所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)10。

＜操作和效果＞

在根據(jù)本示例性實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)10中，與基礎(chǔ)構(gòu)件11接合的增強構(gòu)件12具有第一和第二增強部12a、12b，其中第一和第二增強部12a、12b的增強纖維的取向方向彼此相交。相應(yīng)地，加熱和冷卻時增強構(gòu)件的膨脹和收縮盡可能各向同性。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)10可取得UD材料構(gòu)件在其取向方向上呈現(xiàn)的纖維增強性質(zhì)，接合位點處應(yīng)變或?qū)与x的發(fā)生被抑制。

特別地，在如本示例性實施方案中所述彼此接合包含熱固性樹脂的CFRP構(gòu)件與金屬組分的情況下，因制造工藝上的固化反應(yīng)和因固化后的冷卻所致的收縮以及復(fù)合結(jié)構(gòu)10的成品在使用環(huán)境中的膨脹和收縮均是問題。關(guān)于這些問題，根據(jù)本示例性實施方案的配置，甚至在接合由包含熱固性樹脂的CFRP構(gòu)件形成的增強構(gòu)件12與由金屬組分形成的基礎(chǔ)構(gòu)件11時，接合位點處的應(yīng)變或?qū)与x也可得到令人滿意的抑制。

在本示例性實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)10中，增強構(gòu)件在與基礎(chǔ)構(gòu)件11的接合位點中包含熱固性樹脂。例如，將包含熱固性樹脂的增強構(gòu)件12與基礎(chǔ)構(gòu)件11直接接合。根據(jù)上述配置，基礎(chǔ)構(gòu)件11與增強構(gòu)件12之間的接合可很好地進行，即便不施加預(yù)處理來改善增強構(gòu)件12向基礎(chǔ)構(gòu)件11上的粘附性(表面處理：例如，電鍍、等離子體處理和噴砂等)或在基礎(chǔ)構(gòu)件11與增強構(gòu)件12之間布置特殊的粘附層(接合層)。

此外，在本示例性實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)10中，包含熱固性樹脂的第一增強部12a與包含熱固性樹脂的第二增強部12b直接接合，并且第二增強部12b與基礎(chǔ)構(gòu)件11直接接合。根據(jù)這樣的優(yōu)選配置，具有上述配置的復(fù)合結(jié)構(gòu)可通過容易或簡單的制造過程產(chǎn)生。

另外，根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)10及其制造方法，可同時進行基礎(chǔ)構(gòu)件11的形成過程和所形成的基礎(chǔ)構(gòu)件11與增強構(gòu)件12之間的接合過程，從而有助于減少過程數(shù)并由此降低產(chǎn)品成本。

＜變型＞

接下來示例若干變型。在變型的以下描述中，結(jié)構(gòu)和功能上與上述示例性實施方案的那些相似的組分構(gòu)件將由與上述示例性實施方案的那些相似的名稱和參考號表示。在上面的實施方案描述中出現(xiàn)的組分構(gòu)件的描述可視情況適用，只要不包含技術(shù)不一致之處即可。當然，即便是變型也不限于下文描述的那些。上述示例性實施方案的構(gòu)成和下文將描述的變型的構(gòu)成完全或部分適用于適宜的組合中，只要不包含技術(shù)不一致之處即可。

本發(fā)明不限于上面描述的示例性實施方案的具體配置。復(fù)合結(jié)構(gòu)10的形狀不限于如上文所提到的帽形。例如，復(fù)合結(jié)構(gòu)10可具有大致平板形狀。此外，第一和第二增強部12a、12b不限于由CFRP構(gòu)件形成。此外，第一增強部12a的取向方向可根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)10的實際使用中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力或外應(yīng)力的方向設(shè)置在相對于上述縱向傾斜預(yù)設(shè)角度的方向上，等等。

在第二增強部12b由布構(gòu)件(由UD材料制成)形成的情況下，第二增強部12b配置為其中布構(gòu)件中包含的經(jīng)纖維或緯纖維大致垂直于復(fù)合結(jié)構(gòu)10的上述縱向排列。有時候，可使用非平紋編織的增強纖維，例如斜紋編織增強纖維，作為包含在第二增強部12b中的增強纖維。

本發(fā)明不限于上面描述的示例性實施方案的具體制造方法。例如，第一和第二預(yù)浸料41、42可分開插入在上下模具20、30之間。有時候，第一和第二預(yù)浸料41、42可在插入上下模具20、30之間之前預(yù)整合或預(yù)接合。

第一和第二預(yù)浸料41、42可對應(yīng)于增強構(gòu)件12預(yù)成型。在這種情況下，成型的預(yù)浸料41、42可在閉合上下模具20、30之前與基礎(chǔ)構(gòu)件11一起設(shè)置在下模具20中。有時候，不是如圖4中所示將基礎(chǔ)構(gòu)件11設(shè)置在下模具20中，而是可在第二預(yù)浸料42與下模具20之間插入用以形成基礎(chǔ)構(gòu)件11的金屬坯料。在這種情況下，其后的閉模和加熱(參見圖5)可導(dǎo)致基礎(chǔ)構(gòu)件11和增強構(gòu)件12的形成及同時兩個構(gòu)件11、12的彼此接合。

基礎(chǔ)構(gòu)件11的內(nèi)表面可經(jīng)過上述預(yù)處理，尤其是如果第二增強部12b由熱塑性纖維增強塑料制成的話。在這種情況下，第一增強部12a常常也由熱塑性纖維增強塑料制成。

使用由熱塑性纖維增強塑料制成的第二增強構(gòu)件12，可在基礎(chǔ)構(gòu)件11與第二增強部12b之間插入由固化前的熱固性樹脂制成的粘合劑板(熱固性樹脂前體板)。在這種情況下，第二增強部12b可經(jīng)由由熱固性樹脂制成的粘合劑層123(自粘合劑板43形成)與基礎(chǔ)構(gòu)件11接合，如圖8中所示。根據(jù)所述配置和制造方法，基礎(chǔ)構(gòu)件11與具有由熱塑性FRP制成的第二增強部12b的增強構(gòu)件12之間的接合可很好地進行，即便沒有在基礎(chǔ)構(gòu)件11的內(nèi)表面上的上述預(yù)處理。

當然，未特別提及的那些變型也涵蓋在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)，只要本發(fā)明沒有被實質(zhì)性改變即可。部分地構(gòu)成用以解決本發(fā)明待解決的問題的措施及在操作上或功能上表達的那些部件，不僅包括上面在上述示例性實施方案和變型的描述中公開的特定結(jié)構(gòu)和其等價物，而且包括可實施所述部件的操作或功能的任何其它結(jié)構(gòu)。

上述專利文獻的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文。在本發(fā)明的整體公開內(nèi)容(包括權(quán)利要求書)的范圍內(nèi)并基于本發(fā)明的基本技術(shù)概念，示例性實施方案的變型和調(diào)節(jié)是可能的。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種所公開要素(包括每一權(quán)利要求的每一要素、每一示例性實施方案的每一要素、每一附圖的每一要素等)的各種組合和選擇是可能的。即，本發(fā)明當然包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)包括權(quán)利要求書和技術(shù)概念在內(nèi)的整體公開內(nèi)容可作的各種改變和修改。特別地，本文中公開的任何數(shù)值范圍應(yīng)理解為落在所公開范圍內(nèi)的任何中間值或子范圍也被具體地公開，即便其沒有被明確地述及。

參考符號列表

10 復(fù)合(混合)結(jié)構(gòu)

11 基礎(chǔ)構(gòu)件(層)

12 增強構(gòu)件(層)

12a 第一增強部(層)

12b 第二增強部(層)

20 下模具

21 腔穴

22 加熱器

30 上模具

31 突起

32 加熱器

41 第一預(yù)浸料

42 第二預(yù)浸料

43 粘合劑板

123 粘合劑層