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CN106460266B - 具有高弯曲刚度的复合材料夹层 - Google Patents

具有高弯曲刚度的复合材料夹层 Download PDF

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CN106460266B
CN106460266B CN201580029949.7A CN201580029949A CN106460266B CN 106460266 B CN106460266 B CN 106460266B CN 201580029949 A CN201580029949 A CN 201580029949A CN 106460266 B CN106460266 B CN 106460266B
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CN
China
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core
skin
interlayer
material interlayer
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安东尼·多德沃尔斯
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Original Assignee
Brett Litt Structure
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Publication date
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Abstract

本公开描述的实施例涉及一种可具有相对高的弯曲刚度并且可具有相对轻的重量的复合材料结构或夹层结构以及复合材料夹层的使用和制造的相关方法。例如，复合材料夹层可包括夹持在两个复合材料蒙皮之间的芯体结构。

Description

具有高弯曲刚度的复合材料夹层
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,614的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,632的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,652的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,670的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,685的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请要求于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
复合材料结构可用于任何数量的合适应用中。通常，复合材料结构也可用于其中降低重量与强度比是重要的各种应用中。例如，复合材料结构可用于车辆底盘、用于通信设备的面板、用于运输或车辆的车架或车身部分(例如，自行车、摩托车、卡车等)、农业应用(例如，农业设备)、能源相关的应用(例如，风力、太阳能)、卫星应用、航天应用、建造材料(例如，建筑材料等)、以及消费产品(例如，家具、马桶座圈和电子产品等)。
因此，复合材料结构的制造商和用户继续寻求对其的改进。
发明内容
本文所述的实施例涉及可具有相对高的弯曲刚度并且可以是相对轻质的复合材料结构(例如，复合材料夹层)以及这些复合材料结构的使用和制造的相关方法。例如，复合材料夹层可包括夹在至少两个复合材料蒙皮之间的芯体结构。在一些实施例中，两个复合材料蒙皮中的至少一个可包括聚合物基体(例如，凝固或固化的聚合物树脂)和嵌入聚合物基体中的增强纤维。此外，在固化和凝固后，聚合物树脂可与芯体形成适当强度的结合。在至少一个实施例中，当凝固时，聚合物树脂为复合材料夹层提供结构刚度和/或支撑。
实施例包括复合材料夹层。更具体地，复合材料夹层包括具有嵌入聚合物基体中的多个增强纤维的第一复合材料蒙皮和具有嵌入聚合物基体中的多个增强纤维的第二复合材料蒙皮。复合材料夹层还包括定位于第一复合材料蒙皮和第二复合材料蒙皮之间并与其结合的芯体。芯体包括由相应的单元壁限定的多个单元。例如，芯体可包括聚合物芯体。
实施例还包括制造复合材料夹层的方法。该方法包括组装堆叠组件，其包括浸渍有聚合物树脂的第一纤维板、浸渍有聚合物树脂的第二纤维板以及定位于第一纤维板和第二纤维板之间的芯坯。该方法还包括加热和施加压力到堆叠组件以将第一纤维板和第二纤维板结合到聚合物芯坯以形成复合材料夹层。
来自所公开的任何实施例的特征可不受限制地彼此组合使用。另外，通过考虑以下具体实施方式和附图，本公开的其它特征和优点对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解，在各种附图中相同的元件已经通过相同的附图标记表示。应当理解的是，由于这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，本发明的实施例将通过使用附图利用附加的特性和细节来描述和解释，其中：
图1A是根据实施例的复合材料夹层的部分俯视图；
图1B是根据图1A的复合材料夹层的部分剖视图；
图2是根据实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图3是根据另一实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图4是根据另一实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图5是根据至少一个实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图6是根据实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图7是根据另一实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图8是根据另一实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图9是根据至少一个实施例的复合材料夹层的轴测图；
图10是根据实施例的复合材料夹层的部分剖视图；
图11是根据实施例的用于制造复合材料夹层的芯坯的俯视图；
图12是根据另一实施例的用于制造复合材料夹层的芯坯的俯视图；
图13是根据实施例的用于挤出芯坯的一个或多个部分的挤出机的示意图；
图14是根据实施例的压缩模具的剖视图；
图15是根据实施例制造的样品复合材料夹层的照片；
图16是根据实施例的制造夹层结构组件的方法的流程图；
图17是根据另一实施例的制造夹层结构组件的方法的流程图；
图18是根据一个或多个实施例的比较各种构造的面板的弯曲刚度的图；
图19是用于计算弯曲刚度的面板的图；
图20是根据实施例的用于计算其弯曲刚度的复合材料夹层的图；
图21A是根据实施例的复合材料结构的侧视图；
图21B是根据实施例的复合材料夹层的侧视图；
图21C是根据另一实施例的复合材料夹层的侧视图；
图22A是示出等效厚度的板的重量和成本的材料比较的图；
图22B是示出等效厚度的板的重量和成本的材料比较的图；以及
图23是比较不同复合材料夹层的弯曲模量的柱状图。
具体实施方式
本文所述的实施例涉及可具有相对高的弯曲刚度并且可以是相对轻质的复合材料结构(例如，复合材料夹层)以及这些复合材料结构的使用和制造的相关方法。例如，复合材料夹层可包括夹在至少两个复合材料蒙皮之间的芯体结构。在一些实施例中，两个复合材料蒙皮中的至少一个可包括聚合物基体(例如，凝固或固化的聚合物树脂)和嵌入聚合物基体中的增强纤维。通常，固化或凝固的聚合物树脂可以是基本上完全固化或凝固的或部分固化或凝固的(例如，使得聚合物树脂保持至少部分地黏稠)。此外，在固化和凝固后，聚合物树脂可与芯体形成适当强度的结合。在至少一个实施例中，当凝固时，聚合物树脂为复合材料夹层提供结构刚度和/或支撑。
通常，复合材料夹层在任何数量的装置和/或结构中可用作或可形成任何数量的合适的部件或元件。例如，复合材料夹层可用作车辆中的部件，诸如汽车(例如，结构或框架部件、面板等)。在一些实施例中，复合材料夹层可用于家具、地板等。在任何情况中，复合材料夹层可在各种应用中用作结构和/或非结构部件。
在一个或多个实施例中，芯坯可以是在制造期间被至少部分地压缩以形成复合材料夹层的芯体。例如，芯坯可定位于浸渍有聚合物树脂的纤维板之间，其可被加热和/或压缩在一起以形成复合材料夹层。特别地，纤维板与聚合物树脂一起可形成复合材料夹层的结合到芯体(由芯坯形成)的复合材料蒙皮。在一些实施例中，可将芯坯压缩到不同的高度或厚度以形成在其不同部分具有相应变化的厚度的芯体。因此，在一些实施例中，复合材料夹层的不同部分可具有不同的厚度(例如，复合材料夹层可具有三维构造)。此外，复合材料夹层通常可形成为可具有平面和/或非平面表面的面板。
芯体材料和构造在不同实施例中是可改变的。通常，相对硬的芯体可有效地将全部载荷从芯体的一端传递到芯体的另一端。例如，“硬”芯体可由包括塑性材料(例如，热塑性材料、热固性材料等)的芯坯形成并且可包括由相应的一个或多个单元壁限定的多个壁(例如，塑性材料可限定蜂窝状结构，其中蜂窝可具有任何数量的合适形状)。在一些实施例中，塑料管(例如，诸如饮用吸管的吸管，其可包括低成本材料，并且可以是相对轻质的)可组合在一起以共同地形成芯坯(例如，每根吸管可限定芯体的相应的单元并且相邻的芯体可在其间的间隙或空间中限定额外的单元)。另外地或可选地，高密度泡沫和其它合适的和/或可压缩的材料可包括在芯坯中(例如，可以是多孔的或可包括小孔或微孔或单元的材料，其可在材料内具有三维布置)。
在另外的或可选的实施例中，芯体的一个或多个部分也可以是相对软的，并且可包括或可由诸如纸板或硬纸板或低密度泡沫的相对软的材料构成。当将载荷施加到芯体的端部上时，“软”芯体可不将全部载荷从芯体的一端传递到芯体的相对端，例如，“软”芯体可由纸板或硬纸板等形成。在一些实施例中，全部载荷是指施加的载荷的至少70％。在一些实施例中，全部载荷是指施加的载荷的至少80％。在一些实施例中，全部载荷是指施加的载荷的至少90％。在一些实施例中，全部载荷是指施加的载荷的至少100％。在基本上垂直于复合材料蒙皮的垂直方向上，“软”芯体可比“硬”芯体吸收更多的能量或冲击。
如上所述，复合材料蒙皮的构造和/或组成(例如，聚合物基体和/或增强纤维的组成)在不同实施例中是可改变的。通常，纤维可以是连续的(例如，可在蒙皮的边缘之间延伸的纤维)和/或不连续的或短纤维，其可以是随机定向的。在一些实施例中，不连续纤维可以是来自诸如RTM的废纤维的再循环纤维以显著降低材料成本。纤维也可包括任何数量的合适材料(例如，纤维可以是碳纤维、玻璃纤维等)。
此外，纤维(连续的和/或不连续的)可布置在一起以限定纤维板。在一些实施例中，纤维板中的纤维可重叠和/或编织在一起。可选地，纤维可松散地定位在一起和/或铺在一起以限定纤维板。在实施例中，松散定位的纤维可附接或结合在一起以形成纤维板。
在一些实施例中，本文所述的复合材料夹层可沿着复合材料夹层具有相对高的弯曲刚度和相对良好的能量吸收(例如，当复合材料夹层包括相对硬的芯体时)。例如，具有高弯曲刚度和/或良好能量吸收的复合材料夹层可用于制造或可被制造为任何数量的合适部件(例如，车辆的结构部件，诸如底盘)。如上所述，由复合材料夹层制造的部件可具有二维和/或三维构造。如本文所使用的，术语“二维”复合材料夹层是指具有总体平坦或平面的相对外表面和通常均匀的厚度的复合材料夹层。相反，如本文所使用的，术语“三维”复合材料夹层是指具有一个或多个非平面的外表面和/或不均匀的厚度的复合材料夹层。
在实施例中，复合材料夹层可包括可基本上没有表面缺陷的聚合物表面。例如，本文所述的低压压缩模制工艺可生产基本上没有针孔的聚合物表面(例如，复合材料夹层的一个或多个表层的外表面可没有诸如针孔的缺陷)。在一些实施例中，基本上没有缺陷的表面可更容易和/或更便宜地涂漆(例如，与具有缺陷的表面相比)。通常，RTM工艺可能需要施加诸如120巴(约1764磅/平方英寸)的高压以减小成品复合材料表面上的针孔的尺寸，该针孔即使在高压下执行加工也可能存在。在一些情况下，与低压压缩模制工艺相比，高压RTM工艺可以是较贵的和/或具有较低的产量。
图1A和1B示出根据实施例的复合材料夹层100的各自的示意性俯视图和剖视图。在所示的实施例中，复合材料夹层100包括顶部复合材料蒙皮102、底部复合材料蒙皮104以及夹在顶部复合材料蒙皮102和底部复合材料蒙皮104之间的芯体106。通常，为了便于描述，术语“顶部”和“底部”与复合材料蒙皮结合使用并且不旨在表示复合材料蒙皮或复合材料夹层的特定方位。
如上所述，顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104可包括或可由复合材料(例如，可包括嵌入固化树脂中的纤维)形成。在一些实施例中，复合材料夹层100可以是相对轻质的和/或可具有相对薄的顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104。此外，在一些实施例中，相对薄的复合材料蒙皮可能需要比例如具有与复合材料夹层相同或相似体积的块状固体复合材料更少的固化时间。
图1A示出顶部复合材料蒙皮102的示意图，其示出嵌入聚合物树脂中的纤维板的纤维。如图1B所示，通常，纤维板可浸渍有聚合物树脂并且压靠在芯坯上以形成抵靠复合材料夹层100的芯体106压缩和/或结合到其上的相应的顶部和底部复合材料蒙皮102、104。例如，当压靠在可形成芯体106的芯坯上时，可形成顶部和底部复合材料蒙皮102、104的浸渍的纤维板可以是至少部分未固化的，使得在固化和凝固后，顶部和底部复合材料蒙皮102、104结合到芯体106，从而形成复合材料夹层100。
此外，如下文更详细地描述的，在一些实施例中，芯坯可以是至少部分可压缩的。例如，芯坯可包括可压缩的材料(例如，可压缩的泡沫)和/或可包括一个或多个可压缩的构件或单元(例如，可弯曲(例如通过塑性或弹性变形)和/或熔化以压缩的构件)。在一些实施例中，芯坯的可压缩的单元可由管或吸管形成或限定。可选地，单元可由薄片材料形成(例如，每个单元可通过单壁限定)。在实施例中，芯坯可被挤出并且单元可具有任何合适的形状(例如，挤出模可被配置为生产任何数量的形状)。
在任何情况中，单元可具有任何数量的合适的形状和尺寸，其在不同实施例中是可改变的。在一个或多个实施例中，单元可以是总体圆柱形的(例如，单元中的一个、一些或每个可包括限定单元的开放空间或腔体的总体圆柱形的壁)。应当理解的是，包括圆柱形单元的芯体106可在沿着复合材料夹层100的任何数量的方向上表现出类似的载荷承受特性。
包括具有一个或多个诸如三角形、正方形、五边形、六边形、八边形等的多边形形状的单元的芯体106的复合材料夹层100可沿不同的方向具有不同的载荷承受特性(例如，取决于芯体106的单元相对于载荷方向的方位)。在任何情况中，在制造复合材料夹层100期间，芯坯可至少部分地压缩以形成芯体106。可选地或另外地，在制造复合材料夹层100之后，芯坯的至少一部分可保持基本上或至少部分地未压缩(例如，芯坯的高度或厚度可与由其形成的芯体106的高度或厚度相似或相同)。在一些实施例中，芯坯可完全压缩以形成基本上实心的芯体。应当理解的是，由基本上未压缩或部分压缩的芯坯形成的芯体106可包括其中具有空隙或腔体的单元。
在至少一个实施例中，芯坯(其可形成芯体106)可包括一个或多个诸如塑料管或吸管的管状构件的束。例如，管的至少一些可彼此附接或结合，诸如热结合(例如，到相邻的管)。可选地，任何数量的合适的管状构件可用于组装包括一个或多个管和/或一个或多个管束(例如，可以相对低的成本为复合材料夹层100提供高的弯曲刚度的聚碳酸酯管、聚乙烯管等)的芯坯。在实施例中，管的一个、一些或每个可具有两个相对的开放端部。可选地，管的一个、一些或每个可具有两个相对的封闭端部。
在实施例中，由多个管形成的芯体106可形成“硬”芯体，其可有效地将载荷从其一端传递到另一端。虽然包括管状构件或诸如吸管的管的芯体106在垂直方向或总体垂直于顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104可吸收相对小的冲击能量，但是在诸如沿着顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的水平方向上可具有相对良好的能量吸收。可选地，因为相对“软”的芯体可包括材料和/或可具有构造以形成较软的芯体，如在名称为“表现能量吸收和/或包括无缺陷表面的复合材料多层”并且与本申请同时提交的申请号为(代理人案卷号为244353WO01_496714-23)的PCT国际申请中更详细地描述的，该PCT国际申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,670的美国临时申请、于2014年6月4日提交的申请号为62/007,652的美国临时申请以及于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国临时申请的优先权，所以前述申请的每一个的公开内容通过引用整体并入本文。
通常，芯坯(和由其形成的芯体106)可由任何数量的合适的材料形成，其在不同实施例中是可改变的。此外，芯坯材料可从芯坯(和由其形成的芯体106)的一部分到另一部分变化。在一些实施例中，芯体106的管或管状构件可由聚碳酸酯(例如，类似于或相同于饮用吸管)、聚乙烯或任何合适的热塑性或热固性材料形成。例如，用于形成芯体106的芯坯可具有70kg/m3的密度和7mm的厚度或孔高度。然而，如本文所述，应当理解的是，芯坯和由其形成的芯体106的单元高度或单元厚度可在不同实施例中是可改变(例如，芯坯厚度可在3mm和30mm之间)。
如上所述，顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104可包括嵌入聚合物基体(例如，在固化的聚合物树脂中)的碳纤维。聚合物树脂可以液体形式提供并且可固化以与嵌入其中的纤维凝固。在实施例中，液体聚合物树脂可包括热固性材料和热塑性材料的混合物，诸如环氧树脂和聚氨酯的混合物。例如，在固化或凝固后，聚合物树脂可形成聚合物基体，其包括固化的环氧树脂和聚氨酯微泡沫或多孔聚氨酯的混合物(例如，微泡沫可以是微孔泡沫)。然而，应当理解的是，环氧树脂泡沫或聚氨酯泡沫可具有任何数量的合适尺寸和/或形状的孔。
通常，在固化或凝固后，聚合物树脂可在纤维之间转移载荷。在一些实施例中，一种热固性聚合物可具有比另一种热固性聚合物好的载荷传递能力。例如，由于环氧树脂可以比聚氨酯硬，因此可更有效地在纤维之间转移载荷。此外，与单一的热固性聚合物基体相比，由聚合物的混合物(例如，诸如环氧树脂和聚氨酯的热固性材料的混合物)和/或可选地热塑性材料的混合物(例如，混合的热塑性纤维)形成的聚合物树脂基体可具有改善的机械性能。
在一些实施例中，两个热固性材料的混合物可优于单一的热固性材料。此外，泡沫可增加表面积，这可有助于将顶部和/或底部复合材料蒙皮104、106结合到芯体106。在部分构造中，一种热固性材料(例如，环氧树脂)可提供比另一种热固性材料(例如，聚氨酯)更好的载荷传递能力。例如，顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104可由一种或多种热固性材料(例如，环氧树脂和聚氨酯的混合物或仅聚氨酯)和可选地热塑性材料(例如，混合的热塑性纤维)形成，这可改善其机械性能(例如，与包括单一的热固性或热塑性材料的复合材料表层相比)。在一些实施例中，热塑性材料可改善顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的韧性(例如，与没有热塑性材料的复合材料蒙皮相比)。各种材料、构造以及制造复合材料蒙皮的方法更详细地描述在名称为“多组分聚合物树脂，其用于应用其的方法以及包括其的复合材料层压体结构”，并且与本申请同时提交的申请号为(代理人案卷号为243721WO01_496714-25)的PCT国际申请中，该PCT国际申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,632的美国专利申请以及于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国专利申请的优先权，其每一个的公开内容通过引用整体并入本文。
在一些构造中，包括环氧树脂和聚氨酯的混合物的聚合物树脂可与和/或到芯体106(例如，到塑料管)很好地结合并且可比单独的环氧树脂更抵抗从芯体106剥离(例如，可承受更高的剥离力)。泡沫(例如，聚氨酯泡沫)可在固化期间形成并且可有助于顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104附接到芯体106。例如，泡沫可部分或完全地填充芯体106中的腔体并且主要通过机械结合而不是化学结合来附接到芯体106。在部分构造中，复合材料蒙皮中的传统环氧树脂可能不粘附到“硬”芯体上(例如，发明人发现复合材料蒙皮相对容易地从“硬”芯体的端部剥离)。
在实施例中，聚合物树脂可以不同于聚氨酯，诸如用于拜耳烯醇酮(Bayer Preg)的VITROX。例如，聚氨酯泡沫可具有透过泡沫的水渗透性并且可比环氧树脂软得多。包括环氧树脂和聚氨酯的混合物的聚合物树脂可为复合材料夹层提供硬表面和/或可比由聚氨酯形成的表面更耐水。
在一个或多个实施例中，顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104可包括碳纤维重量的约50％和聚合物基体重量的约50％。然而，应当理解的是，纤维的重量含量和/或纤维和聚合物基体的重量百分比在不同的实施例中是可改变的。在一些实施例中，增强碳纤维(RCF)的重量可以是约200g/m2，当嵌入纤维的聚合物树脂固化时，可产生约0.2mm的复合材料蒙皮。例如，Toray T700 60E碳纤维可从干燥的NCF废料被切割成35mm的纤维，然后可用于形成具有200g/m2的面密度的无规纤维毡。
NCF可具有300g/m2的质量或重量以进一步增强复合材料。为了增加复合材料蒙皮的厚度，可将多个纤维板和/或多层纤维嵌入聚合物基体中。例如，包括复合材料蒙皮中的两层纤维可产生0.4mm的厚度；包括三层纤维可产生0.6mm的厚度等。当纤维板的数量增加时，由于复合材料蒙皮变得较厚因此比相对较薄的复合材料蒙皮强和硬。
在一些实施例中，纤维板可包括诸如非卷曲织物(NCF)、编织物等的高性能材料，其可增加复合材料蒙皮对拉出载荷和/或拉伸强度的阻力。NCF可包括两个或更多个单向连续纤维的厚度或层。此外，在一些实施例中，每个层可沿着不同的轴线和/或相对于另一个层以不同的角度(例如，在任何数量的其它合适的角度中的0°、90°或45°)定向。例如，根据层的数量和/或每层的方位，单向、双轴、三轴和四轴构造可组装成多片或多堆堆叠或组件。
如上所述，顶部和底部复合材料蒙皮102、104可结合到芯体106。例如，顶部和底部复合材料蒙皮102、104的一个或多个部分和/或形成其基体的聚合物可定位于芯体106中的一个或多个空隙或腔体内部(例如，在由芯体106的管的壁限定的腔体中)。此外，定位于芯体106的腔体中的聚合物可至少部分地将相应的顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104结合到芯体106。在一些实施例中，泡沫可以是基本上硬的泡沫。例如，如上所述，形成顶部或底部复合材料蒙皮102、104的基体的聚合物树脂或两种或更多种聚合物的混合物可在芯体106的界面处和/或附近包括或形成泡沫。即，在制造复合材料夹层100b期间，用于浸渍纤维板和制造聚合物基体的聚合物(例如聚氨酯)可在浸渍的纤维板定位成与芯坯接触之前、期间和/或之后发泡。因此，在至少一个实施例中，虽然泡沫可包括与顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的聚合物基体相同或相似的材料和/或可具有与顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的聚合物基体总体相同或相似的硬度，但是可包括可密封或未密封的气泡(例如，泡沫的一个或多个部分可以是开孔和/或闭孔)。
在一些实施例中，泡沫可位于仅一个复合材料蒙皮和芯体之间(例如，在顶部复合材料蒙皮102和芯体106之间)。如上所述，泡沫可仅部分地从复合材料蒙皮102延伸到芯体106中的单元的腔体中。复合材料夹层还可包括从底部蒙皮104延伸并且部分地进入芯体106中的单元的一个或多个腔体中的泡沫。此外，在实施例中，泡沫可延伸到芯体106中的单元的腔体中并且在顶部和底部复合材料蒙皮102、104之间(例如，部分地或完全地填充芯体106中的单元的一个或多个腔体)。
在一个或多个实施例中，泡沫可定位于芯体106中的一个或多个腔体中并且可至少部分地结合邻近芯体106的顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104。另外地或可选地，如上所述，芯坯的一个或多个部分可压缩以形成基本上实心的芯体106。例如，芯体106的基本上实心的部分可包括被压缩在一起的芯坯的泡沫和热塑性材料以形成芯体106的实心部分的基本上实心的材料。即，在一些实施例中，芯体106的基本上实心的部分可包括其中的诸如微孔的气泡或气孔(例如，包括气泡的在芯体106的实心部分中的泡沫可通过由熔化和/或塌陷的单元壁，诸如由管状构件的壁，形成的实心壁和/或实心屏障分段或分开)。因此，在一些实施例中，芯体106的基本上实心的部分可包括与多孔聚合物树脂的部分混合在一起和/或分开的多孔聚合物树脂和基本上无孔的热塑性材料(例如，聚碳酸酯、聚乙烯等)和/或热固性材料。
再次，在一些实施例中，作为混合两种或更多种聚合物树脂(例如，聚氨酯和环氧树脂)的结果，可形成泡沫。泡沫可扩展到芯体106中的单元的腔体中。例如，当泡沫在顶部复合材料蒙皮102和芯体106之间的界面处形成时，泡沫可扩展到腔体中(例如，当向浸渍的纤维板施加压力时)。在实施例中，泡沫可压靠在管状构件的壁上，并且当固化时可提供顶部复合材料蒙皮102和芯体106之间的机械粘合(例如，泡沫可以使限定芯体106的单元的壁，诸如管状构件的壁，扩展或变形)。
图2示出根据实施例的复合材料夹层100a的剖视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100a及其元件和部件可以与复合材料夹层100(图1)及其相应的元件和部件相似或相同。例如，复合材料夹层100可包括结合到芯体106a的相对侧并且在芯体106a的相对侧上的顶部和底部复合材料蒙皮102a、104a，其可类似于复合材料夹层100的顶部和底部复合材料蒙皮102、104和芯体106(图1A至图1B)。
如上所述，芯体106a可包括一个或多个单元，其每一个可包括由相应的一个或多个壁限定的相应的开放空间或腔体。更具体地，例如，芯体106a的单元的一个、部分或每个可至少部分地通过相应的管状构件形成，该管状构件包括限定诸如在所示实施例中的腔体107a的单元的相应空隙或腔体的壁。
此外，在一些实施例中，形成芯体106a的管的一个或多个端部可在顶部和/或底部复合材料蒙皮102a、104a附接之前打开。在实施例中，将顶部复合材料蒙皮102a结合到芯体106a可将顶部复合材料蒙皮102a的一部分压入或强行压入芯体106a的单元中的腔体(例如腔体107a)的一个、一些或每个中。类似地，将顶部复合材料蒙皮104a结合到芯体106a可将顶部复合材料蒙皮104a的一部分压入或强行压入芯体106a的单元中的腔体(例如腔体107a)的一个、一些或每个中。因此，例如，可在顶部和/或底部表层102a、104a的暴露的或外表面中形成相应的一个或多个凹坑或透印凹陷。
在一些实施例中，可在顶部和/或底部复合材料蒙皮102a、104a的外表面中形成的一个或多个凹陷可对复合材料夹层100a的弯曲刚度或其他机械性能没有显著影响。然而，对于部分应用，包括凹陷的顶部和/或底部复合蒙皮102a、104a的外表面的美学外观可以是不期望的。因此，在一些实施例中，顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104可结合到芯体106而不在其外表面中形成凹陷(例如，足够或合适的厚材料可以用于促进顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的一个或多个部分进入芯体的单元中的腔体中而不在顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的外表面上形成凹陷)。
在可选的和另外的实施例中，空隙或腔体107的尺寸可使得防止或限制顶部和/或底部复合材料蒙皮102a、104a进入腔体107a，以产生基本上没有凹坑或凹陷的复合材料夹层100a的外表面。例如，当在制造期间在浸渍的纤维板上施加相对较大的压力(例如，将芯坯压缩到比其他情况小的厚度)时，芯坯可包括具有相对较小腔体的管状构件。此外，在一些实施例中，芯坯(和由其形成的相应的芯体106a)可包括具有两种或更多种尺寸的管状构件，其可具有相对较小和相对较大的腔体。例如，具有相对较大腔体的管状构件可定位于芯坯的将被压缩得比包括具有较小腔体的管状构件的部分少的部分中(例如，为了形成弯曲、拐角等，芯坯可被压缩得比形成复合材料夹层的平面的或略微弯曲的部分多)。在一些实施例中，具有相对较小腔体的管状构件(例如，较小直径的管状构件)可包括在坯芯体的将经受更大压缩力的部分中和/或可在制造复合材料夹层期间经受更多应力，诸如复合材料夹层的弯曲部分。因此，例如，通过改变管状构件的尺寸(例如，至少部分地基于压缩芯坯以形成复合材料夹层的芯体所需的压缩量)可有助于生产具有基本上没有凹坑或凹陷的外表面的复合材料夹层。
图3示出根据实施例的复合材料夹层100b的示意性侧视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100b及其元件和部件可与复合材料夹层100、100a(图1至图2)及其相应的元件和部件中的任何一个相似或相同。在至少一个实施例中，复合材料夹层可包括顶部和底部复合材料蒙皮102、104以及定位于它们之间并且结合到其上的芯体106(类似于复合材料夹层100(图1A-1B))。
在实施例中，复合材料夹层100b可包括中间层，诸如定位于顶部复合材料蒙皮102和芯体106中的至少一个之间和/或底部复合材料蒙皮104和芯体106之间的塑料泡沫层。聚合物泡沫层108可有助于减少来自芯坯的透印。在所示的实施例中，复合材料夹层100b包括定位于顶部复合材料蒙皮102和芯体106之间的泡沫108(例如，塑料泡沫)。更具体地，例如，泡沫108可在第一侧上结合到芯体106并且在第二侧上结合到顶部复合材料蒙皮102或与顶部复合材料蒙皮102整合(例如，泡沫108可将顶部复合材料蒙皮102结合到芯体106)。应当理解的是，泡沫108可具有在其各个部分处可以是均匀的和/或不均匀的任何合适的厚度。此外，泡沫108可以是总体连续的或不连续的。
在泡沫108中的材料在不同的实施例中是可改变的。例如，泡沫108可包括闭孔泡沫或开孔泡沫。通常，闭孔泡沫可比开孔泡沫更耐水。例如，闭孔泡沫可用于当复合部件需要防水时的应用。在一些实施例中，可使用Rohacell泡沫。
通常，顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的厚度可从一个实施例到下一个实施例变化。在一些实施例中，顶部复合材料蒙皮102可比底部复合材料蒙皮104薄，或反之亦然。在一些实施例中，顶部复合材料蒙皮102可具有与底部复合材料蒙皮104相同的厚度。此外，泡沫108可比顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104厚或薄。
在一些实施例中，泡沫108可改善复合材料夹层100b的抗冲击性和/或其隔音性。应当理解的是，除了或代替泡沫108之外，复合材料夹层100b可包括在顶部复合材料蒙皮102和芯体106之间的任何数量的合适的材料或材料的组合。例如，复合材料夹层100b可包括可放置于顶部复合材料蒙皮102和芯体106之间的纸、纸板、其它纤维素基材料、其它泡沫、前述的组合等。
如本文所述，除了芯体之外，复合材料夹层可包括在相对的复合材料蒙皮之间的任何数量的元件、部件、层等。此外，在一些实施例中，复合材料夹层可包括结合到顶部和/或底部蒙皮102、104的外表面的附加元件、部件、层等。图4示出根据实施例的具有至少一个没有表面缺陷的外表面的复合材料夹层100c的示意性侧视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100c及其元件和部件可与复合材料夹层100、100a、100b(图1至图3)及其相应的元件和部件中的任何一个相似或相同。例如，复合材料夹层100c可包括顶部和底部复合材料蒙皮102、104以及定位于其间并与其结合的芯体106。
如图4所示，在一些实施例中，聚合物表面层110可附接和/或结合到顶部复合材料蒙皮102。聚合物表面层110可基本上没有诸如针孔(例如，在其外表面上)的表面缺陷。在一个或多个实施例中，聚合物表面层110可以由诸如热固性粉末的粉末形成以提供硬表面，或者由热固性塑料和热塑性塑料的混合物的热塑性粉末或粉末形成以向表面提供韧性，如在标题为“复合材料夹层表现能量吸收和/或包括无缺陷表面”并且与本申请同时提交的申请号为(代理人案卷号为244353WO01_496714-23)的PCT国际申请中更详细地描述的。此外，本文公开的实施例涉及用于增加复合材料夹层的厚度的方法以及通过该方法产生的复合材料夹层。该方法可使用较厚的纤维板以产生复合层压材料或一叠纤维板以产生固化在一起的多个较薄的复合层压材料以形成较厚的复合层压材料。
图5示出根据实施例的复合材料夹层100d的示意性剖视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100d及其元件和部件可以与复合材料夹层100、100a、100b、100c(图1至图4)及其相应的元件和部件中的任何一个相似或相同。例如，复合材料夹层100d可包括顶部和底部复合材料蒙皮102d、104d以及位于其间并与其结合的芯体106d，其可类似于复合材料夹层100(图1)的顶部和底部复合材料蒙皮102、104和芯体106。
在一些实施例中，复合材料夹层100d可包括一叠或多个复合材料蒙皮。例如，复合材料夹层可包括两个底部复合材料蒙皮，诸如第一和第二底部复合材料蒙皮104d、104d′和单一顶部复合材料蒙皮102d。如上所述，顶部和底部复合材料蒙皮102d、104d、104d′可包括和/或可由浸渍有聚合物树脂的纤维板形成。
在所示的实施例中，复合材料夹层100d可包括可定位于顶部复合材料蒙皮102d上和/或可结合到其外表面的外部蒙皮109d。例如，外部蒙皮109d可包括NCF、编织物、其组合等，这可帮助增加复合材料夹层对拉出载荷的阻力和/或可减少从芯体的透印。在实施例中，外部蒙皮109d可包括具有双轴构造的NCF(例如，相对于轴线定向成包括0°和90°的层)。双轴NCF可以具有双向强度和刚度以及柔性强度和刚度。外部蒙皮109d(例如，包括NCF的外部蒙皮109d)可提供较大的对拉出载荷的阻力，诸如在基本上平行于外部蒙皮109d的方位(例如，与外部蒙皮109d同平面)和/或基本上垂直于复合材料夹层100d的横截面的方向上。
在一些实施例中，外部蒙皮109d(例如，NCF)可在其外表面中具有较少或基本上没有可限定复合材料夹层100d的外表面的凹陷。如上所述，复合材料夹层100d可用于诸如汽车车身部件的各种应用。例如，外部蒙皮109d可面向外和/或限定或形成汽车的外表面的至少一部分。因此，在部分情况下，基本上没有凹陷的外表面可比其中包括凹陷或凹坑的类似外表面更美观。
在实施例中，复合材料夹层100还可包括在复合材料夹层100d的底侧上(例如，附接和/或结合到第二底复合蒙皮104d′)的外部蒙皮(例如，包括NCF的外部蒙皮)，这可增加复合材料夹层100d对拉出载荷的阻力和/或可帮助减少来自芯体的透印。此外，可结合到第二底部复合材料蒙皮104d′(例如，结合到第二底部复合材料蒙皮104d′的外表面)的外部复合材料蒙皮可隐藏或填充可形成在第二底部复合材料蒙皮104d′的外表面中的凹坑或凹陷，以形成基本平滑或未凹陷的表面。
图6示出根据实施例的复合材料夹层100e的示意性剖视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100e及其元件和部件可与复合材料夹层100、100a、100b、100c、100d(图1至图5)中的任何一个以及它们相应的元件和部件相似或相同。例如，复合材料夹层100e可包括顶部和底部复合材料蒙皮102e、104e以及定位于其间并与其结合的芯体106e，其可类似于复合材料夹层100(图1)的顶部和底部复合材料蒙皮102、104和芯体106。
在一些实施例中，复合材料夹层100e可在芯体106e的每一侧上包括两个复合材料蒙皮。更具体地，例如，复合材料夹层100e可包括结合在一起并结合到芯体106e的第一和第二顶部复合材料蒙皮102e、102e′，以及结合在一起并结合到芯体106e的第一和第二底部复合材料蒙皮104e，104e′。在所示的实施例中，复合材料夹层100e不包括形成其外部蒙皮的NCF，使得其可具有比复合材料夹层100d(图5)低的对拉出载荷的阻力。
如上所述，顶部和/或底部复合材料蒙皮102e、102e′、104e、104e′可由浸渍有聚合物树脂的纤维板制成。因此，在一些实施例中，在制造复合材料夹层100e期间(例如，当浸渍的纤维板压靠在芯坯上时)，两个浸渍的纤维板可结合在一起。在实施例中，浸渍相邻纤维板(例如，将形成顶部复合材料蒙皮102e、102e′的纤维板)的聚合物树脂对于两个纤维板可以是相同或相似的。因此，例如，由其形成的复合材料蒙皮可整合在一起(例如，在固化之后，两个或更多个相邻复合材料蒙皮的两个或更多个纤维板可嵌入均匀或整体的聚合物基体中)。
图7示出根据实施例的复合材料夹层100f的示意性剖视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100f及其元件和部件可以与复合材料夹层100、100a、100b、100c、100d、100e(图1至图6)及其相应的元件和部件相似或相同。例如，复合材料夹层100f可包括顶部和底部复合材料蒙皮102f、104f和定位于其间并与其结合的芯体106f，其可类似于复合材料夹层100(图1)的顶部和底部复合材料蒙皮102、104和芯体106。
如上所述，可通过压缩芯坯以形成复合材料夹层100f的芯体106f来制造复合材料夹层。此外，芯坯的不同部分可被压缩到不同的高度或厚度。例如，芯坯的第一部分可被压缩到第一厚度以形成芯体106f的具有第一厚度(通过顶部和底部复合材料蒙皮102、104的相应的第一部分102f′、104f′之间的距离限定)的第一部分106f′。此外，芯坯的第二部分可被压缩到第二厚度(例如，比第一厚度小)以形成芯体106f的具有第二厚度(通过顶部和底部复合材料蒙皮102、104的相应的第一部分102f″、104f″之间的距离限定)的第二部分106f″。
换言之，复合材料夹层100f可包括具有不同厚度的两个或更多个部分。此外，通过在制造期间改变各个部分中的厚度，复合材料夹层100f可被配置为具有三维构造或形状。芯坯可压缩成任何合适的厚度以形成芯体106(例如，厚度在3mm和60mm之间)。此外，芯坯具有可以在3mm和60mm之间的任何合适的厚度。在一些实施例中，硬芯体的最大高度可以根据管的直径而变化，并且可以不是太大而不能使芯体弯曲。在实施例中，软芯体可具有任何合适的高度，因为软芯体虽然可以不弯曲，但是可在软芯体的相对端变形。在一些实施例中，芯坯可以包括多个单元(例如，具有总体管状构造的单元，其可以由诸如管或吸管的管状构件形成)，其在制造复合材料夹层100f期间可被压缩、弯曲、软化、至少部分熔化或前述的组合，因为热和压力被施加到芯坯料和至少部分未固化的顶部和底部复合材料蒙皮102、104。
因此，在一些实施例中，芯体106f可包括被压缩、弯曲、软化、至少部分熔化或其组合的芯坯(例如，诸如管或吸管管状构件)的构件。例如，形成芯体106的芯坯的构件可塑性地或弹性地变形。此外，如上所述，形成芯体106f的芯坯的构件中的压缩、软化和/或熔化、弯曲、残余应力等的量可以从芯体106f的不同部分变化，以在这些部分中产生合适的和/或预定的厚度。也应当理解的是，如上所述，芯体106f可包括可压缩的泡沫或任何数量的其它合适的可压缩的材料。因此，例如，合适的可压缩的材料的芯坯可被压缩(例如通过压缩和/或熔化材料)至任何数量的合适的和/或预定的厚度以制造复合材料夹层106f的三维形状。
在一些实施例中，芯坯的一部分可被压缩以形成芯体106f的基本上实心的部分。在所述的实施例中，芯体106f的第二部分106f″可以是基本上实心的。例如，可以形成芯坯的单元的管状构件可被软化和/或熔化和压缩以形成限定芯体106f的第二部分106f″的基本上实心的或整体的热塑性和/或热固性材料。
通常，芯体106f的材料的可压缩性可不同于用于制造芯体106f的芯坯的可压缩性。在一些实施例中，一个或多个部分或整个芯体106f可以是基本上不可压缩的(例如，可压缩芯坯以形成与芯坯的可压缩性相比可以是基本上不可压缩的基本上整体的芯体106f)。此外，在一些构造中，芯体106f可表现出比芯坯小的可压缩性。在任何情况中，芯体106f的可压缩性可从其一部分到另一部分以及从一个实施例到另一个实施例变化，并且可取决于芯体106f的构造(例如，在制造之后)以及使用的材料、操作温度等。
应当理解的是，芯体106f的各个部分可具有相同的材料或不同的材料。例如，整个芯体106f可以由基本上相同的材料制成。在一些实施例中，芯体106f的一个或多个部分可以由包括具有比一个或多个其它部分小的腔体的单元的芯坯制造。例如，第二部分106f″可具有比第一部分106f′中的腔体具有更小腔体的单元。在实施例中，相对较小的腔体可限制或消除在顶部和/或底部复合材料蒙皮102、104的外表面中形成凹坑或凹陷(例如，通过防止或限制浸渍的纤维板(用于形成复合材料表皮)进入芯体106f中的单元的腔体中)。
应当理解的是，复合材料夹层100f可包括位于顶部和底部复合材料蒙皮102f、104f之间和/或其外表面上的任何数量的附加层和/或材料(例如，如上所述的塑料泡沫层、聚合物表面层等)。此外，在一些实施例中，复合材料夹层100f可具有如通过顶部和/或底部复合材料蒙皮102f、104f限定的总体平面的外表面。可选地，复合材料夹层可具有非平面的外表面。图8示出根据实施例的复合材料夹层100g的示意性剖视图。
除了如本文另外描述的，复合材料夹层100g及其元件和部件可以与复合材料夹层100、100a、100b、100c、100d、100e、100f(图1至图7)及其相应的元件和部件相似或相同。例如，复合材料夹层100g可包括顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g和定位于其间并与其结合的芯体106g，其可类似于复合材料夹层100(图1)的顶部和底部复合材料蒙皮102、104和芯体106。在实施例中，复合材料夹层100g的外表面(例如，顶部和/或底部蒙皮102g、104g的外表面)可以是非平面的。
此外，在一些实施例中，顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g的一个或多个部分可总体彼此平行(例如，在顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g彼此平行的复合材料夹层100g的部分处芯体106g的厚度可总体均匀)。可选地，顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g的一个或多个部分可彼此不平行。如图8所示，芯体106g的厚度可变化(例如，连续地)，使得顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g定位并且定向为彼此不平行。例如，顶部复合材料蒙皮102g可具有第一三维形状或构造(例如，可以是弧形的、弯曲的等)，并且底部复合材料蒙皮104g可具有不同于第一三维构造的第二三维形状或构造。此外，芯体106g的厚度的变化可适应或形成复合材料夹层100g的三维形状(例如，通过改变顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g之间的距离；顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g的厚度可以是总体均匀的)。
如上所述，芯体106g可通过将顶部和底部复合材料蒙皮102g、104g之间的芯坯压缩到合适的厚度来制造，该厚度可从芯体106g的一部分到另一部分变化。此外，在一些实施例中，芯体106g可包括至少部分压缩的单元(例如，单元可通过壁限定，并且壁可在制造复合材料夹层100g期间被压缩)。在一些实施例中，单元的壁可以由诸如吸管的管状构件形成。在任何情况中，在至少一个实施例中，限定芯体106g的单元的壁可总体垂直于顶部和/或底部复合材料蒙皮102g、104g(例如，在与限定芯体106g的单元的壁接触的点处垂直于顶部和/或底部复合材料蒙皮102g、104g的平面的面向内的表面或内表面和/或垂直于与顶部和/或底部复合材料蒙皮102g的非平面的内表面相切的假想线)。
图9是根据一个或多个实施例的复合材料夹层100h的轴测图。如图所示，复合材料夹层100h具有几个不同厚度的部分。例如，顶部和/或底部复合材料蒙皮可具有总体均匀的厚度，并且复合材料夹层100h的芯体在其不同部分处可具有不同的厚度，以限定复合材料夹层100h的外部形状。另外地或可选地，复合材料夹层100h的顶部和/或底部蒙皮可在其不同部分处具有不同的厚度并且可以至少部分地限定复合材料夹层100h中的变化厚度。
此外，如图9所示，复合材料夹层100f的不同部分中的变化厚度可限定或形成复合材料夹层100h的三维形状(例如，与基本上平的或片状的复合材料夹层相比)。特别地，例如，复合材料夹层100h具有具有彼此不同的形状和厚度的部分101h至105h。例如，部分105f可以是总体平面的或平坦的(例如，片状)并且可以比部分101h至104h薄。相反，部分101h至104h可比部分105h厚并且可具有总体三维构造。
图10示出根据实施例的包括插入件111k的复合材料夹层100k的示意性剖视图。除了如本文另外描述的，复合材料夹层100e及其元件和部件可以与复合材料夹层100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100e(图1至图8)及其相应的元件和部件相似或相同。例如，复合材料夹层100g可包括在第一侧上结合到芯体106k的底部复合材料蒙皮104k和顶部复合材料蒙皮102k以及以与复合材料夹层100d(图5)中类似的方式在其第二相对侧上结合到芯体106k的外部蒙皮109k。
在所示的实施例中，复合材料夹层100k包括插入件111k。通常，插入件111k可包括或由任何合适的材料形成。插入件111k可包括金属、塑料、玻璃、木材以及其他合适的材料。在一些实施例中，插入件111k可定位于复合材料蒙皮和芯体之间。例如，插入件111k可以位于底部复合蒙皮104k和芯体106k之间。在一个实施例中，形成芯体106k的芯坯可围绕插入件111k部分或完全地被压缩和/或软化和/或熔化(例如，围绕插入件111k压缩和/或软化和/或熔化芯体106k可以将插入件111k和芯体106k结合在一起)。
在一些实施例中，形成芯体106k的芯坯可在包含插入件111k的部分处或附近比在一个或多个其它部分处被压缩得更多。在一些构造中，芯体106可以由在制造期间在部分部分(例如，在芯体106k的部分106k′处)基本上未压缩的芯坯形成。另外地或可选地，芯体106k可由在制造期间被部分压缩或基本上完全压缩的芯坯形成(例如，在芯体106k的部分106″和106″′处)。然而，应当理解的是(如上所述)，复合材料夹层100k可包括在制造期间在任何数量的合适位置和/或部分通过将芯坯压缩任何合适的量或百分比来形成的芯体106k。
如上所述，本文所述的复合材料夹层可用于任何数量的应用中。例如，复合材料夹层100k可被配置成用于汽车中的座椅安装。座椅安装可能需要复合材料夹层100k呈现相对高的拉出载荷。如果座椅安装部由包括具有NCF和/或另一外部蒙皮(例如，在复合材料夹层100k的底部)的外部蒙皮109k的复合材料夹层100k形成，则外部蒙皮可例如防止或阻止安全带从座椅安装部拉出(例如，安全带可连接到插入件111k，并且外部蒙皮109k可防止或阻止插入件的拉出)。例如，当汽车突然停止时，安全带可以在复合材料夹层100k的插入件111k上施加向外的力的方式被拉动，并且包括NCF的一个或多个诸如外部蒙皮109k的外部蒙皮可防止或阻止插入件111k移动和/或被拉出复合材料夹层100k。
如上所述，复合材料夹层的芯体可包括任何数量的合适的元件、构造、材料等，其可从一个实施例到下一个实施例变化。在一些实施例中，芯体可通过多个连接的单元(例如，蜂窝等)限定或形成。图11示出根据实施例的芯坯116的示意性俯视图。应当理解的是，芯坯116可用于和/或结合到本文所述的任何复合材料夹层中。此外，芯坯116可以具有任何合适的尺寸(例如，芯坯116可在一个或多个蒙皮的边缘之间延伸，以形成任何合适尺寸的复合材料夹层)。在一些实施例中，芯坯可延伸超过该蒙皮和/或(至少在一些部分中)蒙皮可延伸超过芯坯的外周边。例如，在加工和形成复合材料夹层之后，可将复合材料夹层的外周边切割或修剪成选定的或合适的尺寸和/或形状。
在实施例中，芯坯116可包括和/或可由可结合在一起的管状构件117形成。可选地，芯坯116的管状构件117可定位于彼此接近或接触但是管状构件117的壁可保持彼此不附接。此外，管状构件117可具有任何数量的合适布置。在所示实施例中，管状构件可布置成总体平行的行和列(例如，同一行中的管状构件117的中心可沿着总体直的第一线设置，同一列中的管状构件117的中心可位于总体直的第二线，并且第二线可总体垂直于第一线)。在任何情况中，芯体117可定位于复合材料蒙皮之间并且可结合到其上以形成复合材料夹层。
芯坯116的管状构件117可形成或限定单元118、119。特别地，管状构件117的壁可限定芯坯116的单元118、119。例如，单元118的腔体可以是总体圆柱形的(例如，由管状构件117的总体圆柱形内部限定)。在一些实施例中，单元119的腔体可以是近似菱形或正方形棱柱体(例如，如通过四个管状构件117之间的空间限定)。
管状构件117可具有可限定芯坯116的高度或厚度的任何合适的高度。此外，管状构件117可包括适当可压缩的材料，使得芯坯116可被压缩以形成具有一个或多个适当的可从芯体的一部分到另一部分变化的高度的芯体。另外地或可选地，管状构件117可包括以促进压缩管状构件117和芯坯116(例如，不损坏或破坏管状构件117)的方式在适当温度下软化和/或熔化的材料。例如，当芯坯116的管状构件117被压缩和/或软化和/或熔化时，这种管状构件117的壁可弯曲、折叠、软化、熔化等进入单元118、119的腔体(例如，进入管状构件117内部的腔体和/或进入管状构件117之间的腔体中)。
如上所述，芯坯可包括可以任何数量的合适布置布置的管状构件。图12是根据实施例的包括以偏置行布置的管状构件117的芯坯116a的示意性俯视图。除了如本文另外描述的，芯坯116a及其元件和部件可与芯坯116(图11)及其相应的元件和部件相似或相同。例如，管状构件117的两个、一些或所有行可从管状构件117的一个或多个邻近或相邻的行横向偏置。行之间的偏置距离10可以是管状构件117的宽度的大约一半(例如，大约为管状构件117的外径的1/2)。
此外，在实施例中，芯坯116a可包括由管状构件117限定的单元118a、119。例如，单元118a的腔体(例如，通过相邻管状构件117的外表面之间的相应间隙限定)可以是总体三角形棱柱体。在部分实施中，单元118a的腔体可小于单元118(图11)的腔体。应该理解的是，虽然在一些实施例中，芯坯的单元可由多个管状构件形成，但是在另外的或可选的实施例中，芯坯的单元可具有任何数量的构造并且可以由任何数量的合适的部件形成。例如，单元可由实心块机械加工而成，芯坯可被挤出，使得单元由单个壁限定而不是由管状构件形成的部分双壁限定，可以由折叠片等形成。在任何情况中，以本文描述的方式，芯坯中的单元的壁通过压制和/或加热可以发生变形以形成复合材料夹层的芯体。
在一些实施例中，包括多个管状构件的芯坯的至少一部分可被挤出(例如，以挤压之后芯坯的管状构件结合在一起的方式)。图13示出根据实施例的挤出并热结合在一起的一束塑料管120的示意性侧视图。管120可以从挤出机200挤出和/或从一侧或多侧通过热辊210挤压，使得塑料管120热结合在一起以形成一束塑料管，其可用作芯坯并且随后可形成复合材料夹层的芯体。
例如，管束可在挤出期间和/或之后以预定间隔切割以限定芯坯的高度。此外，多个管束可定位在一起或结合在一起以形成合适的芯坯。因此，虽然在一些实施例中，管状构件的两个、一些或全部可具有相同或相似的高度(例如，以形成具有总体均匀厚度的芯坯)，但是在可选的或另外的实施例中，芯坯的管状构件的两个、一些或全部可具有不同的高度(例如，以形成具有可变厚度的芯体)。
图14示出根据一个或多个实施例的用于制造复合材料夹层的压缩模具300的示意图。通常，堆叠组件可在模具300中定位并且至少部分地加工以制造复合材料夹层。模具300可包括上部模具部分310和下部模具部分320。当闭合在一起时，上部模具部分310和下部模具部分320限定可压缩堆叠组件以形成复合材料夹层的腔体和/或芯体构造(例如，堆叠组件可包括用聚合物树脂浸渍的纤维板和定位于其间的芯坯)。
例如，上部模具部分310可包括可促进将堆叠组件的至少一部分放置在其中的腔体311。例如，可浸渍有聚合物树脂的第一纤维板112、芯坯116和浸渍有聚合物树脂的第二纤维板114。模具300还可以包括下部模具部分320。在所示的实施例中，下部模具部分320具有总体平坦的顶表面321。例如，堆叠组件可在上部模具部分310和下部模具部分320之间形成的加工体积中封闭(例如，以将堆叠组件压缩到选定的厚度和/或选定的形状，以形成这种厚度和形状的复合材料夹层)。即，模具300可定位在压机中并且上部模具部分310和下部模具部分320可被压在一起，从而压缩堆叠组件。
在一些实施例中，模具300可在制造期间被加热(例如，以固化第一和/或第二纤维板中的聚合物树脂，以软化和/或熔化芯坯的一个或多个部分等)。如上所述，复合材料蒙皮可包括嵌入聚合物基体(例如，固化的聚合物树脂)中的不连续和/或连续纤维。在复合材料模制期间，复合层压材料也结合到芯体上。在一些实施例中，包括随机定向的不连续和/或连续纤维的复合材料蒙皮可比包括连续纤维的类似复合材料蒙皮可弯曲和/或可拉伸。
在一个或多个实施例中，气体(例如，空气)可从模具300的加工体积中抽出。例如，当模具300处于闭合构型时，模具300还可包括可连接到真空泵(未示出)的出口330以在模具300的加工体积中从模具300的内部加工体积中排出气体(例如，从而产生至少部分真空)。
上部模具部分310和下部模具部分320可包括可适于模具300的选定操作压力和/或温度的任何合适的材料。例如，上部模具部分310和下部模具部分320可由诸如钢、铝等的合适的金属制造(例如，在部分情况中，钢可能比铝更适于较高压力加工)。在部分实施中，模具300的多孔表面(例如，由铝制成的上部部分和/或下部部分310、320)但可用模具密封剂密封。与高压RTM相比，低压压缩成型工艺可显著降低设备成本，例如，通过使用铝模具而不是钢模具以降低加工成本，还通过使用较薄的模具壁来降低模具材料的成本。具体地，铝模具的壁比用于高压RTM的钢模具的壁更薄。例如，对于低压压缩模制铝模具的壁可以是约10mm厚或更小，而对于RTM铝模具的壁是约30mm厚。另外地，压力或载荷机器产生用于低压压缩模制的比高压RTM低的载荷。
应当理解的是，本文所述的任何复合材料夹层可利用可适当地配置用于这种制造的模具300或类似的模具制造。图15是根据本文所述的实施例制造的样品复合材料夹层100m。更具体地，通过浸渍纤维板和由吸管形成的芯坯来制造复合材料夹层100m，从而形成复合材料夹层100m的复合材料蒙皮102m、104m和芯体106m。芯体106m具有约20mm的高度。芯坯的吸管的端部被软化或熔化以形成芯体106m并且结合到复合材料蒙皮102和104。
图16是根据实施例的制造复合材料夹心结构的方法的流程图。例如，该方法可包括将堆叠组件定位于模具的加工体积内的动作400。在一些实施例中，堆叠组件可组装在加工溶剂内部。可选地，堆叠组件的至少一部分可组装在加工体积外部。如上所述，堆叠组件可包括任何数量的当在模具中加工时可形成复合材料夹层的元件和部件。例如，堆叠组件可包括浸渍有聚合物树脂的两个纤维板和定位于其间的芯坯(例如，当一起加工时，浸渍的纤维板可形成复合材料蒙皮并且芯坯可形成复合材料夹层的芯体)。
根据至少一个实施例，在模具闭合以限定加工体积之前，可在操作时将聚合物树脂喷涂到第一纤维板和/或第二纤维板上。通过在闭合模具之前将聚合物树脂喷涂到纤维板上，堆叠组件可在比高压RTM低的压力下被加工并且可适当地浸渍纤维。为了喷涂树脂，商业喷头可用于大批量生产大型部件。对于低压压缩模制过程，热压锅而不是商业喷头可用于小批量生产小部件或原型，这可降低制造成本。低压热锅可喷涂树脂。
聚合物树脂可以是聚氨酯、环氧树脂、另一种合适的聚合物树脂或任何上述物质的混合物。低粘度混合物可更容易喷涂。对于聚合物树脂，可通过在热压锅中加热树脂并延迟硬化开始直到压缩模制中来降低粘度。可选择用于包括混合物的聚合物树脂的硬化剂使得环氧树脂和聚氨酯具有大约相同或相似的固化时间。促进相同或相似的固化时间可允许两个热固性材料(例如，环氧树脂和聚氨酯)完全固化在一起，而不会由于聚合物树脂中的热固性材料之一延长固化过程。
在一些实施例中，该方法还可包括从模具的加工体积和从纤维板去除至少一些气体的动作410。例如，如上所述，真空泵可从加工体积中排出气体，从而在其中产生减压或至少部分真空。该方法还可包括压缩和加热模具中的堆叠组件的动作420。特别地，例如，当加热和压缩堆叠组件时，聚合物树脂可固化和/或可将浸渍的纤维板结合到芯坯。此外，当压缩和加热堆叠组件时，芯坯和具有增强纤维的聚合物树脂可形成为合适的形状。例如，具有增强纤维的聚合物树脂可固化以形成选定形状和/或厚度的复合材料蒙皮，并且芯坯可被压缩和/或软化和/或熔化以形成选定形状和厚度的芯体。
在一些实施例中，施加到堆叠组件的加工压力可在5巴到10巴(例如，约6巴(约88磅/平方英寸))的范围内,其可显著低于通常在传统RTM中使用的约120巴(1764磅/平方英寸)的压力。然而，应当理解的是，加工压力可大于10巴或小于5巴。还应当理解的是，本文所描述的动作或步骤可以从一个实施例到下一个实施例变化的任何合适的顺序来执行。
在一些实施例中，加工堆叠组件可产生具有一个或多个基本上没有针孔或孔隙(例如，外表面可以是光亮的和/或可以有助于其涂漆)外表面的复合材料夹层。另外地或可选地，复合材料夹层的一个或多个外表面可包括具有高玻璃化转变温度的聚合物使得该表面可承受高温用于后处理。在一些实施例中，可能需要可用作诸如罩、门板等的各种汽车部件的复合材料夹层以承受相对高的操作温度。例如，复合材料夹层可在约180℃下进行电涂覆然后在约140℃下涂底漆，其后可进行涂覆工艺。
图17是根据一个或多个实施例的用于制造复合材料夹层的方法的流程图。在一些实施例中，该方法可包括对第一模具部分静电充电的动作500。例如，可充电第一模具部分以帮助将带电的热塑性和/或热固性粉末保持在其中。静电充电还可帮助减少粉末的浪费和/或可保持围绕模具的工作空间通常不含粉末。
在实施例中，该方法可包括将一种或多种粉末(例如，热塑性和/或热固性粉末)放置或设置在第一模具部分上和/或中的步骤510。例如，粉末喷枪可以将粉末喷涂到第一模具部分上和/或中。此外，在一些实施例中，粉末可以总体均匀地分布在第一模具部分的一个或多个表面上。通过将粉末施加到模具表面，在纤维中捕获的空气可通过纤维层和工具表面之间的间隙并且通过单个颗粒或粉末颗粒之间的间隙或空间被拉出。粉末还可促进形成基本上没有针孔的复合材料夹层的外表面。
通常，粉末的颗粒或微粒可在尺寸和/或形状上变化。在一些实施例中，颗粒或微粒可被定尺寸和/或成形以允许在不连续纤维中捕获的空气通过真空(例如通过在颗粒之间的空间中通过)被有效地去除。在一些构造中，与不连续纤维相比，连续纤维可能不太可能捕获空气。在至少一个实施例中，空气可有效地从从RTM再循环的废纤维中除去。
使用的粉末的量可根据一个实施方案变化，并且尤其可取决于粉末颗粒的尺寸和/或形状。在一些实施例中，粉末颗粒的尺寸可在约40μm至约100μm的范围内。粉末可包括被聚合物树脂壳包围的硬化剂，其可开始固化但是尚未固化。当首先加热至高温时，粉末可变软，然后开始固化或交联以形成固体涂层(例如，其可为约100μm厚或更厚)。
粉末可以是诸如环氧树脂的热固性材料，其可为复合材料夹层的一个或多个外表面提供硬度。粉末还可以是诸如聚丙烯、聚乙烯、尼龙、聚酯的热塑性材料。粉末还可以是热固性材料和热塑性材料的共混物。热塑性材料和共混物可为表面提供一些韧性和/或还可帮助减少由固化热固性粉末引起的收缩。粉末还可具有高玻璃化转变温度(Tg)或高熔融温度，使得粉末可承受高的后加工温度。此外，在一些实施例中，粉末可具有比用于形成复合材料蒙皮的基体的聚合物更高的Tg温度，使得粉末可以固体或软化形式保持足够的时间量以促进从堆叠组件中去除空气。热固性材料在固化之前可以是液体形式并且在固化之后变成固体，这包括聚合物链的交联。另外地或可选地，热固性材料可以是粘合剂。在一些实施例中，热塑性材料可以是团粒或颗粒的形式并且可通过软化和/或熔化颗粒然后模制成形为最终产品。例如，热塑性塑料的加工或硬化可不涉及固化或交联。
在实施例中，环氧树脂粉末可用于产生基本上来自具有针孔和/或孔隙度的表面，其在汽车工业中也被称为“A级”或闪光表面。环氧树脂粉末可具有诸如约180℃的起始Tg的高Tg，并且可用于可涂漆的汽车部件。环氧树脂粉末可在约200℃或更高的温度下开始具有热降解。环氧树脂粉末的高Tg可促进制备可承受高温(例如，诸如电泳涂覆工艺、底漆涂覆工艺、涂漆等的后处理所需的温度)的复合材料夹层。该方法还可包括将堆叠组件设置在第一模具部分上和/或第一模具部分中以及在粉末上和/或与粉末接触的步骤520。如上所述，堆叠组件可包括浸渍有聚合物树脂的第一纤维板(例如，可将具有聚合物树脂的第一纤维板置于粉末上)、芯坯和位于芯坯上的浸渍有聚合物树脂的第二纤维板，使得芯坯设置在第一浸渍纤维板和第二浸渍纤维板之间。
该方法可包括在通过闭合模具的第一部分和第二部分形成的在模具的加工体积中闭合粉末和堆叠组件的动作530。此外，模具的第一和第二部分可将选定的压力施加到粉末和堆叠组件上。在一些实施例中，该方法可包括将模具的加工体积抽真空的动作540。另外地或可选地，该方法可包括通过加热第一和第二模具部分来加热粉末和/或堆叠组件的动作550。第二模具部分可被加热到比第一模具部分低的温度，使得聚合物树脂从第二模具部分朝第一模具部分开始凝胶，或反之亦然。这种凝胶工艺可将在不连续纤维中捕获的空气推向粉末的颗粒或团粒之间的间隙，使得空气可通过真空去除。在一些实施例中，第一和第二模具部分之间的温度差可以是至少5℃。例如，第一和第二模具部分之间的温度差可以是至少10℃，至少15℃等。当第一模具部分处于相对低的温度时，粉末可被加热而不硬化。例如，粉末可具有约90秒的凝胶时间，这可允许在纤维板的纤维中捕获的空气被至少部分地去除(例如通过自然吸气和/或真空)以产生基本平滑的表面光洁度。
在实施例中，在堆叠组件中使用的聚合物树脂的固化温度可以是约120℃。例如，第一模具部分可在115℃，第二模具部分可在125℃。可选地，例如，固化温度可以是约125℃，并且第一模具部分可在120℃，而第二模具部分可在130℃。通常，固化时间可从一个实施例到另一个实施例变化。在至少一个实施例中，环氧树脂的固化可以需要约6至7分钟来固化约98％。当固化时，聚合物树脂可收缩约2.5％至3％(例如，与未固化的聚合物树脂的填充体积相比)。
在一些实施例中，第一模具部分和第二模具部分之间的温度差可以是至多50℃。在部分加工条件下，当温度差增加至约50℃时，由于在不同模具温度下的不同热膨胀导致的尺寸差异可能太大，以在模具闭合时在蒙皮组件上引起高的局部压力；这种高的局部压力可导致显著的模具磨损。
在一些实施例中，为了完全固化，复合材料夹层可进行后固化处理(例如，在烘箱或高压釜中加热)。例如，烘箱可以2℃的温度梯度从室温加热至升高的温度，这可在诸如电涂覆的后处理期间遇到。在实施例中，复合材料夹层可被加热到约180℃并且可在该温度下保持一段时间(例如，1小时)，这可促进或确保完全固化并且可减少或消除进一步的收缩。后固化期间的缓慢加热可降低热冲击的可能性和/或效果。为了提高烘箱的利用效率，可将多个复合部件放置在烘箱中以经历后固化过程。通常，固化温度和固化时间可从一个实施例到下一个实施例变化，并且尤其可取决于环氧树脂的类型、环氧树脂的厚度等。例如，当固化温度升高时，固化时间可较短。
在一些实施例中，可施加诸如蜡的脱模剂以促进从第一和/或第二模具部分取出复合材料夹层。注意，在一个或多个实施例中，对于旨在被涂漆的表面，硅树脂脱模剂可能不是期望的。在一些实施例中，复合材料夹层可从模具中去除并且随后可被冷却。
图18是示出根据本公开的实施例的各种材料的面板的弯曲刚度的比较的图。这些曲线是对具有轻微材料变化的复合材料夹层通过实验获得的。曲线902表示由聚碳酸酯饮用吸管形成的硬芯体。每根吸管具有7mm的直径，并且芯体具有70kg/cm3的密度(PC 7-70)。复合材料蒙皮包括来自第一供应商的600gsm玻璃纤维和在环氧树脂中的400gsm NCF。曲线904表示由聚碳酸酯饮用吸管形成的芯体。每根吸管具有6mm的直径和70kg/cm3的密度(PC6-70)。复合材料蒙皮包括环氧树脂中来自第一供应商的600gsm玻璃纤维。曲线906表示具有在环氧树脂中来自第一供应商的600gsm玻璃纤维的PC 7-70。曲线908表示具有环氧树脂中来自第二供应商的600gsm玻璃纤维的6-70。
如图所示，曲线902具有最高的弯曲刚度。具体地，曲线902具有比曲线906高的弯曲刚度，这表明附加的NCF可增加复合材料夹层的弯曲刚度。曲线902示出比曲线906高的弯曲刚度，这表明管的较大直径可增加弯曲刚度。曲线904示出比曲线908高的弯曲刚度，这可表明玻璃纤维的供应者可影响弯曲刚度。
以下部分提供了基于理论模型计算复合材料蒙皮和复合材料夹层的刚度、挠曲强度的细节。另外，还提供了各种复合材料结构与铝的比较。为了获得弯曲刚度，表1.1至表1.5列出包括复合层压材料或蒙皮和铝的密度、弹性模量、宽度、长度和厚度以及芯体高度的数据。铝或复合材料蒙皮或复合材料夹层的弯曲刚度是基于在以下部分中描述的等式计算的。
表1.1：铝
表1.2：碳纤维层压材料
表1.3：具有聚碳酸酯芯体和环氧树脂的复合材料夹层
表1.4：具有聚碳酸酯芯体、碳纤维和聚氨酯的复合材料夹层
图1.5：具有纸芯体、玻璃纤维和聚氨酯的复合材料夹层
图19是根据本公开的实施例的用于计算弯曲刚度的面板的图。面板可以是复合材料蒙皮、复合材料夹层、铝板等。包括沿着y轴的厚度和沿着z轴的宽度的尺寸关于x-y-z坐标示出。如图所示，弯曲是围绕z轴的。
整体碳纤维(CF)层压材料的弯曲刚度可在等式(1)中表示为其弹性模量乘以转动惯量的乘积：
其中Dcf表示CF层压材料的弯曲刚度，Ecf表示CF层压材料的弹性模量，Iz表示相对于z轴的转动惯量，w表示CF层压材料的宽度，t表示CF层压材料的厚度。Iz取决于层压材料的厚度和宽度。
实心铝板的弯曲刚度可以由等式(1)表示，但是用铝DAl的弯曲刚度代替Dcf，并且用铝的弹性模量EAl代替Ecf。如果CF层压材料实现与铝板相同的弯曲刚度，则CF层压材料的所需厚度可由以下等式(2)获得：
因此，CF层压板的所需厚度可从等式(2)计算并且通过以下等式(3)获得：
图20是根据本公开的实施例的用于计算复合材料夹层的弯曲刚度的复合材料夹层的图。复合材料夹层1100包括夹在顶部复合材料蒙皮1102A和底部复合材料蒙皮1102B之间的芯体1104。芯体可以是包括诸如塑料管或高密度泡沫的管的“硬”芯体或诸如纸板或硬纸板或低密度泡沫的“软”芯体。如图20所示，w表示复合材料夹层1100的宽度，tc表示芯体1104的厚度或高度，ts表示复合材料蒙皮1102A和1102B的厚度，ds表示复合材料蒙皮1102A至1102B的中间部分之间的距离(即tc+ts)。
对于复合材料夹层1100，弯曲刚度可在等式(4)中表示为复合材料蒙皮1102A-1102B和芯体1104相对于中心轴的弯曲刚度的总和：
假设复合材料夹层1100的两个蒙皮或面层1102A至1102B的对称分布和相同的材料，复合材料夹层1100的弯曲刚度可通过等式(5)以复合材料蒙皮1102A-1102B和芯体1104的弹性模量和转动惯量表示：
将斯坦纳定理应用于蒙皮1102A-1102B，蒙皮1102A或1002B和芯体1104的转动惯量可在等式(6)中表示：
其中w表示复合材料梁的宽度，tc表示芯体的厚度，ts表示蒙皮的厚度，ds表示蒙皮的中间部分之间的距离(tc+ts)。
在等式(5)中代入等式(6)得出以下等式(7)：
因为由于芯体的低弹性模量，芯体1104对复合材料夹层1100的弯曲刚度的贡献通常不显著，其小于1％，所以复合材料夹层1100的弯曲刚度可通过以下等式(8)来估计：
如果ds大于4ts，则在等式(8)中弯曲刚度的第一项可占小于2.5％。在大多数情况下，复合材料蒙皮1102A或1102B是薄的，而复合材料芯体1104比复合材料蒙皮1102A或1102B厚得多。因此，复合材料夹层1100的弯曲刚度可通过以下等式(9)来估计：
如等式(7)至等式(9)所示，当复合材料蒙皮的厚度ts增加时，复合材料夹层的弯曲刚度也增加。
以下提供几个示例以说明芯体高度对弯曲刚度的影响。图21A是根据本公开的实施例的复合材料结构的图。在该实施例中，固体复合材料结构1200A包括两个具有组合厚度t的复合材料蒙皮。固体复合材料结构1200A不包括任何芯体(例如，假设芯体可被压缩到零厚度)。
图21B是根据另一实施例的复合材料夹层的图。在该实施例中，复合材料夹层1200B包括具有组合厚度t的两个复合材料蒙皮。复合材料夹层1200B还包括具有厚度t的芯体。复合材料夹层1200B具有通过等式(10)表示的弯曲刚度：
因此，当芯体具有与包括顶部复合材料蒙皮层和底部复合材料蒙皮层两者的固体复合材料结构1200A的蒙皮层相同的厚度时，复合材料结构1200B的弯曲刚度增加到固体复合材料结构1200A的弯曲刚度的七倍。
图21C是根据另一实施例的复合材料夹层的图。在该示例中，复合材料夹层1200C包括厚度为3t的芯体而两个表层的组合厚度为t，其为固体复合结构1200A的厚度。复合材料夹层1200C具有通过等式(10)表示的弯曲刚度：
如等式(11)所示，使用关于固体复合材料结构1200A的厚度t的三倍厚度的芯体的复合材料夹层1200C的弯曲刚度产生了固体复合结构1200A的弯曲刚度的三十七倍的弯曲刚度。
复合材料夹层的弯曲强度可使用以下等式(12)计算：
其中σmax表示弯曲强度，Mmax表示最大弯矩；I表示转动惯量，ymax表示距离中轴的最大距离ymax。
对于公共载荷配置，Mmax保持为固体复合材料结构1200A和复合材料夹层1200B-1200C的常数。如等式(1)所示，ymax可相应于固体复合材料结构1200A和复合材料夹层1200B至1200C的厚度变化，并且转动惯量I可随厚度增加。
表2列出图21A至图21C所示的固体复合材料结构1200A和复合材料夹层1200B至1200C的刚度、弯曲强度和重量的比较。如表2所示，当芯体高度增加时，复合材料夹层的弯曲刚度和弯曲强度可增加。虽然期望较高的芯体高度以增加弯曲刚度，但是例如由聚碳酸酯饮用吸管制成的芯体可能不太长或太高，因为芯体可能更容易弯曲。
表2：固体复合材料结构和复合材料夹层的比较
固体复合材料结构 芯体厚度t 芯体厚度3t
刚度 1.0 7.0 37.0
弯曲强度 1.0 3.5 9.2
重量 1.0 1.02 1.06
如表2所示，复合材料夹层的芯体占固体复合材料结构重量的约2％-6％，复合材料夹层的弯曲刚度和弯曲强度可显著增加而不增加芯体的总重量。
基于以上等式，导致等效弯曲刚度的复合材料蒙皮和铝板的厚度被计算并列于表3中。如表所示，厚度可取决于CF层压材料的弹性模量。铝等效厚度也对复合材料夹层的CF蒙皮的厚度敏感。对于计算，由碳纤维数据推断平均弹性模量值，其为E＝37.7GPa。
表3：复合材料蒙皮厚度和等效铝板厚度对碳纤维层压材料的弹性模量
弹性模量(GPa) 复合材料总厚度(mm) Al厚度(mm)
23 1.73 8.0
30 1.58 8.7
37.7 1.47 9.4
45 1.38 10.0
52 1.32 10.5
假设实现相同弯曲刚度的恒定弹性模量(E＝37.7GPa)，表4列出各种CF蒙皮厚度和等效铝厚度。
表4：对于为37.7GPa的恒定E的CF蒙皮厚度对等效铝厚度
每个蒙皮的夹层结构蒙皮厚度(mm) 铝厚度(mm)
0.4 8.2
0.5 8.8
0.6 9.4
0.7 9.9
0.8 10.4
对于由诸如聚碳酸酯(PC)的饮用吸管形成的芯体，当芯体高度变化时，铝等效厚度也可变化。假设CF蒙皮的每一个的恒定弹性模量为37.7GPa并且厚度为0.6mm，表5列出PC芯体高度对等效铝厚度的变化以实现相同的弯曲刚度。
表5：PC芯体高度对等效铝厚度
PC芯体高度(mm) 铝厚度(mm)
4 3.9
8 5.9
12 7.5
16 9.0
20 9.4
基于以上等式，可执行附加计算并且图22A和图22B中表示数据。图22A是示出等效厚度的板的重量和成本的材料比较的图。如图22A所示，例如，与整体碳纤维层压材料和包括由聚碳酸酯管形成的芯体和复合材料蒙皮的复合材料夹层相比，铝是最重的，而整体碳纤维层压材料具有最高的成本。例如，复合材料夹层的重量为铝(具有可比的厚度和尺寸)的重量的约80％，并且其成本可为铝的成本的约50％。整体碳纤维层压材料的重量为铝的重量的约60％，并且其成本可为铝的成本的约130％。
图22B是示出等效刚度的板的重量和成本的材料比较的图。如图22B所示，复合材料夹层可具有铝的重量的约10％以及铝的成本的约10％以具有与铝相同或相似的刚度。相反，整体碳纤维层压材料具有铝的重量的约60％以及铝的成本的约130％以具有与铝相同或相似的刚度。
以下CF数据和树脂数据用于产生图22A和图22B的柱状图，(1)具有20mm厚度的铝6061T6；(2)具有20mm厚度、50GPa弹性模量的整体碳纤维层压材料；以及(3)包括结合到两个复合材料蒙皮并且在其间的芯体的复合材料夹层，每个蒙皮是0.4mm厚，芯体高度是20mm，在复合材料蒙皮中纤维的体积分数是40％，并且弹性模量是35GPa。
图23是比较不同复合材料夹层的弯曲模量的柱状图。弯曲模量是材料的固有性质并且不取决于几何形状。如图23所示，柱1406表示包括夹在包括环氧树脂的复合材料蒙皮之间的聚碳酸酯芯体的复合材料夹层的弯曲模量，该复合材料夹层在所有复合材料夹层中具有最高的弯曲弹性模量。柱1404表示包括夹在由浸渍有聚氨酯的短切丝毡(CSM)制成的复合材料蒙皮之间的纸的复合材料夹层的弯曲模量具有最低的弯曲模量。柱1402表示包括聚碳酸酯芯体和包括聚氨酯而不是环氧树脂的较软的复合材料蒙皮的复合材料夹层的弯曲模量，并且具有比由柱1406表示的复合材料夹层低的弯曲模量。
在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以其它具体形式实施。所述的实施例在所有方面被认为仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围通过所附权利要求而不是通过前述说明来表示。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化将被包括在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种复合材料夹层，其包括：
第一复合材料蒙皮，其包括嵌入在包括环氧树脂和聚氨酯的聚合物基体中的多个增强纤维；
第二复合材料蒙皮，其包括嵌入在另外聚合物基体中的多个增强纤维；
聚合物芯体，其定位于所述第一复合材料蒙皮和第二复合材料蒙皮之间并与其结合，所述聚合物芯体包括通过相应的单元壁限定的多个单元，所述单元壁大体垂直于第一复合材料蒙皮；
所述聚合物基体的泡沫，所述泡沫至少部分地从所述第一复合材料蒙皮延伸至所述聚合物芯体中并且将所述聚合物芯体结合至所述第一复合材料蒙皮。
2.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述单元包括通过管状构件限定的相应腔体。
3.根据权利要求2所述的复合材料夹层，其中所述聚合物芯体包括具有第一尺寸的多个管状构件的第一部分以及包括具有第二尺寸的多个管状构件的第二部分，所述第一尺寸大于所述第二尺寸。
4.根据权利要求2所述的复合材料夹层，其中所述管状构件结合在一起。
5.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述泡沫延伸到所述单元的一个或多个腔体中。
6.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述泡沫在所述第一复合材料蒙皮和第二复合材料蒙皮之间延伸。
7.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述增强纤维包括不连续纤维或连续纤维中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述芯体包括具有第一厚度的第一部分和具有第二厚度的第二部分。
9.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮和芯体限定所述复合材料夹层的三维形状。
10.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其中所述单元壁的至少一些变形或熔化。
11.根据权利要求1所述的复合材料夹层，其进一步包括结合到所述第一复合材料蒙皮或第二复合材料蒙皮的非卷曲织物或编织物。
12.根据权利要求1所述的复合材料夹层，进一步包括所述另外聚合物基体的泡沫，所述泡沫在所述第二复合材料蒙皮和所述聚合物芯体的界面延伸并且以将所述聚合物芯体结合至所述第二复合材料蒙皮。
13.一种制造复合材料夹层的方法，所述方法包括：
组装堆叠组件，其包括：
第一纤维板，其浸渍有在加热时形成泡沫的聚合物树脂；
第二纤维板，其浸渍有所述聚合物树脂；以及
聚合物芯坯，其定位在所述第一纤维板和第二纤维板之间，所述芯坯包括多个管状构件；
将所述堆叠组件定位在第一模具部分和第二模具部分之间；以及
加热和通过压缩在第一模具部分和第二模具部分之间的所述堆叠组件施加压力到所述堆叠组件，使得所述聚合物树脂形成泡沫，从而将所述第一纤维板和第二纤维板结合到所述聚合物芯坯以形成所述复合材料夹层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中加热和施加压力到所述堆叠组件以将所述第一纤维板和第二纤维板结合到所述聚合物芯坯以形成所述复合材料夹层包括将所述芯坯的第一部分压缩到第一厚度并且将所述芯坯的第二部分压缩到大于所述第一厚度的第二厚度。
15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括将所述管状构件结合在一起。
16.根据权利要求13所述的方法，其中压缩所述芯坯包括弯曲、弯折或熔化所述管状构件的至少一些中的一个或多个。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述加热和通过压缩在第一模具部分和第二模具部分之间的所述堆叠组件施加压力到所述堆叠组件使得所述聚合物树脂形成泡沫，其包括在浸渍有所述聚合物树脂的所述第一纤维板与所述芯坯之间形成泡沫并在浸渍有所述聚合物树脂的所述第二纤维板与所述芯坯之间形成泡沫。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述泡沫部分地延伸到一个或多个管状构件中或者完全地延伸到所述一个或多个管状构件中。
19.根据权利要求13所述的方法，其中加热和施加压力到所述堆叠组件包括将所述第二模具部分加热到比所述第一模具部分高的温度。
20.根据权利要求13所述的方法，其中施加压力到所述堆叠组件包括施加5巴至10巴的压力。
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