制造热保护复合材料的方法
阅读：25发布：2020-07-02
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1.一种制造具有热保护层的复合材料部件的方法，包括以下步骤：
·提供复合材料部件，所述复合材料部件具有主纤维材料，并且具有在所述复合材料部件的用于高热暴露的区域处覆盖在所述主纤维材料上的替代纤维材料的底漆层，所述区域限定热暴露区域；
·将金属粘合层施加到所述热暴露区域的所述底漆层，以在所述热暴露区域处产生粘合表面；以及
·将陶瓷热保护层施加到所述粘合表面，以使所述热暴露区域绝热和/或反射外部热能，所述热保护层具有比所述金属粘合层高的熔点。
2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：在施加所述金属粘合层之前，通过表面处理以露出所述底漆层的至少一部分来制备所述热暴露区域的表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述表面处理包括对所述热暴露区域进行喷砂处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述表面处理包括用氧化铝砂粒对所述热暴露区域进行喷砂处理。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，应用所述表面处理以获得4至7的RA粗糙度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述替代纤维材料的所述底漆层包括陶瓷纤维材料。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述替代纤维材料的所述底漆层包括玻璃纤维。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述主纤维材料包括碳纤维。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，所述底漆层由氧化铝或氧化硅或它们的混合物形成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述底漆层包括金属丝或颗粒，以便于所述底漆层和所述金属粘合层之间的粘合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属丝或颗粒由铜、铝、钛、钢或它们的合金中的至少一者形成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述底漆层包括由织造纤维形成的纤维材料。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述底漆层包括由随机取向的纤维形成的纤维材料。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述底漆层包括与金属丝或颗粒混合的所述主纤维材料。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述底漆层包括重量为至少50g/m2的纤维垫或片。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，使用双丝电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂将所述金属粘合层热喷涂到所述底漆层上。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，所述金属粘合层64至111微米的厚度。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，所述热保护层具有100至150微米的厚度。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，所述热保护层使用等离子喷涂被热喷涂到所述金属粘合层。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，所述热保护层具有10％至15％的孔隙率。
21.根据权利要求20中任一项所述的方法，所述热保护层具有约10％的孔隙率。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，包括如下附加步骤：将金属或陶瓷顶层施加到所述热保护层，以根据所述复合材料部件的具体应用的要求提供特定的表面发射率或反射率。
23.根据权利要求22所述的方法，所述顶层使用双丝电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂被热喷涂到所述热保护层。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，提供所述复合材料部件的步骤包括模制复合材料部件。
25.一种根据权利要求1至24中任一项所述的方法制造的复合材料部件。
26.一种具有热暴露区域的复合材料部件，包括：
·主纤维材料的层；
·底漆层，其在所述热暴露区域覆盖在所述主纤维材料上，所述底漆层由替代所述主纤维材料的替代纤维材料形成；以及
·热保护层，其覆盖在所述底漆层上，
其中，所述热保护层使所述热暴露区域绝热和/或用于反射外部热能。
27.根据权利要求26所述的复合材料部件，包括在所述底漆层与所述热保护层之间的金属粘合层。
28.根据权利要求26或27所述的复合材料部件，所述热保护层是陶瓷。
29.根据权利要求27所述的复合材料部件，所述热保护层包括除所述金属粘合层的金属材料以外的金属材料。
30.根据权利要求29所述的复合材料部件，所述热保护层的金属材料包括铝材料。
31.根据权利要求26至30中任一项所述的复合材料部件，包括复合材料轮，所述复合材料轮包括轮毂、轮辋以及在所述轮毂与所述轮辋之间延伸的多个轮辐。
32.根据权利要求31所述的复合材料部件，其中，所述热暴露区域位于所述多个轮辐上。
33.根据权利要求32所述的复合材料部件，所述多个轮辐均包括在使用时面向车辆转子的面向内的表面，并且所述热暴露区域包括所述面向内的表面的至少一部分。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的复合材料部件，其中，所述热暴露区域包括所述轮辋上的表面的一部分。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的复合材料部件，其中，所述热暴露区域包括所述轮毂上的表面的一部分。
36.一种制造具有热保护层的复合材料部件的方法，包括以下步骤：
·提供复合材料部件，所述复合材料部件具有主纤维材料，并且具有在所述复合材料部件的用于高热暴露的区域处覆盖在所述主纤维材料上的替代纤维材料的底漆层，所述区域限定热暴露区域；以及
·将金属热保护层施加到所述热暴露区域，以使所述热暴露区域绝缘和/或反射外部热能。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述金属热保护层包括铝材料。
38.根据权利要求36所述的方法，包括以下步骤：在施加所述金属热保护层之前，在所述热暴露区域处将金属粘合层施加到所述底漆层，以在施加所述金属热保护层的所述热暴露区域处形成粘合表面。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述金属粘合层包括铝材料。
40.根据权利要求38或39所述的方法，其中，所述金属热保护层包括钼或钨。
制造热保护复合材料的方法
[0001] 交叉引用
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及一种生产热保护复合材料的方法，特别是用于暴露于高辐射或对流温度的复合材料。尽管本发明特别适用于汽车复合材料部件，特别是复合材料轮装置，但是应当理解，本发明不一定限于该应用。
背景技术
[0004] 以下对本发明的背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论不是确认或承认所提及的任何材料截止本申请的优先权日被公布、已知或是公知常识的一部分。
[0005] 由于复合材料中的聚合物基质在暴露于高水平的热能时会软化，所以高性能复合材料部件的应用可能受到限制。就此而言，将复合材料部件加热到其可耐温度之外的应用可能导致当部件被放置在机械负载下时部件的机械性能降低。将外部热源施加到复合材料部件的一个这样的示例性应用是：复合汽车部件(例如车轮)在制动过程中暴露于相邻制动钳和转子组件的辐射或对流热能。
[0006] 为此，通常需要屏蔽复合材料部件使之免受外部热源(无论是辐射的、传导的还是对流的)的影响，该外部热源可能将复合材料部件的温度提高到高于玻璃化转变温度Tg的温度，在该温度下，复合材料中的基质材料的完整性和/或性能可能会受到损害。
[0007] 解决这个问题的以前尝试包括开发更高Tg的树脂，从而提供具有更高耐热性的复合基质。然而，这种方法提高了整体复合材料成本，此外，存在不具有所需可耐温度的合适树脂的许多应用。
[0008] 可选的已有系统利用与复合材料表面间隔开的金属热屏蔽件，以在热源和复合材料表面之间提供气隙或缓冲。然而，应当理解，该解决方案是麻烦的，并且不期望地需要围绕复合材料部件提供额外的空间。
[0009] 在其它现有系统中，将金属或陶瓷保护涂层粘合到复合材料表面上，一些涂层与栅格结构形成为一体，以限制与复合材料表面的接触，从而降低保护涂层和复合材料表面之间的导热率。在又一系统中，通过热喷涂将许多保护涂层施加到复合材料表面。这些热保护系统依赖于保护涂层/屏蔽件与复合材料表面之间的粘合。然而，传统上，碳纤维复合材料表面与各种现有的粘合涂层(通常是金属的)之间的界面提供了不良的化学和机械结合。因此，热保护涂层的分层在复合材料领域中(包括对于上述现有系统)是一个持续存在的问题。
[0010] 因此，期望提供一种替代和/或改进的制造热保护复合材料部件的方法。
发明内容
[0011] 根据本发明的第一方面，提供一种制造具有热保护层的复合材料部件的方法，该方法包括以下步骤：
[0012] ·提供复合材料部件，所述复合材料部件具有主纤维材料，并且具有在所述复合材料部件的用于高热暴露的区域处覆盖在所述主纤维材料上的替代纤维材料的底漆层，所述区域限定热暴露区域；
[0013] ·将金属粘合层施加到所述热暴露区域的所述底漆层，以在所述热暴露区域处产生粘合表面；以及
[0014] ·将陶瓷热保护层施加到所述粘合表面，以使所述热暴露区域绝热和/或反射外部热能，所述热保护层具有比所述金属粘合层高的熔点。
[0015] 因此，本发明提供了一层底漆材料，该层底漆材料被结合到复合材料部件中，以在复合材料的主纤维材料(通常为碳纤维)与粘合层之间形成中间层。与粘合涂层直接施加到复合材料部件的主纤维材料上的现有系统相比，设置中间层提供了粘合层的改善粘合点，这有利地解决了保护层分层的问题。因此，本发明为随后施加到其上的各种保护层提供了在化学和机械上更加相容的粘合表面，从而降低了分层的风险并改善了复合材料部件的性能参数。
[0016] 除了提供金属粘合层与复合材料表面之间的改进接合之外，本发明的优点还在于将底漆层结合到复合材料部件中。优选地，使用常规的模制和固化方法提供复合材料部件，然而，也可以使用可选的复合材料部件制造技术来提供复合材料部件。在通过模制提供复合材料部件的情况下，底漆层因此被一体地设置在复合材料部件的树脂内。与例如将底漆层粘附到固化的复合材料表面上(在这种情况下，底漆层与复合材料表面之间可能存在分层的风险)相比，这提供了显著优点。
[0017] 已经使用根据ASTM D4541(使用便携式粘合力测定仪的涂层的剥离强度的标准测试方法)进行的粘合测试来量化上述粘合改进。如将参考以下实例进一步详细讨论的那样，与未使用底漆层的等效试验相比，根据本发明，申请人已经观察到当在复合材料部件中设置底漆层时，粘合强度增加20-50％。
[0018] 以本发明的方式使用底漆层提供增加的粘合力是未知的或未被现有热保护方法教导，具体地说，是未知的或未被与复合材料部件相关的现有热保护方法教导。就此而言，本发明代表了现有技术未预期或暗示的复合材料领域的显著改进。
[0019] 在特定应用中，热暴露区域可以构成整个复合材料部件的相对较小的部分，在这种情况下，底漆层可以是主纤维材料上的局部“贴剂”。在部件的大部分或全部旨在暴露于高热能的替代应用中，热暴露区域可以构成复合材料表面区域的大部分或全部，因此底漆材料可以提供覆盖大部分或全部主纤维材料的外层。在本发明的特定实施例(其中，本发明用于提供热保护复合材料轮)中，热暴露区域可以包括轮内部的在使用时暴露于从车辆制动组件发射的辐射和对流热量的表面的集合。举例来说，热暴露区域可以包括轮辋的内表面、轮辐上的内表面和轮毂上的内表面。
[0020] 底漆层还提供了将金属粘合层与主纤维(通常为碳纤维)电绝缘的附加优点，因此减少或甚至消除了金属粘合层的电偶腐蚀的可能性。
[0022] 应当理解，在施加粘合层之前，底漆层将在热暴露区域处形成复合材料部件的外层。当将粘合层施加到底漆层上时，底漆层随即在主纤维层与粘合层之间形成中间层。在将热保护层施加到粘合层之后，底漆层和粘合层因此将在主纤维层与外部热保护层之间形成一对中间层。
[0023] 主纤维材料可以由各种纤维类型形成，例如碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维等，也可以由不同纤维材料的混合物形成。底漆层由替代主纤维材料的替代纤维材料形成。对底漆层提供复合材料部件的材料的替代材料的目的在于促进主纤维材料与热保护层之间的粘合。在本发明的一些形式中，替代纤维材料的底漆层是陶瓷纤维材料。在本发明的特定形式中，热保护层是金属热保护层，并且底漆层是玻璃纤维层，有利地，当与碳纤维相比时，其被发现与粘合层的金属材料的粘合相容性显著提高。在本发明的一些形式中，底漆层材料的纤维可以由氧化铝形成，而在替代形式中，底漆纤维可以由氧化硅形成。在另外的形式中，底漆层由氧化铝和氧化硅的组合形成。当然，应当理解，各种陶瓷材料或玻璃纤维可能也适合于该应用。
[0024] 在本发明的一些实施例中，替代纤维层可以包括具有替代主材料的纤维的替代纤维的材料，例如碳纤维主材料上的玻璃纤维底漆层。在本发明的替代形式中，替代纤维材料可以包括与主纤维材料相同的纤维材料，但是添加了额外的材料以促进底漆层与热保护层之间的粘合。举例来说，在本发明的特定实施例中，主纤维材料是碳纤维，并且替代纤维材料的底漆层是碳纤维和金属纤维/丝的混合物。在本实施例中，底漆层内的金属丝提高了底漆层与金属热保护层之间的粘合性，从而实现与上述替代实施例中的玻璃纤维相同的功能。就此而言，术语“替代纤维材料”应当理解为是指这样的纤维基材料：其替代在复合材料部件中使用的纤维基材料，而不是由替代纤维形成的纤维基材料。
[0025] 底漆层的组特定成物可以包括110g/m2平纹玻璃纤维板。用于形成玻璃纤维板的纤维可以是连续长丝的E玻璃纤维，该E玻璃纤维具有7微米的直径和22(22克/1000米)的纱线。如本领域技术人员将理解的，E玻璃纤维通常包括52％-56％的二氧化硅、16％-25％的氧化钙、12％-16％的氧化铝、8％-13％的氧化硼、0％-1％的钠和氧化钾和0％至6％的氧化镁。当然，应当理解，底漆层中可以使用各种复合材料。举例来说，替代底漆层可以包括107g/m2平纹织造的E玻璃纤维板，或者作为选择，可以包括由65g/inch2玻璃材料形成的2层玻璃纤维板。
[0026] 如上所述，底漆层还可以包括金属丝或颗粒，以促进底漆层与金属粘合层之间的粘合。在这些形式中，金属丝可以以特定密度分布在底漆层的所有纤维中，以接触粘合层的颗粒，从而当金属粘合材料接触底漆层内的类似金属丝时增强粘合力。在本发明的特定形式中，金属丝或颗粒由铜、铝、钛、钢或它们的合金中的至少一者形成。另外，应当理解，各种合适的金属材料可适用于该应用，并且可以基于特定材料的粘合相容性根据需要进行选择。如上所述，底漆层的材料中包括金属丝或颗粒可以改善底漆层与后续金属层之间的粘合性，使得可以使用与主纤维层中使用的纤维材料相同的纤维材料形成底漆层。也就是说，底漆层材料的纤维不需要是有助于与后续金属层粘合的纤维(例如玻璃纤维)，因为该功能由底漆层内存在的金属丝/颗粒执行。因此，覆盖在碳纤维复合材料上的底漆层可以包括与金属丝混合的碳纤维材料。
[0027] 底漆层的纤维可以是织造的，使得底漆层本身形成织造纤维结构。本发明的这种形式在制造过程中可能是有利的，因为允许将预织造底漆层方便地储存在辊中来用于运输和储存。此外，可能存在以下应用：织造结构提供期望的机械性能(例如硬度)，从而增强由主纤维层提供的机械性能。在本发明的替代形式中，底漆层可以由随机取向的纤维形成。在一些形式中，底漆层可以包括重量至少为50g/m2的纤维垫或片。
[0028] 本发明可以包括以下附加步骤：在施加金属粘合层之前，通过表面处理露出底漆层的至少一部分来制备热暴露区域的表面。在施加表面处理时，除去浸渍底漆层的外部树脂的至少一部分，以露出底漆层纤维的至少一部分，从而便于底漆层与粘合层之间的连接。
[0029] 在本发明的一些形式中，表面处理包括对热暴露区域进行喷砂处理。在本发明的特定形式中，喷砂处理包括使用氧化铝砂粒的喷砂处理，根据使用的喷砂机的类型，使用空气流或水流对氧化铝砂粒进行加速。这样，研磨砂粒可以侵蚀热暴露区域的外部树脂表面，并露出底漆层的纤维，以便将粘合层施加并粘合到研磨好的底漆层。应当理解，表面处理因此将增加热暴露面积的表面粗糙度，从而再次提高粘合层与底漆层的粘合。在本发明的具体形式中，应用表面处理以获得4至7微米的RA粗糙度。为此，本发明的一些形式可以使用在#90至#46目范围内并以相当适中的压力(20至40psi)施加的中等/细小的氧化铝砂粒。应当理解，施加粘合层的复合材料表面的粗糙度是实现所需粘合水平的关键因素。为此，可以调整或优化喷砂机的变量，例如以使用由不同材料形成并在不同压力下喷涂的较粗或较细的砂粒，以达到所需的粗糙度参数，并且最小化或消除正在研磨的氧化铝颗粒在基板中的有害截留。在特定实施例中，底漆层具有等于或大于RA 4的粗糙度(即，不比RA 7更粗糙)，以确保底漆层的机械完整性不会由于过度侵蚀而受损。
[0030] 在本发明的一些形式中，变粗糙的或研磨的底漆层表面可以通过除喷砂处理之外的表面处理来实现。在一个这样的实例中，复合材料部件可以用覆盖在底漆层上的剥离层模制。在模制之后，剥离层可以从底漆层剥离，以露出下方的粗糙表面。以这种方式，底漆层具有提高与后续粘合层的粘合性的粗糙表面。
[0031] 现在转向金属粘合层的施加，在本发明的具体形式中，粘合层可以被热喷涂到研磨好的底漆层上。适当类型的热喷涂将根据具体材料和应用来确定，但可以包括双丝电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂中的任一者。因此，粘合层能够提供可以将热保护层施加并粘合到其上的粘合表面。在本发明的某些形式中，金属粘合层可以施加为具有64至120微米的厚度。优选地，金属粘合层的厚度为64至111微米。金属粘合层可以由各种金属材料形成，例如铝、锌、铜、镍或它们的合金或混合物。根据本发明的具体形式，粘合层由铝形成。
[0032] 在本发明的特定形式中，金属粘合层的厚度为80至100微米。在特定实施例中，金属粘合层的厚度为约90微米。在本发明的替代实施例中，金属粘合层的厚度为70至80微米，特别是厚度可以为约70微米。
[0033] 热保护层由提供期望的固有热阻的陶瓷材料形成。在本发明的一些形式中，施加热保护层直到实现所需的厚度。优选地，热保护层的厚度为86至149微米。本发明的特定实施例包括90至110微米的热保护层厚度。根据本发明的一个实施例，热保护层的厚度为约100微米。根据本发明的替代实施例，热保护层的厚度为100至140微米，特别是厚度为约120微米。
[0034] 在本发明的特定实施例中，使用等离子喷涂将热保护层热喷涂到金属粘合层上。为了进一步降低导热率，热保护层的陶瓷材料可以具有相对较高的孔隙率，并且在本发明的某些形式中，热保护层的孔隙率可以为10％至15％。
[0035] 对于某些应用，热保护层将在复合材料部件的热暴露区域处形成最外层，并且在这些情况下，复合材料部件将在施加热保护层之后完成。然而，在替代实例中，热保护层的特定表面发射率或反射率对于特定应用可能是不期望的。在这些情况下，本发明的方法可以包括如下步骤：将金属或陶瓷顶层施加到热保护层，以根据复合材料部件的具体应用的要求提供特定的表面发射率或反射率。在本发明的特定形式中，顶层可以使用双丝电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂被热喷涂到热保护层。因此，应当理解，可以根据需要将具有期望的热发射或反射性质的顶层材料应用作为最外层，以定制部件表面的性质。例如，顶层可以提供对来自热暴露区域的热量的期望的增加排热。在一些情况下，可以施加顶层以改变表面的美学外观，例如增加表面光泽。顶层的材料可以选自适于实现期望的美观或功能效果的任何陶瓷或金属材料。根据本发明的特定形式，顶层由铝涂层形成。有利地，铝制顶层有利于辐射热的反射，从而提高对复合材料部件的热保护。根据本发明的特定形式，顶层由与粘合层相同的金属材料形成，在某些情况下，粘合层可以均包括铝涂层。
[0036] 在施加粘合层、热保护层和可选的顶层时，期望减少层之间的残余应力，尽可能地促进层之间的粘合以及提高复合材料结构的整体机械性能。在连续层之间存在许多残余应力的原因，但是可以调节甚至可以防止的一个原因是层之间存在温差。因此，本发明的一些形式可以涉及在施加粘合层之前将复合材料部件预加热到合适的温度。类似地，一些喷涂方法可以涉及在整个成层过程中将复合材料部件温度维持所需水平，以减少施加期间层内的热循环/应力。
[0037] 由于与上述相同的原因，本发明的至少一些步骤可以通过机器人喷涂吹管来进行，以精确控制热喷涂参数，例如间隔距离和喷涂角度。这个控制水平反过来可以促进一致的涂层施加、层厚度和密度的均匀性，从而提供均匀的热保护。此外，当以这种精确的方式施加层时，有利地减少由后续层之间的温差带来的固有残余应力。在本发明中可以优化的与热喷涂有关的其它变量涉及应用热喷涂的温度。例如，与用于涂覆金属部件的热喷涂方法相比，当涂覆复合材料部件时，相对较低的热喷涂温度是优选的，以确保不超过聚合物基质的Tg。因此，可以针对特定应用来定制喷涂参数和程序，以确保在限制热传递至层下方的复合材料基板的同时实现合适的层性质。举例来说，在本发明的一些实施例中，可以使用热喷涂吹管能量的管理、喷涂角度优化和零件的外部冷却。
[0038] 应当理解，本发明可以适用于与包括碳纤维增强聚合物(CFRP)、碳纤维增强塑料(CRP)或碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP)的各种复合材料系统一起使用。
[0039] 本发明的上述第一方面有利地利用陶瓷材料作为热保护层来屏蔽复合材料部件使之免受辐射热，特别是减少或阻止热能通过热保护层传导进入复合材料部件。然而，申请人也在替代材料中观察到理想的保护性能。因此，本发明的第二方面提供一种制造具有热保护层的复合材料部件的方法，该方法包括以下步骤：
[0040] ·提供复合材料部件，所述复合材料部件具有主纤维材料，并且具有在所述复合材料部件的用于高热暴露的区域处覆盖在所述主纤维材料上的替代纤维材料的底漆层，所述区域限定热暴露区域；以及
[0041] ·将金属热保护层施加到所述热暴露区域，以反射外部热能。
[0042] 在第二方面的一些形式中，与在本发明的第一方面中施加到底漆层的金属粘合层类似，金属热保护层可以直接施加到底漆层。然而，虽然本发明的第一方面提供了金属粘合层来促进底漆层与陶瓷热保护层之间的粘合，但是本发明的第二方面有利地利用金属材料作为热保护层，该金属材料可以被直接施加到底漆层，而不需要它们之间的粘合中间层。金属热保护层有利地提供能够反射辐射热能的大部分的高反射率。根据本发明第三方面的特定实施例，金属热保护层包括铝材料。然而，应当理解，各种金属材料(例如钼或钨)也适合用作金属热保护层。
[0043] 在本发明的第二方面的其它形式中，包括以下步骤：在施加金属热保护层之前，在热暴露区域处将金属粘合层施加到底漆层，以在施加金属热保护层的热暴露区域处形成粘合表面。金属热保护层可以由与粘合层的金属材料不同的金属材料构成。根据所使用的材料的类型，金属粘合层的包括可以提高金属热保护层的粘合性。举例来说，金属粘合层可以包括铝，并且热保护层可以包括钼或钨。有利的是，如果将钼或钨涂层直接施加到底漆层，与将观察到的粘合性相比，铝金属粘合层通常提供与底漆层之间的更好粘合性。然而，当将钼或钨涂层施加到铝涂层时，获得强粘合性。就此而言，铝粘合层在热保护层与底漆层之间提供期望的中间层，从而改善整体粘合性。此外，钼或钨涂层通常以比铝涂层更高的温度施加。就此而言，在施加热保护层之前施加铝粘合层有利地保护复合材料部件免受与钼或钨涂覆处理相关的高温。当然，应当理解，可以设想在金属热保护层中使用各种替代金属材料。
[0044] 在本发明的第二方面的实施例(其中在底漆层与热保护层之间设置金属粘合层)中，因此应当理解，与本发明的第一方面的唯一区别是使用金属热保护层，这与本发明的第一方面相关的陶瓷热保护层相反。在这种情况下，本发明可以涉及一种制造具有热保护层的复合材料部件的方法，该方法包括以下步骤：提供复合材料部件，所述复合材料部件具有主纤维材料，并且具有在所述复合材料部件的用于高热暴露的区域处覆盖在所述主纤维材料上的替代纤维材料的底漆层，所述区域限定热暴露区域；将金属粘合层施加到所述热暴露区域的所述底漆层，以在所述热暴露区域处产生粘合表面；以及将金属热保护层施加到所述粘合表面，以使所述热暴露区域绝缘和/或反射外部热能。金属热保护层包括替代金属粘合层的替代金属材料，并且该金属热保护层具有比金属粘合层高的熔点。
[0045] 应当理解，参考本发明的第一方面在前面讨论的底漆层的具体方面同样适用于本发明的第二方面。类似地，与本发明的第一方面相关的金属粘合层的上述特征通常适用于根据本发明的第二方面的金属热保护层。例如，与金属粘合层相关的上述材料和施加技术与金属热保护层相同。在本发明的第二方面中，金属热保护层的厚度在某些情况下可以与本发明的第一方面的金属粘合层的厚度相似。作为选择，在一些应用中，可能需要应用比执行本发明的第一方面时所需的金属粘合层厚的金属热保护层。例如，金属热保护层的厚度的范围可以为40至300微米，优选地为60至111微米。
[0046] 因此，应当理解，本发明的第一方面和第二方面均提供了具有热保护层的复合材料部件，并且有利地均使用覆盖在复合材料部件的主纤维材料上的底漆层，以提高复合材料部件与相应的热保护层之间的粘合性。
[0047] 根据本发明的第三方面，提供一种制造具有热保护涂层的复合材料部件的方法，该方法包括以下步骤：
[0048] ·模制复合材料部件，所述复合材料部件具有主纤维材料，并且具有在所述复合材料部件的用于高热暴露的区域处覆盖在所述主纤维材料上的替代纤维材料的底漆层，所述区域限定热暴露区域；
[0049] ·通过表面处理露出底漆层的至少一部分来制备热暴露区域的表面；
[0050] ·将金属粘合涂层施加到底漆层，以在所述热暴露区域处产生粘合表面；以及[0051] ·将陶瓷热保护涂层施加到粘合表面，以使所述热暴露区域绝热和/或反射外部热能，所述热保护涂层具有比金属粘合涂层高的熔点。
[0052] 本发明的第三方面有利地涉及用一体化底漆层模制复合材料部件，并且涉及以下步骤：通过表面处理露出底漆层的至少一部分来制备热暴露区域的表面，以提高底漆层与后续金属粘合涂层之间的粘合。
[0053] 本发明的第一方面、第二方面和第三方面可以特别地用于提供复合材料轮，优选地用于具有热保护层的碳纤维轮。如前所述，汽车车轮通常在车辆制动过程中暴露于从制动器和转子组件发射的显著热能。在炎热天气期间或在高性能驾驶条件下，汽车车轮也可能暴露于透过轮胎进入车轮的轮辋、轮辐或轮毂的大量热能。
[0054] 因此，在第四方面中，本发明可以提供一种具有热暴露区域的复合材料部件，其包括：主纤维材料的层；底漆层，其在所述热暴露区域覆盖在所述主纤维材料上，所述底漆层由替代所述主纤维材料的替代纤维材料形成；以及热保护层，其覆盖在所述底漆层上，其中，所述热保护层使所述热暴露区域绝热和/或用于反射外部热能。
[0055] 在本发明的第四方面的特定实施例中，热保护层是金属的。有利地，使用金属材料提供高反射率，以便容易反射从车辆制动组件发射的辐射热，使该辐射热远离轮的热暴露区域。在本发明的特定形式中，热保护层由铝材料形成。
[0056] 根据本发明的第四方面的替代实施例，热保护层是陶瓷的。有利地，陶瓷热保护层容易显著降低导热率，使得复合材料部件不仅被遮蔽而不受辐射热的影响，而且还防止热能传导通过热保护层进入底漆层和主纤维材料。为了促进所述陶瓷热保护层之间的粘合，本发明的第四方面的具体形式包括底漆层与陶瓷热保护层之间的金属粘合层。有利地，设置金属粘合层提供了纤维底漆层与陶瓷热保护层之间的中间层，从而提高轮上各层内的整体粘合性。
[0057] 在热保护层不是陶瓷的情况下，复合材料部件还可以包括底漆层与热保护层之间的金属粘合层。例如，根据本发明的特定形式，在施加金属热保护层之前施加金属粘合层。根据特定实例，在施加替代金属材料(例如钼或钨)之前施加铝粘合层。就此而言，与钼或钨相比，铝粘合层向底漆层提供更大的粘合力，因此有利地通过用作热保护层与底漆层之间的中间层来提高粘合性。此外，钼或钨涂层通常以比铝涂层更高的温度施加。就此而言，在施加热保护层之前施加铝粘合层有利地保护复合材料部件免受与钼或钨涂覆处理相关的高温。
[0058] 复合材料部件可以包括复合材料轮，优选地为碳纤维轮。复合材料轮可以包括轮毂、围绕轮毂的轮辋以及在轮毂与轮辋之间延伸的多个轮辐。应当理解，复合材料轮的轮辐将包括面向外的表面(其在使用时从车辆轮舱面向外侧)和面向内的表面(其在使用时面向内部进入车辆轮舱)。还将理解，在使用时，轮辐的面向内的表面通常与制动转子相邻或面对。根据本发明的特定实施例，热暴露区域包括面向内的表面的至少一部分。以这种方式，本发明可以用于提供在轮辐内侧上具有热保护区域的轮，该热保护区域通常暴露于作为车辆制动过程的结果从车轮转子发射的相对较高的热能。热暴露区域还可以包括轮辋或轮毂的部分，并且可以例如包括沿着轮辋的内表面的环形条带。轮辋或轮毂的热保护区域的位置可以变化以适应特定车辆中的制动组件的特定位置。
[0059] 应当理解，本发明的第四方面的复合材料部件可以通过本发明的第一方面、第二方面或第三方面的方法制备或制造。因此，关于本发明的第一方面所讨论的所有特征同样适用于本发明的第四方面。
[0060] 类似地，应当理解，上文关于本发明的第一方面所讨论的特征同样适用于本发明的第二方面和第三方面。
[0061] 最后，在本发明的另一方面，提供了一种具有热暴露区域的复合材料部件，其包括：
[0062] ·主纤维材料的层；
[0063] ·底漆层，其在所述热暴露区域覆盖在所述主纤维材料上，所
[0064] 述底漆层由替代所述主纤维材料的替代纤维材料形成；
[0065] ·金属粘合层，其覆盖在所述底漆层上；以及
[0066] ·陶瓷热保护层，其覆盖在所述金属粘合层上，
[0067] 其中，所述热保护层具有比所述金属粘合层高的熔点，并且所述热保护层使所述热暴露区域绝热和/或用于反射外部热能。
[0068] 另外，应当理解，本发明的该另一方面的复合材料部件可以通过本发明的第一方面、第二方面或第三方面的方法制备或制造。因此，关于本发明的这些方面所讨论的所有特征同样适用于本发明的该另一方面。附图说明
[0069] 现在将参考附图描述本发明，附图示出了本发明的特定优选实施例，其中：
[0070] 图1是表示根据本发明实施例的方法的流程图。
[0071] 图2示出了根据本发明实施例的包括陶瓷底漆层的复合材料部件的复合材料的侧视图。
[0072] 图3示出了已经在底漆层上施加了粘合涂层的图2的复合材料部件。
[0073] 图4示出了已经在粘合涂层上施加了热保护涂层的图3的复合材料部件。
[0074] 图5示出了已经在热保护涂层上施加了可选的顶部涂层并暴露于高热能源的图4的复合材料部件。
[0075] 图6示出了在根据本发明的方法中使用的底漆层。
[0076] 图7是具有根据本发明应用的热保护层的复合材料轮的透视图。
[0077] 图8示出了根据本发明的替代实施例的复合材料部件的侧视图。
具体实施方式
[0078] 首先参考图1，本发明以如下流程图表示：该流程图示出了在执行根据本发明的方法时进行的连续步骤。因此，应当理解，除了根据复合材料部件的预期具体应用可以施加或可以不施加的可选顶部涂层之外，本发明的步骤通常是线性的。如图1所示，与本发明的优选实施例相关的步骤如下：
[0079] 步骤1包括提供在热暴露区域具有与底漆层重叠的主纤维层的复合材料部件。例如，现有的纤维复合材料成型技术可用于提供例如可以由碳纤维形成的复合材料部件。
[0080] 步骤2包括对底漆层进行表面处理，以在底漆层处侵蚀或研磨树脂，从而露出底漆层的一部分，以便于随后与粘合层的粘合。表面处理优选地包括喷砂处理。具体地说，表面处理优选地包括用氧化铝砂粒的喷砂处理。
[0082] 步骤4包括通过热喷涂将金属粘合层施加到研磨后的底漆层上。热喷涂温度优选地是低的，以确保复合材料部件不被加热超过复合材料部件中使用的聚合物基质的耐热温度(Tg)。所使用的热喷涂技术可以例如包括双丝电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂。
[0083] 步骤5包括通过热喷涂(例如等离子喷涂)在粘合层上施加陶瓷热保护层。热保护层反射热能并且优选地在热暴露区域隔离复合材料部件。
[0084] 步骤6包括将金属或陶瓷顶层施加到热保护层上以在需要例如特定的发射率/反射率性质时定制表面性质的可选步骤。
[0085] 图2至图5示出了根据本发明的上述第一方面和第三方面的制造热保护复合材料部件的过程的侧视图。
[0086] 转到图2，复合材料部件10被示出包括主碳纤维层12并浸渍有聚合物基质14。由陶瓷玻璃纤维形成的织造底漆垫16在复合材料部件10的用于暴露于高热能的热暴露区域18处覆盖在主纤维层12的一部分上。因此，应当理解，图2中所示的复合材料提供了复合材料部件，从而对应于如图1所示并在上面讨论的方法步骤1。
[0087] 为了制造图3所示出的复合材料部件10，图2所示的复合材料部件10经历如图1的步骤2、3和4所示并如上所述的工艺步骤。
[0088] 首先，如图1中的方法步骤2所示，热暴露区域18经历表面处理，在表面处理中，将喷砂机(未示出)应用于热暴露区域18以研磨聚合物树脂14(其覆盖并浸渍底漆垫16)的外表面，从而露出底漆垫16的至少一部分。在优选实施例中，表面处理包括应用范围为#90至#46目的中等或细小的氧化铝砂粒，氧化铝砂粒在20至40psi的压力下被施加，并且在合适的喷砂装置的空气流或水流中加速，直到在底漆垫16的外表面20处获得4至7微米RA的表面粗糙度。
[0089] 其次，如图1的方法步骤3所示，复合材料部件10被预热，以降低复合材料部件10与粘合层之间的温差，粘合层包括在过程的下一个阶段施加在底漆垫16上的粘合涂层22。
[0090] 第三，现在转到图3，使用等离子喷涂器将包括粘合涂层22的金属粘合层热喷涂到底漆垫20的已研磨外表面20上，至64至111微米的厚度。如上所述，底漆垫16由此在下覆主纤维层12与上覆粘合涂层22之间形成中间层。应当理解，图3中的图示对应于图1的流程图中的方法步骤4的结束。如图1的步骤5所述并且如图4所示，然后使用等离子喷涂将包括陶瓷热保护涂层24的陶瓷热保护层施加到粘合涂层22上。在优选实施例中，热保护涂层24的厚度在100至150微米之间。
[0091] 再次参考图1，在本发明的应用(其中热保护涂层24作为热暴露区域18的最终涂层就足够了)中，本发明的方法可以在施加热保护涂层之后结束。
[0092] 在热保护涂层24的发射率或反射率性能不适合作为热暴露区域18上的最终涂层的替代应用中，该过程可以从第五工艺步骤移动到可选的方法步骤6，在步骤6中，金属或陶瓷顶部涂层26被热喷涂到热保护涂层24上。顶部涂层26可以例如使用双丝电弧喷涂、火焰喷涂或等离子喷涂来施加。就此而言，通过选择适当的顶部涂层材料，热暴露区域18的发射率和/或反射率可以被定制，以适合特定应用。
[0093] 如图5所示，在施加顶部涂层26之后，复合材料部件10因此准备好暴露于热能源28。由于热保护涂层24和顶部涂层26的反射和绝热性能，靠近热暴露区域18的聚合物基质
14被保护免受从热能源28发射的热能30的影响。
14被保护免受从热能源28发射的热能30的影响。
[0094] 图6示出了本发明的第二方面，其中根据上述步骤1至3提供复合材料部件10，即，提供在热暴露区域60处具有碳纤维层12和上覆玻璃底漆层16的复合材料部件10。碳层12和玻璃层16浸渍有聚合物基质14。以与上文关于本发明的第一方面和第三方面所讨论的方式相同的方式，然后对底漆层16进行喷砂处理，以研磨底漆层的表面。随后在将金属热保护层60热喷涂到底漆层16上达到40-300微米(优选地，64-111微米)的厚度之前，将复合材料部件10预加热到大约80°。金属热保护层60可以包括各种金属材料，然而根据本发明的特定实施例，金属热保护层60由铝材料构成。底漆层16的玻璃纤维有利地促进与热保护层60的铝材料的粘合，热保护层60工作以反射从热能源28(例如，车辆制动组件)发射的辐射热能30使之远离复合材料部件10。
[0095] 以这种方式，本发明的第二方面有利地利用底漆层16来改善铝热保护层60之间的粘合。应当理解，图5和图6所示的热保护复合材料部件10均以这样的方式使用底漆层16。还应理解，图3和图6具有大致同等范围，因为图3和图6均示出了施加到底漆层16上的金属层。如上所述，在一些应用中，热保护层足以(优选地)构成容易提供高反射率的金属层，从而减少吸收到复合材料部件中的辐射热量。在其它应用中，可能期望热保护层具有较低的导热率，在这种情况下，所施加的较薄(即，64-111微米)金属层因此构成金属粘合层并且施加随后的陶瓷层24(如图4所示)，在这种情况下，陶瓷层24因此构成热保护层。
[0096] 图7示出了底漆垫16的放大透视图，底漆垫16包括与多根横向玻璃纤维纬纱32织造在一起的多根纵向玻璃纤维经纱34。玻璃纤维底漆垫16包括多根金属丝，金属丝包括在相邻的纬纱32之间被织造到底漆垫16中的金属丝36。如图7所示，金属丝36遵循相邻纬纱32之一的织造图案。举例来说，纬纱32A和金属丝36A具有穿过多根经纱34的相应的“下/上”波形图案。类似地，纬纱32B的织造图案对应于相邻的金属丝36B的织造图案。在底漆层16中设置金属丝36有利于促进底漆层与金属粘合层之间的粘合，从而改善热保护层与复合材料部件之间的整体粘合性。举例来说，金属丝36可以由铜、铝、钛、钢或其合金中的至少一者形成。
[0097] 尽管如上所述，图7中举例说明的底漆层包括玻璃纤维，但底漆层也可以包括各种替代材料。例如，由碳纤维或芳族聚酰胺纤维形成的复合材料部件可以设置有玻璃纤维底漆层(无金属丝)。作为选择，由碳纤维形成的复合材料部件可以设置有包括碳纤维和金属丝的混合物的底漆层。类似地，由芳族聚酰胺纤维形成的复合材料部件可以设置有包括芳族聚酰胺纤维和金属丝的混合物的底漆层。因此，应当理解，主纤维材料和底漆层材料的各种组合可以被设想并且它们均落在本发明的范围内。
[0098] 在本发明的优选实施例中，复合材料部件10包括例如如国际专利申请PCT/AU2012/000598、PCT/AU2014/000324、PCT/AU2013/000646、PCT/AU2013/000647、PCT/AU2013/000648和PCT/AU2009/001120中所教导的碳纤维轮，这些国际专利申请的内容应被理解为以引用的方式并入本文。
[0099] 图8中示出了一种这样的碳纤维轮的示例性实例，其中复合材料部件包括碳纤维轮40，碳纤维轮40包括轮毂42、轮辋44和在轮毂42与轮辋44之间延伸的多个轮辐46。图8以较暗阴影示出了热暴露区域48的位置。参考上文应当理解，金属粘合层和热保护层因此也位于表示热暴露区域48的较暗阴影的位置。以这种方式，图8所示的较暗阴影区域具有防止从制动组件(其在使用期间位于轮40的轮辋44内)发射的辐射和对流热能的一定程度热保护。
[0100] 如图8所示，热暴露区域包括轮40内部的部分，该部分在安装在车辆上时大致与车辆的制动组件相邻。具体地说，热暴露区域48包括每个轮辐46上的面向内的表面(即朝向制动组件的面向内的表面)以及在轮辋44的面向内的表面上的环形部分。热暴露区域48还包括轮毂42的肩部52。应当理解，轮毂42的中央无阴影平坦部分在使用中将与转子安装面邻接，因此不会暴露于施加到轮辐46的内表面和轮毂42的肩部的辐射热。在轮辐46和轮辋44的交叉处，存在可以安装车轮平衡块(未示出)的无阴影环形部分50。
[0101] 通常期望热暴露区域48(和相关联的热保护层)位于轮辐46的内表面和轮毂42的肩部上，而与轮40所装配的特定制动组件无关。相反，轮辋内侧的热暴露区域48的厚度可以根据轮40所安装的转子和制动组件的尺寸而变化。在所示实施例中，热暴露区域包括轮辋44的内表面的大约三分之二。在替代实施例中，轮40旨在与较小的转子/制动组件一起使用，因此热暴露区域可以包括内轮辋表面的减少部分。在这种情况下，可以相应地减少热保护层的总面积，从而降低与制造热保护复合材料轮相关的成本。
[0102] 在本说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括”、“含有”、“被包括”或“包括”，它们将被解释为指定所述特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、部件或其组合的存在。
[0104] 实例
[0105] 如上所述，申请人已经使用根据ASTM D4541(使用便携式粘合力测定仪的涂层的剥离强度的标准测试方法)进行的测试方法研究了本发明提供的粘合性改善方面。所进行的测试表明，当使用由替代纤维材料(其替代主(基础)纤维材料)形成的中间底漆层时，主纤维材料的复合材料部件与施加到复合材料部件上的热保护层之间的粘合性得到改善。
[0106] 根据ASTM D4541进行的粘合性测试涉及将圆形金属垫块(dolly)粘合到已经根据上述热保护工艺涂覆的复合材料的测试样品的清洁表面上。使用诸如双组分环氧树脂的合适粘合剂将垫块的圆形基部粘合到测试样品的最外表面。选择粘合剂以在垫块基部与材料表面之间提供比多层复合材料的层之间的预期粘合力更大的粘合力，使得当将牵引负载施加到垫块时，在热保护涂层与复合材料表面之间而不是在垫块与材料表面之间出现分层。在粘合剂固化之前，去除垫块基部周围的多余粘合剂。在粘合剂固化后，使用切割工具在垫块基部周围施加环形切口，以隔离出垫块基部下方的材料的圆形部分。气动致动器连接到垫块，以在测试样品保持静止时对垫块施加拉力。气动致动器连接到记录施加到垫块的最大压力的测试装置。增加压力，直到复合材料部件与已经施加到复合材料部件上的热保护涂层之间发生分层。
[0107] 下面的表1提供了三种独立的测试结果，用于比较在使用或不使用底漆层的情况下的粘合水平。底漆层的组成物为110g/m2平纹玻璃纤维板。具体地说，连续长丝的E玻璃纤维具有7微米的直径和22(22克/1000米)的纱线。E玻璃纤维通常包括52％-56％的二氧化硅、16％-25％的氧化钙、12％-16％的氧化铝、8％-13％的氧化硼、0％-1％的钠和氧化钾和0％至6％的氧化镁。在所有测试中，对底漆层的表面进行喷砂表面处理，或者在未使用底漆层的情况下，对复合材料部件的表面进行喷砂表面处理，以分别露出底漆层材料或复合材料部件主纤维材料的一部分。
[0108] 试验1记录了在使用或不使用中间底漆层的情况下将铝粘合层和陶瓷热保护层施加到复合材料部件上的粘合水平。如表1所示，与将金属粘合层直接施加到复合材料部件的情况相比，观察到使用玻璃底漆层的粘合力平均增加25.45％。
[0109] 试验2记录了在使用和不使用中间底漆层的情况下将铝粘合层、陶瓷热保护层和铝顶部涂层施加到复合材料部件上的粘合水平。如表1所示，与将金属粘合层直接施加到复合材料部件的情况相比，观察到使用玻璃底漆层时的粘合力平均增加21.08％。
[0110] 在使用和不使用中间底漆层的情况下，测试记录将铝热保护层施加到复合材料部件上时的粘合水平。如表1所示，与将铝热保护层直接施加到复合材料部件的情况相比，观察到使用底漆层时的粘合力平均增加228.32％。
[0111]
[0112]
[0113] 表1
[0114] 参考上述试验结果应该理解，在复合材料部件与随后涂覆的涂层之间设置中间底漆层的情况下，申请人已经实现了显著提高的粘合水平。
[0115] 因此，应当理解，本发明的所有方面提供了复合材料部件与热保护层之间的粘合强度的显著提高，从而提供了相对于现有方法的优点，现有方法是麻烦的和/或不能实现足够的粘合强度而导致分层的风险增加。
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