СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ
METHOD FOR PRODUCING LAYER STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к слоистым структурам, содержащим полимерный слой между двумя стальными поверхностями, и способу их получения.
Снижение энергопотребления автомобилями достигается, в частности, уменьшением их веса.
Сталь, обычно применяемая для изготовления как элементов обшивки, так и конструктивных элементов, конкурирует с более лёгкими металлами, такими, как алюминий, и с композитными материалами, такими, как полимеры, упроченные стеклянными или углеродными волокнами.
Слоистые структуры способны создать альтернативу, однако их сложность затрудняет определение их размеров.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание способа получения слоистой структуры, который упростил бы определение размеров слоистой структуры с учётом достигаемой цели.
Для этого первым объектом изобретения служит способ получения слоистой структуры из двух стальных поверхностей, разделённых между собой слоем полимера, включающий в себя следующие этапы:
- определение размеров слоистой структуры с учётом достигаемой цели с проведением частичных этапов, на которых:
с
с
с
2
- определяют достигаемую цель посредством трёх целевых показателей, а именно посредством жёсткости при растяжении Т, выраженной в кН/мм, жёсткости при изгибе В, выраженной в кН/мм, и поверхностной плотности М, выраженной в кг/м,
- определяют допуск на достижение целевых показателей,
а
р
p
p
p
- определяют слоистую структуру посредством пяти переменных величин, в частности, толщины Е стальных поверхностей в мм, толщины Е полимерного слоя в мм, действительного модуля Юнга Y полимерного слоя, действительной плотности d полимерного слоя и объёмного содержания R полимерного слоя, выраженного в объёмных процентах полимерного слоя, содержащего материал,
а
р
p
p
p
- идентифицируют сочетания Е, Е, Y, d и R, которые позволяют достигнуть целевые показатели при заданном допуске,
- отсюда выводят для каждой переменной величины рабочий диапазон,
- отбирают сталь и полимерный слой, по которым каждая переменная величина располагается в диапазоне, который определили на предыдущем этапе,
- изготавливают соответствующую слоистую структуру.
Также способ согласно изобретению может включать в себя следующие факультативные признаки, взятые раздельно или в сочетании:
- достигаемой целью является монолитный металлический материал, иной, чем сталь,
- достигаемой целью является алюминий,
- достигаемой целью является алюминий толщиной 0,9 мм,
- достигаемой целью является алюминий толщиной 0,8 мм,
- допуск на достижение целевых показателей составляет 10 %,
а
р
p
p
p
а
р
p
p
p
- этап идентификации сочетаний Е, Е, Y, d и R, позволяющих достигнуть целевые показатели посредством заданного допуска, содержит этап, на котором создают сочетания Е, Е, Y, d и R,
а
р
p
p
p
- способ содержит этап графического анализа произведённых сочетаний Е, Е, Y, d и R.
с
с
с
2
Другим объектом изобретения является слоистая структура, получаемая способом согласно изобретению, применяемым для целевого алюминия толщиной 0,9 мм при Т = 31,5 Н/мм, В = 10,2 Н/мм, М = 2,43 кг/м и допуске 10%, при этом слоистая структура состоит из:
а
- двух стальных поверхностей толщиной Е от 0,133 до 0,165 мм,
- полимерного слоя, расположенного между обеими поверхностями и обладающего:
р
а
а
- толщиной Е от (-2,5хЕ+0,713) до (-2,5хЕ+0,88),
p
- плотностью d от 0,9 до 1,4,
p
- объёмным содержанием R, превышающим или равным 0,2, строго меньше 1,
p
- модулем Юнга Y меньше 4000 МПа,
p
p
- объёмным содержанием R и модулем Юнга Y, удовлетворяющим неравенство:
p
p
p
p
p
2
Y*(0,49*R+0,23*R+1/(Y*(1-R))) ≥ 50 МПа.
Такая слоистая структура согласно изобретению может также обладать следующими факультативными признаками, взятыми раздельно или в сочетании:
а
р
а
а
- толщина Е стали составляет от 0,141 до 0,158 мм, толщина Е полимерного слоя составляет от (-2,5хЕ+0,73) до (-2,5хЕ+0,87),
- полимерный слой содержит смесь из полиамида, сополимера этилена и ненасыщенной карбоновой кислоты и/или её производного.
с
с
с
2
Третьим объектом изобретения является слоистая структура, получаемая способом по любому из пунктов 1 – 9, применяемым для целевого алюминия толщиной 0,8 мм при Т = 28,0 Н/мм, В = 7,2 Н/мм, М = 2,16 кг/м и допуске 10 %, при этом слоистая структура состоит из:
а
- двух стальных поверхностей толщиной Е от 0,118 до 0,146 мм,
- полимерного слоя, включённого между обеими поверхностями и обладающего:
р
а
а
- толщиной Е от (-2,5хЕ+0,632) до (-2,5хЕ+0,75),
p
- плотностью d от 0,9 до 1,4,
p
- объёмным содержанием R свыше или равным 0,2, строго меньшим 1,
p
- модулем Юнга Y менее 4000 МПа,
p
p
- объёмным содержанием R и модулем Юнга Y, удовлетворяющим неравенство:
p
p
p
p
p
2
Y*(0,49*R+0,23*R+1/(Y*(1-R))) ≥ 50 МПа.
Эта слоистая структура согласно изобретению может также содержать следующие факультативные признаки, взятые раздельно или в сочетании:
а
р
а
а
- толщина Е стали составляет от 0,126 до 0,140 мм, толщина Е полимерного слоя составляет от (-2,5хЕ+0,646) до (-2,5хЕ+0,728),
- смесь из полиамида, сополимера этилена и ненасыщенной карбоновой кислоты и/или её производного.
Другие признаки и преимущества изобретения приводятся ниже в описании.
Определение размеров слоистой структуры проводится прежде всего выбором достигаемой цели. Этой целью может служить безразлично либо виртуальная цель, охарактеризованная только целевыми показателями, либо конкурирующий продукт, рабочие показатели которого пытаются воспроизвести. Во втором случае цель содержит в качестве целевых показателей показатели целевого конкурирующего материала.
с
с
с
2
В частности, достигаемая цель охарактеризована тремя целевыми показателями, а именно жёсткостью при растяжении Т в кН/мм, жёсткостью при изгибе В в кН/мм и поверхностной плотностью М в кг/м.
с
с
с
В качестве не ограничивающих примеров, в случае с алюминием как целевым материалом, целевые показатели Т, В и М могут иметь соответственно следующие значения:
2
- 31,5 Н/мм, 10,2 Н/мм, 2,43 кг/м при толщине алюминия 0,9 мм,
2
- 28,0 Н/мм, 7,2 Н/мм, 2,16 кг/м при толщине алюминия 0,8 мм.
В рамках определения размеров слоистой структуры разрешается допуск на достижение целевых показателей. Этот допуск может задаваться в каждом случае отдельно специалистом с учётом критичности целевого показателя в данных условиях.
Первое приближение может состоять, например, в допущении того, что целевые показатели могут достигаться при более или менее 10 %, предпочтительно при более или менее 5 %.
а
р
p
p
p
Затем слоистая структура охарактеризуется толщиной Е стальных поверхностей в мм, толщиной Е полимерного слоя в мм, собственным модулем Юнга Y полимерного слоя, собственной плотностью d полимерного слоя в МПа и объёмным содержанием R полимерного слоя в объёмных процентах полимерного слоя, содержащего материал.
Под собственным модулем Юнга полимерного слоя подразумевается модуль Юнга полимера или смеси из образующих полимерный слой полимеров, при этом возможное вспенивание полимерного слоя исключается.
Под собственной плотностью полимерного слоя подразумевается плотность полимера или смеси из образующих полимерный слой полимеров, при этом возможные наполнители и возможное вспенивание исключаются из расчёта плотности.
p
p
Объёмное содержание R является функцией возможного вспенивания полимерного слоя. Следовательно, в случае отсутствия вспенивания объёмное содержание составит 1. Контроль за объёмным содержанием проходит через контроль за степенью вспенивания. Предпочтительно полимерный слой вспенивается, т. е. Rсоставляет строго менее 1. Вспенивание создаёт для слоистой структуры превосходный компромисс между снижением веса и механическими свойствами.
а
р
p
p
p
Следующий этап состоит в идентификации сочетаний Е, Е, Y, d и R, которые позволяют достичь целевые показатели при заданном допуске.
Этот этап может проводиться посредством любого способа, известного среднему специалисту.
В качестве не ограничивающего примера ниже описан возможный метод.
а
р
p
p
p
Первый этап этого метода заключается в создании сочетаний Е, Е, Y, d и R следующим образом:
a1
- задают модуль Юнга Y для первой стальной поверхности, равный 210000 МПа,
a1
a1
- задают размеры первой металлической поверхности, в частности, ширину I = 50 мм и длину L = 100 мм,
a1
- задают коэффициент Пуассона (Poisson) v для первой стальной поверхности, равный 0,3,
p
p
- задают размеры полимерного слоя, в частности, ширину I = 50 мм и длину L = 100 мм,
p
- задают коэффициент Пуассона v для полимерного слоя, равный 0,3,
а2
- задают толщину Едля второй стальной поверхности, равную толщине первой поверхности,
a2
- задают модуль Юнга Y для второй стальной поверхности, равный 210000 МПа,
a2
a2
- задают размерность второй стальной поверхности: ширину I = 50 мм, длину L = 100 мм,
a2
- задают коэффициент Пуассона v для второй стальной поверхности, равный 0,3,
а1
- изменяют приблизительно толщину Е первой стальной поверхности предпочтительно от 0,1 до 0,2 мм для ограничения числа итераций,
р
- изменяют приблизительно толщину Е полимерного слоя предпочтительно от 0 до 1 мм для ограничения числа итераций,
p
- изменяют приблизительно действительный модуль Юнга Y полимерного слоя,
p
- изменяют приблизительно объёмное содержание R полимерного слоя,
p
- изменяют приблизительно собственную плотность d полимерного слоя,
а1
а1
a
а1
- рассчитывают квадратичный момент инерции ММ4 первой стальной поверхности посредством отношения: ММ4 = I*Е^3/12,
a1
a1
a1
a1
- рассчитывают модуль среза Gc первой стальной поверхности посредством отношения: Gc = Y/(2*(1+v)),
a1
a1
а1
- рассчитывают нейтральное волокно NF для первой стальной поверхности посредством отношения: Gc = Е/2,
а1
а1
а1
- рассчитывают массу М первой стальной поверхности посредством отношения: М = Е*7,8,
p
p
p
p
p
p
p
- рассчитывают кажущийся модуль Юнга Yapp полимерного слоя посредством отношения: Yapp = Y*(0,7^2*R^2+(1-0,77)*R+1/(Y*(1-R))),
р
р
p
p
- рассчитывают квадратичный момент инерции ММ4 полимерного слоя посредством отношения: ММ4 = I*E^3/12,
p
p
p
p
- рассчитывают модуль среза Gc полимерного слоя посредством отношения Gc = Yapp/(2*(1+v)),
p
p
p
a1
- рассчитывают нейтральное волокно NF полимерного слоя посредством отношения: NF = E/2+E,
р
р
p
p
p
- рассчитывают массу М полимерного слоя посредством отношения: М = R*E*d,
-
а2
а2
a2
a2
рассчитывают квадратичный момент инерции ММ4 для второй стальной поверхности посредством отношения: ММ4 = I*E^3/12,
a2
a2
a2
a2
- рассчитывают модуль среза Gc для второй стальной поверхности посредством отношения: Gc = Y/(2*(1+v)),
a2
a2
a2
p
a1
- рассчитывают нейтральное волокно NF для второй стальной поверхности посредством отношения: NF= E/2+E+Е,
а2
а2
а2
- рассчитывают массу М второй стальной поверхности посредством отношения: М = Е*7,8,
s
- отсюда выводят жёсткость при изгибе В слоистой структуры посредством отношения:
s
a2
a2
B = 1/(L^3/(48*A)+L/(4*D),
a1
a1
a1
a1
a
a1
p
p
p
p
p
p
a2
a2
a2
a2
a2
a2
где: А = (Y*MM4+E*Y*I*(Gc-C)^2) + (Yapp*MM4+E* Yapp*I*(NF-C)^2) + (Y*MM4+E*Y*I*(NF-C) ^2) ,
p
p
a1
a2
p
p
D = I*Gc*((E+E)/2+E)^2/E,
при этом:
a1
a1
a
a1
p
p
p
p
a2
a2
a2
a2
a1
a1
a
p
p
p
a2
a2
a2
С=(E*Y*I*Gc+E*Yapp*I*NF+E*Y*I*NF)/(E*Y*I+E*Yapp*I+E*Y*I),
s
- отсюда выводят жёсткость при растяжении T слоистой структуры посредством отношения:
s
a1
a1
p
p
a2
a2
T = 50/100*(Y *E + Yapp*E + Y*E)/1000,
s
- выводят массу M слоистой структуры посредством отношения:
s
a1
p
a2
M = M + M + M,
s
s
s
с,
с
с
- сравнивают T, B, M с целевыми показателями ТВ и М, которые были определены при помощи заданного допуска.
а
р
p
p
p
р
а
p
р
а
p
Полученные результаты анализировали с целью идентификации сочетаний Е, Е, Y, d и R, позволяющих достигнуть целевые показатели с помощью заданного допуска. Эти результаты могут анализироваться, в частности, графически. В качестве примера график может отображать толщину Еполимерного слоя в зависимости от толщины Е стальной поверхности и действительного модуля Юнга Y полимерного слоя. Также график может отображать толщину Е полимерного слоя в зависимости от толщины Е стальной поверхности и объёмного содержания R полимерного слоя.
а
р
p
p
p
В ходе идентификации сочетаний Е, Е, Y, d и R , позволивших достигнуть целевые показатели при помощи заданного допуска, некоторые из сочетаний могут быть исключены, так как они были идентифицированы, как не функционирующие.
В качестве примера следует указать на слоистые структуры, имевшие кажущийся модуль Юнга полимерного слоя менее 50 МПа. Действительно при величине ниже этого значения было установлено, что изменение модуля Юнга во времени становится слишком чувствительным к окружающей среде. В частности, просачивание воды или подверженность слоистой структуры действию температур, близких к точке плавления полимерного слоя, создаёт опасность начала среза слоистой структуры и нарушения сцепления.
Также было установлено, что объёмное содержание, составляющее менее 0,2, т. е. вспенивание свыше 80%, не позволяет достичь и/или сохранить достаточную жёсткость слоистой структуры.
с
с
с
2
В качестве примера можно вывести по целевому алюминию толщиной 0,9 мм при Т = 31,5 Н/мм, В = 10,2 Н/мм, М= 2,43 кг/м и допуске 10% рабочий диапазон, характеризующийся:
а
- толщиной Е стали от 0,133 до 0,165 мм,
р
а
а
- толщиной Е полимерного слоя от (-2,5хЕ+0,713) до (-2,5хЕ+0,88),
p
- плотностью d полимерного слоя от 0,9 до 1,4,
p
- объёмным содержанием R полимерного слоя от 0,2 до 1,
p
-модулем Юнга Y полимерного слоя менее 4000 МПа,
p
p
- объёмным содержанием R и модулем Юнга Y, удовлетворяющим неравенство:
p
p
p
p
p
2
Y*(0,49*R + 0,23*R+1/(Y*(1-R))) ≥ 50 МПа.
с
с
с
2
Также для целевого алюминия толщиной 0,9 мм при Т = 31,5 Н/мм, В = 10,2 Н/мм, М = 2,43 кг/м и допуске 5 % определили рабочий диапазон, характеризующийся:
а
- толщиной Е стали от 0,141 до 0,158 мм,
р
а
а
- толщиной Е полимерного слоя от (-2,5хЕ+0,73) до (-2,5хЕ+0,87),
p
- плотностью d полимерного слоя от 0,9 до 1,4,
p
- объёмным содержанием R полимерного слоя от 0,2 до 1,
p
-модулем Юнга Y полимерного слоя менее 4000 МПа,
p
- объёмным содержанием R и модулем Юнга, удовлетворяющим неравенство:
p
p
p
p
p
2
Y*(0,49*R + 0,23*R+1/(Y*(1-R))) ≥ 50 МПа.
с
с
с
2
Также для целевого алюминия толщиной 0,8 мм при Т = 28,0 Н/мм, В = 7,2 Н/мм, М = 2,16 кг/м и допуске 10 % определили рабочий диапазон, характеризующийся:
а
- толщиной Е стали от 0,118 до 0,146 мм,
р
а
а
- толщиной Е полимерного слоя от (-2,5хЕ+0,632) до (-2,5хЕ+0,75),
p
- плотностью d полимерного слоя от 0,9 до 1,4,
p
- объёмным содержанием R полимерного слоя от 0,2 до 1,
p
-модулем Юнга Y полимерного слоя менее 4000 МПа,
p
- объёмным содержанием R и модулем Юнга, удовлетворяющим неравенство:
p
p
p
p
p
2
Y*(0,49*R + 0,23*R+1/(Y*(1-R))) ≥ 50 МПа.
с
с
с
2
Также для целевого алюминия толщиной 0,8 мм при Т = 28,0 Н/мм, В = 7,2 Н/мм, М = 2,16 кг/м и допуске 10 % определили рабочий диапазон, характеризующийся:
а
- толщиной Е стали от 0,126 до 0,140 мм,
р
а
а
- толщиной Е полимерного слоя от (-2,5хЕ+0,646) до (-2,5хЕ+0,728),
p
- плотностью d полимерного слоя от 0,9 до 1,4,
p
- объёмным содержанием R полимерного слоя от 0,2 до 1,
p
-модулем Юнга Y полимерного слоя менее 4000 МПа,
p
- объёмным содержанием R и модулем Юнга, удовлетворяющим неравенство:
p
p
p
p
p
2
Y*(0,49*R + 0,23*R+1/(Y*(1-R))) ≥ 50 МПа.
Следующий этап состоит в отборе стали и полимерного слоя, по которым каждая переменная величина находится в диапазоне, который определили на предыдущем этапе.
Средний специалист, которому известны свойства сталей и полимеров, может без труда сделать такой выбор.
В частности, при выборе стали он руководствуется приведёнными ниже соображениями.
а
Предпочтительно поверхности образованы стальной фольгой толщиной Е от 0,1 до 0,2 мм. При меньшей толщине становится сложно получить достаточную жёсткость слоистой структуры при изгибе. При большей толщине вес стальной фольги не позволяет получить достаточно облегчённую слоистую структуру. Предпочтительно стальные фольги имеют толщину от 0,118 до 0,165 мм. Ещё более предпочтительно стальные фольги имеют толщину от 0,16 до 0,158 мм.
0
Выбор марки стали определяется её назначением. В области автомобилестроения обычно применяемыми марками стали являются, в частности, ES (EN DC01 – DC06), а также марки HLE (EN H240LA – H400LA). Предпочтительно стали выбираются из марок IF-Ti. Эти марки обладают тем преимуществом, что они очень слабо чувствительны к дисперсионному твердению после прокаливания (bake hardening), благодаря чему их можно применять без вреда на этапе производства слоистой структуры, на котором слоистую структуру нагревают до температуры порядка 240 – 250 С. Кроме того такие марки стали обладают преимуществом, заключающемся в очень высокой штампуемости.
а
Такие стальные поверхности могут не иметь покрытия. В качестве альтернативы они могут содержать покрытие, улучшающее их рабочие параметры, в частности, их стойкость против коррозии. В том случае, когда сталь имеет покрытие, её толщиной Е считается толщина стальной поверхности без покрытия, при этом толщина покрытий не учитывается.

Покрытие может быть металлическим и наносится гальванически при окунании, электроосаждением или же способом покрытия в вакууме, таким, как осаждение в паровой фазе или осаждение паровой струей со звуковой скоростью. Такое покрытие может содержать один или несколько металлов, выбранных из цинка, алюминия, магния и кремния. В качестве не ограничивающего примера можно указать на покрытие из цинка (G1), легированного цинка (GA), цинкового сплава (ZnMg) с содержанием от 0,1 до 10 вес. % магния, цинкового сплава с содержанием от 0,1 до 10 вес. % магния и от 5 до 11 вес. % алюминия (ZnAlMg), цинкового сплава с содержанием 5% вес. алюминия (Galfan) , цинкового сплава с содержанием 55 вес. % алюминия, около 1,5 вес. % кремния, остальное – цинк и неизбежные при выплавке примеси (Aluzinc, Galvalume), алюминиевого сплава с содержанием от 8 до 11 вес. % кремния и от 2 до 4 вес. % железа, остальное – алюминий и неизбежные при выплавке примеси (Alusi) (Alupur), алюминиевое покрытие (Alupur).
Покрытие может также подвергаться операции обработки поверхности или лакирования или окраски или нанесения масляного покрытия. Эти покрытия известны среднему специалисту. Он умеет ими пользоваться и подбирать в каждом случае отдельно.
Средний специалист руководствуется также при своём выборе полимерного слоя следующими соображениями.
Полимерный слой может состоять из одного полимера или смеси, состоящей, по меньшей мере, из двух полимеров (именуемых ниже полимерной смесью).
Выбор полимера или полимерной смеси определяется в принципе условиями, в которых полимер или полимерная смесь будет находиться во время изготовления слоистой структуры и её применения.
Таким образом предпочтительно выбирают полимер или полимерную смесь:
- у которых точка плавления не превышает 220 – 240 °С, что позволяет их применять на поточных линиях производства слоистых структур без необходимости в избыточном нагреве,
- которые сохраняют прочность на этапе катафореза, на котором проводится изготовление автомобиля и на котором нанесённая на него краска обжигается в течение около 45 минут при температуре до 210 °С.
Предпочтительно композитный слой обладает способностью сцепления с металлом, которое достаточно для применения в виде монослоя, закреплённого непосредственно на стальных поверхностях в процессе производства слоистых структур. В качестве альтернативы полимерный слой может закрепляться на стальных поверхностях посредством клея или адгезива, наносимых на поверхность раздела «полимерный слой / стальная поверхность». В качестве альтернативы полимерный слой может состоять из одного полимера, периферические слои которого обладают хорошей сцепляемостью с металлом.
Согласно варианту выполнения изобретения полимерная смесь содержит полиамид, такой, как РА6, РА6-6, РА11, РА12, РА4-6, РА6-10, РА6-12, плотность и модули Юнга которого известны. Предпочтительно полимерная смесь содержит полиамид, сополимер этилена и не насыщенную карбоновую кислоту и/или её производное. Подробное описание свойств компонентов такой смеси и способ её получения раскрыты в заявке на патент WO 2005/0142278, на которую здесь делается ссылка. Указанные, основанные на полиамиде смеси обладают тем преимуществом, что они сохраняют прочность на этапе катафореза, после формования имеют привлекательный внешний вид поверхности и обладают хорошим сцеплением с металлом.
Согласно варианту выполнения изобретения полимерная смесь является двухфазной и содержит в себе:
- полиамид с точкой плавления, по большей мере, равной 210°С,
- модифицированный полиолефин с карбоксильными группами,
реологические свойства которого в расплавленном состоянии характеризуются пороговым напряжением.
Подробное описание свойств компонентов такой смеси и способ её получения содержатся в заявке на патент WO 2012/076763, на которую здесь делается ссылка.
Такая полимерная смесь обладает тем преимуществом, что она хорошо сохраняется на этапе катафорезе при 210°С, при этом её температура плавления не превышает 210°С, что упрощает её применение и следовательно изготовление слоистой структуры.
Полимерный слой может быть вспенен.
Присутствие газовых пузырьков в смеси может быть вызвано либо добавкой в полимерную смесь расширяющего вещества, либо физическим введением газовых пузырьков в смесь в процессе её применения.
p

В случае применения расширяющего вещества оно водится предпочтительно в полимер или полимерную смесь во время их приготовления. При изготовлении слоистой панели нагрев полимерного слоя активирует расширяющее вещество, вследствие чего газ высвобождается из полимера. Размер вспенивания и, следовательно, объёмное содержание R контролируются количеством расширяющего вещества, добавленного в полимерный слой. Из расширяющих веществ можно указать в качестве примера на микрошарики Expancel, добавляемые в полимерный слой в количестве нескольких весовых процентов.
Само по себе изготовление или сборка поверхностей и полимерного слоя может проводиться любым известным среднему специалисту способом.