КОНСТРУКЦИОННЫЙ УПРОЧНЯЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, ВСТАВКА И УПРОЧНЕННАЯ ПОЛОСТЬ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ ДАННУЮ ВСТАВКУ Российский патент 2011 года по МПК B29C44/18 B29C70/28 B60R13/08 B62D29/04 

Уровень техники

Многие продукты имеют корпуса или кожухи, которые включают пустотелые полости. В качестве лишь некоторых примеров автомобили, грузовики и прочие автотранспортные средства, а также некоторые приборы бытового назначения, имеют пустотелые полости, сформированные между внутренней и наружной панелями, в стойках или внутри конструкционных элементов их каркаса, которые составляют их соответствующие корпуса или кожухи.

В частности некоторые конструкционные элементы автомобильных корпусов имеют множество отверстий, пустотелых стоек, полостей, каналов и проемов. Пустотелые полости часто создаются в этих изделиях для снижения общего веса конечного продукта, а также для сокращения стоимости материалов. Однако введение пустотелых полостей в конструкцию сопряжено с компромиссами. Например, создание пустотелой полости может сокращать прочность или характеристики поглощения энергии конструкционного элемента. В дополнение пустотелая полость может обусловливать повышенную передачу вибрации или звука к другим частям изделия.

В попытках разрешения этих и прочих компромиссных ситуаций известно применение конструкционных упрочняющих материалов. Некоторые современные упрочнители включают расширяющийся материал, размещенный на носителе, который типично представляет собой сформованный компонент. Расширяющийся материал расширяется во время изготовления продукта, фиксируя упрочнитель на своем месте, когда расширяющийся материал контактирует с прилегающей поверхностью продукта. Однако расширяющийся материал в таких упрочнителях может оказаться ненадежно соединенным с носителем, приводя к неравномерному или ненадлежащему уплотнению. Более того, расширение материала может не достигать каждого уголка и щели на носителе, имеющем необычную или нерегулярную форму.

Дополнительно некоторые известные расширяющиеся конструкционные упрочняющие материалы могут быть чувствительными к процессу нагревания, такому как процесс «отжига». Работоспособность таких расширяющихся материалов связана со скоростью расширения, которая зависит от времени и температуры нагревания.

Кроме того, некоторые известные расширяющиеся конструкционные упрочняющие материалы являются толстыми, даже до расширения. В таких случаях толщина предварительно расширяемого материала плюс зазор между упрочняющей вставкой и конструкционной полостью может составлять в целом от около 8 до 10 мм для обеспечения возможности течения материала для электронаносимого покрытия и соблюдения сборочных допусков. Конструкционные упрочняющие материалы, имеющие уменьшенную толщину, могут улучшить общую работоспособность системы в целом.

Таким образом, остается актуальной потребность в усовершенствованном конструкционном упрочняющем материале, который устраняет, по меньшей мере, некоторые из этих и прочих недостатков.

Сущность изобретения

Прилагаемые пункты формулы изобретения описывают усовершенствованный конструкционный упрочняющий материал, который устраняет по меньшей мере некоторые из вышеназванных недостатков общеупотребительных упрочняющих материалов. Здесь описан конструкционный упрочняющий материал, который включает основной материал. Основной материал может быть выбран из группы, состоящей из термореактивных материалов, низковязких термопластиков с короткими переходными фазами, металлических сплавов с низкой температурой плавления и их комбинаций. При примерно стандартных температуре и давлении (STP) конструкционный упрочняющий материал является либо твердым веществом, либо имеющим тестообразную формуемую консистенцию, либо представляет собой их смесь. Конструкционный упрочняющий материал переходит в текучую фазу, которая включает без ограничения жидкую или по существу жидкую фазу во время нагревания при температуре активации. После активации, отверждения и/или охлаждения конструкционный упрочняющий материал является по существу твердым и имеет прочность, достаточную для упрочнения полости.

Здесь описан способ упрочнения полости. Способ включает стадию размещения конструкционного упрочняющего материала на носителе для формирования вставки. Конструкционный упрочняющий материал включает основной материал, выбранный из группы, состоящей из термореактивных материалов, низковязких термопластиков с короткими переходными фазами, металлических сплавов с низкой температурой плавления и их комбинаций. При примерно стандартных температуре и давлении (STP) конструкционный упрочняющий материал является твердым веществом, формуемым тестом или представляет собой их смесь. Способ включает стадию размещения вставки в полости. Еще одна стадия в способе включает нагревание вставки до температуры активации так, что конструкционный упрочняющий материал становится жидким или по существу жидким и течет в полость. Процесс отверждения может протекать в зависимости от природы основного материала с образованием термореактивного материала. При последующем охлаждении вставки твердое конструкционное упрочнение прилипает по меньшей мере к части полости, тем самым упрочняя полость.

Здесь описана конструкционная упрочняющая вставка. Вставка включает носитель, имеющий первый конец и второй конец, противоположный первому концу, и по меньшей мере одну зону временного хранения между первым концом и вторым концом. Удерживающая зона(-ны) содержит(-жат) конструкционный упрочняющий материал. Конструкционный упрочняющий материал включает основной материал, выбранный из группы, состоящей из термореактивных материалов, термопластиков с короткими переходными фазами и низкими вязкостями, металлических сплавов с низкими температурами плавления и их комбинаций. При примерно стандартных температуре и давлении (STP) конструкционный упрочняющий материал является твердым веществом, формуемым тестом, или представляет собой их смесь. Конструкционный упрочняющий материал находится в текучем состоянии соответственно нагреванию до температуры активации. При последующем охлаждении после активации и/или отверждения конструкционный упрочняющий материал имеет прочность, достаточную для упрочнения полости, и является твердым или затвердевшим термореактивным материалом. Вставка также включает неотвержденную расширяющуюся пену на первом конце носителя или вблизи него. Вставка также включает неотвержденную расширяющуюся пену на втором конце носителя или вблизи такового. При нагревании до температуры активации расширившаяся пена препятствует вытеканию жидкого конструкционного упрочняющего материала из зоны временного хранения, чтобы последний не выходил за пределы расширившейся пены в другие участки полости.

Здесь также описана упрочненная полость. Полость включает вставку внутри полости. Вставка включает зону временного хранения. Полость включает отвержденный или затвердевший конструкционный упрочняющий материал, включающий основной материал, выбранный из группы, состоящей из термореактивных материалов, низковязких термопластиков с короткими переходными фазами, металлических сплавов с низкими температурами плавления и их комбинаций. Отвержденный или затвердевший конструкционный упрочняющий материал, вытекший из зоны временного хранения вставки, прилипает по меньшей мере к части полости и упрочняет полость.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет вид сбоку вставки в горизонтальной полости конструкционного элемента перед активацией.

Фиг. 2 представляет вид сбоку вставки в горизонтальной полости конструкционного элемента после активации.

Фиг. 3 представляет вид сбоку вставки в вертикальной полости конструкционного элемента перед активацией.

Фиг. 4 представляет вид сбоку вставки в вертикальной полости конструкционного элемента после активации.

Фиг. 5 представляет перспективный вид автомобильного корпуса, имеющего множество полостей.

Подробное описание

Фиг. 1 и 2 показывают один вариант осуществления горизонтально ориентированной полости 10, которая может быть упрочнена с использованием конструкционного упрочняющего материала 20 на вставке 111. Вставка 111 может быть первоначально размещена или зафиксирована в полости 10 с использованием конструкционного адгезива 33 или любого другого химического клеевого средства, или механического крепежного приспособления. Альтернативно вставка 111 может иметь опорные ножки (не показаны) для удержания вставки 111 в полости 10. Фиг. 1 представляет полость 10 перед проведением нагревания до температуры активации или при таковой. На Фиг. 1 вставка 111 включает носитель 11 вместе с конструкционным упрочняющим материалом 20 и конструкционной пеной 12. Носитель 11 удерживает конструкционный упрочняющий материал 20 в удерживающей зоне 22 (временного хранения) с использованием любого подходящего способа, включая механические крепежные приспособления, такие как зажимы 26.

Фиг. 2 показывает вариант осуществления горизонтально ориентированной полости после нагревания до температуры активации. На Фиг. 2 вставка 111 включает носитель 11 вместе с конструкционным упрочняющим материалом 20 и конструкционной пеной 12. Во время нагревания конструкционный упрочняющий материал 20 переходит из твердого или формуемого тестообразного состояния в жидкое или по существу жидкое состояние. Затем конструкционный упрочняющий материал 20 вытекает из зоны 22 временного хранения на поверхность полости 10 под действием силы тяжести. В этом варианте осуществления конструкционная пена 12 на нижних оконечностях носителя 11 расширяется во время нагревания и прилипает к полости 10. Расширившаяся конструкционная пена 12 носителя 11 действует как физический барьер, ограничивающий течение конструкционного упрочняющего материала 20 в то время, когда конструкционный упрочняющий материал 20 находится по существу в жидком состоянии. После отверждения и/или охлаждения конструкционный упрочняющий материал 20 становится твердым материалом или затвердевшим термореактивным материалом и обеспечивает конструкционное упрочнение полости 10.

Фиг. 3 и 4 изображают один вариант осуществления вертикально ориентированной полости 10, которая может быть упрочнена с использованием конструкционного упрочняющего материала 20 на вставке 111. Вставка 111 может быть размещена или зафиксирована в полости 10 любым способом, включая клеевое средство (не показано) или механическое крепежное приспособление (не показано), или прогиб в по существу вертикальной полости 10 для создания выступа (не показан). Фиг. 3 представляет полость 10 перед проведением нагревания до температуры активации. На Фиг. 3 вставка 111 включает носитель 11 вместе с конструкционным упрочняющим материалом 20 и конструкционной пеной 12. Носитель 11 удерживает конструкционный упрочняющий материал 20 на своем месте перед активацией с использованием любого способа, включая клеевое средство 24.

Фиг. 4 представляет вариант осуществления вертикально ориентированной полости после нагревания до температуры активации. На Фиг. 4 вставка 111 включает носитель 11 вместе с конструкционным упрочняющим материалом 20 и конструкционной пеной 12. Во время нагревания конструкционный упрочняющий материал 20 переходит из твердого или формуемого тестообразного состояния в жидкое или по существу жидкое состояние. Затем конструкционный упрочняющий материал 20 вытекает из носителя 11 на поверхность полости 10 и на конструкционную пену 12 под действием силы тяжести. В этом варианте осуществления конструкционная пена 12 расширяется из носителя 11 и прилипает к полости 10. Конструкционная пена 12 на носителе 11 действует как физический барьер, ограничивающий течение конструкционного упрочняющего материала 20 в то время, когда конструкционный упрочняющий материал 20 находится по существу в жидком состоянии. После отверждения и/или охлаждения конструкционный упрочняющий материал 20 становится твердым материалом или затвердевшим термореактивным материалом и обеспечивает конструкционное упрочнение полости 10.

В Фиг. 5 показан автомобиль 2 с указанием многих (но не всех) полостей 10, которые могут быть упрочнены с помощью конструкционного упрочняющего материала 20. Некоторые такие полости 10 могут быть вертикальными или по существу вертикальными, прочие могут быть горизонтальными или по существу горизонтальными. Некоторые такие полости 10 сформированы из металла, такого как сталь, но полости 10 могут быть сформированы любым другим материалом, включая пластмассы. В качестве неограничивающего примера потенциально упрочняемые конструкции, имеющие полости 10 в таковых, на автомобиле 2 включают, но не ограничиваются таковыми, передние стойки 4 кузова легкового автомобиля, порожки 6, усилительный элемент 100 системы безопасности для детей, балки рамы 32, отсек топливного бака 36, капот 38, бампер 40, средние стойки 42 кузова легкового автомобиля и дверцу/подъемную заднюю дверцу 44.

Фиг. 1-5 являются только примерными и не предполагают ограничения прилагаемых пунктов формулы изобретения применением в автомобилях, конкретными конструкциями вставок, конкретными формами или ориентациями полостей и т.д.

Конструкционные упрочняющие материалы

Конструкционный упрочняющий материал 20 включает основной материал, выбранный из группы, состоящей из термореактивных материалов, термопластиков с короткими переходными фазами и низкой вязкостью, металлических сплавов с низкими температурами плавления и комбинаций таковых. При примерно стандартных температуре и давлении (STP) конструкционный упрочняющий материал является твердым веществом или представляет собой тесто либо является смесью таковых. Таким образом, технологии изготовления, включающие литьевое формование под давлением, экструзию, резку или штамповку, могут быть использованы для формования конструкционного упрочняющего материала 20 для нанесения на носитель 11 или введения в таковой для изготовления вставки 111, или для непосредственного размещения в полости 10.

Когда вставку 111 нагревают до температуры активации, конструкционный упрочняющий материал 20 переходит в текучее состояние, такое как жидкое состояние или по существу жидкое состояние. Таким образом, конструкционный упрочняющий материал 20 вытекает из носителя 11 на поверхность полости 10 и принимает форму полости 10, однако это может быть неравномерным. Сила тяжести определяет течение конструкционного упрочняющего материала 20 вдоль любых физических барьеров. Будучи отвержденным и/или охлажденным, конструкционный упрочняющий материал 20 становится либо твердым материалом, либо затвердевшим термореактивным материалом, который прилипает к полости 10 и имеет прочность, достаточную для упрочнения полости 10.

Температуры активации могут быть не ниже около 100°С (если конструкционный упрочняющий материал 20 включает металлический сплав), около 120°С, около 140°С или около 150°С, и не выше около 170°С, около 180°С или около 190°С. Принимаются во внимание диапазоны от любой из этих температур до любой другой из этих температур. В случае автомобиля температура активации может быть достигнута во время процесса «отжига».

При последующем охлаждении и отверждении или затвердевании в твердое состояние или твердый термореактивный материал, конструкционный упрочняющий материал 20 приобретает прочность, достаточную для упрочнения полости 10. В одном варианте осуществления прочность на растяжение и модуль Юнга упрочняющего материала 20 равны или превышают таковые для расширяющейся конструкционной упрочняющей пены 12 после активации.

В одном варианте осуществления прочность на растяжение конструкционного упрочняющего материала 20 является большей чем около 20 МПа и может варьировать вплоть до около 40 МПа, около 50 МПа или около 70 МПа. В одном варианте осуществления модуль Юнга конструкционного упрочняющего материала 20 составляет более чем около 500 МПа и может варьировать вплоть до около 1000 МПа или около 1500 МПа, или около 3000 МПа.

В отличие от расширяющейся конструкционной упрочняющей пены 12 прочностные характеристики конструкционного упрочняющего материала 20 по существу не зависят от условий нагревания, например в процессе «отжига». Прочностные характеристики расширяющейся конструкционной упрочняющей пены 12 в значительной степени зависят от скорости расширения, которая, в свою очередь, существенно зависит от условий нагревания, включающих время и температуру. Напротив, в некоторых вариантах осуществления нижеприведенных прилагаемых пунктов формулы изобретения конструкционный упрочняющий материал 20 не включает вспенивающее вещество, также известное как вспениватель, и его прочностные характеристики не связаны со скоростью расширения. Однако другие варианты осуществления конструкционного упрочняющего материала 20 могут необязательно включать вспениватель.

По сравнению с неотвержденной расширяющейся конструкционной упрочняющей пеной 12 толщина конструкционного упрочняющего материала 20 уменьшена. Толщина конструкционного упрочняющего материала 20 плюс просвет между вставкой 111 и конструкционной полостью 10 может в целом составлять от около 3 до 5 мм, чтобы обеспечить возможность течения и соблюдения сборочных допусков. Эта уменьшенная толщина может улучшить общую работоспособность системы в целом.

В вариантах осуществления, в которых основной материал составлен одной или более термореактивными смолами, могут быть использованы кристаллические термореактивные материалы на основе циклических сложноэфирных олигомеров, в том числе полимеров, основанных на циклических олигомерных бутилтерефталатах. Такие сложноэфирные олигомеры имеются в продаже на рынке от фирмы Cyclics Corp. Термореактивные смолы, сформированные из таких сложноэфирных олигомеров, описаны в патентной заявке WO 2006/075009 А1, приведенной здесь для сведения. Такие сложноэфирные олигомеры могут быть необязательно модифицированы, наряду с прочими классами соединений, органофильными глинами и наноглинами, эпоксидными смолами и комбинациями таковых. Не вдаваясь в теорию, представляется, что такая модификация может делать материал 20 гораздо более прочным и увеличивает литьевую формуемость после полимеризации и перед проведением активации. Сложноэфирные олигомеры подвергают полимеризации с использованием процесса полимеризации в расплаве с раскрытием цикла для создания сложного эфира, имеющего высокую молекулярную массу.

В еще одном варианте осуществления термореактивный материал может включать однокомпонентную композицию эпоксидной смолы, которая является твердым веществом или формуемым тестом при примерно стандартных температуре и давлении (STP). Пригодная композиция включает смесь, содержащую от около 1 вес.% до около 50% по весу жидкой эпоксидной смолы, от около 10 вес.% до около 50 вес.% твердой эпоксидной смолы, от около 5 вес.% до около 30 вес.% упрочнителей, от около 2 вес.% до около 10 вес.% латентного отвердителя и от около 5 вес.% до около 40 вес.% наполнителей и добавок.

Пригодные жидкие эпоксидные смолы включают эпоксидные смолы на основе бисфенола-А, такие как жидкие эпоксидные смолы DER, которые имеются в продаже на рынке от фирмы Dow Chemical Co. в Мидленде, Мичиган, и жидкие эпоксидные смолы EPON, которые имеются в продаже на рынке от фирмы Resolution Performance Products в Хьюстоне, Техас. Пригодными твердыми эпоксидными смолами могут быть таковые от «типа 1» до «типа 6» (имеющие молекулярные массы в диапазоне от около 1000 до 6000 Дальтонов). Пригодные твердые эпоксидные смолы являются твердыми при комнатной температуре и имеют температуру стеклования выше чем 30°С. Пригодные твердые эпоксидные смолы должны быть по существу жидкими, будучи нагретыми до температуры по меньшей мере около 120°С или 140°С, или 150°С, и затем имеют вязкость в интервале между 400 мПа·с и 15000 мПа·с. Пригодные жидкие эпоксидные смолы включают эпоксидные смолы на основе бисфенола-А, такие как жидкие эпоксидные смолы DER, которые имеются в продаже на рынке от фирмы Dow Chemical Co. в Мидленде, Мичиган. Композиции эпоксидных смол могут включать тиксотропные агенты, но количество тиксотропных агентов должно быть согласовано с присутствующей жидкой эпоксидной смолой, чтобы обеспечить хорошее течение в жидком или по существу жидком состоянии.

Пригодные упрочнители включают реакционноспособные нитрильные каучуки и реакционноспособные жидкие каучуки на основе полиуретанов и тому подобные. Пригодные упрочнители включают следующие имеющиеся в продаже жидкие, мономерные, реакционноспособные каучуки: CTB, CTBN, CTBNX и ATBN, которые имеются в продаже от фирмы B. F. Goodrich Chem. Co. в Кливленде, Огайо. В качестве упрочнителей могут быть использованы также частицы «ядро-оболочка» и полиакрилаты. Пригодные латентные отвердители включают дициандиамид, 4,4'-диаминодифенилсульфон, комплексы трифторида бора с аминами, прекурсоры имидазолов, поликарбоновые кислоты, полигидразиды, дициандиамид, амино-эпоксидные аддукты латентного типа и замещенные мочевины и тому подобные. Подходящие наполнители включают неорганические наполнители, такие как оксид кремния, оксид алюминия, порошкообразная слюда, карбонат кальция, гидроксид алюминия, карбонат магния, тальк, глина, каолин, доломит, карбид кремния, стеклянный порошок, стеклянные шарики, диоксид титана, нитрид бора или нитрид кремния и листовые и ленточные материалы, такие как слюда, стекло, сложный полиэфир, арамид и/или полиимид и тому подобные.

Пригодные добавки включают пигменты, окрашивающие вещества, огнезащитные составы, разбавители, связующие агенты, пластификаторы, химические вспениватели, физические порообразователи, следовое количество ускорителей отверждения, диспергаторы, смачивающие средства, пеногасители, антиоксиданты, поглотители ультрафиолетового излучения, светостабилизаторы, такие как HALS (полимерные пространственно затрудненные амины), и армирующие агенты, такие как каучуковые частицы и тому подобные. В однокомпонентную эпоксидную систему может быть включено любое число необязательных ингредиентов, в том числе триглицидилизоцианурат, диглицидиловый сложный эфир терефталевой кислоты, диглицидиловый сложный эфир тримеллитовой кислоты, диглицидиловый простой эфир гидрохинона, твердые аддукты диглицидилового простого эфира триметилолпропана и диизоцианатов и смеси таковых.

Имеющиеся в продаже на рынке однокомпонентные системы эпоксидных смол включают продукты SikaPower^®493 и SikaPower^®498, которые могут быть использованы в том виде, как поставляемые, или модифицированными добавлением больших количеств наполнителей.

В еще одном варианте осуществления термореактивный материал может включать однокомпонентную систему термоплавкого клеевого средства на основе полиуретанового эластомера (PUR). Пригодные PUR-системы термоплавких клеевых средств включают кристаллический сложный полиэфир с концевыми гидроксильными группами, в сочетании с полиолами, имеющими низкую молекулярную массу, или простыми полиэфирными полиолами. Латентное сшивание, которое не происходит до активации, включает блокированные изоцианаты, обычно используемые в технологии нанесения порошковых покрытий. Имеющийся в продаже сшивающий реагент представляет собой VESTAGON BF 1350 и BF 1540 от фирмы Degussa, германской компании с офисами в Парсиппани, Нью-Джерси. Пригодны также полиизоцианаты, блокированные нуклеофилами, такими как капролактам, фенолы или бензоксазолоны. Дополнительно микроинкапсулированные частицы изоцианатов с инертной оболочкой, включающие уретан или мочевину, которые высвобождают изоцианаты при повышенных температурах, таких как температуры активации. В этом варианте осуществления аминный фрагмент из инертной оболочки реагирует с изоцианатом и полиолом при нагревании с образованием полиуретанового эластомера (PUR).

Любой другой термореактивный материал может быть применен в такой мере, насколько термореактивный материал изменяет свое состояние, как здесь описывается, при температуре активации, и отверждается, достигая прочности, достаточной для упрочнения полости 10.

В вариантах осуществления, где основной материал включает один или более термопластиков, термопластический материал должен иметь короткую переходную фазу и низкую вязкость в его жидком состоянии. Пригодны полистирол и производные полистирола и тому подобные, в особенности для вариантов применения, предусматривающих более высокие температуры активации, такие как температуры выше 200°С или 210°С. Для вариантов применения, предполагающих использование более низкой температуры активации и требующих меньшей прочности упрочнения, могут быть пригодными полиэтилен низкой плотности и тому подобные. Подходящие диапазоны переходных фаз включают от около 10 минут при температуре около 140°С до около 30 минут при температуре около 195°С; от около 10 минут при температуре около 150°С до около 30 минут при температуре около 175°С и от около 15 минут при температуре около 150°С до около 30 минут при температуре около 170°С. Пригодные диапазоны вязкости в жидком состоянии включают от около 500 мПа·с до около 100000 мПа·с; от 5000 мПа·с до 50000 мПа·с и от 7000 мПа·с до 18000 мПа·с.

Любой другой термопластик может быть использован в такой мере, насколько термопластик изменяет состояние, как здесь описано, при температуре активации и отверждается, достигая прочности, достаточной для упрочнения полости 10.

В вариантах осуществления, где основной материал включает один или более металлических сплавов, металлическая основа может включать такой металл, как олово (Sn), индий (In), свинец (Pb) или висмут (Bi) или комбинацию таковых. Пригодны многие сплавы для сварки или пайки на основе олова. В некоторых вариантах осуществления во избежание потенциальных опасностей в отношении токсичности могут быть применены не содержащие свинца сплавы. Могут быть также использованы прочие сплавы. В вариантах осуществления, включающих по меньшей мере один металлический сплав, сплав является эвтектическим или близким к эвтектическому и имеет низкую температуру плавления. Низкие температуры плавления могут быть как минимум около 100°С, около 120°С, около 140°С или около 150°С и как максимум около 170°С, 180°С или 190°С. Примерные пригодные сплавы включают сплав висмута, олова и свинца типа сплава Розе, который содержит около 50% висмута (Bi), 25% свинца (Pb) и 25% олова (Sn) (Bi50Pb25Sn25). Сплавы индия, производимые фирмой Indium Corporation of America, которые имеют температуры плавления от 103°С до 227°С, также являются пригодными. Другие примерные сплавы могут включать по меньшей мере Orionmetall (Bi42Pb42Sn16), Bibrametall (Pb6020Bi15Sn) и Walker Alloy (Bi45Pb28Sn22Sb5).

Любой другой металлический сплав может быть применен в такой мере, насколько сплав изменяет свое состояние, как здесь описано, при температуре активации и затвердевает, достигая прочности, достаточной для упрочнения полости 10.

Конструкционные упрочняющие пены

Конструкционная пена 12 может быть необязательно использована на носителе 11 или в таковом. Как показано в вариантах осуществления, изображенных в Фиг. 1-4, расширяющаяся конструкционная пена 12 может действовать как физический барьер для предотвращения вытекания жидкофазного конструкционного упрочняющего материала 20 в определенные участки полости 10. В таком варианте осуществления неотвержденная конструкционная пена 12 расширяется во время активации и прилипает к полости 10. Конструкционная пена 12 может эффективно закупоривать области полости 10 для предотвращения течения конструкционного упрочняющего материала 20 в эти области во время процесса нагревания, такого как процесс «отжига».

Пена 12 может быть любой из имеющихся на рынке в продаже расширяющихся пен. Фирма Sika Corporation из Мэдисон Хайтс, Мичиган, продает термически расширяющиеся материалы под торговым наименованием SikaBaffle^®, которые описаны в Патентах США №№ 5266133 и 5373027, которые приведены здесь для сведения. Фирма Sika Corporation также продает термически расширяющиеся упрочняющие материалы под торговым наименованием SikaReinforcer^®. Ряд этих термически расширяющихся упрочняющих материалов, принадлежащих фирме Sika Corporation, описан в Патенте США № 6387470, приведенном здесь для сведения. В вариантах осуществления, в которых используется пена 12, пригодны однокомпонентные композиции эпоксидных смол, которые включают химический или физический вспениватель и отверждающий реагент.

В одном варианте осуществления пена 12 активируется и расширяется и отверждается при температуре, слегка более низкой, чем температура, при которой плавится конструкционный упрочняющий материал 20. Любая расширяющаяся пена 12 может быть использована в такой мере, насколько пена 12 расширяется таким образом, чтобы прилипать к полости 10 и быть способной предотвращать течение жидкого или по существу жидкого конструкционного упрочняющего материала 20, в то время как температура полости 10 остается равной температуре активации или превышающей таковую.

Конструкционные адгезивы

Конструкционный адгезив 33 может быть необязательно применен для фиксации вставки 111 в полости 10, где полость 10 включает металл, такой как сталь или покрытая сталь. Полость 10 может также включать пластмассы или другие материалы. Фирма Sika Corporation из Мэдисон Хайтс, Мичиган, продает ряд пригодных конструкционных клеевых средств под торговыми наименованиями SikaSeal^® и Sikaflex^®, которые пригодны для применения в разнообразных вариантах осуществления прилагаемых пунктов формулы изобретения. Пригодные адгезивы могут быть на эпоксидной основе, но любой адгезив 33 может быть использован в такой мере, насколько он способен фиксировать вставку 111 в полости 10, по меньшей мере пока полость 10 нагрета до температуры активации. После активации в варианте осуществления, изображенном в Фиг. 2, вставка 111 дополнительно удерживается на своем месте с помощью пены 12 и конструкционного упрочняющего материала 20.

В то время как настоящее изобретение было подробно показано и описано с привлечением вышеприведенных предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления, квалифицированным специалистам в этой области технологии должно быть понятно, что разнообразные альтернативы вариантам осуществления описанного здесь изобретения могут быть выполнены при реализации изобретения без выхода за рамки смысла и области изобретения, как определенного в нижеследующих пунктах формулы изобретения. Предполагается, что нижеследующие пункты формулы изобретения определяют область изобретения и что тем самым охватываются способ и оснащение в пределах области этих пунктов формулы изобретения. Это описание изобретения должно пониматься как включающее все новые и неочевидные комбинации описанных здесь элементов, и пункты формулы изобретения могут быть представлены в этой или дальнейшей заявке для любой новой и неочевидной комбинации этих элементов. Вышеприведенные варианты осуществления являются иллюстративными, и никакой отдельный признак или элемент не является существенным для всех возможных комбинаций, которые могут быть заявлены в этой или последующей заявке.

Конструкционный упрочняющий материал (20) включает основной материал, выбранный из группы, состоящей из термопластика, низковязких термопластиков с короткими переходными фазами и низкими вязкостями, металлических сплавов с низкой температурой плавления и комбинаций таковых. При стандартных температуре и давлении (STP) конструкционный упрочняющий материал (20) является твердым веществом или представляет собой тесто или их смесь. Будучи нагретым до температуры активации, конструкционный упрочняющий материал (20) становится текучим в полость (10). После охлаждения конструкционный упрочняющий материал (20) является твердым или отвержденным термопластиком с прочностью, достаточной для упрочнения полости (10). Конструкционная упрочняющая вставка (111) включает конструкционный упрочняющий материал (20). Эта вставка может быть расположена в упрочненной полости (10) автомобиля (2). При этом раскрыт также способ упрочнения полости (10) за счет присоединения конструкционного упрочняющего материала к носителю с образованием вставки и размещения последней в полости. Технический результат, который достигается при использовании заявленного конструкционного материала и вставки на его основе, заключается в уменьшении толщины материла и вставки, обеспечении надежного соединения с носителем и для равномерного уплотнения при ее использовании. 5 н. и 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Конструкционный упрочняющий материал (20), включающий: основной материал, выбранный из группы, состоящей из термореактивных материалов, низковязких термопластиков с короткими переходными фазами, металлических сплавов с низкой температурой плавления, и их комбинаций;
причем при примерно стандартных температуре и давлении (STP) конструкционный упрочняющий материал (20) находится в фазе, выбранной из группы, состоящей из твердого вещества, формуемого теста и их смесей;
причем конструкционный упрочняющий материал (20) переходит, по существу, в жидкую фазу во время нагревания при температуре активации; и
причем после активации и охлаждения конструкционный упрочняющий материал (20) является, по существу, твердым и имеет прочность, достаточную для упрочнения полости, причем основной материал включает термопластик, имеющий переходную фазу от около 10 мин при температуре около 140°С до около 30 мин при температуре около 195°С.

2. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором основной материал включает кристаллический термореактивный материал на основе циклического олигоэфира.

3. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором основной материал включает однокомпонентный эпоксидный термореактивный материал.

4. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором основной материал включает однокомпонентный полиуретановый эластомерный термоплавкий термореактивный материал.

5. Конструкционный упрочняющий материал по любому из пп.1-4, в котором основной материал включает термопластик, имеющий переходную фазу от около 10 мин при температуре около 150°С до около 30 мин при температуре около 175°С.

6. Конструкционный упрочняющий материал по любому из пп.1-4, в котором основной материал включает термопластик, имеющий переходную фазу от около 15 мин при температуре около 150°С до около 30 мин при температуре около 170°С.

7. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором основной материал включает термопластик, имеющий вязкость от около 500 мПа·с до 100000 мПа·с, предпочтительно от около 5000 мПа·с до 30000 мПа·с, более предпочтительно от около 7000 мПа·с до 18000 мПа·с.

8. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором основной материал включает эвтектический металлический сплав.

9. Конструкционный упрочняющий материал по п.8, в котором основной материал включает металлический сплав, имеющий температуру плавления от около 100°С до около 190°С, предпочтительно от около 120°С до около 180°С, более предпочтительно от около 140°С до около 170°С.

10. Конструкционный упрочняющий материал по любому из пп.8 или 9, в котором основной материал включает сплав, основанный на металле, выбранном из группы, состоящей из олова (Sn), индия (In), висмута (Bi), свинца (Рb) и их комбинаций.

11. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором температура активации находится в диапазоне от, по меньшей мере, около 120°С до около 190°С, предпочтительно от, по меньшей мере, около 140°С до около 180°С, более предпочтительно от, по меньшей мере, около 150°С до около 170°С.

12. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором прочность на растяжение составляет, по меньшей мере, около 20 МПа, предпочтительно от, по меньшей мере, около 20 МПа до, по меньшей мере, около 70 МПа.

13. Конструкционный упрочняющий материал по п.1, в котором модуль Юнга составляет, по меньшей мере, около 500 МПа, предпочтительно от, по меньшей мере, около 500 МПа до, по меньшей мере, около 3000 МПа.

14. Способ упрочнения полости (10), включающий:
(a) присоединение конструкционного упрочняющего материала (20) по любому из пп.1-13 к носителю (11) с образованием вставки (111);
(b) размещение вставки (111) в полости (10);
(c) нагревание вставки (111) до температуры активации так, что конструкционный упрочняющий материал (20) становится, по существу, жидким и протекает в полость (10); и
(d) охлаждение вставки (111) так, что конструкционный упрочняющий материал (20) затвердевает в полости (10) и прилипает к, по меньшей мере, части полости (10), тем самым упрочняя полость (10).

15. Способ по п.14, в котором носитель (11) включает металл или пластический материал, или их комбинацию.

16. Способ по любому из пп.14 или 15, в котором стадия (а) присоединения включает использование механического крепежного приспособления (26).

17. Способ по любому из пп.14 или 15, в котором стадия (а) присоединения включает использование адгезива (24).

18. Способ по п.14, дополнительно включающий предварительную стадию модифицирования носителя (11) для включения, по меньшей мере, одного физического барьера для контроля течения жидкого конструкционного упрочняющего материала (20).

19. Способ по п.14, в котором, по меньшей мере, один физический барьер включает конструкционную пену (12).

20. Способ по п.14, в котором полость включает металл.

21. Способ по п.14, в котором полость находится внутри автомобиля (2).

22. Конструкционная упрочняющая вставка (111), включающая:
(a) носитель (11), имеющий первый конец и второй конец, противоположный первому концу, и, по меньшей мере, одну удерживающую зону (22) между первым концом и вторым концом, причем, по меньшей мере, одна удерживающая зона включает конструкционный упрочняющий материал (20), зафиксированный в удерживающей зоне;
(b) конструкционный упрочняющий материал (20) по любому из пп.1-13, в котором при последующем охлаждении после активации конструкционный упрочняющий материал имеет прочность, достаточную для упрочнения полости, и находится в фазе, выбранной из группы, состоящей из термореактивного материала и твердого вещества;
(c) неотвержденную расширяющуюся пену (12) на первом конце носителя или вблизи него; и
(d) неотвержденную расширяющуюся пену (12) на втором конце носителя или вблизи него;
так, что при нагревании до температуры активации расширяющаяся пена (12) предотвращает течение конструкционного упрочняющего материала (20) из удерживающей зоны (22) с выходом за пределы расширяющейся пены (12).

23. Конструкционная упрочняющая вставка по п.22, в которой удерживающая зона (22) представляет собой полость в носителе (11).

24. Конструкционная упрочняющая вставка по любому из пп.22 и 23, в которой конструкционный упрочняющий материал зафиксирован в удерживающей зоне с помощью механического крепежного приспособления (26).

25. Конструкционная упрочняющая вставка по любому из пп.22 и 23, в которой конструкционный упрочняющий материал зафиксирован в удерживающей зоне с помощью адгезива (24).

26. Автомобиль (2), включающий полость (10), включающую конструкционную упрочняющую вставку (111) по любому из пп.22-25.

27. Упрочненная полость (10), включающая:
(a) вставку (111) внутри полости (1), причем вставка (111) включает удерживающую зону (22); и
(b) отвержденный или затвердевший конструкционный упрочняющий материал (20) по любому из пп.1-13; причем отвержденный или затвердевший конструкционный упрочняющий материал (20), вытекший из удерживающей зоны (22), прилипает к, по меньшей мере, части полости (10) и упрочняет полость (10).

28. Упрочненная полость по п.27, в которой полость (10) находится внутри балки рамы (6) автомобиля (2).

29. Упрочненная полость по любому из пп.27 и 28, в которой полость (10) находится внутри передней стойки (4) или внутри средней стойки (42) кузова автомобиля (2).