[发明专利]一种基于微机械锁合界面的金属-塑料混合薄壁结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属与塑料混合制造而成的薄壁结构，尤其涉及一种基于微机械锁合界面的金属-塑料混合薄壁结构，它采用了一种新型的界面微观机械锁合结构，极大地提高了金属与塑料接合的强度，既发挥了金属的强度和刚度高的优点，又充分利用了塑料重量轻、易成型复杂形状的优势，从而形成了一种金属-塑料混合结构，属于汽车轻量化设计与制造技术领域。

背景技术

随着汽车工业的迅速发展，不可再生资源过快消耗和环境污染加剧的问题日益突出，因此人们在汽车节能减排方面进行了大量研究，采取了许多措施，其中最有效的手段之一是汽车轻量化。研究表明，汽车重量每减少10％，就可以节油5％～8％。在尾气排放方面，汽车重量每减少100kg，就可以降低CO₂排放8～11g/(100km)。同时，汽车重量降低后，加速、爬坡和制动所需的力也会相应地减少，动力系统、传动系统和制动系统可以设计得更小。从车辆动力学角度来看，减轻某些汽车零部件的重量利于调节汽车轴间载荷分配以及降低汽车重心，操纵性和稳定性会变得更好。对于纯电动汽车来说，轻量化可以使续驶里程显著增加，这对纯电动汽车的推广具有重要意义，因此纯电动汽车比燃油汽车对轻量化的需求更为迫切。其中，轻量化材料替代是汽车轻量化的主要途径之一。但是，在发展汽车轻量化的同时，必须要保证汽车的安全性。因此，需要开发重量轻、强度和刚度高的轻量化材料及结构。

热塑性塑料材料由于回收性好、价格便宜，特别是热塑性玻璃纤维增强塑料，是汽车行业中广泛应用的轻质材料，但是其承载能力差。而金属材料，特别是高强度钢和铝合金，具有较好的承载能力。所以，可以利用金属承载能力强、塑料价格便宜且可成型复杂几何的特点，二者取长补单，开发出一种金属-塑料混合结构，并将其应用于汽车承力构件中，可以降低汽车的重量，实现节能减排。同时，金属-塑料混合结构靠现有的冲压、注塑、模压等工艺设备就可以实现批量化生产，不需要对汽车制造的设备和生产工艺做大面积调整，经济效益好，具有十分广阔的应用前景。

发明内容

1、发明目的：

本发明的目的在于提供一种基于微机械锁合界面的金属-塑料混合薄壁结构，主要基于微观界面的机械嵌合理论，在薄壁金属表面加工出200微米以下的特殊形状微尺度沟槽，再通过注塑或模压的工艺方式将热塑性塑料加热压入到金属表面的微尺度沟槽中，从而形成牢固的微机械锁合界面结构，将这种金属-塑料混合结构应用于汽车制造中，实现汽车轻量化，提高汽车的安全性，实现节能减排。

2、技术方案：

利用界面的微观机械嵌合理论，通过激光加工的方式在金属表面切割出200微米尺度以下的特定形状的沟槽，把热塑性塑料，特别是热塑性玻璃纤维增强塑料压入到沟槽中，冷却后的塑料会在沟槽中形成微观锁合齿，从而制造出一种基于微机械锁合界面的金属-塑料混合薄壁结构，见附图，该结构包括塑料薄板、金属薄板、微机械锁合金属沟槽、微机械锁合塑料齿。它们之间的位置连接关系是：微机械锁合金属槽是通过激光切割方式在厚度小于1毫米金属薄板表面加工出来的，沟槽的尺度为200微米以下，均匀地分布于金属板表面；把含有微机械锁合沟槽的金属薄板预先放入塑料制造的模具中，通过注塑或加热模压的工艺把热塑性塑料加入到模具中，成型后塑料薄板与金属板固连在一起，塑料板的厚度小于2毫米；微机械锁合塑料齿是混合结构中的塑料板熔融后流入到微机械锁合金属槽中后冷却形成，尺度为200微米以下；通过多个微机械锁合金属槽与微机械锁合塑料齿的机械锁合连接，把金属板与塑料板固连起来，从而制成金属-塑料混合薄壁结构。这种薄壁结构重量轻，强度和刚度高，可以用于制造汽车轻量化零部件，降低汽车重量，节能减排，提高汽车安全性。

所述金属薄板是市购件，为高强度钢或铝合金薄板，厚度为1毫米以下，具体尺寸根据其应用的汽车零部件结构和强度而定，其功能是作为薄壁结构支撑，并提供足够的强度和刚度；

所述塑料薄板是自制件，为热塑性塑料制造，特别是热塑性玻璃纤维增强塑料，例如：聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)、长纤维增强热塑性复合材料在线模压成型LFT-D、长纤维增强热塑性粒料注塑成型LFT-G、片状模塑料等，厚度为2毫米以下，其功能是覆盖或包裹金属板，降低结构的重量；

所述微机械锁合金属槽为自制结构，通过使用Rofin公司的皮秒激光器StarpicoV.2.0发射的激光在金属表面切割出200微米尺度以下的特定形状的沟槽，其功能是使塑料流入从而产生良好的微观锁合界面；