[发明专利]具有未增强区域的织造碳纤维增强的钢基体复合材料

说明书

本发明涉及具有未增强区域的织造碳纤维增强的钢基体复合材料。该复合材料包括钢基体与集成至该基体中的增强碳纤维，并具有适合于冲压或其它变形的未增强区域。该复合材料具有比钢显著更低的密度，并且在具有增强碳纤维的区域内期望具有相当大的强度，同时在未增强区域中具有较大的可变形性。用于形成复合钢复合材料的方法包括组合至少两个横向间隔开的增强碳纤维组分(例如碳纤维编织物)与钢纳米颗粒并烧结钢纳米颗粒以便形成具有在其中集成增强碳纤维的钢基体，和位于碳纤维组分之间的横向空间中的未增强区域。

相关申请的交叉引用

这一申请要求2019年3月21日提交的美国临时申请号62/821,762的权益，其通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本公开内容总体上涉及碳金属基体复合材料，并且更特别地涉及钢与增强碳纤维的轻质复合材料，其具有适合于冲压的未增强区域。

背景技术

出于总体上呈现本公开内容的上下文的目的，在本文中提供背景描述。在这个背景部分中可描述的程度下目前署名的发明人的工作以及在申请时可能没有以其他方式作为现有技术的描述的各方面，既没有清楚地也没有暗示地被承认是本技术的现有技术。

轻质钢具有多种用途。在汽车和飞机中，它将通过减小交通工具的重量来改进燃料效率。因为低碳钢具有7.88g/cm³的密度，并且碳纤维的密度通常小于2g/cm³，所以两种材料的复合材料相对于单独的钢而言将具有整体减小的重量，从而提供具有相当大强度的轻质材料。

钢通常通过在超过1000℃的温度下的常规锻造方法形成，然而一些结构聚合物例如碳纤维在500℃或更低经历热分解。因为钢通常在比聚合物材料的典型热分解温度高得多的温度下形成，所以难以形成具有集成至钢框架中并与钢框架结合(bond)的增强碳纤维的真正复合材料。

钢组分经常需要制备后冲压、弯曲、或其它变形。具有结构增强的钢复合材料可抵抗这样的变形，使它们难以用于一些应用。将期望能够形成碳纤维增强的钢的方法，其促进期望位置处的制备后变形。

发明内容

这个部分提供公开内容的一般概述，并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。

在各个方面中，本教导提供适合于变形的碳纤维钢基体复合材料(CF-SMC)。CF-SMC包括烧结钢纳米颗粒的连续钢基体，和在该连续钢基体中的至少两个增强区域。每个增强区域由包封在该连续钢基体内的增强碳纤维形成。该至少两个增强区域中每个由未增强区域彼此间隔开。

在其它方面中，本教导提供碳纤维钢基体复合材料(CF-SMC)，其具有适合于目标变形的未增强区域。CF-SMC包括至少两个增强碳纤维结构，和围绕至少两个增强碳纤维结构和在至少两个增强碳纤维结构内形成的烧结钢纳米颗粒的连续钢基体。至少两个增强碳纤维结构由连续钢基体内的分离空间彼此横向间隔开，该分离空间限定适合于目标变形的未增强区域。

又在其它方面中，本教导提供用于制造具有适合于冲压的未增强区域的碳纤维钢基体复合材料(CF-SMC)结构的方法。该方法包括在模具中组合钢纳米颗粒和至少两个增强碳纤维组分的步骤。放置至少两个增强碳纤维组分以横向间隔开并且不重叠。在至少两个增强碳纤维结构之间的横向空间限定未增强区域。该方法还包括烧结钢纳米颗粒以围绕至少两个增强碳纤维结构产生连续钢基体的步骤。

从本文提供的描述，增强以上技术的各种方法和适用性的进一步领域将变得明显。在这个概述中的描述和具体实例仅意图为说明目的并且不意图限制本公开内容的范围。

附图说明

从详细描述和附图将更充分地理解本教导，其中：

图1A是具有钢基体与两层增强碳纤维的碳纤维钢基体复合材料(CF-SMC)的横截面；