具体实施方式

本公开涉及连接纤维增强复合材料和金属材料的方法。根据一些方面，所述方法可以包括提供纤维增强组件，该纤维增强组件包括一个或多个纤维增强复合材料薄层。根据一些方面，纤维增强组件的一个或多个纤维增强复合材料薄层的至少一部分可以被设置为一个或多个作用层。所述方法可以包括将纤维增强组件连接到多材料过渡组件上。根据一些方面，多材料过渡组件可以包括金属组件以及两个或更多个过渡薄层，其中至少一部分所述过渡薄层的每一个包括嵌入金属组件中的第一端和与纤维增强组件的作用层和/或纤维增强复合材料薄层相交错的第二交错端。本公开还涉及由本文所述的方法提供的多材料过渡组件和由本文所述的方法提供的多材料组件，其中多材料组件包括连接到本文所述的多材料过渡组件的纤维增强组件。

根据一些方面，所述方法可以包括提供纤维增强组件，该纤维增强组件包括一个或多个纤维增强复合材料薄层。每个纤维增强复合材料薄层可以单独地包括纤维增强复合材料，即一种具有基质材料以及一根或多根纤维的复合材料。

根据一些方面，纤维增强复合材料可以包括纤维增强聚合物(“玻璃钢(FRP)”)。根据本公开的有用的纤维的例子包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、合成纤维(例如，通过干喷湿纺工艺纺成的刚性杆各向同性晶体聚合物，例如纤维)及其组合。根据一些方面，纤维可以包括“预浸”或“预浸渍”复合纤维。如本文所用，术语“预浸”或“预浸渍”复合纤维是指在固化前已经用基质材料浸过的纤维。

应当理解的是，如本文所用，“固化”可以指本领域已知的与本公开兼容的任何固化方法，其包括但不限于温度加速固化(例如通过高压釜)、经过一段时间的自然固化，以及其组合。

根据本公开的有用的基质材料的例子包括但不限于聚合物基质材料，例如环氧聚合物、乙烯基酯聚合物、聚酯热固性塑料聚合物、热塑性聚合物、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯及其组合。

如本文所用，术语“薄层”是指材料的薄层。应当理解的是，每个薄层的厚度将至少部分地取决于薄层材料，例如，至少部分地形成薄层的纤维的性质、纤维体积分数、层压结构和/或复合材料制造和/或固化的过程。通常，在此所描述的每个薄层可以独立地具有大约0.01至10mm之间的厚度，可选地在大约0.01至5mm之间，可选地在大约0.01至2.5mm之间，可选地在大约0.5至2.5mm之间，并且可选地小于大约0.5mm，尽管一个或多个薄层可以根据其应用而具有不同的厚度。

根据一些方面，纤维增强组件的一个或多个纤维增强复合材料薄层的至少一部分可以被设置为一个或多个作用层。一个或多个作用层中的每一个可以独立地包括两个纤维增强复合材料薄层，可选地包括三个纤维增强复合材料薄层，可选地包括四个纤维增强复合材料薄层，以及可选地包括五个或更多个纤维增强复合材料薄层。作用层中所包括的每个纤维增强复合材料薄层可以与该作用层中所包括的另一个纤维增强复合材料薄层相同或不同。

根据一些方面，纤维增强复合材料薄层的至少一部分可以包括单向织物。如本文所用，术语“单向织物”或“UD织物”是指本文所述的这样的纤维增强复合材料：在其中的大部分纤维(例如，至少约90％)在一个方向上延伸。

此外或可选地，根据一些方面，纤维增强复合材料薄层的一个或多个部分可以包括织物(例如，具有以0°和90°取向的纤维的织物)、编织物(例如，编织物)、无纺垫或其组合。

应该理解的是，每个作用层的厚度将对应于其所包括的每个纤维增强复合材料薄层的组合厚度。根据一些方面，每个作用层可以独立地具有约0.01至10mm之间的厚度，可选地约0.01至5mm之间的厚度，可选地约0.01至3mm之间的厚度，可选地约0.5至2.5mm之间的厚度，可选地约1至2mm之间的厚度，以及可选地约1.2mm的厚度。

根据一些方面，一个或多个作用层可以预先组装，即在提供根据本公开的方法之前组装。例如，两个或多个纤维增强复合材料薄层可以用非结构线缝合在一起，以提供如本文所述的作用层。缝合可以通过本领域已知的适用于本文所述方法的任何工艺来进行。用于缝合的材料的例子包括但不限于与本文所述的一个或多个组件兼容的聚合物纱线和/或纤维(包括聚乙烯和/或聚酯纱线和/或纤维)。

此外或可选地，一个或多个纤维增强复合材料薄层可以相对于本文所述的多材料过渡组件以一定方向设置，直到纤维增强组件和多材料过渡组件固化以获得本文所述的多材料组件。应当理解的是，在该实例中，两个或多个纤维增强复合材料层可以包括预浸复合纤维和/或基质材料，该预浸复合纤维和/或基质材料被构造成在固化时相对于多材料过渡组件将一个或多个纤维增强复合材料薄层固定就位。

图1B示出了本文所述的纤维增强组件的示例性示意图。特别地，图1B示出了根据本公开各方面的作用层11。如图1B所示，作用层11可以包括纤维增强复合材料薄层12、13。在图1B所示的示例中，纤维增强复合材料薄层12可以包括第一纤维增强复合材料，纤维增强复合材料薄层13可以包括第二纤维增强复合材料。应该理解地是，在图1A和1B中，0°和X°代表不同取向的薄层。例如，0°可以表示包括如本文所述的UD织物的薄层，其中每个0°薄层的织物沿着第一参考轴定向。在该示例中，X°可以表示包括如本文所述的UD织物的薄层，其中每个X°薄层的织物沿着不同于第一参考轴的第二参考轴定向。在该示例中，第一轴和第二轴之间的关系可以被选择，以便充分地适应具有纤维增强组件的多材料组件的预测载荷。

应当理解的是，纤维增强组件不应局限于图1B所示的例子。例如，所有纤维增强复合材料薄层12、13可以包括相同的纤维增强复合材料，并且/或者作用层11可以包括三种或更多种不同的纤维增强复合材料。

还应当理解的是，图1A和1B所示的示例性纤维取向不应局限于与本文所述的任何组件相关的任何特定取向。例如，每个0°薄层不一定需要具有相对于本文所述的任何组件的0°取向。在一个非限制性示例中，每个0°薄层可以沿着相对于本文所述的另一个组件呈45°的第一参考轴定向，并且每个X°薄层可以沿着相对于第一参考轴成约-45°的第二参考轴定向。在另一个非限制性示例中，每个0°薄层可以沿着相对于本文所述的另一个组件呈0°的第一参考轴定向，并且每个X°薄层可以沿着相对于第一参考轴约呈90°的第二参考轴定向。在另一个非限制性示例中，每个0°薄层可以沿着相对于本文所述的另一个组件为0°的第一参考轴定向，并且每个X°薄层可以沿着相对于第一参考轴约为45°的第二参考轴定向。在又一个非限制性示例中，每个0°薄层可以沿着相对于本文所述的另一个组件为0°的第一参考轴定向，并且每个X°薄层可以沿着相对于第一参考轴约为-45°的第二参考轴定向。

图1B还示出了第二作用层14和第三作用层15，第二作用层14和第三作用层15中的每一个可以独立地与作用层11相同或不同。应当理解的是，一个或多个作用层11、14、15在本文中可以统称为纤维增强组件150。根据一些方面，纤维增强组件可以包括1至10个作用层，可选地包括1至9个作用层，可选地包括1至8个作用层，可选地包括1至7个作用层，以及可选地包括2至6个作用层。

本公开所述的方法可以包括将纤维增强组件连接到多材料过渡组件。多材料过渡组件可以包括金属组件和两个或多个过渡薄层。

如本文所用，术语“金属组件”是指包含金属材料的组件。根据一些方面，金属材料可以是用于车辆组件的任何金属材料。如此处所使用的，术语“车辆”是指能够移动并由任何形式的能量驱动的任何有人驾驶或无人驾驶的结构。术语“车辆”包括但不限于汽车、卡车、货车、小型货车、越野车、摩托车、踏板车、船只、个人船只、潜水器、飞机和航天器。根据本公开的有用的金属材料包括但不限于例如金(Au)、铂(Pt)、钛(Ti)、镍(Ni)、铁(Fe)、铬(Cr)、铝(Al)、镁(Mg)及其合金，例如钢(包括不锈钢)，的金属。

多材料过渡组件可以进一步包括两个或多个过渡薄层。如本文所使用的，两个或多个过渡薄层在这里可以统称为过渡层压件。根据一些方面，两个或多个过渡薄层中的每一个可以包括过渡材料。过渡材料可以是任何根据本公开的有用的材料，包括本文所述的纤维增强复合材料。该纤维增强复合材料可以与纤维增强组件所包含的纤维增强复合材料相同或不同。根据一些方面，过渡材料可以附加地或替代地包括绝缘材料。如本文所用，术语“绝缘材料”是指如本文所述能够在金属组件和纤维增强组件之间提供电流绝缘的材料。应当理解的是，在一些情况下，纤维增强复合材料可以是绝缘材料。根据本公开的示例性绝缘材料包括但不限于绝缘织物，该绝缘织物包括芳族聚酰胺(例如)、PBO(例如Zylon)、玄武岩、超高分子量聚乙烯(例如Dyneema和Spectra)、玻璃或其组合，和/或其他高性能天然、合成、有机或无机纤维。

如图1A所示，过渡薄层17的至少一部分19(或者在此称为部分嵌入的过渡薄层19)中的每一个可以包括嵌入金属组件16中的第一端110。

根据一些方面，部分嵌入的过渡薄层19的第一端110可以在生产金属组件16时嵌入到金属组件16中。例如，金属组件16可以使用增材制造工艺(例如超声波增材制造)和/或计算机数控加工操作来制造，使得部分嵌入的过渡薄层19的纤维被封装和/或与金属组件16的金属材料相互锁定。以这样的方式，纤维和金属材料可以直接传递载荷，从而提供更有效的接合。美国专利公开No.2017/0291253中描述了用于提供具有嵌入金属组件中的第一端的部分嵌入的过渡薄层制造技术的一些非限制性示例，其全部公开内容通过引用结合于此。

如图1A所示，第一端110可具有足以提供可接受的失效模式(例如金属材料失效和/或纤维失效)的平均长度117(在此也称为嵌入长度117)。

根据一些方面，每个嵌入的过渡薄层19的嵌入长度117可以独立地在大约1至50mm之间，可选地在大约1至30mm之间，以及可选地在大约5至15mm之间。根据一些方面，嵌入的过渡薄层19的平均嵌入长度117可以在大约1至50mm之间，可选地在大约1至30mm之间，并且可选地在大约5至15mm之间。

根据一些方面，每个嵌入的过渡薄层19的嵌入长度117可以独立地为约5mm，可选地约6mm，可选地约7mm，可选地约8mm，可选地约9mm，可选地约10mm，可选地约11mm，可选地约12mm，可选地约13mm，可选地约14mm，可选地约15mm，可选地约16mm，可选地约17mm，可选地约18mm，可选地约19mm，可选地约20mm，可选地约21mm，可选地约22mm，可选地约23mm，可选地约24mm，可选地约25mm。根据一些方面，嵌入的过渡薄层19的平均嵌入长度117可以是约5mm，可选地约6mm，可选地约7mm，可选地约8mm，可选地约9mm，可选地约10mm，可选地约11mm，可选地约12mm，可选地约13mm，可选地约14mm，可选地约15mm，可选地约16mm，可选地约17mm，可选地约18mm，可选地约19mm，可选地约20mm，可选地约21mm，可选地约22mm，可选地约23mm，可选地约24mm，可选地约25mm。

如图1A所示，具有嵌入金属组件16中的第一端110的部分嵌入的过渡薄层19中的每一个可以具有与一个或多个如本文所述的作用层11、14、15的薄层相交错的第二端111。交错的第二端111可以与作用层11、14、15内的薄层和/或独立的作用层11、14、15的薄层相交错。应该理解的是，虽然图1A所示的例子包括具有交错的第二端111的嵌入的过渡薄层19，但是本发明不应该限制于此。例如，过渡层压件17可以包括部分嵌入的过渡薄层19的第一部分和薄层的第二部分，每个薄层具有交错的第二端111，其中第一部分不同于第二部分。

根据一些方面，所述方法可以包括在固化之前提供与作用层11、14、15内的薄层和/或与独立的作用层11、14、15的薄层相交错的过渡薄层。该方法可进一步包括将过渡层压件17和纤维增强组件的作用层11、14、15共同固化，使得包括交错的第二端111和/或作用层11、14、15内的薄层的基质材料可将过渡层压件17和作用层11、14、15相对于彼此固定就位，从而将多材料过渡组件和纤维增强组件相对于彼此固定就位，以形成如本文所述的多材料组件。

如图1A所示，交错的第二端111可具有足以提供可接受强度的平均长度118(在此也称为交错长度118)。根据一些方面，交错长度118可至少部分地取决于对应于由过渡层压件17和/或作用层11、14、15构成的纤维增强复合材料的临界纤维长度。应当理解的是，临界纤维长度取决于纤维/基质结合的剪切强度以及纤维的拉伸强度。随着交错长度118的增加，剪切面积成比例地变大，从而需要成比例地更大的力来克服基质/纤维界面的剪切强度。在临界长度时，克服界面剪切强度所需的力等于使纤维在张力下失效所需的力。根据一些方面，平均交错长度118大于由过渡层压件17和/或作用层11、14、15所构成的纤维和基质材料的临界纤维长度特征中的较小者。附加地或替代地，平均交错长度118大于确保纤维失效而不是层间(剪切)失效所需的确定的临界纤维长度。

根据一些方面，过渡层压件17的每一个交错薄层的交错长度118可以独立地在大约2mm至3cm之间。例如，过渡层压件17的每一个交错薄层的交错长度118可以独立地为约2mm，可选地约3mm，可选地约4mm，可选地约5mm，可选地约6mm，可选地约7mm，可选地约8mm，可选地约9mm，和可选地约10mm。根据一些方面，过渡层压件17的每个交错薄层的交错长度118可以独立地在约1至3cm之间，可选地在约2至3cm之间，并且可选地在约1至2cm之间。根据一些方面，过渡层压件17的每个交错薄层的交错长度118可以独立地为至少1cm，可选地为至少2cm，以及可选地为至少3cm。

应当理解的是，平均嵌入长度117和/或交错长度118(如图1A所示)可以提供可接受的刚度。例如，嵌入长度117和/或交错长度118可以影响局部刚度，即，分别地紧邻过渡层压件17的嵌入部分和/或交错部分的多材料组件的刚度。

过渡层压件17也可以包括一部分非嵌入的过渡薄层18(或者在此称为非嵌入的过渡薄层18)。一个或多个非嵌入的过渡薄层18可以位于部分嵌入的过渡薄层19的上方、下方或中间，或者它们的任意组合。如图1A所示，非嵌入的过渡薄层18中的每一个可以具有邻接金属组件16的第一端112。根据一些方面，非嵌入的过渡薄层18中的每一个可具有第二端113，其邻接一个或多个作用层11、14、15的薄层。然而，应当理解的是，根据一些方面，非嵌入的过渡薄层18的一部分或全部可以具有如本文所述的第二交错端。

根据一些方面，所述方法可以包括在至少一部分的单独嵌入的过渡薄层19之间提供非嵌入的过渡薄层18，使得过渡层压件17的厚度140大约等于纤维增强组件的厚度130，如图1A所示。

如图1A所示，过渡层压件17的一部分，例如非嵌入的过渡薄层18，可以具有平均长度114(在此也称为距离长度114)，该长度对应于至少一部分作用层11、14、15和金属组件16之间的距离。应当理解的是，距离长度114将大致对应于邻接金属组件16的至少一个第一端112和邻接一个或多个作用层11、14、15的薄层的至少一个第二端113之间的距离。

根据一些方面，平均距离长度114可以足够提供可接受的处理。例如，平均距离长度114可足以实现自动化和/或使工人能够处理和/或让部分嵌入的过渡薄层的部分相交错。

根据一些方面，平均距离长度114可以足够提供可接受的刚度。在一个非限制性示例中，其中纤维增强组件包括碳纤维增强聚合物(CFRP)，即包括碳纤维的玻璃钢(FRP)，其比模量(即弹性模量除以密度)可以高于由金属组件和/或部分嵌入的过渡薄层19提供的比模量。在这个例子中，部分嵌入的过渡薄层19可以具有低的比刚度。然而，当平均距离长度114小于纤维增强组件的一个或多个作用层11、14、15中至少一个的长度115时(例如，如图1C所示)，由于纤维增强组件的更长的长度，过渡薄层17可以提供比纤维增强组件更高的系统刚度。

根据一些方面，平均距离长度114可足以在金属组件和纤维增强组件之间提供可接受的电流绝缘，并且特别地，平均距离长度114可足以提供电流绝缘以防止电解质桥接。在一个示例中，平均距离长度114可以减少和/或消除电解质桥接在金属组件和纤维增强组件之间可能性。例如，连接金属组件和纤维增强组件的液滴或连续流体可以同时作为离子传输介质和电连续性的通道，其抵消了部分嵌入的过渡组件所提供的保护。平均距离长度114足以减少和/或消除这种影响。

应该理解的是，根据一些方面，如果过渡层压件17所包含的纤维模量低于作用层11、14、15的纤维模量，则在需要更高的刚度情况下，平均距离长度114可以被最小化。根据一些方面，平均距离长度114可以在大约1至10mm之间，可选地在大约1和5mm之间。根据一些方面，平均距离长度114可以是大约1mm，可选地大约2mm，可选地大约3mm，可选地大约4mm，可选地大约5mm，可选地大约6mm，可选地大约7mm，可选地大约8mm，可选地大约9mm，以及可选地大约10mm。

本公开涉及由本文所述方法提供的多材料过渡组件。例如，图1D示出了根据本公开的多材料过渡组件120的示例。应当理解的是，图1D的多材料过渡组件120可以如本文所述以及例如图1A所示地连接到作用层11、14、15，以提供如本文所述的多材料组件。

图1C示出了图1A所示的多材料组件的示例性俯视透视图，其包括具有平均距离长度114的过渡层压件17，该平均距离长度114大致对应于邻接金属组件16的第一端112和邻接一个或多个作用层11的至少一个薄层的第二端113之间的距离。

如图1C所示，金属组件16可以具有第一长度116，该第一长度116在与过渡薄层压板17的距离长度114相同的方向上延伸。金属组件16的第一长度116可提供如本文所述的可接受的刚度。例如，金属组件16可以具有低的比刚度。然而，当金属组件16的第一长度116小于纤维增强组件的一个或多个作用层11、14、15中至少一个的长度115时(例如，如图1C所示)，由于纤维增强组件更长的长度，金属组件可以提供比纤维增强组件更高的系统刚度。

根据一些方面，金属组件16的第一长度116可以至少部分地取决于电阻点焊所需长度、嵌入长度117以及为防止点焊的热影响区域损坏嵌入的纤维或基质材料而所需要的缓冲空间。应当理解的是，这些要求可能至少部分地取决于金属组件所包含的金属材料以及焊接工艺。在一个非限制性示例中，金属组件可以包括铝，并且第一长度116可以在大约20至30mm之间，可选地大约25mm。在另一个非限制性示例中，金属组件可以包括钢，并且第一长度116可以在大约10至20mm之间，可选地大约15mm。在一些非限制性示例中，当使用激光焊接工艺时，第一长度116可以更短。在一个非限制性示例中，金属组件可以包括铝，可以利用激光焊接工艺，并且第一长度116可以在大约10至20mm之间，可选地大约15mm。在另一个非限制性示例中，金属组件可以包括钢，可以利用激光焊接工艺，并且第一长度116可以在大约5至15mm之间，可选地大约10mm。

根据一些方面，金属组件16的第一长度116可以在大约1至50mm之间，可选地在大约10至40mm之间，可选地在大约10至30mm之间，可选地在大约10至20mm之间，并且可选地在大约20至30mm之间。根据一些方面，金属组件16的第一长度116可以是大约10mm，可选地大约11mm，可选地大约12mm，可选地大约13mm，可选地约14mm，可选地约15mm，可选地约16mm，可选地约17mm，可选地约18mm，可选地约19mm，可选地约20mm，可选地约21mm，可选地约22mm，可选地约23mm，可选地约24mm，可选地约25mm，可选地约26mm，可选地约27mm，可选地约28mm，可选地约29mm，可选地约30mm。

根据一些方面，假设所有组件的厚度和宽度相等，金属组件16的第一长度116与纤维增强组件150的一个或多个作用层11、14、15中至少一个的长度115的比率可以等于金属组件16的模量与纤维增强组件150的模量的比率。

图2示出了图1A所示的多材料组件的另一示例性俯视透视图。特别地，图2示出了多材料组件211，其包括纤维增强组件的一个或多个作用层11和多材料过渡组件212，其中多材料过渡组件212包括如本文所述的金属组件16和过渡层压件17。

本发明还涉及一种多材料组件，其包括如本文所述的多材料组件和第二金属组件，其中该第二金属组件通过一个或多个离散的金属-金属接头固定到多材料过渡组件的所述金属组件上。例如，图2示出了被设置为与多材料过渡组件212的金属组件16及金属组件213相连接的离散金属-金属接头117，它们共同形成多材料组件。离散的金属-金属接头117可以包括，例如，在本文所述的车辆生产中所使用的任何离散的金属-金属接头。根据一些方面，离散的金属-金属接头可以可选地设置有粘合剂。

应当理解的是，至少部分地由于其离散特性，离散的金属-金属接头117可以具有比纤维增强组件的一个或多个作用层11、14、15更低的刚度。不过通过提供刚度大于离散接头117的刚度的金属组件16和过渡薄层压板17，作为一个整体的多材料组件可以免受刚度的降低。

应当理解的是，如果离散的金属-金属接头117用粘合剂结合，接头的刚度会增加。这种较高的刚度可以是过渡薄层压板17刚度的最小阈值，以便不会产生更柔性的系统。

本发明还涉及由本文所述的方法提供的多材料组件。根据一些方面，多材料组件可以如本文所述地包括连接到多材料过渡组件上的纤维增强组件。多材料过渡组件可包括如本文所述的过渡层压件，该过渡层压件具有过渡薄层的第一部分，每个过渡薄层具有嵌入金属组件中的第一端，或者在本文中称为嵌入的过渡薄层。根据一些方面，嵌入的过渡薄层中的每一个可具有第二端，如本文所述，该第二端与纤维增强组件所包含的一个或多个作用层的薄层相交错。在一个示例中，纤维增强组件可以包括CFRP和/或过渡薄层压材料可以包括如本文所述的绝缘材料。根据一些方面，多材料组件可进一步包括一个或多个如本文所述的离散金属-金属接头。

尽管已经结合上述的示例性方面描述了本文所述的各方面，但是各种替代，修改，变化，改进和/或实质等同物，无论是已知的还是目前不可预见的，对于至少具有本领域普通技术的人员来说都可能变得显而易见。因此，如上所述的示例性方面旨在说明，而非限制。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种变形。因此，本公开旨在涵盖所有已知的或以后开发的替代，修改，变化，改进和/或基本等同形式。

因此，权利要求书不旨在限于本文中所展示的方面，而是应被赋予与权利要求书的内容一致的完整范围，其中除非有特别说明，以单数形式提及要素并非意指“一个且仅一个”，而是指“一个或多个”。本领域普通技术人员已知的或以后将知道的，贯穿本公开内容所描述的各个方面的要素的所有结构和功能的等同物均通过引用明确地并入本文，并且旨在由权利要求书涵盖。而且，无论在权利要求书中是否明确叙述了这种公开，本文所公开的任何内容都不旨在献给公众。除非使用短语“用于……的手段”明确地叙述该要素，否则任何权利要求要素都不应被解释为一种手段加功能。

此外，词语“示例”在本文中用于表示“用作示例，实例或说明”。本文中被描述为“示例”的任何方面不必被解释为比其他方面更优选的或更有利的。除非另有明确说明，否则术语“一些”是指一个或多个。诸如“A，B或C中的至少一个”，“A，B和C中的至少一个”和“A，B，C或其任何组合”的组合包括A，B，和/或C的任何组合，并且可以包括A的倍数，B的倍数或C的倍数。具体地，诸如“A，B或C中的至少一个”，“A，B和C中的至少一个”和“A，B，C或其任何组合”的组合可以是仅A，仅B，仅C，A和B，A和C，B和C或A和B和C，其中任何此类组合可以包含A，B或C的一个或多个。本文中所公开的内容均不旨在向公众公开，无论该公开内容在权利要求书中是否明确记载。