CN101801660B - 复合层压制品 - Google Patents

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Abstract

形成可变形的细胞状结构的复合层压制品(1)，其特征在于，其至少包括：上部带(2)和下部带(3)，两者均沿相同的主方向X定向；位于所述两条带(2，3)之间并且连接所述两条带的、沿所述X方向延伸的一系列被称作连接筒体的筒体(4)，所述连接筒体(4)在所述X方向上不接触并且具有沿垂直于所述X方向的轴线Y定向的母线，并且所述连接筒体为包括嵌入到树脂基体中的纤维的复合筒体。所述层压制品可以被用作对弯曲/压缩力具有高抵抗力并且对重复或交变力具有高耐久力的弹性梁，特别是用作非充气弹性车轮中的剪切带。

Description

复合层压制品
技术领域
本发明涉及层压制品，即由若干彼此相连的平面或非平面形式的、例如细胞状或蜂窝式的层或带所制成的产品。
本发明特别涉及复合层压制品，所述层压制品的全部或一部分由包覆在树脂基体中的纤维组成，并且其特定的几何形状使其能够获得可变形的细胞状结构，所述细胞状结构可以被用作抵抗弯曲应力/压应力的梁。
本发明还涉及“非充气”类型的机动车辆轮胎或弹性(柔性)车轮：也就是说，其不需要填充例如空气的气体以便呈现其可使用的形式。
背景技术
对所属领域的技术人员来说，非充气柔性车轮或轮胎是众所周知的。它们已经在大量的专利文件例如专利或专利申请EP 1 242 254(或US 6 769465)、EP 1 359 028(或US 6 994 135)、EP 1 242 254(或US 6 769 465)、US 7 201 194、WO 00/37269(或US 6 640 859)、WO 2007/085414中被描述。
当所述非充气轮胎与用于在柔性轮胎和车轮的轮毂之间提供连接的任何刚性机械元件相联系时，其替代例如大多数当前道路车辆上所用的由充气轮胎、轮辋和轮盘构成的组件。
特别是，上述专利US 7 201 194描述了一种非充气、在结构上被支撑(没有内部压力)的轮胎，其具有的主要特征包括：支承轮胎上的载荷的加强环形带和多个具有极低的压缩刚性的支承元件或轮辐，所述支承元件或轮辐以张紧方式工作，以传递环形带和轮毂之间的作用力。
该环形带(或剪切带)包括两个由基本上不可延伸的帘线所形成的膜片，所述帘线包覆有天然橡胶或合成橡胶，所述膜片被自身由橡胶制成的剪切层隔开。所述带的工作原理是剪切层的剪切模量显著地低于两个膜片的拉伸模量，同时足以能够正确地将作用力从一个膜片传递到另一个膜片并且由此使所述带以剪切模式工作。
借助于该环形带，可以制造出能够在严酷或苛刻条件下行驶而不存在任何戳穿的风险以及不存在必须维持轮胎内部气压的缺陷的非充气车轮或轮胎。
此外，与现有技术的非充气轮胎相比，地面接触压力的分布更加均匀，从而获得了轮胎更好的工作，改善了道路的抓持性并且改善了耐磨性。
然而，所述橡胶剪切带并非没有缺陷。
首先，在通常的工作温度下，例如在-30℃和+40℃之间，其具有相对迟滞性，也就是说，所提供的用于滚动的一些能量以热的形式耗散(损失)。其次，对于显著更低的工作温度，例如可能在例如极地类型的地区出现的一般低于-50℃乃至更低的温度，众所周知，橡胶快速地变脆、易碎并且从而不能使用。在这种最恶劣的条件下，还了解到，例如与相对较高的机械应力相结合，温度或多或少的相当大和迅速的变化还可能在两个膜片和剪切层之间产生粘附问题，伴随有剪切带与膜片的局部扭转的风险并且最终降低了耐久性。
发明内容
在研发期间，申请人已经发现，可以在如上所述的非充气轮胎或车轮中使用新型的层压制品，特别是用作剪切带，其使得可以至少部分地克服上述缺陷。
因此，根据第一主题，本发明涉及一种形成可变形的细胞状结构的复合层压制品，其特征在于，其至少包括：
○上部带和下部带，两者均沿相同的主方向X定向；
○位于所述两条带之间并且连接所述两条带的、一系列在方向X上延伸的被称为连接筒体的筒体，所述连接筒体在方向X上不接触并且其母线沿垂直于方向X的轴线Y定向，
并且所述连接筒体是包括嵌入到树脂基体中的纤维的复合筒体。
本发明的该层压制品具有非常通气的可变形的细胞状结构，已经证实，所述结构出乎意料地呈现出对弯曲和/或压应力具有很高的抵抗力并且对这种重复或交变应力具有很高的耐久性。其具有不迟滞的优点。
另外，根据一个特别优选的实施例，当连接筒体和上部及下部带特别由以嵌入到聚酯或乙烯基酯类的热固性树脂中的玻璃纤维和/或碳纤维为基础的复合材料所构成时，还证实，该层压制品不但能够承受极端的低温，而且能够在典型地从-250℃直到+150℃的非常宽的温度范围内使用。
本发明还涉及所述层压制品作为任何成品的结构元件的使用以及包括根据本发明的层压制品的任何成品。
本发明特别涉及所述层压制品作为非充气车轮或轮胎的加强元件的使用，特别是作为所述轮胎或所述车轮的剪切带的使用。
附图说明
根据随后的详细说明和示范性的实施例以及示意性地(没有保持特定的比例)示出的与所述实例有关的附图将容易理解本发明及其优点：
-横截面中，沿成直线的主方向X定向的根据本发明的层压制品(图1和图4)；
-横截面中，沿遵循一曲线的主方向X定向的本发明的另一实施例的层压制品(图2)；
-前面的图1和图4的横截面的透视图(分别为图3和图5)；
-径向截面中，包括根据本发明的层压制品的非充气弹性车轮的两个实例(图6和图7)；以及
-包括根据本发明的层压制品的非充气弹性车轮的实例的完全透视图(图8)。
定义
在本说明书中，除非另有说明，所指出的所有百分比(％)为重量百分比。
另外，在本申请中，应用以下定义：
-“复合”，当涉及任何材料或物品时：包括被包覆在树脂基体中的短的或连续的纤维的材料或物品；
-“层”或“带”：与其他尺寸相比具有相对小的厚度的片材或任何其他元件，该层可具有或不具有均质或粘合特性；
-“筒体”：按该术语的最广泛含义为任何中空(即，无底)柱体，也就是说，具有任意规矩(标准化正交)横截面的筒形的任何物品，也就是说，其轮廓限定出没有拐点(例如圆形、卵形或椭圆形横截面的情况)或者具有一个或多个拐点的闭合线；根据所述定义，可以理解，例如管、筒管、筒管部分、管状元件、管状柱、筒形元件的术语均表示所述“筒体”；
-“单向纤维”：基本上相互平行、也就是说沿同一轴线定向的的一组纤维；
-“非充气”，当涉及车轮或轮胎时：设计成以便能够在没有充气压力的情况下承受相当大的载荷的车轮或轮胎，也就是说，其不需要充以例如空气的气体以便呈现出其可使用的形式并且支承载荷；
-“沿一轴线或在一方向上定向”，当涉及例如带、纤维或其他细长加强元件的任何元件时：基本上平行于该轴线或该方向定向的元件，也就是说，该元件与该轴线或该方向形成偏离不超过10度(也就是说，零或最多等于10度)、优选为不超过5度的角度；
-“垂直于一轴线或一方向定向”，当涉及例如带、纤维或其他细长加强元件的任何元件时：基本上垂直于该轴线或该方向定向的元件，也就是说，该元件与垂直于该轴线或该方向的直线形成偏离不超过10度、优选不超过5度的角度；
-“径向定向”，当涉及车轮(或轮胎)元件时：在穿过车轮(或轮胎)的旋转轴线并且基本上垂直于该方向的任何方向上定向，也就是说，与该方向成偏离不超过10度、优选不超过5度的角度；
-当涉及车轮(或轮胎)元件时，“沿周向定向”：基本上平行于车轮(或轮胎)的圆周方向定向，也就是说，与该方向形成偏离不超过10度、优选不超过5度的角度；
-“层压制品”，在国际专利分类的含义内：包括至少两个相互连接的平面或非平面形式的层或带的任何产品；措词“联接”或“连接”应当以广义的方式解释，以包括所有联接或组装手段，例如通过粘结、钉住、铆接或螺栓连接；
-“树脂”：热塑性类型或热固性类型(对于后者，也被称作可固化的、可聚合的或可交联的)的任何合成树脂，并且扩充为基于所述树脂并且另外包括一种或更多诸如固化剂的添加剂的任何成分或配方。
具体实施方式
本发明的复合层压制品(1)具有包括至少一个以下特征的主要特征(参照图1、图2和图3)：
○上部带(2)和下部带(3)，两者均沿相同的主方向X定向；
○位于所述两条带(2、3)之间并且连接所述两条带(2、3)的、在方向X上延伸的一系列连接筒体(4)，所述连接筒体(4)在所述方向X上不接触并且具有沿垂直于方向X的轴线Y定向的母线(最低限度在未变形结构中)。
此外，这些连接筒体具有复合筒体的特征，也就是说，包括嵌入到(或包覆在，两者被认为是同义词)树脂基体中的纤维。
因此，本发明的层压制品形成中空、特别蜂窝状结构，其可以被描述为“细胞状的”，意味着在所述两条带和筒体(根据定义为中空和无底的)之间不需要其他材料。
该可变形的细胞状结构可以被用作对弯曲/压缩应力具有很高的抵抗力并且对所述重复或交变应力具有很高的耐久力的(平面或非平面的)弹性梁，借助于其能力，以产生可与其两条带在不同拉伸、弯曲或压缩应力下的剪切应变相当的变形。
所述主方向X可以为如图1中所示或图3(对应于图1的横截面的透视横截面)中所示的直线形或者遵循如图2中所示的曲线。
由于其连接筒体(4)由复合材料制成，本发明的层压制品在纯弹性域中具有很高的变形潜力。所述连接筒体(4)是特别耐久的，因为它们呈现出纯弹性特性直到断裂，而没有塑性变形，例如，与在高形变下呈现出塑性特性、即不可逆的特性的金属结构的相反，所述塑性特性以公知方式对耐久力造成损害。当带(2、3)自身也由纤维/树脂复合材料制成时，该有利的性能也适用于带(2、3)。
与金属结构相比，由此获得了更加耐久、显著更轻(复合材料的密度接近于2)以及耐腐蚀的结构。
连接筒体(4)的纤维可以是连续纤维或短纤维，优选使用连续纤维。为了筒体的更好的强度，所述纤维更优选在垂直于轴线Y的平面中为单向的和周向定向的。
所述连接筒体(4)基本上通过弯曲操作。取决于其加强纤维的周向轴线，它们具有优选大于15GPa、更优选大于30GPa、特别是在30和50GPa之间的拉伸模量(ASTM D 638)和弯曲模量(ASTM D 790)。
本发明还适用于两条带可能由除了筒体以外的材料构成、例如由金属或聚合物制成的情况。
根据一个优选实施例，上部带(2)和下部带(3)(有时被复合层压件领域的技术人员称为“膜片/表层”或“表皮”)是也包括嵌入到树脂基体中的纤维的复合带。因此，由两条带(2、3)和其多个连接筒体(4)构成的整个基本结构由复合材料制成。优选地，带(2、3)的所述纤维是连续纤维；更优选地，所述连续纤维是单向的、平行于主方向X定向的，以便所述带在主方向X上具有最大的拉伸强度。在该方向X上，两条带(2、3)具有优选大于15GPa、更优选大于30GPa(例如，在30和50GPa之间)的拉伸模量(ASTM D 638)。
上述连接筒体(4)和/或复合带(2、3)可以由单个纤维层或数个层叠的单元纤维层构成，其中的纤维全部在主方向X上定向。一个或更多个由交叉线构成的其他附加层可***到该多层结构中，所述交叉线尤其沿轴线Y(筒体的母线)定向，以便横向地加强所述结构，并且因此根据复合材料领域中所公认的关系来平衡总结构。
根据另一个最优实施例，连接筒体(4)具有一直径D，所述直径D在垂直于方向X和轴线Y的被称为径向方向的方向Z上基本上为常数，以便保持上部带(2)和下部带(3)基本上(即，大约)等距。
根据另一个可行的实施例，连接筒体(4)也可具有一直径D，当希望采用两条带之间的距离能够沿着该主轴线X逐渐变化的结构时，所述直径D在主方向X上可线性变化。
如上面已经指出的那样，由于筒体(4)的定义不局限于具有圆形规矩横截面的筒体，这里术语“直径”应该被广义地理解为筒体(包含了厚度)在径向方向Z上的尺寸。
所属领域的技术人员了解如何根据设定的特定应用调整连接筒体(4)和带(2、3)的具体尺寸以及它们的相对布置，以适应计划结合本发明的层压制品的成品(最终产品)的尺寸。例如，尺寸D使得可以调整连接筒体的抗弯刚度。
本发明的层压制品(1)的基本特征是这些连接筒体(4)在主方向X上不接触，因此它们可以通过弯曲变形和操作。
优选地，比率d/D在0.10和0.50之间，d表示在方向X上测得的两个相继连接筒体之间的平均距离d，如图1和图2中所示。措辞“平均距离”被理解为意味着由存在于层压制品(1)中的所有连接筒体(4)计算出的平均值。如果d/D小于0.10，则存在缺乏一定的剪切柔性的风险，而如果d/D大于0.50，则可能出现缺乏弯曲变形的均匀性。由于这些原因，比率d/D更优选地在大约0.15至0.40的范围内。
关于这一点，需要注意的是，将在稍后说明的图6中，已经按与本发明的优选实施方式相比相对减少了数量的方式示出了连接筒体(15)以及轮辐(12)，这仅仅用于简化附图的目的。
作为根据本发明的层压制品(1)的结构的优选实例，特别是，当层压制品(1)的主方向X不是直线形的而是弯曲的或者沿圆周方向的(图2)时，至少满足以下特征中的任何一个，更优选满足所有以下特征：
-直径D在10和100毫米之间；
-平均距离d在1和50毫米之间；
-均在平行于轴线Y的方向上测得的带的宽度Lb和筒体的宽度Lc各自在5和200毫米之间；
-带的厚度Eb和筒体的厚度Ec(在径向方向Z上测得的厚度)各自在0.25和3毫米之间。
如将在下文中更详细地阐述的那样，这些优选特征特别符合本发明的层压制品被用作标准尺寸的非充气车轮中的剪切带的情况。
更优选地，由于上述原因，至少满足以下特征中的任何一个，更优选地满足所有以下特征：
-直径D在15和45毫米之间；
-平均距离d在1.5和40毫米之间(特别是，在3和40毫米之间，更特别地在5和15毫米之间)；
-带的宽度Lb和筒体的宽度Lc各自在20和100毫米之间；
-带的厚度Eb和筒体的厚度Ec各自在0.5和2毫米之间。
当然，可以根据车轮的预计曲率半径或者直径来保持D的值小于10毫米或者大于100毫米。
因此，作为根据本发明的层压制品的结构的其他可行的优选实例，至少满足以下特征中的任何一个，更优选地满足所有以下特征：
-直径D在10和100厘米之间，特别是在15和45厘米之间；
-平均距离d在1和50厘米之间，特别是在1.5和40厘米之间；
-均在平行于轴线Y的方向上测得的带的宽度Lb和筒体的宽度Lc各自在5和200厘米之间，特别是在20和100厘米之间；
-带的厚度Eb和筒体的厚度Ec(在径向方向Z上测得的厚度)各自在0.25和3厘米之间，特别是在0.5和2厘米之间。
本发明的复合层压制品(1)的不同组成部件、特别是构成其基本部件的连接筒体(4)和上部带(2)及下部带(3))可以借助于化学、物理或者机械紧固装置连接。作为所述紧固装置的实例，例如为粘结剂、铆钉、螺栓、钉子和各种缝合件或者捆束/装订件。所述紧固装置可以由例如金属、金属合金、塑料的各种材料制成或者由复合材料(例如，以玻璃或碳纤维为基础)制成。
为了更好地锚固，连接筒体(4)也可以部分地刺入与其连接的上部带(2)和/或下部带(3)中。
根据另一个可行的实施例，连接筒体(4)可以被间接地连接到上部带(2)和下部带(3)上，也就是说，通过中间组装部件进行连接。所述中间部件或“***件”可具有不同的几何形状，例如，呈平行六面体、燕尾形(楔形榫头)的形状，呈“I”、“T”或“U”形；它们本身可以通过上述紧固装置固定到基本部件(带和连接筒体)上。特别是，每当所承受的作用力太大时，可以使用所述“***件”或者加强部件；这些***件可将传递至复合结构的应力降低到可接受的水平。这些***件例如由金属、金属合金、塑料或者复合材料制成(例如，由嵌入到树脂中的玻璃或碳纤维制成)。
根据本发明的另一个特别优选实施例，连接筒体(4)中的至少一些或更优选地全部通过被称为“径向筒体加强件”(5)的加强元件来加强，例如如图4和图5中所示，所述“径向筒体加强件”(5)沿筒体的直径、平行于与主方向X和连接筒体的母线Y垂直的径向方向Z完全穿过筒体。
所述径向筒体加强件(5)作为防止筒体(4)垂直于其轴线Y(母线)变形的梁。由于其拉伸和压缩刚度，当复合结构受到特别严重的弯曲时，其防止层压制品(1)发生扭曲。
具有任何规矩横截面，其优选具有相对于其他尺寸更小的厚度，可具有例如丝线或者单丝、薄膜或者带材形式的各种细长形状。
当为单丝或者如果其偏离圆形规矩横截面时，其直径即在主方向X上测得的最小横向尺寸优选在0.25和3毫米之间，更优选在0.5和1.5毫米之间。
当然，其长度不能小于筒体的尺寸D，其优选大于D。因此，根据一个优选实施例，径向筒体加强件(5)在方向Z上完全穿过连接筒体，以便被锚固在上部和下部带上；图4中示出了这种实施例，其中可以看出，每个径向筒体加强件(5)的端部(5a、5b)刺入上部带(2)和下部带(3)中。
根据一个更优选的实施例，当使用***件或中间组装部件以便将筒体与两条带组装在一起时，径向筒体加强件(5)在方向Z上完全穿过连接筒体(4)和上部及下部带(2、3)，以便被锚固在这些***件上或者如何适宜的话甚至超出这些***件。
根据另一个更加优选的实施例，径向筒体加强件(5)本身由复合材料制成并且包括嵌入到树脂基体中的单向连续纤维。
根据另一个更加优选的实施例，径向筒体加强件(5)由平行于径向方向Z定向的一系列分离的(单元)加强件构成，所述系列加强件沿连接筒体的母线Y对齐，如图5中所示，所述图5示出了本发明的层压制品(1)的透视横截面。
所述分离加强件(5)优选是任何(特别是圆形)规矩横截面的单丝。沿轴线Y测得的所述加强件(5)的密度优选在5到50的范围内，更优选在10到40的范围内，例如，每分米的连接筒体宽度(沿Y测得)上具有15到35个加强件。
在整个说明书中，除非另有说明，术语“纤维”适用于可以被使用的任何类型的加强纤维，只要所述加强纤维与其树脂基体兼容。所述纤维例如从由聚乙烯醇纤维、芳香族聚酰胺(或“芳族聚酰胺”)纤维、聚酰胺-酰亚胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、芳族聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、纤维素纤维、人造纤维、粘胶纤维、聚(对)亚苯基苯并双噁唑(或者“PBO”)纤维、聚2，6萘二甲酸乙二醇酯(“PEN”)纤维、玻璃纤维、碳纤维、硅石纤维、陶瓷纤维和所述纤维的混合物所构成的组中选出。
特别是对于在极低温度下的应用，优选使用从由玻璃纤维、碳纤维和所述纤维的混合物构成的组中选出的纤维。更优选地，使用玻璃纤维。
所使用的树脂优选为热固性树脂。例如，其是可以通过电离辐射交联的树脂，所述电离辐射例如为紫外线-可见光辐射，其优选在至少从300纳米到450纳米的光谱范围中发出加速电子束或者X射线束。此外，可以选择成分，以包括可以通过过氧化物交联的树脂，当适宜时，可通过输入热量、例如在微波的作用下执行随后的交联。优选地，使用可以通过电离辐射固化的成分，可使用例如紫外线或者紫外线/可见光类型的电离处理容易地触发和控制最后的聚合作用。
所使用的树脂在热固状态下具有优选至少等于2.3GPa、更优选大于2.5GPa、特别是大于3.0GPa的拉伸模量(ASTM D 638)。通过差示扫描量热法(DSC)测得的其玻璃态转化温度(Tg)优选高于130℃、更优选高于140℃。
作为可交联的树脂，更优选地使用由聚酯树脂(即，以不饱和聚酯为基础)或者乙烯基酯树脂所制成的树脂。更优选地，使用乙烯基酯树脂。
令人惊讶地，已经注意到，乙烯基酯树脂比其他树脂更经受得住极端的低温。简单的测试可测量出玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的抗弯强度在极低的温度下是否显著增加。该测试是利用一复合材料单丝(例如具有1毫米的直径)制成一环并且逐渐减小曲率半径，直到处于张紧状态的单丝外部开裂(肉眼可以清楚地看出)。于是，竟然观察到，当单丝环之前已经被浸入到液氮(-196℃)中时所获得的最小半径变得更小。在热淬火试验或者在液氮中进行的浸没试验中，还可测试在所述测试期间不会断裂的中意的树脂。
根据一个特别优选的实施例，连接筒体和它们的上部及下部带完全由嵌入到乙烯基酯树脂基体中的玻璃纤维和/或碳纤维构成。
在复合材料领域中，乙烯基酯树脂是众所周知的。在不限制该定义的情况下，乙烯基酯树脂优选为环氧乙烯基酯类型的树脂。更优选地，采用由乙烯基酯树脂、特别是环氧化物类型的树脂所制成的树脂，所述乙烯基酯树脂至少部分地基于(也就是说，接枝到所述类型的结构中)酚醛清漆(也被称为酚醛塑料)和/或双酚，即，优选为例如在申请EP 1 074 369和EP 1 174 250(或者专利US 6 926 853)中所描述的基于乙烯基酯树脂的酚醛清漆、双酚或者酚醛清漆和双酚。酚醛清漆和双酚类型的环氧乙烯基酯树脂已经显示出优良的结果。举例来说，其可特别由来自DSM的“ATLAC590”或者“ATLAC E-Nova FW 2045”乙烯基酯树脂(两者均用苯乙烯稀释)制成。所述环氧乙烯基酯树脂可以从例如Reichhold、Cray Valley和UCB的其他制造商处获得。
有利地，本发明的层压制品可仅仅通过由嵌入到乙烯基酯树脂中的玻璃纤维制成的复合部件构成。
为了制造作为本发明的层压制品的构成部件的基于纤维和树脂的各种复合元件，无论所述元件是否为连接筒体，例如适当的情况下为(上部和下部)带和/或径向筒体加强件，可以使用用于制造块、片材或者例如单丝或带材的细长元件的任何适宜的工艺。
所述工艺是复合材料领域的技术人员当今所广泛公知的。
例如，专利申请EP1 174 250(或者专利US 6 926 853)建议，在脱气之后，利用液态树脂浸渍直线状纤维构件，使液态预浸料坯通过校准的模具，以便例如形成具有圆形横截面的单丝形状或者带材形状，以在紫外线稳定室中通过树脂的实质性固化在模具的下游稳定单丝或者带材，然后将固态(稳定化的)带材或者单丝缠绕在适当形状的支承件上，最后在加压模子中固化/硫化整个组件，以便固化所述组件并确保高的剪切强度。
作为替代，专利申请WO 2007/085414建议，直接将嵌入到在整个制造过程中处于液态的树脂中的纤维连续地并且按若干层地缠绕在确定复合块的最终形状的支承件上，用于直接在所述支承件上形成连续的环。因此，一旦形成“液态”复合环，则液态树脂受到至少部分的聚合作用，例如使用紫外辐射或者热处理，以便在将所述环与其支承件分开之前至少部分地稳定和固化所述环。接着，可以容易地装卸、储存或者直接处理由此稳定的复合块(其中树脂成分至少部分地处于固态)，以便完成所述树脂的聚合(最终的固化或者交联)。因此，可以在简单的大气压力下、“脱离模具”(或者根据公认的技术术语在“敞开模具”中)执行最终的固化操作。
前面描述过的本发明的复合层压制品可以构成成品的制造的中间阶段或者以其最终形状被层压或未以其最终形状被层压的物品。
其相当于蜂窝型结构的结构开辟了非常宽的可能应用范围，例如，其覆盖了一般的机械/力学、运动与休闲、建筑与公用工程、线路运输、道路、铁路、空中或者空间/太空运输和机动车辆。
该层压制品由在非常宽的温度范围内保持其性能的弹性材料构成；意想不到地，其已经被证明能够在该非常宽的温度范围上仿效或超越如现有技术中所描述的剪切带的弹性体的剪切变形。
因此，本发明的复合层压制品特别是可以用于所有类型的陆上或者非陆上机动车辆的非充气轮胎或者车轮，所述机动车辆特别是打算面对苛刻或者严酷的滚动条件或者例如月球车、公路运输车辆、如农业或土木工程机械的越野车辆可能遭遇的极端温度的车辆，或者是不可能或不希望使用弹性体材料的任何其他类型的运输或装卸车辆。
举例来说，图6非常示意性地示出了在结构上被支承(即，由于负载承载结构)的非充气弹性车轮(10)的径向横截面(即，在垂直于车轮的旋转轴线Y的平面内)，所述车轮的周向剪切带(13)由根据本发明的层压制品构成。
限定出三个垂直方向、即周向(X)、轴向(Y)和径向(Z)的该非充气车轮(10)至少包括：
-轮毂(11)；
-被称为剪切带(13)的环形带，其至少包括在周向X上定向的一个内部周向膜片(14)和一个外部周向膜片(16)；以及
-多个支承元件(12)，所述支承元件(12)将轮毂(11)与内部周向膜片(14)相连。
此外，其具有以下特征：
-所述两个膜片(14、16)通过在周向(X)上延伸的一系列连接筒体(15)彼此相连，所述连接筒体(15)在周向X上不接触并且具有在轴向Y上定向的母线；以及
-所述连接筒体(15)是包含嵌入到树脂基体中的纤维的复合筒体。
换句话说，至少在静止(未变形)时的车轮结构中，连接筒体的轴线(母线)平行于车轮的旋转轴线排列。
在该图6中，根据一个特别优选的实施例，每个筒体(15)通过一系列径向地(沿Z)定向的径向筒体加强件(17)加强，所述系列加强件沿着筒体的母线(方向Y)对齐，并且例如在该方向上具有每分米筒体包含5至15条线的密度。每个径向筒体加强件(17)沿其直径完全穿过所述连接筒体(15)，以便将其两端锚固在内部膜片(14)和外部膜片(16)上。
在车轮(10)的该实例中，厚度等于大约1毫米的每个周向膜片(14、16)例如由两组脱气并且利用乙烯基酯树脂(DSM的“Atlac 590”+Ciba的“Irgacure 819”光引发剂)浸渍的三层连续玻璃纤维(Owens Corning的“advantex”；线密度为1200特克斯)构成，在所述两组玻璃纤维层之间加入由乙烯基酯树脂浸渍的玻璃纤维纬纺织物(“E”玻璃；基本重量为125g/m2)，以便平衡复合组件。通过以接近于零度的角度缠绕细丝(来源于0.2×5毫米喷嘴的带材)来获得所述膜片。在缠绕三个单元层(以5毫米的敷设间距)之后，停止缠绕，然后在将最后的三个带层缠绕在如此***的纬纺织物的顶部上之前，将由树脂浸渍的纬纺织物放置在所述第三层上。然后，在缠绕支承件上，在紫外辐射下使整个组件聚合。根据另一种制造方法，例如，可以通过如下方式连续地缠绕：顺序地铺放以下层：按0°铺放的层、接着按-5°铺放的层、按+5°铺放的层、按0°铺放的层、按+5°铺放的层；按-5°铺放的层；并且以0°铺放的层结束，所有层均连续地铺放。按+5°和-5°铺放的层赋予了足够的横向附着力；最后的厚度总是相同。通过如此方式制备，每个膜片例如在其加强纤维的方向上具有45GPa左右的拉伸模量。
对于上述膜片，通过垂直于筒体的轴线(母线)以四层缠绕的细丝制备直径和厚度分别等于大约30毫米和0.8毫米的连接筒体(15)。之后，在紫外辐射下(在缠绕支承件上)聚合整个组件。连接筒体具有在径向上恒定的直径D，以便保持外部周向膜片(16)和内部周向膜片(14)基本上等距。在剪切带(13)中，在周向X上测得的两个相邻或相继连接筒体(15)之间的平均距离d例如为大约7毫米。
径向筒体加强件(17)例如是由涂覆有乙烯基酯树脂(来自DSM的“Atlac E-Nova FW 2045”树脂)的玻璃纤维构成的复合单丝；在横截面中看，所述复合单丝包括许多嵌入到树脂中的单元细丝，一旦聚合，其赋予了产品单线束或单丝的外形。它们的直径
Figure GPA00001052856000131
等于大约1毫米。它们按已知的方式通过例如在前面提到的专利申请EP 1 174 250中所描述的拉挤成型制备。此外，在专利申请EP 1 167 080(或者US 7 032 637)中也已经描述了作为传统的充气型轮胎的加强元件的所述复合单丝及其制造方法。
例如，如在前面提到的专利US 7 201 194(例如，参见该专利的图7到图11)中所描述，具有低压缩刚性的支承元件(12)或者“轮辐”以张紧形式工作，以在车轮的周向剪切带(13)和轮毂(11)之间传递作用力。它们的厚度相对于膜片的厚度来说薄，优选小于0.5毫米，更优选小于0.3毫米。
由于它们的存在，有利于获得均匀分布的地面接触压力，因此车轮更好地工作；由此，避免了局部化的高压力点和下沉或陷进砂子中的风险，所述下沉或陷进砂子中的风险可能在松软的地面上发生。
所述轮辐(12)可由如金属(或者金属合金)、聚合物或混合材料的各种不同材料制成，其被加强或者未被加强。作为实例，其可由如聚氨基甲酸酯的聚合物、包括纤维(特别是涂覆或浸渍有树脂的玻璃或碳纤维)的复合材料制成。当然，所使用的材料的拉伸模量适合于将由每个轮辐支承的负载。按已知的方式，通过调节轮辐(或构成它们的材料)的伸长能力，可以调节车轮在地面上的压痕。
根据一个优选实施例，特别是对于在极低温度下使用车轮，可以采用本身由复合材料制成的轮辐，所述复合材料例如为浸渍有PTFE(聚四氟乙烯)的玻璃纤维纺织织物或者嵌入到乙烯基酯树脂基体中的连续、单向玻璃纤维层。
在该图6中看到，根据一个优选实施例，存在与每个连接筒体(15)相对的轮辐(12)，更优选地，每个轮辐(12)在径向方向Z上与每个径向筒体加强件(17)基本上对齐。
对于上述车轮的所有复合元件，纤维含量例如为大约70％(即，大约30％的树脂)。
对于车轮(10)的制造，可以使用用于组装上述元件的任何适宜的工艺，例如，采用以下连续步骤：
-制造两个膜片(14、16)；
-将连接筒体(15)定位在组装夹具上；
-通过粘结(例如使用环氧树脂粘合剂)将两个膜片(14、16)紧固到连接筒体(15)上；
-定位和粘结轮辐(12)；
-例如，将轮辐调整到恰当长度并且在其两端处粘结到复合凸片(***件)上，所述凸片中的一个安装膜片上，另一个安装到金属轮毂上；粘结并螺栓连接膜片侧的凸片，而仅螺栓连接轮毂侧的凸片；
-同时刺穿剪切带(膜片和连接筒体)；
-将复合单丝(17)穿过预先制造的孔并且进行粘结。
优选地，为了良好的地面接触压力效果，本发明的车轮满足关系0.7≤Di/De＜1，更优选地，满足关系0.8≤Di/De＜1，Di是内部周向膜片(14)的直径，并且De是外部周向膜片(16)的直径。举例来说，Di和De在大约200毫米到2000毫米的范围内。
如前面所述，连接筒体(15)可以借助于已经描述过的适宜的紧固装置直接连接到膜片(14、16)上，或者通过中间组装部件、特别是借助于还具有加强组装点的作用的金属、塑料或复合***件间接地连接。
图7示出了车轮(10)的另一个实例，其中具有非常薄厚度(大约0.15毫米)的轮辐(12)通过所述***件(110、140)一方面被组装到轮毂(11)上，另一方面被组装到内部周向膜片(14)上。
将轮辐(12)组装到刚性轮毂(11)上的***件(110)例如由特别是由玻璃纤维/乙烯基酯树脂制成的复合材料(纤维/树脂)构成、具有等于大约1毫米的厚度、呈半个“U”形的形式。例如，如前面针对连接筒体(15)所指出，通过按5个连续层将细丝缠绕在具有扁平筒体形状的支承件上制造它们。在紫外线聚合作用以后，通过切割扁平筒体获得半个U字的形状。例如，将轮辐(12)组装到内部周向膜片(14)上的***件(140)是具有相同厚度但是尺寸更小、本身由例如玻璃纤维/乙烯基酯树脂的复合材料制成的例如“I”字形状；以如前面针对另一***件(110)所指出的方式制造它们。
最后，图8示出了非充气车轮(20)的另一个实例的透视图，其中剪切带(13)包括数个放置在平行径向(即，垂直于轴向Y)平面中的单元剪切带，它们中的每一个由根据本发明的层压制品构成。在该图8中看到，每个单元外部周向膜片(16a、16b、16c、16d)相对于车轮的总轴向宽度(例如等于200毫米)较窄(例如，沿Y测得的轴向宽度等于40毫米)。在该视图中几乎不可见的内部周向膜片(14)本身可由单个或者数个单元内部周向膜片构成，例如，数量为两个(例如，每个具有等于80毫米的轴向宽度)或者四个(例如，每个具有等于40毫米的轴向宽度)。
这里，单元剪切带相对于彼此周向地放置，以使得它们的连接筒体(15)(轴向宽度等于40毫米)在轴向Y上从一个单元剪切带到下一个单元剪切带基本上对齐。所述结构赋予车轮更大的轴向柔韧性并且可以提供有益的去耦合性，用于当滚动时更有效地“吸收或缓冲”障碍。然而，根据另一个可行的实施例，可以如此定位单元剪切带，以使得它们的连接筒体(15)在轴向Y上从一个单元剪切带到下一个单元剪切带以交错的行定位。
可以可选地将为了简化图6至图8未被示出的胎面添加到前述车轮上，当外部周向膜片(16)在非充气车轮滚动期间不用来与地面直接接触时，所述胎面径向地定位在外部周向膜片(16)的顶部。
该胎面可以由如金属(或者金属合金)、聚合物或混合金属/聚合物材料的不同材料构成。作为聚合物的实例，其可由如PET、PTFE(聚四氟乙烯)的聚酯、例如人造丝的纤维素、例如二烯橡胶或聚氨基甲酸酯的橡胶制成。为了在极低温度下使用，由金属制成或者由除橡胶以外的聚合物制成的胎面是优选的。
根据一个优选实施例，所述胎面呈三维纺织织物的形式，特别是在前面提到的材料中，其厚度例如在5和20毫米之间。可以通过如上所述的各种紧固装置、例如通过粘结或者螺栓连接或者甚至使用如前面描述过的***件的组装件将该胎面固定到车轮的剪切带上。根据另一个可行的实施例，在制造期间，其可以被直接结合到外部周向膜片(16)中。

Claims (20)

1.形成可变形的细胞状结构的复合层压制品（1），其特征在于，其至少包括：
上部带（2）和下部带（3），两者均沿相同的主方向X定向；
位于所述上部带（2）和所述下部带（3）之间并且连接所述上部带（2）和所述下部带（3）的、沿所述主方向X延伸的一系列被称作连接筒体的筒体（4），所述连接筒体（4）在所述主方向X上不接触并且具有沿垂直于所述主方向X的轴线Y定向的母线，
并且所述连接筒体为包括嵌入到树脂基体中的纤维的复合筒体。
2.根据权利要求1所述的层压制品，其特征在于，所述连接筒体的纤维是连续纤维。
3.根据权利要求2所述的层压制品，其特征在于，所述纤维是单向、在垂直于所述轴线Y的平面内沿周向定向的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的层压制品，其特征在于，所述连接筒体的纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的层压制品，其特征在于，所述上部带和所述下部带也包括嵌入到树脂基体中的纤维。
6.根据权利要求5所述的层压制品，其特征在于，所述上部带和所述下部带的纤维是连续纤维。
7.根据权利要求6所述的层压制品，其特征在于，所述上部带和所述下部带的连续纤维是单向并平行于所述主方向X定向的。
8.根据权利要求5所述的层压制品，其特征在于，所述上部带和所述下部带的纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的层压制品，其特征在于，所述连接筒体具有在与所述主方向X和所述轴线Y正交的方向Z上基本恒定的直径D，以便保持所述上部带和所述下部带基本上等距。
10.根据权利要求9所述的层压制品，其特征在于，在主方向X上测得的两个相继连接筒体之间的平均距离d被设计为使得比率d/D在0.10和0.50之间。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的层压制品，其特征在于，所述连接筒体的全部或者它们中的至少一些通过被称为“径向筒体加强件”的加强元件加强，所述加强元件沿所述连接筒体的直径、平行于与所述主方向X和所述连接筒体的母线Y垂直的径向方向Z完全穿过所述连接筒体。
12.根据权利要求11所述的层压制品，其特征在于，所述径向筒体加强件在所述方向Z上完全穿过所述连接筒体，以便被锚固在所述上部带和所述下部带上。
13.根据权利要求11所述的层压制品，其特征在于，所述径向筒体加强件在所述方向Z上完全穿过所述连接筒体以及所述上部带和所述下部带，以便被锚固在将所述筒体与两条带组装的中间组装部件上。
14.根据权利要求11所述的层压制品，其特征在于，所述径向筒体加强件包括嵌入到树脂基体中的单向连续纤维。
15.根据权利要求14所述的层压制品，其特征在于，所述连续纤维是玻璃纤维和/或碳纤维。
16.根据权利要求11所述的层压制品，其特征在于，所述径向筒体加强件由一系列平行于所述径向方向Z定向的分离径向加强件形成，所述分离径向加强件沿所述连接筒体的母线Y对齐。
17.根据权利要求16所述的层压制品，其特征在于，所述连接筒体的分离径向加强件由单丝组成。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的层压制品，其特征在于，所述树脂是热固性树脂。
19.根据权利要求18所述的层压制品，其特征在于，所述热固性树脂是乙烯基酯树脂。
20.包括根据权利要求1至19中任一项所述的层压制品的成品。
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