改進的緊固件的制作方法
【專利說明】改進的緊固件
[0001] 本申請要求于2012年12月20日提交的美國臨時申請?zhí)?1/740328以及2013年 2月12日提交的歐洲申請?zhí)?3154980. 0的優(yōu)先權(quán)，出于所有目的將這些申請中的每一個的 全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及由聚（芳醚酮）聚合物組合物制成的緊固件，其中所述聚（芳醚酮） 聚合物組合物的特征為具有改進的機械特性，特別是具有優(yōu)異的剛度和延展性的平衡，并 且所述緊固件具有更高的拉伸和撓曲模量以及強度以及此外非常好的美學(xué)特性，尤其是改 進的更淺的顏色。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 多種設(shè)計的緊固件，包括螺母、螺釘、夾子、鉚釘以及許多其他種類，已經(jīng)取決于特 定涵蓋的應(yīng)用可供使用。它們的共同特征在于因此相關(guān)的特別嚴格的要求。
[0005] 事實上，在它們的壽命過程中，任何緊固件，值得注意地包括無螺紋緊固件和螺紋 緊固件，值得注意地經(jīng)受苛刻的機械條件：它們經(jīng)常被拉伸、扭曲和彎曲。緊固件進一步通 常經(jīng)受多種惡劣環(huán)境，如振動、熱循環(huán)和/或化學(xué)侵蝕，這可以隨時間的推移改變它們的機 械性能，而且，在最壞的情況下，導(dǎo)致緊固件實質(zhì)上"丟失（lost) "。
[0006] -類特別重要的緊固件是面臨附加的具體問題的螺紋緊固件。當(dāng)螺紋緊固件被擰 緊時，我們將能量泵入其中，并且，在我們放開之后，這種能量由摩擦約束保持在其中。典型 地，這些摩擦約束在很大程度上集中在緊固件螺紋中，作為其細度的結(jié)果這些緊固螺紋又 經(jīng)常代表該緊固件的最精細的部分。如以上所述的惡劣的環(huán)境因素可導(dǎo)致螺紋緊固件放松 其所有的預(yù)載荷并且真正地丟失（"松動"問題）。與松動在某種程度上有關(guān)的是螺紋剝 離，當(dāng)螺紋緊固件被過度擰緊時發(fā)生的另一種故障；螺紋剝離的特征在于該緊固件螺紋的 變形（改變），典型地導(dǎo)致性能的降低。
[0007] 某些緊固件，包括某些無螺紋緊固件和螺紋緊固件，可能具有復(fù)雜的設(shè)計，并且從 適當(dāng)?shù)牟牧铣尚?機械加工它們可能是一件艱難的事情。在螺紋緊固件的情況下，形成精 細且規(guī)則的螺紋已經(jīng)被證明是特別不容易的。
[0008] 材料的選擇對于緊固件是關(guān)鍵的。
[0009] 然而，金屬緊固件呈現(xiàn)一定數(shù)量的缺點。金屬緊固件是重的這在重量成為問題的 應(yīng)用中是缺點，例如值得注意地在飛機應(yīng)用中。金屬緊固件總體上還易于腐蝕并且是導(dǎo)電 的。從金屬機械加工復(fù)雜的形狀，以及形成精細且規(guī)則的螺紋也是一個艱難的事。
[0010] 因此對于如以上列出的若干原因，聚合物材料是有用的金屬替代品。
[0011] 然而，重要的是所述緊固件是由易于加工成緊固件的聚合物材料制成的并且所 述聚合物材料能夠提供所要求的機械特性水平，特別是尤其具有優(yōu)異的剛度和延展性的 平衡，高的伸長率強度，高的撓曲強度以及，最后但并非最不重要的，高的抗扭強度（或扭 矩），這與材料的固有的剪切強度相關(guān)。事實上，對于許多緊固件，包括但不限于螺紋緊固 件，負荷承載能力典型地是結(jié)構(gòu)材料的剪切或扭轉(zhuǎn)強度的函數(shù)。
[0012] 已知的是碳纖維增強的聚醚醚酮（PEEK)組合物已經(jīng)被用來在各種各樣的應(yīng)用中 諸如值得注意地在航空航天應(yīng)用中替代鋁、黃銅、鋼和不銹鋼緊固件。
[0013] 已知的是在緊固件的制造中，使用不同的加工技術(shù)，諸如值得注意地是注塑或擠 出，所述PAEK聚合物的結(jié)晶速率起著重要的作用。稍慢的結(jié)晶速率可能已經(jīng)導(dǎo)致制造具有 例如不均勻性的缺陷如值得注意地是外觀和顏色的不均勻性，以及皮-芯變化效應(yīng)其中螺 紋螺釘，例如在壁附近將更加無定形并且在中心附近更加結(jié)晶的緊固件（特別是在所述緊 固件的一小部分中）。這導(dǎo)致螺釘?shù)闹苓叢糠志哂姓w模制的限制剪切強度。
[0014] 對于由聚合物組合物制成的緊固件仍然存在一種持續(xù)的需要，其中所述緊固件具 有的特征為優(yōu)異的剛性和延展性的平衡，高的扭矩，高的實際韌性（高拉伸伸長率），高的 在拉伸中和在沖擊載荷下的伸長能力，高的強度，高的耐化學(xué)性，輕重量，以及能夠通過熔 融加工技術(shù)，諸如擠出或注射模制容易地形成的均勻結(jié)晶度，包括當(dāng)所考慮的零件具有復(fù) 雜的形狀和/或非常薄的部分（例如，螺紋，或者當(dāng)必須使用具有小孔的擠出機時）。最后 但并非最不重要的，由于當(dāng)前和未來幾代飛機的輕重量和能源效率的關(guān)鍵性，聚合物材料 的比重需要盡可能地低。在這些情況下，使用具有相對高負荷的玻璃增強物（即20%或更 高）的玻璃纖維增強樹脂從單位重量和移動性的觀點來看可能變得不利，因為這些增強物 顯著增加了相對于相應(yīng)的未填充聚合物該組合物的密度。碳纖維由于其相對于玻璃纖維更 低的密度可以減輕這種影響，但在另一方面碳纖維增強的塑料具有導(dǎo)電性問題，這可能導(dǎo) 致存在的配合鋁結(jié)構(gòu)的電化腐蝕。這限制了碳纖維增強的PEEK的效用的范圍。增強塑料像 使用玻璃纖維和碳纖維增強的PEEK，例如，受制于該組合物具有遍及該零件的各個位置的 不均勻特性，取決于纖維如何取向以及最終零件如何制造。在纖維的流動方向或?qū)R方向 上強度和剛度是非常高的并且垂直于這些纖維的取向?qū)崿F(xiàn)了弱得多的特性。剛才提及的強 烈的各向異性還導(dǎo)致注塑模制的零件的翹曲問題，因為零件的不同部位或尺寸可能收縮不 同，這取決于在該特定方向上纖維對齊的狀態(tài)。因此，本領(lǐng)域中對于不賦予用于飛機和航空 航天應(yīng)用的緊固件中使用的組合物這種高各向異性特征的增強物或填充劑存在一種需要。
[0015] 附圖簡要說明
[0016] 為了本發(fā)明的詳細說明，現(xiàn)將參考以下附圖，其中：
[0017] 圖1表示圓形彎曲的帶鉤螺栓的實例；A、L、R、C、T和D是所述帶鉤螺栓的特征尺 寸。
[0018] 圖2表示根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)螺紋螺柱的實例。
[0019] 圖3表示根據(jù)本發(fā)明的柱頭螺柱（tap-endstud)的實例。
[0020] 圖4表示根據(jù)本發(fā)明的柱頭螺柱的實例。
[0021] 圖5表示根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部和外部帶螺紋的襯套的實例。
[0022] 圖6表示根據(jù)本發(fā)明的鉚釘銷的實例，該鉚釘銷將軛（yoke)連接到桿端上。
[0023] 圖7表示A:新的開□銷，B:安裝的開□銷，C:彈簧銷，D:開□銷的橫截面（傳統(tǒng) 的設(shè)計）。
[0024] 圖8表示根據(jù)本發(fā)明的錐形銷的實例。
[0025] 發(fā)明概述
[0026] 本發(fā)明解決以上詳述的需求并且涉及包含聚合物組合物[組合物（C)，在下文中] 的緊固件，該聚合物組合物包含
[0027] ⑴至少一種聚芳醚酮聚合物[(PAEK)聚合物];
[0028] (ii)至少一種具有如在CRC出版社的《化學(xué)和物理手冊》，第64版，第B-65至 B-158 頁（《HandbookofChemistryandPhysics》，CRCPress, 64thedition,pagesB-65 toB-158)中定義的從1. 3至2. 5的電負性（e)的元素的氮化物（NI)。
[0029] 緊固件（F)
[0030] 如在此用來描述緊固件（F)的所有術(shù)語對技術(shù)人員是非常熟悉的，并且應(yīng)當(dāng)以它 們的常用含義理解。
[0031] 緊固件（F)通常是特別設(shè)計用于保持、連接、結(jié)合、組裝或維持單個或多個部件的 平衡的機械裝置。所得到的組件可以動態(tài)地或靜態(tài)地作為機構(gòu)或結(jié)構(gòu)的主要或次級部件起 作用?；陬A(yù)期的應(yīng)用，緊固件（F)可以接收不同程度的內(nèi)置精密和工程能力，從而在有計 劃的、預(yù)先建立的環(huán)境條件下確保足夠的、完善的服務(wù)。
[0032] 組合物（C)的重量，基于該緊固件（F)的總重量，通常是高于10%，優(yōu)選高于50% 并且更優(yōu)選高于90%。仍然更優(yōu)選地，該緊固件（F)主要由該組合物（C)組成。最優(yōu)選地， 該緊固件（F)由該組合物（C)組成。
[0033] 該緊固件（F)可以由一個零件組成，即它是單一部件裝置。然后，該單一零件由該 組合物（C)組成?？商娲兀摼o固件（F)可以由若干個零件組成。這種情況是，該緊固 件（F)的一個零件亦或若干個零件可以由該組合物（C)組成。當(dāng)該緊固件（F)的若干個零 件由該組合物（C)組成時，其中每一個可以由完全相同的組合物（C)組成；可替代地，其中 至少兩個可以由根據(jù)本發(fā)明的不同的組合物（C)組成。
[0034] 該緊固件（F)可以是螺紋緊固件，即含有螺紋的緊固件。
[0035] 螺紋典型地是存在于螺紋緊固件的表面的至少一部分上的隆起線（凸起的線或 條）或凹槽或肋狀物。螺紋可以具有不同的形式，包括盤旋形、螺旋狀或平行線。螺紋值得 注意地可以圍繞某些螺釘、螺栓和螺母的圓周存在。
[0036] 有利地，包含在緊固件（F)中的螺紋的至少一部分是由組合物（C)構(gòu)成。優(yōu)選地， 包含在緊固件（F)中的基本上全部螺紋是由組合物（C)構(gòu)成。更優(yōu)選地，包含在緊固件（F) 中的全部螺紋是由組合物（C)構(gòu)成。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的螺紋緊固件的螺紋表面，特別是當(dāng)基本上其全部螺紋是由組合物 (C)構(gòu)成時，可以表示由所述螺紋緊固件開發(fā)的全部表面的高于1%、高于2%、高于5%、高 于10%、高于20%、高于30%、高于40%、高于50%、高于60%、高于70%、高于80%、高于 90%、高于95%、高于99%或約100%。
[0038] 緊固件（F)可以是外部帶螺紋的，即它可以具有在圓柱體或其他體積（諸如螺栓 和螺釘）的外部的至少一部分上形成的螺紋。根據(jù)本發(fā)明的外部螺紋緊固件的螺紋表面， 特別是當(dāng)基本上其全部螺紋是由組合物（C)構(gòu)成時，可以表示由所述外部螺紋緊固件開發(fā) 的外表面的高于1 %、高于2%、高于5%、高于10%、高于20%、高于30%、高于40%、高于 50%、高于60%、高于70%、高于80%、高于90%、高于95%、高于99%或約100%。
[0039] 緊固件（F)可以是內(nèi)部帶螺紋的，即它可以具有在圓柱體或其他體積（諸如螺母） 的內(nèi)部的至少一部分上形成的螺紋。根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部螺紋緊固件的螺紋表面，特別是當(dāng) 基本上其全部螺紋是由組合物（C)構(gòu)成時，可以表示由所述內(nèi)部螺紋緊固件開發(fā)的內(nèi)表面 的尚于1%、尚于2%、尚于5%、尚于10%、尚于20%、尚于30%、尚于40%、尚于50%、尚 于60%、高于70%、高于80%、高于90%、高于95%、高于99%或約100%。
[0040] 緊固件（F)可以是內(nèi)部和外部二者都帶螺紋的，即它可以具有在圓柱體或其他體 積的外部的至少一部分上形成的螺紋，以及在所述圓柱體或其他體積的內(nèi)部的至少一部分 上形成的螺紋，諸如某些內(nèi)部和外部螺紋襯套。
[0041] 在一個實施例中，該緊固件（F)是螺紋緊固件，當(dāng)該螺紋緊固件的基本上全部螺 紋是由組合物（C)構(gòu)成并且該螺紋緊固件的螺紋表面表示其全部表面的高于10%、優(yōu)選高 于20 %、并且更優(yōu)選高于50 %時，獲得了出色的結(jié)果。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的常用類型的螺紋緊固件包括螺栓、螺母、無頭定位螺釘、螺旋鉚釘 (scrivet)、螺柱以及螺紋襯套。
[0043] 該緊固件（F)可以是螺栓。螺栓典型地是有頭的、外部帶螺紋的緊固件。螺栓通 常被設(shè)計為用于插入通過組裝的零件中的孔以與螺