汽车应用中的气凝胶整料生产的低成本、大批量生产方法

技术领域

本公开涉及一种使用气凝胶或溶胶材料制造零件的方法，并且更具体地涉及使用此类材料制造用于机动车辆中的应用的零件。

背景技术

本部分中的陈述仅提供了与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

纳米多孔材料表现出广泛的独特材料性质。使用纳米多孔材料进行热绝缘提供了重量轻且体积较小的零件，其也可以防止热失控传播。这作为电动车辆的电池阵列中的热障以及作为车辆中的各种电子部件的热管理是特别期望的。在车辆设计中，由于车身已经很拥挤并且空间有限，因此需要较小体积的零件。

常规的制造方法，诸如使用超临界干燥方法的那些方法，是耗时的并且需要相对昂贵的高温和高压设备。此外，这些方法提供相对较小规模(即，以数百计的零件)的生产。这使得常规方法对于汽车应用来说是不期望的。在汽车工业中，通常采用大规模生产(即，以百万计的零件)来满足需求。

本公开解决了与先进的轻质材料相关的大批量生产挑战。

发明内容

本部分提供了对本公开的总体概述并且不是对其全部范围或其所有特征的全面公开。

提供了一种生产多个零件的方法，所述方法包括将溶胶混合物放入工具的型腔中，所述溶胶混合物包含溶剂。接下来，将金属箔放置在型腔的顶部上方，并且将石墨垫圈放置在金属箔上方。将带有溶胶混合物的工具、金属箔和石墨垫圈固定在一起以形成工具加工舱。将多个工具加工舱放置在输送机系统内，并且加热所述多个工具加工舱，直到溶胶混合物的溶剂至少达到溶剂的超临界条件。在达到超临界条件之后，从所述多个工具加工舱中的每一个释放压力，将所述多个工具加工舱冷却到大约室温，并且从所述多个工具加工舱中移除零件，其中所述方法是连续的。

在可以单独地或以任何组合采用的该方法的变型中：溶剂包括乙醇和甲醇中的至少一种；通过电阻加热器和感应加热中的至少一者执行所述加热；所述冷却由鼓风机和冷却器中的至少一者执行；所述输送系统的速度基于所述溶胶混合物的溶剂是可变的；加热步骤的加热曲线基于溶胶混合物的溶剂是可变的；工具加工舱之间的间隔基于溶胶混合物的溶剂是可变的；监测所述多个工具加工舱中的每一个内的温度和压力中的至少一者；使用压力释放阀以预定值释放所述多个工具加工舱中的每一个内的压力；压力释放阀是针阀；所述多个工具加工舱包括多种不同的溶胶混合物成分；在没有外部约束力的情况下加热工具加工舱；在将所述溶胶混合物放入型腔中之前将脱模剂施加到型腔；溶胶混合物包含气凝胶材料；气凝胶材料包括选自由二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳化铪、聚合物和硫属化物半导体组成的组的前体；并且在将零件从工具加工舱移除之后，工具加工舱被自动输送到填充站，在所述填充站处，将溶胶混合物放置到每个工具加工舱的型腔中，随后重新形成工具加工舱并将所述多个重新形成的工具加工舱自动输送到输送机系统，从而形成闭环连续方法。

在另一种形式中，一种生产多个零件的方法包括：将溶胶混合物放置到工具加工舱的型腔中，溶胶混合物包括溶剂；将带有溶胶混合物的多个工具加工舱放置在输送机系统内；加热所述多个工具加工舱直到溶胶混合物的溶剂至少达到溶剂的超临界条件；在达到超临界条件之后释放所述多个工具加工舱中的每一个内的压力；将所述多个工具加工舱冷却到大约室温；并且从所述多个工具加工舱移除零件，其中所述方法是连续的。

在该方法的变型中，在没有外部约束力的情况下加热工具加工舱。

在又一种形式中，一种生产多个零件的方法包括：将溶胶混合物放置到工具加工舱的型腔中，溶胶混合物包括溶剂；将带有溶胶混合物的多个工具加工舱放置在输送机系统内；加热所述多个工具加工舱直到溶胶混合物的溶剂至少达到溶剂的超临界条件；在达到超临界条件之后释放所述多个工具加工舱中的每一个内的压力；将所述多个工具加工舱冷却到大约室温；从所述多个工具加工舱移除零件；将所述多个工具加工舱自动输送到填充站，在所述填充站处，将溶胶混合物放置到每个工具加工舱的型腔中；以及将所述多个工具加工舱自动输送到输送机系统，从而形成闭环连续方法。

在该方法的变型中，在没有外部约束力的情况下加热工具加工舱。

根据本文中提供的描述，另外的适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅意图用于说明目的，而不意在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图通过举例的方式描述本公开的各种形式，在附图中：

图1是根据本公开的在一种方法中使用的工具加工舱的侧横截面图；

图2A是根据本公开的一种形式的用于生产多个零件的系统的示意图；

图2B是生产图2A中所示的多个零件的系统的变型的示意图；

图3是根据本公开的另一种形式的生产多个零件的系统的示意图；

图4是概述根据本公开的生产多个零件的方法的流程图；

图5是根据本公开的教导构造的石墨烯气凝胶整料的表面形态的扫描电子显微镜(SEM)图像；以及

图6是针对根据本公开的方法制造的样品零件测量的压力随时间变化的曲线图。

本文中描述的附图仅用于说明目的，而并非意图以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的并且不意图限制本公开、应用或用途。应当理解，贯穿附图，对应的附图标记指示相似或对应的零件和特征。

参考图1，示出了用于使用溶胶混合物生产零件的工具加工舱，并且其总体上由附图标记20指示。工具加工舱20通常包括工具22，所述工具包括上部工具部分22A和下部工具部分22B以及形成在下部工具部分22B中的型腔24。型腔24可以形成在上部工具部分22A和下部工具部分22B中的一者或两者中，并且大体上呈待形成的零件的形状。因此，下部工具部分22B中的型腔24的配置仅是示例性的，并且不应被解释为限制本公开的范围。

型腔24被配置为填充有溶胶混合物30。溶胶混合物30包括溶剂，根据本公开的不同形式，所述溶剂可以是甲醇或乙醇。在一种形式中，溶胶混合物30是气凝胶材料。所述气凝胶材料包括选自由二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳化铪、聚合物和硫属化物半导体组成的组的前体。作为非限制性示例，溶胶混合物可以包含约15.5mL的原硅酸乙酯(TEOS)、约20mL的无水乙醇(绝对乙醇)、约0.5mL的水和约6mL的0.01M草酸。将这些组分组合以形成混合物并且将所述混合物搅拌约15分钟。然后使混合物静置约45分钟。然后将约0.5mL的0.325M氢氧化铵添加到混合物，然后将所得混合物混合约1至2分钟。此外，在将溶胶混合物30放置到型腔24中之前，可以将脱模剂施加到型腔24的内表面。

工具加工舱20还包括放置在型腔24的顶部上方的任选的金属箔26和放置在金属箔26上方的任选的石墨垫圈28，如图所示。金属箔26和石墨垫圈28在高温成形过程期间提供高温密封，如下面更详细描述的。在美国专利号7,384,988中示出并描述了类似工具的垫圈和其他部件的进一步细节，所述专利通过引用整体并入本文。(为了清楚和便于观察，图1中所示的金属箔26和石墨垫圈未按比例绘制)。

上部工具部分22A和下部工具部分22B、金属箔26和石墨垫圈28使用例如机械紧固件(诸如如图所示的螺栓32)固定在一起。重要的是，工具22静态地保持在一起，并且在加热期间不经受外部约束力(诸如作为示例的热压机)。因此，工具加工舱20容易且快速地输送通过各种处理站，如下面更详细地阐述的。

如进一步所示，工具加工舱20还包括压力释放阀36，所述压力释放阀在一种形式中是针阀。如图所示，压力释放阀36与型腔24和外部环境流体连通，并且当高温处理期间的压力(下面更详细地描述)达到预定水平时，压力从型腔24释放。通常，这种方法被称为快速超临界萃取(RSCE)工艺。

现在参考图2A，为了促进相对高的生产速率，多个工具加工舱20被放置在输送机系统34内并且被加热直到溶胶混合物30的溶剂达到至少超临界条件。作为非限制性示例，对于乙醇，超临界条件包括大于或等于约800磅每平方英寸(psi)的压力和大于或等于约290℃的温度。多个工具加工舱20中的每一个可以包括多种不同的溶胶混合物成分。例如，一个工具加工舱20可以包括二氧化硅作为溶胶混合物30中的前体，而另一个工具加工舱20'可以包括氧化铝作为前体。替代地，工具加工舱20中的每一个可以包括相同的溶胶混合物成分。

在本公开的一个方面，输送机系统34的速度基于溶胶混合物30的溶剂是可变的。例如，一些溶胶成分可能需要比其他溶胶成分更长的处理时间，并且因此如果两种溶胶材料都沿着输送机系统34排队，则输送机系统34的速度可以改变。如图2B所示，舱20、20'、20”之间的间隔基于溶胶混合物30的溶剂或其他组成元素是可变的。

为了提供必要的热量来活化溶胶成分，通过电阻加热器38提供一种形式的加热。然而，可以通过多种手段进行加热，包括例如感应加热或强制加热的空气等。

如上所述，在没有外部约束力的情况下加热多个工具加工舱20。换句话说，多个工具加工舱20在整个输送机系统34中没有由另一个装置(例如，热压机)施加的外部压力/力，而是作为独立的单元移动通过加热环境42，因为型腔24内的溶胶成分的温度和压力稳定地增加到如本文所述的超临界条件。

在本公开的另外的方面，整个输送系统34的加热曲线基于溶胶混合物30的溶剂或其他组成元素是可变的。加热曲线通常是给定时间段内的温度变化，并且因此可以根据工具加工舱20配置和特定溶胶成分来设定斜坡上升速率、斜坡下降速率和任何保持时间。

在加热期间，溶胶混合物30经历凝胶化。在达到溶剂的超临界条件之后，释放多个工具加工舱20中的每一个内的压力。在本公开的一个方面，使用压力释放阀36以预定值释放多个工具加工舱20中的每一个内的压力。压力释放阀36可以是针阀；然而，本公开不限于此。在本公开的另一方面，使用例如附接到工具加工舱中的热电偶(未示出)和设置在型腔内的压力传感器(未示出)来监测多个工具加工舱20中的每一个内的温度和压力中的至少一者。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用监测多个工具加工舱中的每一个内的温度和压力中的至少一者的其他方式。对工具加工舱内的温度和压力的监测跟踪溶胶混合物的加热曲线和在达到溶剂的超临界条件之后的预期压力释放。

在加热之后，将多个工具加工舱20冷却到大约室温，并且从多个工具加工舱20移除零件。如本文所使用的，术语“室温”应被解释为意指约77℉(约25℃)。在本公开的一个方面，所述冷却由鼓风机和冷却器中的至少一者执行。然而，本公开不限于此。下面在“测试”部分中更详细地阐述了干燥过程的进一步细节。

如本文所使用的，术语“连续的”应被解释为意味着多个工具加工舱20连续地且逐渐地移动并且通过输送机系统34被处理，使得产生高产量的零件。在一种形式中，“高产”是每小时约60-240个零件。

现在参考图3，在本公开的另一种形式中，将带有溶胶混合物30的多个工具加工舱20放置在闭环输送机系统40内。加热工具加工舱20，直到溶胶混合物30的溶剂至少达到溶剂的超临界条件，并且在达到溶剂的超临界条件之后释放工具加工舱20中的每一个内的压力，如上所述的。在这种形式中，零件在移除站44处从工具加工舱20移除，并且然后工具加工舱20被自动输送到填充站46，在所述填充站处，将溶胶混合物30放置到每个工具加工舱20的型腔24中，之后是重新成形(将上部工具部分22A固定到下部工具部分22B)工具加工舱20并且自动地将工具加工舱20输送通过闭环输送机系统40，从而形成闭环连续方法。任选地，在移除零件之后并且在将工具加工舱输送到填充站46之前，清洁工具加工舱20并且将脱模剂施加到型腔24的内部。

现在参考图4，一种生产多个零件50的方法包括在52处将溶胶混合物放入工具的型腔中，所述溶胶混合物包含溶剂。任选地，方法50还可以包括在54处将金属箔放置在型腔的顶部上方，并且在56处将石墨垫圈放置在金属箔上方。方法50然后包括在58处将带有溶胶混合物的工具以及任选的金属箔和石墨垫圈固定在一起以形成工具加工舱。

在60处，将多个工具加工舱放置在输送机系统内。方法50还包括在62处加热多个工具加工舱，直到溶胶混合物的溶剂至少达到超临界条件，并且在64处在达到溶剂的超临界条件之后释放多个工具加工舱中的每一个内的压力。

在66处将多个工具加工舱冷却到大约室温，并且在68处从多个工具加工舱移除零件。任选地，方法50还包括在70处将所述多个工具加工舱自动输送到填充站，在所述填充站处，将溶胶混合物放置到每个工具加工舱的型腔中，以及在72处将所述多个工具加工舱自动输送回输送机系统。

测试

研究了通过根据本公开的方法生产的零件的材料性质，特别是密度、热导率和燃烧特性。测试高度为约25mm且直径为50mm的样品零件的密度。测得的体积密度低至0.0531g/cm

通过根据本公开的方法生产的样品零件的热导率被测量为0.020W/(m·K)。该值较低并且与过去通过RSCE方法生产的零件(其为0.030-0.040W/(m·K))相当。

使用焊枪和热感相机对通过根据本公开的方法生产的样品零件进行燃烧测试。具体地，研究了可燃性、火焰传播和热量释放。在燃烧测试期间，焊枪在约1000℃下燃烧。在约10秒之后，通过根据本公开的方法生产的零件保持在环境温度下(即，没有由于燃烧引起的温度变化)。另外，零件不点燃并且具有低至无热量释放和热量传播。

还从测试样品中进行表面积测量，所述测试样品在约200℃下脱气约5小时。使用5点比表面积测试(BET)分析来确定表面积，并且结果为如下表1所示：

表1.表面积测试结果

如图所示，表面积在12小时至36小时的时间段内增加，并且在60小时时略微减小。已经表明，二氧化硅湿凝胶的较长老化导致制造后的气凝胶更强且更硬，这可能是由于凝胶能够产生更完整的孔网络。对于二氧化硅气凝胶，这些表面积通常较低，但与用RSCE工艺制造的气凝胶一致。

还利用根据本公开的修改的RSCE工艺来制造具有石墨烯的样品。将石墨烯粉末添加到溶液中并在凝胶化之前混合。二氧化硅气凝胶整料中2.0重量％的石墨烯装载量证明在制造之后没有开裂。然而，7.0重量％的石墨烯装载量显示出显著的开裂。

使用万用表的简易双探针方法表明，通过添加石墨烯，气凝胶变得导电。因此，石墨烯与气凝胶的使用可以在具有这种性质的各种应用中实施，诸如作为示例，固态电池阳极应用。

参考图5，根据本公开制造的石墨烯增强的气凝胶的表面形态具有多孔结构。

下表2中示出了用于气凝胶/溶胶材料的多种其他材料及其热导率：

表2.气凝胶材料的热导率

如图所示，被测试的材料表现出优异的低热导率。填充玻璃垫的二氧化硅气凝胶整料具有比没有玻璃垫的样品略低的热导率。石墨烯是导热的，且因此在二氧化硅气凝胶中添加石墨烯增加了热导率。石墨烯在气凝胶中的装载量越高，热导率就越高。然而，在没有受控干燥/冷却过程的情况下，开裂的倾向随着石墨烯的更高装载量而增加。使用丙烯酸透明涂层来密封气凝胶毡的表面，使得松散的二氧化硅气凝胶粉末在处理期间不会从气凝胶毡上脱落。数据显示相对薄(约1-10μm)的透明涂层不会对气凝胶毡的热绝缘性质造成太大变化。

仔细控制样品的干燥过程以避免开裂。如上所述，监测工具加工舱的温度和压力两者，并且在一种形式中，每15分钟记录一次压力和温度变化。这种监测允许在干燥过程期间控制超流体相中的溶剂的状况。

参考图6，示出了一个示例性控制运行的压力与温度。在温度斜坡上升的前30分钟内没有观察到可辨别的压力变化。压力在150℃左右开始增加，并且在约230℃之后非常快速地增加。压力在1.5小时内达到1,000psi的峰值，然后随着气体渗出而开始缓慢下降。针阀在320℃下打开(一圈)并在完全打开之前保持30分钟。一旦针阀完全打开，压力就会迅速下降。然后关闭加热并允许工具加工舱自然冷却至室温。

除非本文另有明确指示，否则指示机械/热性质、组成百分比、尺寸和/或容差或其他特性的所有数值在描述本公开的范围时应当被理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于各种原因而期望这种修饰，所述原因包括工业实践、材料、制造和组装容差，以及测试能力。

如本文所使用，短语A、B和C中的至少一者应被解释为使用非排他性逻辑“或”表示逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一者、B中的至少一者以及C中的至少一者”。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此，不脱离本公开的实质的变型意图在本公开的范围内。不应将此类变型视为脱离本公开的精神和范围。

根据本发明，一种生产多个零件的方法包括：将溶胶混合物放置到工具的型腔中，溶胶混合物包括溶剂；将金属箔放置在型腔的顶部上方；将石墨垫圈放置在金属箔上方；将带有溶胶混合物的工具、金属箔和石墨垫圈固定在一起以形成工具加工舱；将多个工具加工舱放置在输送机系统内；加热所述多个工具加工舱直到溶胶混合物的溶剂至少达到溶剂的超临界条件；在达到超临界条件之后释放所述多个工具加工舱中的每一个内的压力；将所述多个工具加工舱冷却到大约室温；并且从所述多个工具加工舱移除零件，其中所述方法是连续的。

在本发明的一个方面，所述方法包括在将溶胶混合物放置到型腔中之前将脱模剂施加到型腔。

根据本发明，一种生产多个零件的方法包括：将溶胶混合物放置到工具加工舱的型腔中，溶胶混合物包括溶剂；将带有溶胶混合物的多个工具加工舱放置在输送机系统内；加热所述多个工具加工舱直到溶胶混合物的溶剂至少达到溶剂的超临界条件；在达到超临界条件之后释放所述多个工具加工舱中的每一个内的压力；将所述多个工具加工舱冷却到大约室温；从所述多个工具加工舱移除零件；将所述多个工具加工舱自动输送到填充站，在所述填充站处，将溶胶混合物放置到每个工具加工舱的型腔中；以及将所述多个工具加工舱自动输送到输送机系统，从而形成闭环连续方法。