金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法
2023-10-24 06:29:17
專利名稱：金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法，其中加強陶瓷以均勻方式分布在金屬基體中。
本發明試圖應用於所有採用金屬/陶瓷複合基材或薄膜的領域，且尤其是用於例如汽車或航空領域的電子元件製造領域。
用於製造金屬/陶瓷複合薄膜的其它一些方法是壓制、注入和擠出的方法。但是這些方法中沒有一種可得到具有很好表面狀態的薄膜。而且，這些方法很昂貴，因為該薄膜的厚度小於1毫米。
此外，還存在一些可製成薄膜的帶狀物澆鑄方法。這類方法在下列文件中描述ALCOCK J.，DESCRIBE S.，Tape casting，a flexible approach tosurface engineering，Materials world，13-14，2月(2000)；BHNLEIN-MAUβJ.，SIGMUND W.，WEGNER G.，MEYER W.H.，HeβEL E.，SEITZ K，ROOSENA.，The fonction in the tape casting of alumina，Advanced Materials，vol.4，n°2，73-81(1992)；MORENO R.The role of slip additives in tape castingtechnologypart I-Solvents and dispersants，American Ceramic SocietyBulletin，vol.71，n°10，1521-1531(1992)；MORENO R.，The role of slipadditives in tape casting technologypart II-Blinders and Plasticizers，American Ceramic Society Bulletin，vol.71，n°11，1647-1657(1992)以及美國專利US-5 002 710和US-5 473 008。
但是，在這些有關帶狀物澆鑄工程的組件中找不到一種能夠澆鑄金屬/陶瓷複合材料帶狀物的裝置(工作檯+懸持架)。
發明內容
本發明的目的正是克服上述薄膜製造方法的缺陷。為此，本發明提供了一種採用帶狀物澆鑄的方法製造金屬/陶瓷複合薄膜。
按照更為準確的方式，本發明涉及一種金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法，包括a)在一有機溶劑中通過基本上均勻地混合加強陶瓷和金屬顆粒、一種粘合劑、一種增塑劑和一種分散劑來製備一懸浮液(S)，金屬顆粒至少佔該懸浮液質量的5％；b)對該懸浮液(S)進行帶狀物澆鑄，以形成一薄膜，然後對該薄膜進行去粘；c)在一爐中對該去粘的薄膜實施緻密化。
帶狀物澆鑄的技術可指導且控制加強陶瓷的分布。
換句話說，根據本發明的上述方法可製造出陶瓷顆粒在薄膜平面內取向的金屬/陶瓷複合膜，尤其對於各向異性的顆粒，如纖維和薄片。這可改善在該膜平面內複合物的某些性質，如減小熱膨脹係數和增加導熱性。
優選的，該懸浮液具有的粘度包括0.5～3Pa.s。
最好，該懸浮液通過混合以下成分製成—至少一種金屬粉末和至少一種加強陶瓷，構成該懸浮液總體積的30～60％；—一有機溶劑約佔該懸浮液體積的15～45％；—一種粘合劑和一種增塑劑約佔該懸浮液體積的30～70％；—一種分散劑約佔加強陶瓷和金屬粉末質量的0.1～2％；和—其它添加物，約佔加強陶瓷和金屬粉末質量的0.01～2％。
根據本發明的一種實施方式，該分散劑是一種磷酸酯、聚丙烯酸酯、磺酸酯、氟酸酯或具有2至30個碳原子的含碳鏈的酸。
根據本發明，該金屬粉末是一種銅、鋁、銀、金、鎳、鈦、鉻或鋅粉末，也可是這些金屬中的兩種或多種的合金。該加強陶瓷可是一種石墨、碳化物、氮化物或氧化物的粉末和/或短纖維(也就是說長度在1～500μm之間的纖維)。
根據本發明的一種變型，該膜的緻密化包括在一爐中進行燒結。
根據本發明的另一種變型，該膜緻密化包括對該膜熱軋和退火。
最好，製備懸浮液包括—在研磨罐中研碎，或磨碎帶有溶劑和分散劑的金屬和陶瓷粉末；且—在這個物質中加入且混合一粘合劑和一增塑劑。
本發明還提供了一種製備一層壓的複合結構件的方法，其中通過如上述的步驟a)和b)製成多個薄膜(未加工膜)，層疊所述薄膜，並使被層疊的薄膜經受一熱壓縮。
優選的，層疊的薄膜具有不同的成分。
具體實施例方式
本發明涉及一種金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法。
這種方法包括製備一懸浮液，也稱為《料漿》，包括基本上均勻地混合加強陶瓷和金屬顆粒。
這些金屬顆粒和加強陶瓷被分別以一種或多種金屬粉末和一種或多種加強陶瓷的形式選定。這些粉末和短纖維被混合了一種有機溶劑、一種分散劑，一種粘合劑和一種增塑劑。
這些不同成分的比例如下—金屬粉末和加強陶瓷佔該懸浮液乾物質總體積(也就是說由粘合劑、增塑劑和金屬與陶瓷粉末所佔的總體積)的30～60％；—該溶劑佔乾物質總體積的15～45％；—該粘合劑和增塑劑佔乾物質總體積的30～70％；—該分散劑為金屬粉末和加強陶瓷質量的0.01～2％；—所添加的其它添加物，例如脫膠劑和/或潤溼劑，為金屬和陶瓷粉末質量的0.01～2％。
圖1表示了本發明方法的該第一步驟，也就是製備懸浮液的步驟。
這個製備懸浮液S的步驟包括，首先，在研磨罐中研碎或磨碎帶有溶劑和分散劑的金屬和陶瓷粉末。這個研磨步驟通過一研磨裝置實施(如圖1中的附圖標記1表示)或通過一研磨罐實施。
然後將如此獲得的全部成分通過一個攪拌器，附圖標記2，混合粘合劑和增塑劑。
用於形成該懸浮液的金屬基體的一種或多種金屬粉末，可以例如是銅、鋁、銀、金、鎳、鈦、鉻或鋅粉末，也可是這些金屬中的兩種或幾種的合金。
用於形成該懸浮液的加強陶瓷的一種或多種加強陶瓷的短纖維或粉末，可以例如是石墨，或以碳為基礎的，例如碳化矽，以氮為基礎的，例如氮化鋁，也可是以氧化物為基礎的，例如矽石或鎢酸鋯。
這些加強陶瓷可呈現為纖維形或片狀，也可為基本上為球形穀物狀，直徑大約為0.1μm至100μm。
這些纖維一般直徑為10nm至10μm的短纖維，且長度為100nm至10mm。
這些加強陶瓷可被塗一層金屬材料，例如鈷、鎳、銀或金。在這種情況下，金屬塗層的厚度至少為0.01μm。這種塗層可通過將加強陶瓷浸入一電解槽製成。這種塗層的優點在於可在薄膜緻密化的步驟中改善材料的緻密化作用，且尤其是當緻密化的步驟中包括一燒結步驟時，因為它可增大金屬/陶瓷的接觸面。
根據本發明製成的該懸浮液是一種懸浮液或有機系統。
因此，用於製成該懸浮液S的溶劑是一種有機溶劑，一般可從酮、酒精及其混合物中選擇。
用於製造該懸浮液的該分散劑起到的作用是通過增大加強陶瓷與金屬顆粒之間的斥力來保證該懸浮液的均勻性和穩定性。
換句話說，該分散劑保證顆粒之間的良好的穩定性和良好的分散性。乾燥後，該分散劑可使獲得一均勻且緻密的帶狀物。
這種分散劑可從下列物質中選擇表面活性劑、如魚油的高分子物質、磷化酯、聚丙烯酸酯、磺酸酯、氟酸酯和具有2至30個碳原子的含碳鏈的酸，例如草酸和硬脂酸。
用於製造該懸浮液的該粘合劑起到的作用是在蒸發掉該溶劑後確保該帶狀物(或膜)的聚合力。這種粘合劑一般是一種不溶於水的化合物，可在下列物質中選擇多元醇、乙烯化合物，例如聚乙烯醇縮丁醛和丙烯酸化合物及其混合物。
用於這種懸浮液的該增塑劑用於保證該帶狀物有大的柔韌性、大的流度；當該懸浮液帶狀物澆鑄時，以及以後對該帶狀物的操作時，這種柔韌性是必須的。這種增塑劑可以是，例如，聚乙二醇或酞酸二丁酯。
換句話說，該懸浮液還包括一種增塑劑，該增塑劑可使獲得的帶狀物或薄膜柔韌且足夠牢固以便操作。事實上，該粘合劑/增塑劑的比例可調節該帶狀物的機械聚合力和柔韌性。因而這些帶狀物可被層疊和熱壓以便製成不同成分的帶狀物的堆疊。這種方案對現有技術的方法不是顯而易見的。
此外，請注意，根據本發明製成該懸浮液的該系統，不需要潤滑劑。
圖2示意性地表示本發明的方法的第二個步驟，也就是該懸浮液的帶狀物澆鑄的步驟。事實上，由該第一步驟製成的該懸浮液S被從一澆鑄臺3澆鑄以便形成一帶狀物B，也稱為薄膜。帶狀物的澆鑄包括在一支承上澆鑄該懸浮液S，該支承可以是，例如，一鋼帶8或一聚合物線材，圖2中的附圖標記5。為了能容易地澆鑄該懸浮液，該懸浮液的粘度應為0.5～3Pa.s。
該懸浮液的澆鑄是通過澆鑄臺的閘塊6與支承5之間的相對移動實現的。該閘塊6包括閘刀板7，其高度可調節。因此，該膜的厚度可通過改變閘刀板7與支承5之間的高度進行調節。因而由於該帶狀物澆鑄，我們可獲得非常合乎規定的膜厚度。
該懸浮液S被澆鑄為帶狀物B的形狀後，該帶狀物B進入到一受控環境的乾燥器4內，以便消除有機成分。這個步驟被稱為去粘(dliantage)。更準確地說，該熱去粘包括在受控環境下在一爐或一乾燥器4中緩慢加熱該帶狀材料，以消除主要包括粘合劑和增塑劑的有機成分。例如，在該乾燥器內加熱的速度在100℃～500℃之間為0.2～2℃/分鐘。
圖3A和3B表示根據本發明的第三個步驟的兩種不同的實施方式，也就是說該膜的緻密化步驟。
這個緻密化步驟包括蒸發溶劑和乾燥去粘後得到的薄膜。
這個膜緻密化的步驟起到的作用是蒸發溶劑。該步驟例如可通過兩種不同的方法實施該膜可通過在一具有通道的爐或一非連續爐中燒結被緻密化；也可使用一軋機和一退火爐通過熱軋實施。
在圖3A表示的第一變型中，示出了去粘後得到的該膜B被切割成P1～Pn板。這些板被引入一受控環境下的爐，附圖標記9。該爐可是一具有通道的爐或一非連續爐。通過燒結進行的緻密化是在受控環境下，或在減壓環境下進行的，例如氫環境、氮化氫環境、氬環境或者氫化氬環境，以避免材料氧化。
燒結的溫度取決於金屬粉末和加強陶瓷的顆粒度和性質。例如，對於銅粉末，該溫度在700℃～1080℃之間；對於鋁粉末，該溫度在450℃～650℃之間。
緻密化步驟的第二變型在圖3B中示出。在該變型中，該膜B被引入設置在一退火爐11中的一軋機10中。因而該膜B在該爐11中在受控環境下被熱壓。在該退火爐11的出口處進行將該膜B切割為板P1，P2，...。
通過對膜熱軋和退火的緻密化的方式可在壓力和溫度作用下改善緻密度。因而這種變型尤其適用於通過天然燒結緻密化差的複合金屬/陶瓷，以及由延展性金屬構成的複合物，如銅、鋁和金。
權利要求
1.金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法，其特徵在於它包括a)在一有機溶劑中由基本上均勻地混合加強陶瓷和金屬顆粒、一種粘合劑、一種增塑劑和一種分散劑來製備一懸浮液(S)，金屬顆粒至少佔該懸浮液質量的5％；b)將該懸浮液(S)進行帶狀物澆鑄，以形成薄膜(B)，然後對該薄膜進行去粘；c)在一爐中對該去粘的薄膜實施緻密化。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該懸浮液(S)具有的粘度為0.5～3Pa.s。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，該懸浮液(S)通過混合以下成分製成—至少一種金屬粉末和至少一種陶瓷材料，構成該懸浮液總體積的30～60％；—一有機溶劑，約佔該懸浮液體積的15～45％；—一種粘合劑和一種增塑劑，約佔該懸浮液體積的30～70％；—一種分散劑，約佔加強陶瓷和金屬粉末質量的0.1～2％；且—其它添加物，約佔加強陶瓷和金屬粉末質量的0.01～2％。
4.如權利要求1～3之一所述的方法，其特徵在於，該粘合劑是一種不溶於水的化合物，可從多元醇、乙烯化合物，丙烯酸化合物及其混合物中選擇。
5.如權利要求1～4之一所述的方法，其中，有機溶劑可從酮、酒精及其混合物中選擇。
6.如權利要求1～5之一所述的方法，其中，分散劑可從表面活性劑、如魚油的高分子物質、磷化酯、聚丙烯酸酯、磺酸酯、氟酸酯和具有2至30個碳原子的含碳鏈的酸中選擇。
7.如權利要求3～6之一所述的方法，其特徵在於，該金屬粉末是一種銅、鋁、銀、金、鎳、鈦、鉻或鋅粉末，也可是這些金屬中的兩種或幾種的合金。
8.如權利要求3～7之一所述的方法，其特徵在於，該加強陶瓷是一種石墨、碳化物、氮化物或氧化物的粉末和/或短纖維。
9.如權利要求1～8之一所述的方法，其特徵在於，該膜緻密化包括在一爐中進行燒結。
10.如權利要求1～8之一所述的方法，其特徵在於，該膜緻密化包括對該膜熱軋和退火。
11.如權利要求3～10之一所述的方法，其特徵在於，製備懸浮液的步驟包括—在研磨罐中研碎，或磨碎帶有溶劑和分散劑的金屬和陶瓷粉末；然後—在這個物質中加入且混合一粘合劑和一增塑劑。
12.製備一層壓結構的複合件的方法，其中通過如權利要求1的步驟a)和b)製成多個薄膜，層疊所述薄膜，並使被層疊的薄膜經受一熱壓縮的疊置。
13.如權利要求12所述的方法，其中，薄膜具有不同的成分。
全文摘要
本發明涉及一種金屬/陶瓷複合薄膜的製造方法，其特徵在於它包括a)在一有機溶劑中由基本上均勻地混合加強陶瓷和金屬顆粒、一種粘合劑、一種增塑劑和一種分散劑來製備一懸浮液(S)，金屬顆粒至少佔該懸浮液質量的5％；b)將該懸浮液(S)澆鑄為帶狀物，以形成薄膜(B)，然後對該薄膜進行去粘；c)在一爐中對該去粘的薄膜實施增加緻密度。
文檔編號B32B37/06GK1479659SQ018201
公開日2004年3月3日 申請日期2001年12月6日 優先權日2000年12月8日
發明者J·－F·西爾萬, T·沙爾捷, P·－M·熱弗魯瓦, J -F 西爾萬, と雀ヂ懲 申請人:法國國家科學研究中心