具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製作方法

2023-06-01 23:56:21

本實用新型涉及一種複合結構，特別是涉及一種具有含鈦材料與塑料材料的複合結構。

背景技術：

在移動電子設備領域，尤其是在智能穿戴設備領域，鈦金屬材料具有諸多優點而成為這些領域所欲積極發展與應用的材料之一。具體來說，由於鈦金屬材料製品可以滿足現有智能穿戴設備的大型、輕薄以及美觀等需求，鈦金屬材料一般可被與塑料材料相互結合而形成智能穿戴設備的組件。

在結合鈦金屬材料以及塑料材料兩種不同特性的材料時，現有技術一般是利用卡扣結構或是螺栓結構等結構上的設計來將兩種材料彼此結合。然而，如此一來，將會增加製造成本並提高產品結構的複雜性，進而影響產品的美觀。因此，仍有需要發展出新的技術，以在不使用額外的固定結構下，通過對材料的表面進行處理而提升不同材料之間的結合力，以確保產品的質量。

技術實現要素：

為了解決上述問題，根據本實用新型的其中一實施例，本實用新型所提供的解決方案是，提供一種具有含鈦材料與塑料材料的複合結構，所述複合結構包括一含鈦工件、一形成於所述含鈦工件上的單一氧化膜，以及形成於所述單一氧化膜上的一塑料層，其中，所述單一氧化膜的厚度是介於200納米至1微米(μm)之間。

優選的，多個所述溝槽結構各自具有介於100至200納米之間的寬度以及介於400至800納米之間的長度。

優選的，所述複合結構還包含設置於所述單一氧化膜與所述塑料層之間的一粘著層，所述塑料層通過所述粘著層以與所述單一氧化膜相互結合。

本實用新型的有益效果在於，本實用新型所公開具有含鈦材料與塑料材料的複合結構，其能通過含鈦材料的表面具有較大深度的溝槽結構，藉此以促進含鈦材料與塑料材料之間的結合力。

為使能更進一步了解本實用新型的特徵及技術內容，請參閱以下有關本實用新型的詳細說明與附圖，然而所提供的附圖僅用於提供參考與說明，並非用來對本實用新型加以限制。

附圖說明

圖1為本實用新型其中一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法的流程圖；

圖2A為本實用新型實施例中所使用的含鈦工件的示意圖；

圖2B為本實用新型實施例所提供具有第一氧化膜的含鈦工件的示意圖；

圖2C為本實用新型實施例所提供具有單一氧化膜的含鈦工件的示意圖；

圖2D為本實用新型其中一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的示意圖；

圖3為本實用新型另一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法的流程圖；

圖4A為本實用新型實施例所提供具有單一氧化膜的含鈦工件與黏著層的示意圖；

圖4B為本實用新型另一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的示意圖；

圖5A為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟中的其中一個反應狀態的示意圖；

圖5B為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟中的另一個反應狀態的示意圖；

圖5C為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟中的另一個反應狀態的示意圖；

圖5D為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟中的另一個反應狀態的示意圖；

圖5E為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟中的另一個反應狀態的示意圖；

圖5F為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟完成後的示意圖；

圖6為在本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第一次陽極處理步驟後所形成的第一氧化膜的表面微觀結構的影像；以及

圖7為在本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極處理步驟後所形成的單一氧化膜的表面微觀結構的影像。

具體實施方式

以下是通過特定的具體實例來說明本實用新型所公開有關「具有含鈦材料與塑料材料的複合結構」的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容了解本實用新型的優點與功效。本實用新型可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本實用新型的精神下進行各種修飾與變更。另外，本實用新型的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本實用新型的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本實用新型的技術範疇。

首先，請參閱圖1。圖1為本實用新型其中一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法的流程圖。

如圖1所示，本實用新型所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法至少包含下列步驟：首先，將含鈦工件1置入第一處理液中進行第一次陽極氧化步驟，以使得含鈦工件1與所述第一處理液發生化學反應而形成第一氧化膜11(S100)；然後，將具有第一氧化膜11的含鈦工件1置入第二處理液中進行第二次陽極氧化步驟，以使得含鈦工件1與第一氧化膜11 與第二處理液發生化學反應而形成第二氧化膜12(S102)，第一氧化膜11與第二氧化膜12結合成單一氧化膜13，且單一氧化膜13的膜厚大於第一氧化膜11的膜厚；接著，通過嵌入式注塑成型步驟，將塑料層2結合在含鈦工件 1的單一氧化膜13上，以形成複合結構S(S104)。

在進行所述步驟S100至S104前，可以對含鈦工件1進行前處理。舉例而言，可以先對含鈦工件1進行清洗或是脫脂步驟，以使得含鈦工件1的表面清潔無油。在本實用新型實施例中所使用的含鈦工件1可以是等級為TA0 至TA4的高純度鈦合金。接下來，可以通過除膜步驟來移除含鈦工件1表面所形成的天然氧化膜結構。舉例而言，可以將經過清洗或是脫脂步驟的含鈦工件1置入濃度為5-15wt.％的氫氟酸溶液中，浸泡2至20分鐘以除去含鈦工件1表面所形成的天然氧化膜。優選地，除膜步驟的時間為3至5分鐘。具體來說，將經過清洗的TA2鈦合金產品浸泡於酸性溶液中5分鐘，並進行如上所述的步驟S100至S104，在冷卻後進行結合力測試，可以得到大於22 MPa的結合力平均值。

在除膜步驟後，可以將含鈦工件1置入去離子水中清洗。接著，再進行中和步驟，將含鈦工件1浸泡於弱鹼溶液(例如，5％的氫氧化鈉溶液)中，用以中和在除膜步驟後含鈦工件1表面所殘存的酸性溶液。最後再將經過中和步驟的含鈦工件1在10秒內轉入去離子水中，以去離子水清洗含鈦工件1，耗時2至5分鐘，以確保含鈦工件1已被徹底清潔。

在含鈦工件1經過先前所描述的前處理步驟後，可以通過如圖1所示的步驟S100至S104進行進一步的處理，並與塑料材料結合而形成本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構S。

接下來，將針對步驟S100至S104進行詳細說明。首先，請參閱圖1，並配合參閱圖2A以及2B。圖2A為本實用新型所使用的含鈦工件1的示意圖，而圖2B為本實用新型實施例所提供具有第一氧化膜11的含鈦工件1的示意圖。

於步驟S100中，將含鈦工件1置入第一處理液中進行第一次陽極氧化步驟。具體來說，可以將如圖2A所示的含鈦工件1置入酸性溶液中以進行第一次陽極氧化步驟。

在經過第一次陽極氧化步驟後，含鈦工件1被氧化而形成第一氧化膜11。具體來說，含鈦工件1的表面與第一處理液發生化學反應，使得含鈦工件1 的表面上形成有表面為丘陵狀的第一氧化膜11。請參閱圖6所示，圖6為在本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第一次陽極處理步驟後所形成的第一氧化膜11的表面微觀結構的影像。圖6 的影像是通過SEM拍照分析而得。

由於通過第一次陽極氧化步驟所形成的第一氧化膜11是在後續的製造步驟中，供第二處理液發生化學反應的層狀結構，需要適當控制第一次陽極氧化步驟中的溫度及時間參數，並選擇適當的第一處理液。在本實用新型中，第一處理液是濃度介於10至20重量％之間的酸性溶液，例如，磷酸鹽溶液，且第一處理液的溫度是介於30至60℃之間。另外，第一次陽極氧化步驟還包含對第一處理液施加介於20伏(V,volt)至40伏之間的電壓。第一次陽極氧化步驟的時間可為介於3至10分鐘。

在本實用新型的一個具體實施例中，是使用TA2鈦合金作為含鈦工件1。經過清洗或是脫脂步驟以及除膜步驟後，含鈦工件1被置入第一處理液(此處使用磷酸鹽溶液)中分別以20伏、30伏以及40伏的電壓進行耗時5分鐘的陽極氧化反應。之後，再經過後續步驟S102至S104而形成最終的複合結構 S。經過測試，使用20伏、30伏以及40伏三個不同電壓進行第一次陽極氧化步驟可以使最終的複合結構S具有大於22Mpa的結合力平均值。在此具體實施例中，是使用聚對苯二甲酸二丁酯(PBT)塑料作為塑料材料的原料。因此，基於製造成本的考慮，優選使用20伏的電壓進行第一次氧化步驟。

然而，通過第一次陽極氧化步驟而形成的具有丘陵狀表面的第一氧化膜 11尚不足以對於含鈦工件1與塑料材料的結合提供充足的結合力。稍後將對於只具有第一氧化膜11的含鈦工件1與塑料材料的結合力測試結果進行較為詳細的說明。

在進行步驟S102前，先將具有第一氧化膜11的含鈦工件1在10秒內轉入去離子水中進行清洗30-60秒，以去除步驟S100中可能殘存於含鈦工件1 表面的第一處理液。

接下來，進行步驟S102，將具有第一氧化膜11的含鈦工件1置入第二處理液中進行第二次陽極氧化步驟，以使得含鈦工件1以及第一氧化膜11 與第二處理液發生化學反應而形成第二氧化膜12，第一氧化膜11與第二氧化膜12結合成單一氧化膜13，且單一氧化膜13的膜厚大於第一氧化膜11 的膜厚。除此之外，第二次陽極氧化步驟包含對第二處理液施加階梯式的升壓。

請配合參閱圖2C。圖2C為本實用新型實施例所提供具有單一氧化膜13 的含鈦工件的示意圖。在步驟S100後，於30至60秒的時間內將具有第一氧化膜11的含鈦工件1轉入第二處理液中，以進行第二次陽極氧化步驟。第二處理液是pH值介於10至11.5之間的鹼性溶液，舉例而言，第二處理液是矽酸鹽溶液，且第二處理液的溫度是介於30至50℃之間。

如圖2C所示，在進行第二次陽極氧化步驟後，含鈦工件1的表面具有單一氧化膜13，且單一氧化膜13的膜厚大於由步驟S100所形成的第一氧化膜 11的膜厚。請一併參閱圖7所示。圖7為在本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極處理步驟後所形成的單一氧化膜13的表面微觀結構的影像。由圖7的內容可以看出，通過第二次陽極氧化步驟所形成的單一氧化膜13的表面具有密集的納米級溝槽結構(或稱為納米觸鬚)。另外，單一氧化膜13除了具有較第一氧化膜11還深的膜厚，其所形成的溝槽結構的深度也大於第一氧化膜11的丘陵狀表面的凹槽深度。

請配合圖5A至5F。圖5A至圖5F分別為本實用新型實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法在第二次陽極氧化步驟中的在不同反應狀態下，以及反應完成後的示意圖。值得注意的是，圖5A至圖5F是為了更清楚地說明本實用新型，其中各個附圖中所顯示的結構的形成順序並非用以限制本實用新型。

具體來說，通過第二次陽極氧化步驟，可以使得含鈦工件1表面的第一氧化膜11不斷被第二處理液腐蝕而產生不規則的孔洞，進而裸露出含鈦工件 1的表面。如圖5A所示，通過第二處理液以及所施加的電壓的作用，第一氧化膜11被腐蝕。接下來，如圖5B所示，第二處理液繼續向下腐蝕含鈦工件 1，在含鈦工件1的表面形成凹槽T。

接著，第二處理液會繼續向內腐蝕含鈦工件，並生成新的氧化膜。請參閱圖5C，在反應期間，第二處理液中所包含的化學物質同時與含鈦工件1的鈦金屬發生氧化反應，而在含鈦工件1內部形成氧化物12a,12b。所形成的氧化物12a,12b進而形成第二氧化膜12。

隨著氧化物12a,12b的生成，由氧化物12a,12b所組成的第二氧化膜 12不斷增厚，由第二氧化膜12所造成的絕緣作用會導致氧化反應逐漸減弱。此時，通過對第二處理液施加階梯式的升壓，可以通過第二處理液再次擊穿第一氧化膜11或是第二氧化膜12膜厚較薄或結構強度較弱處，以繼續向含鈦工件1內腐蝕並向內生成厚且穩定的第二氧化膜12。舉例而言，如圖5D 及5E所示，通過增加施加於第二處理液的電壓，在反應期間，第二處理液繼續擊穿第一氧化膜11以及含鈦工件11，以在含鈦工件11的表面產生具有較大深度的溝槽T。

依此類推，當新生成的氧化物12c,12d的厚度增加而產生絕緣作用而減緩氧化反應時，可以再次提升施加於第二處理液的電壓。事實上，請參閱圖 5F，在反應最終完成後，剩下的第一氧化膜11以及新生成的第二氧化膜12 會交織在一起而形成單一氧化膜13。換句話說，第一氧化膜11和第二氧化膜12融為一體而無法區分，共同結合而成單一氧化膜13。

第二次陽極氧化步驟的目的就是將單一氧化膜13表面的溝槽加深及加大。因此，在第二次陽極氧化步驟中，需要精確控制起始電壓以及提升電壓的速率，並且在將電壓提升至一定值後，持續保持電壓的施加，以確保含鈦工件1表面所形成的單一氧化膜13的表面型態、厚度及穩定性。

具體來說，單一氧化膜13表面的溝槽寬度可以是介於100至200納米，長度可以是介於400至800納米之間。另外，單一氧化膜13的厚度(膜厚) 可以是介於200納米至1微米(μm)之間。

具體來說，在本實用新型實施例中，階梯式的升壓是包含以每分鐘6至 8伏的速率提升電壓，以使得施加在第二處理液的電壓能由30伏上升至60 伏。具體來說，若施加在第二處理液的初始電壓太高，會造成所形成的單一氧化膜13結構粗糙且疏鬆，無法使後續的塑料層2良好地與含鈦工件1結合。另外，在對第二處理液施加的電壓達到60伏後，維持10至15分鐘。如此一來，可以確保於含鈦工件1表面上生成大量具有所欲的溝槽結構的單一氧化膜13，進而確保含鈦工件1與塑料層2之間的結合力。

換句話說，在第二次陽極氧化步驟中，可以獲得如圖2C所示的具有單一氧化膜13的含鈦工件1。單一氧化膜13的表面型態如圖7所示。圖7的影像是通過SEM拍照分析而得。單一氧化膜13具有溝槽結構，且外觀呈現藍紫色至黃褐色。

接下來，請參閱圖2D。圖2D為本實用新型其中一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的示意圖。在步驟S102後，進行步驟S104，以通過嵌入式注塑成型步驟，將塑料層2結合在含鈦工件1的單一氧化膜13 上，以形成複合結構S。塑料層2可以由，舉例而言，聚對苯二甲酸丁二酯 (PBT)、聚苯硫醚(PPS)、聚醯胺(PA)、聚芳基醚酮(Polyaryletherketone，PAEK)以及熱塑性聚胺基甲酸酯(TPU)中的至少一種所形成。然而，在本實用新型中，形成塑料層2的材料不在此限制。

基於塑料層2的材料的選用，在進行嵌入式注塑成型步驟時，需要將所使用的注塑模具被加熱至特定溫度。舉例而言，在進行嵌入式注塑成型步驟時，可以將注塑模具加熱至140℃以上的溫度。除此之外，在使用由PBT(商品名Toray PBT1101)所形成的塑料層2時，在進行嵌入式注塑成型步驟前，還需要將注塑模具預熱至介於140至160℃之間的溫度。

接下來，將以實驗數據來說明有通過第二次陽極氧化步驟而形成的複合結構S，以及僅通過第一次陽極氧化步驟，未通過第二次陽極氧化步驟而直接進行嵌入式注塑成型步驟的複合結構S在結合力方面的差異。

比較例：

在步驟S100後，將具有第一氧化膜11的含鈦工件1直接進行步驟S104。在本比較例中，第一氧化膜11的厚度約為30nm。

具有第一氧化膜11的含鈦工件1被烘乾，並與由PBT膠料所形成的塑料層2進行嵌入式注塑成型步驟以形成複合結構S。嵌入式注塑成型步驟(即步驟S104)的注塑模具的溫度為150℃，而在注塑成型後，以150℃，一小時的條件進行退火處理。將經過冷卻的複合結構S進行結合力測試，可以得到結合力平均值為小於15MPa的測試結果。

具體實施例：

在完成步驟S100以及步驟S102後，進行注塑成型步驟。在本具體實施例中，單一氧化膜13的厚度約為介於200納米至1微米之間。

將具有單一氧化膜13的含鈦工件1進行烘乾，並與由PBT膠料所形成的塑料層2進行嵌入式注塑成型步驟以形成複合結構S。嵌入式注塑成型步驟 (即步驟S104)的注塑模具的溫度為150℃，而在注塑成型後，以150℃以及1小時的條件進行退火處理。將經過冷卻的複合結構S進行結合力測試，可以得到結合力平均值為26MPa的測試結果，且複合結構S結構穩定並具有良好的表面質量。

由上述實驗結果可知，僅通過第一次陽極氧化步驟而形成的複合結構S，由於具有太薄的第一氧化膜11，此複合結構S中的含鈦材料(含鈦工件1)與塑料材料(塑料層2)之間沒有足夠的結合力。相對地，通過步驟S100以及步驟S102而具有單一氧化膜13的含鈦工件1所形成的複合結構S，由於通過第二次陽極氧化步驟而大幅加深單一氧化膜13的膜厚，可以具有較高的含鈦材料與塑料材料之間結合力。

接下來，請參閱圖3。圖3為本實用新型另一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的製造方法的流程圖。在圖3所示的實施例中，在進行步驟S102後以及進行步驟S104前，還進一步包含步驟S103：將具有單一氧化膜13的含鈦工件2置入粘著處理液中，以使得單一氧化膜13上形成粘著層3。

具體來說，在完成步驟S102後，含鈦工件1的表面上具有由溝槽結構所構成的單一氧化膜13。如先前的具體實施例的實驗結果所左證，單一氧化膜 13可以提供含鈦工件1與塑料層2之間充足的結合力。在此情況下，單一氧化膜13是通過表面的溝槽結構而對塑料層2產生機械性的結合力。為了更進一步加強含鈦工件1與塑料層2之間的結合力，在圖3所示的實施例中，是進一步使用黏著層3來通過化學性的黏著方式提升表面能(增加黏性)，進而來輔助並加強含鈦工件1與塑料層2的結合。

舉例而言，在步驟S103中，粘著處理液包含濃度介於20至50重量％之間的粘著劑。粘著劑可以為，例如，丙烯酸樹脂。請參閱圖4A以及圖4B，圖4A為本實用新型實施例所提供具有單一氧化膜的含鈦工件與黏著層的示意圖，而圖4B為本實用新型另一實施例所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構的示意圖。

如圖4A所示，單一氧化膜13是由多個溝槽結構所形成，且粘著層3是由粘著處理液填充於多個溝槽結構內所形成。在步驟S103後，先將處理後的含鈦工件1以去離子水衝洗，並以介於50至80℃之間的溫度對粘著層3 進行烘烤。舉例而言，可以將如圖4A所示的結構置於烘箱中，以介於50至 80℃之間的溫度進行烘烤約半小時。接著，繼續進行步驟S104，即可以獲得如圖4B所示的複合結構S。在圖4B所示的複合結構S中，黏著層3是設置於單一氧化膜13與塑料層2之間。

另外，為了測試對於具有單一氧化膜13的含鈦工件1的有效期，本實用新型是以TA2鈦合金產品作為含鈦工件1，依據步驟S100、S102以及S103 進行處理後，對產品進行處理有效期的驗證。具體來說，通過步驟S100、S102 以及S103處理的含鈦工件1(具有第一氧化膜11以及黏著層3)分別在處理後第1、3、5、7、9天後進行注塑，測試含鈦工件1與塑料層2之間的結合力。實驗結果顯示，在7天內，含鈦工件1與塑料層2之間的結合力沒有顯著變化，而在9天後結合力的降低率不超過10％。因此，通過本實用新型所提供的製造方法中第一次陽極氧化步驟、第二次陽極氧化步驟以及施用黏著劑的步驟的含鈦工件1的處理有效期為7天。

接下來，針對通過步驟S100、S102、S103以及S104所形成的複合結構 S，也使用不同塑料材料作為塑料層2，進行含鈦工件1與塑料層2之間的結合力的測試。

具體來說，分別使用PPS材料以及PAEK材料作為塑料層2，在注塑模具溫度180℃下進行嵌入式注塑成型步驟，並於注塑成型後以180℃，1小時的條件進行退火。在複合結構S冷卻後，可以測得大於30MPa(對於PPS材料)以及大於40MPa(對於PAEK材料)的結合力。在此實驗中，是使用商品名 PPS 130以及PAEK 330的材料作為PPS材料以及PAEK材料。

除此之外，本實用新型還提供一種具有含鈦材料與塑料材料的複合結構 S。複合結構S可以是由如上所述的製造方法所製成。因此，複合結構S可以包括含鈦工件1、形成於含鈦工件1上的單一氧化膜13，以及形成於單一氧化膜13上的塑料層2。單一氧化膜13與塑料層2之間的結合力介於25至40 MPa之間。

在一個實施方式中，單一氧化膜13的厚度是介於200納米至1微米(μm) 之間，單一氧化膜13的表面具有多個溝槽結構，且多個溝槽結構各自具有介於100至200納米之間的寬度以及介於400至800納米之間的長度。

另外，如圖3的實施例所示，複合結構S還可以包含設置於單一氧化膜 13與塑料層2之間的粘著層3，所以塑料層2能通過粘著層3以與單一氧化膜13相互結合。此時，單一氧化膜13與塑料層2之間的結合力介於30至 50MPa之間。

實施例的有益效果

本實用新型所提供具有含鈦材料與塑料材料的複合結構及其製造方法，其能通過含鈦材料的表面具有較大深度的溝槽結構，藉此以促進含鈦材料與塑料材料之間的結合力。

以上所公開的內容僅為本實用新型的優選可行實施例，並非因此局限本實用新型的權利要求的保護範圍，所以凡是運用本實用新型說明書及附圖內容所做的等效技術變化，均包含於本實用新型的權利要求的保護範圍內。