CN103718254B - 包括聚合物材料、第一金属和嵌入于第一金属的第二金属的金属微粒的导电金属/塑料杂合物及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导电的金属/塑料杂合物，其包括聚合物材料的基质、由具有第一熔化温度的金属制成的并嵌入于所述基质的网络和具有高于第一熔化温度的第二熔化温度的网络内的金属微粒。此外，本发明涉及生产这样的金属/塑料杂合物的方法。上述类型的金属/塑料杂合物在现有技术已知，但是为了实现高的电导率、所述金属/塑料杂合物包含高比例的更高熔点的金属微粒，这提供了金属/塑料杂合物的高密度和高热容量。本发明通过使用铝作为金属微粒的一种成分提供了金属/塑料杂合物更低的密度和更低的热容量。此外，提供了生产这种金属/塑料杂合物的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种导电金属/塑料杂合物，其包括聚合物材料的基质、由具有第一熔化温度的金属制成并嵌入于基质的网络和有着高于第一熔化温度的第二熔化温度的网络中的金属微粒。此外，本发明涉及制造这样的金属/塑料杂合物的方法。
背景技术
上述类型的金属/塑料杂合物的在现有技术中已知，但是为了实现高的电导率，金属/塑料杂合物包含高比例的更高熔点金属颗粒。由于这些高熔点金属常常非常致密，因此金属/塑料杂合物整体也非常致密。此外，用于高熔点金属颗粒的金属会是昂贵的，这提高了金属/塑料杂合物的价格。另外，这些金属通常具有很高的热容量，这使得产生的金属/塑料杂合物难以处理，尤其是在模制处理中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供表现出更低密度的金属/塑料杂合物。本发明的进一步的目的是提供一种更加便宜的金属/塑料杂合物。本发明的更进一步的目的是提供一种容易处理的金属/塑料杂合物，尤其是在模制处理中。
根据本发明，通过使用包含铝作为高熔点金属微粒的金属微粒实现这个目的。
通过使用铝作为金属颗粒的材料，产生的金属/塑料杂合物的密度能大幅降低。另外，铝通常比经常用于金属颗粒的像例如铜、镍、铁、银的金属便宜。此外，由于铝具有低的热容量，包含铝的金属/塑料杂合物易于处理，并且由于产生的金属/塑料杂合物的更低的体积热容量，能够制造更为精细的结构。特别地，由于热的负面影响能够被减小，两步过程可以更容易地实施。尤其如果意在制造精巧并且小的结构，更低的热容量能允许产生更好的结果。
因为铝和包含铝的化合物相比在金属/塑料杂合物中通常采用的材料毒性更低，所以能够产生健康和环境的好处。
根据本发明的方案可以和以下进一步有利实施例的一个或几个分别组合。
在本发明的第一个有利发展例中，金属微粒主要包含铝，这意味着，铝是主要的成分。
在本发明的发展例中，金属微粒仅由铝和不可避免的杂质组成。杂质的比例优选地为低于重量的3%，更优选地为低于重量的1%。
包含铝的金属微粒能够被第二金属涂覆。优选地，金属微粒的涂覆在微粒被混合进低熔点金属之前发生。这样涂层能够帮助在金属微粒和低熔点金属之间更好的接触，例如，通过减少或是去除可能出现在以金属微粒外面的氧化层。特别地，涂层能包含金属，该金属也能够在低熔点金属中发现。在非常特定的示例中，金属微粒的涂层仅包含一种元素，并且低熔点金属是这种元素和其他元素的混合物。
包含铝的金属微粒的涂层可以用几种方法实现。优选地，金属微粒通过化学方法涂覆，比如通过电镀。然而其他涂覆的方法，例如物理气相沉积（PVD）、原子层沉积（ALD）或是喷镀也能够被使用。
在本发明的优选发展例中，包含铝的金属颗粒的涂层能够为锌。锌是用于许多金属特别是铝的常见涂层金属。因此，产生这样的锌涂层的几种过程被广泛地所知，并且对应的物质或装置易于获取。此外，很多的知识，例如实现某个厚度的处理参数，是已经可用的。这样的涂层能够通过例如湿化学方法或者物理方法实现。因为铝和锌倾向于形成混合晶体，所以能够获得两者间的紧密联结和锌对于包含铝的金属微粒的良好附着。
在本发明的另一个有利发展例中，锡被用作金属微粒的涂层材料。铝和锡在固相不混合，所以通过使用锡能够避免涂层材料扩散进入铝微粒中。锡经常被用作低熔点金属的成分，因此，使用锡作为涂层材料能帮助在微粒和低熔点金属之间建立良好的接触。锡涂层可以通过几种方法施加，例如化学方法或者物理方法。
在本发明的进一步有利发展例中，包含铝的金属微粒能够包含两个或甚至更多的涂层。例如包含铝的金属微粒可以在第一步中被锌涂覆，然后在第二步中被锡涂覆。由于铝和锌在固相的互混，锌将容易附着于铝微粒上。因为锌和锡能够形成共晶系统，所以在低至约200℃的温度下对这种微粒的进一步处理也变为可行。由于低温，金属/塑料杂合物的制造被进一步促进，特别是如果锡被用作低熔点金属的成分。此外，锡不会扩散进入铝颗粒。
在本发明的又一优选实施例中，金属微粒在第一步中被锌涂覆然后在第二步中被锡涂覆。特别是如果金属/塑料杂合物在更高的温度被处理时，这样组合能是有利的。在低熔点金属包含锡的情况下，使用锌作为第二层帮助在金属微粒和低熔点金属之间建立良好接触。
通过使用焊料所采用的材料作为涂覆材料，例如锡，与金属/塑料杂合物例如通过焊接的方式进行接触变得便利，因为用于接触的附加的焊料将易于与涂层材料接触。
在本发明的进一步发展例中，金属微粒的涂层包含低熔点金属。如果足够的低熔点金属被施加于金属颗粒上，可以避免在另一步骤中的加入更多的低熔点金属的步骤，并且金属微粒能够和聚合物材料直接混合。
在本发明的另一个有利发展例中，铜能够用作包含铝的金属颗粒的第一涂层材料或者附加涂层材料。因为可能很难通过化学方法施加铜，在这种情况下通过物理方法的沉积是优选的。
在本发明的更进一步的有利发展例中，聚合物材料能够为热塑性塑料并且第一金属能够在100℃到400℃的范围内熔化。
在本发明的有利发展例中，特别是如果包含铝的金属微粒没有被涂覆，则对金属/塑料杂合物添加助熔剂能够帮助在包含铝的金属微粒和低熔点金属之间建立良好接触，因为这种助熔剂能够去除可能出现在包含铝的金属微粒上的氧化层并且能够额外地改善低熔点金属在液相中的流动性质。
包括至少部分根据本发明的金属/塑料杂合物的成型体，尤其是电子或电气元件，能够用于很大范围的应用中。特别地，它们能够作为电或电磁屏蔽、作为可模制的插头、壳体、无线射频（RF）连接器或天线用于电路中。
附图说明
以下将使用有利实施例以示例性方式参考附图详述本发明。所描述的实施例仅仅是可能的构造，然而其中如上文所述的个体的特征能够独立于另一个被提供或是能够被省略。在附图中：
图1是根据本发明的金属/塑料杂合物的第一实施例的示意性剖面图；
图2是根据本发明的金属/塑料杂合物的第二实施例的示意性剖面图。
具体实施方式
在图1中根据本发明的金属/塑料杂合物1以剖面图的形式示出。根据本发明的金属微粒2形成为包含铝3的金属微粒，金属微粒被嵌入低熔点金属4中。金属微粒2能够有基本球形的形状。然而，它们能够有任何其他形状，具体地，它们可以是丝状、立方体、片状、杆状、币状或类似物。金属颗粒2和低熔点金属4一起形成导电相并且能够形成在金属/塑料杂合物1内的导电网络，使得整个金属/塑料杂合物1是导电的。在这里，金属像往常一样被限定为导电的。因此，金属能够为基本的、合金、化合物或是和金属的混合物。金属/塑料杂合物1还包括聚合物材料5，聚合物材料能够包括一种或更多的能够在升高的温度下塑性变形的塑料材料，例如热塑性塑料或树脂。
根据本发明，金属微粒包含铝，特别是铝能够是主要或是唯一成分。然而，其他元素也可以出现在金属微粒中。通过使用铝作为金属微粒2的成分之一，金属微粒2的密度能够被降低。铝的进一步优点是，它常常比用于制造金属/塑料杂合物所采用的像例如铜、镍、铁或银之类的其他金属便宜。
作为额外的优点，铝具有低的热容量，这能够帮助促进包括这种金属/塑料杂合物1的零件的制造。特别地，如果该零件的其他部分受到热的负面影响，使用根据本发明的金属/塑料杂合物1能够通过更少的努力和时间帮助使得制造该零件更为容易，因而节省了金钱并且额外地节省了能源，因为加热根据本发明的金属/塑料杂合物1需要更少的能源。此外，由于其低的热容量，能够使用根据本发明的金属/塑料杂合物生产十分精细的结构。特别地，其中第二零件能够受到热或温度的负面影响或是其中使用低温或是更少的热是有利的处理能够被更加有效地执行，并且废料更少、速度更快并且消耗的能源更少。
在本发明的有利实施例中，金属/塑料杂合物1还可以包含助熔剂。助熔剂能够帮助去除氧化层，该氧化层可能存在于铝微粒上并且能够使得建立金属微粒2和低熔点金属4的连接变得困难或不可能。此外，这种助熔剂能够提供低熔点金属4更高的粘度，这进一步改善了金属微粒2和低熔点金属4之间的互连。
在优选的实施例中金属微粒2的尺寸能够小于200微米。在意在制造非常精细的结构的情况下，金属微粒2的尺寸能够进一步降低。然而，如果例如需要更高的体积与表面积比率，包含铝3的微粒的尺寸能够增加。为了更高效的封装和因此金属微粒的更高的加载和/或更容易的处理，能够使用各种微粒尺寸的混合，例如精细的和粗大的。
虽然在图1中包含铝3的金属微粒在金属/塑料杂合物1中它们的最终状态中没有被围绕微粒的涂层6所涂覆，但是在制造过程中涂覆包含铝3的金属微粒能够是有利的。例如，可能表现有位于外表面的氧化层的包含铝3的金属微粒能够被锡涂覆。这种涂层能够例如通过类似电镀的湿化学方法或是类似物理气相沉积（PVD）的物理方法实现。由于锡经常包含于金属/塑料杂合物1的低熔点金属4中，所以锡的涂层6能够和低熔点金属4中的锡互混。这个涂覆的步骤能够帮助包括铝3的金属微粒和低熔点金属4的之间更好的接触。
在本发明的有利实施例中，涂层6的一个包含低熔点金属4，优选地为大量的。因而，能够避免低熔点金属4的添加或是金属微粒2和低熔点金属4的互混。于是，这些被涂覆的微粒能够和聚合物材料掺混或是融入聚合物材料中，跳过了制造过程中的一个步骤。
通过使用类似钎焊焊料或是铅之类的低熔点材料作为涂覆材料，使得连接材料至外部零件更为容易。
在图2中示出了另一个有利实施例。在这个示意性剖面图中，根据本发明的金属/塑料杂合物1包括含有铝3的金属微粒，其中额外的涂层6位于包含铝3的金属微粒和低熔点金属4之间界面处。此外，能够看到聚合物材料5，例如热塑性塑料或是树脂。
再次，包含铝3的金属微粒的优选的尺寸范围低于200微米。然而，通过在涂层6的厚度恒定的情况下变化包含铝3的金属微粒的尺寸，涂层材料与包含铝3的金属微粒的材料的比率能够变化。
在本发明的第一实施例中，铝是金属微粒的主要成分，其进一步降低了金属微粒的密度。
在本发明优选实施例中，铝是金属微粒2的唯一成分。这种简单的微粒能够被容易地制造或是易于买到，这减少了制造时间和成本。
在本发明的优选实施例中，包含铝3的金属微粒具有包含锌的涂覆层6。这种锌涂层能够通过几种方法实现，例如通过类似电镀的湿化学方法或是物理方法。这些方法已经已知并且广为使用从而存在这些过程的广泛的知识并且用于此过程的物质也易于获得。因为铝和锌能够通过形成混合晶体的方式能够容易地互混，所以产生了金属微粒中的铝和涂层6之间的紧密和密切的接触。
在很多情况中，锡是低熔点金属的成分，这使得使用锌作为涂层6甚至更加有利，因为锌和锡能够形成熔点低达约200℃的共晶系统。这样的低熔点帮助用于金属/塑料杂合物1的生产过程的能量最小化。此外，制造时间和努力也通过这样的低熔点而降低。
在本发明的另一个有利实施例中，锡被用作包含铝3的金属微粒的涂层6。由于铝和锡在固相不互混，所以避免了锡随着时间扩散进入包含铝3的金属微粒的铝中。因而，能够预期用金属/塑料杂合物1制造的零件的寿命中金属/塑料杂合物1的恒定特性。此外，由于锡在很多情况下被用作低熔点金属4的成分，所以能够有助于包含铝3的金属微粒容易地接触至低熔点金属。使用锡对包含铝3的金属微粒的涂覆能够通过多种方法比如化学方法或是物理方法实现。
在本发明的更有利实施例中，包含铝3的金属微粒能够被涂覆不止一层涂层6。例如第一涂覆层可以是锌，它和铝形成了混合晶体并且从而建立了和其他成分的良好接触。第二层可由锡制成，它能够和锌形成具有低熔点并且提供锌至锡层的良好连接的共晶系统。由于锡经常用作低熔点金属4的成分，使用锡作为第二涂层6也提供了第二层和低熔点金属4之间的良好接触。第二涂层6可能仅仅存在于制造金属/塑料杂合物的过程中，特别是如果低熔点金属4包含锡作为一种成分。
铜也能够被用作涂层6。如果铜被用作涂层材料，类似物理气相沉积（PVD）的物理涂覆过程可能是优选的，因为通过类似湿化学方法的化学方法施加铜可能是困难的。
至少部分由根据本发明的金属/塑料杂合物1制造或包含其的零件或是成型体能够用于多种应用中。由于此金属/塑料杂合物1的导电性，它能够易于被使用于电路中，特别是如果电路或是电零件意在通过包括对这些电路或零件的塑性成型的方法制造，尤其是在升高的温度下。此外，这种方法在比如类似2K或2次模制过程的两步处理中很有利，因为根据本发明的金属/塑料杂合物1具有低的热容量，这使得更低能耗和更高精度的更快和更高效的过程成为可能。由金属/塑料杂合物1制成的零件也能够用作电或电磁场的屏蔽物。另一个由这样的金属/塑料杂合物1制成的部件的示例性应用可以是模制于电路、无线射频（RF）连接器、天线或是外壳的导电元件之上的插头。
Claims (14)
1.导电金属/塑料杂合物(1)，其包括聚合物材料(5)的基质、由具有第一熔化温度的金属制成的并嵌入于基质的网络和具有高于第一熔化温度的第二熔化温度的网络内的金属微粒(2)，其特征在于，聚合物材料(5)是热塑性塑料材料且金属微粒(2)包含铝。
2.根据权利要求1所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于金属微粒(2)主要由铝构成。
3.根据权利要求1或2所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于金属微粒(2)除杂质之外仅包含铝。
4.根据权利要求3所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于，杂质构成为低于微粒重量的3％。
5.根据权利要求3所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于，杂质构成为低于微粒重量的1％。
6.根据权利要求1所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于所述包含铝的金属微粒(2)涂覆有至少一个金属的涂层(6)。
7.根据权利要求6所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于至少一层涂层(6)包含锡。
8.根据权利要求6或7的任意一项所述的金属/塑料杂合物(1)，其特征在于至少一层涂层(6)包含锌。
9.包括至少一个导电段的电元件，其至少部分地由根据权利要求1至8中任意一项的金属/塑料杂合物(1)制成。
10.生产导电金属/塑料杂合物(1)的方法，该方法包括使具有第一熔化温度的金属和聚合物在一起的步骤，从而在聚合物基质中产生金属的网络，其特征在于，聚合物材料(5)是热塑性塑料材料且使包含铝的金属微粒和具有第一熔化温度的金属在一起，从而之后金属微粒被嵌入金属网络中。
11.根据权利要求10所述的生产导电金属/塑料杂合物(1)的方法，其特征在于所述方法包括用金属的涂层(6)涂覆包含铝(3)的金属微粒的步骤。
12.根据权利要求11所述的生产导电金属/塑料杂合物(1)的方法，其特征在于包含铝(3)的金属微粒的涂层(6)包含锡。
13.根据权利要求11或12所述的生产导电金属/塑料杂合物(1)的方法，其特征在于包含铝(3)的金属微粒的涂层(6)包含锌。
14.根据权利要求11或12所述的生产导电金属/塑料杂合物(1)的方法，其特征在于至少一层涂层(6)包含低熔点金属的材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: German Bensheim Applicant after: TYCO ELECTRONICS AMP GMBH Applicant after: Tyco Electronics Corp. Address before: German Bensheim Applicant before: Tyco Electronics AMP GmbH Applicant before: Tyco Electronics Corp. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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