CN104746066A - 一种金属与塑料的结合材料及其制备方法及制备的结合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属与塑料的结合材料，包括金属基体和注塑体，金属基体和注塑体通过双卡扣结构结合，双卡扣结构包括位于金属基体上的微卡扣和微卡扣与金属基体表面形成的大卡扣。还涉及一种金属与塑料的结合材料制备方法：在保护气体气氛下，激光照射金属基体，雕刻出槽；在金属基体至少部分表面上附着覆熔物，在保护气体气氛下，对相邻槽间的金属基体表面上的覆熔物进行激光照射使至少部分覆熔物与金属基体熔融结合，然后冷却至室温，去除未与金属基体结合的覆熔物，得到金属体；在上述步骤得到的金属体表面上进行注塑，得到结合材料；所述覆熔物含有SiO2和金属基体粉末。还涉及所述方法制备的材料。制备的结合材料金属与塑料间的结合力强。

Description

一种金属与塑料的结合材料及其制备方法及制备的结合材料
技术领域
本发明涉及一种金属与塑料的结合材料，及一种金属与塑料的结合材料的制备方法，以及该方法制备的金属与塑料的结合材料。
背景技术
工业结合所使用的材料中，对塑料的需求仍在不断增加；而金属在机械和电学方面的优越性能也确保了其在混合应用中的地位。但是金属和塑料之间的结合是最困难的物理结合之一，目前，增强金属与塑料的结合方式主要有以下方法：（1）通过粘合剂将金属和塑料结合；（2）通过改善注塑料的特性；（3）通过电化学腐蚀的方法在金属基体表面形成孔洞，注射熔融塑料于金属基体上，形成金属与塑料的复合体。但是，以上这些方法在提高金属和塑料间的结合力方面的作用有限，并且操作也比较复杂，成本也较高。
激光熔覆技术发展已近半个世纪，历经多次改进，早期主要集中在熔覆特性、微观结构及金相分析等方面的研究；目前主要用激光熔覆来制备新材料，以及用激光熔覆来增强不同材料与金属基体的结合。
但是，激光熔覆技术在增强塑料和金属基体的结合力方面的研究还比较少，并且存在塑料和金属基体的结合力低的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的塑料和金属基体的结合力低，制备工艺复杂、成本高的缺陷，提供一种金属与塑料的结合材料，及一种金属与塑料的结合材料的制备方法，以及该方法制备的金属与塑料的结合材料。
本发明的发明人在研究中发现，在保护气体气氛下，先在金属基体的表明雕刻出槽，再在槽的至少部分表面上附着含有SiO2和金属基体粉末的覆熔物，然后用激光照射相邻槽之间的金属基体表面上的覆熔物，然后冷却，去除未与金属基体结合的覆熔物，得到金属体，将金属体进行注塑，即可得到金属体和注塑体通过双卡扣结构结合的结合材料，该结合材料的金属与塑料间的结合力强。
因此，为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种金属与塑料的结合材料，该结合材料包括金属基体和注塑体，所述金属基体和所述注塑体通过双卡扣结构结合，所述双卡扣结构包括位于金属基体上的微卡扣和所述微卡扣与金属基体表面形成的大卡扣。
另一方面，本发明提供了一种金属与塑料的结合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）在保护气体气氛下，激光照射金属基体，雕刻出槽；
（2）在金属基体的至少部分表面上附着覆熔物，在保护气体气氛下，对相邻槽之间的金属基体表面上的覆熔物进行激光照射使至少部分覆熔物与所述金属基体熔融结合，然后冷却至室温，去除未与金属基体结合的覆熔物，得到金属体；
（3）在步骤（2）得到的金属体的表面上进行注塑，得到结合材料；
其中，所述覆熔物含有SiO2和金属基体粉末。
第三方面，本发明提供了如上所述的方法制备的结合材料。
本发明中，先将金属基体雕刻出槽，再在金属基体的至少部分表面上附着含有SiO2和金属基体粉末的覆熔物，激光照射相邻槽之间的金属基体表面上的覆熔物使至少部分覆熔物与金属基体熔融结合，从而在金属基体相邻槽之间的金属基体表面上形成类似燕尾槽的微卡扣，另外，槽和该微卡扣又形成大卡扣结构，因此形成了带有双卡扣结构的金属基体，将该金属基体注塑成型，形成结合力强的金属与塑料的结合材料。
本发明的制备方法操作工艺简单，成本较低，采用本发明的方法制备的结合材料，结合材料的塑料与金属的结合力可以达到15-25MPa，金属与塑料之间的结合力强。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明方法的一种优选实施方式的工艺示意图。
附图标记说明
1金属基体；2激光；3保护气体；4覆熔物；5通槽；6金属体；7结合材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
一方面，本发明提供了一种金属与塑料的结合材料，该结合材料包括金属基体1和注塑体，金属基体1和所述注塑体通过双卡扣结构结合，双卡扣结构包括位于金属基体1上的微卡扣和所述微卡扣与金属基体1表面形成的大卡扣。
根据本发明所述的结合材料，其中，金属基体1的表面可以为凹凸不平的表面，为了进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，金属基体1表面上有槽，更优选为通槽。
更优选地，双卡扣结构包括位于金属基体1上的微卡扣和所述微卡扣与金属基体1表面上的槽形成的大卡扣。
根据本发明所述的结合材料，微卡扣可以为常规的钩状物，为了进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，微卡扣为由覆熔物在所述金属基体1上熔融形成的钩状结构，所述覆熔物含有SiO2和金属基体粉末。
在以上优选实施方式下，微卡扣可以设置在金属基体1上相邻通槽5之间的金属基体1的表面上，如图1所示。
根据本发明所述的结合材料，金属基体1上的通槽的制备方法可以为本领域常规的用于制备通槽的方法，例如，可以通过激光照射金属基体1形成。
根据本发明所述的结合材料，注塑料为本领域常规的注塑料，例如可以为PE（聚乙烯）塑料、PP（聚丙烯）塑料、PVC（聚氯乙烯）塑料和PPS（聚苯硫醚)）塑料中的至少一种。
另一方面，本发明提供了一种金属与塑料的结合材料7的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）在保护气体3气氛下，激光2照射金属基体1，雕刻出槽；
（2）在金属基体1的至少部分表面上附着覆熔物4，在保护气体3气氛下，对相邻槽之间的金属基体1表面上的覆熔物4进行激光2照射使至少部分覆熔物4与金属基体1熔融结合，然后冷却至室温，去除未与金属基体1结合的覆熔物4，得到金属体6；
（3）在步骤（2）得到的金属体6的表面上进行注塑，得到结合材料7；
其中，覆熔物4含有SiO2和金属基体粉末。
本发明中，先在金属基体1上雕刻出槽，然后只要将含有SiO2和金属基体粉末的覆熔物4覆于金属基体1上，在保护气体3条件下，激光2照射覆于金属基体1上的覆熔物，即可使得覆熔物4与金属基体1熔融结合，形成双卡扣结构，增强塑料与金属基体的结合力。为了进一步增强塑料与金属体6的结合力，以覆熔物4的重量为基准，SiO2的含量优选为30-50重量%，更优选为35-45重量%；金属基体粉末的含量优选为50-70重量%，更优选为55-65重量%。
根据本发明所述的制备方法，其中，金属基体1为常规的能够在激光照射下熔融的金属基体1，例如可以为铁、镁和铝中的至少一种。
根据本发明所述的制备方法，其中，对金属基体粉末的种类没有特殊的要求，为了进一步提高覆熔物与金属基体的熔融结合力，金属基体粉末与金属基体1优选为同一种金属，对金属基体粉末的粒径也没有特殊的要求，为了进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，金属基体粉末的平均粒径为10-80μm，更优选为30-60μm。
根据本发明所述的制备方法，其中，覆熔物4中含有的SiO2可以为能够耐高温不容易开裂的含SiO2的混合物，为了进一步降低成本，优选地，覆熔物4中含有的SiO2为石英砂，更优选地，所述石英砂的平均粒径为100-1000μm，石英砂中SiO2的含量为90-99重量%。
根据本发明所述的制备方法，其中，覆熔物4的附着厚度没有特殊要求，只要能够形成类似燕尾槽的微卡扣即可，为了使得形成的微卡扣更牢固，并进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，覆熔物4的附着厚度为100-1000μm。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述槽可以为常规的槽状结构，为了进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，所述槽为通槽5。
在上述优选实施方式下，在步骤（1）中，激光2照射得到的金属基体1上的通槽5的规格可以为本领域常规的规格，为了使形成的大卡扣结构更牢固，并进一步增强塑料与金属体6的结合力，通槽5的宽度优选为0.1-0.5mm，更优选为0.2-0.4mm；深度优选为0.3-0.7mm，更优选为0.4-0.6mm；间距优选为0.5-1.0mm，更优选为0.6-0.8mm。
根据本发明所述的制备方法，其中，激光2照射的条件可以为本领域常规的条件，为了使得最终形成的双卡扣结构更加牢固，并进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，激光2照射的条件包括：激光的功率为10-30W，脉冲宽度为≥10ns，波长为760-1064nm；进一步优选地，激光由YGA金属激光切割机提供。
根据本发明所述的制备方法，其中，对激光2照射的方向没有特殊的要求，为了使得最终形成的双卡扣结构更加牢固，并进一步增强塑料与金属体6的结合力，优选地，激光2照射的方向为垂直于金属基体1方向。
根据本发明所述的制备方法，其中，保护气体3气氛可以由常规的防止金属在高温下氧化的保护气体所提供，例如可以由氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的至少一种提供。
本领域技术人员应该理解的是，在步骤（1）和步骤（2）中，先提供保护气体3气氛，再进行激光2照射。
根据本发明所述的制备方法，其中，在步骤（2）中，覆熔物4可以附着在金属基体1的部分或者全部表面上，为了操作方便，优选地，覆熔物4附着在金属基体1的全部表面上。
根据本发明所述的制备方法，其中，在步骤（2）中，去除未与金属基体1结合的覆熔物4的方式可以为本领域常规的去除方法，例如可以为：除尘气枪和/或刷子去除。
在本发明中，步骤（3）中，注塑的方式可以为本领域常规的注塑方式，例如可以为点进胶方式，具体的过程为：先开模，在注塑模具中放入金属体6，再合模，然后用100-200g熔融的注塑料射胶，熔融的注塑料的温度为300-320℃，射胶后在500-1000kg/m2的压力下保压1-2s时间，然后冷却20-30秒，最后开模，取出制得的结合材料7，其中，注塑料可以为PE（聚乙烯）塑料、PP（聚丙烯）塑料、PVC（聚氯乙烯）塑料和PPS（聚苯硫醚)）塑料中的至少一种。
在本发明一种优选实施方式中，如图1所示，一种金属与塑料的结合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）用治具或者夹具固定金属基体1于箱体中，先在箱体内充满保护气体3，即氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的至少一种气体，然后用功率为10-30W，脉冲宽度为≥10ns，波长为760-1064nm的激光2垂直照射金属基体1，该激光2由YGA金属激光切割机提供；金属基体1为铁、镁和铝中的至少一种，雕刻出通槽5，其中，通槽5的宽度为0.2-0.4mm，深度为0.4-0.6mm，间距为0.6-0.8mm；（2）在金属基体1的部分或全部表面上附着覆熔物4，覆熔物4的附着厚度为100-1000μm，再用治具或者夹具固定该金属基体1于箱体中，然后缓慢通入保护气体3，即氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的至少一种气体，对相邻通槽5之间的金属基体1表面上的覆熔物4进行激光2垂直照射使该部分覆熔物4与金属基体1熔融结合，然后冷却至室温，用除尘气枪和/或刷子去除未与金属基体1结合的覆熔物4，得到金属体6，其中激光2照射的条件包括：激光的功率为10-30W，脉冲宽度为≥10ns，波长为760-1064nm；（3）在步骤（2）得到的金属体6的表面上进行注塑，得到结合材料7，其中，注塑的方式为点进胶方式；在该优选实施方式中，覆熔物4含有石英砂和金属基体粉末，以覆熔物4的重量为基准，石英砂的含量为35-45重量%，金属基体粉末的含量为55-65重量%；石英砂的平均粒径为100-1000μm，金属基体粉末的平均粒径为30-60μm，石英砂中SiO2的含量为90-99重量%。在该优选实施方式中，箱体只要可以防止激光辐射对操作人员的伤害即可。
第三方面，本发明还提供了如上所述方法制备的结合材料7。
在本发明中，制得的该结合材料7的塑料与金属间的结合力为15-25MPa。
实施例
在以下实施例和对比例中，箱体为不锈钢箱体，金属基体1和金属基体粉末购自南铝公司，牌号均为铝合金6063，石英砂购自北京明建科技有限公司，PPS（聚苯硫醚）塑料购自日本东丽公司，牌号为A305，激光2由购自大族公司的YGA20设备提供。
结合力的测定方法按照GB5210-85测定。
在以下实施例和对比例中，注塑的方式为：先开模，在注塑模具中放入金属体6，再合模，然后用100g熔融的注塑料射胶，熔融的注塑料的温度为310℃，射胶后在500kg/m2的压力下保压2秒时间，然后冷却20秒，最后开模，取出制得的结合材料7，其中，注塑料为PPS（聚苯硫醚)）塑料。
实施例1
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
（1）用治具固定铁金属基体1于箱体中，先在箱体内充满氮气3，然后用功率为10W，脉冲宽度为10ns，波长为760nm的激光2垂直照射铁金属基体1，雕刻出通槽5，通槽5的宽度为0.3mm，深度为0.5mm，间距为0.7mm；
（2）在铁金属基体1的全部表面上附着覆熔物4，覆熔物4的附着厚度为100μm，再用治具固定该铁金属基体1于箱体中，然后缓慢通入氮气3，对相邻通槽5之间的铁金属基体1表面上的覆熔物4进行激光2垂直照射使该部分覆熔物4与铁金属基体1熔融结合，然后冷却至室温，用除尘气枪去除未与铁金属基体1结合的覆熔物4，得到铁金属体6，其中激光2照射的条件包括：激光的功率为10W，脉冲宽度为10ns，波长为760nm；
（3）在步骤（2）得到的铁金属体6的表面上进行注塑，得到结合材料7；
其中，覆熔物4含有石英砂和金属基体粉末，以覆熔物4的重量为基准，石英砂的含量为40重量%，金属基体粉末的含量为60重量%；石英砂的平均粒径为100μm，金属基体粉末的平均粒径为50μm，石英砂中SiO2的含量为90重量%。
测定本实施例制备的结合材料7的塑料与金属间的结合力为18MPa。
实施例2
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
（1）用治具固定镁金属基体1于箱体中，先在箱体内充满氖气3，然后用功率为20W，脉冲宽度为20ns，波长为900nm的激光2垂直照射镁金属基体1，雕刻出通槽5，通槽5的宽度为0.2mm，深度为0.4mm，间距为0.6mm；
（2）先镁金属基体1的全部表面上附着覆熔物4，覆熔物4的附着厚度为500μm，再用治具固定该镁金属基体1于箱体中，然后缓慢通入氖气3，对相邻通槽5之间的金属基体1表面上的覆熔物4进行激光2垂直照射使部分覆熔物4与镁金属基体1熔融结合，然后冷却至室温，用除尘气枪去除未与镁金属基体1结合的覆熔物4，得到镁金属体6，其中激光2照射的条件包括：激光的功率为20W，脉冲宽度为20ns，波长为900nm；
（3）在步骤（2）得到的镁金属体6的表面上进行注塑，得到结合材料7；
其中，覆熔物4含有石英砂和金属基体粉末，以覆熔物4的重量为基准，石英砂的含量为35重量%，金属基体粉末的含量为55重量%；石英砂的平均粒径为100μm，金属基体粉末的平均粒径为30μm，石英砂中SiO2的含量为95重量%。
测定本实施例制备的结合材料7的塑料与金属间的结合力为20MPa。
实施例3
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
（1）用夹具固定金属基体1于箱体中，先在箱体内充满氩气3，然后用功率为30W，脉冲宽度为30ns，波长为1064nm的激光2垂直照射铝金属基体1，雕刻出通槽5，通槽5的宽度为0.4mm，深度为0.6mm，间距为0.8mm；
（2）先在铝金属基体1的全部表面上附着覆熔物4，覆熔物4的附着厚度为1000μm，再用夹具固定该铝金属基体1于箱体中，然后缓慢通入氩气3，对相邻通槽5之间的铝金属基体1表面上的覆熔物4进行激光2垂直照射使部分覆熔物4与金属基体1熔融结合，然后冷却至室温，用刷子刷除未与铝金属基体1结合的覆熔物4，得到铝金属体6，其中激光2照射的条件包括：激光的功率为30W，脉冲宽度为30ns，波长为1064nm；
（3）在步骤（2）得到的铝金属体6的表面上进行注塑，得到结合材料7；
其中，覆熔物含有石英砂和金属基体粉末，以覆熔物的重量为基准，石英砂的含量为45重量%，金属基体粉末的含量为65重量%；石英砂的平均粒径为100μm，金属基体粉末的平均粒径为60μm，石英砂中SiO2的含量为99重量%。
测定本实施例制备的结合材料7的塑料与金属间的结合力为25MPa。
实施例4
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
按照实施例1的方法制备结合材料，不同的是，以覆熔物4的重量为基准，SiO2的含量为30重量%，金属基体粉末的含量为50重量%，制备结合材料7，测定该结合材料7的塑料与金属间的结合力为15MPa。
实施例5
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
按照实施例1的方法制备结合材料，不同的是，金属基体粉末的平均粒径为10μm，制备结合材料7，测定该结合材料7的塑料与金属间的结合力为15MPa。
实施例6
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
按照实施例1的方法制备结合材料，不同的是，覆熔物4的附着厚度为1200μm，制备结合材料7，测定该结合材料7的塑料与金属间的结合力为15MPa。
实施例7
本实施例用于说明本发明的金属与塑料的结合材料的制备方法
按照实施例1的方法制备结合材料，不同的是，通槽5的宽度为0.1mm，深度为0.7mm，间距为0.2mm，制备结合材料7，测定该结合材料7的塑料与金属间的结合力为15MPa。
对比例1
按照实施例1的方法制备结合材料，不同的是，没有覆熔物4的附着，只用激光2照射金属基体1，雕刻出通槽5，然后直接注塑，制备结合材料7，测定该结合材料7的塑料与金属间的结合力为10MPa。
对比例2
按照实施例1的方法制备结合材料，不同的是，金属基体1不雕刻出通槽5，制备结合材料7，测定该结合材料7的塑料与金属间的结合力为13MPa。
通过实施例1-7分别与对比例1-2进行比较可以看出，本发明的制备方法操作工艺简单，成本较低，采用本发明的方法制备的结合材料7，金属与塑料之间的结合力强。
通过实施例1与实施例4进行比较可以看出，当以覆熔物4的重量为基准，SiO2的含量为35-45重量%，金属基体粉末的含量为55-65重量%时，采用该覆熔物制备结合材料7，能够进一步增强金属与塑料之间的结合力。
通过实施例1与实施例5进行比较可以看出，当金属基体粉末的平均粒径为30-60μm时，采用该金属基体粉末制备结合材料7，能够进一步增强金属与塑料之间的结合力。
通过实施例1与实施例6进行比较可以看出，当覆熔物4的附着厚度为100-1000μm时，采用该厚度的覆熔物4制备结合材料，能够进一步增强金属与塑料之间的结合力。
通过实施例1与实施例7进行比较可以看出，当通槽5的宽度为0.2-0.4mm，深度为0.4-0.6mm，间距为0.6-0.8mm时，采用雕刻有该通槽5的金属基体1制备结合材料，能够进一步增强金属与塑料之间的结合力。
本发明的制备方法操作工艺简单，成本较低，采用本发明的方法制备的结合材料，金属与塑料之间的结合力强，可以使制得的结合材料的塑料与金属间的结合力为15-25MPa。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种金属与塑料的结合材料，其特征在于，该结合材料包括金属基体和注塑体，所述金属基体和所述注塑体通过双卡扣结构结合，所述双卡扣结构包括位于金属基体上的微卡扣和所述微卡扣与金属基体表面形成的大卡扣。
2.根据权利要求1所述的结合材料，其中，所述金属基体表面上有槽，所述双卡扣结构包括位于金属基体上的微卡扣和所述微卡扣与金属基体表面上的槽形成的大卡扣。
3.根据权利要求2所述的结合材料，其中，所述槽为通槽。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的结合材料，其中，所述微卡扣为由覆熔物在所述金属基体上熔融形成的钩状结构，所述覆熔物含有SiO2和金属基体粉末。
5.一种金属与塑料的结合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）在保护气体气氛下，激光照射金属基体，雕刻出槽；
（2）在金属基体的至少部分表面上附着覆熔物，在保护气体气氛下，对相邻槽之间的金属基体表面上的覆熔物进行激光照射使至少部分覆熔物与所述金属基体熔融结合，然后冷却至室温，去除未与金属基体结合的覆熔物，得到金属体；
（3）在步骤（2）得到的金属体的表面上进行注塑，得到结合材料；
其中，所述覆熔物含有SiO2和金属基体粉末。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，以所述覆熔物的重量为基准，所述SiO2的含量为30-50重量%，优选为35-45重量%；所述金属基体粉末的含量为50-70重量%，优选为55-65重量%。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述金属基体粉末的平均粒径为10-80μm，优选为30-60μm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述覆熔物的附着厚度为100-1000μm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述槽为通槽。
10.根据权利要求9中任意一项所述的制备方法，其中，所述通槽的宽度为0.1-0.5mm，优选为0.2-0.4mm；深度为0.3-0.7mm，优选为0.4-0.6mm；间距为0.5-1.0mm，优选为0.6-0.8mm。
11.根据权利要求5-10中任意一项所述的制备方法，其中，所述激光照射的条件包括：激光的功率为10-30W，脉冲宽度为≥10ns，波长为760-1064nm。
12.根据权利要求5-10中任意一项所述的制备方法，其中，所述保护气体气氛由氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的至少一种提供。
13.一种由权利要求5-12中任意一项所述的方法制备的金属与塑料的结合材料。
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