CN106574354B - 用于微米/纳米纤维膜的浸渗的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于制造浸渗的基于纤维的复合膜的装置和方法。该装置包括两个工具块，所述两个工具块彼此相对布置使得基于纤维的膜能够布置在工具块之间。工具块中的至少一者包括凹部，使得当工具块彼此接触时凹部可以形成包围膜的一部分的密封腔。工具块中的至少一者包括真空通道和熔体通道，其中，真空通道将腔连接至用于在腔中抽真空的真空泵，熔体通道将腔连接至熔融材料源。熔体通道包括：阀布置，该阀布置控制熔融材料至腔的输送；加压装置，该加压装置用以实现对腔内的熔融材料的升高的压力，使得腔中的纤维膜被熔融材料浸渗；以及排出活塞，该排出活塞用于从腔排出浸渗的纤维膜。

Description

用于微米/纳米纤维膜的浸渗的方法和装置

技术领域

本发明涉及复合材料的制造。具体地，本发明涉及用于制造基于微米/纳米纤维的复合材料的方法和机器。

背景技术

由微米和/或纳米纤维膜和浸渗的金属基体构成的复合膜可以制造成具有有利的热性能和机械性能。特别地，这样的导热膜可以用于两个表面之间的接合部处以促进热传递。一个受关注的应用领域涉及高性能微电子部件，其中部件的有效冷却是必要的。由此，可以在有源部件与冷却装置之间或者在芯片与散热器/盖之间设置导热膜，以促进热传导远离该部件。

然而，目前，难以将材料浸渗到由微米和纳米纤维膜构成的膜中。这是由于穿透小孔径所需的高压力。当纤维与金属/合金基体材料(例如基于碳的纤维和金属/合金基体，或基于聚合物的纤维与金属/合金基体)之间的表面能差异大时，形成无空隙的复合材料是特别困难的。

基于层压技术的现有连续工艺不能够实现足够的压力用以浸渗基于微米和纳米纤维的膜的小孔，并且导致不期望的孔。

为了提供这样的复合材料，用于微米和/或纳米纤维网与金属/合金基体材料的浸渗的商业可行的工艺是期望的。

发明内容

考虑到纳米材料的浸渗的上述期望的性质以及现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供一种用于制造浸渗的基于纤维的复合膜的改进的方法和装置。

根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于制造浸渗的基于纤维的复合膜的装置。该装置包括：两个工具块，所述两个工具块彼此相对布置的使得基于纤维的膜能够布置在工具块之间，其中工具块中的至少一者包括凹部，其中工具块中的至少一者能够朝向相对的工具块移动，使得当工具块彼此接触时凹部形成密封腔，该密封腔构造成包围膜的一部分，并且其中工具块中的至少一者包括真空通道和熔体通道，其中，真空通道在第一端处连接至凹部并且在第二端处能够连接至用于在腔中抽真空的真空泵，熔体通道在第一端处连接至凹部并且在第二端处连接至熔融材料源，熔体通道包括：阀布置，该阀布置构造成控制熔融材料至腔的输送；加压装置，该加压装置构造成在腔内实现升高的压力，使得腔中的纤维膜被熔融材料浸渗；以及排出活塞，该排出活塞构造成当工具块处于彼此间隔开的缩回位置时从腔排出浸渗的纤维膜。

工具块能够通过使工具块中的仅一者朝向另一者移动或者通过使两个工具块朝向彼此移动而朝向彼此移动。因此，工具块中的一者或两者可以包括当工具块被压在一起时形成腔的凹部。工具块例如可以借助于一个或更多个驱动器移动。此外，工具块可以包括限定凹部的插入件。如果使用了插入件，则插入件可以是可移除的，使得确定腔结构的凹部的尺寸和几何形状可以通过改变插入件而在装置中容易地变化。

根据本发明的实施方案的装置允许连续制造由经基于金属的基体浸渗的基于微米/纳米纤维的膜构成的复合膜，从而使更有效的制造方法成为可能。此外，装置使熔融材料能够均匀且完全地浸渗到纤维膜中，以实现有利的复合材料特性。

根据本发明的一个实施方案，凹部的深度可以在5微米至500微米范围内，以使得能够制造具有相应厚度的浸渗膜。

根据本发明的一个实施方案，阀布置可以有利地包括通道阀和注射器阀，其中，通道阀构造成控制熔融材料从源至熔体通道的输送，注射器阀构造成控制熔融材料从熔体通道至腔的输送。由此，待输送至腔的熔融金属的量可以通过通道阀控制，并且注射器阀控制熔融金属至腔中的注入。

在本发明的一个实施方案中，加压装置有利地构造成在腔内提供高于30MPa的压力。这样的压力将用于迫使熔融材料进入膜的孔中，使得膜被完全浸渗。将两个工具块朝向彼此压的力必须控制成使得同样当高压施加至腔时腔保持密封，以避免在浸渗期间从腔的任何泄漏。

根据本发明的一个实施方案，加压装置可以有利地包括注射器活塞，该注射器活塞连接至熔体通道，使得熔融材料借助于该注射器活塞的驱动在升高的压力下浸渗到腔中的纤维膜中。由适当的驱动器驱动的注射器活塞使得能够将足够高的压力施加到熔融材料上以实现熔融材料到膜中的浸渗。

在本发明的一个实施方案中，工具块和/或工具插入件可以有利地包括加热器，该加热器构造成将腔加热至超过熔融材料的熔化温度的温度。通过在注射熔融金属之前加热腔，金属将不会在使能够浸渗的腔中固化。加热器可以有利地包括具有几kW效果的一个或更多个加热元件。

根据本发明的一个实施方案，工具块可以有利地包括冷却装置，该冷却装置构造成在注入金属和浸渗膜之后使腔冷却至低于熔融材料的熔化温度的温度。通过冷却装置，浸渗的膜可以被快速冷却下来，使得金属凝固，由此使浸渗的膜能够从腔中移除。这改善了循环时间，从而提供了更快的制造过程。加热和冷却腔在本文中应当理解为加热和冷却装置的形成腔的部分，使得位于腔中的任何材料(即膜和/或金属)被加热或冷却。

在本发明的一个实施方案中，冷却装置可以有利地包括含有流体冷却介质(例如油或水)的冷却通道。优选地，提供冷却通道和加热元件以使得工艺循环时间小于3分钟。循环时间优选地尽可能短以提供有效率的工艺。通常，循环时间与装置的加热和冷却能力有关。

根据本发明的一个实施方案，熔融材料可以有利地选自：SnAgCu、Sn、SnBi、SnBiAg、SnZn、In、BiSnAg和共晶InSnBi。

根据本发明的一个实施方案，每个工具块可以有利地包括凹部，并且因此工具块可以布置成使得凹部彼此面对，使得当两个工具块被压在一起时形成腔。

在本发明的一个实施方案中，提供了一种用于卷到卷制造浸渗的基于纤维的复合膜的组合件。该组合件包括根据上述实施方案中的任一实施方案的装置、微米/纳米纤维膜、保持膜的存储卷、以及构造成接收膜的收集卷。膜布置在存储卷与收集卷之间，使得膜从存储卷至收集卷的路径在工具块之间延伸。通过以上所讨论的组合件，实现了卷到卷制造，这意味着可以无间断地连续制造整卷的浸渗膜预成型件。在这样的工艺中，膜从存储卷退卷并穿过工具然后存储在收集卷上。

根据本发明的一个实施方案，微米/纳米纤维膜可以有利地包含选自以下的纤维：聚酰亚胺、聚氨酯、聚丙烯腈、聚芳酰胺、高密度聚乙烯、PEEK、Kevlar、聚酯、氮化硼、碳纤维、碳纳米管、无机纤维和经石墨烯涂覆的纤维。微米纤维是指具有微米级直径的纤维，纳米纤维是指具有亚微米直径的纤维。

在本发明的一个实施方案中，膜可以有利地具有被改性成有利于熔融材料润湿至膜的表面。特别地，膜的纤维可以经Ag、Cu、Au、Ni、Pd、Ti和/或Pt或其组合涂覆。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于卷到卷制造复合膜的方法，该复合膜由带有基于金属的基体的基于微米/纳米的纤维膜构成，该方法包括以下步骤：将基于微米/纳米纤维的膜布置在保持膜的存储卷与接收膜的收集卷之间；将膜的一部分包围在通过将彼此相对布置的第一工具块和第二工具块压在一起而形成的腔中，其中工具块中的至少一者包括形成腔的凹部；将熔融材料提供至腔；使熔融材料压力升高，使得腔中的纤维膜被熔融材料浸渗；以及使腔冷却至低于熔融材料的熔化温度的温度；以及通过使工具块移动分开来释放复合膜。然后使用排出机构将膜的浸渗部分排出。

本发明的第二方面的效果和特征大部分类似于以上结合本发明的第一方面所描述的那些效果和特征。

当研究所附权利要求和下述说明书时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，可以组合本发明的不同特征以产生除了下面所描述的那些实施方案之外的实施方案，而不背离本发明的范围。

附图说明

现在将参照示出了本发明的示例性实施方案的附图对本发明的这些和其他方面进行更详细地描述，在附图中：

图1a和图1b示意性地图示了根据本发明的一个实施方案的装置；以及

图2为概述了根据本发明的一个实施方案的方法的一般步骤的流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方案；相反，这些实施方案是为了充分性和完整性而提供的，并且这些实施方案向本领域技术人员全面地传达了本发明的范围。相同的附图标记始终指代相同的元件。

本发明涉及用于使金属/合金基体材料完全且均匀地浸渗到连续的微米和/或纳米纤维的膜中的工艺。更具体地，本发明涉及用于在卷到卷生产中形成这样的复合材料的工艺和工具。

图1示意性地图示了用于卷到卷制造浸渗的微米/纳米纤维膜的装置100。该装置包括彼此相对布置的第一工具块102a和第二工具块102b。每个工具块分别包括凹部104a、104b，使得当工具块被压在一起时凹部形成腔。在工具块102a与工具块102b之间以及在凹部104a与凹部104b之间布置有基于纤维的复合膜106，使得当两个工具块102a、102b被压在一起时膜106的一部分被包围在腔中。工具块之一(这里是第二工具块102b)包括用于将熔融材料提供至凹部的输送系统。熔融金属材料存储在容器108中，该容器108连接至工具块102b的熔体通道110。在容器108与熔体通道110之间布置有通道阀112，用以控制熔融材料至熔体通道的输送。注射器阀114布置成控制熔融材料从熔体通道110至腔的输送。工具块102b还包括注射器活塞116，该注射器活塞116布置成与熔体通道110连接以及构造成在升高的压力下将熔融材料注入腔中。工具块102b的通道布置还包括真空通道116，该真空通道116将真空泵118经由真空阀120连接至腔。在第一工具块102a中布置有排出活塞122，该排出活塞122用于从凹部104a排出膜106的浸渗部分。排出活塞122还可以包括冷却通道。

图1a还图示了微米/纳米纤维膜106布置在保持膜的存储卷124上。膜106在工具块104a与工具块104b之间延伸至收集卷126。

图1b图示了设备处于两个工具块102a、102b被压在一起使得凹部104a、104b形成腔150的位置，膜106的一部分被包围在该腔150中。

图2为概述了用于形成浸渗的微米/纳米纤维膜的制造方法的一般步骤的流程图。将参照图1a至图1b讨论图2的方法。

在所描述的工艺中浸渗的膜可以包括由聚合物、氮化硼或基于碳的组合物制成的连续的微米和/或纳米纤维。该膜可以通过但不限于静电纺丝工艺接着例如硝化或碳化的另外工艺形成。通常，膜的孔隙度为60±20％、总厚度为5μm至200μm，并且膜由直径为100nm至15μm的纤维制成。膜还可以具有附加层，例如纤维上的薄涂层以促进熔融材料的润湿，该熔融材料可以通过干沉积技术和湿沉积技术(例如CVD、溅射、电镀和化学镀)形成。在示例性实施方案中，卷/绕线/辊124承载涂覆有Ag颗粒的连续聚酰亚胺亚微米纤维的30米长的连续膜。膜从存储卷124至收集卷的运动由马达控制。

在一个实施方案中，工具块102a、102b由铝合金制成，并且并入具有几kW加热效果的电加热元件、用于油冷却的通道且具有允许排出活塞的几何形状。工具块102a、102b包括由不锈钢制成的插入件块128a、128b，插入件块128a、128b具有抛光表面和对应于最终复合膜的期望几何形状的几何形状的腔。工具块和工具插入件具有连接至注射活塞116的通道，该注射活塞116可以用高压将液体熔体推入工具插入件腔中。

首先202，工具块102a、102b在足够高的锁定力的作用下围绕膜106闭合，并且凹部104a、104b形成腔150，腔150由膜自身部分密封，并且在该腔中，膜的一部分处于非压缩状态。

接着204，打开真空阀120并且启动真空泵118，以在腔中抽真空。然后关闭真空阀120。

在腔中形成真空之后，加热元件加热206工具块102a、102b并且特别地插入件128a、128b，使得形成腔的部分的温度达到247℃的温度，该温度比待使用的金属(在该实例中为SnAgCu合金)的熔化温度高30℃。

接着208，通道阀112被打开以允许熔融金属从熔融金属容器108流入熔体通道110中。通道阀112打开直到熔体通道110被充满为止。熔体通道的填充可以包括缩回注射器活塞116以促进熔融金属在通道系统中的额外填充。熔体通道110还可以完全地或部分地填充有来自前一循环的熔融材料。因此，用于加热腔的加热元件布置成还确保熔体通道被充分加热以使熔融材料的流能够通过通道。

在熔融金属至熔体通道110的输送之后，打开注射器阀114，使得在腔150中的真空的帮助下熔融金属流入腔150中，以填充210腔并包围膜。在填充腔之后，关闭通道阀112。

在下一步骤212中，通过注射活塞(116)施加通常高于30MPa的高压以迫使熔化金属/合金基体材料浸渗到膜的孔中。然后，减小施加在注射活塞上的力并且关闭注射器阀。

在膜的浸渗之后，通过使油在工具、工具插入件和排出活塞122中的冷却通道中流动，将工具块和插入件冷却214降至约187℃的温度，该温度低于SnAgCu合金的熔点30度。

一旦腔和腔中的膜已经达到目标温度，将工具块104a、104b移动分开，通过排出活塞122将膜的浸渗部分排出216。在膜的排出之后，膜可以移动一定距离，可以通过重新开始循环来浸渗新的膜部分。

通过上述方法，膜的连续部分可以以有效率的方式连续地浸渗。如果卷到卷生产是不期望的，则装置100同样也可以用于单个膜片的浸渗。

尽管已经参照本发明的具体示例性实施方案描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。例如，通道和阀可以以不同的方式布置，而仍然实现了与上述装置相同的效果。此外，应当注意的是，系统的其他部分可以被省去、互换或以多种方式布置，该装置仍能够执行本发明的功能。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，实践要求保护的本发明的本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施方案的变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。事实仅在于，在相互不同的从属权利要求中陈述的某些措施并不表示将这些措施组合使用不具有优势。

Claims (16)

1.一种用于制造浸渗的基于纤维的复合膜的装置，所述装置包括：

彼此相对布置的两个工具块(102a，102b)，使得在所述工具块之间能够布置有基于纤维的膜(106)，其中，所述工具块中的至少一者包括凹部(104a，104b)；其中，所述工具块中的至少一者能够朝向相对的工具块移动，使得当所述工具块彼此接触时所述凹部形成密封腔，所述密封腔构造成包围所述膜的一部分，其中，所述腔由所述膜自身部分密封，并且在该腔中，所述膜的一部分处于非压缩状态；并且

其中，所述工具块中的至少一者包括：

真空通道(116)，所述真空通道(116)在第一端处连接至所述凹部，在第二端处能够连接至用于在所述腔中抽真空的真空泵；

熔体通道(110)，所述熔体通道(110)在第一端处连接至所述凹部并且在第二端处连接至熔融材料源(108)；所述熔体通道包括构造成控制所述熔融材料输送至所述腔的阀布置；

加热器，所述加热器构造成将所述腔加热至超过所述熔融材料的熔化温度的温度；

加压装置，所述加压装置构造成在所述腔内实现升高的压力，使得所述腔中的纤维膜被所述熔融材料浸渗；以及

排出活塞(122)，所述排出活塞(122)构造成当所述工具块处于彼此间隔开的缩回位置时从所述腔排出浸渗的纤维膜。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述凹部的深度在5微米至500微米范围内。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述阀布置包括：

通道阀(112)，所述通道阀(112)构造成控制熔融材料从所述源至所述熔体通道的输送；以及

注射器阀(114)，所述注射器阀(114)构造成控制熔融材料从所述熔体通道(7)至所述腔的输送。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述加压装置构造成在所述腔内提供高于30MPa的压力。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述加压装置包括注射器活塞(116)，所述注射器活塞(116)连接至所述熔体通道，使得所述熔融材料借助于所述注射器活塞的驱动在升高的压力下浸渗到所述腔中的所述膜中。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述工具块包括冷却装置，所述冷却装置构造成使所述腔冷却至低于所述熔融材料的所述熔化温度的温度。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述冷却装置包括含有流体冷却介质的冷却通道。

8.根据权利要求1所述的装置，其中每个工具块包括凹部，并且其中所述工具块布置成使得所述凹部彼此面对。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述阀布置包括注射活塞(117)，所述注射活塞(117)布置成将液态熔体推入工具插入件腔中。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述阀布置包括通道阀(112)，所述通道阀(112)构造成能够打开以使熔融金属从所述熔融材料的源(108)流动至所述熔体通道(110)中。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述阀布置包括注射器阀(114)，所述注射器阀(114)构造成能够打开使得所述熔融金属流入所述腔中。

12.一种用于卷到卷制造浸渗的基于纤维的复合膜的组合件，所述组合件包括：

根据权利要求1所述的装置；

微米/纳米纤维膜(12)；

存储卷(8)，所述存储卷(8)保持所述膜；

收集卷(9)，所述收集卷(9)构造成接收所述膜；

其中所述膜布置在所述存储卷与所述收集卷之间，使得所述膜从所述存储卷至所述收集卷的路径在所述工具块之间延伸。

13.根据权利要求12所述的组合件，其中所述微米/纳米纤维膜包括选自以下的纤维：聚酰亚胺、聚氨酯、尼龙、聚酰胺、聚丙烯腈、聚芳酰胺、高密度聚乙烯、PEEK、Kevlar聚酯、无机纤维和经石墨烯涂覆的纤维。

14.根据权利要求12所述的组合件，其中所述微米/纳米纤维膜包括选自以下的纤维：氮化硼、碳纤维和碳纳米管。

15.根据权利要求13或14所述的组合件，其中所述膜具有经改性以促进所述熔融材料至所述膜的润湿的表面，其中所述表面改性包括用Ag、Cu、Au、Ni、Pd、Ti、Pt或其组合涂覆所述膜的纤维。

16.一种用于卷到卷制造经金属或金属合金基体材料浸渗的基于微米/纳米纤维的膜的方法，所述方法包括下述步骤：

将基于微米/纳米纤维的膜布置在保持所述膜的存储卷与接收所述膜的收集卷之间；

将所述膜的一部分包围在通过将彼此相对布置的第一工具块和第二工具块压在一起而形成的腔中，其中所述工具块中的至少一者包括形成所述腔的凹部，其中，所述腔由所述膜自身部分密封，并且在该腔中，所述膜的一部分处于非压缩状态；

将熔融材料提供至所述腔；

使所述腔内的所述熔融材料的压力升高，使得所述腔中的纤维膜被所述熔融材料浸渗；以及

使所述腔冷却至低于所述熔融材料的熔化温度的温度；以及

通过使所述工具块移动分开来释放所述膜。