CN107650326A

CN107650326A - 基材和塑料的结合件及其制备方法

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Publication number: CN107650326A
Application number: CN201710813010.0A
Authority: CN
Inventors: 张法亮; 张孟军; 毛咏发; 刘利强
Original assignee: Goertek Inc
Current assignee: Goertek Inc
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-02-02

Abstract

本发明公开了一种基材和塑料的结合件。该基材和塑料的结合件其特征在于，包括基体和塑料材料，所述塑料材料注塑形成在所述基体上，所述基体被配置为经过激光刻蚀处理在表面形成有微米级凹凸面，所述微米级凹凸面由分布的凹陷结构构成，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为的10‑200μm，平均峰谷深度Rz为1‑500μm，所述塑料材料嵌于所述凹陷结构内。本发明的技术效果在于，能够提高连接在基材上的塑料材料与基材的结合作用力。

Description

基材和塑料的结合件及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体地，涉及一种基材和塑料的结合件及其制备方法。

背景技术

在精密加工技术中，经常遇到需要将金属、玻璃、陶瓷等部件和工程塑料牢固结合在一起的问题。传统的解决方案多为胶水粘结、铆钉、倒扣、孔洞方式与工程塑料结合，上述方式均存在一定的缺陷，增加了设计复杂度、环保风险及制造成本。近年来随着电子通讯行业的发展，越来越多的电子产品采用金属等材料与塑料复合的形式构成产品结构，同样面临上述问题。

目前，纳米注塑技术具有结合力高、能实现无缝结合的特点，已经在铝合金、镁合金领域得到广泛应用。然而铝、镁合金要达到纳米注塑的要求，需要经过特殊的表面成孔处理。成功过程包括：一、水溶液浸渍，利用碱性水溶液蚀刻出细微表面，在浸渍的同时发生胺类化合物分子向金属表面的吸附；二、阳极氧化处理，使金属表面形成多孔的氧化膜。上述两种方式均需用到有毒有害胺类化合物，不利于技术推广使用；无论上述浸渍或阳极氧化，整个构件均需腐蚀或氧化，造成构件不必要腐蚀和工艺流程复杂，导致NMT技术制程较长，生产效率较低。并且上述水溶液浸渍和阳极氧化仅适用于铝、镁合金，对于陶瓷、玻璃、钢材等基材，上述技术的适用程度受到较大局限。

而且，这种成孔工艺难以达到在铝、镁合金的局部进行成孔的要求，通常只能在铝、镁合金的全部表面上进行成孔。然而注塑塑料材料通常只需要在表面的部分区域，其余的成孔表面还需要经过修复处理，工艺繁琐。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新型的基材和塑料的结合件。

根据本发明的第一方面，提供了一种基材和塑料的结合件，包括基体和塑料材料，所述塑料材料注塑形成在所述基体上，所述基体被配置为经过激光刻蚀处理在表面形成有微米级凹凸面，所述微米级凹凸面由分布的凹陷结构构成，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为的10-200μm，平均峰谷深度Rz为1-500μm，所述塑料材料嵌于所述凹陷结构内。

可选地，所述基体由陶瓷、玻璃或金属制成。

可选地，所述凹陷结构经激光刻蚀处理形成在所述基体的表面，所述凹陷结构为圆形结构、椭圆结构、多角形结构、条形结构、折形结构或曲形结构中的至少一种。

可选地，所述凹陷结构在垂直于基体表面的方向上的截面形状为倒三角形、弓形、U形、四边形、圆形或椭圆形中的至少一种。

可选地，所述凹陷结构的底面和侧壁上形成有纳米级微孔和/或凹坑。

可选地，所述塑料材料包括聚苯硫醚塑料、聚对苯二甲酸丁二醇酯塑料、聚酰胺塑料或聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料中的至少一种。

可选地，所述塑料材料中掺有填充材料，所述填充材料包括尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅及黏土中的至少一种。

可选地，所述填充材料在所述塑料材料中的质量百分比为5-40％。

本发明还提供了一种基材和塑料结合件的制备方法，包括：

提供预定形状的基材；

在基材的表面实施激光刻蚀处理以形成凹陷结构，所述凹陷结构在基材的表面分布形成微米级凹凸面，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为的10-200μm，平均峰谷深度Rz为1-500μm；

在基材上形成有微米级凹凸面的区域注塑固定塑料材料。

可选地，所述激光蚀刻处理的参数为：激光加工表面微纳米结构激光器的功率为10-100W，波长为325nm-3370nm，脉宽为1fs-1064nm频率10-100KHz。

可选地，所述基材的材料为陶瓷、玻璃或金属中的一种；

所述塑料材料为结晶性热塑性树脂。

本发明的发明人发现，在现有技术中，虽然出现了将一些金属与塑料材料注塑复合的技术方案，但是，对于陶瓷、玻璃等硬质材料与塑料材料的复合方式，现有技术中并没有出现工艺简便、复合可靠性高的技术方案。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明提供的金属和塑料的结合件的结构示意图。

图2是本发明提供的基材的微观截面形貌示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种基材和塑料的结合件。如图1所示，包括基体1、以及通过注射成型与所述基体1粘合成一体化的塑料材料2。所述基材1加工成预定的形状后，在表面上实施激光蚀刻处理。通过对激光束的控制，可以在基体1的表面刻蚀形成微米级的凹陷结构111，如图2所示。大量所述凹陷结构11分布在所述基体1上，形成微米级凹凸面11。其中，所述微米级凹凸面11的轮廓平均宽度RSm为10-200μm、平均峰谷深度Rz为1-500μm。所述塑料件2的材质优选为热塑性树脂，注塑成型后嵌于所述微米级凹凸面11的凹陷结构111内。通过对激光频率和时间进行调控，可以调节激光蚀刻的程度，依据不同材质制备差异化的凹陷结构。

可选地，由于激光刻蚀处理的区域是由激光照射的区域决定的，所以可以只在基体的部分区域上形成微米级凹凸面。如图1所示，所述微米级凹凸面11可以只形成在基体1上需要注塑塑料材料2的区域，其它表面例如侧面和地面可以不形成微米级凹凸面。或者，也可以在基体1的全部表面形成微米级凹凸面11。

本发明提供的基材和塑料的结合件具有以下优点。首先，激光蚀刻是以激光为加工媒介，基材表面瞬间的熔化和气化，因此，采用激光加工的方式不受基材的材质影响。可以优选用于难加工材质，例如钛合金、玻璃、陶瓷等等。当然，激光蚀刻也适用于金属材质，能够取得较好的成孔效果。对于镁合金、钢材等易氧化的金属，在加工过程中，可以采用气体保护，防止金属过度氧化，堵塞表面凹陷结构。更重要的是，激光蚀刻方案可应用于玻璃和陶瓷，填补了该类材质与塑料结合的空白。可选地，所述基材的材料可以为陶瓷、玻璃或金属等材料，这些材料均适用于通过激光刻蚀处理形成微米级凹凸面。

其次，激光蚀刻处理可选择性在基体构件上雕刻，避免基体构件非注塑区域的破坏，减少后续工艺流程。现有技术中，不锈钢纳米注塑后，需采用电化学抛光除去不锈钢表面其它区域形成的凹凸面，而后需电镀一层镍金属，消除产品的色差。对于陶瓷材料而言，则需要二次打磨抛光除去腐蚀区域。本发明的激光蚀刻处理方案能够省去在非注塑区形成微米级凹凸面，也就避免了后续对这些区域的表面处理。具有成本低、工艺流程简化等优点。

进一步地，由于所述微米级凹凸面通过激光刻蚀处理形成，所以对于所述凹陷结构的形状、结构，可以通过对激光束的控制而加以选择。例如，所述凹陷结构的俯视形状可以为圆形结构、椭圆结构、多角形结构、条形结构、折形结构或曲形结构中的至少一种。通过控制激光束的形状既可以实现凹陷结构的形状设计。另一方面，所述凹陷结构在垂直于基体表面的方向上的截面形状可选为倒三角形、弓形、U形、四边形、圆形或椭圆形中的至少一种。如图2所示，在这种实施方式中，所述凹陷结构111在深度方向上的形状呈三角形。若凹陷结构的俯视形状呈圆形，则所述凹陷结构的立体结构呈圆锥形。凹陷结构在深度方向上的形状特点可以通过调节激光的强度、刻蚀时间得到。

优选地，在经过激光刻蚀处理后，还可以通过腐蚀刻蚀处理，在凹陷结构的底面和侧壁上形成纳米级微孔和/或凹坑。这种腐蚀处理可以直接在微米级凹凸面上进行，无需影响到基体的其它表面区域。

可选地，所述塑料材料可以包括聚苯硫醚树脂(PPS)、聚对苯二甲酸丁醇树脂(PBT)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)和聚烯烃中的至少一种。这些材料可以组合形成高硬度的塑料，在注塑工艺中，组合物冷却后可以在凹陷结构中结晶凝固。塑料材料的优选采用热塑性树脂，更有利于注塑工艺的实施。

优选地，所述塑料材料中可以掺有填充材料。所述填充材料为尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅及黏土中的至少一种。进一步优选地，所述填充材料在所述塑料材料中所占质量百分比的范围为5-40wt％。所述填充材料可以在进行注塑加工工艺之前与塑料材料掺杂在一起。

若采用金属材料作为所述基体，以不锈钢为例。不锈钢作为基体的线膨胀系数为1.5×10^-5/℃，而塑料材料的线膨胀系数在6-8×10^-5/℃，不锈钢与塑料材料间相差较大的线膨胀系数不利于塑料材料的固化过程。其它金属材料作为金属基材同样存在这一问题。因此，有必要在塑料材料中掺杂用于改性的填充材料，以降低塑料材料的线膨胀系数。例如，玻璃纤维材料的线膨胀系数仅为3.8×10^-5/℃，可以将玻璃纤维等材料掺在塑料材料中，使塑料材料组合物的线膨胀系数与不锈钢以及其它金属材料尽可能的接近。

在本发明的一种优选实施方式中，可以制备形成不锈钢与PBT塑料的结合体。

将现有的1.5mm厚的304不锈钢板，冲切成18mm*44mm的长方形，进行打磨抛光，后对其进行除油清洗，然后在弱碱性的清洗液中浸渍300s，而后放入去离子水中清洗并烘干。

将上述样品置于激光蚀刻机的激光工作区，激光刻蚀处理的相关参数为：激光加工表面微纳米结构激光器的功率为10-100W，波长为325nm-3370nm，脉宽为1fs-1064nm频率10-100KHz。在304不锈钢片上蚀刻出平行于底面的直线交叉的凹陷结构，这些凹陷结构组合构成微米级凹凸面，所述微米级凹凸面在垂直于所述不锈钢基材表面的方向上的截面形状为U型的形状。采用表面粗糙度仪器测量，所形成的凹陷机构的表面粗糙度信息值为：轮廓平均宽度RSm为120μm、平均峰谷深度Rz为30μm。

进一步地，激光蚀刻处理形成的网格状微米级凹凸面上可以吸附有润孔剂。所述润孔剂能够改善氧化膜的表面特征，使得进行注塑成型工艺时，塑料材料能够顺畅的流动到凹陷结构中。本发明对不锈钢基材表面的处理方式能够提高润孔剂在基体表面的吸附。可选地，所述润孔剂为对苯二甲酸、乙二胺四乙酸、对硝基苯磺酸、水溶性氨基酸、乙二胺、三乙醇胺、氨水、氯乙烷、环氧氯丙烷中的至少一种。

将激光处理后的304不锈钢片置于注塑成型模具内，注塑含有20％玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂组合物。而后将304不锈钢和塑料组合物的测试片固定于万能材料试验机上进行产品拉伸测试，分别测试6组测试片，测试片平均拉拔力值为1501.7N，约为30MPa，测试结果如下表1所示。

样品	结合力/N
		1	1410
2	1505
		3	1465
4	1600
		5	1580
6	1450
		平均值	1501.7

表1

在本发明的另一种实施方式中，提供了通过激光蚀刻处理在陶瓷表面形成凹凸面，之后注塑塑料材料形成的结合件。

将烧结打磨后的厚度为1.5mm的陶瓷构件，激光切割成18mm*44mm的长方形，进行打磨去除边角毛刺，后对其进行清洗，然后在弱碱性的清洗液中浸渍300s，而后放入去离子水中清洗并烘干。

将上述基体置于激光蚀刻机的激光工作区，激光刻蚀处理的相关参数为：激光加工表面微纳米结构激光器的功率为10-100W，波长为325nm-3370nm，脉宽为1fs-1064nm频率10-100KHz。考虑到陶瓷材质为氧化锆材料，不易熔融，因此在成孔结构上选择圆形孔洞，此结构在较大程度上降低了陶瓷内应力的产生，有利于产品的可靠性。采用表面粗糙度仪器测量，所形成的微米级凹凸面的表面粗糙度信息值为：轮廓平均宽度RSm为180μm、平均峰谷深度Rz为10μm。

将激光处理后的陶瓷基体置于注塑成型模具内，注塑含有20％玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂组合物。而后将陶瓷基体和塑料材料的结合件固定于万能材料试验机上进行产品拉伸测试。

结合件的测试拉伸结果如下表2所示。由表1可知，陶瓷与塑料测试片的拉拔力平均值在1192.2N，约为23.84MPa。测试片拉断后，陶瓷基体上残留较多的塑料材料，表面陶瓷片的成孔效果较好，塑料嵌入到陶瓷凹陷结构内，牢牢的锚栓于陶瓷基体内。

样品	结合力/N
		1	1210
2	1250
		3	1300
4	1280
		5	1108
6	1005
		平均值	1192.2

表2

进一步地，本发明还提供了基材和塑料结合件的制备方法，包括：提供预定形状的基材；在基材的表面实施激光刻蚀处理以形成凹陷结构，所述凹陷结构在基材的表面分布形成微米级凹凸面，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为的10-200μm，平均峰谷深度Rz为1-500μm；在基材上形成有微米级凹凸面的区域注塑固定塑料材料。

可选地，所述激光刻蚀处理的参数为：激光加工表面微纳米结构激光器的功率为10-100W，波长为325nm-3370nm，脉宽为1fs-1064nm频率10-100KHz。

可选地，所述基材的材料为陶瓷、玻璃或金属中的一种；所述塑料材料为结晶性热塑性树脂。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种基材和塑料的结合件，其特征在于，包括基体和塑料材料，所述塑料材料注塑形成在所述基体上，所述基体被配置为经过激光刻蚀处理在表面形成有微米级凹凸面，所述微米级凹凸面由分布的凹陷结构构成，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为的10-200μm，平均峰谷深度Rz为1-500μm，所述塑料材料嵌于所述凹陷结构内。

2.根据权利要求1所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述基体由陶瓷、玻璃或金属制成。

3.根据权利要求1所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述凹陷结构经激光刻蚀处理形成在所述基体的表面，所述凹陷结构为圆形结构、椭圆结构、多角形结构、条形结构、折形结构或曲形结构中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述凹陷结构在垂直于基体表面的方向上的截面形状为倒三角形、弓形、U形、四边形、圆形或椭圆形中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述凹陷结构的底面和侧壁上形成有纳米级微孔和/或凹坑。

6.根据权利要求1所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述塑料材料包括聚苯硫醚塑料、聚对苯二甲酸丁二醇酯塑料、聚酰胺塑料或聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述塑料材料中掺有填充材料，所述填充材料包括尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅及黏土中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的基材和塑料的结合件，其特征在于，所述填充材料在所述塑料材料中的质量百分比为5-40％。

9.一种基材和塑料结合件的制备方法，其特征在于，包括：

提供预定形状的基材；

在基材上形成有微米级凹凸面的区域注塑固定塑料材料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述激光刻蚀处理的参数为：激光加工表面微纳米结构激光器的功率为10-100W，波长为325nm-3370nm，脉宽为1fs-1064nm频率10-100KHz。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述基材的材料为陶瓷、玻璃或金属中的一种。