CN109550940A - 金属基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属基复合材料，其金属基复合材料包括：多个金属粉粒；以及多个陶瓷颗粒，以离子键的键结方式结合于该些金属粉粒之表面。经实证数据之表现，证明金属基复合材料在积层制造上的使用可同时使制造产品达到有效降低表面粗糙度以及增加硬度的效果。

Description

金属基复合材料
技术领域
本发明关于一种金属基复合材料，特别是关于一种以离子键方式键结的金属基复合材料。
背景技术
金属基复合材料(metal matrix composite, MMC)结合两种不同材料的特性，借由互补彼此的缺陷来改善传统单一材料的缺点。其性质是由基底材料与强化相材料之特性来决定，基底材料主要以重量轻的金属或合金为主，添加的强化相材料则是以陶瓷材料为主。
传统制作复合材料的方法中，常见的是将陶瓷粉末以搅拌分散混入正在熔融的金属中，而此方法是陶瓷粉末利用范德华力（Van der Waals force，是一种「分子间」的作用力）附着于金属基材上形成的金属基复合材料，通过此方式制造的金属基复合材料却有其强化相材料体积分率不高，强化相粒子分布不均匀以及内部具有孔隙之缺点。
发明内容
本发明所欲解决的主要问题，在于金属基复合材料有其强化相材料(陶瓷材料)体积分率不高，强化相粒子(陶瓷颗粒)分布不均匀以及内部具有孔隙之缺点。本发明即研发一种方法过程简单，所需成本较低的低温及湿式的化学合成工艺，起始反应为分子级，经由成核成晶之过程，能制备颗粒小且分布均匀不易发生聚集现象之陶瓷颗粒，且该些陶瓷颗粒以离子键的方式键结于金属粉粒之表面。
为达成上述的目的，本发明公开了一种金属基复合材料，包括：多个金属粉粒；以及多个陶瓷颗粒，以离子键的键结方式结合于该些金属粉粒之表面。
在一实施例中，所述金属粉粒之材质可选自铝、钛、镍及不锈钢所构成之群组。
在一实施例中，所述陶瓷颗粒之材质为二氧化钛或二氧化硅。
在一实施例中，所述金属粉粒之粒径范围为25~45μm。
在一实施例中，所述陶瓷颗粒之粒径范围为纳米级的1~100nm。
在一实施例中，所述陶瓷颗粒分布于所述金属粉粒表面之密度为3~20颗粒/μm2。
在一实施例中，所述陶瓷颗粒以一化学合成工艺使一陶瓷溶液于所述金属粉粒之表面形成一陶瓷镀层，再经一热处理工艺使所述陶瓷镀层成核成晶为该些陶瓷颗粒。
而当本发明以所述金属粉粒之材质为不锈钢粉粒，且所述陶瓷颗粒之材质为二氧化钛时为实施例时：
在上述实施例中，所述陶瓷溶液混合一钛的前驱化合物、一触媒、一界面活性剂与一介质而成，于所述金属粉粒表面形成所述陶瓷镀层。
在上述实施例中，所述陶瓷镀层中的界面活性剂均匀分布附着于所述金属粉粒的表面形成隔板效果，使所述钛的前驱化合物可均匀分布于该些界面活性剂隔出的空间。
经由本发明所述金属基复合材料的制造方法及其所制备的金属基复合材料，具有方法过程简单、所需成本较低且分布均匀的效果。本发明通过低温及湿式的化学合成工艺，金属粉粒与强化相材料(陶瓷材料)的起始反应皆为分子级，经由成核成晶之过程，能制备颗粒小之陶瓷颗粒以离子键的方式键结于金属粉粒之表面，且分布均匀不易发生聚集现象。
附图说明
图1为本发明所述金属基复合材料的制造方法流程图；
图2A为本发明所述陶瓷溶液加入金属粉粒示意图；
图2B为本发明所述陶瓷材料之演变示意图；
图3A为本发明所述金属粉粒示意图；
图3B为本发明所述界面活性剂作用示意图；
图3C为本发明所述陶瓷材料分布示意图；
图3D为本发明所述陶瓷颗粒成形示意图；
图4A为本发明所述化学合成工艺的水解反应化学式；
图4B为本发明所述化学合成工艺的缩合反应化学式；
图4C为本发明所述化学合成工艺的聚合反应化学式；
图5A为本发明所述积层制造装置示意图；
图5B为复合材料与一般材料的表面粗糙度数据表示图；
图5C为复合材料与一般材料的硬度数据表示图。
图中标号说明：
1 金属基复合材料
11A 陶瓷溶液
11B 陶瓷镀层
11C 陶瓷颗粒
111 钛的前驱化合物
112 触媒
113 界面活性剂
114 介质
12 金属粉粒
2 激光单元
10 积层制造装置
S1 金属基复合材料的制造方法
S11~14 步骤。
具体实施方式
本发明之金属基复合材料的制造方法以低温及湿式的化学合成工艺搭配强化相材料浓度、界面活性剂浓度与反应时间等参数控制，并经由热处理工艺可制备出纳米二氧化钛颗粒镀层复合不锈钢粉粒之材料，其工艺简单、成本低廉且均匀性高。
请参阅图1，图1为本发明之一实施例之金属基复合材料的制造方法S1的流程图，其步骤包括：
步骤S11：制备一陶瓷溶液；
步骤S12：将多个金属粉粒加入所述陶瓷溶液中；
步骤S13：经一化学合成工艺，使所述陶瓷溶液于所述金属粉粒之表面形成陶瓷镀层；以及
步骤S14：经一热处理工艺，使所述陶瓷镀层成核成晶形成多个均匀分布于所述金属粉粒表面的陶瓷颗粒，其中该些陶瓷颗粒以离子键的键结方式结合于该些金属粉粒之表面。
在此一实施例中，所述金属粉粒之材质可选自铝、钛、镍及不锈钢所构成之群组，且所述陶瓷颗粒之材质为二氧化钛或二氧化硅。
接下来，本发明以不锈钢粉粒为所述金属粉粒，并以二氧化钛为所述陶瓷颗粒进行下列的实施例说明：
敬请参阅图2A与图2B，图2A为本发明所述陶瓷溶液11A加入金属粉粒12示意图，图2B则为本发明所述陶瓷材料之演变示意图。
其中，图2A可对应步骤S11的制备一陶瓷溶液11A，如图2A所示，所述陶瓷溶液11A由一钛的前驱化合物111、一触媒112、一界面活性剂113以及一介质114混合而成。
其中，所述钛的前驱化合物111为含有钛元素之混合物，所述触媒112为具有酸性或碱性之化合物、所述界面活性剂113为具有亲水与疏水端的有机两性分子，所述介质14为醇类溶液。
于此一实施例中，所述陶瓷溶液11A中的钛的前驱化合物111浓度范围为0.1~10％wt、所述触媒112浓度范围为0.1~10％wt、所述界面活性剂113浓度范围为0.01~20mg/L，其余成份为所述介质114。而本实施例中采用的钛的前驱化合物111为四乙醇基钛、异丙醇钛或钛酸四丁酯中的一种或两种以上之混合物，所述触媒112为乙酸或氨水、所述界面活性剂113为阴离子界面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或阳离子界面活性剂三甲基十六烷基溴化铵(CTAB)，所述介质114为甲醇、乙醇、乙二醇溶液。
接下来请参阅图2B，先如步骤S12于所述陶瓷溶液11A中加入金属粉粒12(例如粒径范围为25~45μm的不锈钢金属粉粒)；再如步骤S13所示由陶瓷溶液11A通过一化学合成工艺包覆于所述金属粉粒12之外层形成一陶瓷镀层11B；最后再如步骤S14经一热处理工艺将陶瓷材料成核成晶，形成均匀分布于所述金属粉粒12表面的所述陶瓷颗粒11C(例如粒径范围为纳米级1~100nm的二氧化钛陶瓷颗粒) ，制备一如本发明所述之金属基复合材料1。
在此一实施例中，所述化学合成工艺包括有特定反应温度以及特定反应时间，所述特定反应温度范围为0~40°C、所述特定反应时间范围为0.5~10hr。
在此一实施例中，所述热处理之温度范围为100~1000°C、所述热处理之时间范围为0.5~5hr。
接下来更详细说明有关陶瓷颗粒如何均匀分布于金属粉粒12上的方式，请参阅图3A至图3D，图3A为本发明所述金属粉粒示意图，图3B为本发明所述界面活性剂作用示意图，图3C为本发明所述陶瓷材料分布示意图，图3D则为本发明所述陶瓷颗粒成形示意图。
如图3A所示，金属粉粒12在如图2A中加入陶瓷溶液11A后，所述陶瓷溶液11A会于所述金属粉粒12表面形成所述陶瓷镀层11B。
接下来如图3B所示，所述陶瓷镀层11B中的界面活性剂113以其疏水性的一端均匀分布附着于所述金属粉粒12的表面形成隔板效果，使所述钛的前驱化合物111可如图3C所示均匀分布于该些界面活性剂113隔出的空间，且所述钛的前驱化合物111通过化学合成工艺与所述金属粉粒的表面进行离子键的键结。
在图3C的阶段完成后更可包括一干燥烘干步骤，使如图2A及图2B中所述陶瓷镀层11B中的所述介质114去除于所述金属粉粒12之表面，同时裂解移除所述金属粉粒12表面之所述界面活性剂113。
最后则如图3D所示，经一热处理工艺使键结于金属粉粒12表面的陶瓷材料成核成晶形成均匀分布的陶瓷颗粒11C。
经过上述的金属基复合材料制造方法，所述陶瓷颗粒11C将以3~20颗粒/平方微米(μm2)的颗粒面积密度(亦即陶瓷颗粒数目除以金属粉粒表面面积)分布于所述金属粉粒12之表面。
而在此一实施例中所述的化学合成工艺包括水解反应、缩合反应以及聚合反应，请参阅图4A至图4C。
图4A为本发明所述化学合成工艺的水解反应化学式；图4B为本发明所述化学合成工艺的缩合反应化学式；图4C为本发明所述化学合成工艺的聚合反应化学式。
如图4A所示，钛酸四丁酯在酸性条件下为水合氢离子，氧上的弧对电子攻击H3O+，并倾向形成性质稳定的醇类R-OH，接下来经过HÖH中氧上的弧对电子依序攻击钛原子Ti、氢原子并倾向形成R-OH后，再攻击H3O+先形成一中间产物氢氧化钛以完成水解反应。
接下来则如图4B所示，钛原子旁边有一好离去基OH2+，氧上的弧对电子会倾向攻击钛原子Ti，再攻击经原子形成H3O+完成缩合反应。
最后则是如图4C之化学式所示，完成聚合反应。
续请参阅图5A，经过本发明所述的制造方法所制备的金属基复合材料1另可结合一激光单元2应用于一种积层制造装置10上，经实际验证，根据表面结合有陶瓷颗粒的金属基复合材料1，特别是本发明之该些陶瓷颗粒以离子键的键结方式结合于该些金属粉粒之表面，在激光单元2的激光扫描过程中更提升熔池的动态黏度并增加熔池的熔融区域减少热毛细现象，因此于激光熔融后可达到降低表面粗糙度的效果，并同时可借由强化相材料(陶瓷材料)的性质达到硬度的增强效果。再者，根据金属基复合材料应用在不同的产品，该些陶瓷颗粒不同之颗粒面积密度于激光熔融后可产生不同之表面粗糙度的效果。
请参阅图5B及图5C，图5B及图5C为金属基复合材料与一般材料应用于积层制造时，在表面粗糙度与硬度的数据表示图。
经表面粗糙度的实证数据，如图5B所示，以一般材料试片与金属基复合材料试片进行同样速度的激光扫描，在400~450mm/s的速度区间，一般材料试片之表面粗糙度约为4.3μm，而金属基复合材料试片则约为3.4μm，表面品质约可提升25%。
在硬度表现上，则如图5C所示，一般材料在硬度上若可达到HV235.8，则在相同条件下的复合材料硬度表现约可达到HV244.94，亦即，金属基复合材料在积层制造上的使用可同时使制造产品达到有效降低表面粗糙度以及增加硬度的效果。
综上所述，本发明所公开之金属基复合材料及其制造方法在制备过程中具有方法过程简单、所需成本较低且分布均匀的效果，并且应用于积层制造可大幅降低制造成品之表面粗糙度，进而减少后续的处理工时与成本花费。
上述本发明所采用的技术手段之实施方式或实施例，并非用来限定本发明专利实施之范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (7)

1. 一种金属基复合材料，包括：
多个金属粉粒；以及
多个陶瓷颗粒，以离子键的键结方式结合于该些金属粉粒之表面。
2.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属粉粒的材质选自铝、钛、镍及不锈钢所构成的群组，且，所述陶瓷颗粒的材质为二氧化钛或二氧化硅。
3.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属粉粒粒径范围为25~45μm，且所述陶瓷颗粒粒径范围为1~100nm。
4.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒分布于所述金属粉粒表面的颗粒面积密度为3~20颗粒/μm2。
5.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒以一化学合成工艺使一陶瓷溶液于所述金属粉粒的表面形成一陶瓷镀层，再经一热处理工艺使所述陶瓷镀层成核成晶为该些陶瓷颗粒。
6.如权利要求5所述的金属基复合材料，其特征在于，当所述金属粉粒材质为不锈钢，且所述陶瓷颗粒的材质为二氧化钛时，所述陶瓷溶液混合一钛的前驱化合物、一触媒、一界面活性剂与一介质而成，于所述金属粉粒表面形成所述陶瓷镀层。
7.如权利要求6所述的金属基复合材料，其特征在于，所述陶瓷镀层中的界面活性剂均匀分布附着于所述金属粉粒的表面形成隔板效果，使所述钛的前驱化合物均匀分布于该些界面活性剂隔出的空间。
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