CN111278786A - 复合材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料(1)。其具有40至85体积%的陶瓷填料(2)和15至60体积%的其它成分。所述其它成分包含至少一种水泥(3)和至少一种聚合物(4)。所述复合材料可以用作蓄电池的壳体和/或用作电子元件、电子部件或电子组合件的组成部分。在制造复合材料(1)的方法中，向包含40至85体积%的陶瓷填料(2)、14至59体积%的至少一种水泥(3)、1至20体积%的至少一种聚合物(4)和0至2体积%的添加剂的配制剂中加入水并水硬性固化。

Description

复合材料及其制造方法
本发明涉及复合材料。其可以特别地用作蓄电池的壳体和/或用作电子元件、部件或组合件的组成部分。本发明还涉及制造所述复合材料的方法。
现有技术
用于无线电钻和可比拟的工具的蓄电池的壳体通常由有机聚合物料组成。虽然它们具有良好的机械稳定性，但它们只能不足地散出由蓄电池产生的热量。
已知的是，蓄电器在优化的散热情况下实现提高的使用寿命。为了改进散热，可以将导热陶瓷填料引入到有机聚合物料中。但是，由于有机聚合物料的可加工性，只能将少量这些导热陶瓷填料引入其中。
纯陶瓷-水泥复合材料具有很好的散热。但是，当用作蓄电器的壳体时，它们的缺点是它们非常脆。此外，它们的水泥含量导致这样的复合材料的孔隙率，由此不能满足对壳体致密性的高要求。
在电子元件、部件和组合件中也希望高散热。然而由于有机聚合物料，这也只能不足地或在明显更高的材料成本下以差的加工性能来实现。同时，对于这样的聚合物料而言，在高于200℃的温度下使用通常是令人怀疑的。陶瓷-水泥复合材料对于这种应用而言也有时太脆或太可渗透。
发明公开
所述复合材料具有40至85体积%的陶瓷填料和15至60体积%的其它成分，各自基于100体积%的复合材料计。所述其它成分包含至少一种水泥和至少一种聚合物。所述复合材料由于其高比例的陶瓷填料而具有良好的导热性。陶瓷填料与水泥的组合能够在不严重损害可加工性的情况下用所述至少一种聚合物填充。该聚合物填充了水泥结构中的孔，并因此改进其机械稳定性并同时对抗其脆性和孔隙率。还降低渗透性/吸水性。
在此，水泥被理解为是指各种无机化合物和无机化合物的各种混合物，它们通过水进行水硬性固化并形成水合物相。特别地，高铝水泥、波特兰水泥和磷酸盐水泥适合作为该复合材料的成分。
所述至少一种聚合物优选占复合材料的1至20体积%。由此，一方面确保聚合物补偿了水泥的孔隙率、脆性和由此导致的低机械稳定性，但另一方面，复合材料的导热性基本上由水泥和陶瓷填料决定，而不由聚合物决定。
对于复合材料而言优选的聚合物选自聚硅氧烷或硅酮、环氧树脂、聚氨酯树脂、乙酸乙烯酯-乙烯共聚物及其混合物。这些合成树脂或类树脂化合物特别好地适合于使复合材料具有所需弹性，以补偿水泥和陶瓷填料的否则更可能脆的性能。
为了提高导热性而设置的陶瓷填料优选选自氧化物、氮化物、碳化物及其混合物。氧化物特别是氧化铝。氮化物特别是氮化铝、氮化硼或氮化硅。碳化物特别是碳化硅或碳化钨。这些陶瓷填料不仅提高了复合材料的导热性，还满足了当复合材料用作具有高运行电压的电子元件、部件或组合件的组成部分时可能对其提出的电绝缘要求。
在制造复合材料的方法中，向下列组成的配制剂中加入水：
40至85体积% 陶瓷填料，
14至59体积% 至少一种水泥，
1至20体积% 至少一种聚合物，
0至2体积% 添加剂。
然后将该配制剂进行水硬性固化。该配制剂中包含的添加剂特别是促进该配制剂的可加工性的流动剂，例如特别是聚羧酸酯醚(PCE)、缩聚物、基于聚合物的消泡剂、聚硅氧烷或润湿剂。
在所述复合材料的一个实施例中，所述至少一种聚合物至少部分地形成聚合物网格。其包围陶瓷填料和水泥。也可被称为宏观基质的这样的聚合物网格还进一步改进该复合材料的机械稳定性。
特别地，可以通过以下方式来制造根据该实施例的复合材料，即将包含基于100体积%的要制造的复合材料计40至85体积%的陶瓷填料的水泥料通过浇注，特别是通过注射成型而施加到聚合物网格中。为此，该聚合物网格也可以通过注射成型来成型。原则上，可以使用仅由至少一种水泥和陶瓷填料组成的物料作为水泥料。此时，该复合材料的聚合物仅包含在聚合物网络中。然而，为了将作为宏观聚合物基质的聚合物网络的优点与在微观水平上与水泥和陶瓷填料结合的聚合物的优点相结合，优选的是将上述配制剂用作水泥料。在这种情况下，该复合材料既在水泥料中，也在宏观基质中包含聚合物。
在所述复合材料的另一个实施例中，所述至少一种聚合物至少部分地布置在第一层中。在这些第一层之间布置第二层，所述第二层包含陶瓷填料和水泥。在这些第一层内，聚合物既可以作为均质层施加，也可以由宏观聚合物部件，例如栅格、棒或网作为不均质的聚合物层形成。所述复合材料的这种层结构也造成更进一步改进的机械稳定性。特别地通过以下方式制造根据该实施方案的复合材料，即交替地将至少一种聚合物和包含基于100体积%的要制造的复合材料计40至85体积%的陶瓷填料的水泥料以层的形式彼此重叠施加。原则上，在该实施方案中也可以使用仅由至少一种水泥和陶瓷填料组成的水泥料。然而，优选在此也将上述配制剂用作水泥料，以由此将水泥和陶瓷填料的微观和宏观结合到聚合物中的优点相互联合。
为了将复合材料固化并减少其吸水性，优选使其经受60℃至350℃的温度下的热处理。一方面，该温度范围足以将未与水泥反应的水驱出复合材料，且同时它又足够低以避免可能导致复合材料中形成裂纹的聚合物的热变形或分解。
该复合材料将高导热性与良好的机械稳定性、低吸水性和高电阻联合。因此，它特别适合用作蓄电池的壳体和/或用作电子元件、电子部件或电子组合件的组成部分。
附图简述
本发明的实施例显示在附图中并且在下面的描述中更详细说明。
图1 显示了根据本发明的一个实施例的复合材料的示意图。
图2在图表中将根据本发明和非根据本发明的复合材料的吸水性进行比较。
图3在图表中将根据本发明的一个实施例的复合材料与多种常规材料的热膨胀进行比较。
图4示意性地显示了根据本发明的另一个实施例的复合材料。
图5示意性地显示了根据本发明的还另一个实施例的复合材料。
发明的实施例
根据下表1，制造了两种配制剂B1和B2，它们用于制造根据本发明的复合材料的两个实施例。此外，制造了两种配制剂VB1和VB2，它们用于制造常规复合材料的两个对比例。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
聚羧酸酯醚和消泡剂的混合物用作流动剂。乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的饱和分散体用作聚合物分散体。
将所有配制剂进行水硬性固化，以由根据本发明和非根据本发明的复合材料获得试样。
图1显示了复合材料1的结构，该复合材料可以根据配制剂B1和B2制造，如其可以在显微照片中部分地通过光学显微镜法或扫描电子显微镜法显示或通过汞压孔隙率法或电阻测量来间接检测。可以看出，呈不同尺寸的氧化铝颗粒形式的陶瓷填料2与由各自的聚合物4，即由聚硅氧烷或乙酸乙烯酯-乙烯共聚物制成的微观有机基质一起嵌入在水泥基质3中。
根据配制剂VB1和B1制造的复合材料各自首先在60℃的温度下固化48小时之久，然后在80℃的温度下干燥，并然后在22℃下储存大于24小时之久。在干燥之后且在室温下储存之前，将根据配制剂B1制造的复合材料的各一个样品经受150℃的温度下的一小时热处理。然后将所有样品储存在水中，并将其吸水性百分比WA各自在两小时后和24小时后通过称重来确定。如图2所示，根据本发明的复合材料的吸水性明显低于不包含聚合物的常规陶瓷水泥复合材料。其可以通过热处理再次明显改进并然后处于硅酮浇铸料的范围内。因此，可以表明，根据研究的本发明实施例的复合材料在其吸水性方面具有其中包含的聚合物的良好性能，而不具有其中包含的水泥的差性能。
将根据配制剂VB2和B2制造的复合材料的各一个样品一开始在22℃的温度下在未干燥状态下以2℃/分钟的速度加热至300℃的温度，并然后再次冷却到初始温度。在加热时和在冷却时该复合材料的伸长率百分比rel. DL示于图3中。与不包含聚合物的常规陶瓷水泥复合材料相比，根据研究的本发明实施例的复合材料在此具有明显更低的热收缩率。因此可以表明，这样的根据本发明的复合材料相对于如在电子元件、部件和组合件中出现的金属基材而言在界面处具有小于常规复合材料的应力。此外，在图3中还显示了铝和铜的热膨胀。与可通过常规复合材料实现的相比，还可以预期在温度影响下根据本发明的复合材料的更好粘附性。
图4示意性地显示了根据本发明实施例的机械特别稳定的复合材料5。这通过以下方式制造，即通过注射成型将配制剂B1或B2嵌入作为宏观聚合物基质的聚合物网格中。在配制剂B1的情况下，聚硅氧烷用作聚合物，且在配制剂B2的情况下，乙酸乙烯酯-乙烯共聚物用作聚合物。因此，复合材料5由具有陶瓷填料、水泥和聚合物并本身再次嵌入由聚合物4制成的微观基质中的复合材料1组成。
图5显示了复合材料6的另一个机械特别稳定的实施例。配制剂B1或B2的层各自用配制剂中所用的聚合物的层覆盖，随后接着的是该配制剂的另一层和聚合物的另一层。在水硬性固化之后，获得所示的复合材料6，其具有由陶瓷填料、水泥和各自的聚合物制成的复合材料1的两个层和仅由各自的聚合物4组成的两个其它层。聚合物4的层适用于吸收复合材料6的大机械载荷。
可以将本发明的根据上述实施例可由配制剂B1和B2制造的复合材料1、5、6用作无线电钻的蓄电器的壳体或用作电子半导体元件、电子半导体部件或电子半导体组合件的组成部分。

Claims (12)

1.复合材料(1、5、6)，其具有40至85体积%的陶瓷填料(2)和15至60体积%的其它成分，各自基于100体积%的复合材料(1、5、6)计，其中所述其它成分包含至少一种水泥(3)和至少一种聚合物(4)。
2.根据权利要求1的复合材料(1、5、6)，其特征在于，所述至少一种聚合物(4)占复合材料(1)的1至20体积%。
3.根据权利要求1或2的复合材料(1、5、6)，其特征在于，所述聚合物(4)选自聚硅氧烷、环氧树脂、聚氨酯树脂及其混合物。
4.根据权利要求1至3任一项的复合材料(1、5、6)，其特征在于，所述陶瓷填料(2)选自氧化物、氮化物、碳化物及其混合物。
5.根据权利要求1至4任一项的复合材料(5)，其特征在于，所述至少一种聚合物(4)至少部分地形成聚合物网格，所述聚合物网格包围陶瓷填料(2)和水泥(3)。
6.根据权利要求1至5任一项的复合材料(6)，其特征在于，所述至少一种聚合物(4)至少部分地布置在第一层中，在所述第一层之间布置第二层，所述第二层包含陶瓷填料(2)和水泥(3)。
7.根据权利要求1至6任一项的复合材料(1、5、6)用作蓄电池的壳体和/或用作电子元件、电子部件或电子组合件的组成部分的用途。
8.制造根据权利要求1至4任一项的复合材料(1)的方法，其特征在于，向下列组成的配制剂中加入水并水硬性固化：
40至85体积% 陶瓷填料(2)，
14至59体积% 至少一种水泥(3)，
1至20体积% 至少一种聚合物(4)，
0至2体积% 添加剂。
9.制造根据权利要求5的复合材料(5)的方法，其特征在于，将包含基于100体积%的复合材料(5)计40至85体积%的陶瓷填料(2)的水泥料通过浇注施加到聚合物网格中。
10.制造根据权利要求6的复合材料(6)的方法，其特征在于，交替地将
- 至少一种聚合物(4)和
- 包含基于100体积%的复合材料(6)计40至85体积%的陶瓷填料的水泥料
以层的形式彼此重叠施加。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，在根据权利要求8的方法中作为复合材料(1)制造所述水泥料。
12.根据权利要求8至11任一项的方法，其特征在于，所述复合材料(1、5、6)经受60℃至350℃的温度下的热处理。
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