CN111732458A - 复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料及其制备方法。该复合材料包括脆性材料和塑性材料，在所述脆性材料的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构，所述塑性材料附着在所述表面上，部分所述塑性材料嵌入所述孔洞结构内，所述塑性材料的收缩系数大于所述脆性材料的收缩系数，所述塑性材料的断裂韧性大于所述脆性材料的断裂韧性，所述塑性材料对所述脆性材料形成收缩应力。

Description

复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，更具体地，涉及一种复合材料及其制备方法。
背景技术
脆性材料是在外力作用下产生很小的变形即破坏断裂的材料，例如陶瓷和玻璃等脆性材料。这些材料的硬度大，但容易产生缺口或者整体开裂。
陶瓷材料如氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷具有脆性材料所具有的的高硬度、高耐划伤下过，同时还具有无信号屏蔽、高稳定性(高可靠性)、散热性能好、手感温润等特点，能够很好的满足5G通信和无线充电技术对智能穿戴壳体和手机壳体机身材料的要求。
然而，陶瓷材料作其本身断裂韧性通常只有1-10Mpa m1/2，通过改善陶瓷材料的粉末粒度和粒度分布的方式提升材料的韧性、或者通过相变增韧的方式或者通过晶须增韧的方式提升材料的韧性，但总体而言其提升的韧性能力有限，不能满足智能穿戴产品或手机后盖产品的抗跌落要求
发明内容
本发明的一个目的是提供一种复合材料的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种复合材料。该复合材料包括脆性材料和塑性材料，在所述脆性材料的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构，所述塑性材料附着在所述表面上，部分塑性材料嵌入所述孔洞结构内，所述塑性材料的收缩系数大于所述脆性材料的收缩系数，所述塑性材料的断裂韧性大于所述脆性材料的断裂韧性，所述塑性材料对所述脆性材料形成收缩应力。
可选地，所述脆性材料的厚度为0.3-4mm。
可选地，所述孔洞结构的孔径大小为30nm-1000nm。
可选地，所述孔洞结构为三维结构的微米级沟槽或者微米级孔洞。
可选地，所述孔洞结构的尺寸为5微米-200微米。
可选地，所述塑性材料的材质为塑料或者橡胶。
根据本公开的另一个方面，提供了一种复合材料的制备方法。该制备方法包括：
在脆性材料的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构；
将塑性材料加热到熔融状态；
在设定压力下，将熔融状态的塑性材料注塑到所述表面，其中，部分所述塑性材料嵌入所述孔洞结构内；
将塑性材料和脆性材料冷却，以使所述塑性材料对所述脆性材料形成收缩应力，其中，所述塑性材料的收缩系数大于所述脆性材料的收缩系数，所述塑性材料的断裂韧性大于所述脆性材料的断裂韧性。
可选地，在所述在设定压力下，将熔融状态的塑性材料注塑到所述表面，其中，部分所述塑性材料嵌入所述孔洞结构内的步骤之前，还包括：
将脆性材料加热至设定温度。
可选地，所述设定温度为80℃-250℃。
可选地，所述设定压力为200bar-2500bar。
根据本公开的一个实施例，由于塑性材料的收缩系数大于脆性材料的收缩系数，所述塑性材料的断裂韧性大于所述脆性材料的断裂韧性，并且所述塑性材料对所述脆性材料形成收缩应力，故塑性材料进入相邻的两个孔洞结构内的部分之间能够形成拉紧应力。拉紧应力能够有效地减小脆性材料表面微观裂纹的出现以及阻碍微观裂纹的扩展，防止脆性材料碎裂，显著提高了脆性材料的韧性。
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是根据本公开实施例的一个复合材料的结构示意图。
10：脆性材料层；11：钉扎点；12：塑性材料。
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。
根据本公开的一个实施例，提供了一种复合材料。该复合材料包括脆性材料10和塑性材料12。在所述脆性材料10的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构。所述塑性材料12附着在所述表面上。部分塑性材料嵌入所述孔洞结构内。所述塑性材料的收缩系数大于所述脆性材料10的收缩系数。所述塑性材料12的韧性大于所述脆性材料10的断裂韧性。所述塑性材料对所述脆性材料10形成收缩应力。
例如，脆性材料10是在外力作用下(例如，拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即破坏断裂的材料。脆性材料包括无机非金属材料。无机非金属材料例如是陶瓷材料玻璃材料和石材中的至少一种。塑性材料包括塑料、橡胶和硅胶中的至少一种。在一个例子中，塑性材料12为塑料材料与纤维材料混合在一起制成的材料，该材料具有韧性大、结构强度高的特点
脆性材料10的收缩系数小，例如，其数量级通常为10-6。塑性材料的收缩系数通常为0.6％-1.5％。两种材料的收缩系数相差很大。
塑性材料12为整体的片状结构或者块状结构，塑性材料12的一部分进入脆性材料10表面的孔洞结构内，能够形成钉扎点11。由于塑性材料12的收缩系数大于脆性材料10的收缩系数，并且所述塑性材料12对所述脆性材料10形成收缩应力，故塑性材料12进入相邻的两个孔洞结构内的部分之间能够形成拉紧应力。拉紧应力能够有效地减小脆性材料10表面微观裂纹的出现以及阻碍微观裂纹的扩展，防止脆性材料10碎裂，显著提高了脆性材料10的韧性。
在一个例子中，所述脆性材料10的厚度为0.5mm-4mm。该厚度范围内，陶瓷材料的韧性大幅提高，并且能够适应电子设备轻薄化的发展趋势。
在一个例子中，所述孔洞结构的孔径大小为30nm-1000nm。在该范围内，塑性材料容易进入孔洞结构内，并且填充率高。
在一个例子中，所述孔洞结构为三维结构的微米级沟槽或者微米级孔洞。三维结构的微米级沟槽是指，沟槽的宽度为微米级，多个沟槽之间相互连接，以形成三维结构。三维结构的微米级沟槽能够容纳更多的塑性材料，这使得钉扎效应更显著，塑性材料12对脆性材料10的形成的收缩应力更大，复合材料的整体的结构强度更高。
微米级孔洞是指孔洞结构的内径为微米级。在该例子中，塑性材料12在每个孔洞结构内形成钉扎，以形成阵列分布的钉扎点11，相邻的钉扎点11相互拉紧，从而防止脆性材料10的表面形成微观裂纹以及阻碍微观裂纹扩展。
此外，相对于沟槽结构，孔洞结构使脆性材料10的表面形成的缺陷少，在表面不易形成微观裂纹。
此外，由于孔洞结构为微米级，故能够容纳较多的塑性材料，这使得塑性材料对于脆性材料10的拉紧应力更大。
在一个例子中，所述孔洞结构的尺寸为5微米-200微米。孔洞结构的尺寸越大，则容纳的塑性材料越多，但容易在脆性材料10上形成缺陷，导致裂纹的产生；反之，孔洞结构的尺寸越小，上述缺陷越少，但容纳的塑性材料少，拉紧应力越小。在上述范围内，脆性材料10表面的缺陷少，并且塑性材料的拉紧力大。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种复合材料的制备方法。该制备方法包括：
在脆性材料10的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构。
将塑性材料加热到熔融状态。
在设定压力下，将熔融状态的塑性材料12注塑到所述表面，其中，部分所述塑性材料12嵌入所述孔洞结构内。
将塑性材料12和脆性材料10冷却，以使所述塑性材料12对所述脆性材料10形成收缩应力，其中，所述塑性材料12的收缩系数大于所述脆性材料10的收缩系数。
在本公开实施例中，在熔融状态下，塑性材料12的流动性良好，能够流动到脆性材料10的孔洞结构内。在冷却过程中，塑性材料固化，并产生体积收缩。由于塑性材料12的收缩系数大于脆性材料10的收缩系数，故在固化过程中塑性材料12的体积收缩量大于脆性材料10的体积收缩量，已经固化并固定在孔洞结构内的钉扎点11会被拉紧，从而对脆性材料10的表面形成收缩应力。这样，相邻的钉扎点11会形成拉紧应力。该拉紧应力能够有效地减少脆性材料10的表面形成微观裂纹以及阻止微观裂纹扩展，从而使得脆性材料10在受到外力时，不易破碎。
脆性材料10和塑性材料12如前所述。本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
塑性材料12在脆性材料10表面的注塑通常在模具中进行。采用嵌件注塑的方式，首先，将脆性材料10放置到模具内；然后，从浇口注入塑性材料。塑性材料12覆盖脆性材料10的局部表面或者全部表面。模具型腔内的温度保持在使塑性材料12具有足够的流动性，以顺利地嵌入孔洞结构内。
脆性材料10的导热性能通常大于塑性材料12的导热性能。脆性材料10的冷却速度小于塑性材料12的冷却速度时，脆性材料10的热量会导致钉扎点11重新熔化，使得钉扎点11可能从孔洞结构内脱离，无法形成拉紧应力。
在一个例子中，在冷却过程中，脆性材料10和塑性材料12能够同步冷却，或者脆性材料10的冷却速度大于塑性材料12的冷却速度，这样，能够有效地避免由于复合材料的冷却速度不一致，而导致塑性材料12形成的收缩应力小。
在一个例子中，采用化学腐蚀的方式在脆性材料10的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构。例如，将设定形状的脆性材料10放置到酸性溶液中，酸性溶液与脆性材料10表面的氧化物等发生化学反应，从而在表面形成空洞结构。孔洞结构如前所述。酸性溶液可选的是盐酸、硝酸、硫酸等。酸性溶液的浓度为20g/L-150g/L。
也可以是，采用激光刻蚀的方式在表面形成孔洞结构。通过控制激光的强度大小以及刻蚀时间，能够控制孔洞结构的大小、深度等。
在一个例子中，在所述在设定压力下，将熔融状态的塑性材料12注塑到所述表面，其中，部分所述塑性材料12被压入所述孔洞结构内的步骤之前，还包括：将脆性材料10加热至设定温度。
在加热条件下，脆性材料10能够与模具的型腔完全的匹配，这使得塑性材料的注塑位置、注塑的量能够更精确。
此外，在加热条件下，孔洞结构的尺寸能够暂时的变大，这使得塑性材料12能够更多地嵌入孔洞结构内。在冷却收缩后，更多地塑性材料12能够固定在孔洞结构内，从而使得相邻的钉扎点11之间的拉紧应力更大，钉扎效应能够跟显著，塑性材料12对于脆性材料10形成的收缩应力更大，复合材料的韧性更大，结构强度更高。
此外，在加热条件下，塑性材料12在脆性材料10的表面的流动性更好。
在一个例子中，所述设定温度为120℃-200℃。在该温度下，脆性材料10能够与模具更好地匹配。塑性材料的流动性良好，并能更充分进入孔洞结构内。
在一个例子中，所述设定压力为200bar-2500bar。该设定压力是指注塑设备的出口压力。在上述压力范围内，熔融状态的塑性材料能够更有效地嵌入孔洞结构内。
<实施例1>
脆性材料10为设定形状的氧化锆陶瓷材料，采用酸液腐蚀的方式，在氧化锆陶瓷材料的表面形成均匀的孔洞结构，其中，孔洞结构的孔径大小在30nm-1000nm。塑性材料为PPS和玻璃纤维的混合材料，其中，PPS的质量分数为60％，玻璃纤维的质量分数为40％，其收缩系数为0.4％-0.5％。
首先，将氧化锆陶瓷材料置于模具内，模具内的温度为160℃；
然后，采用高速高压的注塑方式，将混合材料注塑进入到氧化锆陶瓷材料表面的孔洞结构内，其中注塑的压力为1200bar，注塑的速度为150mm/s，保压压力为1500bar，保压时间为3s。在氧化锆陶瓷材料表面附着一层厚度为1mm的塑性材料12。
最后，在室温下将脆性材料10和塑性材料12进行冷却。
测试项目：将本实施例的复合材料进行以下测试：
A.气密性测试
将复合材料置于气密性测试工装内进行测试。在5MPa的内部气压条件下，测得泄漏率为7Pa/min。
B.滚筒跌落测试
将复合材料置于滚筒跌落测试滚筒内进行滚筒跌落。滚筒跌落的高度最高为1.5m，跌落12次后，复合材料没有出现开裂。
C.自由跌落测试
将复合材料置于自由跌落测试平台上进行自由跌落。跌落地面为大理石地面。自由跌落平台高度1.5m。从自由跌落平台向不同方向跌落。每个方向跌落2次，共计12次，复合材料未出现开裂或者缺口。
<实施例2>
脆性材料10为设定形状的氧化铝陶瓷材料，采用激光刻蚀的方式，在氧化铝陶瓷材料的表面形成三维结构的微米沟壑或者微米孔洞，其中，孔洞结构的尺寸为5μm-2000μm。塑性材料12为聚丙烯和玻璃纤维的混合材料。其中，在混合材料中，玻璃纤维的质量分数为30％。混合材料的收缩系数为0.6％。
首先，将氧化锆陶瓷材料置于模具内，模具内的温度为160℃；
然后，采用热压的注塑方式，将混合材料注塑进入到氧化锆陶瓷材料表面的孔洞结构内，其中注塑的压力为800bar，注塑的温度为175℃。在氧化锆陶瓷材料表面附着一层厚度为1mm厚的塑性材料12。
最后，在室温下将脆性材料10和塑性材料12进行冷却。
测量项目：A.气密性测试
将复合材料置于气密性测试工装内进行测试，在10MPa的内部气压条件下，测得泄漏率为12Pa/min。
B.滚筒跌落测试
将复合材料置于滚筒跌落测试滚筒内，进行滚筒跌落，滚筒跌落的高度最高为1.8m，跌落12次后，复合材料没有出现开裂。
C.自由跌落测试
将复合材料置于自由跌落测试平台上进行自由跌落。跌落地面为大理石地面。自由跌落平台高度1.8m。从自由跌落平台向不同方向跌落。每个方向跌落2次，共计12次，复合材料未出现开裂或者缺口。
<对比例>
脆性材料为设定形状的氧化锆陶瓷材料，塑性材料为PBT和玻璃纤维的混合物，其中PBT的质量分数为60％，玻璃纤维的质量分数为40％。
首先，将氧化锆陶瓷材料置于模具内，模具内的温度为80℃；
然后，采用模内嵌件的注塑方式，将塑性材料注塑进入到氧化锆陶瓷材料表面，其中注塑的压力为1200bar，注塑的温度为190℃。在氧化锆陶瓷材料表面附着一层厚度为1mm厚的塑性材料。
最后，在室温下将脆性材料和塑性材料进行冷却。
测试项目：
气密性测试
将注塑完成的复合材料置于气密性测试工装内进行测试，在5MPa的内部气压条件下，测得泄漏率为250Pa/min。
滚筒跌落测试
将注塑完成的特定形状的复合材料置于滚筒跌落测试滚筒内进行滚筒跌落，滚筒跌落高度最高为1.2m，跌落8次后，复合材料局部出现开裂分离,不满足测试标准要求。
自由跌落测试
将注塑完成的特定形状的复合材料置于自由跌落测试平台上进行自由跌落，跌落地面为大理石地面。自由跌落平台高度1.2m。从自由跌落平台向不同方向跌落。每个方向跌落2次，共计12次，复合材料出现局部出现缺口,不满足测试标准要求。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
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 (10)

1.一种复合材料，其特征在于，包括脆性材料和塑性材料，在所述脆性材料的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构，所述塑性材料附着在所述表面上，部分塑性材料嵌入所述孔洞结构内，所述塑性材料的收缩系数大于所述脆性材料的收缩系数，所述塑性材料的断裂韧性大于所述脆性材料的断裂韧性，所述塑性材料对所述脆性材料形成收缩应力。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脆性材料的厚度为0.3-4mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述孔洞结构的孔径大小为30nm-1000nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述孔洞结构为三维结构的微米级沟槽或者微米级孔洞。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述孔洞结构的尺寸为5微米-200微米。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述塑性材料的材质为塑料或者橡胶。
7.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
在脆性材料的表面形成纳米级和/或微米级的孔洞结构；
将塑性材料加热到熔融状态；
在设定压力下，将熔融状态的塑性材料注塑到所述表面，其中，部分所述塑性材料嵌入所述孔洞结构内；
将所述塑性材料和所述脆性材料冷却，以使所述塑性材料对所述脆性材料形成收缩应力，其中，所述塑性材料的收缩系数大于所述脆性材料的收缩系数，所述塑性材料的断裂韧性大于所述脆性材料的断裂韧性。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述在设定压力下，将熔融状态的塑性材料注塑到所述表面，其中，部分所述塑性材料嵌入所述孔洞结构内的步骤之前，还包括：
将脆性材料加热至设定温度。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述设定温度为80℃-250℃。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述设定压力为200bar-2500bar。
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