CN112552079A - 一种金属化陶瓷基复合材料及曲面金属化的方法 - Google Patents

一种金属化陶瓷基复合材料及曲面金属化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种金属化陶瓷基复合材料及曲面金属化的方法，通过制作与陶瓷基复合材料基板结构、尺寸一致的模板、在模板上加工凹槽、模板表面铺设保护膜并将模板凹槽上方的保护膜裁掉、将保护膜从模板上转移至基板表面、基板金属化等步骤实现。本发明金属化方法不依赖设备、简单便捷、成本低廉，对于研究耐高温频率选择表面天线罩和耐高温共形天线等具有重要意义。

Description

一种金属化陶瓷基复合材料及曲面金属化的方法
技术领域
本发明涉及一种金属化陶瓷基复合材料及曲面金属化的方法，属于复合材料表面金属化技术领域。
背景技术
随着未来飞行器所需通讯组件向着微型化、轻量化、高可靠性方向发展，传统树脂基板天线已不能满足要求，迫切需要研究耐高温、电磁稳定性好、雷达散射截面小的高性能共形阵列天线，将天线与纤维增强陶瓷基复合材料有机结合起来，制备金属化(对陶瓷基复合材料进行表面金属化处理,使其具有金属般的导电性)的纤维增强陶瓷基复合材料有望实现上述需求。此外，共形天线为满足飞行器的气动、隐身性能要求，往往具有复杂的三维曲面外形，只有实现曲面金属化，技术才有实用价值。
目前曲面金属化技术的主要制备方法有三种。第一种是柔性膜转移技术，即先将二维金属图案制作成柔性介质膜，再将其转移至基板上。中国专利CN104934721A将聚酰亚胺覆铜膜作为夹层放在预浸料层间，进行一体化层和，该方法制备精度较低，并且使用温度一般不超过500℃，无法在更高温度下使用。第二种是数字化机械或激光加工技术，国内报道过使用五自由度刻铣机器人或3D激光加工设备在金属化的基体表面直接刻划出所需的曲面金属层的技术。第三种是3D打印技术，为基体打印金属化掩模，再经表面金属化得到较薄的曲面金属层，或直接烧结金属粉打印较厚的可自承载的金属层。中国专利CN104309226A以氮化硅复相陶瓷为基材，以耐高温导电陶瓷或耐高温金属为金属化材料，采用磁控溅射镀膜加激光刻蚀工艺或丝网印刷工艺在陶瓷基体表面直接制备了耐高温的谐振结构，随后将这种具有金属层结构的单层材料通过无机胶黏剂复合为具有多层金属层的耐高温宽频透波材料。上述方法设备依赖性强，成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种在精度满足使用要求的前提下显著降低成本、降低设备依赖性、工艺简单便利的陶瓷基复合材料曲面金属化的方法及用该方法制备的金属化陶瓷基复合材料。
本发明的技术解决方案：一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，通过以下步骤实现：
第一步，根据陶瓷基复合材料基板的曲面外形制作结构、尺寸一致的模板，并在模板上将陶瓷基复合材料基板需要金属化的部位加工成凹槽；
第二步，模板表面铺设具有粘性的保护膜，并将模板凹槽上方的保护膜裁掉；
第三步，保护膜转移，将保护膜从模板上转移至基板表面；
第四步，基板金属化，
A4.1、准备曲面涂膜器，所述的曲面涂膜器包括涂膜区和两端支架组成，所述的涂膜区中部加工涂膜平台，涂膜平台型面与基板外型面一致；
A4.2、将基板固定在平台上，待涂膜曲面朝上；
A4.3、将曲面涂膜器的支架放在基板的两端，涂膜区横跨基板，两端支架落在平台上，然后在基板表面倒上适量的金属浆料，按住曲面涂膜器两端支架，以一定的速度在基板曲面上滑行，即涂抹成需要厚度的金属膜层；
A4.4、采用曲面涂膜器将所需的金属浆料均匀涂抹在基板表面，然后将保护膜去掉，得到涂敷了金属浆料的基板；
A4.5、金属浆料干燥固化、烧结。
一种通过上述所述的方法制备的金属化陶瓷基复合材料。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明金属化方法不依赖设备、简单便捷、成本低廉，对于研究耐高温频率选择表面天线罩和耐高温共形天线等具有重要意义；
(2)本发明制备的金属层可以耐受700℃以上的高温，具有较好的耐高温性能；
(3)本发明采用定制不同的曲面涂膜器可以在所需位置上制备所需厚度的金属层，使用范围较宽。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明曲面涂膜器(单面)的立体图；
图3为本发明曲面涂膜器(单面)的主视图；
图4为图3A-A剖视图；
图5为曲面涂膜器(单面)的侧视图；
图6为曲面涂膜器与基板配合图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图1所示提供一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，通过以下步骤实现：
1、根据陶瓷基复合材料基板的曲面外形制作结构、尺寸一致的模板，并在模板上将陶瓷基复合材料基板需要金属化的部位加工成凹槽。
模板利用廉价金属或树脂材料制作，便于降低成本。本发明在模板上以降面的方式加工凹槽，凹槽位置对应需要金属化的区域，保证了金属化区域的准确性。
2、模板表面铺设具有粘性的保护膜，并将模板凹槽上方的保护膜裁掉。
保护膜可采用具有一定粘性的有机胶膜，种类可以是酚醛类、环氧类、有机硅类等树脂。保护膜不宜太厚，太厚与模板和基板的贴合性不佳，影响金属化区域的准确性，一般市售的有机胶膜厚度(不大于0.1mm)即可。
3、保护膜转移.
将保护膜从模板上转移至基板表面，转移过程中保护膜必须与基板完全贴合，以保证金属化区域的准确性。
4、基板金属化。
A4.1、准备曲面涂膜器。
如图2、3、4、5、6曲面涂膜器包括涂膜区12和两端支架11组成，涂膜区12中部加工涂膜平台13，涂膜平台13型面与基板2外型面一致。
涂膜平台用来实现湿膜(金属浆料形成)的涂抹，支架高度由湿膜厚度(h)和基材高度(曲面高度H)决定。涂膜器平台13的型面与基板2外型面完全一致；涂膜器有效长度(不包括两端支架部分)大于基板曲面宽度；支架高度控制膜厚，如图3、6所示，即两端支架与涂膜平台连接处至底端的距离L等于膜厚(h)与基板曲面高度(曲面高度H)总和。
曲面涂膜器材质可采用不宜变形金属等材料制备，如硬度为HRC 48±2的304不锈钢等。
A4.2、将基板固定在平台上，待涂膜曲面朝上；
A4.3、将曲面涂膜器的支架放在基板的两端，涂膜区横跨基板，两端支架落在平台上，然后在基板表面倒上适量的金属浆料，按住曲面涂膜器两端支架在平台上滑动，使涂膜区以一定的速度在基板曲面上滑行(从前端到后端或是从后端到前端均可)，在基板曲面上即涂抹成需要厚度的金属膜层，如图6所示；
A4.4、采用曲面涂膜器将所需的金属浆料均匀涂抹在基板表面，然后将保护膜去掉，得到涂敷了金属浆料的基板；
发明采用的金属浆料一般由三种主要成分组成：导电相、玻璃粘结相和有机载体。其中导电相为金属粉，可以是金、银、钯、铂、铜、锌、钨等导电性好的单一金属或是他们的合金。作为粘结相材料的通常为玻璃、金属氧化物或者两者的组合。有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液，其主要作用是将导电相微粒和粘结相微粒进行均匀混合分散，使浆料具有适宜的粘度、挥发特性、触变性及流平性。
A4.5、金属浆料干燥固化、烧结。
根据所选金属浆料种类，设置干燥固化和烧结工艺，为本领域公知技术，在此不一一赘述。
本发明还适用于双面涂膜，即在单面涂膜平台的对面位置设置另一个涂膜平台，并通过支架另一侧高度控制膜厚。
根据陶瓷基复合材料基板的外形制作与之贴合的曲面涂膜器，根据产品要求涂膜器可以是单面涂膜，也可以是两面涂膜，涂膜宽度及厚度均可根据产品要求定制。
进一步，本发明还提供一种采用上述方法制备的金属化陶瓷基复合材料。
实施例1
(1)根据陶瓷基复合材料基板曲面外形，利用铝合金制作相同结构和尺寸的模板，并将需要金属化的区域以降面的方式形成凹槽，凹槽深度为1-5mm。
(2)在上述模板上粘一层胶膜，膜厚0.01-0.1mm，并将模板凹槽上方的保护膜精确裁掉。
(3)将胶膜从模板上转移至基板表面，转移过程中胶膜必须与基板完全贴合，以保证金属层尺寸的准确性。
(4)根据陶瓷基复合材料基板的外形制作与之贴合的单面涂膜器，有效涂膜宽度50-100mm，涂膜厚度5-10μm，涂膜精度±2μm。本实例涂膜器有效长度100mm，总长度120mm。
(5)利用上述曲面涂膜器将银浆均匀地涂在SiO2f/SiO2复合材料表面，然后将胶膜去掉，金属浆料在120℃烘干固化，并在750℃烧结后得到所需的金属化基板。
其中银浆中的导电相为银颗粒，粘结相为玻璃粉、氧化硼、氧化钙、氧化铝的混合物，二甲苯、乙二醇乙醚乙酸酯、松油醇为有机载体的主要溶剂体系，乙基纤维素作增稠剂，气相二氧化硅作触变剂。
实施例2
(1)根据陶瓷基复合材料基板曲面外形，利用尼龙制作相同结构和尺寸的模板，并将需要金属化的区域以降面的方式形成凹槽，凹槽深度为基板厚度。
(2)在上述模板上粘一层胶膜，膜厚0.01-0.1mm，并将模板凹槽上方的保护膜精确裁掉。
(3)将胶膜从模板上转移至基板表面，转移过程中胶膜必须与基板完全贴合，以保证金属层尺寸的准确性。
(4)根据陶瓷基复合材料基板的外形制作与之贴合的单面涂膜器，有效涂膜宽度50-100mm，涂膜厚度20-30μm，涂膜精度±2μm。
(5)利用上述曲面涂膜器将银钯浆料均匀地涂在SiO2f/SiO2复合材料表面，然后将胶膜去掉，金属浆料在120℃烘干固化，并在750℃烧结后得到所需的金属化基板。
其中浆料中的导电相为银颗粒和钯颗粒，粘结相为玻璃粉、氧化钙、氧化锂的混合物，柠檬酸三丁酯、乙二醇乙醚乙酸酯、松油醇为有机载体的主要溶剂体系，乙基纤维素作增稠剂，氢化蓖麻油作触变剂。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，根据陶瓷基复合材料基板的曲面外形制作结构、尺寸一致的模板，并在模板上将陶瓷基复合材料基板需要金属化的部位加工成凹槽；
第二步，模板表面铺设具有粘性的保护膜，并将模板凹槽上方的保护膜裁掉；
第三步，保护膜转移，将保护膜从模板上转移至基板表面；
第四步，基板金属化，
A4.1、准备曲面涂膜器，所述的曲面涂膜器包括涂膜区和两端支架组成，所述的涂膜区中部加工涂膜平台，涂膜平台型面与基板外型面一致；
A4.2、将基板固定在平台上，待涂膜曲面朝上；
A4.3、将曲面涂膜器的支架放在基板的两端，涂膜区横跨基板，两端支架落在平台上，然后在基板表面倒上适量的金属浆料，按住曲面涂膜器两端支架，以一定的速度在基板曲面上滑行，即涂抹成需要厚度的金属膜层；
A4.4、保护膜去掉，得到涂敷了金属浆料的基板；
A4.5、金属浆料干燥固化、烧结。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，其特征在于：所述步骤A4.1中支架高度由涂膜厚度和基板曲面高度决定，两端支架与涂膜平台连接处至底端的距离等于膜厚与基板曲面高度总和。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，其特征在于：所述步骤A4.1中涂膜器平台长度即涂膜器有效长度大于基板曲面宽度。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，其特征在于：所述第一步中模板利用廉价金属或树脂材料制作。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，其特征在于：所述第二步中保护膜采用具有一定粘性的有机胶膜，有机胶膜厚度不大于0.1mm，种类为酚醛类、环氧类或有机硅类树脂。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料曲面金属化的方法，其特征在于：所述第四步中曲面涂膜器为双面涂膜，即在单面涂膜平台的对面位置设置另一个涂膜平台，并通过支架另一侧高度控制膜厚。
7.一种通过权利要求1所述的方法制备的金属化陶瓷基复合材料。
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