CN1479659A - 金属/陶瓷复合薄膜的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属/陶瓷复合薄膜的制造方法，其特征在于它包括：a)在一有机溶剂中由基本上均匀地混合加强陶瓷和金属颗粒、一种粘合剂、一种增塑剂和一种分散剂来制备一悬浮液(S)，金属颗粒至少占该悬浮液质量的5％；b)将该悬浮液(S)浇铸为带状物，以形成薄膜(B)，然后对该薄膜进行去粘；c)在一炉中对该去粘的薄膜实施增加致密度。

Description

金属/陶瓷复合薄膜的制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属/陶瓷复合薄膜的制造方法，其中加强陶瓷以均匀方式分布在金属基体中。

本发明试图应用于所有采用金属/陶瓷复合基材或薄膜的领域，且尤其是用于例如汽车或航空领域的电子元件制造领域。

背景技术

传统上，金属薄膜通过轧制的方法制成。然而，这种轧制的方法不能获得加强陶瓷在金属基体中的均匀分布；因而它不适用于制造金属/陶瓷复合薄膜。不仅如此，由于轧制引起的，超出一定的陶瓷粉末的浓度，剩余应力，会造成薄膜开裂。

用于制造金属/陶瓷复合薄膜的其它一些方法是压制、注入和挤出的方法。但是这些方法中没有一种可得到具有很好表面状态的薄膜。而且，这些方法很昂贵，因为该薄膜的厚度小于1毫米。

此外，还存在一些可制成薄膜的带状物浇铸方法。这类方法在下列文件中描述：ALCOCK J.，DESCRIBE S.，Tape casting，a flexible approach tosurface engineering，Materials world，13-14，2月(2000)；BHNLEIN-MAUβJ.，SIGMUND W.，WEGNER G.，MEYER W.H.，HeβEL E.，SEITZ K，ROOSENA.，The fonction in the tape casting of alumina，Advanced Materials，vol.4，n°2，73-81(1992)；MORENO R.The role of slip additives in tape castingtechnology：part I-Solvents and dispersants，American Ceramic SocietyBulletin，vol.71，n°10，1521-1531(1992)；MORENO R.，The role of slipadditives in tape casting technology：part II-Blinders and Plasticizers，American Ceramic Society Bulletin，vol.71，n°11，1647-1657(1992)以及美国专利US-5 002 710和US-5 473 008。

但是，在这些有关带状物浇铸工程的组件中找不到一种能够浇铸金属/陶瓷复合材料带状物的装置(工作台+悬持架)。

发明内容

本发明的目的正是克服上述薄膜制造方法的缺陷。为此，本发明提供了一种采用带状物浇铸的方法制造金属/陶瓷复合薄膜。

按照更为准确的方式，本发明涉及一种金属/陶瓷复合薄膜的制造方法，包括：

a)在一有机溶剂中通过基本上均匀地混合加强陶瓷和金属颗粒、一种粘合剂、一种增塑剂和一种分散剂来制备一悬浮液(S)，金属颗粒至少占该悬浮液质量的5％；

b)对该悬浮液(S)进行带状物浇铸，以形成一薄膜，然后对该薄膜进行去粘；

c)在一炉中对该去粘的薄膜实施致密化。

带状物浇铸的技术可指导且控制加强陶瓷的分布。

换句话说，根据本发明的上述方法可制造出陶瓷颗粒在薄膜平面内取向的金属/陶瓷复合膜，尤其对于各向异性的颗粒，如纤维和薄片。这可改善在该膜平面内复合物的某些性质，如减小热膨胀系数和增加导热性。

优选的，该悬浮液具有的粘度包括0.5～3Pa.s。

最好，该悬浮液通过混合以下成分制成：

—至少一种金属粉末和至少一种加强陶瓷，构成该悬浮液总体积的30～60％；

—一有机溶剂约占该悬浮液体积的15～45％；

—一种粘合剂和一种增塑剂约占该悬浮液体积的30～70％；

—一种分散剂约占加强陶瓷和金属粉末质量的0.1～2％；和

—其它添加物，约占加强陶瓷和金属粉末质量的0.01～2％。

根据本发明的一种实施方式，该分散剂是一种磷酸酯、聚丙烯酸酯、磺酸酯、氟酸酯或具有2至30个碳原子的含碳链的酸。

根据本发明，该金属粉末是一种铜、铝、银、金、镍、钛、铬或锌粉末，也可是这些金属中的两种或多种的合金。该加强陶瓷可是一种石墨、碳化物、氮化物或氧化物的粉末和/或短纤维(也就是说长度在1～500μm之间的纤维)。

根据本发明的一种变型，该膜的致密化包括在一炉中进行烧结。

根据本发明的另一种变型，该膜致密化包括对该膜热轧和退火。

最好，制备悬浮液包括：

—在研磨罐中研碎，或磨碎带有溶剂和分散剂的金属和陶瓷粉末；且

—在这个物质中加入且混合一粘合剂和一增塑剂。

本发明还提供了一种制备一层压的复合结构件的方法，其中通过如上述的步骤a)和b)制成多个薄膜(未加工膜)，层叠所述薄膜，并使被层叠的薄膜经受一热压缩。

优选的，层叠的薄膜具有不同的成分。

附图说明

-图1示意性地表示由金属微粒和加强陶瓷制备该悬浮液的步骤；

-图2示意性地表示用来形成一薄膜的悬浮液的带状物浇铸的步骤；和

-图3A和3B表示在一炉中使薄膜致密化的步骤。

具体实施方式

本发明涉及一种金属/陶瓷复合薄膜的制造方法。

这种方法包括制备一悬浮液，也称为《料浆》，包括基本上均匀地混合加强陶瓷和金属颗粒。

这些金属颗粒和加强陶瓷被分别以一种或多种金属粉末和一种或多种加强陶瓷的形式选定。这些粉末和短纤维被混合了一种有机溶剂、一种分散剂，一种粘合剂和一种增塑剂。

这些不同成分的比例如下：

—金属粉末和加强陶瓷占该悬浮液干物质总体积(也就是说由粘合剂、增塑剂和金属与陶瓷粉末所占的总体积)的30～60％；

—该溶剂占干物质总体积的15～45％；

—该粘合剂和增塑剂占干物质总体积的30～70％；

—该分散剂为金属粉末和加强陶瓷质量的0.01～2％；

—所添加的其它添加物，例如脱胶剂和/或润湿剂，为金属和陶瓷粉末质量的0.01～2％。

图1表示了本发明方法的该第一步骤，也就是制备悬浮液的步骤。

这个制备悬浮液S的步骤包括，首先，在研磨罐中研碎或磨碎带有溶剂和分散剂的金属和陶瓷粉末。这个研磨步骤通过一研磨装置实施(如图1中的附图标记1表示)或通过一研磨罐实施。

然后将如此获得的全部成分通过一个搅拌器，附图标记2，混合粘合剂和增塑剂。

用于形成该悬浮液的金属基体的一种或多种金属粉末，可以例如是铜、铝、银、金、镍、钛、铬或锌粉末，也可是这些金属中的两种或几种的合金。

用于形成该悬浮液的加强陶瓷的一种或多种加强陶瓷的短纤维或粉末，可以例如是石墨，或以碳为基础的，例如碳化硅，以氮为基础的，例如氮化铝，也可是以氧化物为基础的，例如硅石或钨酸锆。

这些加强陶瓷可呈现为纤维形或片状，也可为基本上为球形谷物状，直径大约为0.1μm至100μm。

这些纤维一般直径为10nm至10μm的短纤维，且长度为100nm至10mm。

这些加强陶瓷可被涂一层金属材料，例如钴、镍、银或金。在这种情况下，金属涂层的厚度至少为0.01μm。这种涂层可通过将加强陶瓷浸入一电解槽制成。这种涂层的优点在于可在薄膜致密化的步骤中改善材料的致密化作用，且尤其是当致密化的步骤中包括一烧结步骤时，因为它可增大金属/陶瓷的接触面。

根据本发明制成的该悬浮液是一种悬浮液或有机系统。

因此，用于制成该悬浮液S的溶剂是一种有机溶剂，一般可从酮、酒精及其混合物中选择。

用于制造该悬浮液的该分散剂起到的作用是通过增大加强陶瓷与金属颗粒之间的斥力来保证该悬浮液的均匀性和稳定性。

换句话说，该分散剂保证颗粒之间的良好的稳定性和良好的分散性。干燥后，该分散剂可使获得一均匀且致密的带状物。

这种分散剂可从下列物质中选择：表面活性剂、如鱼油的高分子物质、磷化酯、聚丙烯酸酯、磺酸酯、氟酸酯和具有2至30个碳原子的含碳链的酸，例如草酸和硬脂酸。

用于制造该悬浮液的该粘合剂起到的作用是在蒸发掉该溶剂后确保该带状物(或膜)的聚合力。这种粘合剂一般是一种不溶于水的化合物，可在下列物质中选择：多元醇、乙烯化合物，例如聚乙烯醇缩丁醛和丙烯酸化合物及其混合物。

用于这种悬浮液的该增塑剂用于保证该带状物有大的柔韧性、大的流度；当该悬浮液带状物浇铸时，以及以后对该带状物的操作时，这种柔韧性是必须的。这种增塑剂可以是，例如，聚乙二醇或酞酸二丁酯。

换句话说，该悬浮液还包括一种增塑剂，该增塑剂可使获得的带状物或薄膜柔韧且足够牢固以便操作。事实上，该粘合剂/增塑剂的比例可调节该带状物的机械聚合力和柔韧性。因而这些带状物可被层叠和热压以便制成不同成分的带状物的堆叠。这种方案对现有技术的方法不是显而易见的。

此外，请注意，根据本发明制成该悬浮液的该系统，不需要润滑剂。

图2示意性地表示本发明的方法的第二个步骤，也就是该悬浮液的带状物浇铸的步骤。事实上，由该第一步骤制成的该悬浮液S被从一浇铸台3浇铸以便形成一带状物B，也称为薄膜。带状物的浇铸包括在一支承上浇铸该悬浮液S，该支承可以是，例如，一钢带8或一聚合物线材，图2中的附图标记5。为了能容易地浇铸该悬浮液，该悬浮液的粘度应为0.5～3Pa.s。

该悬浮液的浇铸是通过浇铸台的闸块6与支承5之间的相对移动实现的。该闸块6包括闸刀板7，其高度可调节。因此，该膜的厚度可通过改变闸刀板7与支承5之间的高度进行调节。因而由于该带状物浇铸，我们可获得非常合乎规定的膜厚度。

该悬浮液S被浇铸为带状物B的形状后，该带状物B进入到一受控环境的干燥器4内，以便消除有机成分。这个步骤被称为去粘(dliantage)。更准确地说，该热去粘包括在受控环境下在一炉或一干燥器4中缓慢加热该带状材料，以消除主要包括粘合剂和增塑剂的有机成分。例如，在该干燥器内加热的速度在100℃～500℃之间为0.2～2℃/分钟。

图3A和3B表示根据本发明的第三个步骤的两种不同的实施方式，也就是说该膜的致密化步骤。

这个致密化步骤包括蒸发溶剂和干燥去粘后得到的薄膜。

这个膜致密化的步骤起到的作用是蒸发溶剂。该步骤例如可通过两种不同的方法实施：该膜可通过在一具有通道的炉或一非连续炉中烧结被致密化；也可使用一轧机和一退火炉通过热轧实施。

在图3A表示的第一变型中，示出了去粘后得到的该膜B被切割成P1～Pn板。这些板被引入一受控环境下的炉，附图标记9。该炉可是一具有通道的炉或一非连续炉。通过烧结进行的致密化是在受控环境下，或在减压环境下进行的，例如氢环境、氮化氢环境、氩环境或者氢化氩环境，以避免材料氧化。

烧结的温度取决于金属粉末和加强陶瓷的颗粒度和性质。例如，对于铜粉末，该温度在700℃～1080℃之间；对于铝粉末，该温度在450℃～650℃之间。

致密化步骤的第二变型在图3B中示出。在该变型中，该膜B被引入设置在一退火炉11中的一轧机10中。因而该膜B在该炉11中在受控环境下被热压。在该退火炉11的出口处进行将该膜B切割为板P1，P2，...。

通过对膜热轧和退火的致密化的方式可在压力和温度作用下改善致密度。因而这种变型尤其适用于通过天然烧结致密化差的复合金属/陶瓷，以及由延展性金属构成的复合物，如铜、铝和金。

Claims (13)

1.金属/陶瓷复合薄膜的制造方法，其特征在于它包括：

a)在一有机溶剂中由基本上均匀地混合加强陶瓷和金属颗粒、一种粘合剂、一种增塑剂和一种分散剂来制备一悬浮液(S)，金属颗粒至少占该悬浮液质量的5％；

b)将该悬浮液(S)进行带状物浇铸，以形成薄膜(B)，然后对该薄膜进行去粘；

c)在一炉中对该去粘的薄膜实施致密化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该悬浮液(S)具有的粘度为0.5～3Pa.s。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该悬浮液(S)通过混合以下成分制成：

—至少一种金属粉末和至少一种陶瓷材料，构成该悬浮液总体积的30～60％；

—一有机溶剂，约占该悬浮液体积的15～45％；

—一种粘合剂和一种增塑剂，约占该悬浮液体积的30～70％；

—一种分散剂，约占加强陶瓷和金属粉末质量的0.1～2％；且

—其它添加物，约占加强陶瓷和金属粉末质量的0.01～2％。

4.如权利要求1～3之一所述的方法，其特征在于，该粘合剂是一种不溶于水的化合物，可从多元醇、乙烯化合物，丙烯酸化合物及其混合物中选择。

5.如权利要求1～4之一所述的方法，其中，有机溶剂可从酮、酒精及其混合物中选择。

6.如权利要求1～5之一所述的方法，其中，分散剂可从表面活性剂、如鱼油的高分子物质、磷化酯、聚丙烯酸酯、磺酸酯、氟酸酯和具有2至30个碳原子的含碳链的酸中选择。

7.如权利要求3～6之一所述的方法，其特征在于，该金属粉末是一种铜、铝、银、金、镍、钛、铬或锌粉末，也可是这些金属中的两种或几种的合金。

8.如权利要求3～7之一所述的方法，其特征在于，该加强陶瓷是一种石墨、碳化物、氮化物或氧化物的粉末和/或短纤维。

9.如权利要求1～8之一所述的方法，其特征在于，该膜致密化包括在一炉中进行烧结。

10.如权利要求1～8之一所述的方法，其特征在于，该膜致密化包括对该膜热轧和退火。

11.如权利要求3～10之一所述的方法，其特征在于，制备悬浮液的步骤包括：

—在研磨罐中研碎，或磨碎带有溶剂和分散剂的金属和陶瓷粉末；然后

—在这个物质中加入且混合一粘合剂和一增塑剂。

12.制备一层压结构的复合件的方法，其中通过如权利要求1的步骤a)和b)制成多个薄膜，层叠所述薄膜，并使被层叠的薄膜经受一热压缩的叠置。

13.如权利要求12所述的方法，其中，薄膜具有不同的成分。

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