ES2609972T3 - Método de fabricación de una conexión conductiva entre un componente metálico y un componente nanocompuesto - Google Patents

Método de fabricación de una conexión conductiva entre un componente metálico y un componente nanocompuesto Download PDF

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Volker Abetz
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Abstract

Método para la fabricación de una conexión conductiva entre un componente metálico (1) y un componente nanocompuesto eléctricamente conductivo (3) que comprende las etapas siguientes: - proporcionar un componente metálico (1) y un componente nanocompuesto conductivo (3), que presenta un material de matriz sintético y nanopartículas distribuidas en el mismo, - disponer el componente metálico (1) y el componente nanocompuesto (3) de forma que las superficies de contacto de las piezas de trabajo estén dispuestas una junto a otra, - disponer una herramienta de unión por fricción (9) sobre una de las superficies (7) opuestas al componente nanocompuesto (3) del componente metálico (1), presentando la herramienta de unión por fricción (9) una clavija (11), que se acciona de forma móvil y giratoria a lo largo de su dirección axial, y una manga (13), que rodea la clavija (11), que se acciona de forma giratoria y se puede mover en la dirección axial de la clavija (11) y apoyándose los extremos delanteros de la clavija (11) y de la manga (13) sobre la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metálico (1), - girar la manga (13) y la clavija (11), para producir una fricción entre el extremo delantero de la manga (13) y de la clavija (11) y la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metálico (1), - mover la clavija (11) y la manga (13) en la dirección axial de la clavija (11), mientras ambas giran, penetrando una de la manga (13) y de la clavija (11) en el componente metálico (1) y retirándose la otra de la manga (13) y de la clavija (11) de la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metálico (1), finalizando el movimiento axial en el componente metálico (1) antes de alcanzar la una de la manga (13) y de la clavija (11) la superficie de contacto (5) entre el componente metálico (1) y el componente nanocompuesto (3), y retirándose después de finalizar el movimiento axial de la una de la manga (13) y de la clavija (11) del componente metálico (1) y moviéndose la otra hacia la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metálico (1), hasta que los extremos delanteros de la clavija (11) y la manga (13) estén en el mismo plano.

Description

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DESCRIPCION
Metodo de fabricacion de una conexion conductiva entre un componente metalico y un componente nanocompuesto
La presente invencion se refiere a un metodo de fabricacion de una conexion conductiva entre un componente metalico conductivo y un componente nanocompuesto electricamente conductivo.
Los componentes nanocompuestos, en los que nanopartfculas, tales como nanotubos de carbono o nanotubos de carbono de varias paredes, estan embebidos en una matriz plastica o polimerica, son conocidos por el estado de la tecnica. A este respecto, tambien se sabe que mediante la eleccion adecuada de las nanopartfculas pueden producirse componentes plasticos electricamente conductivos.
No obstante, se ha comprobado que es un problema unir componentes plasticos conductivos de este tipo con componentes metalicos de modo que se logre una conexion conductiva entre ambos componentes. En particular, hasta la fecha no se conseguido proporcionar un metodo que posibilite una conexion conductiva de este tipo entre un componente metalico y un componente plastico conductivo rapidamente y economicamente, asf como con buenas propiedades mecanicas.
El documento EP 2 329 905 A1 describe un metodo de union de una pieza de trabajo metalica con una pieza de trabajo plastica que estan en contacto una con otra usando una herramienta accionada de forma giratoria. A este respecto, una clavija giratoria, que se encuentra en una manga giratoria, se introduce en la pieza de trabajo metalica. Con ello se genera en la superficie lfmite entre la pieza de trabajo metalica y la pieza de trabajo plastica una conexion.
Por lo tanto, partiendo del estado de la tecnica, el objetivo de la presente invencion es proporcionar un metodo con el que puedan unirse componentes nanocompuestos de forma conductiva con componentes metalicos.
Segun la invencion este objetivo se logra mediante un metodo con las etapas siguientes:
- proporcionar un componente metalico y un componente nanocompuesto conductivo, que presenta un material de matriz plastico y nanopartfculas distribuidas en el mismo,
- disponer el componente metalico y el componente nanocompuesto de forma que la superficie de contacto de las piezas de trabajo esten dispuestas una junto a otra,
- disponer una herramienta de union por friccion sobre una de las superficies opuestas al componente nanocompuesto del componente metalico,
presentando la herramienta de union por friccion una clavija, que se acciona de forma movil y giratoria a lo largo de su direccion axial, y una manga, que rodea la clavija, que se acciona de forma giratoria y se puede mover en la direccion axial de la clavija y
apoyandose los extremos delanteros de la clavija y de la manga sobre la superficie opuesta al componente nanocompuesto del componente metalico,
- girar la manga y la clavija, para producir una friccion entre el extremo delantero de la manga y de la clavija y la superficie opuesta al componente nanocompuesto del componente metalico,
- mover la clavija y la manga en la direccion axial de la clavija, mientras ambas giran, penetrando una de la manga y de la clavija en el componente metalico y retirandose la otra de la manga y de la clavija de la superficie opuesta al componente nanocompuesto del componente metalico,
finalizando el movimiento axial en el componente metalico antes de alcanzar la una de la manga y la clavija la superficie de contacto entre el componente metalico y el componente nanocompuesto, y retirandose despues de finalizar el movimiento axial de la una de la manga y de la clavija del componente metalico y moviendose la otra hacia la superficie opuesta al componente nanocompuesto del componente metalico, hasta que los extremos delanteros de la clavija y la manga esten en el mismo plano.
En el metodo segun la invencion el componente nanocompuesto se une por medio de una conexion de punto de friccion con el componente metalico, disponiendose la herramienta de union por friccion sobre la superficie opuesta al componente nanocompuesto del componente metalico y produciendose sobre esta superficie una friccion que plastifica al menos parcialmente el componente metalico. Como consecuencia tambien se plastifica parcialmente el componente nanocompuesto o su matriz de material plastico, y en la region de la superficie de contacto entre los componentes se forma una conexion.
Sorprendentemente se ha demostrado actualmente que en este sitio a pesar de la superficie lfmite presente entre el
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metal y el material plastico se produce una conexion conductiva. Esto no se habna esperado originariamente debido a la superficie lfmite y las posibles impurezas. En particular puede ser suficiente una proporcion reducida de nanopartfculas en el componente nanocompuesto, es decir, menos del 5 % en peso y preferentemente menos del 3 % en peso, para lograr esta conexion conductiva
Por lo tanto es posible unir un componente plastico electricamente conductivo de forma conductiva con un componente metalico, pudiendo realizarse el metodo de union rapidamente, por ejemplo utilizando un robot.
Por ello es posible que se una, por ejemplo en el sector del automovil, componentes plasticos que son conductivos, de forma conductora con componentes metalicos El metodo de union puede integrarse, a este respecto, en el metodo de montaje habitual. La otra ventaja que se obtiene a este respecto es que despues pueden barnizarse conjuntamente por inmersion componentes compuestos de este tipo electroqmmicamente y, por lo tanto, se evitan diferencias de color entre el componente metalico y el componente plastico, debido a que partes del componente compuesto estan unidas incluso de forma conductiva y tambien conductora entre sr
Ademas, utilizando esta tecnica de union pueden realizarse facilmente elementos plasticos calentados en el interior del vehnculo, realizandose el acoplamiento electrico de los componentes plasticos calentados a su vez por medio del metodo segun la invencion a un conductor metalico.
De forma mas preferente, las nanopartfculas que estan distribuidas en el componente nanocompuesto son partfculas metalicas, en particular de hierro, cobre, aluminio, mquel, plata u oro, siendo el tamano de grano de estas partfculas metalicas superior a 1 nm. Tambien puede ser suficiente el que una dimension de las partfculas sea superior a 1 nm. Se ha comprobado que las partfcuias de este tipo son ventajosas, debido a que una proporcion en peso en el intervalo del 3 % en peso ya es suficiente para producir una conductividad electrica. Ademas, pueden introducirse partfculas de este tipo de una forma sencilla en la matriz de material plastico.
Como alternativa, tambien es posible utilizar como nanopartfculas nanotubos de carbono (CNT) y en particular nanotubos de carbono de varias paredes (MWCNT), asf como grafeno o fulereno. En este caso tambien es posible funcionalizar qmmicamente las nanopartfculas, preferentemente con una union pireno-POSS. Esto asegura que las nanopartfculas se distribuyan bien en la matriz de material plastico y, por lo tanto, puedan aprovecharse las propiedades de las nanopartfculas de forma optima por el material nanocompuesto. Ademas, solo es necesaria una proporcion en % en peso muy reducida de estos nanotubos, para que un componente nanocompuesto mismo y tambien la conexion formada segun la invencion obtenga la conductividad necesaria.
Ademas es preferente que se utilice para el material de matriz plastico poli(metacrilato de metilo) (PMMA) o policarbonato. No obstante, se consideran basicamente todos los polfmeros termoplasticos. Por lo tanto, la invencion no esta limitada a los materiales de matriz mencionados al comienzo, sino que pueden utilizarse tambien otros materiales plasticos.
Finalmente, se ha comprobado que es ventajoso que la superficie del componente metalico que esta en contacto con el componente nanocompuesto se raspe previamente, por ejemplo mediante un chorro de arena. A este respecto, se ha demostrado que la conductividad de la conexion entre los componentes puede mejorarse adicionalmente.
A continuacion se explicara la presente invencion por medio de un dibujo que muestra unicamente dos ejemplos de realizacion preferentes, en los que
La figura 1 muestra las etapas de un primer ejemplo de realizacion del metodo segun la invencion y la figura 2 muestra las etapas de un segundo ejemplo de realizacion.
En el primer ejemplo de realizacion que se describe en la figura 1 de un metodo segun la invencion se proporcionan en primer lugar un componente metalico 1 y un componente nanocompuesto 3, estando dispuestos estos de forma que las superficies de contacto del componente metalico 1 y del componente nanocompuesto 3 esten una junta a otra.
El componente metalico 1 puede ser preferentemente un componente de aluminio, que junto a la superficie de contacto 5 tiene otra superficie 7 que discurre paralelamente a la misma. No obstante, en el marco de la presente invencion tambien es posible que el componente metalico 1 este fabricado de otro metal, tal como hierro, cobre, mquel o similares, o una aleacion.
El componente nanocompuesto 3 presenta un material de matriz plastico, estando contenidas en el mismo de forma distribuida nanopartfculas. El material de matriz plastico puede ser, por ejemplo, poli(metacrilato de metilo) (PAMM) o policarbonato. No obstante, tambien son posibles otros materiales plasticos o polimericos.
Las nanopartfculas pueden ser, por ejemplo, nanopartfculas metalicas, en particular de hierro, cobre, aluminio, mquel, plata u oro, siendo su tamano de grano superior a 1 nm.
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Como alternativa pueden usarse tambien nanopartfculas de carbono (CNT; Carbon Nano Tubes) y en particular nanotubos de carbono de varias paredes (MWCNT; Multi Walled Carbon Nano Tubes). Tambien es posible usar grafeno o fulereno. En cualquier caso la proporcion de las nanopartfculas es comparativamente pequena y es inferior al 5 % en peso, preferentemente inferior al 3 % en peso.
Antes de disponer el componente metalico 1 sobre el componente nanocompuesto 3 puede rasparse la superficie de contacto 5 del componente metalico 1 orientada hacia el componente nanocompuesto 3, preferentemente mediante chorros de arena, lo que mejora adicionalmente las propiedades de conexion.
Una herramienta de union por friccion 9 presenta una clavija 11 que se acciona de forma giratoria, que se puede mover axialmente y esta rodeada por una manga 13 que tambien se acciona de forma giratoria y que se puede mover axialmente. La manga 13 esta rodeada a su vez por una manga de sujecion 15 fija. La herramienta de union por friccion se dispone sobre la superficie 7 del componente metalico 1 opuesta al componente nanocompuesto 3 de forma que los extremos o las superficies frontales de la clavija 11 y de la manga 13 se apoyen sobre la superficie 7 (vease la etapa a) en la figura 1).
A continuacion se hace girar la clavija 11 y la manga 13 por medio de un accionamiento de giro no representado, de forma que se produzca una friccion entre los extremos delanteros de la manga 13 y de la clavija 11 y de la superficie 7 opuesta al componente nanocompuesto 3 del componente metalico 1. A continuacion, la region del componente metalico 1 dispuesta frente a la clavija 11 y la manga 13 se plastifica, extendiendose esta region plastificada 17 hasta la superficie de contacto 5 del componente metalico 1, que se orienta hacia el componente nanocompuesto 3. A este respecto, la manga 13 se mueve en direccion axial hacia dentro de la region plastificada 17, y paralelamente a la misma se mueve la clavija 11 en direccion axial hacia fuera de la superficie 7 del componente metalico 1. Con ello puede recogerse el material desplazado de la manga 13 en el interior de la manga 13 (vease la etapa b) en la figura 1).
Antes de que el extremo delantero de la manga 13 alcance la superficie de contacto 5 del componente metalico 1, con la que esta en contacto con el componente nanocompuesto 3, se detiene el movimiento axial de la manga 13 y el de la clavija 11, y la manga 13 se extrae en direccion axial con un giro continuo de nuevo fuera del componente metalico 1, mientras se mueve la clavija 11 tambien con un giro continuo de nuevo hacia la superficie 7 del componente metalico 1.
Cuando los extremos de la manga 13 y de la clavija 11 discurren en un plano (etapa c) en la figura 1), se detiene el movimiento axial de la clavija 11 y de la manga 13, habiendose producido entonces mediante la plastificacion del componente metalico 1 y el componente nanocompuesto 3 una region de conexion 19.
Sorprendentemente se ha demostrado que en esta region 19 se ha producido una conexion conductiva entre el componente nanocompuesto 3 ya conductivo de por sf y el componente metalico 1, aunque esto no se esperara debido a la superficie lfmite aun presente entre ambos componentes 1, 3. Las mediciones de resistencia han demostrado que la conductividad de esta region de conexion 19 es extraordinariamente buena, incluso cuando las nanopartfculas estan presentes en la matriz plastica o en el componente nanocompuesto en los lfmites reducidos ya indicados.
Por lo tanto se proporciona un metodo sencillo de manejar con el que puede unirse un componente nanocompuesto 3 conductivo con un componente metalico 1.
En el segundo ejemplo de realizacion representado en la figura 2, a diferencia del primer ejemplo de realizacion la clavija 11 que se acciona de forma giratoria se mueve en direccion axial dentro de la region plastificada 17 del componente metalico 1, mientras que la manga 13 se mueve en direccion axial hacia fuera de la superficie 7 del componente metalico 1. El movimiento axial de la clavija 11 se detiene tambien, no obstante, antes de que el extremo delantero de la clavija 11 haya alcanzado la superficie de contacto 5 hacia el componente nanocompuesto 3, y a continuacion la clavija 11 se mueve de nuevo en direccion axial hacia fuera de la region plastificada 17.
Tambien en esta segunda forma de realizacion del metodo de la presente invencion se logra a su vez una conexion conductiva 19 entre el componente metalico 1 y el componente nanocompuesto 3.

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para la fabricacion de una conexion conductiva entre un componente metalico (1) y un componente nanocompuesto electricamente conductivo (3) que comprende las etapas siguientes:
    - proporcionar un componente metalico (1) y un componente nanocompuesto conductivo (3), que presenta un material de matriz sintetico y nanopartfculas distribuidas en el mismo,
    - disponer el componente metalico (1) y el componente nanocompuesto (3) de forma que las superficies de contacto de las piezas de trabajo esten dispuestas una junto a otra,
    - disponer una herramienta de union por friccion (9) sobre una de las superficies (7) opuestas al componente nanocompuesto (3) del componente metalico (1),
    presentando la herramienta de union por friccion (9) una clavija (11), que se acciona de forma movil y giratoria a lo largo de su direccion axial, y una manga (13), que rodea la clavija (11), que se acciona de forma giratoria y se puede mover en la direccion axial de la clavija (11) y
    apoyandose los extremos delanteros de la clavija (11) y de la manga (13) sobre la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metalico (1),
    - girar la manga (13) y la clavija (11), para producir una friccion entre el extremo delantero de la manga (13) y de la clavija (11) y la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metalico (1),
    - mover la clavija (11) y la manga (13) en la direccion axial de la clavija (11), mientras ambas giran, penetrando una de la manga (13) y de la clavija (11) en el componente metalico (1) y retirandose la otra de la manga (13) y de la clavija (11) de la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metalico (1),
    finalizando el movimiento axial en el componente metalico (1) antes de alcanzar la una de la manga (13) y de la clavija (11) la superficie de contacto (5) entre el componente metalico (1) y el componente nanocompuesto (3), y
    retirandose despues de finalizar el movimiento axial de la una de la manga (13) y de la clavija (11) del componente metalico (1) y moviendose la otra hacia la superficie (7) opuesta al componente nanocompuesto (3) del componente metalico (1), hasta que los extremos delanteros de la clavija (11) y la manga (13) esten en el mismo plano.
  2. 2. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que las nanopartfculas son partfculas metalicas, en particular de hierro, cobre, aluminio, mquel, plata u oro, con un tamano de grano promedio superior a 1 nm.
  3. 3. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que las nanopartfculas son nanotubos de carbono (CNT) y en particular nanotubos de carbono de varias paredes (MWCNT) o grafeno o fulereno.
  4. 4. Metodo segun la reivindicacion 3, en los que los nanotubos de carbono estan funcionalizados con pireno-POSS.
  5. 5. Metodo segun una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el componente nanocompuesto (3) contiene menos del 5 % en peso, preferentemente menos del 3 % en peso de nanopartfculas.
  6. 6. Metodo segun una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el material de matriz plastico es poli(metacrilato de metilo) (PMMA) o policarbonato.
  7. 7. Metodo segun una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la superficie (7) del componente metalico (1) que esta en contacto con el componente nanocompuesto (3) se raspa, preferentemente por medio de un chorro de arena.
  8. 8. Disposicion de conexion conductiva constituida por un componente metalico (1) y un componente nanocompuesto (3), que estan unidos entre sf a lo largo de superficies dispuestas una junta a otra, produciendose la conexion por medio del metodo segun una de las reivindicaciones 1 a 7.
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