TW201318837A - 抗磨複合材的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種抗磨複合材的製造方法，其包括提供一含有至少一纖維層以及至少一高分子材料層的基材，各纖維層與各高分子材料層呈交錯堆疊設置；對基材之至少一側面進行加工，使基材之該至少一側面成型有複數個凹槽；利用第一道次金屬化技術將基材之該(等)凹槽上形成一起始金屬層，繼續以第二道次金屬化技術均勻沉積金屬於一起始金屬層表面上，使得沉積的金屬全數填滿凹槽，直到該(等)一金屬材可以完全包覆住基材表面為止，並且與複數個凹槽相互連接以及緊密結合在一起，以形成該抗磨複合材。藉由其金屬材與基材之間緊密結合，而使本發明具有耐磨、防刮與耐衝擊的表面，同時可強化基材整體的結構強度。

Description

抗磨複合材的製造方法

本發明係關於一種利用含有纖維的基材與金屬材緊密結合製成抗磨複合材的製造方法，其係可應用於航太、運動器材、汽車、工業及醫療器材等多項領域。

就現有技術而言，利用碳纖維/玻璃纖維/克維拉(Kevlar)纖維/石墨纖維等纖維材料為基底的複合材料因具有高強度、高韌性、質量輕以及耐腐蝕等特性，已被廣泛應用於製造航空、海上運輸、陸地交通等工具，或是運動、休閒器材等產品。由於此類產品或工具的表面經常會有高度的磨擦損耗，為提高此種複合材料表面的耐磨度，通常會於其外表以噴塗或電鍍等方式形成一金屬層，以達到耐磨之目的。

TW第M338154號專利係揭示一種以複合材料製成之輸送用物件，該專利係以圓柱狀或平板狀的碳纖維複合材為基底，於基底表面利用噴覆方式形成一由樹脂或導電材料所構成的中間層，再於該中間層的表面以電鍍方式依序形成一銅(或鋁)金屬層及一功能薄膜，且該功能薄膜可為鉻、陶瓷、氧化物、碳化物或氮化物所構成。然而此技術的缺點在於碳纖維與樹脂(或導電材料)之間無法穩固地結合，使得該基底與該中間層所構成的層狀結構不甚牢固，進而導致所製成的物件經常產生脫層的現象。

TW第M383571號專利揭露一種具金屬層之碳纖維材料體，其係於碳纖維編織材料表面形成複數個具規則形狀的凹部與凸部，再用電鍍或塗佈的方式將金屬材料附著於該碳纖維編織材料的凹部與凸部上，而後可利用透明薄膜層覆蓋於該金屬材料的外側，藉以降低金屬被刮落的情形。然而此技術的缺點在於碳纖維編織材料在成型為複合材過程當中，其編織紋路受壓後容易呈現不規則位移變化，難以獲得具有規則形狀之變化的凹部與凸部之結構，進而使得金屬材料層難以在該碳纖維編織材料的表面形成並與凹部及凸部結合。

TW第M299651號專利揭露一種複合材料耐磨結構，其係提供一經碳纖維複合材料所製成的管件，並於該管件表面與其他零組件結合的位置利用噴塗等方式形成一耐磨層，該耐磨層可由二硫化鉬(MoS₂)、壓克力漆、特多龍(polyester)或奈米材質(nano-composite coating material)等材料所構成，藉以使該管件與其他零組件之間的磨損得以減少。然而此技術的缺點在於該耐磨層的材質與碳纖維複合材料所構成的管件之間的結合能力亦相當不足，以致於容易發生脫層、掉漆等現象。

US第5128174號專利係揭露一種金屬化纖維/構件及其製造方法，其係利用呈熔融態的金屬微粒滲透至平板狀的纖維結構表面，該纖維結構表面係具有膠黏劑，而該金屬微粒利用其本身的高溫融化該膠黏劑，以黏合於該纖維結構表面並形成一金屬層。然而此技術的缺點在於，若將金屬微粒加熱至熔融態，便難以控制該呈熔融態的金屬微粒完全滲透於纖維表面，且亦無法達到由該金屬微粒於纖維結構表面所形成之金屬層的厚度均一性。

US第7354354號專利係揭露一種含有金屬顆粒和聚合物材料的輕量粒子，其係對聚合物材料進行前處理以使其表面達到一定的粗糙度後，再於該聚合物材料的表面以電鍍(electroplating)或無電鍍(electroless plating)的方式形成一層由金屬顆粒所構成的塗層，該塗層的厚度係介於30毫米至5公分之間，而該塗層中的金屬顆粒之粒徑介於2奈米至5000奈米之間，藉由將聚合物材料的表面與金屬顆粒結合而製得的輕量粒子，其硬度與彈性模數等性質可獲得提升。US第7320832號專利係揭露一種具有與基材匹配之熱膨脹係數的細粒塗層，其係於碳基材料(諸如碳纖維、奈米碳管等)上形成一塗層，該塗層中可含有金屬、合金、玻璃、陶瓷與聚合物等顆粒。首先利用銀、鎳、銅等金屬元素、導電環氧樹脂或碳/石墨材料以無電鍍、濺鍍、熱熔射(thermal spray)、化學氣相沉積或物理氣相沉積等方法形成一中間導電層(intermediate conductive layer)，而後再將前述之塗層形成於該中間導電層的表面，而使所製得之材料的熱膨脹係數可達到-5.0×10^-6K^-1至25×10^-6k^-1，藉以降低塗層與基材之間產生變形等問題。然而前述之技術由於均利用濺鍍、熱熔射、化學氣相沉積、物理氣相沉積等方式於聚合物材料、碳纖維材料的表面形成金屬材質或含有金屬之混合材質的塗層，由於金屬材料與聚合物材料之間或金屬材料與碳纖維材料之間的結合能力微弱，亦容易導致表面脫層的現象。

綜上所述，現有技術普遍運用各種加入金屬粒子或形成金屬層狀結構的方式強化由碳纖維或聚合物所構成之材料的表面結構，但大多均難以克服金屬與聚合物或碳纖維材料之間不易結合的技術缺陷，而無法有效提升材料表面的耐磨、防刮與耐衝擊的功能，係有礙於相關產業上的應用及發展，因此現有技術確實有亟待改良之必要。

通常在實際製造時，纖維層通常是使用預浸的工法，而使纖維層表面批覆上樹脂，至少產生一層纖維層和二層樹脂層，一般稱作預浸纖維布，此種預浸纖維布n層堆疊後，即會產生n+1層樹脂層。因為纖維層的纖維和纖維間並非緊密黏結，預浸時樹脂會滲入其間隙內，所以經此預浸工法製作的纖維布不僅在樹脂層中，在纖維層的間隙內都存在樹脂，在本專利內定義高分子材料層僅包含樹脂，纖維層包含纖維布和纖維間的樹脂。有鑑於現有技術的纖維複合材料與其表面設置的金屬層之間無法有效地牢固結合，而使該纖維複合材料難以達到表面耐磨、防刮與耐衝擊等強化結構等功效，本發明遂提供一種抗磨複合材的製造方法，藉由於基材的表面內凹或貫穿成型之凹槽等空間結構，使金屬材附著於基材表面時能透過沉積於凹槽內並與基材的纖維成分相互黏合，以有效提升兩者之間結合的緊密度，以解決現有技術之缺失。

為達上述發明目的，本發明係提供一種抗磨複合材的製造方法，其係包括：提供一基材，該基材係包含有至少一纖維層以及至少一高分子材料層，各纖維層與各高分子材料層係呈交錯堆疊設置，且其中該至少一高分子材料層的其中一者係介於基材之側面；對基材之至少一側面進行加工，使基材之該至少一側面成型複數個凹槽；或是先去除該側面的樹脂，去除纖維層內的部份樹脂。複數個凹槽係深入纖維數微米至數公厘，包含裸露的纖維。可利用一般習知的機械加工、能量束加工、化學蝕刻加工或其組合對基材之至少一側面進行加工，其中機械加工之方法係可為鑽、銑、磨、車、鉋、放電加工、噴砂或其組合。

較佳的，其係利用能量束方式對基材之複數個凹槽進行加工，其中該能量束係可為氧乙炔、火焰、噴砂、雷射、離子束、電子束或其組合。

較佳的，其係利用化學蝕刻對基材之複數個凹槽進行加工，其中化學溶劑係可為氯酸納、氯酸鉀、硫酸、硝酸、高錳酸鉀、重鉻酸鉀或其組合。

較佳的，該基材之複數個凹槽的深度係介於10微米與1000微米之間。

較佳的，該基材之複數個凹槽的縱剖面呈梯形。

較佳的，該基材之複數個凹槽可以是連通基材的兩側面之貫穿孔洞。

利用金屬化技術將基材之該(等)成型於複數個凹槽底部與周圍側面之步驟係包括：利用第一道次金屬化技術於複數個凹槽底部與周圍側面形成一起始金屬層，且該(等)起始金屬層均勻沉積於複數個凹槽底部與周圍側面，與凹槽內所暴露之基材的纖維緊密相互連接在一起。

較佳的，該起始金屬層之第一道次金屬化技術係可為無電極電鍍、濺鍍或其組合。

以第一道次金屬化技術於複數個凹槽底部與周圍側面之起始金屬層為基底，繼續以第二道次金屬化技術均勻沉積金屬於起始金屬層表面上，使得沉積的金屬全數填入凹槽，直到該(等)一金屬材可以完全包覆住基材表面為止，並且與複數個凹槽相互連接以及緊密結合在一起，以形成該抗磨複合材。

較佳的，該第二道次金屬化技術係可為電鍍、電沉積、熱熔射、物理氣相沉積、化學氣相沉積、冷噴塗、複合電鑄或其組合。

較佳的，該(等)金屬材於基材表面的厚度係介於1微米與1,000微米之間。

依據本發明，所述之複合纖維層中的纖維成分係可為碳纖維、玻璃纖維、克維拉纖維、石墨纖維或其混合物，或者其他可替代之纖維材料，而該纖維層編織紋路可具有緞織、平織或斜織等不同的型式。

依據本發明，所述之高分子材料層係可由環氧樹脂、酚醛樹脂、壓克力樹脂、聚苯乙烯樹脂或其混合物所構成。

依據本發明，所述之金屬材係可為鋁、銅、鈷、鎳、鐵、鉬、鉑、鈦、鋯或其混合物，該金屬材亦可包覆其他硬度較高的陶瓷材料(如氧化鋁、氧化鋯或氮化硼等或其組合)或是鑽石等。

藉由本發明之方法所製得的抗磨複合材，其金屬材與基材之間能夠緊密地附著結合，改善金屬與纖維、樹脂等材料之間容易脫層的缺陷，而使本發明具有耐磨、防刮與耐衝擊的表面，同時可強化基材整體的結構及強度。此外，由於基材之複數個凹槽結構本身便具有抵抗正向力及剪應力的作用，而複數個凹槽底部與周圍側面亦可藉由加工參數的調整而改變粗糙度，進而使本發明的金屬材與基材之間的結合力更佳，且更不容易產生脫層的問題。因此，本發明之抗磨複合材不僅擁有其本身輕量化之材料特性的優勢，更同時提升耐磨性、抗刮性與耐衝擊性，而利於應用於航太、運動器材、汽車、工業及醫療器材等多項領域。

以下藉由本發明之圖式及較佳實施例，進一步闡述本發明為達上述目的所使用的技術手段。

本發明提供一種抗磨複合材的製造方法，包含至少一纖維層、至少一高分子材料層和至少一抗磨層，抗磨層係透過包覆全部或部份纖維層產生緊密結合的特性。

提供一基材係由n層纖維層和n+1層高分子材料層所組成，如圖1所示的基材10，僅繪製3層纖維層12和4層高分子材料層11，各纖維層12與各高分子材料層11係呈交錯堆疊設置，在本發明的一較佳的具體例中，該高分子材料層11係由環氧樹脂所構成；該基材10之各纖維層12的厚度係介於0.01毫米與50毫米之間，而各高分子材料層12的厚度係介於0.01毫米與50毫米之間；所述之該(等)纖維層12中的纖維成分依據製造及使用需求而可為碳纖維、玻璃纖維、克維拉纖維、石墨纖維或其混合物，或者其他可替代之纖維材料，而該纖維層編織紋路可具有緞織、平織或斜織等不同的型式；對此基材10的至少一側面進行加工，使基材10之至少一側面成型有複數個凹槽13，藉以令基材10的纖維層12暴露至環境中，去除纖維層間的部份樹脂；於本發明的一較佳實施例中，複數個凹槽13之深度係介於100微米與1000微米之間，尤以介於100微米與300微米之間為佳；其中，可利用能量束對基材10之至少一側面進行加工以形成該(等)凹槽13，其中能量束加工方法係可為氧乙炔、火焰、噴砂、雷射、離子束或其組合，由於使用者在操作上透過控制能量束的能量大小以及其所產生的高溫而適當除去基材10的高分子材料層11(諸如環氧樹脂等成分)並暴露基材10內部的纖維層12；或者可利用一般習知的機械加工、微影蝕刻方法對對基材10之至少一側面進行加工以形成該(等)凹槽13，其中機械加工之方法係可為鑽、銑、磨、車、鉋、放電加工或噴砂等傳統機械加工方式達到；或者可利用化學蝕刻對基材10之至少一側面進行加工以形成該(等)凹槽13，其中化學溶劑係可為次氯酸、氯酸鉀、硫酸、硝酸、高錳酸鉀、重鉻酸鉀或其組合；請參閱圖2所示，以加工至少一側面成型有複數個凹槽之基材10，以第一個道次金屬化技術於基材10的複數個凹槽之底面與周圍側面暴露之纖維均勻沉積該(等)起始金屬層(未示於圖中)，並當作第二道次金屬化技術之基底。繼續以第二道次金屬化技術均勻沉積金屬於起始金屬層表面上，使得沉積的金屬全數填滿凹槽，直到該(等)一沉積金屬層21可以完全包覆住基材10表面為止，並且與複數個凹槽相互連接以及緊密結合在一起，金屬與纖維的結合部係介於凹槽的底層，以形成該抗磨複合材。

請參考圖3所示，此圖繪基材10的縱剖面，在前述的加工過程中，使用能量束、機械加工、化學蝕刻等加工方式或其組合，去除纖維層12間的高分子材料，並裸露出該層內的纖維25(小圓圈代表)，以連續兩個道次金屬化技術均勻沉積金屬於纖維層12之裸露的纖維25間，使用金屬化技術均勻沉積的金屬，長時間沉積產生金屬與纖維的結合部22，在結合部22處沉積金屬層21包覆部份或全部裸露的纖維25，藉此纖維層12的纖維25與沉積金屬層21達到緊密結合。

請進一步參考圖4所示，於該等較佳實施例中，以能量束、機械加工、化學蝕刻或其組合之加工方式，對基材10之至少一側面進行加工以形成該等凹槽15，並使凹槽15之底面與周圍側面暴露之基材的纖維，去除纖維層間的部份樹脂，而複數個凹槽15之深度係介於100微米與1000微米之間，尤以介於100微米與300微米之間為佳，複數個凹槽15之縱剖面呈梯形，尤以長側邊朝向基材10內且短側邊朝向基材10外的梯形為佳。此種結構可使後續沉積於金層不易脫離，增加其結合強度。

再請參閱圖5所示，於本發明的另一較佳實施例中，複數個凹槽16亦可自基材10之至少一側面的高分子材料層11貫穿成型有一內壁面，該內壁面亦由各纖維層11以及高分子材料層12的斷面所構成，且該內壁面係界定出一盲孔，該盲孔係穿過複數層的纖維層和高分子材料層，並止於一纖維層；請進一步參閱圖6所示，該(等)起始金屬材(未示於圖中)沉積於複數個凹槽16之盲孔內壁面與底部所暴露出的纖維層12緊密結合，以複數個凹槽16之盲孔內的起始金屬層為基底，繼續進行金屬化技術沉積，直到該(等)沉積金屬層23形成到基材10表面為止。

請進一步參考圖7所示，於另一較佳實施例中，複數個凹槽16亦可自基材10之至少一側面的高分子材料層11貫穿成型有一內壁面，該內壁面亦由各纖維層11以及高分子材料層12的斷面所構成，且該內壁面係界定出一貫穿孔，該貫穿孔係連通基材10的兩側面，該(等)起始金屬材(未示於圖中)沉積於複數個凹槽16之盲孔之內壁面所暴露出的纖維層11緊密結合，以複數個凹槽16之盲孔內的起始金屬層為基底，繼續進行金屬化技術沉積，直到該(等)沉積金屬層24形成到基材10表面為止；請進一步參考圖8所示，於另一較佳實施例中，以能量束、機械加工、化學蝕刻或其組合之加工方式，對基材10的至少一面進行加工，去除其上的高分子材料層11，裸露出纖維層12的纖維，再使用蝕刻方法或是能量束加工法，去除凹槽底部纖維層內部份的高分子材料，利用同前述相同的金屬沉積技術，使此去除表面高分子的基材40產生金屬與纖維的結合部26以及沉積金屬層21。

請進一步參考圖9所示，此圖繪基材10的縱剖面，在前述的加工過程中，使用能量束、機械加工、化學蝕刻等加工方式或其組合，去除纖維層12間的高分子材料，並裸露出該層內的纖維25(小圓圈代表)，以連續兩個道次金屬化技術均勻沉積金屬於纖維層12之裸露的纖維25間，使用金屬化技術均勻沉積的金屬，長時間沉積產生金屬與纖維的結合部22，在結合部26處沉積金屬層21包覆部份或全部裸露的纖維，藉此纖維層12的纖維25與沉積金屬層21達到緊密結合。

請進一步參考圖10所示，於另一較佳實施例中，以機械加工或是能量束加工法，對基材10的至少一面進行加工，去除其上的高分子材料層11，裸露出纖維層12，再使用機械加工或是能量束加工法，產生穿過數層纖維層和數層高分子層的凹槽16，使用蝕刻方法或是能量束加工法，去除表面纖維層的部份樹脂、凹槽底部纖維層內部份的高分子材料和側壁纖維層的部份樹脂(未示於圖中)，利用同前述相同的金屬沉積技術，使此基材產生金屬與纖維的結合部26、結合部22以及沉積金屬層23。

綜合以上所述，本發明透過提升基材與金屬層的相互附著結合的緊密度，使本發明具有相當穩定的耐磨、防刮與耐衝擊之表面特性，更可強化基材內部的結構及強度而利於航太、運動器材、汽車、工業及醫療器材等多項領域等產品的製造及使用需求，相當實用。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明有任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10．．．基材

11．．．高分子材料層

12．．．纖維層

13．．．凹槽

14．．．高分子材料層

15．．．梯型槽

16．．．凹槽

20．．．沉積金屬的基材

21．．．沉積金屬層

22．．．金屬與纖維的結合部

23．．．沉積金屬層

24．．．沉積金屬層

25．．．纖維

26．．．結合部

30．．．梯型槽的基材

40．．．去除表面高分子的基材

圖1本發明一較佳實施例的剖視圖

圖2本發明一較佳實施例沉積金屬後的剖視圖

圖3沉積金屬與纖維層結合的放大剖視圖

圖4本發明另一較佳實施例有特殊倒錐型結構的剖視圖

圖5本發明另一較佳實施例貫穿纖維層結構的剖視圖

圖6本發明另一較佳實施例貫穿纖維層結構沉積金屬後的剖視圖

圖7本發明另一較佳實施例貫穿基材沉積金屬後的剖視圖

圖8本發明另一較佳實施例去除表層高分子的剖視圖

圖9沉積金屬與纖維層結合的放大剖視圖

圖10本發明另一較佳實施例去除表層高分子再沉積金屬後的剖視圖

11．．．高分子材料層

12．．．纖維層

20．．．沉積金屬的基材

21．．．沉積金屬層

22．．．金屬與纖維的凹槽

Claims (12)

1. 一種抗磨複合材的製造方法，其係包含a.至少一纖維層以及至少一高分子材料層，各纖維層和高分子材料層係呈交錯堆疊設置；b.複數個結合部，此係纖維層的特定部位，其上的高分子材料已去除，並裸露出纖維層之纖維；c.至少一金屬層，在結合部，金屬層係藉由包覆部份或全部纖維，與纖維層緊密連結。
2. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其纖維層可為碳纖維、玻璃纖維、克維拉纖維、石墨纖維等其中之一者或其組合。
3. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其高分子材料層可為環氧樹脂、酚醛樹脂等其中之一者或其組合。
4. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其纖維層，其厚度係介於0.01毫米與50毫米之間。
5. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其高分子材料層，其厚度係介於0.01毫米與50毫米之間。
6. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其複數個結合部的特定部位，可為完全裸露的表面纖維層、僅穿過高分子層的凹槽下的纖維層、穿過多層纖維層與高分子層的凹槽下的纖維層、貫穿纖維層的側壁、完全貫穿基材的孔洞等其中之一者或其組合。
7. 如申請專利第6項所述之抗磨複合材的製造方法，其複數個結合部之中穿過多層纖維層和高分子層的凹槽下的纖維層和完全貫穿基材的孔洞，可經側向去除纖維層之高分子材料，並且裸露出其纖維。
8. 如申請專利第6項所述之抗磨複合材的製造方法，其複數個結合部之深度係介於10微米與3000微米之間，特別介於100微米與300微米之間。
9. 如申請專利第6項所述之抗磨複合材的製造方法，其複數個結合部之剖面寬度係介於10微米與3000微米之間，特別介於100微米與1000微米之間。
10. 如申請專利第6項所述之抗磨複合材的製造方法，其複數個結合部，其上凹槽之剖面形狀可為梯型、長方型、半圓型和三角型等其中之一者或其組合。
11. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其金屬層的材料可為金屬材料、金屬包覆陶瓷的複合材料、金屬包覆鑽石或類鑽的複合材料等其中之一者或其組合。
12. 如申請專利第1項所述之抗磨複合材的製造方法，其金屬層在結合部其係包覆部份或全部的纖維層。