TW201915217A

TW201915217A - 金屬基複合材料

Info

Publication number: TW201915217A
Application number: TW106131809A
Authority: TW
Inventors: 鄭光喬; 曾俊傑; 蔡孟修; 呂英誠; 林秋豐
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2019-04-16
Also published as: TWI663290B

Abstract

一種金屬基複合材料，其金屬基複合材料包括：多個金屬粉粒；以及多個陶瓷顆粒，以離子鍵的鍵結方式結合於該些金屬粉粒之表面。經實證數據之表現，證明金屬基複合材料在積層製造上的使用可同時使製造產品達到有效降低表面粗糙度以及增加硬度的效果。

Description

金屬基複合材料

本發明係關於一種金屬基複合材料，特別是關於一種以離子鍵方式鍵結的金屬基複合材料。

金屬基複合材料(metal matrix composite,MMC)結合兩種不同材料的特性，藉由互補彼此的缺陷來改善傳統單一材料的缺點。其性質是由基底材料與強化相材料之特性來決定，基底材料主要以重量輕的金屬或合金為主，添加的強化相材料則是以陶瓷材料為主。

傳統製作複合材料的方法中，常見的是將陶瓷粉末以攪拌分散混入正在熔融的金屬中，而此方法係陶瓷粉末利用凡得瓦爾力(Van der Waals force，是一種「分子間」的作用力)附著於金屬基材上形成的金屬基複合材料，透過此方式製造之金屬基複合材料卻有其強化相材料體積分率不高，強化相粒子分布不均勻以及內部具有孔隙之缺點。

本發明所欲解決的主要問題，係在於金屬基複合材料有其強化相材料(陶瓷材料)體積分率不高，強化相粒子(陶瓷顆粒)分布不均勻以及內部具有孔隙之缺點。本發明即研發一種方法過程簡單，所需成本較低的低溫及濕式的化學合成製程，起始反應為分子級，經由成核成晶之過程，能製備顆粒小且分布均勻不易發生聚集現象之陶瓷顆粒，且該些陶瓷顆粒以離子鍵的方式鍵結於金屬粉粒之表面。

為達成上述的目的，本發明公開了一種金屬基複合材料，包括：多個金屬粉粒；以及多個陶瓷顆粒，以離子鍵的鍵結方式結合於該些金屬粉粒之表面。

在一實施例中，所述金屬粉粒之材質可選自鋁、鈦、鎳及不銹鋼所構成之群組。

在一實施例中，所述陶瓷顆粒之材質為二氧化鈦或二氧化矽。

在一實施例中，所述金屬粉粒之粒徑範圍為25~45μm。

在一實施例中，所述陶瓷顆粒之粒徑範圍為奈米級的1~100nm。

在一實施例中，所述陶瓷顆粒分布於所述金屬粉粒表面之密度為3~20顆粒/μm²。

在一實施例中，所述陶瓷顆粒係以一化學合成製程使一陶瓷溶液於所述金屬粉粒之表面形成一陶瓷鍍層，再經一熱處理製程使所述陶瓷鍍層成核成晶為該些陶瓷顆粒。

而當本發明以所述金屬粉粒之材質為不銹鋼粉粒，且所述陶瓷顆粒之材質為二氧化鈦時為實施例時：在上述實施例中，所述陶瓷溶液係混合一鈦之前驅化合物、一觸媒、一界面活性劑與一介質而成，於所述金屬粉粒表面形成所述陶瓷鍍層。

在上述實施例中，所述陶瓷鍍層中的界面活性劑均勻分布附著於所述金屬粉粒的表面形成隔板效果，使所述鈦之前驅化合物可均勻分布於該些界面活性劑隔出的空間。

經由本發明所述金屬基複合材料的製造方法及其所製備的金屬基複合材料，具有方法過程簡單、所需成本較低且分布均勻的效果。本發明透過低溫及濕式的化學合成製程，金屬粉粒與強化相材料(陶瓷材料)的起始反應皆為分子級，經由成核成晶之過程，能製備顆粒小之陶瓷顆粒以離子鍵的方式鍵結於金屬粉粒之表面，且分布均勻不易發生聚集現象。

1‧‧‧金屬基複合材料

11A‧‧‧陶瓷溶液

11B‧‧‧陶瓷鍍層

11C‧‧‧陶瓷顆粒

111‧‧‧鈦之前驅化合物

112‧‧‧觸媒

113‧‧‧界面活性劑

114‧‧‧介質

12‧‧‧金屬粉粒

2‧‧‧雷射單元

10‧‧‧積層製造裝置

S1‧‧‧金屬基複合材料的製造方法

S11~14‧‧‧步驟

圖1為本發明所述金屬基複合材料的製造方法流程圖；圖2A為本發明所述陶瓷溶液加入金屬粉粒示意圖；圖2B為本發明所述陶瓷材料之演變示意圖；圖3A為本發明所述金屬粉粒示意圖；圖3B為本發明所述界面活性劑作用示意圖；圖3C為本發明所述陶瓷材料分布示意圖；圖3D為本發明所述陶瓷顆粒成形示意圖；圖4A為本發明所述化學合成製程的水解反應化學式；圖4B為本發明所述化學合成製程的縮合反應化學式；圖4C為本發明所述化學合成製程的聚合反應化學式；圖5A為本發明所述積層製造裝置示意圖；圖5B為複合材料與一般材料的表面粗糙度數據表示圖；圖5C為複合材料與一般材料的硬度數據表示圖。

本發明之金屬基複合材料的製造方法以低溫及濕式的化學合成製程搭配強化相材料濃度、界面活性劑濃度與反應時間等參數控制，並經由熱處理製程可製備出奈米二氧化鈦顆粒鍍層複合不銹鋼粉粒之材料，其製程簡單、成本低廉且均勻性高。

請參閱圖1，圖1為本發明之一實施例之金屬基複合材料的製造方法S1的流程圖，其步驟包括：步驟S11：製備一陶瓷溶液；步驟S12：將多個金屬粉粒加入所述陶瓷溶液中；步驟S13：經一化學合成製程，使所述陶瓷溶液於所述金屬粉粒之表面形成陶瓷鍍層；以及步驟S14：經一熱處理製程，使所述陶瓷鍍層成核成晶形成多個均勻分布於所述金屬粉粒表面的陶瓷顆粒，其中該些陶瓷顆粒以離子鍵的鍵結方式結合於該些金屬粉粒之表面。

在此一實施例中，所述金屬粉粒之材質可選自鋁、鈦、鎳及不銹鋼所構成之群組，且所述陶瓷顆粒之材質為二氧化鈦或二氧化矽。

接下來，本發明以不銹鋼粉粒為所述金屬粉粒，並以二氧化鈦為所述陶瓷顆粒進行下列的實施例說明：敬請參閱圖2A與圖2B，圖2A為本發明所述陶瓷溶液11A加入金屬粉粒12示意圖，圖2B則為本發明所述陶瓷材料之演變示意圖。

其中，圖2A可對應步驟S11的製備一陶瓷溶液11A，如圖2A所示，所述陶瓷溶液11A由一鈦之前驅化合物111、一觸媒112、一界面活性劑113以及一介質114混合而成。

其中，所述鈦之前驅化合物111為含有鈦元素之混合物，所述觸媒112為具有酸性或鹼性之化合物、所述界面活性劑113為具有親水與疏水端的有機兩性分子，所述介質14為醇類溶液。

於此一實施例中，所述陶瓷溶液11A中的鈦之前驅化合物111濃度範圍為0.1~10%wt、所述觸媒112濃度範圍為0.1~10%wt、所述界面活性劑113濃度範圍為0.01~20mg/L，其餘成份為所述介質114。而本實施例中採用的鈦之前驅化合物111為四乙醇基鈦、異丙醇鈦或鈦酸四丁酯中的一種或兩種以上之混合物，所述觸媒112為乙酸或氨水、所述界面活性劑113為陰離子界面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)或陽離子界面活性劑三甲基十六烷基溴化銨(CTAB)，所述介質114為甲醇、乙醇、乙二醇溶液。

接下來請參閱圖2B，先如步驟S12於所述陶瓷溶液11A中加入金屬粉粒12(例如粒徑範圍為25~45μm的不銹鋼金屬粉粒)；再如步驟S13所示由陶瓷溶液11A透過一化學合成製程包覆於所述金屬粉粒12之外層形成一陶瓷鍍層11B；最後再如步驟S14經一熱處理製程將陶瓷材料成核成晶，形成均勻分布於所述金屬粉粒12表面的所述陶瓷顆粒11C(例如粒徑範圍為奈米級1~100nm的二氧化鈦陶瓷顆粒)，製備一如本發明所述之金屬基複合材料1。

在此一實施例中，所述化學合成製程包括有特定反應溫度以及特定反應時間，所述特定反應溫度範圍為0~40°C、所述特定反應時間範圍為0.5~10hr。

在此一實施例中，所述熱處理之溫度範圍為100~1000℃、所述熱處理之時間範圍為0.5~5hr。

接下來更詳細說明有關陶瓷顆粒如何均勻分布於金屬粉粒12上的方式，請參閱圖3A至圖3D，圖3A為本發明所述金屬粉粒示意圖，圖3B為本發明所述界面活性劑作用示意圖，圖3C為本發明所述陶瓷材料分布示意圖，圖3D則為本發明所述陶瓷顆粒成形示意圖。

如圖3A所示，金屬粉粒12在如圖2A中加入陶瓷溶液11A後，所述陶瓷溶液11A會於所述金屬粉粒12表面形成所述陶瓷鍍層11B。

接下來如圖3B所示，所述陶瓷鍍層11B中的界面活性劑113以其疏水性的一端均勻分布附著於所述金屬粉粒12的表面形成隔板效果，使所述鈦之前驅化合物111可如圖3C所示均勻分布於該些界面活性劑113隔出的空間，且所述鈦之前驅化合物111透過化學合成製程與所述金屬粉粒的表面進行離子鍵的鍵結。

在圖3C的階段完成後更可包括一乾燥烘乾步驟，使如圖2A及圖2B中所述陶瓷鍍層11B中的所述介質114去除於所述金屬粉粒12之表面，同時裂解移除所述金屬粉粒12表面之所述界面活性劑113。

最後則如圖3D所示，經一熱處理製程使鍵結於金屬粉粒12表面的陶瓷材料成核成晶形成均勻分布的陶瓷顆粒11C。

經過上述的金屬基複合材料製造方法，所述陶瓷顆粒11C將以3~20顆粒/平方微米(μm²)的顆粒面積密度(亦即陶瓷顆粒數目除以金屬粉粒表面面積)分布於所述金屬粉粒12之表面。

而在此一實施例中所述的化學合成製程包括水解反應、縮合反應以及聚合反應，請參閱圖4A至圖4C。

圖4A為本發明所述化學合成製程的水解反應化學式；圖4B為本發明所述化學合成製程的縮合反應化學式；圖4C為本發明所述化學合成製程的聚合反應化學式。

如圖4A所示，鈦酸四丁酯在酸性條件下為水合氫離子，氧上的弧對電子攻擊H₃O⁺，並傾向形成性質穩定的醇類R-OH，接下來經過HÖH中氧上的弧對電子依序攻擊鈦原子Ti、氫原子並傾向形成R-OH後，再攻擊H₃O⁺先形成一中間產物氫氧化鈦以完成水解反應。

接下來則如圖4B所示，鈦原子旁邊有一好離去基OH₂ ⁺，氧上的弧對電子會傾向攻擊鈦原子Ti，再攻擊經原子形成H₃O⁺完成縮合反應。

最後則是如圖4C之化學式所示，完成聚合反應。

續請參閱圖5A，經過本發明所述的製造方法所製備的金屬基複合材料1另可結合一雷射單元2應用於一種積層製造裝置10上，經實際驗證，根據表面結合有陶瓷顆粒的金屬基複合材料1，特別是本發明之該些陶瓷顆粒以離子鍵的鍵結方式結合於該些金屬粉粒之表面，在雷射單元2的雷射掃描過程中更提升熔池的動態黏度並增加熔池的熔融區域減少熱毛細現象，因此於雷射熔融後可達到降低表面粗糙度的效果，並同時可藉由強化相材料(陶瓷材料)的性質達到硬度的增強效果。再者，根據金屬基複合材料應用在不同的產品，該些陶瓷顆粒不同之顆粒面積密度於雷射熔融後可產生不同之表面粗糙度的效果。

請參閱圖5B及圖5C，圖5B及圖5C為金屬基複合材料與一般材料應用於積層製造時，在表面粗糙度與硬度的數據表示圖。

經表面粗糙度的實證數據，如圖5B所示，以一般材料試片與金屬基複合材料試片進行同樣速度的雷射掃描，在400~450mm/s的速度區間，一般材料試片之表面粗糙度約為4.3μm，而金屬基複合材料試片則約為3.4μm，表面品質約可提升25%。

在硬度表現上，則如圖5C所示，一般材料在硬度上若可達到HV235.8，則在相同條件下的複合材料硬度表現約可達到HV244.94，亦即，金屬基複合材料在積層製造上的使用可同時使製造產品達到有效降低表面粗糙度以及增加硬度的效果。

綜上所述，本發明所公開之金屬基複合材料及其製造方法在製備過程中具有方法過程簡單、所需成本較低且分布均勻的效果，並且應用於積層製造可大幅降低製造成品之表面粗糙度，進而減少後續的處理工時與成本花費。

上述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims

一種金屬基複合材料，包括：多個金屬粉粒；以及多個陶瓷顆粒，以離子鍵的鍵結方式結合於該些金屬粉粒之表面。
如申請專利範圍第1項所述的金屬基複合材料，其中，所述金屬粉粒之材質選自鋁、鈦、鎳及不銹鋼所構成之群組，且，所述陶瓷顆粒之材質為二氧化鈦或二氧化矽。
如申請專利範圍第1項所述的金屬基複合材料，其中，所述金屬粉粒之粒徑範圍為25~45μm，且所述陶瓷顆粒之粒徑範圍為1~100nm。
如申請專利範圍第1項所述的金屬基複合材料，其中，所述陶瓷顆粒分布於所述金屬粉粒表面之顆粒面積密度為3~20顆粒/μm ²。
如申請專利範圍第1項所述的金屬基複合材料，其中，所述陶瓷顆粒係以一化學合成製程使一陶瓷溶液於所述金屬粉粒之表面形成一陶瓷鍍層，再經一熱處理製程使所述陶瓷鍍層成核成晶為該些陶瓷顆粒。
如申請專利範圍第5項所述的金屬基複合材料，其中，當所述金屬粉粒之材質為不銹鋼，且所述陶瓷顆粒之材質為二氧化鈦時，所述陶瓷溶液係混合一鈦之前驅化合物、一觸媒、一界面活性劑與一介質而成，於所述金屬粉粒表面形成所述陶瓷鍍層。
如申請專利範圍第6項所述的金屬基複合材料，其中，所述陶瓷鍍層中的界面活性劑均勻分布附著於所述金屬粉粒的表面形成隔板效果，使所述鈦之前驅化合物均勻分布於該些界面活性劑隔出的空間。