TWI500758B - 自潤滑塗層與製造自潤滑塗層之方法 - Google Patents

Description

自潤滑塗層與製造自潤滑塗層之方法

本發明係關於一種由一金屬層所構成之塗層，其中嵌埋有會經磨損釋出之潤滑劑。本發明更與一種自潤滑元件有關，其至少某些部分塗覆有一塗層。本發明亦與一種製備一塗層和一自潤滑元件的方法以及一種電解質塗料有關，其包含至少一種溶解形成離子或錯合物的金屬和至少一潤滑劑。

目前在所屬的技術領域中已知，塗層會影響一材料表面之物性、電性及/或化學特性。該表面可藉由表面工程方法來處理，如此一來，表面塗層，舉例來說，即可提供如抗磨耗之機械性保護、展現出抗鏽蝕性、或是具有生物相容性及/或提升之導電性等特性。

對插入式連接器和壓入式連接器而言，其磨擦和磨耗行為往往決定於可能的致動次數以確保它們能妥當地運作。在插入式連接器和壓入式連接器之元件外部上油/潤滑以降低磨擦力進而減少磨耗之作法僅在有限的致動次數上有效，並無法長期發揮效果，且可能會發生化學性質的改變。

因此，目前業界需要取得一種得以持久提升耐磨性的塗層。

世界專利(PCT)：WO 2008/122570 A2號中揭露了一種供元件(如一插頭具導電性的部分)使用的塗層，其具有一含有至少一基體金屬的基質。該金屬基質中嵌埋有奈米顆粒，其平均尺寸係小於50 nm且每一顆粒皆具有至少一功能性載體。該功能性載體係用以依需求調整該基質的特性。舉例來說，作為功能性載體的金屬可以改變該塗層的導電性。以特定的硬質材料如碳化矽(silicon carbide)、氮化硼(boron nitride)、氧化鋁(aluminium oxide)及/或鑽石等所製成之功能性載體可以提升該基質的硬度，並增強該塗覆有塗層之元件的磨耗性能。

舉例來說，歐盟專利EP 0 748 883 A1號中已知有一種可降低磨損的元件塗層，其不需要進行額外的潤滑動作。前述專利之塗層特徵係為一金屬層，該金屬層含有同質性導入、均勻分布之奈米粒子，其上結合有可降低摩擦的物質。舉例來說，該奈米顆粒可由Al₂ O₃ 、ZrO或TiO₂ 所構成，並含有一附著於其表面的皂性化合物(soap compound)。

上述歐盟專利EP 0 748 883 A1號和世界專利(PCT)：WO 2008/122570 A2號中之塗層皆具有一共同的缺點，其係：實際上影響表面塗覆性質的功能性載體在與一載體結合時會嵌埋於金屬層中。而此結合過程需要額外的步驟，因而增加材料的使用並提高該塗層的成本。

本發明之目的為提供一種改良之耐磨損塗層，其結構簡單且製造成本低廉。

根據本發明，一開始所提到的塗層以及前述的電解質塗料由於其潤滑劑嵌埋於由至少具有單一分支的有機化合物所構成的金屬層中，故能達到其目的。

一開始所提到之製備本發明塗層的方法係藉由以下步驟而達到該目的：

a)　將至少一種潤滑劑加入一電解質溶液中，其中前述潤滑劑係由一至少具有單一分支的有機化合物所構成，且前述電解質溶液含有至少一種溶解形成離子或錯合物的金屬；及

b)　將步驟a)所述之電解質溶液中溶解之金屬和潤滑劑沉積在一元件上以做為一塗層。

在本發明中，嵌埋於前述金屬層中的有機化合物係為潤滑劑，當本發明之塗層遭受磨耗和磨損時，前述潤滑劑會有部分暴露於前述塗層的表面而於其上形成一可降低磨損的潤滑薄膜。其不需要任何載體成分(如世界專利(PCT)：WO 2008/122570 A2號或歐盟專利EP 0 748 883 A1號中所用之無機奈米顆粒)，以至於在本發明中亦不需要進行額外將前述功能性載體(如世界專利(PCT)：WO 2008/122570 A2號中所提到的金屬或歐盟專利EP 0 748 883 A1號中所提到的皂性化合物)與前述載體顆粒結合之步驟。

因為本發明之塗層所欲達到的潤滑效果已經在該有機潤滑性化合物之微小單原子中間層中或該塗層於兩層體接觸之部分區域中達到，故本發明之塗層的耐磨性因而增加數倍，以至於可減低所需層體的厚度，並減少原料的使用及節省成本。

有機化合物係為除了無機化合物以外(如碳化物)所有的含碳化合物，其具有碳本身與其他元素如氫、氮、氧、矽、硼、氟、氯、溴、硫、磷等元素或這些元素之組合，包括那些含少量碳的物質(如矽膠)。

本發明溶液可進一步經由多種彼此獨立之實施態樣來加以改良。這些實施態樣以及其相關的優點將簡要地敘述於下。

前述的有機化合物最好具有實質上立體的分子結構。立體且緻密之分子結構具有使前述潤滑劑分子更均勻分散於前述電解質溶液中以及降低黏聚和結塊之風險等優點。因此可使潤滑劑於電解質溶液和塗層中達到一特別均質分佈的狀態。然而，視其運用而定，其也可能使用具有實質上呈鏈狀或平面狀之分子結構的有機化合物，即有機化合物中的原子實質上呈線狀或平板狀之排列。

在一較佳的實施態樣中，有機化合物(以下也稱為潤滑性分子或潤滑劑分子)係為一巨分子(macromolecule)。所謂「巨分子」係指由相同或相異之原子或原子群所構成且其最大空間維度的距離至少為15個原子的分子。這類含有聚合物之巨分子潤滑劑的優點在於可適用於廣泛的用途中，並且可挑選其中較適合者來用於對應之用途中。惟其須謹慎選擇該巨分子及其鏈結組成物(包括共聚物、混合之聚合物及鏈段聚合物block polymer)以使它們在提供接觸之層狀系統中具有潤滑能力且不會對電性產生不良影響。更甚之，該做為潤滑劑的化合物在用以製備該塗層之電解質溶液中必須具有化學穩定性且不能對該塗層造成不良影響。

本發明發現約10 nm(以不超過3 nm為佳)最大空間維度的特定有機化合物會具有特別好的潤滑能力。更甚之，此數量級之潤滑性分子在穿隧效應(tunnelling)的觀點下係具有導電性，因而可被用於作為導電性塗層。所謂「最大空間維度」係指該分子沿著一空間軸的最大尺度，舉例來說，如一球形或平板形潤滑劑的直徑。此設計實質上相當於一最大鏈長約200個原子的原子鏈，其中以沿著最大維度之距離為約60個原子的原子鏈為佳。

由於本發明使用的潤滑性分子具有相對低的空間維度，其係遠低於其他塗層中所使用之>50 nm量級的奈米顆粒，因此所使用之金屬粒子的尺寸可以降低至前述潤滑劑分子的奈米尺度範圍。

前述有機潤滑劑化合物可以特別是一種樹狀結構，換言之，係為一高度且顯著分支之態樣。該高度且顯著分支的態樣可為對稱及不對稱的形式。考量於電解質溶液中的良好分佈、具低黏度以及容易形成奈米結構(特別是奈米粒子)等特性上，本發明以樹狀物質和樹狀聚合物作為潤滑性分子特別具有優勢。

為了提升前述潤滑劑的嵌埋程度，前述有機化合物可具有至少一官能基，其對於金屬層中的金屬具有親合性。這使得在沉積過程中距離前述金屬層一短距離的潤滑性分子會朝著該金屬層移動並沉積於其上。原則上，前述官能基對於金屬層的親合力應高於其對於電解質溶液中溶質的親合力，以促進前述潤滑劑的嵌埋或沉積行為。

前述金屬層不會發生受潤滑性分子聚結或完全覆蓋的情況，因為前述官能基對於金屬的親合力僅會在擴散層產生效果，也就是說，在直接接近塗層表面的狀況下。為了避免潤滑劑分子在電解質溶液中聚結的風險，可以於前述有機化合物中提供一官能基，其能導致個別的潤滑性分子於電解質溶液中相互排斥。該官能基最好設置於末端，即，在一原子鏈或該原子鏈各分支的末端。

將相對應的官能基設置於有機化合物的表面係有利於對前述金屬層之親合力以及前述潤滑性分子間相互的排斥。該官能基之後會暴露於前述潤滑劑分子的外側，並因此達成了潤滑性分子與前述金屬層之接觸或在前述電解質溶液中與另一潤滑性分子接觸之設置。

根據一更佳的實施態樣，官能基可為一硫醇基(thiol group)，其對金屬具有高度親合性，並由於其極性而能確保前述潤滑性分子間的相互排斥。

前述官能基的選擇也係依據本發明塗層的金屬層而定，該金屬層最好選自銅、鎳、鈷、鐵、銀、金、鈀、鉑、銠、鎢、鉻、鋅、錫、鉛和其合金所組成之群組。特別是由於硫醇基具有對這些金屬的高度親合性，故由金或銀所製成的金屬層與具有硫醇基的潤滑性分子能有效地產生交互作用。

本發明之電解質塗料(如依據本發明方法步驟a所製得者)係包含至少一金屬離子以及一嵌埋於本發明塗層中的潤滑劑，該潤滑劑係由其中一前述實施態樣中的至少一種有機化合物所構成。

本發明更與一種自潤滑元件有關，其至少有特定部分塗覆有其中一前述實施態樣中之塗層。在本發明之元件中，塗層最好附著於一電連接器的表面。如此，由於本發明塗層可提升耐磨性，故可使用厚度較薄之層體以達成較佳的接觸電阻，進而使尺寸縮小及使該連接器的結構簡化，並減少其重量及節省原料的使用。

本發明之塗層特別適合供插頭和其它連接元件使用，尤其是插入式連接器或壓入式連接器。

以下將根據示範性之實施態樣並參酌圖式以更明確地描述本發明。

第一圖顯示了一較佳實施例之潤滑劑1的分子。前述潤滑劑1係由一高度分支的有機化合物2所構成，該有機化合物2係稱為一樹狀聚合物3。

前述聚合物3係由鏈結之結構單體4(monomer building blocks)所組成，該結構單體4係鏈結為顯著的分支結構而形成前述樹狀聚合物3，作為一有機化合物2。

根據本實施例所示之樹狀聚合物3係為一具有三維且實質上為球形分子結構的巨分子有機化合物2。該有機潤滑劑化合物2的空間維度係屬於奈米尺度之範圍。其直徑(如圖中所示球形化合物2之空間維度d)係<10 nm，以<3 nm為佳。

官能基5(在本實施例中所示者為硫醇基thiol groups,6)係設置於前述有機化合物2的表面。前述硫醇基6最好位於末端的單體單元上。就該結構而言，末端的單體4最好設置於一樹狀聚合物3之表面。

第一圖所示之潤滑劑1係由一官能基化且為奈米尺度之有機潤滑性化合物2所組成。由於前述聚合物3的化學結構和物理尺寸，故該潤滑劑具有良好的潤滑能力，並可有效地嵌入一本發明塗層7的金屬層8中，以做為一會經磨損而釋出的潤滑劑1。

為了以第一圖所示之較佳潤滑劑1製備一本發明之自潤滑塗層7，前述的潤滑劑分子(即前述有機化合物2)會被添加至一電解質溶液以製得一如第二圖所示之電解質塗料10，其中，該電解質溶液含有一溶解為離子或錯合物的金屬9。

前述電解質塗料10包含至少一種金屬離子9以及至少一種潤滑劑1，其中該潤滑劑1含有一依據本發明之至少具單一分支的有機化合物2。需注意的是，第二圖所示之本發明的電解質塗料10僅用以做為示意的範例。尤其，前述金屬離子9和潤滑劑1的混合比例僅是一隨意的選擇，且原則上與前述潤滑劑1併入前述塗層7中的比例並不相符。

為了製備本發明之塗層7，前述電解質塗料10之金屬離子9會被沉積於一元件11之上，前述潤滑性分子1也同樣會被沉積且嵌埋於前述金屬層8中。在此共沉積過程中(最好是以電化學方式進行)，前述金屬離子9會結晶於該被塗佈之表面12上，形成了一由金屬原子9’所組成之金屬層8。在結晶的過程中，前述潤滑性分子1係嵌埋於前述金屬層8中或沉積於其上，因此製得本發明之複合塗層7，其係如第三圖所示。

前述有機化合物2的官能基5係能促進前述潤滑劑1沉積和嵌埋於前述金屬層8中，該有機化合物2的官能基5(例如一硫醇基6)對前述金屬層8而言具有親合性，尤其是當前述金屬層包含金或銀成分時。

在第三圖所示之實施態樣中，本發明之前述塗層7係塗附在一電連接器11’的表面12。一自潤滑元件11便以此方式製得。在磨耗的過程中，前述潤滑劑1會有部分暴露於前述塗層7的表面，並於該表面的接觸區域13形成一層潤滑膜14，因此前述塗層7得確保前述元件11表面12的高耐磨性。

在第四圖中可以特別清楚地看到一連接態樣15，如一插入式連接15a或一押入式連接15b。該連接的接觸區域13中具有兩個可彼此對合的元件11，其表面12上塗覆有本發明之塗層7。

第四圖顯示了前述連接態樣15中之兩元件11接合時，前述有機化合物2的個別分子係如何在該具有塗層7之相對表面12的磨耗過程中自本發明之塗層7中釋出，並在接觸區域13上形成一層潤滑膜14。由於前述潤滑劑1與形成潤滑膜14的有機潤滑劑化合物2具有良好的磨潤(tribological)特性，該潤滑膜14得以提升前述連接器15的耐磨性，進而大幅降低金屬層8的摩擦程度並提升元件11的耐磨性。

雖然上述圖式中示範性實施態樣中本發明之塗層7僅使用了一種潤滑劑1，然該塗層7的金屬層中理所當然能嵌埋其他不同的潤滑劑1，只要該不同之潤滑劑1皆由一具至少單一分支的有機化合物2所構成。

1．．．潤滑劑

2．．．有機(潤滑劑)化合物

3．．．樹狀聚合物

4．．．結構單體

5．．．官能基

6．．．硫醇基

7．．．塗層

8．．．金屬層

9．．．金屬

9’．．．金屬原子

10．．．電解質塗料

11．．．元件

11’．．．電連接器

12．．．表面

13．．．接觸區域

14．．．潤滑膜

第一圖係使用於本發明一較佳實施態樣中的潤滑劑之示意圖。

第二圖係包含有本發明第一圖所示潤滑劑之電解質塗料。

第三圖係為本發明塗覆有一塗層之自潤滑元件細節示意圖，其中該塗層中嵌埋有第一圖所示之潤滑劑。

第四圖係一連接態樣之接觸區域的細節示意圖，其中兩連接元件皆如第三圖所示之塗覆有本發明之塗層。

1．．．潤滑劑

7．．．塗層

8．．．金屬層

9’．．．金屬原子

11．．．元件

11’．．．電連接器

12．．．表面

13．．．接觸區域

Claims (15)

1. 一種由一金屬層所構成之塗層，前述塗層嵌埋有會經磨損而釋出的潤滑劑，其特徵在於，前述潤滑劑係由一至少具有單一分支的有機化合物所構成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述有機化合物具有一三維分子結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述有機化合物係為一巨分子。
4. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述有機化合物之最大空間維度的距離約為10nm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述有機化合物之最大空間維度的距離約為3nm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述有機化合物係為樹狀結構。
7. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述有機化合物具有至少一對前述金屬層具有親合性的官能基。
8. 如申請專利範圍第7項所述之塗層，其特徵在於，前述官能基係設置於前述有機化合物的表面。
9. 如申請專利範圍第7項所述之塗層，其特徵在於，前述官能基係為一硫醇基。
10. 如申請專利範圍第1項所述之塗層，其特徵在於，前述金屬層係選自：銅、鎳、鈷、鐵、銀、金、鈀、鉑、銠、鎢、鉻、鋅、錫、鉛和其合金所組成之群組。
11. 一種自潤滑元件，其至少部分塗覆有有如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之塗層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之元件，其特徵在於，前 述塗層係附著於一電連接器的表面。
13. 如申請專利範圍第11項所述之元件，其特徵在於，前述元件係為一插入式連接器或一壓入式連接器之部件。
14. 一種電解質塗料，其係包含至少一種會溶解形成離子或錯合物的金屬以及由一至少具有單一分支的有機化合物所構成的至少一潤滑劑。
15. 一種如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之塗層的製備方法，其係包含以下步驟：a)將至少一種潤滑劑加入一電解質溶液，其中前述潤滑劑係由一至少具有單一分支的有機化合物所構成，且前述電解質溶液含有至少一種會溶解形成離子或錯合物的金屬；及b)將步驟a)所述之電解質溶液中所溶解之前述金屬和前述潤滑劑沉積於一元件以做為一塗層。