TWI819883B - 纖維與金屬複合層板及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種纖維與金屬複合層板包含鋁基金屬層及複合材料層。鋁基金屬層的表面包含複數個孔洞及位於孔洞中的複數個微側孔，且其表面具有特定含量之(200)晶面。鋁基金屬層之表面具有複數個微側孔，而有助於使複合材料層之至少一部分嵌入鋁基金屬層的孔洞及微側孔中，進而提升複合層板的搭接強度和穩固性。
Description
本揭示內容是關於一種混成材料(hybrid material)的製作技術，且特別是關於一種纖維與金屬複合層板及其製造方法。
輕量化材料廣泛應用於各種產業，例如3C、航空、自行車等產業。隨著業界對於輕量化材料的要求愈來愈高，製造者需要在金屬與複合材料的異材接合上進行優化與改良，以生產更輕且性能更好的產品。
奈米加工處理技術(nano molding technology；NMT)是一種將經奈米化表面處理過的金屬與複合材料(例如樹脂)接合形成纖維與金屬複合層板的一種技術。在NMT領域中，可使用膠合劑將金屬材料和複合材料接合以增加混成材料的搭接強度。然而，膠合劑的使用會增加製造成本且膠合劑易受環境因素而影響複合層板的整體性質。此外，金屬表面中的孔洞大小和分布及複合材料本身的性質也會影響混成材料的搭接強度。
鑑於上述，目前仍需要提供一種新的纖維與金屬複合層板及其製造方法以克服前述問題。
本揭示內容提供了一種纖維與金屬複合層板。纖維與金屬複合層板包含鋁基金屬層及複合材料層。鋁基金屬層的表面包含複數個孔洞及位於孔洞中的複數個微側孔，且表面具有含量不小於40%之(200)晶面。在表面下的深度範圍內，表面的單位截面具有至少20個微側孔，且深度範圍為40μm，單位截面為1mm。複合材料層包含熱塑性高分子及纖維材料，其中複合材料層之至少一部分嵌入鋁基金屬層的多個孔洞及多個微側孔中。
在一些實施方式中，鋁基金屬層的表面的孔洞覆蓋率占70%以上。
在一些實施方式中，鋁基金屬層的表面的平均粗糙度為15μm至35μm。
在一些實施方式中，鋁基金屬層與複合材料層之間的搭接強度為20MPa至27MPa。
在一些實施方式中，多個孔洞之每一者的一開口孔徑為50μm至90μm。
本揭示內容提供了一種纖維與金屬複合層板的製造方法，包含以下步驟。提供鋁基金屬層，其中鋁基金屬層的表面具有含量不小於40%之(200)晶面。對鋁基金屬層的表面進行化學蝕刻操作，以形成複數個孔洞及位於複
數個孔洞中的複數個微側孔於該表面上，其中孔洞包含複數個微側孔。其中在化學蝕刻操作之後，在表面下的深度範圍內，表面的單位截面具有至少20個微側孔，且深度範圍為40μm。提供複合材料層，其中複合材料層包含熱塑性高分子及纖維材料。進行熱壓製程操作，以使複合材料層之至少一部分嵌入鋁基金屬層的複數個孔洞及複數個微側孔中。
在一些實施方式中，化學蝕刻操作的蝕刻時間為15秒至300秒。
在一些實施方式中，化學蝕刻操作的蝕刻液包含硫酸和氯離子。
在一些實施方式中，在化學蝕刻操作之後，鋁基金屬層的表面的孔洞覆蓋率占70%以上。
在一些實施方式中，在化學蝕刻操作之後，鋁基金屬層的表面的平均粗糙度為15μm至35μm。
100:纖維與金屬複合層板
110:鋁基金屬層
110a:表面
112:孔洞
114:孔洞區域
116:微側孔
120:複合材料層
122:熱塑性高分子
124:纖維材料
400:製造方法
410:步驟
420:步驟
430:步驟
440:步驟
L:線
D:開口孔徑
X,Y，Z:方向
當結合附圖閱讀時，根據以下詳細描述可以最好地理解本揭示內容的各個態樣。應了解的是，根據行業中的標準實踐，各種特徵未按比例繪製。實際上，為了清楚起見，可以任意增加或減小各種特徵的尺寸。
圖1為根據本揭示內容之一些實施方式的鋁基金屬層經化學蝕刻後的局部放大上視示意圖。
圖2為沿著圖1的鋁基金屬層的線的局部放大剖面示意
圖。
圖3為根據本揭示內容之一些實施方式的纖維與金屬複合層板的立體示意圖。
圖4為根據本揭示內容之一實施方式的纖維與金屬複合層板的製造方法的流程圖。
圖5為根據本揭示內容之比較例、實驗例1和實驗例2的鋁基金屬層的X-ray繞射分析圖。
圖6為根據本揭示內容之實驗例1的鋁基金屬層的表面的掃瞄式電子顯微影像。
圖7為根據本揭示內容之實驗例1的鋁基金屬層的截面的掃瞄式電子顯微影像。
圖8為根據本揭示內容之實驗例2的鋁基金屬層的表面的掃瞄式電子顯微影像。
圖9為根據本揭示內容之實驗例2的纖維與金屬複合層板的截面的掃瞄式電子顯微影像。
以下揭示提供許多不同實施方式或實施例，用於實現本揭示內容的不同特徵。以下敘述部件與佈置的特定實施方式，以簡化本揭示內容。這些當然僅為實施例，並且不是意欲作為限制。舉例而言，在隨後的敘述中，第一特徵在第二特徵上方或在第二特徵上的形成，可包括第一特徵及第二特徵形成為直接接觸的實施方式，亦可包括有另一特徵可形成在第一特徵及第二特徵之間，以使得第一特
徵及第二特徵可不直接接觸的實施方式。此外，本揭示內容可能會在不同的實例中重複標號或文字。重複的目的是為了簡化及明確敘述，而非界定所討論之不同實施方式及配置間的關係。
除此之外，空間相對用語如「下面」、「下方」、「低於」、「上面」、「上方」及其他類似的用語，在此是為了方便描述圖中的一個元件或特徵和另一個元件或特徵的關係。空間相對用語除了涵蓋圖中所描繪的方位外，該用語更涵蓋裝置在使用或操作時的其他方位。也就是說，當該裝置的方位與圖式不同(旋轉90度或在其他方位)時，在本揭示中所使用的空間相對用語同樣可相應地進行解釋。
在本文中，由「一數值至另一數值」表示的範圍，是一種避免在說明書中一一列舉該範圍中的所有數值的概要性表示方式。因此，某一特定數值範圍的記載，涵蓋該數值範圍內的任意數值以及由該數值範圍內的任意數值界定出的較小數值範圍，如同在說明書中明文寫出該任意數值和該較小數值範圍一樣。另外，當數字或數字範圍描述為「大約」、「近似」及其他類似的用語，在此是為了涵蓋描述的數字為一合理範圍區間內的數字，如所屬技術領域中的技術人員應理解在+/- 10%之內所述的數字或其他數值。
在混成材料(hybrid material)的接合技術中，金屬表面中的孔洞尺寸、密度、分布情況及複合材料層的
性質將影響混成材料的錨定效果。若複合材料無法順利滲透到金屬的孔洞中，則無法增加金屬與複合材料的搭接強度。本揭示的纖維與金屬複合層板由於金屬的表面具有複數個微側孔，複合材料可以嵌入至金屬的微側孔中，從而形成具有高搭接強度且穩固結合的複合層板。本揭示的纖維與金屬複合層板無需使用膠合劑來進行鋁基金屬與複合材料層之間的異材接合，因此，不會有因為膠合劑而影響複合層板整體性質的情況。此外，本案優選(200)方位的鋁基金屬所形成的孔洞及微側孔可使複合材料順利嵌入，所以無需改質複合材料的性質即可製得穩固結合的複合層板，可以減少製程步驟。
請參考圖1，其為根據本揭示內容之一些實施方式的鋁基金屬層110經化學蝕刻後的局部放大上視示意圖。在化學蝕刻鋁基金屬層110之前，鋁基金屬層110的表面110a具有(200)晶面的晶粒優選方位(preferred orientation)。詳細來說，鋁基金屬層110通過晶粒優選方位製程而得具有(200)晶面的晶粒優選方位。晶粒優選方位製程可例如為冷軋和退火製程。在一些實施方式中，鋁基金屬層110的厚度為約0.1、0.3、0.8或1.5mm。已了解到，鋁基金屬層110主要具有(111)、(200)、(220)和(311)四種晶面。須說明的是，在本實施方式中，以四種晶面為總量來計，當(200)晶面佔比為40%以上且大於其他晶面的比率時，則可判斷鋁基金屬層110具有(200)晶面的晶粒優選方位。可藉由調整晶粒優選方位製程的參
數使得鋁基金屬層110的表面110a具有量不小於40%之(200)晶面，例如45%以上、50%以上、55%以上或60%以上之(200)晶面。
如圖1所示，鋁基金屬層110的表面110a具有複數個孔洞112。在一些實施方式中，孔洞112的形狀可為圓形、橢圓形、矩形、或多邊形等形貌。在一些實施方式中，鋁基金屬層110的表面110a的孔洞覆蓋率占70%以上。鋁基金屬層110經蝕刻後形成不均勻分布的孔洞區域114，如圖1所示，具有5個孔洞區域114。然而，孔洞區域114的數量並不用於限定本揭示內容，僅用於論述孔洞覆蓋率的計算方式。本揭示的孔洞覆蓋率滿足以下公式：孔洞覆蓋率=孔洞面積/總面積其中，圖1的整個示意圖邊界為「總面積」，而5個孔洞區域114的總面積為「孔洞面積」。
請參考圖2，其為沿著圖1的鋁基金屬層110的線L的局部放大剖面示意圖。如圖1和圖2所示，線L穿過兩個孔洞112。如圖2所示，每個孔洞112中具有複數個微側孔116。在一些實施方式中，鋁基金屬層110的表面110a下的深度範圍40μm內，表面110a的單位截面具有至少20個微側孔116。須說明的是，本文的「單位截面」為1mm，即線L的距離為1mm。而圖1和圖2中的線L的長度、線L的橫跨的孔洞112數量、微側孔116數量僅為示意並用於說明線L下的微側孔，其中的尺寸和
數量並非用於限制本發明。此外，本文的微側孔116定義為一個孔洞112下之側向(不同於方向Z)的微小孔洞，且微側孔116的數量為平均值。在一些實施方式中，微側孔116的長度為約2μm至約6μm。在一些實施方式中，孔洞112的開口孔徑D為約50μm至約90μm，例如約60、70或80μm。當孔洞112的開口孔徑D為約50μm至約90μm時，後續製程的複合材料層120(請參考圖3)較易嵌入於孔洞112中。又因為每個孔洞112中具有多個方向X和方向Y上的微側孔116，所以可以增加鋁基金屬層110與複合材料層120之間的搭接強度。在一些實施方式中，鋁基金屬層110的表面110a的平均粗糙度(Rz)為約15μm至約35μm，例如約20、25或30μm。
請參考圖3，其為根據本揭示內容之一些實施方式的纖維與金屬複合層板100的立體示意圖。纖維與金屬複合層板100包含鋁基金屬層110及複合材料層120。詳細來說，複合材料層120設置在經化學蝕刻的鋁基金屬層110上方(方向Z上)。換句話說，鋁基金屬層110與複合材料層120相互堆疊。複合材料層120包含熱塑性高分子122及分散在熱塑性高分子122中的纖維材料124。在一些實施方式中，熱塑性高分子122可例如為聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、ABS塑膠、聚碳酸酯(PC)、聚醯胺樹脂(PA)、聚縮醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、熱塑性聚醯亞胺(TPI)、或聚苯硫醚(PPS)。在一些實施方式中，纖維材料124可例如為玻璃纖維、克維拉纖維、玄武岩纖維、
硼纖維、PE纖維、天然纖維或碳纖維。複合材料層120之至少一部分嵌入鋁基金屬層110的多個孔洞112及多個微側孔116中(請參考圖2)。在一些實施方式中，鋁基金屬層110與複合材料層120之間的搭接強度為約20MPa至約27MPa，例如約21、22、23、24、25或26MPa。當表面110a的孔洞覆蓋率小於70%以下時，表面110a無法提供足夠量的孔洞位置使複合材料層120嵌入，進而降低了纖維與金屬複合層板100的搭接強度。
請同時參考圖1與圖4，其中圖4為根據本揭示內容之一實施方式的纖維與金屬複合層板100的製造方法400的流程圖。製造方法400包含步驟410至步驟440。在步驟410中，提供鋁基金屬層110，其中鋁基金屬層110的表面110a具有含量不小於40%之(200)晶面。在步驟420中，對鋁基金屬層110的表面110a進行化學蝕刻操作，以於表面110a上形成複數個孔洞112及位於孔洞112中的複數個微側孔116。在化學蝕刻操作之後，在表面110a下的深度範圍內，表面110a的單位截面具有至少20個微側孔，且深度範圍為40μm。在一些實施方式中，化學蝕刻操作的蝕刻時間為約15秒至約300秒，例如約30、60、120、180或240秒。在一些實施方式中，化學蝕刻操作的蝕刻液包含硫酸和氯離子。在一些實施方式中，化學蝕刻操作的蝕刻液是由包含硫酸、氯離子及鐵離子的溶液所組成。在一些實施方式中，化學蝕刻操作的蝕刻液是由包含硫酸、氯離子及銅離子的溶液所組成。鐵
離子和銅離子的添加可以增加鋁基金屬層110的蝕刻效率。在步驟430中，提供複合材料層120，其中複合材料層120包含熱塑性高分子122及纖維材料124。在步驟440中，進行熱壓製程操作，以使複合材料層120之至少一部分嵌入鋁基金屬層110的複數個孔洞112及複數個微側孔116中。若(200)晶面之含量小於40%時，化學蝕刻操作雖仍可形成孔洞112，但其微側孔116之數量將大幅減少，或不具有微側孔116，而無法有效提升纖維與金屬複合層板100的搭接強度和穩固性。
圖5為根據本揭示內容之比較例、實驗例1和實驗例2的鋁基金屬層110的X-ray繞射分析圖。如圖2所示，鋁基金屬層110主要具有(111)、(200)、(220)和(311)四種晶面。在比較例中，以四種晶面為總量來計，(200)晶面的佔比約為10%。在實驗例1中，以四種晶面為總量來計，(200)晶面的佔比約為55%。在實驗例2中，以四種晶面為總量來計，(200)晶面的佔比約為64%。
本案發明人發現，相較於鋁基金屬層110的(111)、(220)和(311)晶面，(200)晶面可以產生較多的微側孔，這與每個晶面的應變能有關。詳細來說，在蝕刻液腐蝕鋁基金屬層的過程中，金屬表層的氧化鋁在應變能較大的方位上較脆弱使得蝕刻液較易進入，從而產生較多的微側孔。此外，若沒有優選(200)晶面，蝕刻液通常會往深度方向(方向Z)腐蝕，而不易產生左右方向(方向X和方向Y)的微側孔。
請參考圖6，其為根據本揭示內容之實驗例1的鋁基金屬層110的表面110a的掃瞄式電子顯微影像。圖6中具有約18個孔洞區域114。請參考圖7，其為根據本揭示內容之實驗例1的鋁基金屬層110的截面的掃瞄式電子顯微影像。圖7中的孔洞具有約4個微側孔116。
以下利用比較例、實驗例1和實驗例2的結果，來更具體說明利用本發明之實施例的技術內容與功效，然其並非用以限定本發明。
實施例之蝕刻後的鋁基金屬層110特性及纖維與金屬複合層板的搭接強度如下表1所列示。
表1中的微側孔數量為每1mm下的平均個數，平均粗糙度的單位為μm，開口孔徑的單位為μm，搭接強度的單位為MPa。本案透過ASTM D1002標準測試鋁基金屬層110及複合材料層120間的搭接強度，其中試片的黏接面積為(25.4mm±0.254mm)×(12.7mm±0.010mm)。
在表1的各實施例中，鋁基金屬層採用型號AA5052-H32的鋁合金片，厚度1.5mm。對鋁合金片進行化學蝕刻的蝕刻液包含10wt.%硫酸、15wt.%鹽酸及75wt.%去離子水。本實施例的蝕刻液不包含錳離子。蝕刻時間為約60秒。蝕刻後的鋁合金片利用硝酸清潔、去離子水清洗約300秒、並烘乾。烘乾溫度為約80℃且烘乾時間為約6小時。各實施例的複合材料層的熱塑性高分子為聚碳酸酯(PC)。各實施例的複合材料層與鋁合金片的熱壓溫度為約230℃、熱壓壓力為約50kfg/cm3、熱壓時間為約300秒。
由上表1可知，實驗例1的搭接強度為20.7MPa，實驗例2的搭接強度為26.1MPa。因此，相較於比較例，實驗例1和實驗例2的纖維與金屬複合層板可以提供較佳的搭接強度。
請參考圖8，其為根據本揭示內容之實驗例2的鋁基金屬層110的表面110a的掃瞄式電子顯微影像。表面110a的孔洞112為多邊形的形貌。
請參考圖9，其為根據本揭示內容之實驗例2的纖維與金屬複合層板100的截面的掃瞄式電子顯微影像。從圖9可知，複合材料層120嵌入鋁基金屬層110的多個孔洞112及多個微側孔116中。
綜上所述，本揭示的纖維與金屬複合層板由於金屬的表面具有複數個微側孔，複合材料可以嵌入至金屬的微側孔中，從而形成具有高搭接強度且穩固結合的複合層板。
本揭示的纖維與金屬複合層板無需使用膠合劑來進行鋁基金屬層與複合材料層之間的異材接合，因此，不會有因為膠合劑而影響複合層板整體性質的情況。此外，本案優選(200)方位的鋁基金屬所形成的孔洞及微側孔可使複合材料順利嵌入，所以無需改質複合材料的性質即可將鋁基金屬層與複合材料層熱壓直接接合，形成穩固結合的複合層板，可以減化製程步驟。熱壓製程由於不需抽真空所以可以降低模具成本。本案由鋁基金屬層與複合材料層形成的複合層板至少可比鋁合金輕量化15%以上，從而提升產品的附加價值。
上文概述多個實施方式的特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭示內容的態樣。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本揭示內容作為設計或修改其他製程及結構的基礎，以便執行本文所介紹的實施方式的相同目的及/或實現相同優點。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造並未脫離本揭示內容的精神及範疇，且可在不脫離本揭示內容的精神及範疇的情況下產生本文的各種變化、取代及更改。
100:纖維與金屬複合層板
110a:表面
112:孔洞
116:微側孔
L:線
D:開口孔徑
X,Z:方向
Claims (10)
- 一種纖維與金屬複合層板，包含：一鋁基金屬層，其中該鋁基金屬層的一表面包含複數個孔洞及位於該些孔洞中的複數個微側孔，且該表面具有含量不小於40%之一(200)晶面；其中，在該表面下的一深度範圍內，該表面的一單位截面具有至少20個微側孔，且該深度範圍為40μm，該單位截面為1mm；以及一複合材料層，包含一熱塑性高分子及一纖維材料，其中該複合材料層之至少一部分嵌入該鋁基金屬層的該些孔洞及該些微側孔中。
- 如請求項1所述之纖維與金屬複合層板，其中該鋁基金屬層的該表面的一孔洞覆蓋率占70%以上。
- 如請求項1所述之纖維與金屬複合層板，其中該鋁基金屬層的該表面的一平均粗糙度為15μm至35μm。
- 如請求項1所述之纖維與金屬複合層板，其中該鋁基金屬層與該複合材料層之間的一搭接強度為20MPa至27MPa。
- 如請求項1所述之纖維與金屬複合層板，其 中該些孔洞之每一者的一開口孔徑為50μm至90μm。
- 一種纖維與金屬複合層板的製造方法，包含：提供一鋁基金屬層，其中該鋁基金屬層的一表面具有含量不小於40%之一(200)晶面；對該鋁基金屬層的該表面進行一化學蝕刻操作，以於該表面上形成複數個孔洞及位於該些孔洞中的複數個微側孔，其中在該化學蝕刻操作之後，在該表面下的一深度範圍內，該表面的一單位截面具有至少20個微側孔，且該深度範圍為40μm；提供一複合材料層，其中該複合材料層包含一熱塑性高分子及一纖維材料；以及進行一熱壓製程操作，以使該複合材料層之至少一部分嵌入該鋁基金屬層的該些孔洞及該些微側孔中。
- 如請求項6所述之纖維與金屬複合層板的製造方法，其中該化學蝕刻操作的一蝕刻時間為15秒至300秒。
- 如請求項6所述之纖維與金屬複合層板的製造方法，其中該化學蝕刻操作的一蝕刻液包含硫酸和氯離子。
- 如請求項6所述之纖維與金屬複合層板的製造方法，其中在該化學蝕刻操作之後，該鋁基金屬層的該表面的一孔洞覆蓋率占70%以上。
- 如請求項6所述之纖維與金屬複合層板的製造方法，其中在該化學蝕刻操作之後，該鋁基金屬層的該表面的一平均粗糙度為15μm至35μm。
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