CN107471533B - 金属基材以及金属和塑料的结合件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属基材以及金属和塑料的结合件。该金属基材的表面具有微米级凹凸面和蜂窝状细孔，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为1‑400μm，平均峰谷深度Rz为1‑15μm，所述蜂窝状细孔形成在所述微米级凹凸面上，所述蜂窝状细孔的平均孔径范围为10‑500nm，所述微米级凹凸面被配置为用于承载注塑成型的塑料材料。本发明的技术效果在于，能够提高连接在金属基材上的塑料材料与金属基材的结合作用力。

Description

金属基材以及金属和塑料的结合件

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体地，涉及一种金属基材以及金属和塑料的结合件。

背景技术

在电子通讯行业，越来越多的电子产品采用金属和塑料复合的形式构成产品结构，这种结构设计可以实现丰富的功能效果。例如，在需要产品的外观呈现金属特征而内部结构需要降低重量、节省材料成本的情况下，就可以采用金属与塑料复合的设计。

金属与塑料的传统复合方式包括粘接剂粘合、卡扣卡合或者铆钉连接等方式。但是，传统的复合方式存在复合可靠性低、需增加固定连接的机构等缺陷。随着技术的发展，现有技术中还出现了将塑料注塑在金属表面的复合方式。在进行塑料的注塑加工时，以金属材料作为基材，将塑料直接注塑成型在金属材料上。但是，金属和塑料之间的结合作用力有限，两者之间存在脱落的风险，复合可靠性难以提高。

因此，有必要对金属与塑料材料的复合工艺进行改进，提高材料复合的结构可靠性，或者简化制成的产品的结构，减少在产品上增加附加部件。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的金属基材。

根据本发明的第一方面，提供了一种金属基材，所述金属基材的表面具有微米级凹凸面和蜂窝状细孔，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为1-400μm，平均峰谷深度Rz为5-10μm，所述蜂窝状细孔形成在所述微米级凹凸面上，所述蜂窝状细孔的平均孔径范围为10-500nm，所述蜂窝状细孔从不锈钢基材的表面向内部延伸的平均深度范围为10-200nm，所述微米级凹凸面被配置为用于承载注塑成型的塑料材料。

可选地，所述蜂窝状细孔从不锈钢基材的表面向内部延伸的平均深度范围为10-200nm。

可选地，所述金属基材的材料为不锈钢。

可选地，所述金属基材经过第一次刻蚀处理在表面形成所述微米级凹凸面，而后经过第二次刻蚀处理在所述微米级凹凸面上形成蜂窝状细孔。

本发明还提供了一种金属和塑料的结合件，包括上述金属基材和塑料材料，所述塑料材料注塑成型在所述微米级凹凸面上。

可选地，所述塑料材料包括热塑性树脂和填充材料，所述填充材料在所述塑料材料中的质量百分比为5-40％，所述填充材料包括尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅及黏土中的至少一种。

可选地，所述塑料材料包括聚苯硫醚树脂(PPS)、聚对苯二甲酸丁醇树脂(PBT)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)和聚烯烃中的至少一种。

本发明的发明人发现，在现有技术中在现有技术中，虽然出现了将一些金属材料与塑料材料注塑复合的技术方案，但是，对于金属与塑料材料的复合方式，现有技术中并没有出现改进的、复合可靠性高的技术方案。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明提供的金属和塑料的结合件的结构示意图；

图2是本发明提供的金属与塑料的结合件的截面扫描电镜图；

图3是本发明提供的蜂窝状细孔的扫描电镜图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种金属基材1，该金属基材1用于承载塑料材料22，塑料材料22可以直接注塑固定在所述金属基材1上。图1示出了金属基材1与塑料材料22结合的结构形态。所述金属基材1经第一次蚀刻处理形成微米级凹凸面11，所述凹凸面的轮廓平均宽度RSm为1-400μm，平均峰谷深度Rz为1-15μm。而后经第二次蚀刻处理，在微米级凹凸面11上形成纳米级蜂窝状细孔12。纳米级蜂窝细孔分布于所述微米级凹凸面11上。所述蜂窝状细孔12的平均孔径范围为10-500nm。

进一步优选地，所述蜂窝状细孔12从不锈钢基材的表面向内部延伸的平均深度范围为10-200nm。图3中示出了形成在微米级凹凸面11上的纳米级蜂窝状细孔12的形貌特征，纳米级蜂窝状细孔12可供住宿在其上的塑料材料嵌入其中，提高结合作用力。

所述微米级凹凸面11可通过扫描电镜观察，表面呈凹凸交替形貌，周期性分布结构特征较明显。微米级凹凸面11的粗糙度值可采用三丰Mitutoyo SURFTEST SJ-310仪器测试，可有效、全面的表征产品表面信息。本发明所述微米级凹凸面11的轮廓平均宽度RSm为1-400μm，平均峰谷深度Rz为1-15μm。优选地，微米级凹凸面11的轮廓平均宽度RSm为100-200μm，平均峰谷深度Rz为5-10μm。图2示出了金属基材1表面的微米级凹凸面11的形貌特征，并且显示出了塑料材料22注塑嵌入到微米级凹凸面11中的特点。形貌特征的参数在上述范围内的微米级凹凸面11更有利于与塑料材料22注塑结合，结构分布合理，深度较适中。能够在保证最终结合产品的结构可靠性的前提下，获得更好的腐蚀效果。按照理论分析计算，轮廓平面宽度RSm值越小，金属表面的凹陷结构分布更密集，更均匀。而如果轮廓平均宽度RSm值过大，则会造成凹面间距过大，导致金属基材与塑胶结合不稳定。

进一步地，平均峰谷深度Rz能够表征微米级凹凸面的起伏度状况，数值越大，起伏度越大，峰与谷的差值越大。在现有技术中，金属基材表面的Rz值大多小于5μm，塑料材料形成在金属基材上的拉拔力较弱，多在30MPa以下。在本发明中，采用的腐蚀工艺是微米级凹凸面的平均峰谷深度Rz值达到5μm以上。较大的起伏度能够嵌入更多的塑料材料，获得较大的拉拔力。将塑料材料注塑在本发明提供的金属基材上，能够测得在施加大于30MPa以上的拉拔作用力时，才能将塑料材料从金属基材上拔下。

可选地，所述金属基材的材料优选为不锈钢，不锈钢基材能够广泛应用电子产品中。当然，其它金属材料例如铝合金等也可以作为所述金属基材的材料。

本发明所述的金属基材优选经过两次刻蚀处理，形成预定的表面形貌特征。首先，经过第一次刻蚀处理，在金属基材表面形成所述微米级凹凸面。而后，再经过第二次刻蚀处理，在金属基材的微米级凹凸面上形成蜂窝状细孔。

本发明提供的金属基材具有如下技术效果，首先，本技术方案在金属基材上腐蚀蚀刻出具有较大轮廓线的微米级凹凸起伏结构。较大的平均峰谷深度Rz使得微米级凹凸面具有显著的起伏表面，增加了塑料与金属基材结合的面积，凹凸面内能够容纳更多的塑料材料。

第二，蜂窝状细孔增加了微米级凹凸面的表面粗糙度，提高了塑料与金属基材的粘合效果。经一次或多次腐蚀液腐蚀后，金属基材的表面发生严重的点蚀，分别向纵向和横向腐蚀发展，最终在微米级凹凸面上形成蜂窝状细孔，孔壁与金属基材为一体。这相比于表面覆盖有氧化膜或者颗粒状堆积物的金属基材表面而言，能够与塑料材料形成更牢固的连接关系。因此，在本发明提供的金属基材上注塑结合塑料材料形成的结合件，在拉拔或者剪切过程中，金属基材与塑料材料不易分离、损坏。保证了塑料材料注塑在金属基材上的可靠性，防止腐蚀开裂、力学断裂等情况。

进一步地，本发明还提供了一种金属和塑料的结合件，如图1所示，包括了上述金属基材1以及塑料材料22。所述塑料材料22注塑成型在所述金属基材1的微米级凹凸面11上。

优选地，所述塑料材料包括了热塑性树脂和填充材料。填充材料掺杂在热塑性树脂中。所述填充材料为尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅及黏土中的至少一种，所述填充材料在所述塑料材料中所占质量百分比的范围为5-40wt％。所述填充材料可以在进行注塑加工工艺之前掺杂填充在热塑性树脂中。

不锈钢作为金属基材的线膨胀系数为1.5×10^-5/℃，而塑料材料的线膨胀系数在6-8×10^-5/℃，不锈钢与塑料材料间相差较大的线膨胀系数不利于塑料材料的固化过程。其它金属材料作为金属基材同样存在这一问题。因此，有必要在热塑性树脂中掺杂用于改性的填充材料，以降低塑料材料的线膨胀系数。例如，玻璃纤维材料的线膨胀系数仅为3.8×10^-5/℃，可以将玻璃纤维等材料掺在在热塑性树脂中，使塑料材料组合物的线膨胀系数与不锈钢以及其它金属材料尽可能的接近。

可选地，所述热塑料材料包括聚苯硫醚树脂(PPS)、聚对苯二甲酸丁醇树脂(PBT)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)和聚烯烃中的至少一种。

在本发明的一种实施方式中，以现有的1.5mm厚的304不锈钢板作为金属基材，冲切成18mm*44mm的长方形，进行打磨抛光，后对其进行除油清洗。然后在弱碱性的清洗液中浸渍300s，而后放入去离子水中清洗并烘干。通过对第一次腐蚀的腐蚀液的温度、浓度、时间等参数进行调控，结合粗糙度测试仪，产品的微米级凹凸面轮廓平均宽度RSm为200μm，平均峰谷深度Rz为10μm。所以，可通过工艺参数调整，使金属基材表面具有较大的起伏度。而后经二次腐蚀液蚀刻成孔，烘干、注塑成型。将上述蚀刻处理后的304不锈钢片测试片，置于注塑成型模具内，注塑含有20％玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂组合物。而后将304不锈钢和塑料制成的结合件固定于万能材料试验机上进行产品拉伸测试，分别测试6组测试片，测试片平均拉拔力值为1767N，约为35MPa。测试结果如下表1所示。将塑料材料从不锈钢基材上拔下所需的作用力相较于现有技术显著提高。

表1

本发明提供的结合件具有上述技术效果，显著提高结合件的拉拔力。其中，蜂窝状细孔对于拉拔力的提升具有显著的作用。尤其，贯通、垂直分布的细孔能更有利于熔融塑料材料的填充。

本发明另一重要技术效果是产品结合件具有更优秀的气密性。气密性、防水性是作为此类技术应用的目的，主要应用于电子信息行业。此技术方案所制备的蜂窝状细孔是获得气密性的重要条件，将塑料与金属基体紧紧地结合在一起。在现有技术方案中，产品表面状态多为微米级的孔洞，但此类孔洞的直径较大。注塑塑料材料后，塑料冷却收缩，塑料与金属基材之间产生轻微的剥离现象，导致气密性下降。

在本发明的一种实施方式中，以现有的1.5mm厚的304不锈钢板作为金属基材，进行打磨抛光，后对其进行除油清洗。然后在弱碱性的清洗液中浸渍300s，而后放入去离子水中清洗并烘干。通过对一次腐蚀的腐蚀液的温度、浓度、时间等参数进行调控，结合粗糙度测试仪，产品的微米级凹凸面轮廓平均宽度RSm为180μm，平均峰谷深度Rz为8μm。所以，可通过工艺参数调整，使金属基材表面具有较大的起伏度。而后经二次腐蚀液蚀刻成孔，烘干、注塑成型。将上述蚀刻处理后的304不锈钢片测试片，置于注塑成型模具内，注塑含有20％玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂组合物。为了进一步表征塑料和不锈钢的结合效果，采用置压式检测，将结合件充入气体后，用压力表直接测量结合件的气体漏气量，真实地反应塑料材料和不锈钢基材的结合效果。结果如表2所示。

样品	样品数量	不良率	良率
				气密性测试品	100	0％	100％

表2

由表2可知，100批次结合件的样品的气密性全部合格，这与本方案成孔结构有直接的关联。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种金属基材，其特征在于，所述金属基材的表面具有微米级凹凸面和蜂窝状细孔，所述微米级凹凸面的轮廓平均宽度RSm为1-400μm，平均峰谷深度Rz为5-10μm，所述蜂窝状细孔形成在所述微米级凹凸面上，所述蜂窝状细孔的平均孔径范围为10-500nm，所述蜂窝状细孔从不锈钢基材的表面向内部延伸的平均深度范围为10-200nm，所述微米级凹凸面被配置为用于承载注塑成型的塑料材料。

2.根据权利要求1所述的金属基材，其特征在于，所述金属基材的材料为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的金属基材，其特征在于，所述金属基材经过第一次刻蚀处理在表面形成所述微米级凹凸面，而后经过第二次刻蚀处理在所述微米级凹凸面上形成蜂窝状细孔。

4.一种金属和塑料的结合件，其特征在于，包括权利要求1-3任意之一所述的金属基材和塑料材料，所述塑料材料注塑成型在所述微米级凹凸面上。

5.根据权利要求4所述的金属和塑料结合件，其特征在于，所述塑料材料包括热塑性树脂和填充材料，所述填充材料在所述塑料材料中的质量百分比为5-40％，所述填充材料包括尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳酸钙、碳酸镁、二氧化硅及黏土中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的金属和塑料结合件，其特征在于，所述热塑料材料包括聚苯硫醚树脂(PPS)、聚对苯二甲酸丁醇树脂(PBT)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)和聚烯烃中的至少一种。

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