CN118109818A - 金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法，其中该金属表面粗化方法包含：提供一金属工件；对该金属工件执行表面清洁；利用一蚀刻液对该金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成包含数个微孔洞的粗化层，该蚀刻液包含氯离子、铜离子、铁离子及硫酸根离子；对该金属工件执行一水洗处理；及对该金属工件执行一干燥处理。据此，以达到简化蚀刻流程的功效。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材制作领域，特别是有关于一种利用一蚀刻液对金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成用以结合树脂的数个微孔洞的金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法。
背景技术
因应世界趋势及推动净零碳排目标，近年来，自行车结构件、汽车结构件及零件、航天结构件及零件、医疗机器及家电制品等，正在积极发展材料复合化技术，朝轻量化发展迫切，以复合材取代单纯使用金属材料，进而实现在产品的结构设计采用多种材料的组合可以达到轻量化的目标。
已知复合材中，将金属件(例如：铝)与纤维复材搭配使用，可在保有金属件的特性外，在轻量化上又可进一步提升，其中，该金属件与纤维复材为通过胶合或锁固等结合方式相互接合，为此开发了多种接合胶的使用会增加生产工序，而成为产品的成本上升的主要原因。接合胶的使用存在着随时间增长而黏接力降低，且在高温下，具有接合强度降低的问题。
为了因应世界趋势及政府所推动的净零碳排(Net Zero)目标，借由回收拆解该复合材，并将该金属件回收再循环利用，即可以达到减碳效益。然而，上述接合方式在拆解回收该金属件与该纤维复材时，易造成拆解回收时的不便与困难，需使用有机溶剂处理剂将接合胶去除，而使用过后的有机溶剂处理剂在处理不当之下，容易导致严重的土壤及水质污染，具有造成环境污染的问题。
另外，包含热塑性树脂的纤维复材部件与金属部件的接合性也存在问题，先前技术在成型过程，整体强度仍有改善空间，于外力介入时，于接合面易产生层间剥落、滑移、翘曲甚至断裂。
有鉴于此，有必要提供一种金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法，以解决上述的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属表面粗化方法，有别于其他已揭露的方法需要多道次处理程序，本发明可以利用一蚀刻液对金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成用以结合树脂的数个微孔洞。
本发明的次一目的在于提供一种金属与纤维复材的接合方法，可以对金属工件执行上述金属表面粗化方法，并使纤维复材所包含的树脂浸入到该数个微孔洞中，以将该纤维复材与该金属工件紧密结合。
本发明的又一目的在于提供一种金属与纤维复材的复合体，可以借由执行上述金属与纤维复材的接合方法制作而成。
为达成上述目的，本发明提供一种金属表面粗化方法，包含：提供一金属工件；对该金属工件执行表面清洁；利用一蚀刻液对该金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成包含数个微孔洞的粗化层，该蚀刻液包含氯离子、铜离子、铁离子及硫酸根离子；对该金属工件执行一水洗处理；及对该金属工件执行一干燥处理。
在一些实施例中，该金属工件选自钛、铬、不锈钢及铝合金的其中一种。
在一些实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于5％至15％的浓硫酸、重量百分浓度介于10％至20％的氯化铁，以及重量百分浓度介于0.2％至3％的氯化铜，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
在一些实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于10％至13％的浓硫酸、重量百分浓度介于12％至18％的氯化铁，以及重量百分浓度介于0.3％至1％的氯化铜，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
在一些实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于5％至15％的浓硫酸、重量百分浓度介于10％至20％的氯化铁，重量百分浓度介于0.2％至3％的氯化铜，以及重量百分浓度介于0.5％至3％的硫酸锰，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
在一些实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于10％至13％的浓硫酸、重量百分浓度介于12％至18％的氯化铁，重量百分浓度介于0.3％至1％的氯化铜，以及重量百分浓度介于1％至2％的硫酸锰，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
在一些实施例中，将该金属工件以温度介于70℃至120℃执行该干燥处理，且该干燥处理的干燥时间介于60分钟至240分钟。
本发明另提供一种金属与纤维复材的接合方法，包含：提供一金属工件，执行前述的金属表面粗化方法；及将该金属工件置于一成型模具中加热，使在一纤维复材中形成熔融态样的热塑性树脂浸入到该数个微孔洞中，以将该纤维复材与该金属工件结合。
本发明再提供一种金属与纤维复材的复合体，包含：一金属工件，其表面形成一粗化层，该粗化层具有数个微孔洞，该数个微孔洞为沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态；及一纤维复材，包含一热塑性树脂，该纤维复材抵接于该金属工件的粗化层上方，并于抵接处形成一接合面，位于该接合面处的热塑性树脂浸入该数个孔洞，以形成锚固效应，使该纤维复材与该金属工件结合。
在一些实施例中，各该微孔洞的尺寸介于2μm至25μm，粗糙度介于5μm至35μm，蚀刻深度介于5μm至25μm。
本发明的金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法具有下列特点：可以通过该蚀刻液对该金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成侧向倒勾形态的数个微孔洞，使在不需使用任何接合胶的情形下，即可借由浸入该数个微孔洞的树脂，使该纤维复材与该金属工件相互结合，并在对复合物加热至玻璃转移温度(Tg)后，即可将该纤维复材与该金属工件分离。借此，本发明的金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法，可以达到简化蚀刻流程、提升纤维复材与金属工件之间的接合强度，以及材料具有可回收再循环再生，达到减碳效益等功效；再者，本发明的金属与纤维复材的复合体应用于结构板材上，通过异材接合达到轻量化，表面保有金属光泽质感，兼具轻量薄型化的优势，大幅提升其附加价值。
附图说明
图1为本发明的金属表面粗化方法的方法步骤图；
图2为本发明的金属表面粗化方法的金属工件表面的蚀刻面积分布图；
图3为本发明的金属表面粗化方法的金属工件蚀刻表面的组织结构，其显示放大倍率1000倍的SEM图；
图4为本发明中的金属与树脂的接合方法的方法步骤图；
图5为本发明中的金属与树脂的复合体的剖视图。
附图中的符号说明：
1:金属工件；
11:粗化层；
12:微孔洞；
2:纤维复材；
2a:热塑性树脂；
2b:玻璃纤维；
21:接合面；
C:金属与纤维复材的复合体；
S1:清洁步骤；
S2:微孔化步骤；
S3:水洗步骤；
S4:干燥步骤；
S5:粗化步骤；
S6:结合步骤。
具体实施方式
现配合图式将本发明实施例详细说明如下，其所附图式主要为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此在该等图式中仅标示与本发明有关的组件，且所显示的组件并非以实施时的数目、形状、尺寸比例等加以绘制，其实际实施时的规格尺寸实为一种选择性的设计，且其组件布局形态有可能更为复杂。
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可据以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申请。另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包含”将被理解为意指包含所述组件，但是不排除任何其它组件。
请参照图1所示，其为本发明金属表面粗化方法的一较佳实施例，包含以下步骤。
一清洁步骤S1：提供一金属工件，并对该金属工件执行表面清洁，在本实施例中，该金属工件可以选自钛、铬、不锈钢及铝合金的其中一种，并以铝合金作为以下说明。在一实施例中，铝合金以有机溶剂，例如：丙酮或乙醇等，浸泡震荡清洗10至20分钟。
一微孔化步骤S2：利用一蚀刻液对该金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成包含数个微孔洞的粗化层，其中，该蚀刻液包含氯离子、铜离子、铁离子、锰离子及硫酸根离子。
在一第一实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于5％至15％的浓硫酸、重量百分浓度介于10％至20％的氯化铁，以及重量百分浓度介于0.2％至3％的氯化铜，其余为纯水。
在一第二实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于10％至13％的浓硫酸、重量百分浓度介于12％至18％的氯化铁，以及重量百分浓度介于0.3％至1％的氯化铜，其余为纯水。
上述蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。借此，即可成型用以提供熔融态树脂流入而与该金属工件形成结合的微孔洞。
在一第三实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于5％至15％的浓硫酸、重量百分浓度介于10％至20％的氯化铁，重量百分浓度介于0.2％至3％的氯化铜，以及重量百分浓度介于0.5％至3％的硫酸锰，其余为纯水。
在一第四实施例中，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于10％至13％的浓硫酸、重量百分浓度介于12％至18％的氯化铁，重量百分浓度介于0.3％至1％的氯化铜，以及重量百分浓度介于1％至2％的硫酸锰，其余为纯水。
上述蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞，该数个微孔洞的尺寸可以如下列表格所示。借此，即可成型用以提供熔融态树脂流入而与该金属工件形成结合的微孔洞，并使该金属工件表面的蚀刻均匀度相对更佳。
请同时参照图2、3，其分别为在扫瞄电子显微镜(SEM)放大倍率1000倍之下的组织结构，及其蚀刻面积分布数据。当该金属工件为型号AA5052-H32，且以包含硫酸锰的该蚀刻液对该金属工件进行蚀刻时，其具有最佳的蚀刻状况，且蚀刻面积整体分布大约落在90.92％。
表格：金属工件表面蚀刻数据表
一水洗步骤S3：对该金属工件执行一水洗处理，其中，该水洗处理的水洗温度介于20℃至40℃，水洗时间介于0.5分钟至5分钟。较佳地，在执行该水洗处理的过程中，可以辅以搅拌程序，例如：利用超音波、喷流或导入空气等方式进行搅拌，并且以纯水进行水洗。
一干燥步骤S4：对该金属工件执行一干燥处理。详言之，将该金属工件以温度介于70℃至120℃执行该干燥处理，且该干燥处理的干燥时间介于60分钟至240分钟。
请参照图4所示，其为本发明金属与纤维复材的接合方法的一较佳实施例，包含下列步骤。
一粗化步骤S5：提供一金属工件，并执行上述金属表面粗化方法(步骤：S1～S4)，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的数个微孔洞。
一结合步骤S6：将该金属工件置于一成型模具中加热，使在一纤维复材中形成熔融态样的热塑性树脂浸入到该数个微孔洞中，以将该纤维复材与该金属工件结合，在本实施例中，该热塑性树脂为聚碳酸酯(PC)，并与玻璃纤维形成该纤维复材，且该金属工件与该纤维复材为采用热压成型方式结合。
请参照图5所示，其为本发明金属与纤维复材的复合体的一较佳实施例，该金属与纤维复材的复合体C包含：一金属工件1及一纤维复材2，该纤维复材2结合于该金属工件1。
该金属工件1的表面形成一粗化层11，该粗化层11具有数个微孔洞12，在本实施例中，该金属工件1可以选自钛、铬、不锈钢及铝合金的其中一种，且可以根据前述金属表面粗化方法，使该数个微孔洞12沿着该金属工件1的径向形成侧向倒勾形态。具体而言，各该微孔洞12的尺寸介于2μm至25μm，粗糙度(Rz)介于5μm至35μm，蚀刻深度介于5μm至25μm。
该纤维复材2包含一热塑性树脂2a，该纤维复材2抵接于该金属工件1的粗化层11上方，并于抵接处形成一接合面21；位于该接合面21处的热塑性树脂2a浸入该数个微孔洞12，以形成锚固效应，使该纤维复材2与该金属工件1结合，在本实施例中，该热塑性树脂2a为聚碳酸酯，该聚碳酸酯分散在玻璃纤维2b所织成的布中，以形成该纤维复材2，且该纤维复材2与该金属工件1为采用热压成型方式结合。借此，可以获得该金属工件1与该纤维复材2的接合强度介于15MPa至30MPa之间的复合体，详细数据可以如上述表格所示。
在其他实施例中，该纤维复材2还可以是由短纤维或长纤维等纤维分散在该热塑性树脂2a所制成，并通过射出成形、挤出成形、加热压制成形、压缩成形或熔射成形等方式与该金属工件1接合。
承上所述，本发明的金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法，可以通过该蚀刻液对该金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成侧向倒勾形态的数个微孔洞，使在不需使用任何接合胶的情形下，即可借由浸入该数个微孔洞的树脂，使该纤维复材与该金属工件相互结合，并在对复合物加热至玻璃转移温度(Tg)后，即可将该纤维复材与该金属工件分离。借此，本发明的金属表面粗化方法、金属与纤维复材的复合体及其接合方法，可以达到简化蚀刻流程、提升纤维复材与金属工件之间的接合强度，以及材料具有可回收再循环再生，达到减碳效益等功效；再者，本发明的金属与纤维复材的复合体应用于结构板材上，通过异材接合达到轻量化，表面保有金属光泽质感，兼具轻量薄型化的优势，大幅提升其附加价值。
上述揭示的实施形态仅例示性说明本发明的原理、特点及其功效，并非用以限制本发明的可实施范畴，任何熟悉此项技艺的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为所附的申请专利范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种金属表面粗化方法，其特征在于，包含：
提供一金属工件；
对该金属工件执行表面清洁；
利用一蚀刻液对该金属工件表面执行仅需一道次的腐蚀造孔处理，以在该金属工件表面形成包含数个微孔洞的粗化层，该蚀刻液包含氯离子、铜离子、铁离子及硫酸根离子；
对该金属工件执行一水洗处理；及
对该金属工件执行一干燥处理。
2.根据权利要求1所述的金属表面粗化方法，其特征在于，该金属工件选自钛、铬、不锈钢及铝合金的其中一种。
3.根据权利要求1所述的金属表面粗化方法，其特征在于，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于5％至15％的浓硫酸、重量百分浓度介于10％至20％的氯化铁，以及重量百分浓度介于0.2％至3％的氯化铜，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
4.根据权利要求1所述的金属表面粗化方法，其特征在于，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于10％至13％的浓硫酸、重量百分浓度介于12％至18％的氯化铁，以及重量百分浓度介于0.3％至1％的氯化铜，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
5.根据权利要求1所述的金属表面粗化方法，其特征在于，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于5％至15％的浓硫酸、重量百分浓度介于10％至20％的氯化铁，重量百分浓度介于0.2％至3％的氯化铜，以及重量百分浓度介于0.5％至3％的硫酸锰，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
6.根据权利要求1所述的金属表面粗化方法，其特征在于，该蚀刻液的溶液中包含重量百分浓度介于10％至13％的浓硫酸、重量百分浓度介于12％至18％的氯化铁，重量百分浓度介于0.3％至1％的氯化铜，以及重量百分浓度介于1％至2％的硫酸锰，其余为纯水，该蚀刻液对该金属工件的蚀刻时间介于15秒至90秒，蚀刻温度介于20℃至40℃，以沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态的该数个微孔洞。
7.根据权利要求1所述的金属表面粗化方法，其特征在于，将该金属工件以温度介于70℃至120℃执行该干燥处理，且该干燥处理的干燥时间介于60分钟至240分钟。
8.一种金属与纤维复材的接合方法，其特征在于，包含：
提供一金属工件，执行如权利要求1至7中任一项所述的金属表面粗化方法；及
将该金属工件置于一成型模具中加热，使在一纤维复材中形成熔融态样的热塑性树脂浸入到该数个微孔洞中，以将该纤维复材与该金属工件结合。
9.一种金属与纤维复材的复合体，其特征在于，包含：
一金属工件，其表面形成一粗化层，该粗化层具有数个微孔洞，该数个微孔洞为沿着该金属工件的径向形成侧向倒勾形态；及
一纤维复材，包含一热塑性树脂，该纤维复材抵接于该金属工件的粗化层上方，并于抵接处形成一接合面，位于该接合面处的热塑性树脂浸入该数个微孔洞，以形成锚固效应，使该纤维复材与该金属工件结合。
10.根据权利要求9所述的金属与纤维复材的复合体，其特征在于，各该微孔洞的尺寸介于2μm至25μm，粗糙度介于5μm至35μm，蚀刻深度介于5μm至25μm。
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- 2022-11-30 CN CN202211527895.5A patent/CN118109818A/zh active Pending
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