表面导电的复合零件的制造工艺及应用制造技术

本发明专利技术涉及一种表面导电的高性能复合零件的制造工艺、所述表面导电的高性能复合零件、所述表面导电的高性能复合零件用于电气和电子元件壳体的用途、所述工艺用于提高电绝缘零件磨擦耐性、磨损耐性以及恶劣天气和/或化学状况耐性的用途、所述工艺用于确保对电绝缘零件的保护以对抗电磁辐射(电磁屏蔽)和/或对抗静电放电的用途、以及所述工艺用于提高材料的表面电导率的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种表面导电的高性能复合零件的制造工艺、所述表面导电的高性能复合零件、所述表面导电的高性能复合零件用于电气和电子元件壳体的用途、所述工艺用于提高电绝缘零件磨擦耐性、磨损耐性以及恶劣天气和/或化学状况耐性的用途、所述工艺用于确保对电绝缘零件的保护以对抗电磁辐射(电磁屏蔽)和/或对抗静电放电的用途、以及所述工艺用于提高材料的表面电导率的用途。本专利技术一般应用于但不限于机动车辆、航空、航天(如电子卫星)、计算机和电子领域，其中基于聚合物材料或复合材料的导电复合零件包含至少一种聚合物材料和增强剂(如玻璃纤维、碳纤维)和/或导电颗粒(如碳纳米管、碳纤维)，并且用作固体金属零件的替代品。具体地，由于其重量轻、成本低并且机械性质可调整(尤其是在柔性(flexibility)方面可调整)，这些复合零件越来越多地用于制作例如电子领域的部件(壳体、电接触支撑件、连接器、印刷电路等)。然而，在所有这些复合零件的使用之前，一般要对其进行金属化步骤，包括在聚合物材料或复合材料的表面上形成金属层，以使所述复合材料的表面导电。除此之外，这种零件是基于包含至少一种聚合物材料和诸如玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维的增强剂的聚合物材料或复合材料时，金属化步骤可以给予其机械(冲击、磨损、刮擦等)耐性和对于腐蚀、热、紫外线辐射、化学试剂(酸、碱、溶剂)和腐蚀剂(油、清洁用品等)的耐性。举例来说，诸如电子卫星的某些应用会经受高机械应力和热应力，并且因此需要设计导电的高性能零件，其中金属层与所述零件具有优秀的附着力。另外，在某些应用(如电子领域)中，为了确保对抗电磁辐射(电磁屏蔽)和/或对抗静电放电的保护，金属化是必要的。在其他类型的应用(如电子通讯领域)中，金属化应当使其可以获得足够的导电水平，也就是指至少大约104S/m的电导率(对应于小于大约1欧姆/平方的表面电阻率)，并且类似于固体金属的电导率(大约107S/m)。因此，相对于在包含一种以上聚合物材料和金属导电颗粒的传统复合材料中观察到的表皮厚度，金属化使得可以降低表皮厚度。最后，当这种复合零件基于包含至少一种聚合物材料和导电颗粒的复合材料时，所述导电颗粒的存在没有使其可以获得足够的导电水平而又不使所述复合材料的机械性质劣化。的确，对于轻度填充的复合材料(即包含大约1体积％的诸如碳纳米管的导电颗粒)，最佳电导率为10-1S.m-1的数量级，并且对于填充量超过大约25体积％的复合材料，其机械性质劣化。但是诸如电磁屏蔽或产生微波频率波导的某些电子应用需要的电导率与金属相当，这是填充导电颗粒的聚合物材料不能实现的。因此，只有连续的表面金属化层能够保证所需的电导率水平。用于制造高性能复合零件的聚合物材料一般选自热稳定(即在100℃以上的温度下稳定)的聚环氧化物和热塑性聚合物，诸如聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)类型的聚芳醚酮(PAEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚砜(PS)或聚酰亚胺(PI)。已知这些聚合物材料具有使装配操作特别是金属化困难的表面性质(如低表面张力、轻微的粗糙度、高化学惰性)。因此，为了确保物理化学性质和机械特性非常不同的金属层和聚合物材料之间紧密且持久的接触，提出了各种解决方案。第一种方案包括通过真空金属化在零件表面上沉积金属。零件置于舱室内，在舱室内创建小于0.0001mbar的真空。通过加热汽化将要沉积的金属。所获得的金属蒸气凝聚在零件表面。这一技术通常称为化学气相沉积(CVD)。例如，这类技术记载在Audisio的[chimiquesàpartird’unephasegazeuse(从气相的化学沉积),Techniquesdel’Ingénieur,TraitédeMatériaux,M1(660),1,1985]中。然而，这种技术需要精密且昂贵的设备，并且零件的聚合物材料和金属之间获得的结合的质量不可预测。为了促进金属层和聚合物材料之间紧密且持久的接触，需要金属的厚度大，这样会增加零件的重量及其制造成本。最后，在金属化期间整个零件应当保持在真空中，导致能够金属化的零件的尺寸和形状受到局限。第二种方案通常称为物理气相沉积(PVD)，包括例如在放置了需要金属化的零件的反应器内进行金属喷溅涂覆(sputtering)。在稀薄大气氛围内，在目标(阴极)和反应器壁之间施加的电位差使得能够产生冷等离子体。在电场的效应下，等离子体的正电物种被目标所吸引并且与其碰撞。它们相互转移动量，由此导致金属原子从目标以中性粒子形式的喷溅，中性粒子凝聚在将要金属化的零件上。例如，此类技术记载在Billard等的[Pulvérisationcathodiquemagnétron(磁控喷溅),Techniquesdel’Ingénieur,TraitédeMatériaux,M1(654),1,2005]中。与CVD相似地，这种技术需要精密且昂贵的设备，并且零件的聚合物材料和金属之间结合的质量不可预测。其也不能适用于任意类型的零件。第三种已知方案包括“活化”需要金属化的零件，以便随后经由气相途径，在催化剂的存在下在此零件上进行导电金属的化学沉积(即，氧化还原反应)。出于在表面上产生微腔(即，粗糙度)的目的，零件的活化可以通过化学、机械或热蚀刻来进行。例如，这种蚀刻可以通过硫铬酸(sulfochromicacid)、喷砂或火焰处理零件来进行。然后，微腔将作为随后涂布于零件的催化剂的锚定点。举例来说，氯化锡存在下的钯粒子可以活化零件的表面。钯然后起催化剂的作用。接下来的步骤通常称为“无电镀”步骤，包括将“活化”零件浸入化学沉积浴中，从而用非常薄的导电金属(例如铜)膜覆盖零件。由此获得的表面导电的零件能够随后通过任意金属的电沉积而金属化。然而，这一技术具有几个缺点。一方面，由于金属层的机械来源仅源自沉积物在通过蚀刻产生的粗糙度上的锚定，金属层的附着力弱。因此，在金属和零件之间没有强结合，并且所获得的结合对于上述应用是不足的。另一方面，这一技术需要使用有毒性的酸(如，硫铬酸)、大量的蚀刻、沉积和润洗浴、以及使用相对昂贵的诸如钯的金属催化剂。最后，这一技术的应用局限于能够经受可控且均匀蚀刻的聚合物材料，例如通常称为ABS的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(丁二烯结节在苯乙烯-丙烯腈共聚物基体中的分散体)。这是因为其他耐性更高的聚合物，诸如聚芳醚酮(PAEK)(如聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK))、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚砜(PS)或聚酰亚胺(PI)是更稳定的，并且因此在化学蚀刻后不具有足以进行沉积的表面粗糙度。综上所述，全部这些现有技术提供了低内聚力的金属沉积，因为在零件和金属层之间不具有或具有非常少的强化学相互作用。除此之外，为了提高金属层的机械强度，常常需要求助于退火类型的后处理。然而，这种退火通常与所述零件中包含的聚合物材料的耐热性不相容。由此，本专利技术的目标是为了克服上述现有技术的缺点，并且提供一种用于金属化包含至少一种聚合物材料的电绝缘固体基质从而获得表面导电的高性能复合零件的工艺，所述工艺经济、易于实施、对环境更加友好、能够用于所述基质中包含的任意类型的聚合物材料、并且能够产生具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面导电的高性能复合零件(CP1)的制造工艺，所述表面导电的高性能复合零件包含电绝缘固体基质(S)、沉积在所述基质(S)的至少一部分表面上的导电膜(CF)、以及沉积在所述导电膜(CF)的至少一部分自由表面上的金属层(ML)，‑所述电绝缘固体基质(S)包含至少一种聚合物材料(P1)，并且‑所述金属层(ML)包含至少一种金属(M1)，所述工艺的特征在于包括以下步骤：1)制备包含至少一种聚合物材料(P2)和至少一种纤维状纳米颗粒形式的金属(M2)的液体组合物的步骤，所述液体组合物包含相对于所述液体组合物总体积0.2体积％至10体积％的所述金属(M2)；2)将步骤1)的所述液体组合物涂布于所述电绝缘基体(S)的至少一部分表面的步骤；3)干燥并且可选择地热处理所述液体组合物以获得包含电绝缘固体基质(S)和沉积在所述基质(S)的至少一部分表面上的导电膜(CF)的中间体复合材料(CP2)的步骤，所述导电膜(CF)包含所述聚合物材料(P2)和相对于所述导电膜(CF)总体积的1体积％至10体积％的纤维状纳米颗粒形式的所述金属(M2)；4)在所述导电膜(CF)的至少一部分自由表面上电沉积至少一种金属(M1)以获得所述复合零件(CP1)的步骤。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.27 FR 14526411.一种表面导电的高性能复合零件(CP1)的制造工艺，所述表面导电的高性能复合零件包含电绝缘固体基质(S)、沉积在所述基质(S)的至少一部分表面上的导电膜(CF)、以及沉积在所述导电膜(CF)的至少一部分自由表面上的金属层(ML)，-所述电绝缘固体基质(S)包含至少一种聚合物材料(P1)，并且-所述金属层(ML)包含至少一种金属(M1)，所述工艺的特征在于包括以下步骤：1)制备包含至少一种聚合物材料(P2)和至少一种纤维状纳米颗粒形式的金属(M2)的液体组合物的步骤，所述液体组合物包含相对于所述液体组合物总体积0.2体积％至10体积％的所述金属(M2)；2)将步骤1)的所述液体组合物涂布于所述电绝缘基体(S)的至少一部分表面的步骤；3)干燥并且可选择地热处理所述液体组合物以获得包含电绝缘固体基质(S)和沉积在所述基质(S)的至少一部分表面上的导电膜(CF)的中间体复合材料(CP2)的步骤，所述导电膜(CF)包含所述聚合物材料(P2)和相对于所述导电膜(CF)总体积的1体积％至10体积％的纤维状纳米颗粒形式的所述金属(M2)；4)在所述导电膜(CF)的至少一部分自由表面上电沉积至少一种金属(M1)以获得所述复合零件(CP1)的步骤。2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述电绝缘固体基质(S)另外包含增强剂和/或导电颗粒。3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于所述基质(S)包含至多10体积％的导电颗粒和/或增强剂。4.根据前述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于所述聚合物材料(P2)是热固性树脂。5.根据前述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于步骤1)的所述液体组合物另外包含与所述金属(M2)相同但不是纤维状纳米颗粒形式的金属(M3)。6.根据前述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于步骤1)包括下列子步骤：1a)制备纤维状纳米颗粒形式的至少一种金属(M2)在溶剂中的分散体的步骤；1b)混合前述步骤1a)的分散体与至少一种聚合物材料(P2)的步骤；1c)均匀化前述步骤1b)的混合物以形成包含至少一种聚合物材料(P2)和至少一种纤维状纳米颗粒形式的金属(M2)的液体组合物的步骤，所述液体组合物包含相对于所述液体组合物总体积的0.2体积％至10体积％的所述金属(M2)。7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于步骤1a)的所述溶剂选自烃类溶剂、含氧溶剂，氯化溶剂，水、及其混合物。8.根据前述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于步骤2)通过向所述电绝缘固体基质(S)的至少一部分表面喷涂步骤1)的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：安托万·隆周，埃里克·丹特拉斯，科莱特·拉卡巴恩，
申请(专利权)人：图卢兹第三大学，国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国;FR