一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法技术

本发明专利技术提供一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法，首先制备铜纳米颗粒，使铜纳米颗粒表面修饰有一层很薄的有机表面活性剂壳层；将铜纳米颗粒分散在溶液中制成分散液，在金属或者有机物母材表面利用铜纳米颗粒的分散液多次叠层直写，形成铜纳米颗粒含量和分布渐变的梯度连接层，并在连接层表面连接另一母材；对金属‑有机连接结构进行热处理改性，直写的连接层形成从纳米到连接界面宏观尺度的多尺度渐变界面结构，实现高强度可靠的金属‑有机物连接。该方法综合利用范德华力、化学键与机械互锁实现了金属与有机物的高强度连接，操作简单、易于实现、成本低、环保、实用性强。

A method of high strength and reliable connection between metal and organic matter by using copper nanomaterials

The present invention provides a method for making high strength and reliable connection of the formation of metal and organic compounds using copper nano materials, first prepared copper nanoparticles, the surface modification of copper nanoparticles with a thin layer of organic surfactant shell; copper nanoparticles dispersed in the solution of ownership dispersion in dispersion times laminated metal or organic base metal surface by using copper nanoparticles direct writing, gradient formation and distribution of copper nano particles content gradient connecting layer, and in the connection layer surface is connected with a base material; the metal organic connecting structure for heat treatment modification, direct writing connection layer is formed of multi scale gradient interface structure from nano to macro scale interface, realize the metal organic compounds of high strength and reliable connection. The method makes use of Fan Dehua force, chemical bond and mechanical interlocking to realize high strength connection between metal and organic matter. The operation is simple, easy to realize, low cost, environmental protection and practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法
本专利技术涉及金属与有机物的连接技术，特别地说是一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法。
技术介绍
金属材料具有优良的导电性、高的机械强度，广泛用于制造电子设备或者承载力的结构件。有机物材料绝缘性能优异、柔性好、生物兼容性好，在微电子领域与医疗医学领域应用广泛。使有机物与金属形成高强度的连接，结合两者的优势，成为越来越多应用中的要求。然而，金属与有机物的连接存在较大的困难：（1）金属与有机物很难形成有效的冶金连接；（2）金属与有机物难以发生有效的化学反应形成高强度的化学键；（3）两种材料的物化性能（如热膨胀系数等热性能）以及力学性能存在很大差异，容易使连接材料间物化性能失配并在连接界面处产生应力集中，导致失效。因此，实现金属与有机物的高强度连接是本领域的难点。目前，金属与有机物的连接方法有机械连接、胶接、激光焊接、模塑互连技术等。机械连接通过机械锁合的方式实现连接，强度较高。机械连接多用于宏观连接，在微纳连接领域难以实现。胶接主要通过范德华力与氢键力来实现。胶接成本低、应用广泛，但是胶粘剂固化时会释放有害气体、胶粘剂固化时间长，生产效率不高；而且范德华力与氢键力相对较弱，胶粘剂容易老化，连接的可靠性问题较为突出。激光焊接可以使金属与有机物的连接界面上形成特定的微观结构，产生机械互锁效应。同时，激光作用下金属与有机物之间还可能形成化学键[ChenYJ,YueTM,GuoZN.Anewlaserjoiningtechnologyfordirect-bondingofmetalsandplastics[J].Materials&Design,2016,110:775-781]。因此，在适当的工艺条件下，激光焊接可以获得较高的连接强度[LambiaseF,GennaS.Laser-AssisteddirectjoiningofAISI304StainlessSteelwithPolycarbonatesheets:Thermalanalysis,Mechanicalcharacterization,andBondsMorphology[J].Optics&LaserTechnology,2017,88:205-214]。但是，激光焊接要求被连接的有机物透明；另外，激光焊接设备价格昂贵，这些因素限制了激光焊接的应用。模塑互连技术是新兴技术，可以在复杂有机结构上制备金属互连线及相关元器件，具有很大的应用潜力[LaurV,MatteiJL,VérissimoG,etal.ApplicationofMoldedInterconnectDevicetechnologytotherealizationofaself-biasedcirculator[J].JournalofMagnetism&MagneticMaterials,2016,404:126-132]。模塑互连技术综合利用范德华力、化学键以及机械互锁，可以形成高强度的金属与有机物连接。但是在连接的过程中需要使用化学镀，容易对环境造成污染。另外，模塑互连技术工艺复杂，设备昂贵，成本高，仍然具有局限性。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种在金属与有机物之间制备含铜纳米颗粒的薄膜层，并形成铜纳米颗粒含量和形貌渐变的梯度连接层，最终通过热处理改性使铜纳米颗粒与有机物发生化学反应，综合利用范德华力、化学键与机械互锁使金属与有机物实现高强度可靠连接的方法。为了实现上述目标，本专利技术采用以下技术方案：一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法，包括以下步骤：1）铜纳米颗粒的制备：利用有机表面活性剂形成模板，制备粒径为50nm-250nm的铜纳米颗粒，所制备的铜纳米颗粒表面修饰有一层厚度为2nm-5nm的有机表面活性剂A形成的壳层；2）梯度连接层的制备：将步骤1）中表面修饰有壳层的铜纳米颗粒分散在溶剂A中形成均匀的分散剂，利用所述分散剂在待连接的金属母材或有机物母材表面制备第1层薄膜层，在第1层薄膜层的表面制备第2层薄膜层，依次叠加直至在第（n-1）层薄膜层表面制备第n层薄膜层，其中n为大于等于2的自然数；在制备时，改变所述分散剂中铜纳米颗粒的固相分数，在金属母材表面制备时：铜纳米颗粒的含量在第1层薄膜层至第n层薄膜层中逐层递减，形成铜纳米颗粒含量与分布逐层递减的梯度连接层；在有机物母材表面制备时：铜纳米颗粒的含量在第1层薄膜层至第n层薄膜层中逐层递增，形成铜纳米颗粒含量与分布逐层递增的梯度连接层；3）金属-有机连接的热处理改性：将步骤2）中已制备梯度连接层的金属母材与待连接的有机物母材接触形成连接结构，或将步骤2）中已制备梯度连接层的有机物母材与待连接的金属母材接触形成连接结构，对连接结构进行热处理，热处理方法为：利用管式炉在惰性气体保护下烧结，烧结温度150℃-400℃，烧结时间为15min-60min；或将连接结构利用激光进行局部加热，并在加热部位覆盖惰性气体进行保护。将连接结构进行热处理，热处理过程使梯度连接层中的铜纳米颗粒与颗粒表面包覆的有机表面活性剂壳层之间发生化学反应，在铜颗粒的表面形成晶态或者非晶态的铜-有机复合物壳层，且在壳层表面或内部沉淀析出超细的铜-有机复合物颗粒，形成具有多级纳米结构的铜-有机复合颗粒；铜-有机复合颗粒之间以及铜-有机复合颗粒与金属母材和有机物母材之间也发生化学反应，形成高强度的化学键。所述梯度连接层改性后其内部具有多级纳米结构的铜-有机复合颗粒的数目与分布保持逐渐变化的特点，形成从纳米到连接界面宏观尺度的多尺度渐变界面结构，形成高强度可靠的金属-有机物连接。进一步，本专利技术在步骤1）中使用的有机表面活性剂A优选SDS和PVP中的至少一种。进一步，本专利技术在步骤2）中所述梯度连接层的制备方法优选直写、旋涂、印刷、喷涂中的任一种。进一步，本专利技术在步骤2）中制备梯度连接层时，所述第1层薄膜层的形状根据制备时具体要求来确定，第2层薄膜层至第n层薄膜层的形状与第1层薄膜层的形状相同，每层薄膜的厚度为500nm-40μm，整个梯度连接层的厚度为2μm-200μm。进一步，本专利技术在步骤2）中所述的溶剂A优选水、乙醇、异丙醇中的任一种。进一步，本专利技术在步骤3）中与所述金属母材连接的有机物母材通过旋涂、喷涂或者直写方式与金属母材上已制备的梯度连接层表面接触形成金属-有机连接结构，其中得到有机物母材层的厚度不小于25μm；在步骤3）中与所述有机物母材连接的金属母材通过直写方式与有机物母材上已制备的梯度连接层表面接触形成金属-有机连接结构，其中金属母材层厚度不小于25μm；或在步骤3）中，在所述金属母材、梯度连接层与有机物母材之间施加垂直压力进行压合，形成金属-有机连接结构。进一步，本专利技术所述的金属母材为块材、薄片或薄膜材料。进一步，本专利技术所述的有机物母材为块材、薄片或薄膜材料。进一步，本专利技术所述的金属母材是铝、铜、银、金、镍、铁任一种纯金属或其合金。进一步，本专利技术所述的有机物母材是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚氨酯树脂以及改性聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂以及改性丙烯酸酯树脂、环氧树脂以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法，其特征在于包括以下步骤：铜纳米颗粒的制备：利用有机表面活性剂形成模板，制备粒径为50nm‑250nm的铜纳米颗粒，所制备的铜纳米颗粒表面修饰有一层厚度为2nm‑5nm的有机表面活性剂A形成的壳层；梯度连接层的制备：将步骤1）中表面修饰有壳层的铜纳米颗粒分散在溶剂A中形成均匀的分散剂，利用所述分散剂在待连接的金属母材或有机物母材表面制备第1层薄膜层，在第1层薄膜层的表面制备第2层薄膜层，依次叠加直至在第（n‑1）层薄膜层表面制备第n层薄膜层，其中n为大于等于2的自然数；在制备时，改变所述分散剂中铜纳米颗粒的固相分数，在金属母材表面制备薄膜层时：铜纳米颗粒的含量在第1层薄膜层至第n层薄膜层中逐层递减，形成铜纳米颗粒含量与分布逐层递减的梯度连接层；在有机物母材表面制备薄膜层时：铜纳米颗粒的含量在第1层薄膜层至第n层薄膜层中逐层递增，形成铜纳米颗粒含量与分布逐层递增的梯度连接层；金属‑有机连接的热处理改性：将步骤2）中已制备梯度连接层的金属母材与待连接的有机物母材接触形成金属‑有机物连接结构，或将步骤2）中已制备梯度连接层的有机物母材与待连接的金属母材接触形成金属‑有机连接结构，对所述的金属‑有机连接结构进行热处理，热处理方法为：利用管式炉在惰性气体保护下烧结，烧结温度150℃‑400℃，烧结时间为15min‑60min；或将连接结构利用激光进行局部加热，并在加热部位覆盖惰性气体进行保护。...

【技术特征摘要】
1.一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法，其特征在于包括以下步骤：铜纳米颗粒的制备：利用有机表面活性剂形成模板，制备粒径为50nm-250nm的铜纳米颗粒，所制备的铜纳米颗粒表面修饰有一层厚度为2nm-5nm的有机表面活性剂A形成的壳层；梯度连接层的制备：将步骤1）中表面修饰有壳层的铜纳米颗粒分散在溶剂A中形成均匀的分散剂，利用所述分散剂在待连接的金属母材或有机物母材表面制备第1层薄膜层，在第1层薄膜层的表面制备第2层薄膜层，依次叠加直至在第（n-1）层薄膜层表面制备第n层薄膜层，其中n为大于等于2的自然数；在制备时，改变所述分散剂中铜纳米颗粒的固相分数，在金属母材表面制备薄膜层时：铜纳米颗粒的含量在第1层薄膜层至第n层薄膜层中逐层递减，形成铜纳米颗粒含量与分布逐层递减的梯度连接层；在有机物母材表面制备薄膜层时：铜纳米颗粒的含量在第1层薄膜层至第n层薄膜层中逐层递增，形成铜纳米颗粒含量与分布逐层递增的梯度连接层；金属-有机连接的热处理改性：将步骤2）中已制备梯度连接层的金属母材与待连接的有机物母材接触形成金属-有机物连接结构，或将步骤2）中已制备梯度连接层的有机物母材与待连接的金属母材接触形成金属-有机连接结构，对所述的金属-有机连接结构进行热处理，热处理方法为：利用管式炉在惰性气体保护下烧结，烧结温度150℃-400℃，烧结时间为15min-60min；或将连接结构利用激光进行局部加热，并在加热部位覆盖惰性气体进行保护。2.根据权利要求1所述的一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法，其特征在于：步骤1）中使用的有机表面活性剂A选自SDS和PVP中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠连接的方法，其特征在于：在步骤2）中所述梯度连接层的制备方法是直写、旋涂、印刷、喷涂中的任一种。4.根据权利要求1所述的一种利用铜纳米材料使金属与有机物形成高强度可靠...

【专利技术属性】
技术研发人员：王喆，李宇杰，霍矅，李长光，李迪，刘荣刚，张鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37