专利名称：将陶瓷层施加到具有较低熔融温度的底层上的方法
技术领域：
本发明涉及一种将陶瓷层施加到具有较低熔融温度的底层、特别是合成树脂底层上的方法，由此而将陶瓷颗粒置于在这样的底层上，并且通过加热使在陶瓷颗粒与底层之间形成机械结合。
这样的方法可从UA-A-5492769中获悉。在所说资料的所述的方法中，将提供有陶瓷颗粒的合成树脂底层加热到高于GTT(玻璃转化温度)，玻璃转化温度指这样的温度范围，在该温度范围内材料的特性处于弹性态与粘态之间，所说的合成树脂底层被加热到仅在其表面发生熔融现象而使陶瓷颗粒被嵌入的温度，以致，当固化时，这些颗粒被机械结合到合成树脂底层。按照此种方式，合成树脂产物的表面可被改性而使产物的机械性质、特别是磨擦性质受到大大的影响，即，得到大大的改进。
然而，此种的已知方法不能以使陶瓷颗粒发生相互结合的那样方式(如果合成树脂底层必须被陶瓷颗粒完全或基本上完全覆盖的话，这种方式是很重要的)将陶瓷层施加到合成树脂。尽管在材料受到重机械负荷之处能够用高级合成树脂来取代金属，但是这些高级合成树脂也具有有限的抗机械性。就受到磨损或其他机械影响的组分或其与视感相关的光学性质(例如设备的外表)来说，重要的是这些高级合成树脂在这二方面均不能提供今人满意的解决办法。因此，本发明的目的是提供廉价的合成树脂或者，如果可能的话，具有较低的熔融温度的带涂层的其他材料，所说的涂层使这些物质与材料成为对所有种类的机械影响具有高的耐力，以致，例如，使表面抗擦刮性获得提高，刀在更长的时期内仍保持峰利。
为了能将陶瓷层施加到具有较低熔融温度的底层上，如公开的文章中所说的方法，其特征是使用激光装置以便在相当于底层的熔融时间或短于此时间的时期中，产生至少还能达到压实与烧结陶瓷颗粒的温度。现已发现，按照这种方式，在不使底层完全或过度熔化的情况下，压实与烧结陶瓷颗粒所需的温度可以通过用激光脉冲加热一段短时间来产生。因此，炉内烧结是不可能的。然而，脉冲激光装置能使所用的材料在精确规定的位置处被加热一段短时间并能达精确规定深度。根据陶瓷材料的组成与陶瓷颗粒的粒径的不同，烧结所需的温度约为800∽1400℃。在这样的方法中，粒径可为1∽1000nm；因此，颗粒可被称为毫微粒。由于颗粒较小之故，烧结温度就较低和烧结时间就较短，并能达到最佳的烧结结果。如果在上述的方式中还对陶瓷颗粒进一步加热且随后迅速冷却的话，会发生颗粒的部分压实或烧结。此外，作为流动现象的结果还会发生颗粒的结合；这是颗粒表面的非晶态。在烧结的情况中，保持了陶瓷层的结晶结构。在颗粒发生晶体聚集的同时在颗粒之间仍留有空腔；发生由扩散引起的物质迁移，由此使较小的颗粒聚结为较大的颗粒。此现象还被称为“颈缩”形成现象。
通过激光装置形成陶瓷层方法的本身可从US-A-5143533中获悉。在所说的资料中，颗粒是作为溶胶-凝胶胶体而被提供在底层上的，所说的溶胶-凝胶是耐高温的，以致不再会发生由于使用具有较低熔融温度的底层(例如合成树脂底层)所固有的问题。此外，根据该专利资料，陶瓷颗粒是以如此方式被加热的以致形成非晶态的玻璃状层。在该专利所说的方法中。还使用激光装置来实现几秒钟时间的加热，如果底层具有较低熔融湿度例如120∽200℃的话，这样的加热时间已是太长了。从底层的熔融时间考虑，该加热时间应为几毫微秒到几微秒。
根据本发明，在不完全或过度熔化底层的前提下烧结陶瓷颗粒是可能的，特别是在如果将由激光装置所产生的能量聚焦到被置于底层上的陶瓷颗粒上并将所说的激光装置的波长调整到陶瓷颗粒的能量-吸收功率的情况时。
如果，作为选择陶瓷材料的结果，能量-吸收功率不充分的话，可以向其添加具有较强的能量-吸收性质的另外的陶瓷颗粒。当然，也有可能添加具有这样强的能量-吸收性质的其他物质；这些物质在该方法的过程中也可以是挥发的或是可燃烧的。一般说，另外添加的陶瓷颗粒要大于被烧结的颗粒；较大的颗粒被烧结的较小颗粒包围。所说的较大的颗粒可能显示出结构变化；发生所谓的粘性烧结。就上述方法来说，陶瓷层的强能量吸收引起该层被加热从而在该层中发生烧结。作为传导的结果，热贯穿到到陶瓷层并加热底层，由此使其在表面熔化。烧结的陶瓷层仍保持某些孔隙，以致形成极大的毛细管压力，而所说的毛细管压力使底层的熔融物质贯穿到这些孔中。这就形成与底层机械相连的、或多或少的、封闭的陶瓷面层。无需进一步的化学粘合。
根据形成带烧结陶瓷层的、具有较低熔融温度的底层的方法之另一种实施方式，由激光装置所产生的能量被聚焦在底层的表面层上，并且将激光装置的波长调整到底层的吸收功率，陶瓷颗粒被引入到底层的熔化表面中，并且，在底层物质固化与形成另外的陶瓷颗粒层后，进行烧结。当然此另外的陶瓷颗粒层可具有一层或多层的烧结陶瓷颗粒。
就底层而言，优选使用合成树脂(热塑性树脂或热固性树脂)；最合适的合成树脂是最便宜且还是较软的塑料，例如PP或PE。这样料的熔融温度一般为120∽200℃。
底层上提供有陶瓷颗粒，优选为所谓的毫微粒，即具有粒径为1∽1000nm的颗粒。这些陶瓷颗粒可以以溶胶-凝胶溶液、胶态溶胶或粉末形式被提供。就陶瓷材料而言，可以使用例如，SiO2、Al2O3、AlN、MgO、SiC、TiN、ZrO2的毫微粒。此材料可被用来制备胶态溶胶或溶胶-凝胶溶液。胶态溶胶或溶胶-凝胶溶液能通过旋转涂布、浸涂或印刷而被施加到底层。如果需要的话，能通过润湿剂和/或表面活性物质来改善溶胶与底层之间的粘合。特别是，例如，能够使用与例如以商品名Versicol E11销售的润湿剂相混合的以商品名Ludox AS40销售的、具有粒径范围在20∽50nm的SiO2溶胶，并且，如果需要的话，可以使用以商品名RA30、Silwet L77、Serful EA188或Orotan 731销售的表面活性剂。就这方面来说，应该指出，具有甚低表面张力的底层例如PP或PE可以要求进行预处理，例如电晕或火焰活化，能理想地润温底层表面。接着，通过蒸发进行浓缩而在底层表面上形成(更多孔的)气凝胶或(更致密的)干凝胶，这取决于特别是溶剂的挥发率。
就烧结而言，可以使用例如具有波长λ＝10.6μm的CO2-激光，该激光特别适用于在PP底层上烧结SiO2毫微粒。这导致大大地增加表面的耐擦刮与磨耗性。由此得到的产物能适于用作装置、塑料轴承等的外壳。此激光还能被用于在高级合成树脂(例如玻璃充填的聚芳酰胺，它特别被用作剃刀的组件)上烧结SiO2毫微粒与Fe2O3毫微粒的混合物；然后可将烧结材料用作，例如，剃刀片。在所有的情况中，激光的功率强度与脉冲时间的设定必须与所用的材料相适应。根据具体的应用与所选择粒径之不同，陶瓷层的厚度为100nm到几微米。代替上述的CO2-激光，还能够使用例如具有波长λ＝192μm的UV Ar/F(氩-氟)激光。
为了烧结某些表面，而使激光装置扫描该表面。例如，可以以不同的速度(例如几十到百米/秒)并以0.2∽0.5mm的间距往复运动动激光装置进行扫描。所说的扫描可以通过马达驱动的镜子控制激光束来进行。适用于实践的激光装置是被设计用于工业应用的RS 80型RofinSinar CO2-激光器，该激光器可以加装有带Scanlab RTC1000间距卡的扫描头SK1010，以便在二个相互垂直方向上控制激光束。还可以使用加装有旋转多面镜的激光器。
除了在具有较低熔融温度的底层上形成陶瓷层的方法外，本发明还涉及具有较低熔融温度的底层，特别是根据此方法施加有陶瓷层的合成树脂底层，并涉及有通过此方法制造的陶瓷层的合成树脂产物。
权利要求
1.一种将陶瓷层施加到具有较低熔融温度的底层、特别是合成树脂的底层的方法，由此将陶瓷颗粒置于这样的底层上，并且通过加热使在陶瓷颗粒与底层之间形成机械结合，其特征在于使用激光装置而在一段等于或短于底层熔融的时期内产生至少高到使陶瓷颗粒达到压实或烧结的温度。
2.权利要求1的方法，其特征在于温度高到使陶瓷颗粒发生部分压实或烧结。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于由激光装置产生的能量被聚焦在装在底层上的陶瓷颗粒上，且所说的激光装置之波长被调整到陶瓷颗粒的能量吸收功率。
4.权利要求1∽3的任一项权利要求的方法，其特征在于陶瓷材料包括添加具有较强能量吸收性的颗粒。
5.权利要求1或2的方法，其特征在于由激光装置产生的能量被聚焦在底层的表面层上，激光装置之波长被调整到底层的吸收功率，陶瓷颗粒被引入底层的熔融的表面层中，在底层固化并形成另一层的陶瓷颗粒后，进行烧结。
6.一种具有较低熔融温度的底层、特别是合成树脂的底层，其上带有一层根据前述的任一项权利要求的方法所施加的陶瓷层。
7.一种通过权利要求1∽5的任一项权利要求方法制造的有陶瓷层的合成树脂产物。
全文摘要
在一种将陶瓷层施加到具有较低熔融温度的底层、特别是合成树脂底层的方法中,陶瓷材料颗粒被提供到这样的底层上和通过加热使陶瓷颗粒与底层之间形成机械结合。通过激光装置而在一段等于或短于底层熔融的时期内产生至少高到使陶瓷颗粒达到互相压实或烧结的温度。
文档编号B32B18/00GK1256662SQ99800211
公开日2000年6月14日 申请日期1999年2月22日 优先权日1998年3月5日
发明者S·瓦德曼 申请人:皇家菲利浦电子有限公司