用于加强和/或加衬材料的方法
【专利摘要】根据本发明的一个方面，提供了一种制备不均匀复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：?提供第一成分(1)和第二成分(2)，○其中所述第一成分是多孔的或当处于流体静压力下时能够形成孔，○以及第二成分包括具有热塑性性质的固体，?相对于第一成分放置第二成分，并将能量耦合到第二成分中以引起第二成分的至少部分液化并渗透到第一成分的孔中或其他结构中，借以第一成分被第二成分互穿以产生复合材料，?引起至少第二成分的不可逆转变以产生改性的复合材料。
【专利说明】用于加强和/或加衬材料的方法发明领域
[0001]本发明属于连接和固定技术领域，特别是用于各种不同工业的能量生成和转化、化学工程和建筑材料领域。
[0002]发明背景
[0003]通常难以将多孔材料物体，尤其是脆性多孔材料的物体连接到其他元件，例如用于固定、制备导电和/或导热连接或用于其他目的。
[0004]发明概述
[0005]本发明的一个目的是提供迄今尚未实现的用于将具有连接性质的物件连接到一起的方法。
[0006]根据本发明的一个方面，提供了制备不均匀复合材料的方法，所述方法包括以下步骤:
[0007]-提供第一成分和第二成分，
[0008]?其中所述第一成分是多孔的(或当在流体静压力下时能够形成孔)，
[0009]?以及所述第二成分包括具有热塑性性质的固体，
[0010]-相对于所述第一成分放置所述第二成分，并将能量耦合到所述第二成分中以引起所述第二成分的至少部分液化并渗透到所述第一成分的孔中或其他结构中，借以使所述第一成分被所述第二成分互穿以生成复合材料；
[0011]-引起至少所述第二成分不可逆转变成改性的复合材料。
[0012]性质“在流体静压力下能够形成孔”是指当第一成分经受流体静压力(由流体施加的压力)时，引起该压力的可流动材料可以在一些位置处渗透，而其在其他位置处不渗透或在较小程度上渗透。因此，该性质暗示在机械阻力方面的不均匀性。具有该性质的材料的实例是软材料和硬材料的复合材料或其中成分之间的界面粘附小于通过渗透可流动材料施加的力的不均匀材料。
[0013]在本文中，“孔”一方面是指作为材料的性质的结构，如在多孔材料如泡沫等上的孔，或所提到的种类的不均匀性，例如软和硬材料的复合材料等。另一方面，“孔”还指有目的地制备的结构，如通过在元件中加工空腔来制造的结构，或指设计相关的真正空间。
[0014]因此，一般地，对于第一成分，需要在结构方面(多孔的，这包括制造的结构和几何设计)或在材料组成方面的不均匀性。
[0015]具有热塑性性质的材料是包括聚合物相(尤其是基于C、P、S或Si链)的材料，所述材料在临界温度范围以上，例如通过熔融，从固体转化为液体，并在临界温度范围以下，例如通过结晶，再转化为固体材料，借以使固相的粘度比液相的粘度高数个数量级(至少三个数量级)。具有热塑性性质的材料不限于狭义的大分子，而是例如包括蜡。具有热塑性性质的材料可以但不必显示粘弹性性质。
[0016]热塑性材料一般地将包含聚合物组分，所述聚合物组分不共价交联或不以交联键在加热到临界温度以上时可逆地打开的方式交联。
[0017]不可逆转变是其中相应材料(尤其是第二成分的基体材料)的化学性质在分子水平上被根本改变的转变。换言之，不可逆转变可以包括化学转变。
[0018]在多个实施方案中，至少第二成分的不可逆转变是由在复合材料上的能量输入引起的。这可以例如包括热处理。例如，不可逆转变可以通过在互穿后加热复合材料引起，例如加热到350°以上、500°C以上或甚至600°C以上的温度。
[0019]此外或作为供选择的方案，在复合材料上的能量输入可以包括辐射。
[0020]如果第二成分或其聚合物组分(如属于第二成分的聚合物基体材料)是基于碳链的，那么在第一组中(氧化气氛)，不可逆转变可以包括该组分至少在一定程度上的分解(热解和/或氧化；“燃烧”)。在第二组中(缺乏/缺少氧;还原气氛)，不可逆转变可以包括该组分的碳化或石墨化。另外或作为供选择的方案，在两个组中，不可逆转变可以包括碳原子或含碳分子转变为第二成分的另一组分或尤其是第一成分的材料的原子溶液。此后，根据成分的材料，任选地可以进行进一步处理，如烧制步骤，其中粉末相通过烧结过程转化为固相。
[0021]如果第二成分或其聚合物组分(如属于第二成分的聚合物基体材料)为聚合物硅酸盐，则转变可以包括转变为矿物质、聚合二氧化硅。
[0022]聚合物组分可以另外地或供选择地还包括聚磷酸盐、聚硫化物或其他无机聚合物。
[0023]在一组实施方案中，不可逆转变引起第二成分的互穿的材料丧失其热塑性性质。
[0024]另外或作为能量输入的供选择的方案，不可逆转变可以由环境条件的其他刻意的改变引起，例如暴露于物质等。
[0025]另外或作为又一个供选择的方案，引起不可逆转变的能量可以通过在成分本身内或成分本身之间发生的化学反应来释放。
[0026]另外或作为甚至另外的供选择的方案，不可逆转变为成分之间的化学反应，所述化学反应通过由互穿步骤引起的成分之间的紧密接触来实现。
[0027]根据第一种可能性，第二成分不可逆转变成改性的复合材料是在第一成分被第二成分互穿后以及在第二成分再固化后引起的。
[0028]根据第二种可能性，例如，如果不可逆转变是成分之间的反应，或如果第一和第二成分中至少一种是非常反应性的并且是由在互穿步骤期间产生的条件引起燃烧的，则互穿和转变至少是部分同时的。这随后导致引起不可逆转变的所提到种类的能量释放。
[0029]根据一个任选的方案，引起第二成分的不可逆转变的相同的方法还引起第一成分的不可逆转变。
[0030]具有两种成分的不可逆转变的这样的配置的第一个实例是，如果第一成分为生坯，则不可逆转变包括烧制生坯。
[0031]这样的配置的第二个实例是如下配置，其中第一成分和第二成分经受化学反应，结果是其彼此化学结合。作为一个实例，第一成分可以包括具有纤维素纤维的纤维素结构，且第二成分可以包括聚丙烯腈，并且产物(改性的复合材料)在热处理后随后为碳纤维复合材料(CFC)。
[0032]本发明根据其方面允许通过材料和/或以迄今尚不可能的方式互穿第一成分的主体。
[0033]在一组实例中，具有热塑性性质的第二成分包括除了基于热塑性聚合物材料的基体以外的不同材料的填料，所述材料例如金属。不可逆转变则可以主要是热塑性基体的转变，例如，由低传导(导电/导热)状态转变为高传导状态。
[0034]对于第一成分被热塑性第二成分的互穿，根据现有技术，已经使用的主要是注射成型技术。然而，在标准的注射成型方法中，注射的熔体处于比模具和第一成分更高的温度下，并且注射的熔体从模具/第一成分的界面向内固化。因此，熔体在与模具或必须互穿的第一成分的表面接触时将具有凝固的倾向。更一般地，在模具/第一成分的表面的界面处的流动性将比在熔体内部的更低。这使得非常小和/或具有高纵横比的结构的互穿变得困难。为了处理该问题，必须使用非常热的模具并在非常高的熔融压力下进行注射成型过程。这首先是不经济的，其次不是对所有模具都可行的，尤其是如果模具不是标准模具材料而是由具体目的规定的材料和尺寸的不同工件。此外，第一成分为此必须插入模具以使该方法成为可能，而在本发明的许多实施方案中这是不必要的，因为第一成分本身取代了填充的模腔的部分。
[0035]其他现有技术的方法包括化学气相沉积(CVD;CVD限于表面并且不适合填充具有高纵横比的结构)和通过粉末料浆渗透(具有非常有限的应用)。两种程序受到其过程的复杂性的限制，例如，CVD需要在真空条件下长的持久的高沉积过程，料浆渗透苦于非常易收缩或一旦通过干燥由液体转化为固体发生体积损失。
[0036]相比之下，根据本发明的多个方面，本发明提出了，作为固体，提供并相对于第一成分放置第二成分。压力和温度二者升高可以随后在与第一成分的界面处非常局部地发生，使得通过第二成分互穿该结构容易得多。一般地，如果初始为固体的第二成分的液化发生在与第一成分的界面处或其邻近处，则流动性在邻近该界面处将特别高。
[0037]本发明可以例如用于以下应用或其组合:
[0038]-多孔材料的机械加强和/或这样的多孔材料与固定在其中的连接元件之间的加强的机械连接。
[0039]-使(不导电的)多孔材料的接触成为可能，以向材料传导电荷和传导来自材料的电荷，例如在催化剂、燃料电池等中；这包括通过彼此电绝缘的电接触而选择性接触，如上文所述；
[0040]-使多孔材料的接触成为可能，以向材料传导热和传导来自材料的热，例如，如果多孔材料是太阳能收集器、热交换器、冷却元件等中的中心元件。
[0041]-在第一和第二成分之间产生具有界面性质的(与现有技术相比)深区域。
[0042]尤其是如果在其中成分至少局部地处于升高的温度(例如烧结温度)下的过程中弓丨起不可逆转变，则将不仅有深(例如1-1Omm深)的互穿区域，而且在该区域内，在该过程期间，将有提高的第一和/或第二成分的原子或分子扩散性，导致在原子/分子水平上相应地提高的交换。因此，界面效应，如在成分之间的边界处的金属间相或在界面附近的元素沉淀和/或聚集将在整个互穿区域发生而不是像现有技术那样仅在几个原子层的薄界面层中发生。在多个实施方案中，其中孔间距离在(引起不可逆转变的处理的)热处理温度下与扩散过程的范围相当，则互穿区域可以作为具有基本上均质性质的相互扩散区域产生，该区域的深度与互穿深度大致相当。因此，由界面性质或沉淀引起的效应，如硬化、延展性提高等将比仅依赖表面效应的现有技术中的深度有效得多。
[0043]将该方法所应用的令人感兴趣的第一类(多孔的第一成分)材料，即基于粉末的泡沫，例如陶瓷泡沫，烧结。
[0044]其中，在第一子类中，互穿可以任选地已经发生在生坯中(在烧结前)。
[0045]-在该情况下，第二成分自身可以是陶瓷材料的，即在烧结/烧制前是热塑性的。这样的材料例如以嵌入热塑性聚合物基体的陶瓷填料的情形存在，例如，已知用于通过CIM(陶瓷粉末注射成型)制造的部件。
[0046]-供选择地，第二成分可以是烧结/烧制后显示金属性质的材料。例如，第二成分可以包括热塑性聚合物的基体中的金属填料。由此，实现了陶瓷成分和金属成分之间的紧密连接。
[0047]?应用可以包括设计用于承受机械负载的连接，如轴承。
[0048]?进一步的应用可以包括具有特定的热性质的连接，例如，热绝缘(第二成分本身变成陶瓷)或导热(例如如果第二成分为金属)。
[0049]?甚至进一步的应用可以包括电连接，例如用于向陶瓷体的表面传导电荷/传导来自陶瓷体表面的电荷。
[0050]陶瓷泡沫或生坯可以是固体并具有某种机械稳定性。然而，稳定性不足以通过常规方法(压入配合，旋入等)将衬套锚固于其中。此外，注射成型在陶瓷泡沫或生坯的存在下是行不通的。相比之下，根据本发明多个方面的方法提供了将衬套锚固在陶瓷泡沫或锚固在相应的生坯中的可能性。(在其近端具有或不具有轴环的)衬套的不同用途或其连接到另外部件是可能的。针对衬套而存在的所有可能性是可用的。
[0051]该第一子类的另外的优点包括由于生坯中剩余的淌度引起的在界面处的增强的材料交换，导致延长的和更加紧密的连接。根据本发明的方法，在作为第一成分的生坯中导致在烧制或热处理过程后的界面扩散交换。
[0052]此外，不可逆转变可以引起第二成分的收缩。如果第一成分为生坯，则烧结/烧制还可以引起第一成分的收缩。为此，收缩效应可以通过材料参数和几何结构的适当选择来弥补。此外，这允许有意地在产生的改性复合材料中引入期望的应力分布。第二成分的收缩可以通过控制第二成分中的填料的性质和填充水平来控制;类似地，第一成分的收缩可以通过密度(例如，如果第一成分在不可逆转变过程中被烧结)、填充水平或其他性质来控制。例如，可能的是有意弓I起使复合材料稳定的压缩应力。
[0053]例如，如果第二成分将是陶瓷(嵌入聚合物基体中的粉末)，则第二成分的粉末密度可以针对第二成分调节，以显示相对于自身可以通过生坯粉末密度和组成来调节的生坯的收缩行为的某种期望的收缩行为。如一般的经验法则所述，具有更高的粉末密度的成分将包括不太明显的收缩。
[0054]在第二子类中，第一成分包括烧制的陶瓷。在该第二子类中，第一成分在互穿后将不经历实质性转变。此外，在该第二子类中，第二成分可以经选择以包括陶瓷、金属或其他性质，并且应用包括与第一子类相同的应用群组。因此，第二成分的材料可以再次是在烧结/烧制之前是热塑性的陶瓷材料，在该情况下将会有二次烧制。还存在其他选择，例如，具有金属填料的热塑性材料，其中所述热塑性基体材料在互穿后被碳化。
[0055]第一成分材料的第二类为石墨，例如石墨泡沫或碳/碳复合材料。针对第一类(第二子类)的关于可能的第二成分材料及其应用的以上考虑也适用于石墨。特别地，根据本发明的方法允许热接触、电接触或机械地接触多孔石墨。在已经由根据本发明的多个方面的方法实施后，第二成分(或至少其热塑性基体)的材料可以被碳化以及，如果需要的话，被石墨化。其特别令人感兴趣的应用是用于太阳能收集器的中心体。
[0056]在已知的太阳能工厂中，有包括将入射阳光引导到中心体上的反光镜或其他导光器的工厂，热从所述中心体传导走并用于例如在热电站发电。其中，中心体可以经受巨大和迅速的温度变化，例如在太阳突然被云遮住的情况下。因此，中心体的材料应该能够:
[0057]-非常好地吸收热；
[0058]-非常好地导热；
[0059]-具有耐高温性和抗热震性；
[0060]-具有小的热膨胀;和
[0061]-可通过非常好地将热导走的方式固定。
[0062]石墨，尤其是石墨泡沫，满足除最后一项以外的所有这些条件。
[0063]本发明现在提供也满足最后一项的方法，该方法是通过提供一种将元件(即第二成分热塑性材料或被导致从固态到液态的其他元件，其中后者互穿石墨泡沫的孔并随后再固化从而使其锚固在石墨泡沫中)固定在石墨中的方法。此外，可以随后将固定元件改性，例如通过被碳化和石墨化，以自身变成石墨样(这可以根据已知的碳化/石墨化方法)。
[0064]因此，本发明据进一步的方面涉及太阳能或其他辐射能收集装置，所述装置包括中心体和至少一个阳光转向器，所述阳光转向器配置成将入射阳光引导到中心体上，其中中心体包括多孔石墨并进一步包括锚固于其中的元件，该元件(这可能包括至少一个换热管或具有偶联到中心体的热界面的其他元件)已经通过包括以下步骤的方法固定到多孔石墨:在中心体中提供开口，提供固体的、至少部分热塑性的元件，使用能量冲击该至少部分热塑性的元件以引起其至少部分液化，使热塑性元件的液化部分渗透到开口附近的中心体的孔中，以引起这些部分再固化，并且引起热塑性元件的至少液化的、再固化的部分不可逆转变。特别地，该不可逆转变可以是碳化。
[0065]可能的是向中心体提供尚未碳化的第二成分并确保仅在通过太阳辐射辐射时碳化。
[0066]尤其令人感兴趣的、作为第一成分的材料和第二成分的材料两者的特殊材料为碳化硅。特别地，由于其耐高热性，SiC是用于应用于热太阳能电力工业的令人感兴趣的材料。
[0067]第一成分材料的第三类为金属，即金属泡沫。、
[0068]第二成分材料则可以例如包括金属填料。在不可逆转变后，由根据本发明的过程产生的连接随后例如为金属-金属转变。第一和第二成分之间的互穿区域可以调整以包括令人感兴趣的性质:
[0069]-在一组实施方案中，可以微调互穿区域(通过选择材料组成和处理温度，例如当引起不可逆转变时)以处于共熔组成下或显示金属间相的性质。
[0070]-第二成分的聚合物基体将导致大量可用的元素碳，以及根据所选择的聚合物，导致大量的元素氮。还可以使用含有磷或其他形成方法诱导的沉淀的反应性元素的基体材料。这可以用于有意地引发热诱导扩散，该热诱导扩散导致互穿区域中及附近的第一成分硬化。与现有技术的表面硬化技术相比，这不限于数纳米的区域，而是延伸通过互穿区域的整个深度。
[0071]-类似地，例如对于半导的第一成分或第二成分的填料，可以实现深度有效的掺杂，例如通过由所选择的掺杂剂材料(如N、P、C等)提供热塑性聚合物基体。由此，大表面P-N-转变变得可实现。
[0072]-类似地，可以实现由不同的材料配对引起的固态效应，如电化学电势的局部变化(传感器，电荷产生或电荷分离-电容器，具有大面积活性界面等)。
[0073]第一成分材料的第四类是不均匀材料。在一个实例中，第一成分材料可以是二维或三维结构，例如纤维的织物结构，尤其是陶瓷纤维、碳纤维和/或金属纤维的织物结构。这样的织物结构可以构成之后设有基体的预制产品，如通过树脂浸渗的聚合物基体，或通过熔体浸渗的金属基体。这样的预成型件可以根据本发明的方法设置(第二成分的)另外的元件，例如衬套，和电接触、热接触等。仅在互穿之后以及可能地还仅在不可逆转变之后，然后是设有基体的第一成分。
[0074]参照不同种类的第一成分材料，作为应用，第二成分可以包括和/或设有和/或连接到固定和/或连接装置，例如，金属衬套/管或SiC或石墨衬套，其在多孔材料与光滑且同时是固体的没有用于机械固定、热转变和/或电转变的孔的材料之间提供连接。
[0075]根据本发明的多个方面的方法的甚至进一步的应用是提供针对多孔材料的内部瞬间封住的进料通孔。
[0076]一般地，转向第二成分材料，已知来自粉末注射成型(ΡΠΟ的材料构成令人感兴趣的一类材料，该材料也是可使用的、用于根据本发明的方法和装置的实施方案第二成分的材料。
[0077]已知来自P頂的第一子类的材料是已知的用于陶瓷注射成型(QM)的材料，所述陶瓷注射成型(cno包括微陶瓷注射成型。
[0078]对此，基体材料(在CIM中称为“粘合剂”)可以包括不同种类的热塑性材料，包括蜡，例如聚烯烃蜡、聚甲醛(POM)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺和聚乙烯醇。陶瓷粉末可以是任何期望的陶瓷的粉末，例如通常的Zr02、Al203、Ti02及其彼此和/或与其他氧化物(氧化钇、氧化铪等)的混合物，以及已知用于各种应用的另外的陶瓷。平均粒径可以为0.Ιμπι至5μπι，尤其是约0.5μηι-2μηι。关于用于CIM的材料(原料)的教导可见于W.Bauer等人:“AdvancedMicro and Nanosystems，第3卷(Microengineering of Metals and Ceramics)，第12章，第325-356页，特别是第328-333和345-347页。
[0079]已知来自P頂的第二子类的材料是如下文进一步讨论的已知用于金属注射成型的材料。
[0080]用于热塑性基体材料部分的特别适合的材料为聚丙烯腈。进一步的适合的材料包括聚_(芳族烃)聚合物，包括多环芳族烃的聚合物。实例为基于纤维素/糖的热塑性聚合物。关于聚合物碳化的标准的教导可见于Y.N.Sanazov和A.V.Gribano V ,Russian Journal ofApplied Chemistry，2009，第82卷，第473-482页以及其中提到的参考文献。
[0081]在所有方面中，根据第一种可能性，能量以机械振动(或同义地，振荡)的形式提供。机械振动能量可以尤其从具有输出親合面(outcoupling face)的超声波发生器親合到第二成分，该输出親合面(outcoupling face)与第二成分的输入親合面(incouplingface)接触。第二成分的材料可以将振动能传输到与第一成分的界面，在所述界面处由于摩擦而有显著的能量吸收。由此，第二成分的温度在与第一成分的界面处尤其高，并且液化从该界面开始。
[0082]根据另一种可能性，能量以辐射能的形式提供，例如激光辐射。用于引起用于期望的液化必需的局部加热的方法包括将电磁辐射耦合到待锚固的装置部件之一，并设计装置部件以能够吸收电磁辐射。特别地，第二成分可以基本上对辐射是可穿透的，而例如第一成分不是。随后，辐射将主要在与第二成分的界面处被第一成分吸收，通过该效应使第一和第二成分在互穿将发生处被非常局部地加热。其中该吸收优选地发生在待液化的固定材料内或其紧密邻近处。优选地，使用在可见或红外频率范围内的电磁辐射，其中优选的辐射源是相应的激光。
[0083]不排除其他能量来源，例如机械转动或电阻加热等。
[0084]适用于包括通过机械振动产生的摩擦热使聚合物液化的根据本发明实施方案的装置和方法的机械振动或振荡具有优选地2至200kHz(甚至更优选地10至10kHz，或20至40kHz)的频率和0.2至20W每平方毫米活性表面的振动能。振动元件(工具，例如超声波发生器)例如如此设计以使其接触面主要在元件轴的方向上振动(纵向振动)，并且振幅为I至ΙΟΟμπι，优选地为约10至30μηι。转动或径向振动也是可能的。
[0085]对于装置的具体实施方案，还可能使用转动运动代替机械振动用于产生固定材料的液化所需的所谓的摩擦热。这样的转动运动优选地具有ΙΟ’ΟΟΟ至lOO’OOOrpm的速度。
[0086]在本文中描述的可液化的热塑性材料可以尤其是例如通过包括至少一种热塑性组分由机械振动可液化的；当被加热时，特别是当通过摩擦加热时，即，当安置在互相接触的一对表面(接触面)处并相对于彼此振动地或旋转地移动时，所述材料变成液体或可流动的，其中所述振动的频率为2kHz和200kHz，优选地为20至40kHz，且振幅为Ιμπι至ΙΟΟμπι，优选地为约10至30μηι。这样的振动例如由已知来自超声焊接(ultrasonic welding)的超声装置产生。对于其中机械振动能量必须在第二成分内传输相当大的距离的应用，第二成分材料可以具有大于0.5GPa，优选地大于IGPa的弹性系数。(在本文中提到的材料性质值一般地是指室温(23 °C)，除非提及温度或在本文中另有定义)。
[0087]然而，对于一些应用，热塑性材料还可以基本上更软。特别地，如果液化直接发生在工具和第二成分之间的界面处，则机械能不必通过第二成分本身传输。因此，在过程期间及之后(因此还一般地在其使用的温度，例如室温下)，其可以比较软，甚至到蜡状点。换言之，至少0.5GPa的弹性系数的优点不适用于这些系统或至少在这些系统中是不明显的。
[0088]对于其中直接在与振动工具的界面处液化是一个选择的应用，可以使用用于第二成分热塑性材料的甚至弹性体材料。
[0089]基体材料的具体实施方案是:聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺、聚酰胺12、聚酰胺11、聚酰胺6、聚酰胺66、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛或聚碳酸酯聚氨酯。令人感兴趣的可碳化成石墨的材料是聚丙烯腈。
[0090]进一步的实施方案，尤其是包括陶瓷填料的实施方案是已知适用于(微)-陶瓷注射成型(cno的上述材料。
[0091]甚至进一步的实施方案是例如以上所述的已知适用于碳化/石墨化的热塑性材料。
[0092]又一类材料是已知适用于微注射成型(ΜΠ0的材料。关于用于M頂的材料的教导可见于R.Ruprecht等:“Advanced Micro and Nanosystems，第3卷(Microengineering ofMetals and Ceramics)，第 10章，第253-287页，尤其是第271-272页。
[0093]甚至另一类的是具有金属填料且已知适用于(微)-金属注射成型(ΜΠ0的材料。这些包括热塑性基体，例如聚甲醛(POM)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚(乙烯醇)(PVA)的热塑性基体或这些组分的改性形式。填料可以是金属如不锈钢、铁、合金(预制合金或在与合金粉末的外部混合物)或其他适合的材料的粉末。粒径通常在0.5μπι至例如20μπι，尤其是Iym- ΙΟμπι的范围内。关于用于MIM的材料(原料)的教导可见于V.P1tter等人:“Advanced Micro and Nanosystems，第3卷(Microengineering of Metals andCeramics)，第11 章，第289-324页，尤其是第293-301 页。
[0094]尤其适合用作被(例如陶瓷或金属)填料填充的基体材料的材料为聚烯烃。
[0095]在热塑性基体材料的情况下，可以使用根据本发明的多个方面的方法，即使填料材料占具有热塑性性质的第二成分的材料的多达80%或85% (体积％)，这使得该方法也适用于不可能用于注射成型的材料。尽管高填充等级，由于良好的流动条件，例如短的流动距离、低的流动纵横比、低流动速度以及由于缺少流动障碍、缺少高纵横比通道或在挤出机中像注射成型一样缺少流动性要求，材料仍然能够很好地流动。在注射成型中，进一步的障碍例如由浇口等构成。
[0096]如果可液化的材料不在振动能的帮助下而在电磁辐射的帮助下液化，其可以局部包含能够吸收具体频率范围的辐射(特别是可见或红外频率范围的辐射)的化合物(微粒或分子)，例如，磷酸钙、碳酸钙、磷酸钠、氧化钛、云母、饱和脂肪酸、多糖、葡萄糖或其混合物。
[0097]工具(例如超声波发生器)的材料和/或辅助元件的材料可以是在可液化材料的熔融温度下不熔融的任何材料。特别地，工具和/或辅助元件可以是金属的，例如钛合金。优选的材料为5级钛。该材料除了一般地适用于可锚固的装置以外具有相当低的热传导。由于该差的热传导，在可液化材料中以及在与引导结构的界面处产生的熔融区域被快速加热，而周围没有被加热到过高的温度。用于工具和/或辅助元件的供选择的材料是其他金属，如其他钛合金不锈钢，低阻尼、耐温和耐磨的Fe、Ni或Co基合金，陶瓷样氧化锆或氧化铝，氮化硅或碳化硅，或硬塑料如PEEK等。为了最优化针对阻尼行为和粗糙的耐磨性，与磨料，即高度陶瓷或金属粉末填充的热塑性材料，直接相互作用的工具的部件可以由陶瓷制成。可能但不必与其组合，延长的超声波发生器轴可以由最低阻尼的金属合金或无定形金属(金属玻璃)制成。
[0098]附图简述
[0099]在下文中，参照附图描述了实施本发明和实施方案的方式。附图大多数是示意性的。在附图中，相同的附图标记是指相同或类似的元件。附图显示了:
[0100]-图1a-ι d:在制备不均匀复合材料的过程中的步骤；
[0101]-图2:第二成分；
[0102]-图3-7:用于引起第一成分被第二成分的材料互穿的供选择的配置；
[0103]-图8a_9b:表示在根据现有技术和根据本发明的方法的相邻成分之间的转变的方案；
[0104]-图10:太阳能工厂;和
[0105]_图11:流程图。
[0106]优选实施方案的描述
[0107]图1a描绘了具有孔的材料或可以在流体静压力下制成孔的材料的第一成分I。第二成分2在描绘的实例中提供为别针形热塑性元件。如图1b中所说明的，对于该过程，第二成分相对于第一成分放置。在描绘的配置中，第一成分包括孔，第二成分被引入所述孔内。
[0108]之后，通过适当的工具3，将能量耦合到第二成分。工具3可以例如是超声波发生器。通过能量冲击，热塑性材料在与第一成分接触的地方至少局部地熔融，以使在该工具产生的压力下一即在图1b中的双箭头所示的方向上压迫，热塑性材料互穿第一成分材料。图1c非常示意性地说明了在能量冲击停止之后和在热塑性材料再固化之后的设置。
[0109]引起第一成分被第二成分的材料互穿的步骤的工艺参数可以例如类似于WO98/42988中描述的方法或WO 00/79137中描述的方法进行选择。
[0110]第一成分被热塑性材料互穿产生包括第一成分材料和热塑性材料的不均匀混合物的混合区域11。混合区域11的深度取决于第一成分的性质和取决于在互穿过程期间施加的压力。通常，混合区域的深度d将具有Imm-1Omm的数量级一对于具有大孔的开放的多孔的第一成分材料，其还可以更大。
[0111]在热塑性材料的再固化后，如图1c所示的复合材料经受引起不可逆转变的处理。例如，所述过程可以包括加热至高温一如烧制过程。由此，可以例如通过烧焦/热解或完全燃烧使热塑性材料经历转变。这可以引起第二成分的收缩。同时，任选地还有第一成分可以经历不可逆转变。在一个实例中，第一成分最初为在所述过程中被烧制的生坯。在另一个实例中，第一成分可以包括可熔融材料的泡沫，如金属泡沫。此外，第一成分可以经历收缩过程。如果第一和第二成分的材料参数如此选择以使第二成分的收缩被第一成分的收缩过度补偿，则这可以在复合材料上引起压缩应力，从而机械地稳定复合材料。更一般地，材料和几何结构可以如此选择以使相同或不同的收缩可以引起期望的应力分布和最终尺寸。
[0112]在图1d中，得到的复合材料在不可逆转变后示出。假设的是，第一成分I已经历引起其收缩的转变-例如烧结。箭头表示复合材料上的压缩应力。
[0113]示出第二成分2在转变之后具有金属性质。这可以例如由具有嵌入聚合物基体的金属填料的第二成分产生，其中所述聚合物基体在不可逆转变过程中被燃烧/碳化。
[0114]因此，示出的实施方案得到例如陶瓷第一成分I与最终为金属的第二成分之间的连接，所述连接涉及第一成分被第二成分互穿，互穿区域11具有约Imm至约1mm的深度;到目前为止这是不太可能的。
[0115]如图2中示意性地示出，第二成分2由至少在不可逆转变之前具有热塑性性质的材料组成是不必要的。相反，第二成分可以是混合物。在图2中，示出了第二成分包括芯2，例如金属或陶瓷芯2或塑料(但不是热塑性塑料或具有高得多的熔融温度的热塑性塑料)芯21和涂层22以及具有热塑性性质的材料的涂层。为了适用于该过程，该第二成分需要与第一成分接触或当其液化时可以与第一成分接触的热塑性材料。
[0116]图3和4还显示互穿步骤的变型，均具有机械振动能。在两种变型中，与以上教导的实施方案相反，在该过程中第二成分未压在第一成分上，但压力施加到工具3 (超声波发生器)和相对的元件4之间的第二成分上。由此，该过程还适用于其中第一成分不适合于承受高机械负荷的情况。
[0117]描绘了图3中的工具3，其具有轴部分3.1和底座部分3.2。轴部分延伸通过第二成分，并且底座部分(其远端朝向输出耦合面)与第二成分2的远端接触，以使振动可以从其后端耦合到第二成分中。
[0118]在图3的变型中，第二成分2由于其结构一其包括多个可伸展的并且可以沿着与轴31成圆锥/相对于轴31倾斜的表面移动的元件一在工具3和相对的元件4之间的第二成分的压缩引起第二成分横向扩展并被压在第一成分中的开口 1.1的侧壁上。由此，当振动耦合到该布置时，在第一成分和第二成分之间的摩擦可以引起或至少辅助热塑性材料的液化。
[0119]相反地，在图4的变型中，第一成分I根本不需要被引导的压力负载。相反，液化将分别发生在端面2.1、2.2中的一个或两者与工具3和相对的元件4之间的界面/多个界面处。注意到在图4的配置中，工具3和相对的元件4的作用可以被逆转，S卩，在子变型中，延伸通过第二成分2并具有远端底座的元件可以充当相对的元件，而与第二成分的近端面接触的管形元件可以耦合至振动源并充当超声波发生器。
[0120]图5还显示与图4的配置相当的配置。工具包括轴部分3.1和具有输出耦合表面3.3的远端底座部分3.2，液化发生在第二成分的输出親合表面和输入親合表面2.1的第一界面处。第二成分2的近端面2.2在该过程中被压在与相对的元件4的远端面4.1的第二界面上。在该过程中，该第二界面可以保持固定或可以向远端或近端移动。
[0121]在液化界面(第一界面)处，第二成分的整个横截面被液化。例如，工具的外径(至少在液化界面的区域，因此在后方配置中底座部分3.2的外径)可以经选择以大致对应于初始开口 1.1的内径(例如等于或小至多10%或至多5%或至多3%)和/或(大致)等于或大于第二成分的外径(例如与其对应，或更大，或小至多7%，至多4%或至多2%)。特别地，液化可以如此实施以使在液化界面处未液化的第二成分的部分不保留在物体中或在区域工具3移除之后不与其连接。
[0122]因此，图5的配置是其中互穿导致第一成分被第二成分的材料加强和/或加衬的配置的实例。特别地，加强和/或加衬可以涉及第一成分的开口的壁。
[0123]用于通过热塑性材料对成分进行加强和/或加衬的多种方法由与本申请的相同
【申请人】在PCT/CH2013/000102中描述，将其全部内容引入本文作为参考。
[0124]在图3-5中描述的所有实例是适用于这样的配置的实例，在所述配置中最终引起流体静压力的力耦合到将能量作为张力(拉力)传输的工具3中。
[0125]图6还显示了变型，其中用于互穿的能量不是机械能而是辐射能。为此目的，将工具3作为光波导提供。辐射能可以例如在第二成分的近端面2.1，在第二成分2内或如果第二成分足够透明，在与相对的元件4的底座部分4.2的界面处被吸收。
[0126]在图7的变型中，第二成分2包括非热塑性材料(或在高得多的温度下可液化的热塑性材料)的鞘元件24，其中多个开口 25和热塑性元件23插入或可插入到鞘元件中。在该过程中，能量耦合到热塑性元件中直到热塑性元件的材料被液化并压到开口 25外。在图7中，还示出了挤压过程中产生的承受机械负载的任选的加强层51。
[0127]与图1a-1d的实施方案类似，对于图2-7的所有配置，不可逆转变将在被热塑性材料互穿和再固化之后发生或可能地与其同时发生。
[0128]图8a示出了根据现有技术的方法连接到第二成分2的第一成分I。假设第一和第二成分具有不同的密度和不同的物理性质。例如，第二成分可能已经与呈液态的第一成分的表面接触并随后冷却(铸型)。由于在共同界面的相对突然的转变，物理量Q将以阶梯状方式作为位置的函数改变，如图Sb中示出。该函数对位置的导数将因此包括在界面处非常高的峰。因此，量如温度变化诱导的应力(或例如如果量Q是热膨胀的系数)可以倾向于在界面处非常大，因此具有不利的影响。类似的考虑适用于其他灵敏的量。
[0129]替代地，如果选择根据本发明的方法，如图9a所示，将有相当大的互穿区域11。因此，量Q的平均值可以更连续地变化(图9b)，并且因此现象如在界面处的应力大幅降低。
[0130]图10显示了太阳能或能量收集装置。中心体101包括多孔石墨因此是优异的吸热器。多个固定和导热元件102被固定到中心体。元件各自包括导热芯(所述芯可以包括被动导热体或用于传导流体的装置)和互穿中心体101的碳化的初始热塑性材料。装置还包括多个将入射阳光105引导到中心体上的阳光转向器104(主动倾斜镜)。参考号103表示这样的设备，借助所述设备，将收集的热引导到例如包括与发电机一起用于发电的涡轮的利用阶段。
[0131]图11所示的流程图示出了具有通过本文所述的方法加衬和/或加强的开口的陶瓷泡沫的制备。例如，陶瓷泡沫可以是燃料电池的主体，电荷可以从燃料电池的主体传输或传输到燃料电池的主体上并且因此燃料电池的主体需要电接触，或用于任何其他应用的陶瓷泡沫，例如上文讨论的应用。
[0132]方法包括通过引起热塑性材料的互穿来加衬/加强初始开口，例如图6所示，而由陶瓷泡沫制成的第一成分在烧制/烧结生坯前仍然是生坯。例如，可以将生坯直接成型(模塑等)成具有初始开口，之后开口被加衬和/或加强。由于在本发明的实施方案中，除了渗透到孔中的液体的小压力以外，在液化过程中没有在物体上施加压力，因此生坯的小尺寸稳定性对此是足够的。
[0133]在互穿步骤以后，烧制和/或烧结生坯。由于该原因，必须选择第二成分的互穿材料以在该过程期间保持温度。在描绘的实施方案中，选择第二成分材料以使其自身为在硬化之前是热塑性的陶瓷材料。随后，在烧制/烧结过程中，第二成分材料也同时烧结成陶瓷材料。
[0134]在烧制/烧结过程后，加强/加衬可以用于将另外的元件(连接元件/电接触，导热体)连接到陶瓷体。
【主权项】
1.一种制备不均匀复合材料的方法，所述方法包括以下步骤: -提供第一成分和第二成分， ?其中所述第一成分是多孔的或当在流体静压力下时能够形成孔， ?以及所述第二成分包括具有热塑性性质的固体， -相对于所述第一成分放置所述第二成分，并将能量耦合到所述第二成分中以引起所述第二成分的至少部分液化并渗透到所述第一成分的孔中或其他结构中，借以使所述第一成分被所述第二成分的材料互穿以产生复合材料;和 -引起至少所述第二成分的不可逆转变以产生改性的复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不可逆转变由复合材料上的能量输入引起。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述能量输入包括复合材料的热处理。4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述不可逆转变包括在第二成分内或第一和第二成分之间发生的化学反应。5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述不可逆转变包括第一成分的材料扩散到第二成分中和/或反之亦然。6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中通过引起所述第二成分的不可逆转变的相同过程，也引起所述第一成分的不可逆转变。7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述第一成分包括生坯，并且其中所述方法包括在互穿步骤后烧制生坯。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述不可逆转变由烧制步骤引起。9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中将能量耦合到第二成分中包括将机械振动耦合到第二成分中。10.根据权利要求9所述的方法，其中在将能量耦合到第二成分的步骤期间，所述第二成分被夹持在振动工具和相对的元件之间，所述相对的元件与所述第一成分不同。11.根据权利要求10所述的方法，其中耦合到第二成分中的能量在第二成分和振动工具之间的界面处引起热塑性材料的液化，并且其中夹持力引起液化的热塑性材料从第二成分和振动工具之间移位到第一成分的结构中。12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括移除振动工具，其中在移除步骤后，未液化的第二成分没有任何部分保留在物体中或连接到物体。13.根据权利要求9-12任一项的方法，其中所述振动通过工具耦合到第二成分中，张力在耦合步骤期间作用在所述工具上。14.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述第二成分包括非热塑性材料的芯或在高于具有热塑性性质的固体的熔融温度的温度下可液化的材料的芯。15.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述具有热塑性性质的固体包括热塑性聚合物的基体和金属填料。16.根据权利要求1-14任一项的方法，其中所述具有热塑性性质的固体包括热塑性聚合物的基体和陶瓷填料。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述陶瓷填料是生坯。18.根据权利要求16所述的方法，其中所述陶瓷填料是烧制的。19.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述第一成分包括陶瓷。20.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述第一成分包括金属泡沫。21.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述第一成分包括石墨泡沫。22.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中实施引起所述第一成分被第二成分的材料互穿的步骤，直到产生具有至少Imm的深度的互穿区。
【文档编号】B29C65/00GK105939834SQ201380081556
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2013年12月13日
【发明人】J·迈尔
【申请人】伍德韦尔丁公司