專利名稱：增強耐原電池腐蝕性的預電鍍表面處理的制作方法
背景技術(shù)：
涂覆金屬的金屬(或金屬合金)石墨復合材料已經(jīng)被用于熱應用。令人遺憾的是用于涂覆這種金屬石墨復合材料的常規(guī)方法具有缺點。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當使用常規(guī)涂覆的金屬石墨復合材料時，石墨延伸進入并往往從金屬涂層中凸出，并且因此導致涂層失效。這種從金屬涂層中凸出的纖維形成傳遞水汽的通道，導致腐蝕。同樣，從涂層中凸出的纖維也為氣體透過復合物提供通道。
常規(guī)的金屬石墨復合材料的另一個問題是該復合材料中的表面石墨與涂層之間的熱膨脹系數(shù)的差異導致在脆性金屬涂層中形成裂紋。這種缺陷損害金屬石墨復合材料的性能。
基于上述原因，開發(fā)一種氣密的涂覆金屬的金屬石墨復合材料將是有利的。
基于上述原因，開發(fā)一種不受化學品影響的涂覆金屬的金屬石墨復合材料將是有利的。
基于上述原因，開發(fā)一種耐腐蝕的涂覆金屬的金屬石墨材料將是有利的。
基于上述原因，需要開發(fā)一種制備耐腐蝕的涂覆金屬的金屬石墨復合材料的方法。
基于上述原因，需要開發(fā)一種制備氣密的涂覆金屬的金屬石墨復合材料的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括(a)從金屬石墨復合材料的至少一個表面上除去石墨；(b)對金屬石墨復合材料的表面進行化學清洗或等離子體蝕刻；(c)對化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面施加含金屬的材料，并由此形成中間層；(d)在中間層上施加金屬涂層，并由此形成涂覆金屬的金屬石墨復合材料。本發(fā)明還涉及一種可以由這種方法制造的涂覆金屬的金屬石墨復合材料，例如一種下述的涂覆金屬的金屬石墨復合材料，其包括(a)具有至少一個基本上無石墨的表面的金屬石墨復合物基材；(b)位于該基材上的含金屬的中間層；和(c)在中間層上的金屬涂層。


參考下列說明和所附的權(quán)利要求書，將更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明制造的鋁石墨復合材料的圖；和圖2是沒有附加表面改性(未根據(jù)本發(fā)明)而制造的鋁石墨復合材料的圖，其中纖維凸出于鎳涂層。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括(a)從金屬石墨復合材料的至少一個表面上除去石墨；(b)對金屬石墨復合材料的表面進行化學清洗或等離子體蝕刻；(c)對化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面施加含金屬的材料，并由此形成中間層；(d)在中間層上施加金屬涂層，并由此形成涂覆金屬的金屬石墨復合材料。優(yōu)選地，在該方法的步驟(d)中形成的復合材料具有氣密的或耐腐蝕的或者氣密并耐腐蝕的表面。本發(fā)明還涉及一種涂覆金屬的復合材料，其包括(a)具有至少一個基本上無石墨的表面的金屬石墨復合物基材；(b)位于該基材的表面上的含金屬的中間層；和(c)在中間層上的金屬涂層。
從其表面除去石墨的金屬石墨復合材料可以是任何金屬石墨復合材料，當它根據(jù)本發(fā)明使用時，能夠制備本發(fā)明的涂覆金屬的金屬石墨復合材料。通常，金屬石墨復合材料可以是鋁石墨復合材料、銅石墨復合材料、鎂石墨材料或這些材料的組合。同樣，也可以使用鋁合金石墨復合材料、銅合金石墨復合材料、鎂合金石墨材料和上述的組合。
金屬石墨復合材料優(yōu)選是一種含有無規(guī)平面間斷纖維(random in-planediscontinuous fibers)的金屬基質(zhì)復合物。使用無規(guī)平面間斷纖維允許金屬基質(zhì)復合物具有高的纖維體積分數(shù)(本文中使用的“平面”應理解為X-Y面，例如平行于散熱裝置的結(jié)合面的平面)。此外，通過使用平面定向纖維，基本上所有的纖維可以有助于控制X-Y面內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。盡管Z-方向的熱膨脹系數(shù)不是通過平面纖維控制的，但對于散熱裝置應用而言，這種控制通常是不必要的，因為集成電路或其它物體連接于散熱裝置的X-Y定向表面。
有利地，使用這些平面定向纖維允許在很寬的數(shù)值范圍內(nèi)選擇熱膨脹系數(shù)。選擇所需的平面定向纖維的體積分數(shù)以獲得所需的熱膨脹系數(shù)。通過使基本上所有的纖維在X-Y平面內(nèi)定向，可以獲得很高的體積分數(shù)。這允許在大的范圍內(nèi)選擇體積分數(shù)并且相應地能在大的數(shù)值范圍內(nèi)選擇熱膨脹系數(shù)。
在一個實施方案中，金屬石墨復合材料的無規(guī)平面間斷纖維的體積分數(shù)為約0.15到約0.6。在另一個實施方案中，少數(shù)無規(guī)平面間斷纖維以大于約10°的角度被定向在平面外。在一個優(yōu)選的實施方案中，無規(guī)平面間斷纖維被均勻分布在金屬基質(zhì)復合物內(nèi)。優(yōu)選地，金屬基質(zhì)復合材料是鋁石墨復合材料。
金屬石墨復合材料通常具有含量足以使該材料能夠用于本發(fā)明的碳纖維。在一個實施方案中，復合材料具有含量至少為約30wt％、或至少為約40wt％的碳纖維。在一個實施方案中，金屬石墨復合材料具有約30wt％到約40wt％的碳纖維。金屬石墨復合材料可具有各種含量的碳纖維。在一個實施方案中，碳含量為至少約15％。在另一個實施方案中，碳含量為約15％到約60％。合適的金屬石墨復合材料的實例可見U.S.S.N.09/855,466，其內(nèi)容在本文中全文引用以供參考。
可以通過任何能使石墨從復合材料上除去以便制造本發(fā)明的復合材料的方法從金屬石墨復合材料上除去石墨。例如，可以通過選自諸如氧化技術(shù)、振動研磨(vibratory finishing)技術(shù)、等離子體剝離(plasma stripping)技術(shù)、輝光放電技術(shù)、機械噴砂(mechanical blasting)技術(shù)、研磨(lapping)技術(shù)及其組合中的一種技術(shù)除去石墨。振動研磨技術(shù)通常涉及使用組件和相對各自表面移動的研磨劑。等離子體剝離技術(shù)通常涉及含有等量正負電荷以及一些其它非電離氣體粒子的部分電離氣體(如Ar)撞擊組件的表面。輝光放電技術(shù)通常涉及使用完全中性區(qū)以及含有凈正負電荷顆粒撞擊組件表面的區(qū)。大部分薄膜方法可以交換地使用“等離子體”和“輝光放電”。機械噴砂技術(shù)通常涉及使用研磨劑材料如玻璃珠、氧化鋁粉，在壓力下撞擊在組件表面上。研磨技術(shù)通常涉及使用注入在組件和組件一側(cè)或者兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)板之間的液體研磨介質(zhì)。這些技術(shù)是普通技術(shù)人員已知的。
當選擇氧化作用作為除去石墨的技術(shù)時，可以通過任何能夠從金屬石墨復合材料的表面上除去至少一些石墨的技術(shù)來氧化金屬石墨復合材料。優(yōu)選地，通過將金屬石墨復合材料加熱到足夠高以氧化該復合材料并且從復合材料中除去石墨的溫度來氧化金屬石墨復合材料。通常，氧化金屬石墨復合材料的最高溫度低于金屬石墨復合材料的熔化溫度。在一個實施方案中，氧化金屬石墨復合材料的溫度為至少約250℃。
從金屬石墨復合材料的表面上除去的石墨的量足以能夠根據(jù)本發(fā)明的方法制造金屬石墨復合材料。在一個實施方案中，至少10％的殘留石墨殘存在金屬石墨復合材料的表面之上或之下。在另一個實施方案中，少于10％的殘留石墨殘存在金屬石墨復合材料的表面之上或之下。在另一個實施方案中，基本上從表面上除去所有的石墨。在另一個實施方案中，從表面上除去百分之百的石墨。
金屬石墨復合材料可以通過任何能根據(jù)本發(fā)明制造金屬石墨復合材料的技術(shù)進行化學清洗。用于清洗金屬石墨復合材料表面的合適化學品的實例包括在較高pH值的堿性化學清洗技術(shù)中使用的化學品。通常通過浸漬和漂洗操作來清洗金屬石墨復合材料。在一個實施方案中，將金屬復合材料進行等離子體蝕刻處理以代替化學清洗處理。
施加在化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面上的含金屬的中間層，例如薄膜，可含有一種能制造本發(fā)明的涂覆金屬的金屬石墨復合材料的金屬。合適的金屬材料的實例包括鋅、金及其組合。優(yōu)選地，所施加的含金屬的中間層是含鋅材料。更優(yōu)選地，含鋅材料是鋅酸鹽。
施加在化學清洗過的或等離子體蝕刻過的石墨復合材料的表面上的含金屬的材料通常形成可以具有各種厚度的中間層。在一個實施方案中，中間層的厚度小于約1微米。在另一個實施方案中，中間層厚度范圍為約1納米到約1微米。
含金屬的中間層可以通過任何合適的能根據(jù)本發(fā)明的方法處理金屬石墨復合材料并且優(yōu)選形成具有氣密的或耐腐蝕的或氣密并且耐腐蝕的表面的復合材料的技術(shù)施加到化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面上。將含金屬的材料施加到化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面上的合適技術(shù)的實例包括鍍敷(例如浸涂技術(shù)、電鍍技術(shù))、物理氣相沉積技術(shù)、化學氣相沉積技術(shù)、離子氣相沉積技術(shù)、及其組合。這些技術(shù)是眾所周知的并且是普通技術(shù)人員已知的。優(yōu)選地，通過電鍍技術(shù)將含金屬的材料添加到金屬石墨復合材料的表面上。
施加到中間層上的金屬涂層可以由能使本發(fā)明實現(xiàn)的任何金屬制造。通常地，涂層的金屬將選自鋁、銅、鎳、金、銀、銠、釕、鋁合金、銅合金、鎳合金、金合金、銀合金、銠合金、釕合金及上述的組合。在一個實施方案中，施加到中間層上的金屬涂層包括多層涂層，例如由鎳和金層組成的涂層。
金屬涂層通過能使合適的金屬施加到被含金屬的材料所覆蓋的表面上的任何技術(shù)施加。金屬涂層通過選自鍍敷技術(shù)，例如電鍍、物理氣相沉積技術(shù)、化學氣相沉積技術(shù)、離子氣相沉積技術(shù)及其組合的技術(shù)施加。如上所述，這些技術(shù)是眾所周知的并且是普通技術(shù)人員已知的。
施加到中間層的金屬涂層通常具有小于約100微米的厚度。優(yōu)選地，金屬涂層為至少約1微米，或約1微米到約75微米。優(yōu)選地，該涂層是耐原電池腐蝕(galvanic-corrosion)的和氣密的涂層。
使用中，選擇合適的金屬石墨復合材料進行處理。從金屬石墨復合材料的至少一個表面上除去石墨。有利地，以控制方式除去延伸到表面上及其它在金屬表面上/中的纖維。存在于至少一個表面上的石墨通常存在的量小于總表面積的約60％。在一個實施方案中，在對金屬石墨復合材料進行化學清洗或蝕刻以前，例如從該表面上除去石墨前或后和對復合物進行化學清洗或等離子體蝕刻之前，使該金屬石墨復合材料的至少一個表面光滑?？梢酝ㄟ^選自研磨技術(shù)、ivadizing技術(shù)、噴丸(peening)技術(shù)及其組合的技術(shù)使表面光滑。
一旦從金屬石墨復合材料的表面上除去石墨，就用合適的技術(shù)對金屬石墨復合材料進行化學清洗或等離子體蝕刻。其后，通過對該化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面施加含金屬的材料形成中間層。最后，在中間層上施加金屬涂層，而形成涂覆金屬的金屬石墨復合材料。由本發(fā)明的方法形成的復合材料優(yōu)選具有氣密的或耐腐蝕的或氣密并耐腐蝕的表面。同樣，本發(fā)明的復合材料優(yōu)選地也不受化學品的影響。有利地，本發(fā)明的涂覆金屬的金屬石墨復合材料在各種使用條件下均可以是耐腐蝕的和域氣密的。根據(jù)軍事的或ASTM標準，對本發(fā)明的涂覆復合材料進行鹽霧試驗，以測試涂覆的復合材料的腐蝕性能?？蓪⒈景l(fā)明的復合材料放入具有氣體(例如He)壓力的密封室中，并檢驗其泄漏率，以測試氣密性。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考一些優(yōu)選方案進行了詳細的說明，但其它改變是可能的。因此，所附權(quán)利要求書的實質(zhì)和范圍不應局限于本文方案的說明。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括(a)從金屬石墨復合材料的至少一個表面上除去石墨；(b)對金屬石墨復合材料的表面進行化學清洗或等離子體蝕刻；(c)對化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面施加含金屬的材料，并由此形成中間層；(d)在中間層上施加金屬涂層，并由此形成涂覆金屬的金屬石墨復合材料。
2.權(quán)利要求1的方法，其中通過選自氧化技術(shù)、振動研磨技術(shù)、等離子體剝離技術(shù)、輝光放電技術(shù)、機械噴砂技術(shù)、研磨技術(shù)及其組合的技術(shù)除去石墨。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(d)中形成的復合材料具有氣密的或耐腐蝕的或氣密并耐腐蝕的表面。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)中，所施加的含金屬的材料是含鋅材料。
5.權(quán)利要求4的方法，其中含鋅材料是鋅酸鹽。
6.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(d)中的金屬涂層選自鋁、銅、鎳、金、銀、銠、釕、鋁合金、銅合金、鎳合金、金合金、銀合金、銠合金、釕合金及上述的組合。
7.權(quán)利要求1的方法，其中金屬石墨復合材料具有的碳纖維含量為約30wt％到約40wt％。
8.權(quán)利要求1的方法，其中金屬石墨復合材料選自鋁石墨復合材料、銅石墨復合材料、鎂石墨材料、鋁合金石墨復合材料、銅合金石墨復合材料、鎂合金石墨材料及其組合。
9.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(a)中，通過將金屬石墨復合材料加熱到足夠高以氧化復合材料并從復合材料中除去石墨的溫度對金屬石墨復合材料進行氧化作用而除去石墨。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所述溫度為至少約250℃。
11.權(quán)利要求9的方法，其中最高溫度低于金屬石墨復合材料的金屬熔化溫度。
12.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)中施加的含金屬的材料形成厚度小于約1微米的含鋅材料的薄膜。
13.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)中施加的含金屬的材料形成厚度約1納米到約1微米的鋅酸鹽薄膜。
14.權(quán)利要求1的方法，其中通過選自鍍敷技術(shù)、浸涂技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、化學氣相沉積技術(shù)、離子氣相沉積技術(shù)及其組合的技術(shù)施加金屬涂層。
15.權(quán)利要求1的方法，其中將金屬涂層施加到含鋅的中間層上，并且該金屬涂層具有的厚度小于約100微米。
16.權(quán)利要求1的方法，其中將金屬涂層施加到含鋅薄膜上，并且該金屬涂層為至少約1微米，或約1微米到約75微米。
17.權(quán)利要求1的方法，其中該方法還包括在對金屬石墨復合材料進行化學清洗或蝕刻以前，使金屬石墨復合材料的表面光滑。
18.權(quán)利要求17的方法，其中通過選自研磨技術(shù)、噴丸技術(shù)及其組合的技術(shù)使表面光滑。
19.一種涂覆金屬的復合材料，其包括(a)具有至少一個基本上無石墨的表面的金屬石墨復合物基材；(b)位于基材表面上的含金屬的中間層；和(c)在中間層上的金屬涂層。
20.權(quán)利要求19的復合材料，其中復合材料的至少一個表面是氣密的。
21.權(quán)利要求19的復合材料，其中復合材料的至少一個表面是耐腐蝕的。
22.權(quán)利要求19的復合材料，其中復合材料的至少一個表面是氣密并且耐腐蝕的。
23.權(quán)利要求19的復合材料，其中存在于至少一個表面上的石墨的量小于總表面積的約60％。
24.權(quán)利要求19的復合材料，其中所述材料選自鋁石墨復合材料、鋁合金石墨復合材料及上述的組合。
25.權(quán)利要求19的復合材料，其中所述材料具有的碳纖維含量為約15％到約60％。
26.權(quán)利要求19的復合材料，其中含金屬的中間層包括含鋅的材料。
27.權(quán)利要求19的復合材料，其中含金屬的中間層包括鋅酸鹽。
28.一種涂覆金屬的金屬石墨復合材料，其包括(a)具有至少一個基本上無石墨的表面的金屬石墨復合物基材；(b)位于基材表面上的含金屬的中間層；和(c)在中間層上的金屬涂層；其中該復合材料通過以下方法制造，該方法包括(1)從金屬石墨復合材料的至少一個表面上除去石墨；(2)對金屬石墨復合材料的至少一個表面進行化學清洗或等離子體蝕刻；(3)對化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面施加含金屬的材料，并由此形成中間層；和(4)在中間層上施加金屬涂層，并由此形成涂覆金屬的金屬石墨復合材料。
29.權(quán)利要求28的復合材料，其中在步驟(4)中形成的涂覆金屬的金屬石墨復合材料具有氣密的或耐腐蝕的或氣密并耐腐蝕的表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括(a)從金屬石墨復合材料的至少一個表面上除去石墨；(b)對金屬石墨復合材料的表面進行化學清洗或等離子體蝕刻；(c)對化學清洗過的或等離子體蝕刻過的金屬石墨復合材料的表面施加含金屬的材料，并由此形成中間層；(d)在中間層上施加金屬涂層，并由此形成復合材料。本發(fā)明還涉及一種復合材料，該材料包括(a)具有至少一個基本上無石墨的表面的金屬石墨復合物基材；(b)位于基材表面上的含金屬的中間層；和(c)在中間層上的金屬涂層。
文檔編號C23C28/00GK1780931SQ200480002597
公開日2006年5月31日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月23日
發(fā)明者吳榮禎, J·庫尼, H·布賴特, L·巴拉德, R·馬倫, P·庫馬, J·希爾茲, R·德斯伯格, S·庫尼 申請人:H.C.施塔克公司, 金屬矩陣鑄造組合物公司