本實(shí)用新型涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)以及不銹鋼工件,特別是涉及一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)以及不銹鋼工件。
背景技術(shù):
在移動電子設(shè)備領(lǐng)域,尤其是在智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域,不銹鋼材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)而成為這些領(lǐng)域所欲積極發(fā)展與應(yīng)用的材料之一。具體來說,不銹鋼材料一般可被與塑料材料相互結(jié)合而形成智能穿戴設(shè)備的組件。
在不銹鋼材料以及塑料材料兩種不同特性的材料時,現(xiàn)有技術(shù)一般是利用卡扣結(jié)構(gòu)或是螺栓結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來將兩種材料彼此結(jié)合。然而,如此一來,將會增加制造成本并提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,進(jìn)而影響產(chǎn)品的美觀。因此,仍有需要發(fā)展出新的技術(shù),以在不使用額外的固定結(jié)構(gòu)下,通過對材料的表面進(jìn)行處理而提升不同材料之間的結(jié)合力,以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述問題,本實(shí)用新型的其中一實(shí)施例所提供的解決方案是,提供一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),其特征在于,所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包含一不銹鋼工件以及一塑料層,所述不銹鋼工件具有一最終腐蝕面且所述塑料層是形成于所述最終腐蝕面上,其中,所述最終腐蝕面具有尺寸為介于50至300納米之間的多個納米結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地,多個所述納米結(jié)構(gòu)是一蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)或是一多面體層疊結(jié)構(gòu)。
為了解決上述問題,本實(shí)用新型的另外再一實(shí)施例所提供的解決方案是,提供一種不銹鋼工件,其特征在于,所述不銹鋼工件具有一最終腐蝕面,所述最終腐蝕面具有尺寸為介于50至300納米之間的多個納米結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地,多個所述納米結(jié)構(gòu)是一蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)或是一多面體層疊結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的有益效果在于,本實(shí)用新型所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)以及不銹鋼工件,其通過具有特定組成的蝕刻液的使用,以使得不銹鋼工件的表面上能形成納米結(jié)構(gòu),借此以改良不銹鋼材料與塑料材料之間的結(jié)合力。
為使能更進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的特征及技術(shù)內(nèi)容,請參閱以下有關(guān)本實(shí)用新型的詳細(xì)說明與附圖,然而所提供的附圖僅提供參考與說明用,并非用來對本實(shí)用新型加以限制者。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法的流程圖;
圖2A為本實(shí)用新型實(shí)施例中所使用的不銹鋼工件的示意圖;
圖2B為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的制造方法中,具有第一腐蝕面的不銹鋼工件的示意圖;
圖2C為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的制造方法中,具有第二腐蝕面的不銹鋼工件的示意圖;
圖2D為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖;
圖3A為本實(shí)用新型實(shí)施例所使用的其中一種不銹鋼工件的表面顯微相片;
圖3B為圖3A的不銹鋼工件在進(jìn)行5分鐘的陽極氧化步驟后,所形成的第一腐蝕面的表面顯微相片;
圖3C為圖3A的不銹鋼工件在進(jìn)行10分鐘的陽極氧化步驟后,所形成的第一腐蝕面的表面顯微相片;
圖3D為圖3A的不銹鋼工件在形成第二腐蝕面后的表面顯微相片;
圖3E為圖3D的局部放大圖;
圖4A為本實(shí)用新型實(shí)施例所使用的另一種不銹鋼工件的表面顯微相片;
圖4B為圖4A的不銹鋼工件在形成第二腐蝕面后的表面顯微相片;以及
圖4C為圖4B的局部放大圖。
具體實(shí)施方式
以下是通過特定的具體實(shí)例來說明本實(shí)用新型所公開有關(guān)“具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)以及不銹鋼工件”的實(shí)施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所公開的內(nèi)容了解本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型可通過其他不同的具體實(shí)施例加以施行或應(yīng)用,本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用,在不悖離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。另外,本實(shí)用新型的附圖僅為簡單示意說明,并非依實(shí)際尺寸的描繪,先予敘明。以下的實(shí)施方式將進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容,但所公開的內(nèi)容并非用以限制本實(shí)用新型的技術(shù)范疇。
首先,請參閱圖1。圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法的流程圖。
如圖1所示,本實(shí)用新型所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法至少包含下列步驟:將不銹鋼工件置入電解液中進(jìn)行陽極氧化步驟,以使得不銹鋼工件被氧化而形成第一腐蝕面(S100);將具有第一腐蝕面的不銹鋼工件置入蝕刻液中進(jìn)行化學(xué)蝕刻步驟,以使得第一腐蝕面被蝕刻而形成第二腐蝕面(S102),其中,第二腐蝕面具有尺寸為介于50至300納米之間的多個納米結(jié)構(gòu);以及,通過注塑成型步驟,將塑料層結(jié)合在不銹鋼工件的第二腐蝕面上,以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)(S104)。
在進(jìn)行所述步驟S100至S104前,可以對不銹鋼工件1進(jìn)行前處理步驟。舉例而言,前處理步驟可以包括對不銹鋼工件1進(jìn)行清洗或是脫脂,以使得不銹鋼工件1的表面清潔無油。
請配合圖3A以及圖4A所示。圖3A以及圖4A為本實(shí)用新型實(shí)施例所使用的不同不銹鋼工件1的表面顯微相片。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中,不銹鋼工件1可以使用SUS304或是SUS316系列不銹鋼材料所形成。圖3A的不銹鋼工件1是由SUS304不銹鋼材料所制成,而圖4A的不銹鋼工件1是由SUS316不銹鋼材料所形成。
如圖3A和圖4A所示,SUS304不銹鋼材料以及SUS316不銹鋼材料的表面都具有片狀結(jié)構(gòu)(即,不銹鋼材料的晶體結(jié)構(gòu))。相較之下,SUS316不銹鋼材料的晶體結(jié)構(gòu)較為致密,而SUS304不銹鋼材料的晶體結(jié)構(gòu)較疏松。
在不銹鋼工件1經(jīng)過前處理步驟后,可以通過如圖1所示的步驟S100以及S102對不銹鋼工件1進(jìn)行進(jìn)一步的處理,并通過步驟S104而將經(jīng)過處理的不銹鋼工件1與塑料材料結(jié)合而形成本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)S。
接下來,將針對步驟S100至S104進(jìn)行詳細(xì)說明。首先,請參閱圖1,并配合圖2A及2B所示。圖2A為本實(shí)用新型實(shí)施例中所使用的不銹鋼工件的示意圖,而圖2B為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的制造方法中,具有第一腐蝕面的不銹鋼工件的示意圖。
在步驟S100中,將不銹鋼工件1置入電解液中進(jìn)行陽極氧化步驟,以使得不銹鋼工件1被氧化而形成第一腐蝕面S1。具體來說,陽極氧化步驟可以通過電化學(xué)腐蝕方法而去除不銹鋼工件1表面的天然氧化膜結(jié)構(gòu),并將不銹鋼工件1內(nèi)的金屬材料氧化,進(jìn)而生成第一腐蝕面S1。
舉例而言,步驟S100中所使用的電解液包含濃度介于100至200克/升的硫酸(H2SO4)以及余量的水。施加于電解液的電壓為固定電壓,電壓范圍介于3至5伏之間。陽極氧化步驟的時間為介于5至20分鐘。在優(yōu)選的實(shí)施例中,是使用包含濃度為200克/升的硫酸的溶液作為電解液,對電解液施加3伏的電壓,而處理時間為5至10分鐘。在更優(yōu)選的實(shí)施例中,處理時間為10分鐘。
請參閱圖3B以及圖3C所示。圖3B為圖3A的不銹鋼工件在進(jìn)行5分鐘的陽極氧化步驟后,所形成的第一腐蝕面的表面顯微相片,而圖3C為圖3A的不銹鋼工件在進(jìn)行10分鐘的陽極氧化步驟后,所形成的第一腐蝕面的表面顯微相片。換句話說,圖3B以及圖3C同樣使用SUS304不銹鋼材料來形成不銹鋼工件1,只是進(jìn)行陽極氧化步驟的時間不同。
由圖3B與圖3C的比較可看出,陽極氧化步驟的時間為5分鐘時(圖3B),雖然不銹鋼工件1表面所形成的第一腐蝕面S1已經(jīng)具有明顯的溝槽結(jié)構(gòu),依然可以看到不銹鋼材料本身的晶體分布趨勢,因此,圖3B所示的結(jié)構(gòu)可以推測主要是不銹鋼材料晶體之間的腐蝕所形成。而陽極氧化步驟的時間為10分鐘時(圖3C),在不銹鋼工件1表面的第一腐蝕面S1上的溝槽結(jié)構(gòu)與圖3B所示的不同,可以看出更均勻的腐蝕效果,因此可以推論圖3C所示的結(jié)構(gòu)包含整個不銹鋼工件1表面的腐蝕作用。根據(jù)圖3B以及圖3C的比較結(jié)果,在本實(shí)用新型的實(shí)施例中,最優(yōu)選的陽極氧化步驟處理時間為10分鐘。
接下來,請?jiān)俅螀㈤唸D1。步驟S102中,將具有第一腐蝕面S1的不銹鋼工件1置入蝕刻液中進(jìn)行化學(xué)蝕刻步驟,以使得第一腐蝕面S1被蝕刻而形成第二腐蝕面S2。第二腐蝕面S2具有尺寸為介于50至300納米之間的多個納米結(jié)構(gòu)。
具體來說,由步驟S100所形成的具有第一腐蝕面S1的不銹鋼工件1是以包含特定組成的蝕刻液進(jìn)行化學(xué)蝕刻,使得第一腐蝕面S1被蝕刻而形成具有與第一腐蝕面S1不同結(jié)構(gòu)的第二腐蝕面。蝕刻液包含濃度介于50至200克/升之間的蝕刻劑以及余量的水。蝕刻劑包含60至80重量%的硫酸(H2SO4)、10至30重量%的硫酸鐵(Fe2(SO4)3)以及5至15重量%的硫酸亞鐵(FeSO4)。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中,蝕刻液的溫度是介于55至70℃之間,且化學(xué)蝕刻步驟的時間為5至20分鐘。
在一個優(yōu)選的實(shí)施例中,使用DH730蝕刻液作為用于進(jìn)行化學(xué)蝕刻的蝕刻液。DH730蝕刻液的主要成分含量為70%的硫酸、20%的硫酸鐵以10%的硫酸鐵以及余量的水。使用DH730蝕刻液對具有第一腐蝕面S1的不銹鋼工件1進(jìn)行化學(xué)蝕刻的細(xì)節(jié)以及效果稍后敘述。
通過步驟S102所形成的具有第二腐蝕面S2的不銹鋼工件1,基于第二腐蝕面S2的結(jié)構(gòu)特征,和后續(xù)所使用的塑料材料之間可以具有良好的結(jié)合力。如前所述,第二腐蝕面S2具有尺寸為介于50至300納米之間的多個納米結(jié)構(gòu)。第二腐蝕面S2的納米結(jié)構(gòu)為復(fù)雜且不規(guī)則的,可以包含納米孔、坑、洞或是凹凸等結(jié)構(gòu)。換句話說,通過步驟S102,具有第一腐蝕面S1的不銹鋼工件1被經(jīng)過納米成孔處理,進(jìn)而形成第二腐蝕面S2。在本實(shí)用新型中,第二腐蝕面S2又稱為最終腐蝕面。
請參閱圖3D、3E、4B及4C。圖3D為圖3A的不銹鋼工件在形成第二腐蝕面后的表面顯微相片,圖3E為圖3D的局部放大圖,圖4B為圖4A的不銹鋼工件在形成第二腐蝕面后的表面顯微相片,而圖4C為圖4B的局部放大圖。
具體來說,圖3D及3E顯示由SUS304不銹鋼材料所形成的不銹鋼工件在通過前處理步驟、步驟S100以及步驟S102后的表面顯微相片,而圖4B及4C顯示由SUS316不銹鋼材料所形成的不銹鋼工件在通過前處理步驟、步驟S100以及步驟S102后的表面顯微相片。如圖3D所示,在使用SUS304不銹鋼材料的情況下,不銹鋼工件1的第二腐蝕面S2具有蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)。如圖3E所示,多孔結(jié)構(gòu)具有范圍介于50至200納米之間的納米孔徑。另外,如圖4B所示,在使用SUS316不銹鋼材料的情況下,不銹鋼工件1的第二腐蝕面S2具有多面體堆積層疊結(jié)構(gòu),以及由此結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的坑洞結(jié)構(gòu)。如圖4C所示,坑洞結(jié)構(gòu)的尺寸為50至200納米。換句話說,在選用SUS304以及SUS316不銹鋼材料來形成不銹鋼工件1的情況下,通過本實(shí)用新型實(shí)施例中的步驟S100以及步驟S102,可以在不銹鋼工件1的表面產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)。
接下來,在進(jìn)行步驟S104之前,還可以先將具有第二腐蝕面S2的不銹鋼工件1經(jīng)過充分水洗并烘干。烘烤的溫度可以為介于70至100℃之間,而烘烤時間可以為10到30分鐘。然而,在本實(shí)用新型中,只要可以使得不銹鋼工件1被充分烘干,烘烤的溫度以及時間不在此限制。經(jīng)過烘干的不銹鋼工件1可以經(jīng)過密封包裝而貯存。
請?jiān)诖螀㈤唸D1。在步驟S104中,通過注塑成型步驟,將塑料層2結(jié)合在不銹鋼工件1的第二腐蝕面S2上,以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)S。步驟S104是用以通過注塑成型方法而將經(jīng)過處理的不銹鋼工件1與塑料層2(塑料材料)相互結(jié)合。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中,塑料層2可以是由聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺(PA)、聚芳基醚酮(PAEK)熱塑性聚胺基甲酸酯(TPU)之中的至少一種所形成。然而,在本實(shí)用新型中,形成塑料層2的材料不在此限制。
基于塑料層2的材料的選用,在進(jìn)行注塑成型步驟時,需要將所使用的注塑模具被加熱至特定溫度。舉例而言,在進(jìn)行嵌入式注塑成型步驟時,可以將注塑模具加熱至140℃以上的溫度。在使用由PAEK所形成的塑料層2時,須將注塑模具加熱至180℃以上的溫度。除此之外,在進(jìn)行嵌入式注塑成型步驟前,還需要預(yù)先將注塑模具預(yù)熱至介于140至160℃之間的溫度。
在注塑成型的步驟完成后,可以將復(fù)合結(jié)構(gòu)S進(jìn)行退火處理。退火溫度為介于135-165℃之間,例如150℃,而退火時間為1至2小時。
接下來,將依據(jù)不同的實(shí)施例以及比較例,來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法的內(nèi)容。
(1)陽極氧化步驟以及化學(xué)蝕刻步驟的參數(shù)確認(rèn)
在每個實(shí)施例中,都是采用尺寸為44*18*1.5mm的不銹鋼材料測試墊作為不銹鋼工件1。不銹鋼工件1的材質(zhì)為SUS304不銹鋼材料或是SUS316不銹鋼材料。在進(jìn)行步驟S100前,不銹鋼工件1都通過前處理步驟而被清洗、脫脂、堿洗、硝酸中和洗以及水洗。前處理步驟的細(xì)節(jié)已如先前所敘述,且可以以現(xiàn)有的方法進(jìn)行。
接下來,對不銹鋼工件1進(jìn)行步驟S100、步驟S102以及步驟S104。對所有的實(shí)施例以及比較例,步驟S100都是使用硫酸作為電解液,并都對電解液施加3V的電壓。在步驟S100中,可變的參數(shù)為硫酸電解液的濃度以及處理時間。接著,在步驟S102中,都是以DH 730蝕刻液進(jìn)行化學(xué)蝕刻,蝕刻液的溫度維持在約65℃。步驟S102中的可變參數(shù)為蝕刻液的化學(xué)組成、蝕刻液濃度以及處理時間。
針對步驟S104,通過步驟S100以及步驟S102處理的具有第二腐蝕面S2的不銹鋼工件1都先經(jīng)過充分的水洗以及烘干步驟,烘干步驟的溫度為介于70至100℃之間,烘烤時間為介于10至30分鐘之間。接著,將不銹鋼工件1置入注塑模具進(jìn)行注塑,使其與塑料層2相互結(jié)合以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)S。復(fù)合結(jié)構(gòu)S以溫度150℃、時間1小時的退火條件進(jìn)行退火處理。在復(fù)合結(jié)構(gòu)S經(jīng)過充分冷卻后,進(jìn)行結(jié)合力(拉拔力)測試,進(jìn)而取得10片復(fù)合結(jié)構(gòu)S的結(jié)合力平均值。在步驟S104中,可變參數(shù)為塑料層2的塑料材料種類。
有關(guān)步驟S100、S102以及S104中可變參數(shù)的細(xì)節(jié),請參考下列表1及表2所示。另外,各實(shí)施例的結(jié)合力測試結(jié)果也列于表1及表2中。在表1中,不銹鋼工件1是由SUS 304不銹鋼材料所制成,而在表2中,不銹鋼工件1是由SUS 316不銹鋼材料所制成。
表1
表2
根據(jù)表1以及表2的內(nèi)容,可以確認(rèn)在步驟S100中,以5至20分鐘的時間作為處理時間,以100至200g/l的濃度的硫酸作為電解液,都可以使不銹鋼工件1與塑料層2結(jié)合力平均值達(dá)到20MPa/cm2以上。另外,在步驟S102中,蝕刻液的濃度在100至200g/l的范圍內(nèi),處理時間為介于5至20分鐘內(nèi),同樣可以使得不銹鋼工件1與塑料層2具有優(yōu)異的結(jié)合力平均值。
(2)蝕刻液的組成測試
在下列比較例中,采用現(xiàn)有的蝕刻液進(jìn)行步驟S102,用以將本案使用包含60至80重量%的硫酸、10至30重量%的硫酸鐵以及5至15重量%的硫酸亞鐵的蝕刻劑所獲得的效果進(jìn)行比較。在下列4個比較例中,是分別采用氯化鐵(FeCl3)水溶液以及鹽酸(HCl)與硫酸的混合液作為蝕刻液。
在下列比較例中,步驟S100都是采用濃度200g/l的硫酸作為電解液,電壓為3V,陽極氧化步驟的時間為10分鐘。在步驟S104中,都是采用與先前實(shí)施例相同的參數(shù),只有塑料層2的材料種類有差異。有關(guān)步驟S102的細(xì)節(jié)分別描述于各個比較例中。
比較例1
將經(jīng)過步驟S100處理的不銹鋼工件1(SUS 304)經(jīng)過充分水洗后,置入濃度為100g/l,溫度為65℃的氯化鐵水溶液中進(jìn)行步驟S102,處理時間為介于5至20分鐘之間。采用Toray PBT 1101塑料材料作為塑料層3。經(jīng)結(jié)合力測試后得到10片復(fù)合結(jié)構(gòu)S的結(jié)合力平均值如表3所示。
表3
比較例2
將經(jīng)過步驟S100處理的不銹鋼工件1(SUS 316L)經(jīng)過充分水洗后,置入濃度為100g/l,溫度為65℃的氯化鐵水溶液中進(jìn)行步驟S102,處理時間為介于5至20分鐘之間。采用Toray PBT 2107塑料材料作為塑料層3。經(jīng)結(jié)合力測試后得到10片復(fù)合結(jié)構(gòu)S的結(jié)合力平均值如表4所示。
表4
比較例3
將經(jīng)過步驟S100處理的不銹鋼工件1(SUS 304)經(jīng)過充分水洗后,置入濃度為100g/l,溫度為65℃的蝕刻液中進(jìn)行步驟S102,處理時間為介于5至20分鐘之間。蝕刻液包含50g/l的鹽酸與100g/l的硫酸,以及余量的水。采用Toray PBT 1101塑料材料作為塑料層3。經(jīng)結(jié)合力測試后得到10片復(fù)合結(jié)構(gòu)S的結(jié)合力平均值如表5所示。
表5
比較例4
將經(jīng)過步驟S100處理的不銹鋼工件1(SUS 316L)經(jīng)過充分水洗后,置入濃度為100g/l,溫度為65℃的蝕刻液中進(jìn)行步驟S102,處理時間為介于5至20分鐘之間。蝕刻液包含50g/l的鹽酸與100g/l的硫酸,以及余量的水。采用Toray PBT 2107塑料材料作為塑料層3。經(jīng)結(jié)合力測試后得到10片復(fù)合結(jié)構(gòu)S的結(jié)合力平均值如表6所示。
表6
由比較例1至比較例4的結(jié)果可以看出,采用現(xiàn)有的蝕刻液相較于采用本實(shí)用新型實(shí)施例(實(shí)施例)所使用的蝕刻液,進(jìn)行步驟S102所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)S的結(jié)合力平均值較差。舉例來說,在相同的步驟S100的參數(shù)下,本案實(shí)施例5使用SUS 304不銹鋼材料作為不銹鋼工件1以及Toray PBT 1101塑料材料作為塑料層3,所獲得的平均結(jié)合力為29MPa/cm2,是高于比較例1以及比較例3的17及22MPa/cm2。對于使用SUS 316L不銹鋼材料作為不銹鋼工件1的實(shí)施例以及比較例也顯現(xiàn)相似的結(jié)果。
本實(shí)用新型的有益效果在于,本實(shí)用新型所提供的一種具有不銹鋼材料與塑料材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)以及不銹鋼工件,其通過具有特定組成的蝕刻液的使用,以使得不銹鋼工件的表面上能形成納米結(jié)構(gòu),借此以改良不銹鋼材料與塑料材料之間的結(jié)合力。
以上所公開的內(nèi)容僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選可行實(shí)施例,并非因此局限本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍,所以凡是運(yùn)用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所做的等效技術(shù)變化,均包含于本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。