TW513346B

Stress-free bonding of dissimilar materials

Abstract

A method and device for combining two layers of different materials to produce a substantially stress-free composition structure at a selectable reference temperature and reference isostatic pressure, including: preparing a first layer and a second layer; Determine the critical line of the first and second layers in a pressure-temperature diagram, where the position of the critical line is determined based on the reference temperature and reference isostatic pressure, and the volume elastic modulus of the first and second layers of material , And the critical line shows a complex array of temperature-pressure, which corresponds to the structure of the composition to be substantially stress-free; when combining, control a temperature and isostatic pressure so that the temperature and isostatic pressure represent a point on the critical line ; Combine the first layer and the second layer at the temperature and the static pressure; after the completion of the combination, follow a path in the pressure-temperature diagram that avoids the stress of cracking in the composition structure Go back to the reference temperature and reference pressure.

Term

No projected expiry on record.

  1. Priority
  2. Filed
  3. Granted
  4. Today

49 claims: 44 independent, 5 dependent

  1. 1
    一種用來結合二層不同材質以在一可選擇的參考溫度及參考等靜壓力下產生一大致上無應力之組成物結構的方法,包括以下步驟:(a)準備一第一層及第二層;(b)在一壓力-溫度圖中決定該第一、二層的臨界線,其中該臨界線的位置係依據該參考溫度及參考等靜壓力、以及該第一、二層之材料容積彈性模數而定,而該臨界線顯示出複數組溫度-壓力,其對應之該組成物結構為大致上無應力;(c)在結合時控制一溫度及等靜壓力,使該溫度及該等靜壓力代表該臨界線上一點;(d)在步驟(c)中之該溫度及該等靜壓力下結合該第一層及該第二層;(e)在結合完成後,沿著避免在該組成物結構中產生破裂之應力之該壓力-溫度圖中的一路線而回到該參考溫度及參考壓力。
  2. 2
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,在該第一、二層之間以施壓方式結合一第三層,該第三層具低黏度而能流動且容易與該第一、二層密接。
  3. 3
    如申請專利範圍第2項所述之方法,其中,該第三層為一熱固性材料,在溫度上升時從液態變成固態。
  4. 4
    如申請專利範圍第2項所述之方法,其中,該第三層為玻璃材料,溫度上升時其黏度下降而凝固,在低溫時為固態,在高溫時像液體一樣流動,但當溫度降回低溫時其回復原黏度。
  5. 5
    如申請專利範圍第2項所述之方法,其中,該第一、二、三層在該臨界線附近移動時該第三層之材料會從固態變成液態。
  6. 6
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,步驟(d)之結合係發生在該臨界線上的一點或附近。
  7. 7
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該第一、二層之材料適用於一紅外線窗,該紅外線窗裝在一作為前視紅外線(FLIR)或紅外線搜尋追蹤系統(IRST)的一部分來操作之移動交通工具上。
  8. 8
    如申請專利範圍第7項所述之方法,其中,該第三層為一具有砷及硫的玻璃。
  9. 9
    如申請專利範圍第7項所述之方法,其中,該第三層為一聚合材料。
  10. 10
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,步驟(c)中之該溫度及該等靜壓力係利用一熱等靜壓裝置來提供。
  11. 11
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該第一層之容積彈性模數大於該第二層之容積彈性模數,而該第一層之熱膨脹係數小於該第二層之熱膨脹係數。
  12. 12
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該第一層之容積彈性模數小於該第二層之容積彈性模數,該第一層之熱膨脹係數大於該第二層之熱膨脹係數。
  13. 13
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該第一、二層在該壓力-溫度圖上之該臨界線係以下式求得:(△ / ) tf -(△ ∕ ) pf =(△ / ) ts 一(△ / ) ps 其中(△ / ) tf 為該第一層長度的變化率,以壓力為參數之溫度的函數;(△ / ) pf 為該第一層長度的變化率,以溫度為參數之壓力的函數;(△ / ) ts 為該第二層長度的變化率,以壓力為參數之溫度的函數;(△ / ) ps 為該第二層長度的變化率,以溫度為參數之壓力的函數;該第一、二層長度的變化率與該容積彈性模數與熱膨脹係數有關。
  14. 14
    如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,該第一、二層在該壓力-溫度圖上之該臨界線係以下式求得:(P-P r )(β f -β s )=3β r β s (α s -α f )(T-T r )其中P r 為參考壓力;P為該臨界線上的壓力;T r 為參考溫度;T為該臨界線上的溫度;β f 為該第一層之容積彈性模數;β s 為該第二層之容積彈性模數;α s 為該第二層之熱膨脹係數;α f 為該第一層之熱膨脹係數。
  15. 15
    如申請專利範圍第2項所述之方法,其中,該第三層所選用的材料,係使該第三層及第一層在壓力-溫度圖之臨界線、或者該第三層及第二層在壓力-溫度圖之臨界線,重合或實質上接近該第一、二層之臨界線,使得回到該參考溫度及參考等靜壓力時所產生之組成物結構內之該第一、二、三層大致上為無應力。
  16. 16
    一種用來結合二層不同材質以在一可選擇的參考溫度及參考等靜壓力下產生一致上無應力之組成物結構的裝置,包括:(a)用來支撐一第一層及一第二層之裝置;(b)用來在一壓力-溫度圖中決定該第一、二層的臨界線之裝置,其中該臨界線的位置係依據該參考溫度及參考等靜壓力、以及該第一、二層之材料容積彈性模數而定,而該臨界線顯示出複數組溫度-壓力,其對應之該組成物結構大致上無應力;(c)在結合時控制一溫度及等靜壓力之裝置,使該溫度及該等靜壓力代表該臨界線上一點;(d)用來在步驟(c)中該溫度及該等靜壓力下結合該第一層及該第二層之裝置;(e)用來在結合完成後,沿著避免在該組成物結構中產生破裂之應力之該壓力-溫度圖中的一路線而回到該參考溫度及參考壓力之裝置。
  17. 17
    如申請專利範圍第16項所述之裝置,其中,該支撐裝置支撐在該第一、二層之間的一第三層,藉施壓於該第三層而與該第一、二層相結合,且該第三層具有低黏度而能流動,並容易與該第一、二層密接。
  18. 18
    如申請專利範圍第17項所述之裝置,其中,該第三層為一熱固性材料,在溫度上升時從液態變成固態。
  19. 19
    如申請專利範圍第17項所述之裝置,其中,該第三層為玻璃材料,溫度上升時其黏度下降而凝固,在低溫時為固態,在高溫時像液體一樣流動,但當溫度降回低溫時其回復原黏度。
  20. 20
    如申請專利範圍第17項所述之裝置,其中,該第一、二、三層在該臨界線附近移動時該第三層之材料會從固態變成液態。
  21. 21
    如申請專利範圍第16項所述之裝置,其中,該結合裝置之結合係發生在該臨界線上的一點或附近。
  22. 22
    如申請專利範圍第16項所述之裝置,其中,該第一、二層之材料適用於一紅外線窗,該紅外線窗裝在一作為前視紅外線(FLIR)或紅外線搜尋追蹤系統(IRST)的一部分來操作之移動交通工具上。
  23. 23
    如申請專利範圍第22項所述之裝置,其中,該第三層為一具有砷及硫的玻璃。
  24. 24
    如申請專利範圍第22項所述之裝置,其中,該第三層為一聚合材料。
  25. 25
    如申請專利範圍第16項所述之裝置,其中,該控制裝置中之該溫度及該等靜壓力係利用一熱等靜壓裝置來提供。
  26. 26
    如申請專利範圍第16項所述之裝置,其中,該第一層之容積彈性模數大於該第二層之容積彈性模數,而該第一層之熱膨脹係數小於該第二層之熱膨脹係數。
  27. 27
    如申請專利範圍第16項所述之裝置,其中,該第一層之容積彈性模數小於該第二層之容積彈性模數,該第一層之熱膨脹係數大於該第二層之熱膨脹係數。
  28. 28
    如申請專利範圍第16所述之裝置,其中,該第一、二層在該壓力-溫度圖上之該臨界線係以下式求得:(△ / ) tf -(△ / ) pf =(△ / ) ts -(△ / ) ps 其中(△ / ) tf 為該第一層長度的變化率,以壓力為參數之溫度的函數;(△ / ) pf 為該第一層長度的變化率,以溫度為參數之壓力的函數;(△ / ) ts 為該第二層長度的變化率,以壓力為參數之溫度的函數;(△ / ) ps 為該第二層長度的變化率,以溫度為參數之壓力的函數;該第-、二層長度的變化率與該容積彈性模數與熱膨脹係數有關。
  29. 29
    如申請專利範圍第16所述之裝置,其中,該第一、二層在該壓力-溫度圖上之該臨界線係以下式求得:(P-P r )(β f -β s )=3β r β s (α s -α f )(T-T r )其中P r 為參考壓力;P為該臨界線上的壓力;T r 為參考溫度;T為該臨界線上的溫度;β f 為該第一層之容積彈性模數;β s 為該第二層之容積彈性模數;α s 為該第二層之熱膨脹係數;α f 為該第一層之熱膨脹係數。
  30. 30
    如申請專利範圍第17項所述之裝置,其中,該第三層所選用的材料,係使該第三層及第一層在壓力-溫度圖之臨界線、或者該第三層及第二層在壓力-溫度圖之臨界線,重合或實質上接近該第一、二層之臨界線,使得回到該參考溫度及參考等靜壓力時所產生之組成物結構內之該第一、二、三層大致上為無應力。
  31. 31
    一種用來結合二層不同材質以在周圍溫度及壓力下產生一無應力之結合的方法,包括以下步驟:(a)準備一第一層及第二層,該第一層之熱膨脹係數及厚度小於該第二層之熱膨脹係數及厚度,且該第一層之導熱度大於該第二層之導熱度;(b)在該周圍壓力下準備一結合層,該結合層之厚度實質上小於該第一層之厚度,而該結合層之軟化溫度高於該周圍溫度;(c)安排該第一、二層,使該結合層在該第一、二層之間;(d)使一熱槽與該第二層之一面熱接觸,而該第二層之另一面與該結合層接觸;(e)使一脈衝熱源與該第一層之一面熱接觸,而該第一層之另一面與該結合層接觸;(f)在該脈衝熱源及該熱槽之間施以一壓力來壓縮該第一、二層,使得溫度達到該結合層之軟化或熔化溫度時該結合層會流動;及(g)在既定電流密度及時間施以一熱脈衝,使該結合層熔化或軟化,並使該第二層之界面溫度高於該結合層之熔化或軟化溫度,但不會加熱該第二層之其他部份。
  32. 32
    如申請專利範圍第31項所述之方法,其中,該熱脈衝之該電流密度及作用時間使該第一、二層之間形成一比較低應力之結合。
  33. 33
    如申請專利範圍第31項所述之方法,其中,該第一、二層之材料適用於一紅外線窗,該紅外線窗裝在一作為FLIR或IRST系統的一部分來操作之移動交通工具上。
  34. 34
    如申請專利範圍第33項所述之方法,其中,該結合層為一具有砷及硫的玻璃。
  35. 35
    如申請專利範圍第33項所述之方法,其中,該結合層為一聚合材料。
  36. 36
    一種用來結合二層不同材質以在周圍溫度及壓力下產生一無應力結合之裝置,包括:一用來支持第一、二層及薄的熱固性結合層之裝置,該第一層之熱膨脹係數及厚度小於該第二層之熱膨脹係數及厚度,且該第一層之導熱度大於該第二層之導熱度,該熱固性結合層之軟化溫度高於周圍溫度;其中該結合層置於該第一、二層之間;一熱槽,與該第二層之一面熱接觸,而該第二層之另一面與該結合層接觸;一脈衝熱源,熱接觸於該第一層之一面,該第一層之另一面與該結合層接觸;一施力裝置,在該脈衝熱源及該熱槽之間施以一壓力來壓縮該第一、二層,使得溫度達到該結合層之軟化或熔化溫度時該結合層會流動;其中該脈衝熱源於既定時間以既定電流密度施以一熱脈衝,使該結合層熔化或軟化,並使該第二層之界面溫度高於該結合層之熔化或軟化溫度,但不會加熱該第二層之其他部份。
  37. 37
    如申請專利範圍第36項所述之方法,其中,該熱脈衝之該電流密度及作用時間使該第一、二層之間形成一比較低應力之結合。
  38. 38
    如申請專利範圍第36項所述之方法,其中,該第一、二層之材料適用於一紅外線窗,該紅外線窗裝在一作為FLIR或IRST系統的一部分來操作之移動交通工具上。
  39. 39
    如申請專利範圍第38項所述之方法,其中,該結合層為一具有砷及硫的玻璃。
  40. 40
    如申請專利範圍第38項所述之方法,其中,該結合層為一聚合材料。
  41. 41
    一種在周圍溫度及壓力下,在二層不同材料間無應力結合之多層結構,包括;一第一層:一第二層,該第二層之熱膨脹係數及厚度大於該第一層之熱膨脹係數及厚度,且該第二層之導熱度小於該第一層之導熱度;一薄的結合層,在周圍溫度下該結合層之軟化溫度高於該周圍溫度;其中該結合層在該第一層及第二層之間。
  42. 42
    如申請專利範圍第41項所述之多層結構,其中,在該第一層、第二層與結合層之間結合係利用一與該第二層之一面熱接觸之熱槽、以及一與該第一層熱接觸之脈衝熱源來完成,且該第二層之另一面接觸於該結合層,該第一層之另一面接觸於該結合層;在該脈衝熱源及該熱槽之間施以一壓力來壓縮該第一層及第二層,使得該結合層達軟化或熔化溫度時該結合層會流動;以既定電流密度施以一熱脈衝既定時間,使該結合層熔化或軟化,並使該第二層之界面溫度高於該結合層之熔化或軟化溫度,但不會加熱該第二層之其他部份。
  43. 43
    如申請專利範圍第42項所述之多層結構,其中,該熱脈衝之該電流密度及作用時間使該第一、二層之間形成一比較低應力之結合。
  44. 44
    如申請專利範圍第41項所述之多層結構,其中,該第一、二層之材料適用於一紅外線窗,該紅外線窗裝在一作為FLIR或IRST系統的一部分來操作之移動交通工具上。
  45. 45
    如申請專利範圍第44項所述之多層結構,其中,該結合層為一具有砷及硫的玻璃。
  46. 46
    如申請專利範圍第44項所述之多層結構,其中,該結合層為一聚合材料。
  47. 47
    一種用來結合三層以在一可選擇的參考溫度及參考等靜壓力下產生一大致上無應力之方法,包括以下步驟:(a)準備一第一層、第二層、及結合層;(b)在一壓力-溫度圖中決定該第一層及第二層的臨界線,其中該臨界線的位置係依據該參考溫度及參考等靜壓力、以及該第一層、第二層之容積彈性模數與熱膨脹係數而定,而該臨界線顯示出複數組溫度-壓力,其對應之該結構為大致上無應力;(c)選擇該結合層,使該結合層在該臨界線上的斜率小於該第一層及第二層之斜率;(d)以該結合層將該第一層及第二層結合;(e)將該三層結構之溫度加至該結合層軟化溫度以上;(f)沿著該臨界線附近之一路徑增加該三層結構之壓力;(g)沿著該臨界線附近之一路徑減少該三層結構之壓力及溫度,直到該三層結構之壓力到達對應於該結合層之軟化溫度之點;(h)在足夠時間以足夠電流密度施以一熱脈衝於該第一層及結合層之外表面,使溫度正好超過該結合層之軟化溫度,同時維持該壓力不變,使得該三層結構回到該參考溫度及參考等靜壓力時,該結合層硬化但大致上無應力;(i)沿著該臨界線附近之一路徑使該三層結構之壓力及溫度回到該參考溫度及參考等靜壓力。
  48. 48
    一種用來結合三層以在一可選擇的參考溫度及參考等靜壓力下產生一大致上無應力之裝置,包括:提供第一層、第二層、及結合層之裝置;在壓力-溫度圖中決定該第一層及第二層的臨界線裝置,其中該臨界線的位置係依據該參考溫度及參考等靜壓力、以及該第一層、第二層之容積彈性模數與熱膨脹係數而定,而該臨界線顯示出複數組溫度-壓力,其對應之該裝置為大致上無應力;選擇該結合層,使該結合層在該臨界線上的斜率小於該第一層及第二層之斜率的裝置;以該結合層將該第一層及第二層結合的裝置;將該三層結構之溫度加至該結合層軟化溫度以上的裝置;沿著該臨界線附近之一路徑增加該三層結構之壓力的裝置;沿著該臨界線附近之一路徑減少該三層結構之壓力及溫度,直到該三層結構之壓力到達對應於該結合層之軟化溫度之點的裝置;在足夠時間以足夠電流密度施以一熱脈衝於該第一層及結合層之外表面,使溫度正好超過該結合層之軟化溫度,同時維持該壓力不變,使得該三層結構回到該參考溫度及參考等靜壓力時,該結合層硬化但大致上無應力的裝置;沿著該臨界線附近之一路徑使該三層結構之壓力及溫度回到該參考溫度及參考等靜壓力的裝置。
  49. 49
    一種在一可選擇的參考溫度及參考等靜壓力下為大致上無應力之三層結構,包括:一第一層、第二層、及結合層;其中在一壓力-溫度圖中該第一層及第二層的臨界線被確定;其中該臨界線的位置係依據該可選擇參考溫度及參考等靜壓力、以及該第一層、第二層之容積彈性模數與熱膨脹係數而定;其中該臨界線顯示出複數組溫度-壓力,其對應之該三層結構為大致上無應力;其中該結合層在該臨界線上的斜率小於該第一層及第二層之斜率;其中該結合層將該第一層及第二層結合;其中該三層結構之溫度加至該結合層軟化溫度以上;其中該三層結構之壓力沿著該第一、二層之臨界線附近之一路徑而增加;其中該三層結構之壓力及溫度沿著該臨界線附近之一路徑減少,直到該三層結構之壓力到達對應於該結合層之軟化溫度之點;其中在足夠時間以足夠電流密度施以一熱脈衝於該第一層及結合層之外表面,使溫度正好超過該結合層之軟化溫度,同時維持該壓力不變,使得該三層結構回到該參考溫度及參考等靜壓力時,該結合層硬化但大致上無應力;其中該三層結構之壓力及溫度沿著該臨界線附近之一路徑回到該參考溫度及參考等靜壓力。
Independent claims49