用于连接基板的基于感应的系统和方法与流程

本说明书通常涉及连接两个基板在一起的系统，更具体地涉及连接基板在一起的基于感应的系统和方法。

背景技术：

焊接是将材料(包括金属、塑料和其他材料)连接在一起的制造过程。焊接涉及使用热量或压力或两者来熔化部分材料，并允许熔化的部分在冷却后熔合在一起。焊接过程中使用的热量可由热源产生，例如气体火焰、电弧、激光、电子束或超声波。焊接通常需要很高的温度来熔化基材，因此加热方法可能效率低下。

技术实现要素：

根据本说明书的一个方面，提供了一种连接第一基板和第二基板的方法。该方法包括：在第一基板和第二基板的各自部分之间施加填充材料，填充材料包括导电和/或磁性材料，其中填充材料和各自部分界定连接处；向连接处施加交变磁场以将导电材料加热至反应温度；响应于导电材料加热到反应温度，利用从导电材料释放的能量激励连接处；冷却连接处以连接第一基板与第二基板。

根据本说明书的另一方面，提供了一种用于连接基板的基于感应的装置。该装置包括：外壳；入口，用于接收包括导电材料的填充材料；感应加热组件，安装在外壳配置为：从入口接收填充材料；施加交变磁场以感应激励填充材料的导电材料；喷嘴，用于排出被激励的填充材料以连接两个基板。

附图说明

参考下图描述实现，其中：

图1描述连接两个基板的基于感应的系统；

图2描述在图1系统中连接两个基板的方法；

图3a-3d描述在图1系统中使用的示例填充材料；

图4描述具有磁性绝缘体的两个基板；

图5描述图1系统中的示例烧结操作；

图6描述图1系统中的示例熔焊焊接操作；

图7描述图1系统中的示例钎焊焊接操作；

图8描述用于基于感应的连接的示例装置。

具体实施方式

本公开内容描述了用于将两个基板连接在一起的基于感应的系统和方法。填充材料包括导电和/或磁性材料，并且施加于第一和第二基板的各自部分之间。各自部分和填充材料一起界定了两个基板的连接处。导电和/或磁性材料通过感应加热到反应温度。响应于将导电和/或磁性材料加热到反应温度，使用从导电和/或磁性材料释放的能量使连接处激励。冷却后，两个基板连接在一起。填充材料，尤其是导电和/或磁性材料，可基于其加热特性(例如，反应温度、能量释放曲线等)进行具体选择，以允许连接操作的热控制。

图1描述了根据本公开内容的用于连接两个基板的示例系统100。系统100包括用于连接第一基板108-1与第二基板108-2(统称为基板108且泛称为基板108–此术语可在本文其他地方使用)的基于感应的装置104(也简单地称为装置104)。基板108可以是塑料、金属、合金、热塑性塑料、复合材料、上述的组合等。在一些示例中，基板108可以是不同的材料。例如，第一基板108-1可包括金属材料，而第二基板108-2可包括塑料材料。

基板108将在由各自部分110-1和110-2界定的连接处120处连接在一起。部分110可以是末端部分，例如形成角接头，或者部分110可以是基板108的各个表面的重叠部分。例如，在本示例中，部分110基本上是平面的。在其他示例中，部分110可以是弯曲的或其他非平面的，并且部分110可以彼此一致以形成连接处120。

基板108使用填充材料112连接在一起。填充材料112包括导电和/或磁性材料。特别地，填充材料112被施加在基板108的各自部分110之间。部分110和填充材料112一起界定连接处120。连接处120可以基本上是平面的，如在本示例中，或者连接处120可以基于部分110及其布置以其他方式成形。

填充材料112包括导电和/或磁性材料。例如，填充材料112可以是活性金属化合物，例如纳米铝热剂或微铝热剂。特别地，纳米或微铝热剂包括氧化剂和还原剂(例如，金属和金属氧化物)。纳米或微铝热剂可通过感应加热或激励。具体而言，交变磁场的应用在纳米或微铝热剂中感生涡流和/或磁滞(将在下文中进一步详细描述)，其反过来感生与核心组分的反应，从而释放能量。更一般地，导电材料可包括包含导电粒子或组分的各种类型的流体(包括液体、气体、组合等)。导电粒子或组件允许涡流和/或磁滞被引入导电材料中以使导电材料通电。例如，导电材料可包括活性金属化合物、气态、液态、固态化合物、涉及多个相和状态的材料浆、合成和非合成聚合物等。导电材料还可以包括材料层的混合物、具有超材料的多涂层金属、液态和惰性状态下的活性金属化合物混合的混合物或其他合适的材料组合。在一些实例中，导电材料可为金属或其它适合于烧结操作之粉末，如下文将进一步描述。

装置104通常配置为使用基于感应的技术将基板108连接在一起。因此，装置104包括感应加热组件130。感应加热组件130通常配置为通过感应加热连接处120。具体地，组件130包括耦合到供电电路134的线圈132。电路134被配置为使电流通过线圈132以产生磁场。电路134可以是电子振荡器或其他合适的电路，用于将高频交流电通过线圈132。因此，在线圈132中感应交变磁场。在一些示例中，线圈132可以朝向连接区域附近，例如，使大基板108连接在一起。在其它示例中，线圈132可被配置成环绕接合区域，使得连接区域位于线圈的中心以在连接区域中诱导更强的磁场。在这种示例中，可以基于线圈132的尺寸限制基板108的尺寸。

在操作中，供电电路134被配置为使电流通过线圈132，如图1中箭头所示。根据安培定律，流过线圈132的电流在线圈132周围感生磁场136。在一些实施方式中，供电电路134进一步配置为改变流过线圈132的电流，从而改变磁场136。在其他实施方式中，线圈132可被配置成相对于连接区域118移动以改变磁场136。例如，线圈132可耦合到定位机构以沿连接区域118的长度移动，该连接区域118是静止的。

现在将结合图2描述系统100的操作。图2描述连接两个基板的方法200的流程图。方法200将结合其在系统100中的性能来描述。在其它示例中，方法200可由其它合适的系统来执行。

在方框205处，在第一基板108-1和第二基板108-2的各自部分110之间施加填充材料。填充材料包括导电材料，例如反应性金属化合物(例如液态或气态)、聚合物、热塑性塑料，具有超材料等的多层涂层金属。在一些示例中，填充材料可包括一种或多种进一步的导电材料，例如活性金属化合物(例如液态或气态)、聚合物、热塑性塑料、具有超材料的多层涂层金属等。导电材料可包括纳米棒或纳米线(例如，由金、银、铜等组成)、石墨烯或除纳米铝热剂、超材料、天然或合成聚合物和热塑性塑料之外的其他合适的复合材料。

更一般而言，填充材料112可包括具有不同配置(例如粒径、填料结构，例如简单立方填料、面心立方填料、六角形填料等)、不同结构(例如纳米线或棒、其他颗粒物质、液体等)、不同的反应温度、不同的粘附性能(例如，对不同材料的更好粘附性)或其他不同的能量释放曲线。

根据期望的能量释放曲线，导电材料可组合以形成填充材料，例如在不同层中，作为均匀或非均匀混合物等。特别地，能量释放曲线的变化允许装置104通过控制加热哪些材料以及何时加热来精确地控制焊接操作。

例如，参考图3a-3d，描述了示例填充材料300、310、320和330。

图3a中描绘的填充材料300包括介质302和分散在介质302中的纳米铝热剂304(即导电材料)。介质302可以是例如金属、合金、聚合物、材料的组合，或用于容纳纳米铝热剂304的其他合适材料。在一些示例中，介质302可以基本上是流体，以允许纳米铝热剂304自由地分散在介质302中。在其他示例中，介质302可以是凝胶或固体，以固定纳米铝热剂304在介质302中的位置。

图3b中描绘的填充材料310包括介质312、第一纳米铝热剂314和第二纳米铝热剂316。与填充材料300类似，第一纳米铝热剂314和第二纳米铝热剂316分散在介质312中。介质312可以是金属、聚合物、材料组合，或用于容纳纳米铝热剂314和316的其他合适的材料。在一些示例中，介质312可以是流体，以允许纳米铝热剂314和316自由分散在介质312中。在其他示例中，介质312可以是凝胶或固体，用于固定纳米铝热剂314和316在介质312中的位置。在本示例中，纳米铝热剂314和316均匀分布在介质312中。

在其它实例中，例如在图3c中描绘的填充材料320中，第一纳米铝热剂324和第二纳米铝热剂326可被分离。具体而言，介质322可将第一纳米铝热剂324固定在填充材料320的第一表面上，将第二纳米铝热剂326固定在填充材料320的第二表面上。在此类实例中，介质322可为凝胶或固体以允许分离纳米铝热剂324和326。

在进一步的示例中，填充材料可不包括导电材料分散在其中的介质。例如，图3d中描绘的填充材料330包括彼此混合的第一纳米铝热剂334和第二纳米铝热剂336，但不包含介质。例如，纳米铝热剂334和336可形成用于烧结操作的粉末。在其它实例中，填充材料330可包含单一类型的纳米铝热剂(例如，仅第一纳米铝热剂334或仅第二纳米铝热剂336)。可加热第一纳米铝热剂和第二纳米铝热剂以形成合金。

回到图2，在方框205，可以根据连接操作的类型选择填充材料。例如，对于烧结操作，可以使用填充材料330，而对于钎焊焊接操作，可以使用填充材料300。为了将两种不同的材料熔焊焊接在一起，可以使用填充材料320。填充材料还可根据其中包含的一种或多种导电材料的能量释放曲线来选择。例如，为了连接使用相对较高温度连接的两个基板，可以使用填充材料310使第一纳米铝热剂314以较低的输入能量加热，并创建链反应，使第二纳米铝热剂316激励，以达到连接两个基板的温度。

在一些示例中，在方框205处，可以在连接处施加磁性绝缘体，以限制填充材料112应用于某些区域。例如，参照图4，在两个基板408-1和408-2之间施加填充材料412，并且受磁性绝缘体420的限制。

返回图2，在方框210处，将交变磁场136施加到连接处120上，以将导电和/或磁性材料加热到反应温度。特别地，施加交变磁场136可以包括通过供电电路134向线圈132施加交流电流以感生磁场。

根据法拉第感应定律，变化的磁场136在附近导体，特别是填充材料的导电材料中感生涡流。导电材料中涡流的感应使导电材料通电，并将其加热至反应温度。在一些例子中，导电材料可以通过磁滞来激励。特别是，抵抗磁分子的内摩擦的磁化力产生热能。热损失的能量是滞后损耗。施加磁力时，填充材料112的磁性材料的分子在第一方向对齐。当磁力被反转时，磁性材料分子的内摩擦与磁性的反转相反，从而导致磁滞，从而加热磁性材料。在一些示例中，在方框210处，方法200可以利用磁滞和通过涡流感应加热来激励连接操作的导电和/或磁性材料。

在应用磁性绝缘体的示例中，加热可限制在填充材料的区域，而填充材料的区域不受绝缘层阻挡。因此，磁性绝缘子的应用可以对连接操作和连接区域提供更大的控制。

在方框215，当达到反应温度时，导电材料根据其能量释放曲线释放能量，并激励连接处。也就是说，为了响应于将导电材料加热到反应温度，连接处可以使用从导电材料中释放的能量来激发。特别是，当达到反应温度时，导电材料可经历放热反应并释放能量，以激励一个或多个填充材料和部分110。

例如，参照图5，描述烧结操作500。特别地，激励连接处可包括在不液化的情况下，激励第一和第二基板的各自部分，从而用第二基板烧结第一基板。在烧结操作500中，包括导电材料的填充材料512被应用于第一基板508-1和第二基板508-2之间。具体地，填充材料512接触第一基板508-1的第一表面510-1和第二基板508-2的第二表面510-2。当导电材料加热至其反应温度时，填充材料512，第一表面510-1和第二表面510-2在不熔化到液化点的情况下被加热。填充材料512与第一表面510-1和第二表面510-2相融合，从而将第一基板508-1与第二基板508-2烧结。例如，填充材料512可以包括金属粉末，例如填充材料330，以允许紧凑的烧结操作500。在某些示例中，烧结操作500还可以包括向连接处施加压力，例如，如图5中的箭头p所示，以支持和协助第一基板508-1与第二基板508-2烧结。

在一些实施方案中，填充材料可通过无热和/或无压或预辅助技术被激励以利于烧结工艺，通过控制致密化和/或晶粒生长，基板可熔合并形成焊接处和/或模具，以形成不同的形状并增强材料性能，如强度，导电性、导热性、半透明性等。

现在参考图6，描绘了熔焊焊接操作600。具体而言，激励连接处可包括熔化第一和第二基板的各自部分的各自表面以将第一基板与第二基板熔焊焊接。在熔焊焊接操作600中，在第一基板608-1和第二基板608-2之间施加包括导电材料的填充材料612，填充材料612接触第一基板608-1的第一表面610-1和第二基板608-2的第二表面610-2。当导电材料被加热到其反应温度时，第一表面610-1和第二表面610-2被熔化并且在冷却时可以熔焊焊接在一起。例如，熔焊焊接操作600可以使用填充材料300。

现在参考图7，描绘了钎焊焊接操作700。具体而言，激励连接处可包括激励填充材料的钎焊部分以将第一基板与第二基板钎焊焊接。在钎焊焊接操作700中，在第一基板708-1和第二基板708-2之间施加包括导电材料的填充材料712，填充材料712接触第一基板708-1的第一表面710-1和第二基板708-2的第二表面710-2。当导电材料被加热到其反应温度时，填充材料712，尤其是将导电材料分散在其中的分散介质可以熔化以将第一基板708-1和第二基板708-2钎焊焊接在一起。也就是说，填充材料，尤其是分散介质可用于连接第一和第二基板708。

在进一步的示例中，激励连接处可包括将进一步的导电材料加热到进一步的反应温度。也就是说，在第一导电材料上释放的能量可引发连锁反应以将额外的导电材料加热到其各自的反应温度。例如，第一导电材料可具有相对较低的反应温度，而第二导电材料可具有相对较高的反应温度。可将导电材料加热至第一导电材料的反应温度，该第一导电材料可经历放热反应并因此释放能量。所释放的能量可进一步激励第二导电材料以允许其达到其相对较高的反应温度。第二导电材料可释放额外能量。额外的能量可用于继续导电材料的连锁反应，或可激励连接处的其他部件。也就是说，除了或代替从第一导电材料释放的能量之外，可以在烧结操作500、熔焊焊接操作600或钎焊焊接操作700中利用从第二材料释放的额外能量。例如，可以利用这种连锁反应以较低的输入要求来连接基板，而基板包括的材料在相对较高的温度下连接。

在其他示例中，可使用两种不同的导电材料连接两种不同的基板。例如，当达到第一导电材料的第一反应温度时，第一基板可粘结到填充材料，并且当达到第二导电材料的第二反应温度时，第二基板可粘结到填充材料。也就是说，第一基板与第二基板的连接可以是两阶段过程，其中基板之一在期间粘结到填充材料。

在进一步的示例中，不是使用来自第一导电材料的能量来加热第二导电材料，而是可以重复方框210和215以将第二导电材料加热到其反应温度。具体地，可以控制磁场136的强度(例如，通过控制由电路134提供给线圈132的电流)，以具体地将第一导电材料加热到第一反应温度，然后改变磁场136，将第二导电材料加热到第二反应温度。

在一些示例中，在方框210和215处，可以采用第二技术来进一步连接第一基板和第二基板。第二技术可以与方框210和215同时或顺序地执行。示例第二技术包括但不限于：固态键合(例如阳极/晶片连接、扩散键合、超声波引线键合、冷键合、爆炸键合、摩擦搅拌键合、摩擦焊接等)，钎焊/铜焊(例如熔炉、激光回流焊、电阻焊、浸焊、波焊、活性钎焊、倒装焊等)、熔焊(例如激光束、电子束、冲击焊、等离子焊、钨气焊、电阻焊、玻璃密封等)、粘合(例如模具连接、倒装焊、密封等)，以及以上的组合。另外，方法200还可包括在方框210处同时或顺序地向接头施加压力，同时或顺序地向连接处施加交变磁场。

在方框220处，冷却连接处以连接第一基板108-1和第二基板108-2。具体而言，在冷却连接处时，可将第一和第二基板108连接或粘结成单个最终产品。

因此，方法200提供了用于连接两个基板的基于感应的技术。基于感应的技术可与其它焊接和/或接合技术结合以形成混合系统。基于感应的技术可用于地球(例如陆地、空气或水应用)、空间(例如天体、月球、火星、其他行星、卫星、小行星、小行星和其他天体等)。在一些示例中，基于感应的技术可以利用原位空间资源，例如月球、火星上的风化土、其他行星、卫星、小行星、似行星体和其他天体上的物质等来补充填充材料。此外，感应焊接技术将能量产生和熔融材料局限在空间有限的情况下用于微连接应用。

例如，钛粉(ti)可与硼(b)或碳(c)混合以形成填充材料，并压制在钼(mo)表面之间并点燃以形成mo-tib2-mo或mo-tic-mo焊缝。在其它实例中，铝(al)、镍(ni)及铜(cu)混合物亦可用作填充材料。此外，金属和金属氧化物的组合可用作连接基板的填充材料，并且填充材料可由粉末、分层、层压和核壳复合材料组成。

现在参考图8，描述了用于连接基板的基于感应的装置800的示例。装置800包括用于容纳感应加热组件830的外壳804、喷嘴820和入口822。在其它实施方式中，感应加热组件830中的线圈也可以配置在喷嘴820周围。

感应加热组件830封装在外壳804中，包括耦合到供电电路834的线圈832。该电路被配置为使电流通过线圈832以产生磁场。电路834可以是电子振荡器或其他合适的电路，用于通过线圈832传递高频交流电流，在线圈832中感应交变磁场。线圈832被配置成环绕加热区域818，使得加热区域818位于线圈832的中心，以在加热区域818中感应更强的磁场。感应加热组件830可耦合到触发器840以控制感应加热组件830的驱动。在操作中，供电电路834被配置为使电流通过线圈832，如箭头所示。根据安培定律，流过线圈832的电流在线圈832周围产生磁场136。在一些实施方案中，电源电路834进一步配置为改变流过线圈832的电流，从而改变磁场836。在其他实施方案中，线圈832可被配置成相对于加热区域818移动以改变磁场836。例如，线圈832可耦合到定位机构以沿加热区域818的长度移动，该加热区域818是静止的。具体而言，交变磁场的施加在纳米或微铝热剂中感生涡流和/或磁滞(将在下文中进一步详细描述)，而涡流和/或磁滞反过来感生与核心组分的反应，从而释放能量。

加热区域818耦合到入口822以从中接收材料，还耦合到喷嘴820以从装置800排出加热材料。具体地说，填充材料通过入口822供给，在加热区域818中由感应加热组件830加热。填充材料可包括分散介质和分散在分散介质中的导电材料。导电材料可以是反应性金属化合物，例如纳米铝热剂或微铝热剂，并且分散介质可以是凝胶或固体，以将填充材料聚拢在一起以允许将其送入装置800中。因此，感应加热组件830可使填充材料从固体或凝胶状态激励到被激励的流体或等离子体状态以从喷嘴820排出。被激励的流体或等离子体可施加在两个基板之间以将两个基板连接在一起。

本公开内容提供了使用基于感应的技术连接两个基板的系统和方法，其中包括导电材料的填充材料通过感应加热而被激励。这两种基板可以是不同的材料。感应焊接技术可以使用纳米含能复合材料、超材料和聚合物或活性金属化合物的浆料作为填充材料。可以选择填充材料的特性来控制能量释放曲线。此外，感应点火和/或加热的使用允许对整个连接处进行一致的加热。因此，连接处不限于线性的焊缝或连接处，并且可以是基本上平面的形状。

权利要求的范围不应受到上述示例中所述实施例的限制，而应给出与整体描述一致的最广泛解释。