CN102995028A - 基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料及制备方法 - Google Patents

基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料，是以钼金属板为基体，将铜金属元素按照一定的剂量和能量注入到经过打磨、脱脂处理、酸洗活化处理和表面化学刻蚀处理的钼金属板状材料中，并采用电镀的方法在钼金属板表面覆铜，然后再进行氩气保护下的高温退火工艺，使铜金属元素扩散渗入到钼金属板中，钼金属与铜金属之间产生界面扩散层，形成铜/钼/铜界面的冶金结合，其中，铜金属厚度为20μm，基体钼金属厚度为1mm，其点焊时焊接（界面）强度达到73MPa。本发明获得的铜/钼/铜复合材料工艺简单，生产效率高，电镀表面致密均匀，材料的致密度高。

Description

基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料的制备技术，特别涉及一种铜/钼/铜复合材料的制备方法
背景技术
钼是高熔点金属，具有优良高温强度保持性，低比热，低热膨胀系数，并且耐热冲击性能好，钼的密度还具有高的弹性模量，可适用于高度高、质量轻的用途，铜具有高的导电、导热性能，但钼是体心立方结构，铜是面心立方结构，其钼铜是互不相溶，各自在组分上保持相对独立。钼铜复合材料即具有钼高强度、低膨胀系数的特点，又有铜优异的导热导电性能它能很好的与电子器件中的硅基片、砷化镓等材料匹配封接，又能避免热应力引起的热疲劳失效，又具有良好的导热性能，因此可广泛的用于电子封装、热沉材料以及一些大功率基础电流模块上。还可以应用在微波、通讯、射频、航空航天、电子电力、大功率激光器等行业，是我国高端电子产品开发与生产的基础。
作为金属基复合材料的一种，层状金属基复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学和力学性能不同的金属在界面上实现牢固冶金而制备的一种新型材料。目前层状金属复合材料的制备方法主要有涂饰法和包覆法。制备钼铜复合材料的方法主要有机械合金化、机械热化学法、氧化物共还原法、溶胶-凝胶法等。但是这些制备方法基本上都是基于相互固溶的合金体系，利用了加热促使原子之间发生扩散形成界面层制备出层状金属基复合材料。而钼-铜是互不固溶体系，生成热为+28KJ/mol，很难发生扩散实现合金化，上述方法不适用。因此有必要研究一种新的铜/钼/铜层状金属基复合材料的制备技术。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料及制备方法。通过采用金属等离子注入工艺将铜金属离子注入到经过打磨、脱脂处理、酸洗活化处理和表面化学刻蚀处理的钼金属板状材料中，采用电镀的方法在钼金属板表面覆铜，最后再进行氩气保护下的高温退火，使铜金属元素扩散渗入到钼金属板中，形成铜/钼/铜界面的冶金结合，从而获得了具有高界面结合强度的铜/钼/铜层状金属基复合材料。
为了解决上述技术问题，本发明基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料，是以钼金属板为基体经过铜金属等离子注入，再进行电镀铜和高温退火工艺制成，铜金属厚度为20μm，基体钼金属厚度为1mm，其中钼金属与铜金属之间产生了界面扩散层，该铜/钼/铜复合材料点焊时的焊接强度达到73MPa。其制备方法包括以下步骤：
钼金属板的预处理：钼金属板经过打磨、脱脂处理和酸洗活化处理后，用去离子水清洗并真空干燥；
铜金属等离子注入：在离子注入机上将铜金属等离子注入上述钼金属板中，铜金属等离子注入剂量为1.7×1017ions/cm2，注入能量为120KeV；将注入有铜离子的钼金属板在离子注入机的真空室中放置16小时后取出；
钼金属板表面电镀铜：将上述经过铜金属等离子注入的钼金属板为阴极，铜为阳极，在铜盐镀液中进行电镀，实现钼金属板表面覆铜；
氩气保护退火：在1个大气压的氩气保护下，在气氛退火炉中于900℃温度下保温4小时进行退火。
进一步讲，铜金属等离子注入的工艺参数为：弧压升至12v，触发压升至16v，负压升至2KV，高压升至60KV，注入过程中不断调节触发频率，并保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2，真空度保持在1×10-3Pa以下。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的铜/钼/铜复合材料是通过离子注入产生辐照损伤，再通过电镀法和退火烧结制备表面均匀致密，界面结合性好的复合材料。本发明获得的铜/钼/铜复合材料工艺简单，生产效率高；由于退火烧结过程不但使铜向钼金属基体中发生熔渗，也使电镀表面致密均匀，因此，所获得的复合材料致密度高。
附图说明
图1为本发明铜金属等离子注入钼金属试样的装置示意图，其中：1－离子源，2－离子束，3－真空注入室，4－试样，5－靶盘，6－真空扩散泵，7－真空维持泵，8－机械泵，9－高压和***控制柜；
图2为本发明钼金属表面电镀铜装置示意图，其中：10-渡槽，11-镀液，12-阳极，13-阴极，14-电源；
图3为本发明实施例1制备的未进行退火处理的铜/钼/铜复合材料的表面微观形貌照片；
图4为本发明实施例2制备的在氩气气氛炉中900℃温度下保温4小时的铜/钼/铜复合材料的表面微观形貌照片；
图5为本发明实施例3制备的铜/钼/铜复合材料经过拉伸后的断面微观形貌照片；
图6为本发明实施例4制备的铜/钼/铜复合材料焊接拉伸示意图，其中：31-固定台，32-固定夹，33-复合材料，34-铜箔，35-焊点；
图7为本发明实施例4制备的铜/钼/铜复合材料拉伸强度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
本发明一种基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料，以钼金属板为基体经过铜金属等离子注入，再进行电镀铜和高温退火工艺制成，铜金属厚度为20μm，基体钼金属厚度为1mm，其中钼金属与铜金属之间产生了界面扩散层，其点焊时的焊接强度达到73MPa。
上述铜/钼/铜复合材料的制备方法主要包括钼金属板的预处理（打磨、脱脂处理和酸洗活化处理）、铜金属等离子注入、钼金属板表面电镀铜和氩气保护退火；具体步骤如下：
钼金属板的预处理：将钼金属板试样首先经过打磨，以使其表面状态均一，并除去氧化膜；随后将试样在脱脂液中进行脱脂处理，脱脂后将试样用流水反复冲洗，清洗后试样表面水膜状态均一，不挂液，即为脱脂成功；将脱脂后试样放入10%的硫酸溶液中进行处理，以进一步清除试样表面的氧化物，使试样裸露出纯钼金属，酸洗处理后的试样经过流水反复冲洗，并用去离子水清洗后进行真空干燥。
铜金属等离子注入：铜金属等离子注入是通过MEVVA Ⅱ A-H源强流离子注入机（北京师范大学低能核物理研究所生产进行的，如图1所示，该离子注入机包括离子源1、真空注入室3、靶盘5、真空***、高压和***控制柜9；所述真空***由真空扩散泵6、真空维持泵7和机械泵8组成，所述真空***与真空注入室3通过阀门连接；所述靶盘5位于真空注入室3内；所述离子源1位于真空注入室3上方并与所述靶盘5呈倾斜相对布置；所述离子源1包括有弧压、触发压和高压。
注入时，打开金属离子注入机真空室3，将钼金属板试样4放在靶盘5上，启动真空***抽真空，真空***由真空扩散泵6、真空维持泵7和机械泵8组成，真空***与真空注入室3用阀门连接。开始用机械泵8先抽低真空，当低真空达到1Pa以下后用扩散泵6抽高真空，当高真空达到3×10-3Pa后，开始调节工艺参数。打开离子源预热5分钟，在高压和***控制柜9上将弧压升至12v，触发压升至16v。将弧压和触发压调完后，升负压至2kv，高压升至60kv，开始注入工作。注入过程中不断调节触发频率，保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2左右，注入期间真空度保持在1×10-3Pa以下。注入结束后，先不将注入有铜离子的钼金属板试样取出，而是放在真空注入室3中16小时后，再打开该真空注入室取出。
钼金属板表面电镀铜：
本发明选用焦磷酸盐镀铜，所用各种试剂均为化学纯，镀液用去离子水配制。将上述经过铜金属等离子注入的钼金属板试样为阴极，铜为阳极；镀液的pH值控制在9.0左右较宜，为便于试剂操作，本发明奖pH值控制在8.5-9.5之间，镀液配方及工艺条件为：焦磷酸铜80g/L，焦磷酸钾300g/L，柠檬酸铵15g/L，pH9.0，温度15-40℃，阴阳极面积比1:1-2，电流密度1-2A·dm-2,电镀时间为4-6分钟；如图2所示，渡槽10中充满有镀液11，渡槽10的两侧布置有铜金属板作为阳极12，中间布置有铜金属等离子注入的钼金属板试样作为阴极13，阳极12和阴极13连接至电源14。
氩气保护退火：退火是在1个大气压的氩气保护下，在气氛退火炉中于900℃温度下保温4小时。气氛退火炉为南京大学仪器厂生产的GSL1200X退火炉。退火时，将经过离子注入、表面覆铜的钼金属板试样放在方舟内，然后在退火炉内进行退火，所使用的氩气纯度为99.999%。加热时，氩气冲入2小时后升温至900℃，升温速率为250℃以下时5℃/分钟，250℃以上为8℃/分钟。在900℃保温4小时，然后以10℃/分钟降温，当炉内温度达到200℃时关闭炉子电源，当炉内温度为30℃时开炉取出试样，所得试样即为铜/钼/铜复合材料。
以下是本发明的具体实施例，但本发明不限于下述实施例。其中，铜金属等离子注入工艺、钼金属板表面电镀铜的镀液配方、氩气保护退火工艺同上。
实施例1
将金属钼板经过打磨脱脂处理后，用10%的硫酸溶液进行清洗除去表面氧化物，使试样裸露出纯钼金属，将纯钼板放在MEVVA Ⅱ A-H源强流离子注入机中，进行铜金属等离子注入，负压为2kv，高压升至60kv，开始注入工作。注入过程不断调节触发频率，保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2左右，真空度保持在1×10-3Pa以下，注入剂量为1.7×1017个/cm2，注入结束后，放在真空注入室中16小时后，打开真空注入室取出试样。试样取出后进行电镀铜，pH9.0，温度30℃，阴阳极面积比1:1，电流密度为1A/dm2，电镀时间为4分钟；电镀结束后在空气中干燥24小时。图3为该实施例1制备得到（未进行退火处理）的铜/钼/铜复合材料的表面微观形貌照片。
实施例2
将金属钼板经过打磨脱脂处理后，用10%的硫酸溶液进行清洗除去表面氧化物，使试样裸露出纯钼金属，将纯钼板放在MEVVA Ⅱ A-H源强流离子注入机中，进行铜金属等离子注入，负压为2kv，高压升至60kv，开始注入工作。注入过程不断调节触发频率，保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2左右，真空度保持在1×10-3Pa以下，注入剂量为1.7×1017个/cm2，注入结束后，放在真空注入室中16小时后，打开真空注入室取出试样。试样取出后进行电镀铜，pH9.0，温度25℃，阴阳极面积比1:1.5，电流密度为2A/dm2，电镀时间为4分钟；电镀结束后在空气中干燥24小时。干燥后将试样在氩气气氛炉中900℃温度下保温4小时。图4为该实施例2制备得到的铜/钼/铜复合材料的表面微观形貌照片；
实施例3
将钼金属板经过打磨脱脂处理后，用10%的硫酸溶液进行清洗出去表面氧化物，使试样裸露出纯钼金属，将纯钼板放在MEVVA Ⅱ A-H源强流离子注入机中，进行铜金属等离子注入，负压为2kv，高压升至60kv，开始注入工作。注入过程不断调节触发频率，保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2左右，真空度保持在1×10-3Pa以下，注入剂量为1.7×1017个/cm2，注入结束后，放在真空室中16小时后，打开真空室取出试样。试样取出后进行电镀铜，pH9.0，温度35℃，阴阳极面积比1:1.5，电流密度为1A/dm2，电镀时间为5分钟，电镀结束后在空气中干燥24小时。干燥后将试样在氩气气氛炉中900℃温度下保温4小时。图5为该实施例3制备得到的铜/钼/铜复合材料经过拉伸后的断面微观形貌照片。
实施例4
将钼板经过打磨脱脂处理后，用10%的硫酸溶液进行清洗出去表面氧化物，使试样裸露出纯钼金属，将纯钼板放在MEVVA Ⅱ A-H源强流离子注入机中，进行铜金属等离子注入，负压为2kv，高压升至60kv，开始注入工作。注入过程不断调节触发频率，保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2左右，真空度保持在1×10-3Pa以下，注入剂量为1.7×1017个/cm2，注入结束后，放在真空室中16小时后，打开真空室取出试样。试样取出后进行电镀铜，pH9.0，温度40℃，阴阳极面积比1:2，电流密度为1A/dm2，电镀时间为6分钟，电镀结束后在空气中干燥24小时。干燥后将试样在氩气气氛炉中900℃温度下保温4小时。图6为该实施例4制备得到的铜/钼/铜复合材料焊接拉伸示意图，其中：31为固定台，32为固定夹，33为铜/钼/铜复合材料，34为铜箔，35为焊点；图7示出了图6所示对实施例4制备得到的铜/钼/铜复合材料进行的焊接拉伸实验的拉伸强度曲线。
综上所述，当温度保持在20~40℃，阴阳极面积为1:1-2时，电流密度保持在1-2A/dm2时，都可以得到表面致密均匀的铜/钼/铜复合材料如附图5，但当在温度范围内随着电镀温度的升高即为40℃，阴阳极面积比的增加即为1:2时，铜/钼/铜复合材料的焊接拉伸强度最大，如图7所示。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料，其特征在于：
以钼金属板为基体经过铜金属等离子注入，再进行电镀铜和高温退火工艺制成；
铜金属厚度为20μm，基体钼金属厚度为1mm，钼金属与铜金属之间形成有界面扩散层；
点焊时的焊接强度达到73MPa。
2.根据权利要求1所述基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
钼金属板的预处理：将钼金属板经过打磨、脱脂处理和酸洗活化处理后，用去离子水清洗并真空干燥；
铜金属等离子注入：在离子注入机上将铜金属等离子注入上述钼金属板中，铜金属等离子注入剂量为1.7×1017ions/cm2，注入能量为120KeV；将注入有铜离子的钼金属板在离子注入机的真空室中放置16小时后取出；
钼金属板表面电镀铜：将上述经过铜金属等离子注入的钼金属板为阴极，铜为阳极，在铜盐镀液中进行电镀，实现钼金属板表面覆铜；
氩气保护退火：在1个大气压的氩气保护下，在气氛退火炉中于900℃温度下保温4小时进行退火。
3.根据权利要求2所述基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料的制备工艺，其中，铜金属等离子注入的工艺参数为：弧压升至12v，触发压升至16v，负压升至2Kv，高压升至60Kv，注入过程中不断调节触发频率，并保持束流密度为2.0~2.5μA·cm-2，真空度保持在1×10-3Pa以下。
4.根据权利要求2所述基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料的制备工艺，其中，所采用的离子注入机包括离子源（1）、真空注入室（3）、靶盘（5）、真空***、高压和***控制柜（9）；所述真空***由真空扩散泵（6）、真空维持泵（7）和机械泵（8）组成，所述真空***与真空注入室（3）通过阀门连接；所述靶盘（5）位于真空注入室（3）内；所述离子源（1）位于真空注入室（3）上方并与所述靶盘（5）呈倾斜相对布置；所述离子源（1）包括有弧压、触发压和高压。
5.根据权利要求2所述基于辐照损伤扩散合金化的铜/钼/铜复合材料的制备工艺，其中，气氛退火炉为南京大学仪器厂生产的GSL1200X退火炉；退火时，将经过铜金属等离子注入、表面覆铜的钼金属板放在方舟内，然后在退火炉内进行退火，所使用的氩气纯度为99.999%；加热时，氩气冲入2小时后升温至900℃，升温速率为250℃以下时5℃/分钟，250℃以上为8℃/分钟；在900℃保温4小时，然后以10℃/分钟降温，当炉内温度达到200℃时关闭炉子电源；当炉内温度为30℃时，开炉取出经过退火处理后的上述钼金属板，即为铜/钼/铜复合材料。
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