CN106711262A - 一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间用钼/钛/银金属层状复合材料及其制备方法，复合材料包括：一层纯钼箔；两层纯钛箔；两层纯银箔，按照纯银箔、纯钛箔、纯钼箔、纯钛箔和纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构，并连接成一体，钼-钛界面和银-钛界面均以化学冶金结合。制备方法包括：按照顺序叠成类“三明治”结构的组合坯料；将组合坯料进行热轧制复合连接，轧制后，在惰性气体气氛下进一步退火处理；退火后获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。本发明的复合材料具有良好的空间环境适应性、导热性、导电性和可焊性，满足空间电子封装应用要求；其制备方法通过热轧制复合轧制复合连接形成，制作工艺简单、质量稳定可控、操作方便、可实现大面积自动化卷对卷批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及航天设备与方法领域，特别涉及一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料及其制备方法 。
背景技术
空间技术发展及昂贵的航天发射成本对航天器正常在轨运行寿命提出新的要求。由于空间环境恶劣，对航天器表面材料的作用复杂多变，长期工作于航天器表面的太阳能电池阵将遭受高能粒子、微流星、空间碎片、原子氧等侵蚀，从而影响飞行器正常在轨运行寿命。
太阳能电池阵是由单体砷化镓太阳能电池通过金属互连串接形成的阵列，目前空间太阳能电池阵上采用的互连金属材料主要为纯银互联片，其空间环境适应性较差，严重制约了航天器在轨飞行寿命。
金属钼、可伐（Kovar）合金等金属材料由于具有良好的导电、导热性能以及耐原子氧性能，而被广泛用于空间电子封装领域，相对于可伐-银复合材料，钼-银复合材料具有无剩磁性、强度高等优点，更适合用于空间电子互连。在钼箔、Kovar合金表面通过电镀银的方式制备的层状复合材料在国外已被用于空间飞行器用太阳电池互连封装，并证实了该复合材料的空间可靠性，但由于电镀技术镀制的薄膜纯度低、致密性差，导致所制备的互连片焊接可靠性还是无法与纯银互连片相比；近年来，随着国内长寿命卫星技术发展，相关单位也开展了耐原子氧金属复合材料的研制，如电子科技集团第十八研究所联合天津大学采用离子束注入技术，预先将银粒子注入到钼箔表面并对其进行高温热处理，然后通过电镀银制备互连片；采用电镀的方式在钼箔、可伐合金表面预镀缓冲层金属（如铂、镍、铬、铜、钛等），然后再电镀银制备互连片；采用在银表面镀金保护的方式制备互连片；上海空间电源研究所也采用类似的技术，在Kovar合金、钼箔表面镀银制备互连片。但由于国内电镀技术相对国外还存在一定差距，目前国内通过电镀方式制备的互连片可焊性差、镀层牢固度差，难以满足空间应用。相对于电镀而言，真空镀膜技术粒子能量高，镀层纯度与块体一致，镀制的银层致密性高，基于此，上海空间电源研究所通过缓冲层设计，采用真空镀膜技术在Kovar合金、钼箔表面沉积银镀层制备互连片，所制备互连片具有良好的可焊性，且通过了地面空间环境考核，但真空镀银成本高、不易于大面积生产，镀层致密性相对纯银互连片差。
公告号为103681952A的中国专利“空间飞行器用钼/铂/银层状金属基复合材料的制备工艺”，其中，钼基电镀银互连片是在钼箔表面预先电镀缓冲层金属薄膜，然后再电镀银。这种制备方法由于受限于镀液及工艺影响，电镀银层纯度较低、致密性差，从而导致制备的互连片可焊性差，牢固度差，表面状态易受环境影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料及其制备方法，以解决现有钼基电镀银制备的金属层状复合材料镀层不牢固、致密性差、可焊性差、电镀质量不可控、工艺复杂等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料，包括：一层纯钼箔；两层纯钛箔；两层纯银箔，按照所述纯银箔、所述纯钛箔、所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构，并连接成一体，钼-钛界面和银-钛界面均以化学冶金结合。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料中，所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的纯度均大于等于99.9%。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料中，所述纯钼箔的厚度为10~80μm。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料中，所述纯钛箔的厚度为5~15μm。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料中，所述纯银箔的厚度为8~50μm。
进一步地，所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料是用于空间砷化镓太阳能电池串、并连接。
本发明还提供一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，包括：将分别经过预处理的纯钼箔、纯钛箔和纯银箔，按照所述纯银箔、所述纯钛箔、所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构的组合坯料；
将所述组合坯料在真空或惰性气体保护下先进行恒温预处理，然后再进行轧制复合连接，轧制后的试件在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火处理完成后，获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述组合坯料进行轧制复合连接之前，对所述组合坯料进行500~750°C恒温预处理，恒温时间为10~30min。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述恒温预处理后的组合坯料进行轧制复合连接，其中，轧制温度为650~750°C，压下率为10%~40%，轧制速度为0.01~0.5m/s
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述轧制后的试件在惰性气体气氛下进一步退火处理，其中，退火温度为400~650°C，退火时间为0.5~3h
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，轧制复合环境为惰性气体气氛或真空，其中，真空环境的真空度为1Pa~1.0×10Pa。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述纯钼箔进行的预处理包括：将钼箔进行表面喷砂，采用有机溶剂去除钼箔表面油污，采用酸碱溶液去除钼箔表面氧化层。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述纯银箔进行的预处理包括：采用有机溶剂去除银箔表面的油污，采用酸碱溶液去除银箔表面的氧化层。
进一步地，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述纯钛箔进行的预处理包括：采用有机溶剂去除钛箔表面的油污，采用酸碱溶液去除钛箔表面的氧化层。
本发明提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，由于纯钼箔具有良好的耐真空原子氧性能，块体纯银箔具有较高的致密性以及良好的焊接性能，使得制备的钼-钛-银金属层状复合材料具有良好的空间环境适应性，复合材料的界面结合牢固，具有良好的空间环境适应性、导热性、导电性和可焊性，满足空间电子封装应用要求。
进一步地，空间用钼/钛/银金属层状复合材料所采用的焊接层为块体纯银箔，因此，相对传统通过电镀银或其它真空镀银技术所制备的空间用互连片可焊接性好、工艺简单可控、可实现大面积批量生产等。
本发明提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，空间用钼/钛/银金属层状复合材料由块体金属纯银箔与纯钼箔在真空环境或惰性气体保护下通过轧制复合连接形成，制作工艺简单、质量稳定可控、操作方便、可实现大面积自动化批量生产。
进一步地，在空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，由于金属钼与钛以及金属钛和银在一定温度下可形成有效固溶体，同时，在轧制复合连接前，对组合坯料进行500~750°C恒温预处理，以减小了各金属箔片的变形抗力，使得轧制复合的钼-钛-银金属层状复合材料界面结合牢固。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，由于纯钼箔具有良好的耐真空原子氧性能，块体纯银箔具有较高的致密性以及良好的焊接性能，使得制备的钼-钛-银金属层状复合材料具有良好的空间环境适应性，复合材料的界面结合牢固，具有良好的空间环境适应性、导热性、导电性和可焊性，满足空间电子封装应用要求。本发明提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，空间用钼/钛/银金属层状复合材料由块体金属纯银箔与纯钼箔在真空环境或惰性气体保护下通过轧制复合连接形成，制作工艺简单、质量稳定可控、操作方便、可实现大面积自动化卷对卷批量生产。
图1为本发明实施例提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的剖面结构示意图。参照图1，提供的一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料，包括：一层纯钼箔11；两层纯钛箔12；两层纯银箔13，按照所述纯银箔13、所述纯钛箔12、所述纯钼箔11、所述纯钛箔12和所述纯银箔13的顺序叠成类“三明治”结构，并连接成一体，钼-钛界面和银-钛界面均为化学冶金结合。
在本发明实施例中，所述纯钼箔11、所述纯钛箔12和所述纯银箔13的纯度均大于等于99.9%，所述纯钼箔的厚度为10~80μm，所述纯钛箔的厚度为5~15μm，所述纯银箔的厚度为8~50μm。
图2为本发明实施例提供的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法的步骤流程示意图。参照图2，空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，包括：
S21、将分别经过预处理的纯钼箔、纯钛箔和纯银箔，按照所述纯银箔、所述纯钛箔、所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构的组合坯料；
S22、将所述组合坯料在真空或惰性气体环境下进行轧制复合连接，其中，轧制温度为650~750°C，压下率为10%~40%，轧制速度为0.01~0.5m/s；
S23、将所述组合坯料轧制之后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，其中退火温度为400~650°C，退火时间为0.5~3h，退火处理完成后，获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。
由于金属钼与钛以及金属钛和银在一定温度下可形成有效固溶体，同时，在轧制复合连接前，对组合坯料进行500~750°C恒温预处理，以减小了各金属箔片的变形抗力，，使得轧制复合的钼-钛-银金属层状复合材料界面结合牢固。
在本发明实施例中，在所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，轧制复合环境为惰性气体气氛或真空，其中，真空环境的真空度为1Pa~1.0×10Pa。
在空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法中，对所述纯钼箔进行的预处理包括：将钼箔进行表面喷砂，采用有机溶剂去除钼箔表面油污，采用酸碱溶液去除钼箔表面氧化层；对所述纯银箔进行的预处理包括：采用有机溶剂去除银箔表面的油污，采用酸碱溶液去除银箔表面的氧化层；对所述纯钛箔进行的预处理包括：采用有机溶剂去除钛箔表面的油污，采用酸碱溶液去除钛箔表面的氧化层。
实施例1
空间用钼/钛/银金属层状复合材料中的中间层厚度为50μm、纯度为99.99%的纯钼箔，两侧助复合层厚度均为8μm、纯度为99.99%的纯钛箔，外侧两层焊接层厚度均为20μm、纯度为99.99%的纯银箔，五层之间通过轧制复合连接结合为一体，Ag/Ti/Mo/Ti/Ag界面以化学冶金结合，将该钼/钛/银金属层状复合材料采用平行电阻焊接空间砷化镓太阳电池，其焊点抗拉强度为6~8N，且界面未出现脱落现象。
制备空间用钼/钛/银金属层状复合材料的作业如下操作: 将两块20μm厚的银箔、两块8μm厚的钛箔分别依次采用异丙醇、半导体清洗液即1#电子清洗液去除银箔以及钛箔表面的油污，采用25%的氢氟酸（HF）水溶液去除银箔以及钛箔表面的氧化层；同时将一块50μm厚的钼箔表面进行喷砂处理，并依次采用异丙醇，半导体清洗液（1#电子清洗液）清洗，以去除喷砂后钼箔表面的油污以及采用5%的硫酸(H2SO2)和盐酸(HCl)混合溶液去除钼箔表面的氧化层，银箔的尺寸与钼箔一致，按纯银箔-纯钛箔-纯钼箔-纯钛箔-纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构（即 银/钛/钼/钛/银：Ag/Ti/Mo/Ti/Ag）的组合坯料；对组合坯料进行600°C恒温预处理，恒温时间为15min，完成后将组合坯料在惰性气体保护下进行轧制复合连接，在本实施例中惰性气体采用的是氩气，轧制温度为750°C，压下率为20%，轧制速度为0.02m/s，轧制后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火温度为550°C，退火时间为2h，退火处理完成后，获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。
实施例2
空间用钼/钛/银金属层状复合材料中的中间层厚度为30μm、纯度为99.99%的纯钼箔，两侧助复合层厚度均为6μm、纯度为99.99%的纯钛箔，外侧两层焊接层厚度均为20μm、纯度为99.99%的纯银箔，五层之间通过轧制复合连接结合为一体，Ag/Ti/Mo/Ti/Ag界面以化学冶金结合，将该钼/钛/银金属层状复合材料采用平行电阻焊接空间砷化镓太阳电池，其焊点抗拉强度为6~8N，且界面未出现脱落现象。
将两块20μm厚的银箔、两块6μm厚的钛箔分别依次采用异丙醇、半导体清洗液即1#电子清洗液去除银箔以及钛箔表面的油污，采用25%的氢氟酸（HF）水溶液去除银箔以及钛箔表面的氧化层；同时将一块30μm厚的钼箔表面进行喷砂处理，并依次采用异丙醇，半导体清洗液（1#电子清洗液）清洗，以去除喷砂后钼箔表面的油污以及采用5%的硫酸(H2SO2)和盐酸(HCl)混合溶液去除钼箔表面的氧化层，银箔的尺寸与钼箔一致，按纯银箔-纯钛箔-纯钼箔-纯钛箔-纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构（即 银/钛/钼/钛/银：Ag/Ti/Mo/Ti/Ag）的组合坯料；对组合坯料进行700°C恒温预处理，恒温时间为20min，完成后将组合坯料在惰性气体保护下进行轧制复合连接，在本实施例中惰性气体采用的是氩气，轧制温度为700°C，压下率为30%，轧制速度为0.01m/s，轧制后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火温度为550°C，退火时间为2h，退火处理完成后，获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。
实施例3
空间用钼/钛/银金属层状复合材料中的中间层厚度为15μm、纯度为99.99%的纯钼箔，两侧助复合层厚度均为6μm、纯度为99.99%的纯钛箔，外侧两层焊接层厚度均为20μm、纯度为99.99%的纯银箔，五层之间通过轧制复合连接结合为一体，Ag/Ti/Mo/Ti/Ag界面以化学冶金结合，将该钼/钛/银金属层状复合材料采用平行电阻焊接空间砷化镓太阳电池，其焊点抗拉强度为6~8N，且界面未出现脱落现象。
将两块20μm厚的银箔、两块6μm厚的钛箔分别依次采用异丙醇、半导体清洗液即1#电子清洗液去除银箔以及钛箔表面的油污，采用25%的氢氟酸（HF）水溶液去除银箔以及钛箔表面的氧化层；同时将一块15μm厚的钼箔表面进行喷砂处理，并依次采用异丙醇，半导体清洗液（1#电子清洗液）清洗，以去除喷砂后钼箔表面的油污以及采用5%的硫酸(H2SO2)和盐酸(HCl)混合溶液去除钼箔表面的氧化层，银箔的尺寸与钼箔一致，按纯银箔-纯钛箔-纯钼箔-纯钛箔-纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构（即 银/钛/钼/钛/银：Ag/Ti/Mo/Ti/Ag）的组合坯料；对组合坯料进行650°C恒温预处理，恒温时间为20min，完成后将组合坯料在惰性气体保护下进行轧制复合连接，在本实施例中惰性气体采用的是氩气，轧制温度为700°C，压下率为40%，轧制速度为0.01m/s，轧制后，在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火温度为550°C，退火时间为2h，退火处理完成后，获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料，其特征在于，包括：
一层纯钼箔；
两层纯钛箔；
两层纯银箔，按照所述纯银箔、所述纯钛箔、所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构，并连接成一体，钼-钛界面和银-钛界面均以化学冶金结合。
2.如权利要求1所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，其特征在于，所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的纯度均大于等于99.9%。
3.如权利要求1所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，其特征在于，所述纯钼箔的厚度为10~80μm。
4.如权利要求1所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，其特征在于，所述纯钛箔的厚度为5~15μm。
5.如权利要求1所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，其特征在于，所述纯银箔的厚度为8~50μm。
6.如权利要求1所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料，其特征在于，所述空间用钼/钛/银金属层状复合材料是用于空间砷化镓太阳能电池串、并连接。
7.一种空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将分别经过预处理的纯钼箔、纯钛箔和纯银箔，按照所述纯银箔、所述纯钛箔、所述纯钼箔、所述纯钛箔和所述纯银箔的顺序叠成类“三明治”结构的组合坯料；
将所述组合坯料在真空或惰性气体保护下先进行恒温预处理，然后再进行轧制复合连接，轧制后的试件在惰性气体气氛下进一步退火处理，退火处理完成后，获得空间用钼/钛/银金属层状复合材料。
8.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述组合坯料进行轧制复合连接之前，对所述组合坯料进行500~750°C恒温预处理，恒温时间为10~30min。
9.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述恒温预处理后的组合坯料进行轧制复合连接，其中，轧制温度为650~750°C，压下率为10%~40%，轧制速度为0.01~0.5m/s。
10.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述轧制后的试件在惰性气体气氛下进一步退火处理，其中，退火温度为400~650°C，退火时间为0.5~3h。
11.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，轧制复合环境为惰性气体气氛或真空，其中，真空环境的真空度为1Pa~1.0×10Pa。
12.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述纯钼箔进行的预处理包括：将钼箔进行表面喷砂处理，采用有机溶剂去除钼箔表面油污，采用酸碱溶液去除钼箔表面氧化层。
13.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述纯银箔进行的预处理包括：采用有机溶剂去除银箔表面的油污，采用酸碱溶液去除银箔表面的氧化层。
14.如权利要求7所述的空间用钼/钛/银金属层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述纯钛箔进行的预处理包括：采用有机溶剂去除钛箔表面的油污，采用酸碱溶液去除钛箔表面的氧化层。
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