CN113073245B - 一种银钼合金薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种银钼合金薄膜及其制备方法与应用，所述薄膜中包括纯银相和银固溶于钼的固溶体相。采用双靶聚焦共沉积法在任意无机材料衬底上制备得到银钼合金薄膜，薄膜中由于钼的存在，使其具有高的硬度；由于纯银相的存在，使其具有良好的导电性，同时银还可以作为软质润滑相，提高材料的摩擦学性能。通过在一种廉价、适宜的电接触材料表面涂覆一层银钼合金薄膜，既可以节约成本，又可以发挥薄膜的导电、耐磨和抗电蚀性能。还可用于电磁炮轨道涂层、抗极端高温(2000℃以上)的“发汗”材料以及银/钼复合互连材料的过渡层。

Description

一种银钼合金薄膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及电接触材料技术领域，特别涉及一种银钼合金薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

目前，电子电器行业中的电接触材料用做继电器、接触器、仪器仪表等触头，担负着接通与分断电流的任务，多以导电性最好的银与其他材料复合而成。由于纯银硬度低，抗电磨损性较差的缘故，通常需要在银基体中添加其它硬质相来增强复合材料的硬度、抗磨损、抗熔焊性等，所形成复合材料的性能优劣直接影响着电器开关和仪器仪表的可靠性和使用寿命。由于电触头在开闭过程中产生的现象极其复杂，影响因素较多，理想的电接触材料必须具备良好的物理性能、电接触性能、加工制造性能等，按照添加硬质相的类型，一般将银基电接触材料主要分为三类：银-金属氧化物、银基假合金和银基合金。一般的银基假合金复合材料有银钨、银镍、银铁等，它们不仅拥有合成材料的优良性能，还具有各组元材料的特性，如优良的抗电弧侵蚀性、耐摩擦磨损、抗熔焊性和低而稳定的接触电阻等，在整个电触头材料体系中占有重要的地位，这种复合材料还能充分发挥组元材料的协同作用，使材料设计有很大的自由度。

目前，块体银钼假合金材料一般采用粉末冶金法、熔渗、机械合金化、混粉烧结等方法制备，无论在固态，还是在熔融态，二者均不互溶，由于混合焓为正，且物化性质相差很大，混合后不发生反应，各自保持本征特性。中国专利(公布号：CN 111048339 A，一种表面具有连续抗氧化层的银钼电触头的制作方法及其产品)提出采用粉末冶金熔渗工艺制备银钼电接触头，经过表面处理形成连续抗氧化的碳化钼层，解决了由于钼在湿热环境下易被氧化造成的电阻高升甚至不导通的现象。中国专利(公布号：CN 110000374A，一种银钼触头材料的制备工艺及其产品)提出采用熔渗工艺制备了银钼电接触材料，主要是在钼颗粒外包裹银层，得到单分散的核壳钼-银材料，然后受压成型为电接触材料。

上述制备技术得到的是块体银钼复合材料，由于银和钼均是稀贵金属，成本高，难以满足电子电器领域高性能、低成本的要求。

银钼是一种难混溶体系，在平衡条件下互不固溶、互不化合，从而能形成两种单质相存在的假合金。但在非平衡条件下，如磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发等方法沉积薄膜时，难混溶体系多会形成亚稳态固溶体，不会形成平衡条件下(熔化、粉末冶金等)的假合金，而固溶体尽管硬度高，但导电性能较差，不适宜用作电接触材料涂层。因此要将银钼合金制成类似于假合金的薄膜才有可能用作电接触材料涂层。

发明内容

本发明提供了一种银钼合金薄膜及其制备方法与应用，通过物理气相沉积方法制备含纯银相的银钼合金薄膜，使银钼合金薄膜具有高的耐磨性和良好的导电性，在提高材料性能的同时，降低成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种银钼合金薄膜，所述薄膜中包括纯银相和银固溶于钼的固溶体相。

优选地，所述薄膜中，钼的原子百分含量为：50～89at.％。

优选地，所述固溶体相中，银的固溶度小于10at.％。

优选地，所述薄膜厚度为：0.1～30μm。

本发明还提供了采用双靶聚焦共沉积法在任意无机材料衬底上制备上述银钼合金薄膜的方法，其中双靶分别为纯钼靶和纯银靶。

优选地，聚焦共沉积法包括磁控溅射和离子束溅射中的一种。

优选地，所述钼靶和银靶的溅射功率比：

为0.7～0.9。

本发明还提供了上述银钼合金薄膜在电接触材料涂层中的应用。

本发明还提供了上述银钼合金薄膜在电磁炮轨道涂层中的应用。

本发明还提供了上述银钼合金薄膜在“发汗”材料中的应用。

本发明的钼银合金薄膜，由银固溶于钼的固溶体和纯银相组成，由于钼的存在，它具有高的硬度；由于纯银相的存在，它具有良好的导电性，同时银还可以作为软质润滑相，提高材料的摩擦学性能。该合金薄膜不仅可用于常用电接触材料涂层，还可用于电磁炮轨道涂层、抗极端高温(2000℃以上)涂层(“发汗”材料)以及银/钼复合互连材料的过渡层。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)本发明材料银钼合金薄膜可作为常用电接触材料的表面涂层，比块体银钼合金复合材料节约成本，提高综合性能；

(2)本发明材料银钼合金薄膜包括纯银相和银固溶于钼的固溶体相，可表现两种物相的高导电和高硬度综合特性，而采用相同方法制备的其他难混溶合金体系是一种亚稳态固溶体，硬度较高但导电性较差；

(3)本发明中钼基固溶体作为硬质耐磨相，银作为软质润滑相，使其兼具低的摩擦系数和高的耐磨性能，从而大大降低电接触点的摩擦损耗，提高电器元件的寿命；

(4)本发明材料中的固溶体是部分银原子固溶于钼晶格中，在一定程度上可降低合金的缺口敏感性，提高合金塑性；

(5)本发明材料采用真空共沉积技术制备，易得到成分和物相均匀的薄膜；

(6)本发明材料制备方法简单，只需要同时调节钼靶和银靶的电源功率，就能得到具有一定化学计量比的合金薄膜；

(7)本发明材料可通过钼(4.9×10^-6K^-1)和银(18.9×10^-6K^-1)的成分比调节热膨胀系数，使之与其它电接触材料的热膨胀系数相匹配，防止在后续工作中产生大的热应力以致开裂脱落；

(8)本发明材料还可用作电磁炮轨道涂层；利用单质银在高温下蒸发的原理，还可用作耐极端高温(2000℃以上)的“发汗”材料；利用其与银、钼材料均浸润的特性，可用作钼表面镀银薄膜的过渡层以提高膜基粘结强度。

附图说明

图1为本发明实施例1得到纯Ag薄膜SEM图(a)和X射线衍射图(b)以及纯Mo薄膜SEM图(c)和X射线衍射图(d)。

图2为本发明实施例2得到的银钼合金薄膜的SEM图(a)和X射线衍射图(b)

图3为本发明实施例3得到的银钼合金薄膜的SEM图(a)和X射线衍射图(b)

图4为本发明实施例4得到的银钼合金薄膜的SEM图(a)和X射线衍射图(b)。

图5为本发明实施例5得到的银钼合金薄膜的SEM图(a)和X射线衍射图(b)。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

首先，将单面抛光的n-Si<100>圆片裁成10mm×10mm基体，依次浸泡在丙酮、酒精溶液中各超声清洗20min，干燥后装在磁控溅射(MIS800)距样品台中心20mm的工位圆台上；然后，调节样品台转速为5rpm，垂直靶间距为55cm，单靶溅射纯膜时不改变靶头倾角，在溅射共沉积时调节两靶材中心延长线位置在样品台中心位置相聚；最后，当本底真空为5×10^-4Pa时，将样品台置于考夫曼离子源清洗工位，调节屏级和束流分别为600V，50mA，低能清洗20min，转至溅射沉积位置，调节Ar气进气量为60sccm，气压为0.8Pa，单独调节靶材功率制备薄膜。

为了观测纯钼和纯银薄膜的截面形貌，分别调节钼靶、银靶垂直正对样品表面，调节钼靶功率为200W，银靶功率为120W，预溅射5min后各打开挡板各沉积30min，分别在不同的样品台上面沉积纯银和纯钼薄膜。图1分别显示的是纯银和纯钼薄膜样品SEM截面形貌和相对应的X射线衍射花样。结果表明，纯银膜结构致密，纯钼膜呈现柱状结构。衍射花样均与对应的卡片(Ag：PDF#87-0597，Mo：PDF#89-5156)符合很好，表明该相应的物质与卡片中的纯物质相符合。采用四探针测试仪测量得出纯银、纯钼的平均电阻率分别为1.6μΩ·cm和7.2μΩ·cm。采用纳米压痕测试仪测量的纯银、纯钼薄膜的平均硬度分别为1.1GPa和10.6GPa。

实施例2

采用与实施例1相同的沉积条件，只将钼靶和银靶的倾斜角调至约30°，在同一平面内两靶头中心延长线在样品台正中心相聚，调节钼靶的功率为220W，银靶的功率为24W，得到Mo₈₆Ag₁₄薄膜，其截面形貌和X射线衍射花样如图2(a)和(b)所示，纯银和固溶体的衍射峰变的明显，结晶性很好。该薄膜测量的平均电阻率为140.7μΩ·cm，测量的平均硬度和杨氏模量分别为14.6GPa，195.1GPa。

实施例3

采用与实施例2相同的沉积条件，只将钼靶的功率调节为140W，银靶的功率调节为22W，共沉积得到Mo₇₅Ag₂₅薄膜，其截面形貌和X射线衍射花样如图3(a)和(b)所示。通过截面形貌看出薄膜由柱状和少量的颗粒组成，薄膜致密，X射线衍射花样看出峰的半高宽变得很宽。测量该薄膜的平均电阻率为164.5μΩ·cm，薄膜的平均硬度和杨氏模量分别为12.7GPa，186.0GPa。

实施例4

采用与实施例2相同的沉积条件，只将钼靶的功率调节为140W，银靶的功率变为30W，得到Mo₆₆Ag₃₄薄膜，其截面形貌和X射线衍射花样如图4(a)和(b)所示。薄膜由柱状晶和银颗粒组成，衍射花样中纯Ag的衍射峰也表现的更加明显。结合上述两个样品的结果，表明二者的固溶达到了饱和并析出，大量的银以颗粒的形式在柱状晶的间隙和中间位置析出。测量的该薄膜平均电阻率为131.9μΩ·cm，平均硬度和杨氏模量分别为9.9GPa，158.8GPa。

实施例5

采用与实施例2相同的沉积条件，只将钼靶的功率调节为140W，银靶的功率调节为42W，得到Mo₅₃Ag₄₇薄膜，其截面形貌和X射线衍射花样如图5(a)和(b)所示，纯银的衍射峰变的更加明显。测量的平均电阻率为103.1μΩ·cm，测量的平均硬度和杨氏模量分别为8.8GPa，139.4GPa，其硬度仅比纯钼的硬度稍低，但是电阻率下降了很多。

实施例6

采用离子束溅射方法在GH4169衬底上面制备厚度为0.2μm的Mo₇₉Ag₂₁样品，然后进行摩擦磨损实验。选择摩擦磨损仪(型号：WTM-2E)中的球盘式圆周运动摩擦方式，选用尺寸为5mm的Si₃N₄做摩擦副(硬度为19GPa)，法定载荷为2N，滑动速度为47mm/s，频率是3Hz，摩擦时间设为10min，最后得到该薄膜的磨损率是1.22×10^-4mm³·N^-1·m^-1，平均摩擦系数为0.52，相对于纯银(2.6×10^-4mm³·N^-1·m^-1)和纯钼(8.4×10^-4mm³·N^-1·m^-1)的磨损率，该材料的具有很低的磨损率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种银钼合金薄膜，其特征在于，所述薄膜中包括纯银相和银固溶于钼的固溶体相，所述薄膜厚度为：0.1~30µm；

所述银钼合金薄膜采用双靶聚焦共沉积法在任意无机材料衬底上制备的，其中双靶分别为纯钼靶和纯银靶；

所述聚焦共沉积法为磁控溅射；

所述薄膜中，钼的原子百分含量为：50~89 at.%；

所述固溶体相中，银的固溶度小于10 at.%；

所述钼靶和银靶的溅射功率比：

为0.7~0.9。

2.一种如权利要求1所述的银钼合金薄膜在电接触材料涂层中的应用。

3.一种如权利要求1所述的银钼合金薄膜在电磁炮轨道涂层中的应用。

4.一种如权利要求1所述的银钼合金薄膜在“发汗”材料中的应用。

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