專利名稱：太陽能電池互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料與制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬基復合材料制備技術，特別是一種長壽命航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/銀(Mo/Ag)層狀金屬基復合材料的制備工藝和裝置，具體為新的長壽命航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料制備的技術。
背景技術：
鉬及鉬合金具有極好的耐熱性能、高溫機械性能、低的鉬熱脹系數(shù)和高導熱系數(shù)。 其中，低的熱膨脹系數(shù)和高導熱系數(shù)使得鉬及鉬合金非常耐熱沖擊，做成結構后其熱響應非常低。另外，鉬沒有鐵磁性。因為這些特點鉬及鉬合金已經(jīng)在航天上得到很多應用由于極好的高溫機械性能，鉬及鉬合金可被用作航天飛行器液體火箭發(fā)動機的喉管、噴嘴和閥門、重返飛行器的端頭、衛(wèi)星和飛船的蒙皮、船翼及導向片；由于熱脹系數(shù)低和導熱性能好，在太陽輻射光的強烈作用下尺寸穩(wěn)定性特別好，鉬材料還可制成空間飛行器天線，在軌服役期間可保持其完全拋物的外型，而較之石墨復合天線重量更輕。由于鉬及鉬合金的上述優(yōu)勢，在國外，如歐洲空間局(ESA)已經(jīng)在航天飛行器太陽能電池陣互連片上使用鉬及鉬合金來提高LEO航天飛行器的使用壽命。而目前，我國航天飛行器太陽能電池互連片材料主要為純銀金屬箔，雖經(jīng)各種表面改性(如表面電鍍金)， 銀金屬箔抵御低地球軌道(Low Earth Orbit-LEO)空間環(huán)境損害的能力仍顯不足，這導致我國LEO航天飛行器壽命較短。另外還有一些國產(chǎn)航天器在互連片材料上采用昂貴的鍍銀的鐵鈷鎳可伐合金箔，由于鐵鈷鎳可伐合金具有鐵磁性，有可能受到地球磁場的干擾。為有效提高航天飛行器的在軌壽命和可靠性，國內(nèi)已有單位如天津大學、中國電子科技集團公司第十八研究所已經(jīng)開始研制互連片所用的鉬及鉬合金材料。采用鉬及鉬合金替代銀作為互連片材料存在的問題在于鉬的可焊性相對較差， 且高溫時會強烈氧化，且此氧化膜毫無防護作用。而銀具有良好的焊接性和導電性，因此可將鉬和銀進行層狀復合，制備出鉬/銀層狀金屬基復合材料。當航天飛行器在LEO上服役時，復合材料中的鉬金屬作為耐高溫、低熱膨脹材料，能在高溫下保持較高的強度、抵御軌道飛行過程中溫度劇烈變化帶來的熱沖擊。而材料中的銀金屬則可以提高焊接性，承擔原子氧侵蝕。因此，鉬/銀層狀金屬基復合材料同時具備了高導熱性、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)越的導電性和良好的焊接性，且抗原子氧侵蝕，不具有鐵磁性。這些特性非常適合于承受交變熱載荷的LEO航天器，將大幅度提高型號的在軌壽命和可靠性。作為金屬基復合材料的一種，層狀金屬基復合材料是利用復合技術使兩種或兩種以上物理、化學和力學性能不同的金屬在界面上實現(xiàn)牢固冶金結合而制備的一種新型材料。目前，層狀金屬基復合材料的制備方法主要有涂飾法和包覆法。涂飾法是將第二種組分材料覆蓋在金屬基體上并形成-層連續(xù)的薄膜，通常使用的方法有電鍍、熱浸、噴涂和化學氣相沉積等。包覆法是將熔化的材料或固體材料粘結在金屬基體表面，采用的方法有爆炸復合、熱軋復合、澆注復合、熱壓復合、室溫固相軋制復合、連續(xù)縫焊復合、擠壓復合、包套壓延復合、冷鐓或熱鐓復合等。包覆表層的厚度-般為總厚度的5% 20%，特殊情況可達 90%。上述層狀金屬基復合材料的制備方法基本上是基于互相固溶的合金體系，利用了加熱促使原子之間發(fā)生擴散形成界面(擴散)層制備出層狀金屬基復合材料。所謂的固溶合金體系是指在合金相圖上能夠互相形成固溶體或者化合物，形成合金時主要依靠純擴散和反應擴散。而對于本發(fā)明中的鉬_銀這樣的互不固溶體系，其生成熱為正，很難產(chǎn)生擴散實現(xiàn)合金化，上述方法是不適用的。因此有必要研究一種新的鉬/銀層狀金屬基復合材料的制備技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種長壽命航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/ 銀層狀金屬基復合材料與制備工藝，采用金屬等離子注入工藝將銀金屬離子注入到經(jīng)過脫月旨、酸洗和清洗后的鉬金屬箔中，隨后在鉬金屬箔表面采用無氰電鍍方法覆蓋銀層，最后進行氬氣保護下的高溫退火，退火過程中，銀金屬滲入至鉬金屬基體材料中，從而獲得界面強度、焊接強度都很高的鉬/銀層狀金屬基復合材料。本發(fā)明提供的一種航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料是以鉬金屬箔為基片經(jīng)過銀離子注入，再進行無氰電鍍銀和高溫退火制成，銀金屬厚度為5 μ m，基體鉬金屬厚度為12 μ m，其中，鉬金屬與銀金屬之間有厚度為1 μ m的界面擴散層，與太陽能電池片在進行單點電阻點焊時的焊接強度達到460gf。本發(fā)明提供的一種航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料的制備工藝主要包括鉬金屬箔的預處理、離子注入、無氰電鍍銀和氣體保護高溫退火處理，具體步驟1)純鉬金屬箔試片經(jīng)過打磨、脫脂處理、水洗、硫酸溶液酸洗、水洗完成預處理；脫脂處理處理的目的是使試片的表面狀態(tài)均一，并除掉部分氧化膜和油污。脫脂處理后的試片要經(jīng)流水反復沖洗。清洗后試片表面水膜狀態(tài)均一，不掛液，即為脫脂成功， 可進行下道工序。鉬金屬箔表面的清潔對于離子注入機中高真空度的獲得及維持非常重要，表面清潔還能獲得良好的離子注入效果。處理后的試片也要經(jīng)流水反復沖洗，并用去離子水清洗。2)在強流金屬離子注入機上將銀金屬離子注入鉬金屬箔試片中，注入結束后在離子注入機的真空室中放置16小時后取出；在強流金 屬離子注入機上將銀金屬離子注入至鉬金屬箔中，注入結束后在真空室中放置16個小時后取出試樣。具體是將一定劑量和能量的銀金屬離子注入到鉬金屬箔中； 注入在金屬等離子注入機上進行。注入時需要設定金屬等離子源的陰極和陽極之間的弧壓、觸發(fā)極和陰極之間的觸發(fā)壓和束流密度。為防止離子注入機出現(xiàn)頻繁打火而損害機器、 破壞真空和阻滯注入過程，弧壓和觸發(fā)壓應設定在能起弧的最低值，后期可以不斷調整。為加快注入過程，束流密度應適當調大，一旦離子注入機出現(xiàn)高壓打火則應調小。而注入劑量和注入能量按照實現(xiàn)設計的值進行。所述的離子注入過程工藝參數(shù)為弧壓升至60V，觸發(fā)壓升至80V，負壓升至2KV，高壓升至60KV，注入過程中不斷調節(jié)觸發(fā)頻率，保持束流密度為2. O 2. 5 μ A · cm_2左右，注入期間真空度保持在1 X 10_3Pa以下。所述的銀離子的注入的劑量為1. 7X1017ions/cm2，注入能量為126keV。3)使用經(jīng)過銀離子注入鉬金屬箔試片為陰極，銀箔為陽極，在銀鹽鍍液中進行無氰電鍍，實現(xiàn)鉬金屬箔試片表面覆銀；

本發(fā)明選用亞硫酸鹽鍍銀，鍍液成分主要硝酸銀、亞硫酸鈉、磷酸二氫鈉、檸檬酸鈉。電鍍時，以銀為陽極，經(jīng)過銀離子注入的鉬金屬箔為陰極，調節(jié)電鍍液的PH值為6 7， 溫度為室溫18-35°C，電流密度為0. 4-2A/dm2。為了使得電鍍層晶粒細小，加入添加劑硫代
氨基脲。所述的銀鹽鍍液AgNO330g/LNa2SO3100g/LNaH2PO435g/L檸檬酸鈉35g/L硫代氨基脲8g/L。4)在1個大氣壓的氬氣保護下，在氣氛退火爐中于800°C溫度下保溫4小時進行退火；銀離子注入后的鉬金屬箔試片表面雖然采用無氰電鍍的方法覆蓋了銀金屬層，但該覆銀層與鉬箔的結合強度很低，沒有高強度的鉬/銀界面結合，不能算是鉬/銀層狀金屬基復合材料。因此，需要對試樣進行退火處理，退火過程中利用銀金屬離子注入鉬金屬箔試片時在鉬金屬箔表面產(chǎn)生的晶體缺陷(包括空位、晶格畸變)在高溫下將覆銀層中的銀滲入至鉬金屬箔中，產(chǎn)生鉬/銀擴散層，實現(xiàn)鉬/銀界面上的冶金結合，從而制備出鉬/銀金屬基復合材料。由于銀金屬的熔點低，且飽和蒸氣壓高，如果采用真空退火工藝，銀金屬容易燒損，產(chǎn)生的銀蒸氣吸附在退火爐的樣品室壁上造成污染。因此，退火時應在1個大氣壓的氬氣保護下進行保溫退火，防止銀金屬步出現(xiàn)燒損，同時實現(xiàn)銀金屬向鉬中的擴散滲入。本發(fā)明進行以下測試1)鉬/銀層狀金屬基復合材料金相顯微鏡顯微組織觀察；2)鉬/銀層狀金屬基復合材料掃描電子顯微鏡(SEM)顯微組織的形貌觀察；3)沿復合材料深度的俄歇能譜儀成分測試；4)鉬/銀層狀金屬基復合材料的焊接強度測試。本發(fā)明采用金屬等離子注入技術，結合無氰電鍍工藝，提供了一種新的航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料的制備工藝，制備出了鉬/銀層狀金屬基復合材料。對該復合材料與太陽能電池片進行單點電阻點焊時，焊接拉伸強度達到了 460克力(gf)，達到了國家軍用標準和航天用戶提出的指標要求(國家軍用標準GJB2602-1996規(guī)定的指標為150gf，中國航天科技集團公司第八研究院提出的指標為 160gf)。


圖1 本發(fā)明銀離子注入鉬金屬箔試片裝置示意圖。
圖2 本發(fā)明鉬金屬箔試片表面無氰電鍍覆銀裝置示意圖。圖3 本發(fā)明鉬/銀層狀金屬基復合材料截面金相顯微組織照片。圖4 本發(fā)明鉬/銀層狀金屬基復合材料表面的SEM形貌觀察。圖5 本發(fā)明鉬/銀層狀金屬基復合材料截面的SEM形貌觀察。圖6 本發(fā)明沿鉬/銀層狀金屬基復合材料深度的成分俄歇能譜(AES)分析。圖7 本發(fā)明鉬/銀層狀金屬基復合材料層狀結構示意圖。圖8 本發(fā)明鉬/銀層狀金屬基復合材料焊接強度測試示意圖。圖9 本發(fā)明鉬/銀層狀金屬基復合材料焊接強度測試結果圖。
具體實施例方式結合實施例和附圖對本發(fā)明作詳細描述。圖1為銀離子注入鉬金屬箔裝置示意圖，其中，1-離子源，2-離子束，3-注入室， 4-樣品，5-靶盤，6-真空擴散泵，7-維持泵，8-機械泵，9-高壓和系統(tǒng)控制柜。該離子注入機的組成部件包括離子源、真空注入室、靶盤、真空系統(tǒng)、高壓和控制柜。其中，真空系統(tǒng)又由擴散泵、維持泵和機械泵組成，真空系統(tǒng)直接與真空注入室通過閥門連接；靶盤位于注入室中；離子源位于注入室上方，與靶盤傾斜相對。注入時，離子源加有弧壓、觸發(fā)壓和高壓。主要操作步驟如下1、對規(guī)格為200mm X 200mm X 0. 012mm的純鉬金屬箔試片首先要先經(jīng)細砂
紙打磨，以使試片的表面狀態(tài)均一，并除掉部分氧化膜。隨后將試片浸在脫脂液 (NaOH Na2CO3 Na2SiO3 = 3 2 1的混合溶液)中進行脫脂處理，脫脂處理后的試片要經(jīng)流水反復沖洗。清洗后試片表面水膜狀態(tài)均一，不掛液，即為脫脂成功。2、脫脂后的試片放入10%的硫酸溶液中進行酸洗處理，以進一步清除試片表面的氧化物，使試片裸露出純鉬金屬。酸洗處理后的試片也要經(jīng)流水反復沖洗，并用去離子水清洗。3、本發(fā)明中銀離子的注入在MEVVA II A-H源強流離子注入機上進行(北京師范大學低能核物理研究所生產(chǎn))，該注入機參照附圖1所示，工藝參數(shù)選擇結果列于表1中。表1 Ag離子注入工藝參數(shù)
權利要求
1.一種航天飛行器太陽能電池帆板互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料，其特征在于是以鉬金屬箔為基片經(jīng)過銀離子注入，再進行無氰電鍍銀和高溫退火制成，銀金屬厚度為 5 μ m,基體鉬金屬厚度為12 μ m，其中，鉬金屬與銀金屬之間有厚度為1 μ m的界面擴散層， 與太陽能電池片在進行單點電阻點焊時的焊接強度達到460gf。
2.—種權利要求1所述的太陽能電池帆板互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料的制備工藝，其特征在于主要包括鉬金屬箔的打磨和脫脂處理、酸洗活化處理、銀金屬等離子注入、鉬金屬箔表面無氰電鍍覆銀、氬氣保護退火，具體步驟1)純鉬金屬箔試片經(jīng)過打磨、脫脂處理、水洗、硫酸溶液酸洗、水洗完成預處理；2)在離子注入機上將銀離子注入鉬金屬箔試片中，注入完后試片在離子注入機真空室中放置16小時后取出；3)使用經(jīng)過銀離子注入的鉬金屬箔試片為陰極，銀板為陽極，在銀鹽鍍液中進行無氰電鍍覆銀；4)在氣氛退火爐中于800°C溫度、1個大氣壓的氬氣保護下保溫4小時進行退火。
3.按照權利要求2所述的工藝，其特征在于所述的硫酸溶液為10%的硫酸溶液。
4.按照權利要求2所述的工藝，其特征在于所述的鉬金屬箔試片為 200X200X0. 012mm。
5.按照權利要求2所述的工藝，其特征在于所述的離子注入過程工藝參數(shù)為弧壓升至60V，觸發(fā)壓升至80V，負壓升至2KV，高壓升至60KV，注入過程中不斷調節(jié)觸發(fā)頻率，保持束流密度為2. 0 2. 5μ A · cm_2，注入期間真空度保持在lX10_3Pa以下。
6.按照權利要求2所述的工藝，其特征在于所述的銀離子的注入的劑量為 1. 7X1017ions/cm2，注入能量為 126KeV。
7.按照權利要求2所述的工藝，其特征在于所述的銀鹽鍍液和工藝參數(shù) AgNO330g/LNa2SO3100g/LNaH2PO435g/L檸檬酸鈉35g/L硫代氨基脲8g/LpH6-7溫度25 °C電流密度0. 4-2A*dm2。
8.按照權利要求2所述的工藝，其特征在于所述的離子注入機離子注入機的組成部件包括離子源、真空注入室、靶盤、真空系統(tǒng)、高壓和控制柜，其中，真空系統(tǒng)又由擴散泵、維持泵和機械泵組成，真空系統(tǒng)直接與真空注入室通過閥門連接；靶盤位于注入室中；離子源位于注入室上方，與靶盤傾斜相對；注入時，離子源加有弧壓、觸發(fā)壓和高壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能電池互連片用鉬/銀層狀金屬基復合材料與制備工藝。采用真空金屬等離子注入技術，將金屬元素按照一定能量和劑量注入到經(jīng)過打磨、脫脂處理和酸洗活化處理的鉬金屬箔互連片材料中，采用無氰電鍍的方法在鉬金屬箔表面覆銀。隨后再進行氬氣保護下的高溫退火，使銀金屬元素擴散滲入鉬金屬箔中，形成鉬/銀界面的冶金結合，從獲得了具有高界面結合強度、高焊接強度的鉬/銀層狀金屬基復合材料，單點電阻點焊時其焊接(界面)強度達到了460克力(gf)。本發(fā)明摒棄了添加中間金屬層和有氰電鍍銀，制備出了鉬/銀層狀金屬基復合材料，通過了地面測試，達到了性能要求。
文檔編號H01L31/048GK102169912SQ20111000886
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2011年1月17日
發(fā)明者呼文韜, 孔德月, 王玉林, 程保義, 黃遠 申請人:天津大學