空间新材料进展辐照损伤合金化制备层状合金的探讨资料Word下载.docx
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辐照损伤扩散合金化是针对互不固溶体金属复合材料的一种制备处理方法，辐照损伤包括空位、位错、晶格畸变等，此时外界如果施加退火处理，那么这些辐照损伤可能能为后续的扩散提供通道，实现了互不固溶、互不反应的金属之间的扩散和合金化，从而使得金属界面形成了冶金结合。
提高了界面强度，改善了结合的性能，其界面在多类测试条件下均表现出了很好的性能，适用范围广泛，界面强度高、稳定性好。
本文通过实验测定在整个辐射损伤合金化过程中的工艺参数对最终界面强度的影响，分析了影响产生的机理并设计了合理的Mo/Ag层状金属复合材料的制备工艺。
关键词：
辐照损伤合金化；
层状材料；
金属基复合材料
1.前言
Mo/Ag层状金属基复合是以Mo金属为基体，Ag金属为表层，二者在界面
上实现冶金结合而制备的金属基复层合材料。
其中的Mo金属为耐高温材料，在高温下能保持较高的强度，同时还具有高的导热性、低的热膨胀系数、良好的耐热冲击性能、导电性和耐磨性；
而Ag金属则可以提高焊接性（Mo的可焊性相对较差），承担原子氧侵蚀。
[3]因此，Mo/Ag层状金属基复合材料同时具备了高导热性、低热膨胀系数、优越的导电性和良好的焊接性，且抗原子氧侵蚀，不具有铁磁性，非常适合于承受交变热载荷的空间飞行器上。
钼和银两种元素属于互不固溶体系很难形成合金物质，制备Mo/Ag层状金属基复合材料的难度很大。
[5]而运用辐照损伤合金化的方法，可以获得结合良好的复合材料。
[1]
界面及界面结合强度决定了复合材料的力学性能，需要予以重点关注。
[4]对于本文针对Mo/Ag层状金属基复合材料进行了辐照损伤合金化的测试，界面主要为Mo基体金属与Ag表层金属之间的界面，复合材料与砷化镓电池片之间的点焊拉伸强度能够很好地表征这个界面强度。
于是，对Mo/Ag层状金属基复合材料界面强度影响因素的研究就可以通过对点焊拉伸强度影响因素的研究来实现。
这些因素主要包括刻蚀工艺、复合离子注入工艺、电镀覆Ag工艺和退火工艺。
[2]
2.试验材料与方法[6]
2.1实验材料
表2-1实验材料参数
Table2-1rawmaterialsintheexperiment
元素
密度（g/cm3）
熔点
℃
沸
点
热导率
x418.68W
·
（m·
K）-1
线膨胀
系数
（0-100℃）
10-6·
℃-1
电导率
10-6m·
Ω
弹性
模量
MPa
原子
体积
cm3/mol
相对原子量
Ag
10.5
960
2210
1.0
19.7
0.63
70000
10.3
107.9
Mo
10.2
262
4800
0.34
4.9
0.19
322000
9.4
95.9
2.2实验涉及方法
2.2.1铝箔表面的刻蚀工艺
1）化学除油
取50mL的浓盐酸（37%）缓缓加入900mL的去离子水中，然后再将50mL的浓硫酸（浓度为98%）缓慢加入，配置成1L的去油溶液。
将钼箔剪切成片（10cm×
10cm），先用丙酮擦拭钼箔表面的杂质，然后放到去油液中浸泡12分钟，除去Mo表面的油污。
2）化学刻蚀
配置刻蚀液：
先称量700mL的去离子水，倒入烧杯中，再称量150mL的浓盐酸（37%），缓缓加入到称量好的去离子水中。
缓慢加入150mL的浓硫酸（98%），在加入过程中缓慢搅拌，防止烧杯溶液过热。
倒入浓硫酸后，用电子天平称量80g的铬酐，放入溶液中，缓慢搅拌，直至完全溶解，配置成1L的刻蚀溶液。
配置完成后，在通风橱内静置几个小时，然后装入溶液瓶中待用。
把经除油并擦拭好的Mo放入刻蚀液中，用玻璃棒慢慢搅拌，防止钼箔贴壁,刻蚀时间为20min。
3）超声波清洗
刻蚀完成后，取出钼箔放入去离子水中冲洗两次，然后再浸泡五分钟。
浸泡完成后，取出放入乙醇（98%）中，在超声波清洗器中超声波清洗二十分钟。
清洗完成后，取出晾干。
2.2.2铝箔的Ag离子注入工艺
在MEVVAⅡA-H源强流离子注入机上进行银离子的注入。
该离子注入机的组成部件包括离子源、真空注入室、靶盘、真空系统、高压和控制柜。
其中，真空系统又由扩散泵、维持泵和机械泵组成，真空系统直接与真空注入室通过阀门连接，靶盘位于注入室中，离子源位于注入室上方，与靶盘倾斜相对。
银离子注入时，打开金属离子注入机真空室，将经过蚀刻的钼箔样品放靶盘上，启动真空系统抽真空，真空系统由真空扩散泵，维持泵，机械泵组成，真空系统和注入室用阀门连接。
开始用机械泵先抽低真空，当低真空度达到1Pa以下后，用扩散泵抽高真空，当高真空度达到1×
10-3Pa后，开始注入。
注入时需要设定金属等离子源的阴极和阳极之间的弧压、触发极和阴极之间触发压和束流密度。
弧压和触发压要设定在能起弧的最低值，后期可以不断调整，因为设定过高的话，离子注入机会出现频繁打火的现象，这样不仅损害机器、破坏真空，而且还阻滞注入过程。
为加快注入过程，束流密度可以适当调大，一旦离子注入机出现高压打火则应调小。
注入剂量和注入能量按照事先设计的值进行。
具体的注入过程和工艺参数如下：
首先打开离子源预热五分钟，然后在高压和系统控制柜上将弧压升至80V（弧压表读值），触发压升至100V（触发压表读值）。
弧压和触发压设定完毕后，升负压至2KV，高压升至60keV，进行触发开始注入工作。
注入过程不断调节触发频率，保持束流密度为2.0μA·
cm-2左右,注入期间真空度维持在1×
10-3Pa左右。
设定剂量注完后，重新设置剂量，然后再把高压升至20KV，再次开始注入，注入环节中不断调节弧压和触发压，保证束流不变。
注入结束后，试样不取出，放在真空室中放置8h，然后打开真空室取出试样。
钼箔要进行双面复合注入，操作与上述相同。
2.3对比实验设计
1）化学刻蚀前后的对比实验
主要为Mo基体金属经过和未经化学刻蚀的复合材料试样的点焊拉伸强度对比。
2）不同化学刻蚀时间的对比实验
对Mo基体金属分别进行不同化学刻蚀时间为的刻蚀，分析刻蚀时间对Mo/Ag层状金属基复合材料点焊拉伸结合强度的影响。
3）复合能量离子注入和单能量离子注入的对比实验
对Mo基体金属分别进行不同的高压的银离子注入。
分析复合能量离子注入对Mo/Ag层状金属基复合材料点焊拉伸结合强度的影响。
3.试验结果与讨论[6]
3.1刻蚀处理对Mo/Ag层状金属基复合材料界面强度的影响
对Mo基体金属经过和未经化学刻蚀的复合材料试样分别取九个点进行点焊拉伸强度测试，测试结果如表3-1所示，图3-1所示为两种复合材料点焊拉伸强度平均值的柱状图，标准差采用SPSS软件计算所得，误差均在2%以内。
可以看出Mo基体金属经过刻蚀的Mo/Ag复合材料的点焊拉伸强度有了很大提高，大约比没有经过刻蚀的复合材料高了大于100gf左右。
显然，化学刻蚀可以明显提高Mo/Ag层状金属基复合材料的界面结合强度。
分析原因为经过刻蚀的钼箔表面积增大，且刻蚀后产生的蚀坑、沟槽等结构对经退火成整体的镀银层起锁扣作用。
这一点在图3-2中可以明显看出。
图3-2为Mo基体金属电镀10秒后的微观形貌，从图3-2中可以看到银颗粒附着在刻蚀形成的蚀坑中。
3.2刻蚀时间对Mo/Ag层状金属基复合材料界面强度的影响
图3-3为Mo基体金属不同刻蚀时间的微观形貌图像。
从图中可以看出，刻蚀形成沟槽的宽度与刻蚀时间成正比关系。
刻蚀时间延长至25min时，刻蚀造成的刻蚀宽度已经达到了近1m。
由于钼箔厚度在12m左右，这样的刻蚀宽度必然会破坏Mo基体金属的强度。
Mo基体金属经不同刻蚀时间后制备的Mo/Ag层状金属基复合材料的点焊拉伸强度结果见图3-4所示。
从图3-4可以发现，由刻蚀时间为20min的Mo基体金属制备的Mo/Ag复合材料的点焊拉伸强度最高，即界面强度较高，分析原因是Mo基体金属表面经20min刻蚀后形成的蚀坑尺度正好符合银颗粒的附着尺度，在此范围内的蚀坑对镀银层拥有更好的结合力。
3.3复合能量注入对Mo/Ag层状金属基复合材料界面强度的影响
能量越高，离子注入的深度越深，单剂量的注入只能让离子和损伤在一定的范围内存在。
如果使用复合注入的方法则可让离子和损伤的分布加大、加深。
本研究将离子复合能量注入时的高压设定各不相同，加上未进行注入直接复合，总共六个样品，分别标记为1#、2#、3#、4#、5#和6#，其它的加工工艺相同。
所制备的Mo/Ag金属基层状复合材料进行点焊拉伸强度测试。
每个样品选取九个点进行测试。
结果如图3-5和表3-2所示，其中图3-5采用SPSS软件计算平均值和标准差，误差均在2%以内。
由图3-5可以看出：
1）由图中可以看出，1~5#样品的点焊拉伸强度明显高于6#样品，这说明通过银离子注入造成的辐照损伤有助于银离子的扩散和扩散层的形成，从而增强了Mo/Ag金属基层状复合材料的界面强度。
2）对比3#、4#和5#样品，可以发现在单一能量的注入中，随着能量的降低，Mo/Ag层状金属基复合材料的界面强度有所提高。
这是因为在低能量的注入过程中，注入的银离子和所产生的损伤都比较靠近钼基体的表层，更容易引导电镀覆盖的银元素向钼中的扩散。
而能量达到126KeV时银离子注入和损伤相对较深，与表面的银层相距较远，让银元素的扩散通道不易达成，因而界面强度相对较小。
3）对1~5#样品，可以看出1#和2#样品的最大强度和强度的均匀性都优于3#、4#和5#样品，1#与2#样品的平均焊接拉伸强度相差不大。
这说明复合能量离子注入对于复合材料界面强度（包括最大强度和强度均匀性）的提高优于于单能量注入。
究其原因在于复合能量注入造成的辐照损伤范围比单能量注入的要大，且银的注入深度可以连续起来而不是单个的梯形存在，有利于银元素渗入的加深。
另外，图3-6中复合能量离子注入的复合材料点焊拉伸强度的误差棒相对较小，这说明经过复合能量注入制备的复合材料的界面强度比较均匀和稳定，起伏没有单能量离子注入制备的复合材料大。
总而言之，采用复合能量注入制备的复合材料（1#样品）的界面最大强度最
高、平均强度较高，且强度均匀。
而其它单能量注入制备的复合材料界面强度分布都较为分散，差异较大，这说明复合离子注入的环节不仅有效的提高了复合材料的界面强度，还保证了复合材料界面强度的稳定性。
4.结论[6]
1）化学刻蚀对Mo/Ag层状金属基复合材料的界面强度有着显著的影响，刻蚀工艺可以有效的增加钼箔的表面积，并且为银离子的附着提供蚀坑和沟槽等结构，有利于银的附着和下一步的渗入，从而提高界面强度。
2）刻蚀时间的长短决定着蚀坑和沟槽结构的大小，随着刻蚀时间的延长，蚀坑和沟槽的尺寸也会慢慢变大。
20min刻蚀能有效的提高复合材料的界面强度。
3）复合能量的银离子注入，可以有效的形成一系列的银离子的注入层，这些注入层由浅到深分布，更有利于银元素的扩散，复合能量银离子注入不仅可以提高Mo/Ag层状金属基复合材料的界面强度，而且还可以保证界面强度的均匀性。
5.参考文献
[1]刘贞贞.辐照损伤合金化制备互不固溶层状金属基复合材料的研究[D].天津大学,2012.
[2]秦子川.互不固溶金属体系辐照损伤合金化的热力学研究[D].天津理工大学,2013.
[3]黄远,孔德月,何芳,王玉林,刘文西.辐照损伤合金化制备Mo/Ag层状复合材料[J].金属学报,2012,10:
1253-1259.
[4]马芝存.辐照损伤合金化制备Mo/Ag系列层状金属基复合材料的研究[D].天津大学,2014.
[5]肖婵.辐照损伤合金化制备钼/铜层状金属基复合材料的研究[D].天津大学,2014.
[6]孔德月.辐照损伤扩散合金化制备互不固溶体系Mo/Ag层状金属基复合材料的研究[D].天津大学,2012.
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