專利名稱：基于輻照損傷擴散合金化的銅/鉬/銅復合材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬基復合材料的制備技術，特別涉及一種銅/鑰/銅復合材料的制備方法
背景技術：
鑰是高熔點金屬，具有優良高溫強度保持性，低比熱，低熱膨脹系數，并且耐熱沖擊性能好，鑰的密度還具有高的彈性模量，可適用于高度高、質量輕的用途，銅具有高的導電、導熱性能，但鑰是體心立方結構，銅是面心立方結構，其鑰銅是互不相溶，各自在組分上保持相對獨立。鑰銅復合材料即具有鑰高強度、低膨脹系數的特點，又有銅優異的導熱導電性能它能很好的與電子器件中的硅基片、砷化鎵等材料匹配封接，又能避免熱應力引起的熱疲勞失效，又具有良好的導熱性能，因此可廣泛的用于電子封裝、熱沉材料以及一些大功率基礎電流模塊上。還可以應用在微波、通訊、射頻、航空航天、電子電力、大功率激光器等行業，是我國高端電子產品開發與生產的基礎。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牢固冶金而制備的一種新型材料。目前層狀金屬復合材料的制備方法主要有涂飾法和包覆法。制備鑰銅復合材料的方法主要有機械合金化、機械熱化學法、氧化物共還原法、溶膠-凝膠法等。但是這些制備方法基本上都是基于相互固溶的合金體系，利用了加熱促使原子之間發生擴散形成界面層制備出層狀金屬基復合材料。而鑰-銅是互不固溶體系，生成熱為+28KJ/mol，很難發生擴散實現合金化，上述方法不適用。因此有必要研究一種新的銅/鑰/銅層狀金屬基復合材料的制備技術。
發明內容
針對上述現有技術，本發明提供一種基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料及制備方法。通過采用金屬等離子注入工藝將銅金屬離子注入到經過打磨、脫脂處理、酸洗活化處理和表面化學刻蝕處理的鑰金屬板狀材料中，采用電鍍的方法在鑰金屬板表面覆銅，最后再進行氬氣保護下的高溫退火，使銅金屬元素擴散滲入到鑰金屬板中，形成銅/ 鑰/銅界面的冶金結合，從而獲得了具有高界面結合強度的銅/鑰/銅層狀金屬基復合材料。為了解決上述技術問題，本發明基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料，是以鑰金屬板為基體經過銅金屬等離子注入，再進行電鍍銅和高溫退火工藝制成，銅金屬厚度為20 ym，基體鑰金屬厚度為1mm，其中鑰金屬與銅金屬之間產生了界面擴散層，該銅/鑰/銅復合材料點焊時的焊接強度達到73MPa。其制備方法包括以下步驟鑰金屬板的預處理鑰金屬板經過打磨、脫脂處理和酸洗活化處理后，用去離子水清洗并真空干燥；
銅金屬等離子注入在離子注入機上將銅金屬等離子注入上述鑰金屬板中，銅金屬等離子注入劑量為1. 7X1017ionS/cm2，注入能量為120KeV ;將注入有銅離子的鑰金屬板在離子注入機的真空室中放置16小時后取出；鑰金屬板表面電鍍銅將上述經過銅金屬等離子注入的鑰金屬板為陰極，銅為陽極，在銅鹽鍍液中進行電鍍，實現鑰金屬板表面覆銅；氬氣保護退火在I個大氣壓的氬氣保護下，在氣氛退火爐中于900°C溫度下保溫4小時進行退火。進一步講，銅金屬等離子注入的工藝參數為弧壓升至12v，觸發壓升至16v，負壓升至2KV，高壓升至60KV，注入過程中不斷調節觸發頻率，并保持束流密度為
2.0 2. 5uA cnT2，真空度保持在I X KT3Pa以下。
與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明提供的銅/鑰/銅復合材料是通過離子注入產生輻照損傷，再通過電鍍法和退火燒結制備表面均勻致密，界面結合性好的復合材料。本發明獲得的銅/鑰/銅復合材料工藝簡單，生產效率高；由于退火燒結過程不但使銅向鑰金屬基體中發生熔滲，也使電鍍表面致密均勻，因此，所獲得的復合材料致密度聞。
圖1為本發明銅金屬等離子注入鑰金屬試樣的裝置示意圖，其中1 一離子源，2 —離子束，3 —真空注入室，4 一試樣，5 —靶盤，6 —真空擴散泵，7 —真空維持泵，8 —機械泵，9一聞壓和系統控制柜；圖2為本發明鑰金屬表面電鍍銅裝置示意圖，其中10_渡槽，11-鍍液，12-陽極，13-陰極，14-電源；圖3為本發明實施例1制備的未進行退火處理的銅/鑰/銅復合材料的表面微觀形貌照片；圖4為本發明實施例2制備的在氬氣氣氛爐中900°C溫度下保溫4小時的銅/鑰/銅復合材料的表面微觀形貌照片；圖5為本發明實施例3制備的銅/鑰/銅復合材料經過拉伸后的斷面微觀形貌照片;圖6為本發明實施例4制備的銅/鑰/銅復合材料焊接拉伸示意圖，其中31_固定臺，32-固定夾，33-復合材料，34-銅箔，35-焊點；圖7為本發明實施例4制備的銅/鑰/銅復合材料拉伸強度曲線。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。本發明一種基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料，以鑰金屬板為基體經過銅金屬等離子注入，再進行電鍍銅和高溫退火工藝制成，銅金屬厚度為20 u m，基體鑰金屬厚度為1mm，其中鑰金屬與銅金屬之間產生了界面擴散層，其點焊時的焊接強度達到73MPa。上述銅/鑰/銅復合材料的制備方法主要包括鑰金屬板的預處理(打磨、脫脂處理和酸洗活化處理)、銅金屬等離子注入、鑰金屬板表面電鍍銅和氬氣保護退火；具體步驟如下鑰金屬板的預處理將鑰金屬板試樣首先經過打磨，以使其表面狀態均一，并除去氧化膜；隨后將試樣在脫脂液中進行脫脂處理，脫脂后將試樣用流水反復沖洗，清洗后試樣表面水膜狀態均一，不掛液，即為脫脂成功；將脫脂后試樣放入10%的硫酸溶液中進行處理，以進一步清除試樣表面的氧化物，使試樣裸露出純鑰金屬，酸洗處理后的試樣經過流水反復沖洗，并用去離子水清洗后進行真空干燥。銅金屬等離子注入銅金屬等離子注入是通過MEVVA II A-H源強流離子注入機(北京師范大學低能核物理研究所生產進行的，如圖1所示，該離子注入機包括離子源1、真空注入室3、靶盤5、真空系統、高壓和系統控制柜9 ;所述真空系統由真空擴散泵6、真空維持泵7和機械泵8組成，所述真空系統與真空注入室3通過閥門連接；所述靶盤5位于真空 注入室3內；所述離子源I位于真空注入室3上方并與所述靶盤5呈傾斜相對布置；所述離子源I包括有弧壓、觸發壓和高壓。注入時，打開金屬離子注入機真空室3，將鑰金屬板試樣4放在靶盤5上，啟動真空系統抽真空，真空系統由真空擴散泵6、真空維持泵7和機械泵8組成，真空系統與真空注入室3用閥門連接。開始用機械泵8先抽低真空，當低真空達到IPa以下后用擴散泵6抽高真空，當高真空達到3 X KT3Pa后，開始調節工藝參數。打開離子源預熱5分鐘，在高壓和系統控制柜9上將弧壓升至12v，觸發壓升至16v。將弧壓和觸發壓調完后，升負壓至2kv，高壓升至60kv，開始注入工作。注入過程中不斷調節觸發頻率，保持束流密度為2. (T2. 5 u A ^nT2左右，注入期間真空度保持在lX10_3Pa以下。注入結束后，先不將注入有銅離子的鑰金屬板試樣取出，而是放在真空注入室3中16小時后，再打開該真空注入室取出。鑰金屬板表面電鍍銅本發明選用焦磷酸鹽鍍銅，所用各種試劑均為化學純，鍍液用去離子水配制。將上述經過銅金屬等離子注入的鑰金屬板試樣為陰極，銅為陽極；鍍液的pH值控制在9. 0左右較宜，為便于試劑操作，本發明獎PH值控制在8. 5-9. 5之間，鍍液配方及工藝條件為焦磷酸銅80g/L，焦磷酸鉀300g/L，檸檬酸銨15g/L，pH9.0，溫度15_40°C，陰陽極面積比1:1-2，電流密度1-2A -dm^2,電鍍時間為4-6分鐘；如圖2所示，渡槽10中充滿有鍍液11，渡槽10的兩側布置有銅金屬板作為陽極12，中間布置有銅金屬等離子注入的鑰金屬板試樣作為陰極13，陽極12和陰極13連接至電源14。氬氣保護退火退火是在I個大氣壓的氬氣保護下，在氣氛退火爐中于900°C溫度下保溫4小時。氣氛退火爐為南京大學儀器廠生產的GSL1200X退火爐。退火時，將經過離子注入、表面覆銅的鑰金屬板試樣放在方舟內，然后在退火爐內進行退火，所使用的氬氣純度為99. 999%。加熱時，氬氣沖入2小時后升溫至900°C，升溫速率為250°C以下時5°C /分鐘，250°C以上為8°C /分鐘。在900°C保溫4小時，然后以10°C /分鐘降溫，當爐內溫度達至IJ 200°C時關閉爐子電源，當爐內溫度為30°C時開爐取出試樣，所得試樣即為銅/鑰/銅復合材料。以下是本發明的具體實施例，但本發明不限于下述實施例。其中，銅金屬等離子注入工藝、鑰金屬板表面電鍍銅的鍍液配方、氬氣保護退火工藝同上。實施例1
將金屬鑰板經過打磨脫脂處理后，用10%的硫酸溶液進行清洗除去表面氧化物，使試樣裸露出純鑰金屬，將純鑰板放在MEVVA II A-H源強流離子注入機中，進行銅金屬等離子注入，負壓為2kv，高壓升至60kv，開始注入工作。注入過程不斷調節觸發頻率，保持束流密度為2. 0 2. 5uA cm—2左右，真空度保持在I X KT3Pa以下，注入劑量為1. 7 X IO17個/cm2，注入結束后，放在真空注入室中16小時后，打開真空注入室取出試樣。試樣取出后進行電鍍銅，PH9. 0，溫度300C，陰陽極面積比1:1，電流密度為lA/dm2，電鍍時間為4分鐘；電鍍結束后在空氣中干燥24小時。圖3為該實施例1制備得到(未進行退火處理)的銅/鑰/銅復合材料的表面微觀形貌照片。實施例2將金屬鑰板經過打磨脫脂處理后，用10%的硫酸溶液進行清洗除去表面氧化物，使試樣裸露出純鑰金屬，將純鑰板放在MEVVA II A-H源強流離子注入機中，進行銅金屬等離子注入，負壓為2kv，高壓升至60kv，開始注入工作。注入過程不斷調節觸發頻率，保持束 流密度為2. (T2.5iiA.cm_2左右，真空度保持在I X KT3Pa以下，注入劑量為1.7父1017個/cm2，注入結束后，放在真空注入室中16小時后，打開真空注入室取出試樣。試樣取出后進行電鍍銅，PH9. 0，溫度25°C，陰陽極面積比1:1.5,電流密度為2A/dm2，電鍍時間為4分鐘；電鍍結束后在空氣中干燥24小時。干燥后將試樣在氬氣氣氛爐中900°C溫度下保溫4小時。圖4為該實施例2制備得到的銅/鑰/銅復合材料的表面微觀形貌照片；實施例3將鑰金屬板經過打磨脫脂處理后，用10%的硫酸溶液進行清洗出去表面氧化物，使試樣裸露出純鑰金屬，將純鑰板放在MEVVA II A-H源強流離子注入機中，進行銅金屬等離子注入，負壓為2kv，高壓升至60kv，開始注入工作。注入過程不斷調節觸發頻率，保持束流密度為2. (T2.5iiA.cm_2左右，真空度保持在I X KT3Pa以下，注入劑量為1.7父1017個/cm2，注入結束后，放在真空室中16小時后，打開真空室取出試樣。試樣取出后進行電鍍銅，PH9. 0，溫度35°C，陰陽極面積比1:1. 5，電流密度為lA/dm2，電鍍時間為5分鐘，電鍍結束后在空氣中干燥24小時。干燥后將試樣在IS氣氣氛爐中900°C溫度下保溫4小時。圖5為該實施例3制備得到的銅/鑰/銅復合材料經過拉伸后的斷面微觀形貌照片。實施例4將鑰板經過打磨脫脂處理后，用10%的硫酸溶液進行清洗出去表面氧化物，使試樣裸露出純鑰金屬，將純鑰板放在MEVVA II A-H源強流離子注入機中，進行銅金屬等離子注入，負壓為2kv，高壓升至60kv，開始注入工作。注入過程不斷調節觸發頻率，保持束流密度為2. 0 2. 5uA .cnT2左右，真空度保持在I X KT3Pa以下，注入劑量為1. 7 X IO17個/cm2，注入結束后，放在真空室中16小時后，打開真空室取出試樣。試樣取出后進行電鍍銅，PH9.0，溫度40°C，陰陽極面積比1:2，電流密度為lA/dm2，電鍍時間為6分鐘，電鍍結束后在空氣中干燥24小時。干燥后將試樣在IS氣氣氛爐中900°C溫度下保溫4小時。圖6為該實施例4制備得到的銅/鑰/銅復合材料焊接拉伸示意圖，其中31為固定臺，32為固定夾，33為銅/鑰/銅復合材料，34為銅箔，35為焊點；圖7示出了圖6所示對實施例4制備得到的銅/鑰/銅復合材料進行的焊接拉伸實驗的拉伸強度曲線。綜上所述，當溫度保持在2(T40°C，陰陽極面積為1:1-2時，電流密度保持在1-2A/dm2時，都可以得到表面致密均勻的銅/鑰/銅復合材料如附圖5，但當在溫度范圍內隨著電鍍溫度的升高即為40°C，陰陽極面積比的增加即為1:2時，銅/鑰/銅復合材料的焊接拉伸強度最大，如圖7所示。盡管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方 式，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料，其特征在于以鑰金屬板為基體經過銅金屬等離子注入，再進行電鍍銅和高溫退火工藝制成；銅金屬厚度為20 μ m,基體鑰金屬厚度為1mm，鑰金屬與銅金屬之間形成有界面擴散層；點焊時的焊接強度達到73MPa。
2.根據權利要求1所述基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料的制備工藝， 其特征在于，包括以下步驟鑰金屬板的預處理將鑰金屬板經過打磨、脫脂處理和酸洗活化處理后，用去離子水清洗并真空干燥；銅金屬等離子注入在離子注入機上將銅金屬等離子注入上述鑰金屬板中，銅金屬等離子注入劑量為1. 7X1017ionS/cm2，注入能量為120KeV ;將注入有銅離子的鑰金屬板在離子注入機的真空室中放置16小時后取出；鑰金屬板表面電鍍銅將上述經過銅金屬等離子注入的鑰金屬板為陰極，銅為陽極，在銅鹽鍍液中進行電鍍，實現鑰金屬板表面覆銅；氬氣保護退火在I個大氣壓的氬氣保護下，在氣氛退火爐中于900°C溫度下保溫4小時進行退火。
3.根據權利要求2所述基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料的制備工藝， 其中，銅金屬等離子注入的工藝參數為弧壓升至12v，觸發壓升至16v，負壓升至2Kv，高壓升至60Κν，注入過程中不斷調節觸發頻率，并保持束流密度為2. (Γ2. 5 μ A · cm_2，真空度保持在IXKT3Pa以下。
4.根據權利要求2所述基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料的制備工藝， 其中，所采用的離子注入機包括離子源(I)、真空注入室(3)、靶盤(5)、真空系統、高壓和系統控制柜(9);所述真空系統由真空擴散泵(6)、真空維持泵(7)和機械泵(8)組成，所述真空系統與真空注入室(3)通過閥門連接；所述靶盤(5)位于真空注入室(3)內；所述離子源(I)位于真空注入室(3 )上方并與所述靶盤(5 )呈傾斜相對布置；所述離子源(I)包括有弧壓、觸發壓和高壓。
5.根據權利要求2所述基于輻照損傷擴散合金化的銅/鑰/銅復合材料的制備工藝， 其中，氣氛退火爐為南京大學儀器廠生產的GSL1200X退火爐；退火時，將經過銅金屬等離子注入、表面覆銅的鑰金屬板放在方舟內，然后在退火爐內進行退火，所使用的氬氣純度為 99. 999% ;加熱時，氬氣沖入2小時后升溫至900°C，升溫速率為250°C以下時5°C /分鐘， 2500C以上為8V /分鐘；在900°C保溫4小時，然后以10°C /分鐘降溫，當爐內溫度達到 200°C時關閉爐子電源；當爐內溫度為30°C時，開爐取出經過退火處理后的上述鑰金屬板， 即為銅/鑰/銅復合材料。
全文摘要
本發明公開了一種基于輻照損傷擴散合金化的銅/鉬/銅復合材料，是以鉬金屬板為基體，將銅金屬元素按照一定的劑量和能量注入到經過打磨、脫脂處理、酸洗活化處理和表面化學刻蝕處理的鉬金屬板狀材料中，并采用電鍍的方法在鉬金屬板表面覆銅，然后再進行氬氣保護下的高溫退火工藝，使銅金屬元素擴散滲入到鉬金屬板中，鉬金屬與銅金屬之間產生界面擴散層，形成銅/鉬/銅界面的冶金結合，其中，銅金屬厚度為20μm，基體鉬金屬厚度為1mm，其點焊時焊接(界面)強度達到73MPa。本發明獲得的銅/鉬/銅復合材料工藝簡單，生產效率高，電鍍表面致密均勻，材料的致密度高。
文檔編號C23F17/00GK102995028SQ20121049140
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者黃遠, 劉貞貞, 何芳, 肖嬋 申請人:天津大學