[发明专利]一种微纳多层结构复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种微纳多层结构复合材料及其制备方法和应用。首先，通过溅射离子源产生的Ar⁺离子束对Ag靶进行溅射，同时采用中能辅助离子源产生的高能量离子束对基材表面进行轰击，在金属箔材表面形成Ag纳米晶过渡层；然后，利用磁控溅射在Ag过渡层基础上继续沉积Ag薄膜构成微纳多层结构的复合材料。本发明在增强微纳多层结构复合材料中纳米晶薄膜与基体界面结合性能的同时，提升了复合材料的导电性能并降低了表面Ag薄膜熔点，以便在进行电阻焊时减小焊接电流，缩短焊接时间，避免引起基体的损伤以及焊接层组织因固溶化合析出而出现脆化和应力集中，同时简化发明材料的制备工艺条件以适应工业化生产的要求。

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种具有微纳多层结构的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

金属Ag具有优异的光学、热学和电学特性，因而在电互连、反射镜、透明导电膜等方面有着广泛的应用。由于极佳的导电性能和良好的可焊性，银成为互连材料的优选，用于低地球轨道空间飞行器太阳电池阵。然而，在低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)环境下由于原子氧的存在，对Ag有极强的侵蚀作用(银的原子氧反应率可达到10.5×10^-24cm³·atom^-1)，因而抵御低地球轨道空间环境的能力不足，无法满足航天飞行器长期在轨服役的要求。

国内外一些学者在金属Mo、Pd以及Fe-Ni合金等基体表面镀制Ag薄膜的工艺、性能和相关机理等方面开展了相应的研究工作。欧美等国最早于上世纪60年代就已经开始了相关研究，其中STS-8、STS-7和STS-41G等都是专门研究原子氧效应的飞行任务，在这几次飞行任务中，NASA对纯银箔、镀金银箔、镀钯银箔以及镀银钼箔等几种材料的抗原子氧侵蚀情况作了对比试验，根据试验结果发现纯银箔很快就被原子氧完全腐蚀；镀金银箔被侵蚀的速率大约为纯银箔的1/100，主要是由于表面镀层的不致密引起的针孔点蚀造成的；镀钯银箔虽然通过了实验，但在钯表面依然存在一些氧化物，并发现部分区域存在钯未完全覆盖银箔的现象，而镀银钼箔尽管钼箔未被原子氧所侵蚀，但出现了银层的剥落现象。根据这些试验结果表明，纯银箔并不适用于原子氧浓度较高的低轨道飞行任务，镀金银箔和镀钯银箔虽然可以在一定程度上减缓原子氧的侵蚀，但试验结果并不理想，根据欧空局对镀金银箔的原子氧试验也可进一步发现，镀金银箔比较容易受到温度冲击的影响，并在减应力环处产生“针孔缺陷”，原子氧可以通过这些缺陷对镀层下方的银进行侵蚀从而引起互连片最终失效。镀银钼箔的试验结果可以看出金属钼对原子氧有很强的耐侵蚀作用，但是由于Mo与Ag属于难混溶二元合金体系，直接在Mo表面镀制Ag难度大，所制备的复合材料层间结合力不高，在一定的温度冲击环境下还可能造成Ag镀层的剥落，为了提升镀银钼箔的层间结合强度，一般需要增加金属过渡层来提高Ag/Mo界面的结合强度，工艺复杂，成本也相对较高；中国发明专利(CN106048534A)公开了航天互连片用钼箔的表面处理工艺，通过在金属钼箔表现经脱脂、酸洗、碱洗、镀镍铬合金和镀银等过程，通过在其银镀层与金属Mo基材之间是通过引入镍铬合金层并进行退火处理得到的粘接层来提升镀银层与Mo基材的结合力。

可伐合金具有优良的导电性能、较好的耐热性能、低的热膨胀系数(约为5×10^-6K^-1)和良好的导热性能，且具有很强的耐原子氧侵蚀性能和更低的密度(如4J29可伐合金的密度约为8.17g·cm^-3)，相较于镀银钼箔互连材料用于空间飞行器可以减重20％左右，满足空间飞行器的轻量化需求。