【空間新材料進(jìn)展】輻照損傷合金化制備層狀合金的探討

1、選題文獻(xiàn)論述規(guī)范總分空間新材料進(jìn)展課程報(bào)告題目，輻照損傷合金化制備層狀合金的探討專業(yè)材料科學(xué)與工程 學(xué)號(hào)1121900133學(xué)生繆克松日期 2015年7月29日輻照損傷合金化制備層狀合金的探討摘要：輻照損傷擴(kuò)散合金化是針對(duì)互不固溶體金屬?gòu)?fù)合材料的一種制備處理方法，輻照 損傷包括空位、位錯(cuò)、晶格畸變等，此時(shí)外界如果施加退火處理，那么這些輻照 損傷可能能為后續(xù)的擴(kuò)散提供通道，實(shí)現(xiàn)了互不固溶、互不反應(yīng)的金屬之間的擴(kuò) 散和合金化，從而使得金屬界面形成了冶金結(jié)合。提高了界面強(qiáng)度，改善了結(jié)合 的性能，其界面在多類測(cè)試條件下均表現(xiàn)出了很好的性能，適用范圍廣泛，界面 強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定在整個(gè)輻

2、射損傷合金化過(guò)程中的工藝參數(shù) 對(duì)最終界面強(qiáng)度的影響，分析了影響產(chǎn)生的機(jī)理并設(shè)計(jì)了合理的mo/ag層狀金屬 復(fù)合材料的制備工藝。關(guān)鍵詞：輻照損傷合金化；層狀材料；金屬基復(fù)合材料1前目mo/ag層狀金屬基復(fù)合是以mo金屬為基體，ag金屬為表層，二者在界謝 上實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合而制備的金屬基復(fù)層合材料。其中的mo金屬為耐高溫材料，在高 溫下能保持較高的強(qiáng)度，同時(shí)還具有高的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、良好的耐熱 沖擊性能、導(dǎo)電性和耐磨性；而ag金屬則可以提高焊接性（mo的可焊性相對(duì)較 差），承擔(dān)原子氧侵蝕。3因此，mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料同時(shí)具備了高導(dǎo)熱性、 低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)越的導(dǎo)電性和良好的焊接性，且抗原

3、子氧侵蝕，不具有鐵磁性, 非常適合于承受交變熱載荷的空間飛行器上。鉬和銀兩種元素屬于互不岡溶體系 很難形成合金物質(zhì)，制備mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料的難度很大。5而運(yùn)用輻照 損傷合金化的方法，可以獲得結(jié)合良好的復(fù)合材料。1界面及界面結(jié)合強(qiáng)度決定了復(fù)合材料的力學(xué)性能，需要予以重點(diǎn)關(guān)注。4對(duì)于 本文針對(duì)mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了輻照損傷合金化的測(cè)試，界面主要為 mo基體金屬與ag表層金屬之間的界面，復(fù)合材料與砷化鎵電池片之間的點(diǎn)焊拉 伸強(qiáng)度能夠很好地表征這個(gè)界面強(qiáng)度。于是，對(duì)mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料界面 強(qiáng)度影響因素的研究就可以通過(guò)對(duì)點(diǎn)焊拉伸強(qiáng)度影響因素的研究來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些因 素主要包括

4、刻蝕工藝、復(fù)合離子注入工藝、電鍍覆ag工藝和退火工藝。22. 試驗(yàn)材料與方法62.1實(shí)驗(yàn)材料表2-1實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)table 2-1 raw materials in the experiment元素密度(g/cm3)熔點(diǎn)°c沸占°c熱導(dǎo)率x418.68w (m-k)-1線膨脹系數(shù)(0-100 °c)l0-6，c-l電導(dǎo)率10_6mq彈性模量mpa原子體積cm3/mol相對(duì)原子量ag10.596022101.019.70.637000010.3107.9mo10.226248000.344.90.193220009.495.92.2實(shí)驗(yàn)涉及方法2.2.1鋁箔表面的刻

5、蝕工藝1) 化學(xué)除油取50ml的濃鹽酸(37%)緩緩加入900ml的去離子水中，然后再將50ml的濃 硫酸(濃度為98%)緩慢加入，配置成1l的去汕溶液。將鉬箔剪切成片(locmx 10cm),先用丙酮擦拭鉬箔表面的雜質(zhì)，然后放到去油液中浸泡12分鐘，除去mo 表面的油污。2) 化學(xué)刻蝕配罝刻蝕液：先稱量700ml的去離子水，倒入燒杯中，再稱量150ml的濃鹽 酸(37%),緩緩加入到稱量好的去離子水中。緩慢加入150ml的濃硫酸(98%),在 加入過(guò)程中緩慢攪拌，防止燒杯溶液過(guò)熱。倒入濃硫酸后，用電子天平稱量80g 的鉻酐，放入溶液中，緩慢攪拌，直至完全溶解，配置成1l的刻蝕溶液。配置完成后

6、，在通風(fēng)櫥內(nèi)靜置幾個(gè)小時(shí)，然后裝入溶液瓶屮待用。把經(jīng)除油并擦拭好的mo放入刻蝕液屮，用玻璃棒慢慢攪拌，防止鉬箔貼壁， 刻蝕時(shí)間為20min。3) 超聲波清洗刻蝕完成后，取出鉬箔放入去離子水中沖洗兩次，然后再浸泡五分鐘。浸泡 完成后，取出放入乙醇(98%)中，在超聲波清洗器中超聲波清洗二十分鐘。清洗完 成后，取出晾干。2.2.2鋁箔的ag離子注入工藝在mevvaiia-h源強(qiáng)流離子注入機(jī)上進(jìn)行銀離子的注入。該離子注入機(jī)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(kuò)散泵、維持泵和機(jī)械泵組成，真空系統(tǒng)直接與真空注入室通過(guò)閥門 連接，靶盤位于注入室屮，離子源位

7、于注入室上方，與靶盤傾斜相對(duì)。銀離子注入時(shí)，打開(kāi)金屬離子注入機(jī)真空室，將經(jīng)過(guò)蝕刻的鉬箔樣品放靶盤 上，啟動(dòng)真空系統(tǒng)抽真空，真空系統(tǒng)由真空擴(kuò)散泵，維持泵，機(jī)械泵組成，真空 系統(tǒng)和注入室用閥門連接。開(kāi)始用機(jī)械泵先抽低真空，當(dāng)?shù)驼婵斩冗_(dá)到ipa以不 后，用擴(kuò)散泵抽高真空，當(dāng)高真空度達(dá)到lxl（t3pa后，幵始注入。注入時(shí)需要設(shè)定金屬等離子源的陰極和陽(yáng)極之間的弧壓、觸發(fā)極和陰極之間 觸發(fā)壓和束流密度?；汉陀|發(fā)壓要設(shè)定在能起弧的最低值，后期可以不斷調(diào)整， 因?yàn)樵O(shè)定過(guò)高的話，離子注入機(jī)會(huì)出現(xiàn)頻繁打火的現(xiàn)象，這樣不僅損害機(jī)器、破 壞真空，而且還阻滯注入過(guò)程。為加快注入過(guò)程，束流密度可以適當(dāng)調(diào)大，一旦 離子

8、注入機(jī)出現(xiàn)高壓打火則應(yīng)調(diào)小。注入劑量和注入能量按照事先設(shè)計(jì)的值進(jìn)行。 具體的注入過(guò)程和工藝參數(shù)如下：首先打開(kāi)離子源預(yù)熱五分鐘，然后在高壓和系統(tǒng)控制柜上將弧壓升至80v（弧 壓表讀值），觸發(fā)壓升至100v （觸發(fā)壓表讀值）?；汉陀|發(fā)壓設(shè)定完畢后，升 負(fù)壓至2kv,高壓升至60kev,進(jìn)行觸發(fā)開(kāi)始注入工作。注入過(guò)程不斷調(diào)節(jié)觸發(fā) 頻率，保持束流密度為2.0（ia«cnf2左右，注入期間真空度維持在lx10-3pa左右。 設(shè)定劑量注完后，重新設(shè)置劑量，然后再把高壓升至20kv,再次開(kāi)始注入，注 入環(huán)節(jié)中不斷調(diào)節(jié)弧壓和觸發(fā)壓，保證朿流不變。注入結(jié)束后，試樣不取出，放在真空室中放置8h，然后打

9、開(kāi)真空室取出試樣。 鉬箔要進(jìn)行雙面復(fù)合注入，操作與上述相同。2.3對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1）化學(xué)刻蝕前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)主要為mo基體金屬經(jīng)過(guò)和未經(jīng)化學(xué)刻蝕的復(fù)合材料試樣的點(diǎn)焊拉伸強(qiáng)度對(duì) 比。2）不同化學(xué)刻蝕吋間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)mo基體金屬分別進(jìn)行不同化學(xué)刻蝕吋間為的刻蝕，分析刻蝕時(shí)間對(duì) mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料點(diǎn)焊拉伸結(jié)合強(qiáng)度的影響。3）復(fù)合能量離子注入和單能量離子注入的對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)mo基體金屬分別進(jìn)行不同的高壓的銀離子注入。分析復(fù)合能量離子注入對(duì) mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料點(diǎn)焊拉伸結(jié)合強(qiáng)度的影響。3. 試驗(yàn)結(jié)果與討論f63.1刻蝕處理對(duì)mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料界面強(qiáng)度的影響對(duì)mo基體金屬經(jīng)過(guò)和未經(jīng)化學(xué)

10、刻蝕的復(fù)合材料試樣分別取九個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊拉仲?gòu)?qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3-1所示，閣3-1所示為兩種復(fù)合材料點(diǎn)焊拉仲?gòu)?qiáng)度 平均值的柱狀圖，標(biāo)準(zhǔn)差采用spss軟件計(jì)算所得，誤差均在2%以內(nèi)?？梢钥闯?mo基體金屬經(jīng)過(guò)刻蝕的mo/ag復(fù)合材料的點(diǎn)焊拉伸強(qiáng)度有了很大提高，大約t匕 沒(méi)有經(jīng)過(guò)刻蝕的復(fù)合材料高了大于loogf左右。顯然，化學(xué)刻蝕可以明顯提高 mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。分析原因?yàn)榻?jīng)過(guò)刻蝕的鉬箔表面積 增大，刻蝕后產(chǎn)生的蝕坑、溝槽等結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)退火成整體的鍍銀層起鎖扣作用。 這一點(diǎn)在圖3-2中可以明顯看出。圖3-2為mo基體金屬電鍍10秒后的微觀形貌， 從圖3-2中可以看到銀顆粒附著

11、在刻蝕形成的蝕坑中。表3-1焊接拉伸測(cè)試結(jié)果table 3-1 the weld tensile test results試樣載荷（gf）無(wú)刻蝕198179212165157203186170163刻蝕2502824352182792562663122405()non-etchsamplesetch250350300o20os) s.sphoi圖3d焊接強(qiáng)度平均值的柱狀閒fig.3-1 the weld tensile test results of average圖3-2 10s電鍍的掃描照什fig.3-2 sem image of 10s plating3.2刻蝕時(shí)間對(duì)mo/ag層狀金屬基

12、復(fù)合材料界面強(qiáng)度的影響圖3-3為mo基體金屬不冋刻蝕吋間的微觀形貌圖像。從圖中可以看出，刻蝕 形成溝槽的寬度與刻蝕時(shí)間成正比關(guān)系。刻蝕時(shí)間延長(zhǎng)至25 min時(shí)，刻蝕造成的 刻蝕寬度己經(jīng)達(dá)到了近lm。由于鉬箔厚度在12m左右，這樣的刻蝕寬度必然會(huì) 破壞mo基體金屬的強(qiáng)度。mo基體金屬經(jīng)不同刻蝕時(shí)間后制備的mo/ag層狀金屬 基復(fù)合材料的點(diǎn)焊拉伸強(qiáng)度結(jié)梁見(jiàn)圖3-4所示。從圖3-4可以發(fā)現(xiàn)，由刻蝕時(shí)間為 20 min的mo基體金屬制備的mo/ag復(fù)合材料的點(diǎn)焊拉仲?gòu)?qiáng)度最高，即界面強(qiáng)度 較高，分析原因是mo基體金屬表面經(jīng)20 min刻蝕后形成的蝕坑尺度正好符合銀 顆粒的附著尺度，在此范圍內(nèi)的蝕坑對(duì)鍍銀

13、層擁有更好的結(jié)合力。圖3-3 mo金屬基體不同刻蝕時(shí)間的sem照jv:(a)刻蝕15min，(b)刻蝕20min，(c)刻蝕25min，(d)刻蝕 35minfig.3-3 sem imagess of different etched time mo: (a) etched i5min，(b) etched 20min> (c) etched25min，(d) etched 35mindisplacement (mm) 250ooil) w.£peojdisplacement (mm)3 3 2coo)eolqpuofo0123displacement (mm)200(joo

14、)wuipeoj5000503-4不同刻蝕時(shí)間的mo/ag復(fù)合w料的焊接拉伸強(qiáng)度：(a)刻蝕lomin，(b)刻蝕15min, (c) 刻蝕25minfig.3-4 the weld tensile of mo/ag composites for different etched time: (a) 15min etched，(b)20min etched，(c) 25min etched3.3復(fù)合能量注入對(duì)mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料界面強(qiáng)度的影響能量越高，離子注入的深度越深，單劑量的注入只能讓離子和損傷在一定的 范圍內(nèi)存在。如果使用復(fù)合注入的方法則可讓離子和損傷的分布加大、加深。本 研究將

15、離子復(fù)合能量注入?yún)嫉母邏涸O(shè)定各不相同，加上未進(jìn)行注入直接復(fù)合，總 共六個(gè)樣品，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#和6#,其它的加工工藝相同。所制 備的mo/ag金屬基層狀復(fù)合材料進(jìn)行點(diǎn)焊拉伸強(qiáng)度測(cè)試。每個(gè)樣品選取九個(gè)點(diǎn)進(jìn) 行測(cè)試。結(jié)果如圖3-5和表3-2所示，其中圖3-5采用spss軟件計(jì)算平均值和標(biāo) 準(zhǔn)差，誤差均在2%以內(nèi)。由圖3-5可以看出：1) 由圖中可以看出，15#樣品的點(diǎn)焊拉仲?gòu)?qiáng)度明顯高于6#樣品，這說(shuō)明通過(guò)銀 離子注入造成的輻照損傷有助于銀離子的擴(kuò)散和擴(kuò)散層的形成，從而增強(qiáng)了mo/ag金屬基層狀復(fù)合材料的界而強(qiáng)度。2) 對(duì)比3#、4#和5#樣品，可以發(fā)現(xiàn)在單一能量的注入屮，隨著

16、能量的降低，mo/ag層狀金屬基復(fù)合材料的界面強(qiáng)度有所提高。這是因?yàn)樵诘湍芰康淖⑷脒^(guò)程中，注入的銀離子和所產(chǎn)生的損傷都比較靠近鉬基體的表層，更容易引導(dǎo)電鍍覆蓋的銀元素向鉬屮的擴(kuò)散。而能量達(dá)到126kev時(shí)銀離子注入和損傷相對(duì)較深，與表面的銀層相距較遠(yuǎn)，讓銀元素的擴(kuò)散通道不易達(dá)成，因而界面強(qiáng)度相對(duì)較小。3）對(duì)15#樣品，可以看出1#和2#樣品的最大強(qiáng)度和強(qiáng)度的均勻性都優(yōu)于3#、4# 和5#樣品，1#與2#樣品的平均焊接拉伸強(qiáng)度相差不大。這說(shuō)明復(fù)合能量離子 注入對(duì)于復(fù)合材料界面強(qiáng)度（包括最大強(qiáng)度和強(qiáng)度均勻性）的提高優(yōu)于于單能 量注入。宄其原因在于復(fù)合能量注入造成的輻照損傷范圍比單能量注入的要 大，

17、且銀的注入深度可以連續(xù)起來(lái)而不是單個(gè)的梯形存在，有利于銀元素滲入 的加深。另外，閣3-6中復(fù)合能量離子注入的復(fù)合材料點(diǎn)焊拉仲?gòu)?qiáng)度的誤差棒 相對(duì)較小，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)復(fù)合能量注入制備的復(fù)合材料的界而強(qiáng)度比較均勻和穩(wěn) 定，起伏沒(méi)有單能量離子注入制備的復(fù)合材料大?？偠灾捎脧?fù)合能量注入制備的復(fù)合材料（1#樣品）的界面最大強(qiáng)度最 高、平均強(qiáng)度較高，且強(qiáng)度均勻。而其它單能量注入制備的復(fù)合材料界面強(qiáng)度分 布都較為分散，差異較大，這說(shuō)明復(fù)合離子注入的環(huán)節(jié)不僅冇效的提高了復(fù)合材 料的界面強(qiáng)度，還保證了復(fù)合材料界面強(qiáng)度的穩(wěn)定性。表3-2焊接拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果table3-2 the weld tensile les

18、t results樣品拉伸強(qiáng)度（gf）i#3252663543032293032582533122#2502824352182792562663122403#2872232141752221822302411974#2603522833643772472492142345#3183633052483452121972762806#158169216295236240113681744003503002502001501005003#： 2191#： 2892#： 2824#： 2865#： 2836#： 186sample* etch+20kv< etch+5kv3-5焊接拉伸結(jié)果平均值的柱狀闃 fig.3-5 the we id tensile test re