一种高强韧性低电阻率层状金属及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强韧性低电阻率层状金属及其制备方法，该金属由一层大晶粒层和一层小晶粒层交替构成，层界面之间属于金属键结合，并且大晶粒层和小晶粒层中均表现为双峰晶粒的异构分布，晶粒内部位错密度极低，小于1.1

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧性低电阻率层状金属及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料科学与工程和电气工程领域，具体地说是涉及一种具有高强韧性和导电性的金属材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]工业应用中，金属材料的强度、塑性和导电性是三个至关重要的性能。比如导电磁铁线圈中的导线在受到巨大电磁力作用下的同时也需要其具有较低电阻率。作为芯片和外部电路之间的电连接引线(也称为键合丝)需要有一定强度和塑性的同时还得要有优秀的导电性能。但是常规的高导电材料往往具有较低的强度，例如Cu、Ag、Au、Ni等。然而通过各种材料强化机制(如固溶强化、位错强化、晶粒细化、沉淀相等)将其强度提高后又会导致其电阻率大大增高，塑性也会降低，这是因为这些强化机制往往会在材料内部引入大量的缺陷(点缺陷、线缺陷和面缺陷)，这些缺陷的存在会显著增大对电子的散射作用，从而降低材料导电性能，也会抑制位错的相互作用，降低材料的塑性。例如，在纯Cu中加入一种或几种其他元素形成铜合金使得纯Cu的强度提高了2
‑
3倍，但是也导致了其导电性能降低到了纯Cu的10％
–
40％，塑性也会降低(文献1：申勇峰，卢磊，陈先华，钱立华，卢柯，纳米孪晶纯Cu的强度和导电性，物理，344
‑
347，05(2005))。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高强韧性低电阻率层状金属及其制备方法，该金属是一种具有层状和双峰晶粒尺寸分布的低位错密度结构材料，本专利技术提出了一种既能提高材料的强韧性，又能保持低电阻率的制备方法，采用阴极高速旋转电沉积法和以缓慢升温速度的热处理方法制备出高强韧性低电阻率层状金属材料。该方法成本较低，并且镀层厚度和结构可控，适合大批量生产，有很好的工业应用前景。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高强韧性低电阻率层状金属，该金属由一层大晶粒层和一层小晶粒层交替构成，层界面之间属于金属键结合，并且大晶粒层和小晶粒层中均表现为双峰晶粒的异构分布，晶粒内部位错密度极低，小于1.1
×
107/d m
‑2，d是晶粒尺寸。
[0005]进一步地，所述的大晶粒层的平均晶粒尺寸为2.0μm～5.0μm；
[0006]所述的小晶粒层的平均晶粒尺寸为500nm～1.8μm。
[0007]本专利技术还提供一种高强韧性低电阻率层状金属的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0008](1)根据工作服役环境的需要，选择目标沉积产物和配置相应的电镀溶液；
[0009](2)根据工件的服役环境，考虑强度和塑性的前提下，设计好每一层的厚度以及对应的电流密度，再依据法拉第定律计算每一层的电沉积时间(m＝Vρ＝1.095
×
alt，其中m，v和ρ是特定层的质量，体积和密度，a是电流效率，I是电流，t是电沉积时间)以实现层状结
构，采用电镀方法，在阴极表面逐层沉积电镀层，在电沉积过程中，阴极处于高速旋转的状态以使得阴极沉积产物与溶液之间存在切应力的作用，使得在沉积产物中生成高密度纳米孪晶结构；
[0010](3)对沉积产物进行再结晶退火，使用较低的升温速率，使得电沉积态产物中的非共格纳米孪晶界通过晶界弛豫过程逐渐共格化，降低晶界能以稳定电沉积产物。材料在后续的热处理过程中，稳定的晶界抑制晶粒粗化行为，同时细小的晶粒又有利于位错攀移至晶界或者样品表面产生湮灭，从而获得低位错密度的结构，激活有限位错源强化和韧化机制。在电沉积过程中，连接到阴极的搅拌机高速旋转，其内部碳刷的接触电阻不断变化，导致某些晶粒在较高的过电势下形核和生长，这些具有较高形核能的晶粒在后续退火中发生异常长大行为，从而在每一层电镀产物中均存在大晶粒和小晶粒的尺寸分布，即双峰结构。在双峰和层状异质结构以及由于低位错密度导致的有限位错源机制的作用下，最终实现具有高强韧性和低电阻率的特性的金属材料。
[0011]进一步地，所述的电镀溶液为电镀Cu，电镀Ni，电镀Ag或电镀Au溶液中的一种。
[0012]进一步地，所述的电镀Cu的电流密度在0.05
–
0.8mA/mm2，电镀Ni的电流密度在0.05
–
0.85mA/mm2，电镀Ag的电流密度在0.01
–
0.4mA/mm2，电镀Au的电流密度在0.01
–
1mA/mm2。
[0013]进一步地，电沉积过程中每一层的厚度控制在5
‑
2000μm，大晶粒层的电流密度为小晶粒层电流密度3
‑
10倍。
[0014]进一步地，所述的阴极连接搅拌机，使阴极转速为150
–
3000rpm。
[0015]进一步地，所述的再结晶退火的升温速率为0.1
‑
5℃/min，热处理温度在200℃至低于金属材料熔点100℃之间，热处理温度升至设定温度后，热处理保温时间在30min
‑
5h之间。
[0016]进一步地，所述的再结晶退火的的冷却方式为空冷，随炉冷却，水淬或油淬中的一种。
[0017]进一步地，阴极表面沉积的电镀层数不小于6层。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0019]1.本专利技术制备的材料具有独特的微观结构，由一层大晶粒和一层小晶粒交替构成，层界面之间属于金属键结合，结合能力强，并且大晶粒层和小晶粒层中均表现为双峰晶粒的异构分布，晶粒内部位错密度极低，小于1.1
×
107/d m
‑
2，d是晶粒尺寸，单位为m，低位错密度能激活有限位错源机制，在异构和有限位错源机制的共同作用下，材料具有高强韧性，并且由于其晶内位错密度低，对电子散射能力远低于同等强度的材料，因此该材料也具备非常好的导电性。
[0020]2.本专利技术制备的材料具有较强的应用性，本专利技术中制备的双峰晶粒尺寸分布的层状材料具备高的强韧性及电导率，因此，这种材料可以广泛应用于电气行业、计算机行业以及无线通讯行业。
[0021]3.本专利技术制备方法简单，采用传统的电镀技术，只需改进阴极运动状态以及采用合适的电沉积和热处理参数即可获得高强韧低电阻率的金属材料。
附图说明
[0022]图1为表征实施例1中电沉积装置示意图；
[0023]图中，1
–
阴极搅拌机极其支架，2
–
恒温磁力搅拌器，3
–
电源，4
–
亚克力恒温水浴槽，5
–
烧杯，6
–
温度传感器，7
–
阴极金属支架，8
–
Ni丝，9
–
阴极玻璃纤维支架，10
–
磁力搅拌转子，11
–
阳极纯Ni板，12
–
阳极导线，13
–
阴极导线；
[0024]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧性低电阻率层状金属，其特征在于，该金属由一层大晶粒层和一层小晶粒层交替构成，层界面之间属于金属键结合，并且大晶粒层和小晶粒层中均表现为双峰晶粒的异构分布，晶粒内部位错密度极低，小于1.1
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107/d m
‑2，d是晶粒尺寸。2.根据权利要求1所述的一种高强韧性低电阻率层状金属，其特征在于，所述的大晶粒层的平均晶粒尺寸为2.0μm～5.0μm；所述的小晶粒层的平均晶粒尺寸为500nm～1.8μm。3.根据权利要求1所述的一种高强韧性低电阻率层状金属的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)根据工作服役环境的需要，选择目标沉积产物和配置相应的电镀溶液；(2)设计好每一层的厚度以及对应的电流密度，再依据法拉第定律计算每一层的电沉积时间，采用电镀方法，在阴极表面逐层沉积电镀层，在电沉积过程中，阴极处于高速旋转的状态以使得阴极沉积产物与溶液之间存在切应力的作用，使得在沉积产物中生成高密度纳米孪晶结构；(3)对沉积产物进行再结晶退火，使得电沉积态产物中的非共格纳米孪晶界通过晶界弛豫过程逐渐共格化，降低晶界能以稳定电沉积产物。4.根据权利要求3所述的一种高强韧性低电阻率层状金属的制备方法，其特征在于，所述的电镀溶液为电镀Cu，电镀Ni，电镀Ag或电镀Au溶液中的一种。5.根据权利要求4所述的一种高强韧性低电阻率层状金属的制备方法，其特征在于，所述的电镀Cu的电流密度在0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：易军，胡凯，黄波，卞西磊，贾延东，王刚，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：