钼基互连片材料的制备及电阻焊工艺仿真

摘要

空间飞行器太阳能电池阵列互连片通常采用金属Ag作为互连片材料。由于地球低轨道上原子氧的存在以及热循环的影响，Ag极易出现裂纹并不断被剥蚀，最终发生脱落，这极大的影响了飞行器的使用寿命。
　　本课题组在前期研究中曾通过辐照损伤合金化的方法制备出了满足长寿命空间飞行器太阳能电池阵列互连片性能要求的 Mo/Ag层状复合材料，但该制备方法的效率较低且材料的焊接性能不如纯 Ag。为满足性能的前提下进一步提高制备效率，前期工作中课题组又通过添加中间层的方法制备出了Mo/Pt/Ag层状金属基复合材料。不过由于金属Mo表面活性低，这导致Mo/Pt界面结合强度过低。为解决上述问题，提高Mo/Pt界面的结合强度，本研究首先通过脱合金的方法在Mo表面预制了一层厚度在200 nm左右的纳米多孔层，该多孔层具有典型的孔洞与韧带结构；然后通过多次镀覆、退火和压延等十多个工艺步骤，最终获得具有良好界面结合强度的Mo/Pt/Ag层状金属基复合材料。SEM、EDS分析以及拉伸测试的结果表明当脱合金腐蚀2.5h，并且通过电镀、压延和退火工艺组合制备的Mo/Pt/Ag层状复合材料拉伸强度最高，最大值为330 gf，平均值为247.5 gf，且塑性良好，满足国军标GJB2602-1996和航天用户提出的160 gf要求。并通过分层电镀的方法解决了镀银过程中出现的起泡问题
　　此外，本文还采用 ANSYS软件对 Mo/Ag层状复合材料与砷化镓电池单面双点焊过程的温度场进行了仿真分析。预压分析结果表明，由于预压力较小且电极端面为平面，在焊接过程中各个接触区域的范围没有发生明显变化，由此可假设热电分析过程中接触电阻的长度不变。基于预压分析的结果，本文建立了热电耦合模型来模拟电阻焊过程中温度场的变化以及焊接过程中的电流分流现象。研究结果表明，在通电前期，由于接触电阻较大，接触区域温度快速上升；通电后期由于接触电阻减小，温度上升较慢。由于电流的边缘效应，接触区域电流密度呈双鼓形分布。通电初期，焊件电阻占总电阻比例较小，单面双点焊的分流现象比较严重，随着温度升高，接触电阻不断减小，分流现象逐渐减轻。实际测量结果与模拟结果的对比验证了有限元模型及其所选方法的可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 金属基复合材料

1.3 脱合金法制备纳米多孔金属

1.4 低地球轨道空间对飞行器的影响

1.5 金属钼的性质

1.6 电阻点焊及温度场模拟

1.7 研究背景及意义、研究内容和创新

第2章 纳米多孔Mo基Mo/Pt/Ag层状复合材料的制备

2.1 引言

2.2 实验原料及设备

2.3 实验技术路线

2.4 纳米多孔Mo的制备

2.5 基于纳米多孔Mo的Mo/Pt层状复合材料制备及表征

2.6 基于纳米多孔Mo的Mo/Pt/Ag层状复合材料制备及表征

2.7 基于纳米多孔Mo的Mo/Pt/Ag层状复合材料强度测试

2.8 镀银层起泡问题研究

2.9 结果与分析

第3章 Mo/Ag层状复合材料与砷化镓电池电阻点焊预压过程的数值分析

3.1 弹塑性接触有限元分析理论

3.2 预压模型的建立

3.3 材料力学性能

3.4 预压分析结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 Mo/Ag层状复合材料电阻点焊温度场模拟分析

4.1 电阻焊热电耦合分析基本控制方程

4.2 接触电阻处理

4.3 电阻点焊热电有限元模型建立

4.4 电阻点焊温度场模拟结果与分析

4.5 焊接结果与实验结果对比

4.6 本章小结

第5章 全文结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢