CN110042357A - 无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置 - Google Patents

无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金线制备领域，具体公开了一种无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置，合金线由铁和铜组成，铁的质量百分比为20‑40wt％，铁包覆在铜线的外表面。该合金线的外部的纯铁层具有良好的导磁性，可以提高接收线圈的磁耦合效率，从而提高无线充电功率和效率。该合金线的制备方法包括：首先，选取合适尺寸的铜线；其次，通过多靶磁控溅射装置制备得到合金线母材；通过多靶磁控溅射方式在铜线表面镀铁，保证线材表面的纯铁的厚度。最后进行拉制，将合金线母材进行拉制，最终制得无线充电用合金线的成品。本发明提供的合金线制备方法，制作方便，污染较小，合金线纯铁镀层均匀，对无线充电用线材的发展具有重要的意义。

Description

无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置
技术领域
本发明属于合金线制备领域，具体涉及一种无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置。
背景技术
随着无线充电技术的发展，越来越多的电子产品实现了无线充电功能，目前无线充电多为电磁感应耦合方式实现，该电磁感应耦合原理是通过发射端线圈和接收端线圈产生的磁场相互之间的耦合实现无线充电，但目前无线充电功率较小，充电时间较长，无法适应电子产品高功率、高效率的无线充电需求。
现有的电磁感应耦合无线充电设备中，发射端和接收端线圈均为铜线导体绕制。对于铜线导体，其导电率较好，单只线圈电子转化率高，且发热量低；但对于铜线导体，其磁导率低，电磁感应耦合效率低，致使其电磁感应耦合功率有限，存在最大输出功率、充电速度上限等较小的弊端，无法实现电子产品大功率、快速无线充电的要求。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线充电用合金线制备方法及制备用的多靶磁控溅射装置以至少解决目前无线充电设备线圈导磁率低导致的输出功率低、充电速度慢等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无线充电用合金线，所述合金线由铁和铜组成，所述合金线中铁所占的质量百分比为20-40wt％；所述铁包覆在铜线的外表面。
一种制备无线充电用合金线所使用的多靶磁控溅射装置，所述多靶磁控溅射装置包括：
放线装置，所述放线装置用于将铜线以设定速度放出；
多靶磁控溅射靶材，多个磁控溅射靶材均匀分布在所述放线装置放出的铜线周向，形成多靶磁控溅射靶材；
收线装置，所述收线装置位于所述多靶磁控溅射靶材的末端，将穿过所述多靶磁控溅射靶材后形成的合金线母材接收整理；
优选地，所述磁控溅射靶材为纯铁磁控溅射靶材；
再优选地，所述多靶磁控溅射装置包括多段多靶磁控溅射靶材，多段所述多靶磁控溅射靶材平行设置，所述多靶磁控溅射靶材的两端设置有导轮，用于改变铜线的方向，便于铜线穿过所述磁控溅射靶材，多段所述多靶磁控溅射靶材的总长度不小于3m。
如上所述的多靶磁控溅射装置，作为优选方案，所述放线装置设置在放线室内，所述放线室为真空室；
所述多靶磁控溅射靶材设置在磁控溅射室内，所述磁控溅射室为真空室；
所述收线装置设置在收线室内，所述收线室为真空室；
所述放线室与所述磁控溅射室之间设置有第一密封结构，所述放线室内的铜线穿过所述第一密封结构进入所述磁控溅射室；所述磁控溅射室与所述收线室之间设置有第二密封结构，所述磁控溅射室内的合金线母材穿过所述第二密封结构进入所述收线室。
如上所述的多靶磁控溅射装置，作为优选方案，所述多靶磁控溅射装置还包括：
控制系统，所述控制系统控制所述磁控溅射室的惰性气体流量；
电源系统，所述电源系统用于为所述多靶磁控溅射装置供电，控制所述多靶磁控溅射装置的溅射速度；
真空系统，所述真空系统用于维持所述放线室、磁控溅射室和收线室内的真空度。
如上所述的多靶磁控溅射装置，作为优选方案，所述多靶磁控溅射装置还包括第一激光测径仪和第二激光测径仪，所述第一激光测径仪位于所述放线装置与所述多靶磁控溅射靶材之间的铜线周向；所述第二激光测径仪位于所述收线装置与所述多靶磁控溅射靶材之间的合金线母材周向；
优选地，所述第一激光测径仪设置在所述放线室内；
优选地，所述第二激光测径仪设置在所述收线室内。
如上所述的多靶磁控溅射装置，作为优选方案，所述第一密封结构包括进线孔和第一密封柱，所述进线孔连通所述放线室和所述磁控溅射室，所述第一密封柱密接在所述进线孔内，所述第一密封柱内开设有线材通过孔；
优选地，所述第一密封柱为氟橡胶柱。
如上所述的多靶磁控溅射装置，作为优选方案，所述第二密封结构包括出线孔和第二密封柱，所述出线孔连通所述收线室和所述磁控溅射室，所述第二密封柱密接在所述出线孔内，所述第二密封柱内开设有线材通过孔；
优选地，所述第二密封柱为氟橡胶柱。
一种的无线充电用合金线的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1，选取合适尺寸的铜线；
S2，采用所述S1中选取的铜线通过多靶磁控溅射装置制备得到合金线母材；
S3，拉制，将所述S2中制备得到的合金线母材进行拉制，制得无线充电用合金线的成品。
如上所述的无线充电用合金线的制备方法，作为优选方案，所述S2具体操作方法如下：
将所述S1中选取的铜线通过放线装置放出，铜线穿过第一密封结构进入磁控溅射室，并在磁控溅射室内的导轮的引导下依次穿过多个多靶磁控溅射靶材，通过纯铁的多靶磁控溅射靶材对铜线表面进行纯铁溅射，从而得到合金线母材，合金线母材通过第二密封结构进入收线室并经收线装置收卷；在溅射过程中，第二激光测径仪实时测量所述合金线母材的线径，控制系统结合第一激光测径仪和第二激光测径仪测得的线径计算出合金线母材中铁的含量，并通过电源系统实时调整溅射速度，使合金线母材中铁的质量分数满足预设范围，从而得到合格的合金线母材。
如上所述的无线充电用合金线的制备方法，作为优选方案，所述S3具体操作方法如下：
将所述S2中制备得到的合金线母材进行拉制加工，在拉制的过程中拉丝压缩率为6-8％，拉制模具入口区角度不高于14°，拉制速度200-400m/min，拉丝液采用中性拉丝液，拉丝液浓度为2-8％，拉丝液温度30-45℃，从而制得无线充电用合金线的成品。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明提供的无线充电用合金线，通过在铜线的表面利用磁控溅射的方式镀一层铁，形成合金线，该合金线内部的铜线具有良好的导电性，可以保持发射线圈的高电磁转化效率。该合金线的外部的纯铁层具有良好的导磁性，可以提高接收线圈的磁耦合效率，从而提高无线充电功率和效率。本发明还提供该无线充电用合金线的制备方法及制备该合金线用的多靶磁控溅射装置，通过多靶磁控溅射方式在铜线表面镀铁，既可以实现纯铁在线材表面沉积，又消除了电镀方式对环境的污染，还可以保证线材表面的纯铁的厚度。此外，通过在前后两端设置激光测径仪对镀层厚度进行检测，实现了镀层厚度的精确控制。再一点，由于铁与铜的塑形形变差异较大，对于铜镀铁线材进行拉制加工时，如果压缩率过大将导致镀层拉制加工时脱落或破裂。本发明提供的高导磁高导电铜合金线拉制方法确保了加工后的镀层的完整性，且线材平直不卷曲。本发明提供的合金线制备方法，制作方便，污染较小，合金线纯铁镀层均匀，具有高导磁高导电的优异性能，对无线充电用线材的发展具有重要的意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1为本发明实施例的多靶磁控溅射装置结构示意图。
图中：1、放线室；101、放线装置；2、磁控溅射室；3、收线室；4、收线装置；5、第一激光测径仪；6、第二激光测径仪；7、多靶磁控溅射靶材；8、第一密封结构；9、第二密封结构；10、导轮；11、真空系统；12、电源系统；13、控制系统；14、进线孔；15、出线孔；16、第一密封柱；17、第二密封柱。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，本发明提供一种无线充电用合金线，合金线由铁和铜组成，合金线中铁所占的质量百分比为20-40wt％(例如22wt％、24wt％、26wt％、28wt％、30wt％、32wt％、34wt％、36wt％、38wt％)，铁包覆在铜线的外表面。
本发明还提供一种制备无线充电用合金线所使用的多靶磁控溅射装置，多靶磁控溅射装置包括：
放线装置101，放线装置101用于将铜线以设定速度放出。放线装置101设置在放线室1内，放线室1为真空室。
多靶磁控溅射靶材7，多个磁控溅射靶材均匀分布在放线装置101放出的铜线周向，形成多靶磁控溅射靶材7。在本发明的实施例中，磁控溅射靶材数量不小于3个，优选地，磁控溅射靶材数量为3-10个(例如4个、5个、6个、7个、8个、9个)。为了缩小占用空间，多靶磁控溅射装置包括多段多靶磁控溅射靶材7，多段多靶磁控溅射靶材7平行设置，多靶磁控溅射靶材7的两端设置有导轮10，用于改变铜线的方向，便于铜线穿过磁控溅射靶材。为了使铜线表面铁沉积厚度达到预设值且均匀，多段多靶磁控溅射靶材7的总长度不小于3m，优选地，多段多靶磁控溅射靶材7的总长度为3-20m(例如4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m、19m)。磁控溅射靶材为纯铁磁控溅射靶材。多靶磁控溅射靶材7设置在磁控溅射室2内，磁控溅射室2为真空室。放线室1与磁控溅射室2之间设置有第一密封结构8，放线室1内的铜线穿过第一密封结构8进入磁控溅射室2。第一密封结构8包括进线孔14和第一密封柱16，进线孔14连通放线室1和磁控溅射室2，第一密封柱16过盈配合密接在进线孔14内，第一密封柱16内开设有线材通过孔。优选地，第一密封柱16为氟橡胶柱，氟橡胶柱长度不大于5mm(比如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm)。
收线装置4，收线装置4位于多靶磁控溅射靶材7的末端，将穿过多靶磁控溅射靶材7溅射镀铁后形成的合金线母材接收整理。收线装置4设置在收线室3内，收线室3为真空室。磁控溅射室2与收线室3之间设置有第二密封结构9，磁控溅射室2内的合金线母材穿过第二密封结构9进入收线室3。第二密封结构9包括出线孔15和第二密封柱17，出线孔15连通收线室3和磁控溅射室2，第二密封柱17过盈配合密接在出线孔15内，第二密封柱17内开设有线材通过孔。优选地，第二密封柱17为氟橡胶柱，氟橡胶柱长度不大于5mm(比如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm)。收线装置4的张力控制系统13采用角位移传感器控制，收线速度可实现0-300m/min无级可调。放线装置101的张力控制系统13也采用角位移传感器控制，确保放线速度与收线速度一致。
控制系统13，控制系统13控制磁控溅射室2的惰性气体流量。(通过流量计控制惰性气体流量，)控制系统13中的惰性气体流量通过流量计控制由于生产过程中惰性气体将会被消耗，要持续补充。在本实施例中，惰性气体优选氩气。
电源系统12，电源系统12用于为多靶磁控溅射装置供电，控制多靶磁控溅射装置的溅射速度。
真空系统11，真空系统11用于维持放线室1、磁控溅射室2和收线室3内的真空度。在使用时，保持放线室1、磁控溅射室2和收线室3内的真空度高于2.0×10-2Pa。
作为优选方案，多靶磁控溅射装置还包括第一激光测径仪5和第二激光测径仪6，第一激光测径仪5位于放线装置101与多靶磁控溅射靶材7之间的铜线周向。优选地，第一激光测径仪5设置在放线室1内。第二激光测径仪6位于收线装置4与多靶磁控溅射靶材7之间的合金线母材周向。优选地，第二激光测径仪6设置在收线室3内。为了便于线材均匀通过第一激光测径仪5和第二激光测径仪6，在第一激光测径仪5和第二激光测径仪6的两端均设置有导轮10。
本发明还提供上述无线充电用合金线的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S1，选取合适尺寸的铜线；在本发明的实施例中，选用直径0.1-0.5mm的铜线。
S2，采用步骤S1中选取的铜线通过多靶磁控溅射装置制备得到合金线母材；步骤S2具体操作方法如下：将步骤S1中选取的铜线通过放线装置101放出，铜线穿过第一密封结构8进入磁控溅射室2，并在磁控溅射室2内的导轮10的引导下依次穿过多个多靶磁控溅射靶材7，通过纯铁的多靶磁控溅射靶材7对铜线表面进行纯铁溅射，从而得到合金线母材，合金线母材通过第二密封结构9进入收线室3并经收线装置4收卷；在溅射过程中，第二激光测径仪6实时测量合金线母材的线径，控制系统13结合第一激光测径仪5和第二激光测径仪6测得的线径计算出合金线母材中铁的含量，并通过电源系统12实时调整溅射速度，使合金线母材中铁的质量分数满足铁所占合金线母材的质量分数为20-40wt％(例如22wt％、24wt％、26wt％、28wt％、30wt％、32wt％、34wt％、36wt％、38wt％)，从而得到合格的合金线母材。采用多靶磁控溅射方式在铜线表面镀铁，即可以实现纯铁在线材表面沉积，又消除了电镀方式对环境的污染；此外，通过在前后两端设置激光测径仪对镀层厚度进行检测，实现了镀层厚度的精确控制。
S3，拉制，将步骤S2中制备得到的合金线母材进行拉制，制得无线充电用合金线的成品。该步骤详细操作方法如下：
将步骤S2中制备得到的直径为0.1-0.5mm的合金线母材进行拉制加工至直径为0.05-0.08mm。由于铁与铜的塑形形变差异较大，对于铜镀铁线材进行拉制加工时，如果压缩率过大将导致镀层拉制加工时脱落或破裂；在拉制的过程中拉丝压缩率为6-8％，拉制模具入口区角度不高于14°，优选地，拉制模具入口区角度为2-14°(例如3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°)，拉制速度200-400m/min(例如220m/min、240m/min、260m/min、280m/min、300m/min、320m/min、340m/min、360m/min、380m/min)。由于铁容易氧化，因此在拉制过程中拉丝液采用中性拉丝液，拉丝液浓度为2-8％(例如3％、4％、5％、6％、7％)，拉丝液温度30-45℃(例如31℃、32℃、34℃、36℃、38℃、40℃、42℃、43℃、44℃)，从而制得无线充电用合金线的成品。在拉制过程中，出口模具上下、左右可调，垂直度、平行度可调，从而及时调整拉丝合金线的平直度。
S4，对步骤S3中制得的无线充电用合金线的成品进行测试，测量其导电率和磁导率，并选取相同线径的纯铜线材进行相同指标的测量，测量结果见下表1：
表1线材导电率与磁导率测量结果
指标 本发明的合金线 纯铜线
导电率(％) 100％ 100％
磁导率(H/m) 15.2×10<sup>-7</sup> 12.6×10<sup>-7</sup>
由表1可知，本发明的合金线导电率与相同线径的纯铜线的导电率相同，均为100％。本发明的合金线磁导率高于纯铜线的磁导率。从而实现了高导磁高导电的技术效果。
对于无线充电线圈导体，要求具有高的导电性同时要求高的导磁性，高的导电性可以提高发射线圈的电磁转化效率，高的导磁性可以提高接收线圈的磁耦合效率，从而提高无线充电功率和效率；对于纯铜线导体而言具有良好的导电性，但其导磁率过低，限制了无线充电功率和效率。本发明提出在纯铜线表面镀一层纯铁在确保铜线良好导电率的前提下提高导体磁导率。由于铁易于氧化，通过电镀方式无法实现在铜线基体上镀较厚的纯铁(镀层厚度折算成质量分数为铁含量20-40wt％)，且电镀存在严重环境污染；采用多靶磁控溅射方式在铜线表面镀铁，即可以实现纯铁在线材表面沉积，又消除了电镀方式对环境的污染；此外，通过在前后两端设置激光测径仪对镀层厚度进行检测，实现了镀层厚度的精确控制。再一点，由于铁与铜的塑形形变差异较大，对于铜镀铁线材进行拉制加工时，如果压缩率过大将导致镀层拉制加工时脱落或破裂；由于铁容易氧化，在拉制加工过程中拉丝液需采用中性拉丝液。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线充电用合金线，其特征在于，所述合金线由铁和铜组成，所述合金线中铁所占的质量百分比为20-40wt％；所述铁包覆在铜线的外表面。
2.一种制备无线充电用合金线所使用的多靶磁控溅射装置，其特征在于，所述多靶磁控溅射装置包括：
放线装置，所述放线装置用于将铜线以设定速度放出；
多靶磁控溅射靶材，多个磁控溅射靶材均匀分布在所述放线装置放出的铜线周向，形成多靶磁控溅射靶材；
收线装置，所述收线装置位于所述多靶磁控溅射靶材的末端，将穿过所述多靶磁控溅射靶材后形成的合金线母材接收整理；
优选地，所述磁控溅射靶材为纯铁磁控溅射靶材；
再优选地，所述多靶磁控溅射装置包括多段多靶磁控溅射靶材，多段所述多靶磁控溅射靶材平行设置，所述多靶磁控溅射靶材的两端设置有导轮，用于改变铜线的方向，便于铜线穿过所述磁控溅射靶材，多段所述多靶磁控溅射靶材的总长度不小于3m。
3.如权利要求2所述的多靶磁控溅射装置，其特征在于，所述放线装置设置在放线室内，所述放线室为真空室；
所述多靶磁控溅射靶材设置在磁控溅射室内，所述磁控溅射室为真空室；
所述收线装置设置在收线室内，所述收线室为真空室；
所述放线室与所述磁控溅射室之间设置有第一密封结构，所述放线室内的铜线穿过所述第一密封结构进入所述磁控溅射室；所述磁控溅射室与所述收线室之间设置有第二密封结构，所述磁控溅射室内的合金线母材穿过所述第二密封结构进入所述收线室。
4.如权利要求3所述的多靶磁控溅射装置，其特征在于，所述多靶磁控溅射装置还包括：
控制系统，所述控制系统控制所述磁控溅射室的惰性气体流量；
电源系统，所述电源系统用于为所述多靶磁控溅射装置供电，控制所述多靶磁控溅射装置的溅射速度；
真空系统，所述真空系统用于维持所述放线室、磁控溅射室和收线室内的真空度。
5.如权利要求4所述的多靶磁控溅射装置，其特征在于，所述多靶磁控溅射装置还包括第一激光测径仪和第二激光测径仪，所述第一激光测径仪位于所述放线装置与所述多靶磁控溅射靶材之间的铜线周向；所述第二激光测径仪位于所述收线装置与所述多靶磁控溅射靶材之间的合金线母材周向；
优选地，所述第一激光测径仪设置在所述放线室内；
优选地，所述第二激光测径仪设置在所述收线室内。
6.如权利要求5所述的多靶磁控溅射装置，其特征在于，所述第一密封结构包括进线孔和第一密封柱，所述进线孔连通所述放线室和所述磁控溅射室，所述第一密封柱密接在所述进线孔内，所述第一密封柱内开设有线材通过孔；
优选地，所述第一密封柱为氟橡胶柱。
7.如权利要求3所述的多靶磁控溅射装置，其特征在于，所述第二密封结构包括出线孔和第二密封柱，所述出线孔连通所述收线室和所述磁控溅射室，所述第二密封柱密接在所述出线孔内，所述第二密封柱内开设有线材通过孔；
优选地，所述第二密封柱为氟橡胶柱。
8.一种无线充电用合金线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1，选取合适尺寸的铜线；
S2，采用所述S1中选取的铜线通过多靶磁控溅射装置制备得到合金线母材；
S3，拉制，将所述S2中制备得到的合金线母材进行拉制，制得无线充电用合金线的成品。
9.如权利要求8所述的无线充电用合金线的制备方法，其特征在于，所述S2具体操作方法如下：
将所述S1中选取的铜线通过放线装置放出，铜线穿过第一密封结构进入磁控溅射室，并在磁控溅射室内的导轮的引导下依次穿过多个多靶磁控溅射靶材，通过纯铁的多靶磁控溅射靶材对铜线表面进行纯铁溅射，从而得到合金线母材，合金线母材通过第二密封结构进入收线室并经收线装置收卷；在溅射过程中，第二激光测径仪实时测量所述合金线母材的线径，控制系统结合第一激光测径仪和第二激光测径仪测得的线径计算出合金线母材中铁的含量，并通过电源系统实时调整溅射速度，使合金线母材中铁的质量分数满足预设范围，从而得到合格的合金线母材。
10.如权利要求8或9所述的无线充电用合金线的制备方法，其特征在于，所述S3具体操作方法如下：
将所述S2中制备得到的合金线母材进行拉制加工，在拉制的过程中拉丝压缩率为6-8％，拉制模具入口区角度不高于14°，拉制速度200-400m/min，拉丝液采用中性拉丝液，拉丝液浓度为2-8％，拉丝液温度30-45℃，从而制得无线充电用合金线的成品。
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