CN115038804A - 用于充电端子的银合金包层结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
用于形成用于高功率应用的充电端子的层状结构。在一些实施方式中，层状结构可以包括衬底和设置在衬底的至少一部分上的接触层。衬底可以具有大于40％国际退火铜标准(IACS)的电导率。接触层可以展示出小于1.4，例如0.1至1.4的摩擦系数，如根据美国材料与试验学会(ASTM)G99‑17测量的。接触层可以包括贵金属基合金，例如银钐合金。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年1月28日提交的申请号为62/966，821的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及具有低摩擦系数、低电阻和高耐磨性(wear/abrasion resistance)的材料和结构。特别地，本发明涉及用作用于高功率应用的充电端子的结构，其展示出增强的性能特征。
背景技术
通过电池供电的产品需要充电。有效的充电，尤其是对于高功率产品，需要持续增加的电流/电压负载，这转而又需要提高导电性并最小化充电端子的电阻损耗。更高的充电速率和从而导致的更短的充电时间可以将电流电平从传统的10A增加至30A，最高至500A，甚至在将来的快速充电系统中达到1000A。
通常，典型的电端子包括导电衬底和接触层。导电衬底提供电传输，而当电从充电端子的插头端传输并在充电的插座端被接收时，接触层(例如，银金属)会降低表面接触电阻。然而，这些涂覆的端子经常遭受关于摩擦系数、耐久性和/或插入力的问题。在一些应用中，例如，电动汽车终端，市场要求将充电循环延长到成千上万次插入/拔出循环。当将充电端子的插头端插入插座端时，加上可接受的插入力的物理限制，这带来了独特的挑战。随着充电端子的表面随时间磨损，这进一步复杂化，这降低了充电端子的电接触性质。
已经发现，使用常规方法生产的常规充电端子材料，例如具有电镀(纯)银接触层的铜衬底，无法生产出满足这些日益增长的要求的充电端子接触。
即使考虑到已知的产品，仍然需要有效的结构，例如展示出改善的导电性和低电阻、同时显示出改善的摩擦系数、耐久性和/或插入力的充电端子。
发明内容
在一些实施方式中，本发明涉及一种层状结构，该层状结构包括：衬底，该衬底的电导率大于40％国际退火铜标准(International Annealed Copper Standard，IACS)(或大于3.4801×107S/m)，例如大于60％；和接触层，该接触层设置在衬底的至少一部分上。该接触层展示出小于1.4的摩擦系数。摩擦系数是根据美国材料与试验学会(AmericanSociety for Testing and Materials，ASTM)G99-17进行测量的。在一些实施方式中，接触层包含稀土金属。在一些实施方式中，接触层包含钐。在一些实施方式中，接触层包含贵金属基合金。在一些实施方式中，接触层包含银合金。在一些实施方式中，接触层包含钐银合金。在一些实施方式中，接触层包含氧化钐。在一些实施方式中，接触层包含小于0.1wt％的氧化钐。在一些实施方式中，接触层包含小于0.2vol％的氧化钐。在一些实施方式中，接触层包括氧化钐，氧化钐分布在接触层的从接触层的表面测量的0.001μm至50μm的整个深度上。在一些实施方式中，接触层包括铜、镍、或锌、或其组合。在一些实施方式中，接触层包含：0.001wt％至10wt％的钐；和/或50wt％至99.9wt％的银。在一些实施方式中，接触层包含：0.001wt％至10wt％的钐；和/或其余为银。在一些实施方式中，接触层包含：50wt％至99.9wt％的银；0.1wt％至约20wt％的镍；1wt％至30wt％的铜；和0.001wt％至10wt％的锌。在一些实施方式中，衬底包括金属，优选为铜或铜合金。
在一些实施方式中，接触层展示出0.1至1.4的摩擦系数。在一些实施方式中，接触层展示出大于80％IACS(或大于4.6401×107S/m)的电导率。在一些实施方式中，接触层展示出大于86％IACS(或大于4.9881×107S/m)的电导率。在一些实施方式中，接触层展示出大于80HV的硬度，如通过ASTM E384-17测量的。在一些实施方式中，接触层展示出25HV至100HV的硬度。在一些实施方式中，接触层展示出150HV至200HV的硬度。在一些实施方式中，衬底展示出大于95％IACS(或大于5.5101×107S/m)的电导率。在一些实施方式中，衬底展示出小于70ksi的屈服强度，如通过ASTM E8/E8M-16a测量的。在一些实施方式中，层状结构展示出大于80％IACS(或大于4.6401×107S/m)的电导率。
在一些实施方式中，接触层的厚度为5μm至40μm。在一些实施方式中，层状结构的厚度为0.1μm至5μm。在一些实施方式中，层状结构是通过将接触层包层(cladding)在衬底上来形成的。在一些实施方式中，层状结构还包括设置在衬底和接触层之间的扩散阻挡层。在一些实施方式中，扩散阻挡层包含镍或铌。在一些实施方式中，扩散阻挡层的厚度为0.01mm至0.05mm。在一些实施方式中，层状结构还包括衬里层，该衬里层设置在与接触层相反的衬底的至少一部分上。在一些实施方式中，衬里层包含高强度的铜基合金或铁基合金。在一些实施方式中，衬里层包含钢。在一些实施方式中，衬里层的厚度为0.1mm至1mm。在一些实施方式中，衬底和/或接触层基本上是平坦的。在一些实施方式中，衬底是圆柱形的，接触层围绕圆柱形衬底的外表面的至少一部分设置。在一些实施方式中，层状结构配置用于高功率应用。
在一些实施方式中，本发明涉及由层状结构制成的电端子或电连接器。电端子或电连接器配置为执行大于5000次的插入和拔出循环，而不会发生故障。在一些实施方式中，当电端子或电连接器执行至少5000次插入和拔出循环时，接触电阻的增加小于30％、小于15％、小于10％、小于5％、小于3％、小于2％或小于1％。
在一些实施方式中，本发明涉及一种充电端子，该充电端子包括：衬底，该衬底的电导率大于60％IACS(或大于3.4801×107S/m)；和接触层，该接触层设置在衬底的至少一部分上。该充电端子展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。
在一些实施方式中，本发明涉及一种接触层组合物，其包含：钐；银；镍；铜；和/或锌。该接触层组合物展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。在一些实施方式中，接触层组合物包含：0.001wt％至10wt％的钐；和/或50wt％至99.9wt％的银。在一些实施方式中，接触层组合物包含：50wt％至99.9wt％的银；0.1wt％至约20wt％的镍；1wt％至30wt％的铜；和0.001wt％至10wt％的锌。在一些实施方式中，接触层展示出大于86％IACS(或大于4.9881×107S/m)的电导率。在一些实施方式中，钐为氧化钐。
在一些实施方式中，本发明涉及用于制备本文所述的层状结构的方法。该方法包括：提供衬底；以及在衬底上形成接触层。在一些实施方式中，在衬底上形成接触层包括在衬底上形成包含钐金属的合金。在一些实施方式中，在衬底上形成接触层还包括通过将接触层暴露于空气以使至少一些钐金属氧化。在一些实施方式中，该方法还包括在衬底和接触层之间形成扩散阻挡层，该扩散阻挡层可选地包括镍或铌。在一些实施方式中，该方法还包括在衬底和接触层之间形成衬里层，该衬里层可选地包括高强度的铜基或铁基合金。在一些实施方式中，接触层、扩散阻挡层和/或衬里层中的任何层是通过包层来实现的。
附图说明
可以通过参考说明书和附图的其余部分来实现对所公开技术的性质和优势的进一步理解。
图1示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的一个实施方式；
图2示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的另一个实施方式；
图3示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的另一个实施方式；
图4示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的另一个实施方式；
图5示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的另一个实施方式；
图6示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的另一个实施方式；
图7示意性地示出了包层工艺的一个实施方式；
图8A示意性地示出了包层工艺的另一个实施方式；
图8B示意性地示出了包层工艺的一个实施方式的更多细节；
图9A示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构的另一个实施方式；
图9B示意性地示出了使用图9A所示的层状结构产生的充电端子的插头端的一个实施方式；
图9C示意性地示出了使用图9A所示的层状结构产生的充电端子的插座端的一个实施方式。
具体实施方式
概要
如上所述，使用常规方法生产的常规充电端子材料不能满足不断发展的高功率产品(例如电动汽车)所要求的增加的机械和电气性能要求。特别地，存在对展示出改进的导电性和低电阻，同时显示出改善的摩擦系数、耐久性和/或插入力的结构的需要。
发明人现已经发现，将某些稀土金属添加到贵金属基接触层中以建立和/或改善电端子之间的接触时，可用于改善电端子的性能，例如摩擦系数、硬度和/或尤其是磨损。在一些情况下，已经发现在接触层材料中添加某些稀土金属，例如钐，降低了充电端子插入和/或拔出过程中的摩擦力。已经显示出这些改善而没有显著影响充电能力，例如电导率。通常，其他合金元素添加物，例如稀土金属以外的合金元素，显著损害导电性，因为它们需要更大重量百分比的添加物以有效硬化以改善磨损性能。不受理论的束缚，据信在某些贵金属基合金(例如银合金)中添加稀土金属(例如钐)会在合金表面产生润滑性表面氧化物，这降低了合金的摩擦系数，同时保持可接受的导电性。这一出乎意料的结果可用于满足需要极高寿命周期的电动汽车充电的苛刻要求。例如，电动汽车的充电端子可以经历数千次插入和拔出。考虑到本文所述的接触层所提供的低摩擦系数，充电端子不会由于其整个使用寿命中的过度磨损而引起电气性能的显著损失，例如有效电接触(或低接触电阻)的损失。
在一些实施方式中，本发明涉及一种层状结构(用于充电端子)。层状结构可以包括衬底和具有稀土金属添加物的贵金属基合金，该贵金属基合金在衬底的至少一部分上形成接触层。在一些实施方式中，包含在接触层中的稀土金属可以包括镧系元素、钪或钇中的任何一种或其组合。在一些实施方式中，包含在接触层中的稀土金属可以包括钐。在一些实施方式中，接触层可以包括贵金属基接触层并且可以包括银。因此，接触层可以称为钐银合金。在一些实施方式中，接触层可以进一步可选地包括铜、镍、或锌、或其组合。铜、镍和/或锌的添加可以改善贵金属基合金的硬度。
如本文所讨论的，接触层的组成提供了优异的表面特性，例如接触电阻、磨耗/磨损性能和/或摩擦系数。特别地，已经发现接触层表面特性出乎意料地降低了插入力，同时改善了充电端子(例如，插头和/或插座充电接触部)的磨损和电阻损耗。这种性能在涉及电动汽车(Electric vehicle，EV)和/或插电式混合动力电动汽车(Plug-in hybridelectric vehicle，PHEV)的应用中特别有益。接触层可以通过各种方法例如包层、电镀等来形成/施加。该层不受其形成方式的限制。
衬底特性
衬底具有电(导电)性能和机械性能，与接触层协同作用，以在电气和机械方面出人意料地改善充电端子的整体性能。在一些实施方式中，衬底可以由导电材料制成，例如金属或金属合金，更具体地，例如铜或铜合金，以用于使电流流过充电端子。在一些实施方式中，如高功率应用的快速充电需求所要求的，衬底可以具有相对较高的电导率。在一些实施方式中，衬底可以具有大于40％国际退火铜标准(IACS)，例如大于60IACS的电导率。IACS在本文中用作比较性质，用于说明本文所述的各种材料的电导率，并且不仅限于铜的电导率。例如，说明中可以将材料的电导率指定为85％IACS，这意味着特定材料的电导率是IACS中指定的纯铜的85％。IACS中指定的纯铜的电导率，即100％IACS，为每米5.8001×107西(S/m)。因此，85％IACS的电导率为85％×5.8001×107S/m＝4.9301×107S/m。
在较低功率和/或低载电流的应用中，衬底金属的导电性在功能上不太重要。相对于机械刚度和弹性特性，基于电导率来选择衬底不太重要。因此，在这些较小的型材、精密的连接中，具有较高的刚度和弹性性能但具有相应较低的电导率的更广泛的衬底合金可能是合适的，并且实际上是理想的。众所周知，使用元素添加来产生更高强度的铜合金。然而，这些添加不利地影响电导率并产生具有较低电导率的衬底，例如，小于60％IACS(或小于3.4801×107S/m)。并且，对这些较低电导率的衬底进行改性以提高电导率将不利地影响所需的弹性，并使所得的产品不合适。换句话说，一定程度的弹性(如在一些低功率和/或更精细的应用中要求的)与在较高功率电平下导电的能力冲突。因此，适用于低功率应用的材料可能受限于低功率，并且仅适合于这些精密但机械要求更高的应用。
在一些情况下，当衬底是铜基衬底时，为了实现高刚度、高强度和弹性特性，适合于形成衬底的材料可以具有相对高的重量百分比的合金元素(例如，非铜元素)或相对较低的铜含量，例如小于40％的铜。这是因为相对高的铜含量，例如超过40％的铜、超过50％的铜、超过60％的铜、超过70％的铜、超过80％的铜、超过90％的铜、超过95％的铜或接近100％的铜产生相对软的衬底。添加合金元素可增加硬度、刚度和/或强度，但是也可能显著降低衬底的电导率。如上所述，当通过添加合金元素对材料进行改性以实现弹性时，由于低的电导率(例如，小于60％IACS(或小于3.4801×107S/m))，这种改性也可能导致该材料不适用于高功率应用。
在本文所述的各种实施方式中，衬底的电导率可以为40％IACS(2.3200×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)，例如45％IACS(2.6100×107S/mm)至100％IACS(5.8001×107S/m)、50％IACS(2.9000×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、55％IACS(3.1900×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、60％IACS(3.4801×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、65％IACS(3.7701×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、70％IACS(4.0601×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、75％IACS(4.3501×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、80％IACS(4.6401×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、85％IACS(4.9301×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、90％IACS(5.2201×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)或95％IACS(5.5101×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)。就下限而言，衬底的电导率可以大于40％IACS(2.3200×107S/m)，例如，大于45％IACS(2.6100×107S/m)、大于50％IACS(2.9000×107S/m)、大于55％IACS(3.1900×107S/m)、大于60％IACS(3.4801×107S/m)，例如，大于65％IACS(3.7701×107S/m)、大于70％IACS(4.0601×107S/m)、大于75％IACS(4.3501×107S/m)、大于80％IACS(4.6401×107S/m)、大于85％IACS(4.9301×107S/m)、大于90％IACS(5.2201×107S/m)、大于91％IACS(5.2781×107S/m)、大于92％IACS(5.3361×107S/m)、大于93％IACS(5.3941×107S/m)、大于94％IACS(5.4521×107S/m)、大于95％IACS(5.5101×107S/m)、大于96％IACS(5.5681×107S/m)、大于97％IACS(5.6261×107S/m)、大于98％IACS(5.6841×107S/m)、大于99％IACS(5.7421×107S/m)或更高。
在一些实施方式中，本文所述的衬底展示出5ksi至70ksi的屈服强度，如根据ASTME8/E8M-16a测量的，例如，6ksi至70ksi、8ksi至70ksi、10ksi至60ksi、20ksi至50ksi或30ksi至40ksi。就下限而言，衬底可以展示出大于5ksi的屈服强度，例如，大于6ksi、大于8ksi、大于10ksi、大于20ksi、大于30ksi、大于40ksi、大于50ksi、大于60ksi或大于65ksi。就上限而言，衬底可以展示出小于70ksi的屈服强度，例如，小于60ksi、小于50ksi、小于40ksi、小于30ksi、小于20ksi、小于10ksi、小于8ksi或小于6ksi。
相反，对于一些应用，尤其是相对低功率的应用，以较低的电导率(例如，低于60％IACS(3.4801×107S/m))为代价要求更高的强度，用于这些应用的铜基衬底可以展示出大于70ksi的屈服强度，并且可以展示出70ksi至120ksi的屈服强度。
稀土金属添加的影响
如上所述，稀土金属的添加允许接触层实现非常低的摩擦系数，从而减小了所产生的充电端子的插入力。不受理论的束缚，据信低摩擦系数可能是由于一种或多种润滑性氧化物所导致的，该润滑性氧化物可以由包含在接触层中的一种或多种金属衍生(develop)。在一些实施方式中，氧化物可以包括当接触层暴露于空气时由包含在接触层中的稀土金属衍生的氧化物。在一些实施方式中，一种或多种衍生的氧化物可以包括氧化钐。在一些实施方式中，一种或多种衍生的氧化物可以进一步包括氧化钐(III)。在一些实施方式中，包含在接触层中的其他金属，例如银、镍、铜、锌等，也可以在衬底的表面上形成一种或多种氧化物。稀土金属氧化物，例如氧化钐的独特且出乎意料的性质被认为赋予了银合金基体的表面低摩擦作用。
据信，氧化物可以形成接触层的表面层或者可以仅存在于接触层的表面，而表面以下的一种或多种金属可以保持元素金属，直到由于磨损/侵蚀等而暴露于空气中，然后被氧化。因此，在充电端子的整个使用寿命中，接触层可以展示出优异的导电性，因为接触层的组成大部分仍为元素金属，而接触层的裸露表面由于衍生的氧化物而可以展示出非常低的摩擦系数，从而允许便于插入和/或拔出充电端子。
组成的wt％
在一些实施方式中，稀土金属，例如钐，可以以比贵金属(例如银)(显著)少的量存在于接触层中。在一些实施方式中，基于接触层的总重量，接触层可以包括0.001wt％至10wt％的稀土金属，例如，0.1wt％至9wt％、1wt％至8wt％、2wt％至7wt％、3wt％至6wt％或4wt％至5wt％。就下限而言，接触层可以包括大于0.001wt％的稀土金属，例如，大于0.005wt％、大于0.01wt％、大于0.05wt％、大于0.1wt％、大于0.5wt％、大于1wt％、大于2wt％、大于3wt％、大于4wt％、大于5wt％、大于6wt％、大于7wt％、大于8wt％、大于9wt％、大于9.5wt％、大于9.9wt％或更多。就上限而言，接触层可以包含小于10wt％的稀土金属，例如，小于9wt％、小于8wt％、小于7wt％、小于6wt％、小于5wt％、小于4wt％、小于3wt％、小于2wt％、小于1wt％、小于0.5wt％、小于0.1wt％、小于0.05wt％、小于0.01wt％、小于0.005wt％或更少。在一些情况下，稀土金属包括钐，并且钐以上述量存在。在一些实施方式中，接触层的其余部分或余量可以是贵金属，例如银。
在一些实施方式中，基于接触层的总重量，接触层可以包括50wt％至99.9wt％的贵金属，例如银，例如，50wt％至99wt％、55wt％至95wt％、60wt％至90wt％、65wt％至85wt％或70wt％至80wt％。就下限而言，接触层可以包括大于50wt％的贵金属，例如，大于55wt％、大于60wt％、大于65wt％、大于70wt％、大于75wt％、大于80wt％、大于85wt％、大于90wt％、大于95wt％、大于98wt％、大于99wt％、大于99.5wt％或更多。就上限而言，接触层可以包含小于99.9wt％的贵金属，例如，小于99wt％、小于95wt％、小于90wt％、小于85wt％、小于80wt％、小于75wt％、小于70wt％、小于65wt％、小于60wt％、小于55wt％、小于52wt％或更少。在一些情况下，贵金属包括银，并且银以上述量存在。
在一些实施方式中，基于接触层的总重量，接触层可以包括0.1wt％至20wt％的镍，例如，0.3wt％至20wt％、0.5wt％至20wt％、1wt％至20wt％、3wt％至18wt％、5wt％至16wt％、7wt％至14wt％、9wt％至12wt％或10wt％至11wt％。就下限而言，接触层可以包括大于0.1wt％的镍，例如，大于0.3wt％、大于0.5wt％、大于1wt％、大于2wt％、大于3wt％、大于4wt％、大于5wt％、大于6wt％、大于7wt％、大于8wt％、大于9wt％、大于10wt％、大于11wt％、大于12wt％、大于13wt％、大于14wt％、大于15wt％、大于16wt％、大于17wt％、大于18wt％、大于19wt％、大于19.5wt％、大于19.9wt％或更多。就上限而言，接触层可以包含小于20wt％的镍，例如，小于19wt％、小于18wt％、小于17wt％、小于16wt％、小于15wt％、小于14wt％、小于13wt％、小于12wt％、小于11wt％、小于10wt％、小于9wt％、小于8wt％、小于7wt％、小于6wt％、小于5wt％、小于4wt％、小于3wt％、小于2wt％、小于1.5wt％、小于1.1wt％、小于1wt％、小于0.8wt小于0.6wt％、小于0.5wt％、小于0.3wt％、小于0.2wt％、小于0.15wt％或更少。
在一些实施方式中，基于接触层的总重量，接触层可以包括1wt％至30wt％的铜，例如，2wt％至30wt％、2wt％至28wt％、2wt％至26wt％、2wt％至24wt％、3wt％至22wt％、3wt％至20wt％、3wt％至18wt％、5wt％至16wt％、7wt％至14wt％、9wt％至12wt％或10wt％至11wt％。就下限而言，接触层可以包括大于1wt％的铜，例如，大于2wt％、大于3wt％、大于4wt％、大于5wt％、大于6wt％、大于7wt％、大于8wt％、大于9wt％、大于10wt％、大于11wt％、大于12wt％、大于13wt％、大于14wt％、大于15wt％、大于16wt％、大于17wt％、大于18wt％、大于19wt％、大于19.5wt％、大于19.9wt％、大于20wt％、大于21wt％、大于22wt％、大于23wt％、大于24wt％、大于25wt％、大于26wt％、大于27wt％、大于28wt％、大于29wt％、大于29.5wt％、大于29.9wt％或更多。就上限而言，接触层可以包含小于30wt％的铜，例如，小于29wt％、小于28wt％、小于27wt％、小于26wt％、小于25wt％、小于24wt％、小于23wt％、小于22wt％、小于21wt％、小于20wt％、小于19wt％、小于18wt％、小于17wt％、小于16wt％、小于15wt％、小于14wt％、小于13wt％、小于12wt％、小于11wt％、小于10wt％、小于9wt％、小于8wt％、小于7wt％、小于6wt％、小于5wt、小于4wt％、小于3wt％、小于2wt％、小于1.5wt％、小于1.1wt％或更少。
在一些实施方式中，基于接触层的总重量，接触层可以包括0.001wt％至10wt％的锌，例如，0.1wt％至9wt％、1wt％至8wt％、2wt％至7wt％、3wt％至6wt％或4wt％至5wt％。就下限而言，接触层可以包括大于0.001wt％的锌，例如，大于0.005wt％、大于0.01wt％、大于0.05wt％、大于0.1wt％、大于0.5wt％、大于1wt％、大于2wt％、大于3wt％、大于4wt％、大于5wt％、大于6wt％、大于7wt％、大于8wt％、大于9wt％、大于9.5wt％、大于9.9wt％或更多。就上限而言，接触层可以包含小于10wt％的锌，例如，小于9wt％、小于8wt％、小于7wt％、小于6wt％、小于5wt％、小于4wt％、小于3wt％、小于2wt％、小于1wt％、小于0.5wt％、小于0.1wt％、小于0.05wt％、小于0.01wt％、小于0.005wt％或更少。
在一些实施方式中，当接触层暴露于空气时，基于接触层的总重量，可以在接触层的表面上衍生的氧化物(例如氧化钐)可以为0.01wt％至0.1wt％，例如，0.02wt％至0.1wt％、0.02wt％至0.09wt％、0.03wt％至0.09wt％、0.03wt％至0.08wt％、0.04wt％至0.07wt％或0.04wt％至0.06wt％。就下限而言，接触层可以包括大于0.01wt％的表面氧化物，例如，大于0.02wt％、大于0.03wt％、大于0.04wt％、大于0.05wt％、大于0.06wt％、大于0.07wt％、大于0.08wt％、大于0.09wt％、大于0.095wt％或更多。就上限而言，接触层可以包括小于0.1wt％的表面氧化物，例如，小于0.09wt％、小于0.08wt％、小于0.07wt％、小于0.06wt％、小于0.05wt％、小于0.04wt％、小于0.03wt％、小于0.02wt％、小于0.015wt％或更少。
当基于接触层的总体积进行测量时，接触层可以包括0.01vol％至0.2vol％的氧化物，例如，0.02vol％至0.2vol％、0.02vol％至0.18vol％、0.04vol％至0.18vol％、0.04vol％至0.16vol％、0.06vol％至0.14vol％、0.08vol％至0.12vol％或0.09vol％至0.11vol％。就下限而言，接触层可以包括大于0.01vol％的表面氧化物，例如，大于0.02vol％、大于0.04vol％、大于0.06vol％、大于0.08vol％、大于0.1vol％、大于0.12vol％、大于0.14vol％、大于0.16vol％、大于0.18vol％、大于0.19vol％或更多。就上限而言，接触层可以包括小于0.2vol％的表面氧化物，例如，小于0.18vol％、小于0.16vol％、小于0.14vol％、小于0.12vol％、小于0.1vol％、小于0.08vol％、小于0.06vol％、小于0.04vol％、小于0.02vol％、小于0.015vol％或更少。
在一些实施方案中，衬底可以包括纯铜。在一些实施方案中，衬底可以包括铜合金。铜合金可以包括铜、镍和/或锌。在一些实施方式中，基于衬底的总重量，衬底可以包括60wt％至100wt％的铜，例如，70wt％至100wt％、80wt％至100wt％、90wt％至100wt％或95wt％至100wt％。就下限而言，衬底可以包括大于60wt％的铜，例如，大于70wt％、大于80wt％、大于90wt％、大于91wt％、大于92wt％、大于93wt％、大于94wt％、大于95wt％、大于96wt％、大于97wt％、大于98wt％、大于99wt％或100wt％。如上所述，许多常规的低功率应用采用明显更少的纯衬底，例如，更少纯铜。
可以限制向衬底中添加其他元素，例如镍、锌等，使得可以保持相对高的铜含量以实现高的电导率。组合的其他元素的添加可以小于40wt％、小于30wt％、小于20wt％、小于10wt％、小于5wt％、小于4wt％、小于3wt％、小于2wt％、小于1wt％、小于0.9wt％、小于0.8wt％、小于0.7wt％、小于0.6wt％、小于0.5wt％、小于0.4wt％、小于0.3wt％、小于0.2wt％、小于0.1wt％或更少。
接触层性能特点
摩擦系数
与可以在衬底上电镀的常规(纯的和/或电镀的)银接触层相比，具有稀土金属添加物的贵金属基接触层可以展示出可以比常规的电镀银接触层的摩擦系数小至少20％的摩擦系数，例如，小30％、小40％、小50％、小60％、小70％、小80％、小90％或小95％。在一些实施方式中，贵金属基接触层可以展示出根据ASTM G99-17测量的0.01至1.4的摩擦系数，例如，0.01至1.4、0.05至1.4、0.2至1.4、0.2至1.2、0.2至1、0.3至0.9、0.3至0.8、0.3至0.7或0.4至0.6。就上限而言，贵金属基接触层的摩擦系数可以小于1.4，例如，小于1.3、小于1.2、小于1.1、小于1、小于0.9、小于0.8、小于0.7、小于0.6、小于0.5、小于0.4、小于0.3、小于0.2或小于0.15。根据具体的几何设计，也可使用以下测试中的一种来测量摩擦系数，包括ASTM D3702、ASTM G77、ASTM G83、ASTM G115和/或ASTM G133。
硬度
相较于常规的电镀银接触层，贵金属基接触层还可以展示出提高的硬度，因此可以使耐磨性/耐蚀性得到改善。可以使用维氏硬度表(Vickers hardness scale)来评估接触层的硬度，并且可以以维氏数(HV)来表示测得的硬度值。采用的用于测量接触层的硬度的测试可以包括ASTM E384-17。在一些实施方式中，根据维氏硬度表，贵金属基接触层可以展示出25HV至200HV的硬度，例如，25HV至175HV、25HV至150HV、25HV至125HV、25HV至100HV、25HV至75HV、25HV至50HV、50HV至200HV、50HV至175HV、50HV至150HV、50HV至125HV、50HV至100HV、50HV至75HV、75HV至200HV、75HV至175HV、75HV至150HV、75HV至125HV、75HV至100HV、100HV至200HV、100HV至175HV、100HV至150HV、100HV至125HV、100HV至120HV、125HV至200HV、125HV至175HV、125HV至150HV、150HV至200HV、150HV至175HV或175HV至200HV。就下限而言，贵金属基接触层可以展示出大于25HV的硬度，例如，大于50HV、大于60HV、大于70HV、大于80HV、大于90HV、大于100HV、大于125HV、大于150HV、大于175HV、大于180HV、大于190HV、大于195HV或更大。就下限而言，贵金属基接触层可以展示出小于200HV的硬度，例如，小于175HV、小于150HV、小于125HV、小于100HV、小于90HV、小于80HV、小于70HV、小于60HV、小于50HV、小于40HV、小于30HV或更小。
电气性能
尽管形成了表面氧化物，该表面氧化物提供用于操作充电端子所需的降低的摩擦系数和减小的插入力，但贵金属基接触层仍有利地展示出相对高的电导率，例如，接触层展示出低摩擦系数和高电导率的协同的组合。在一些实施方式中，贵金属基接触层可以展示出80％IACS(4.6401×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)的电导率，例如，85％IACS(4.9301×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、80％IACS(4.6401×107S/m)至95％IACS(5.5101×107S/m)、90％IACS(5.2201×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、95％IACS(5.5101×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、85％IACS(4.9301×107S/m)至95％IACS(5.5101×107S/m)或90％IACS(5.2201×107S/m)至95％IACS(5.5101×107S/m)。就下限而言，贵金属基接触层可以展示出大于80％IACS(4.6401×107S/m)的电导率，例如，大于82％IACS(4.7561×107S/m)、大于84％IACS(4.8721×107S/m)、大于86％IACS(4.9881×107S/m)、大于88％IACS(5.1041×107S/m)、大于90％IACS(5.2201×107S/m)、大于92％IACS(5.3361×107S/m)、大于94％IACS(5.4521×107S/m)、大于96％IACS(5.5681×107S/m)、大于98％IACS(5.6841×107S/m)、大于99％IACS(5.7421×107S/m)或大于100％IACS(5.8001×107S/m)。
在一些实施方式中，层状结构的总电导率可以为80％IACS(4.6401×107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)，例如，85％IACS(4.9301×10107S/m)至100％IACS(5.8001×107S/m)、80％IACS(4.6401×107S/m)至95％IACS(5.5101×107S/m)或85％IACS(4.9301×107S/m)至95％IACS(5.5101×107S/m)。就下限而言，层状结构可以展示出大于80％IACS(4.6401×107S/m)的总电导率，例如，大于82％IACS(4.7561×107S/m)、大于84％IACS(4.8721×107S/m)、大于86％IACS(4.9881×107S/m)、大于88％IACS(5.1041×107S/m)、大于90％IACS(5.2201×107S/m)、大于92％IACS(5.3361×107S/m)、大于94％IACS(5.4521×107S/m)、大于96％IACS(5.5681×107S/m)、大于98％IACS(5.6841×107S/m)、大于99％IACS(5.7421×107S/m)或更大。
此外，因为可以保持光滑的接触表面，由于降低的摩擦系数和改善的磨损/侵蚀性能，贵金属基接触层可以在充电端子的整个使用寿命中保持其电气性能，例如高电导率和低接触电阻。另外，通过改善的磨损/侵蚀性能，相对于常规的电镀银接触层，可以实现更薄的接触层。如果需要，可以通过增加衬底的厚度来保持充电端子的总厚度。因此，可以降低用于产生充电端子的总成本，同时实现优异的电气性能。
厚度
在一些实施方式中，接触层的厚度可以为2μm至100μm、2μm至50μm、3μm至40μm、4μm至35μm、5μm至40μm、5μm至35μm、10μm至30μm、10μm至25μm或15μm至20μm。就上限而言，接触层的厚度可以小于40μm，例如，小于35μm、小于30μm、小于25μm、小于20μm、小于15μm、小于10μm、小于7μm或更小。就下限而言，接触层的厚度可以大于5μm，例如，大于10μm、大于15μm、大于20μm或更大。
如上所述，当某些金属，例如包含在接触层中的稀土金属暴露于空气时，氧化物可以在接触层的表面上衍生。根据形成氧化物的金属的含量和接触层可能暴露的环境，氧化物(例如氧化钐)可以分布在如从接触层的表面测量的接触层的0.001μm至50μm的整个深度上，例如，0.001μm至40μm、0.001μm至30μm、0.001μm至20μm、0.001μm至10μm、0.001μm至5μm、0.001μm至3μm、0.001μm至1μm、0.001μm至0.5μm、0.001μm至0.1μm、0.001μm至0.05μm、0.001μm至0.01μm、0.001μm至0.005μm、0.005μm至50μm、0.005μm至40μm、0.005μm至30μm、0.005μm至20μm、0.005μm至10μm、0.005μm至5μm、0.005μm至3μm、0.005μm至1μm、0.005μm至0.5μm、0.005μm至0.1μm、0.005μm至0.05μm、0.005μm至0.01μm、0.01μm至50μm、0.01μm至40μm、0.01μm至30μm、0.01μm至20μm、0.01μm至10μm、0.01μm至5μm、0.01μm至3μm、0.01μm至1μm、0.01μm至0.5μm、0.01μm至0.1μm、0.01μm至0.05μm、0.05μm至50μm、0.05μm至40μm、0.05μm至30μm、0.05μm至20μm、0.05μm至10μm、0.05μm至5μm、0.05μm至3μm、0.05μm至1μm、0.05μm至0.5μm、0.05μm至0.1μm、0.1μm至50μm、0.1μm至40μm、0.1μm至30μm、0.1μm至20μm、0.1μm至10μm、0.1μm至5μm、0.1μm至3μm、0.1μm至1μm、0.1μm至0.5μm、0.5μm至50μm、0.5μm至40μm、0.5μm至30μm、0.5μm至20μm、0.5μm至10μm、0.5μm至5μm、0.5μm至3μm、0.5μm至1μm、1μm至50μm、1μm至40μm、1μm至30μm、1μm至20μm、1μm至10μm、1μm至5μm、1μm至3μm、3μm至50μm、3μm至40μm、3μm至30μm、3μm至20μm、3μm至10μm、3μm至5μm、5μm至50μm、5μm至40μm、5μm至30μm、5μm至20μm、5μm至10μm、10μm至50μm、10μm至40μm、10μm至30μm、10μm至20μm、20μm至50μm、20μm至40μm、20μm至30μm、30μm至50μm、30μm至40μm或40μm至50μm。就下限而言，氧化物可以从接触层的表面分布在大于0.001μm的整个深度上，例如，大于0.005μm、大于0.01μm、大于0.05μm、大于0.1μm、大于0.5μm、大于1μm、大于3μm、大于5μm、大于10μm、大于20μm、大于30μm、大于40μm、大于45μm或更大。就上限而言，氧化物可以从接触层的表面分布在小于50μm的整个深度上，例如，小于40μm、小于30μm、小于20μm、小于10μm、小于5μm、小于3μm、小于1μm、小于0.5μm、小于0.1μm、小于0.05μm、小于0.01μm、小于0.005μm或更小。
根据应用，层状结构的总厚度可以为0.1mm至5mm，例如，0.1mm至4mm、0.1mm至3mm、0.1mm至2.5mm、0.5mm至2mm或从1mm至1.5mm。就上限而言，层状结构的总厚度可以小于5mm、小于4.5mm、小于4mm、小于3.5mm、小于3mm、小于2.5mm、小于2mm、小于1.5mm、小于1mm、小于0.5mm、小于0.3mm、小于0.2mm或更小。就下限而言，层状结构的总厚度可以大于0.1mm，例如，大于0.5mm、大于1mm、大于1.5mm、大于2mm、大于3mm、大于4mm、大于4.5mm或更大。
充电端子电气性质
根据接触层的厚度和/或衬底的厚度以及充电端子的设计，使用层状结构产生的充电端子可以展示出4.64×107S/m至5.8×107S/m的电导率，例如，4.7×107S/m至5.8×107S/m、4.8×107S/m至5.8×107S/m、4.9×107S/m至5.8×107S/m、5.0×107S/m至5.8×107S/m、5.1×107S/m至5.8×107S/m、5.2×107S/m至5.8×107S/m、5.3×107S/m至5.8×107S/m、5.4×107S/m至5.8×107S/m、5.5×107S/m至5.8×107S/m、5.6×107S/m至5.8×107S/m或5.7×107S/m至5.8×107S/m。就下限而言，充电端子的电导率可以大于4.64×107S/m的总电导率，例如，大于4.7×107S/m、大于4.8×107S/m、大于4.9×107S/m、大于5.0×107S/m)、大于5.1×107S/m、大于5.2×107S/m、大于5.3×107S/m、大于5.4×107S/m、大于5.5×107S/m、大于5.6×107S/m、大于5.7×107S/m、大于5.75×107S/m或更大。上述电导率范围也适用于使用层状结构产生的充电端子。
示例性层状结构
图1示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的层状结构100。层状结构100可以包括衬底102和设置在衬底102上的接触层104。虽然图1示出了接触层104设置在整个衬底102上，但在一些实施方式中，接触层104可以设置在衬底102的一个或多个部分上。衬底102可以由(高度)导电材料制成，例如金属或金属合金，更具体地，例如铜或铜合金，以用于使电流流过充电端子。衬底102可以配置为为接触层104提供机械支撑和/或保持所形成的充电端子的结构完整性。
如本文所述，接触层104可以包括具有稀土金属添加物的贵金属基接触层。稀土金属的添加可以产生提供低电接触电阻和/或良好的磨耗和/或磨损性能的表面特性，从而改善所产生的充电端子的整体性能。此外，稀土金属的添加可以实现接触层104的低摩擦系数，从而实现充电端子的低插入力并提高使用者的操作便利性。
图2示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的另一个层状结构200。层状结构200与层状结构100的不同之处在于，层状结构200可以进一步包括设置在衬底102下方的第二或下部接触层206。接触层206可以包括与接触层102的材料组成相同或相似的材料组成。因此，层状结构200可用于形成包括两个电接触表面的充电端子，一个电接触表面由接触层102形成，另一个电接触表面由接触层206形成，这两个电接触表面都可以展示出低摩擦、低接触电阻和/或高的耐磨性/耐蚀性。虽然图2示出了接触层206设置在衬底102的整个下表面上，但在一些实施方式中，接触层206可以设置在衬底102的下表面的一个或多个部分上。
图3示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的另一个层状结构300。层状结构300与层状结构100的不同之处在于，层状结构300可以包括镶嵌(inlaid)或嵌入(embedded)在衬底102中的具有稀土金属添加物的贵金属基接触层304。贵金属基接触层304的表面可以与衬底102的表面齐平。因此，贵金属基接触层304也可以称为贵金属基嵌体304。虽然图3示出了贵金属基接触层或嵌体304设置在衬底102的表面的中央区域处或在中央区域附近，但在一些实施方式中，贵金属基接触层或嵌体304可以相对于衬底102而偏离中心，可以设置在衬底102的边缘处或在边缘附近，或者取决于要由层状结构300产生的充电端子的设计可以设置在任何合适的位置。
图4示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的另一个层状结构400。层状结构400可以包括镶嵌或嵌入在衬底102的第一表面中的具有一种或多种稀土金属添加物的第一贵金属基接触层404。第一贵金属基接触层404的表面可以与衬底102的第一表面齐平。层状结构400可以包括镶嵌或嵌入在衬底102的第二表面中的具有一种或多种稀土金属添加物的第二贵金属基接触层406，该衬底102的第二表面与衬底102的第一表面相对。第二贵金属基接触层404的表面可以与衬底102的第二表面齐平。因此，第一贵金属基接触层404和第二贵金属基接触层406也可以分别称为第一贵金属基嵌体404和第二贵金属基嵌体406。在一些实施方式中，第一贵金属基接触层或嵌体404和第二贵金属基接触层或嵌体406彼此偏置，例如图4所示。在一些实施方式中，第一贵金属基接触层或嵌体404和第二贵金属基接触层或嵌体406可以重叠或可以彼此对准，这取决于要产生的充电端子的设计。
图5示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的另一个层状结构500。层状结构500与层状结构100的不同之处在于，层状结构500可以进一步包括设置在衬底102和贵金属基接触层104之间的扩散阻挡层510。扩散阻挡层510可以防止来自衬底(例如，铜衬底)的原子在高温下从衬底102迁移到贵金属基接触层104，例如含银和钐的接触层。在一些实施方式中，扩散阻挡层也可以设置在任何嵌体和衬底之间，例如在任何嵌体304、404、406和衬底102之间。扩散阻挡层510可以包括镍、铌或其他合适的材料或其组合。
在一些实施方式中，扩散阻挡层510的厚度可以为0.01mm至0.05mm，例如，0.01mm至0.04mm、0.01mm至0.03mm、0.01mm至0.02mm、0.02mm至0.05mm、0.02mm至0.04mm、0.02mm至0.03mm、0.03mm至0.05mm、0.03mm至0.04mm或0.04mm至0.05mm。就下限而言，扩散阻挡层510的厚度可以大于0.1mm，例如，大于0.02mm、大于0.03mm、大于0.04mm、大于0.045mm或更大。就上限而言，扩散阻挡层510的厚度可以小于0.05mm，例如，小于0.04mm、小于0.03mm、小于0.02mm、小于0.015mm或更小。
图6示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的另一个层状结构600。层状结构600与层状结构100的不同之处在于，层状结构600可以进一步包括加强层612，该加强层612设置在衬底102的与设置有接触层104的衬底102的表面相反的表面上。加强层612可以为层状结构500提供机械支撑或刚度，这可以继而提高所产生的充电端子的坚固性，并允许充电端子在其使用寿命期间保持其结构完整性。在一些实施方式中，图3所示的层状结构300与图5所示的层状结构500还可以包括类似于图6所示的加强层612的加强层。加强层612可以包括高强度合金，例如高强度铜基合金或铁基合金。在一些实施方式中，加强层612可以包括钢。
在一些实施例中，加强层612可以具有0.1mm至1mm的厚度，例如，0.1mm至0.9mm、0.1mm至0.8mm、0.1mm至0.7mm、0.1mm至0.6mm、0.1mm至0.5mm、0.1mm至0.4mm、0.1mm至0.3mm、0.1mm至0.2mm、0.2mm至1mm、0.2mm至0.9mm、0.2mm至0.8mm、0.2mm至0.7mm、0.2mm至0.6mm、0.2mm至0.5mm、0.2mm至0.4mm、0.2mm至0.3mm、0.3mm至1mm、0.3mm至0.9mm、0.3mm至0.8mm、0.3mm至0.7mm、0.3mm至0.6mm、0.3mm至0.5mm、0.3mm至0.4mm、0.4mm至1mm、0.4mm至0.9mm、0.4mm至0.8mm、0.4mm至0.7mm、0.4mm至0.6mm、0.4mm至0.5mm、0.5mm至1mm、0.5mm至0.9mm、0.5mm至0.8mm、0.5mm至0.7mm、0.5mm至0.6mm、0.6mm至1mm、0.6mm至0.9mm、0.6mm至0.8mm、0.6mm至0.7mm、0.7mm至1mm、0.7mm至0.9mm、0.7mm至0.8mm、0.8mm至1mm、0.8mm至0.9mm或0.9mm至1mm。就下限而言，加强层612的厚度可以大于0.1mm，例如，大于0.2mm、大于0.3mm、大于0.4mm、大于0.5mm、大于0.6mm、大于0.7mm、大于0.8mm、大于0.9mm、大于0.95mm或更大。就上限而言，加强层612的厚度可以小于1mm，例如，小于0.9mm、小于0.8mm、小于0.7mm、小于0.6mm、小于0.5mm、小于0.4mm、小于0.3mm、小于0.2mm、小于0.15mm或更小。
尽管在图1至图6中示出了各种层状结构的平坦几何图形，但层状结构不限于平坦几何图形。取决于应用，可以使用本文所述的各种工艺，例如包层、共挤出等，来产生圆形形状，例如线、杆等，或任何其他期望的形状，这将在下文中进行更详细的讨论。
工艺
本文所述的各种层状结构可通过包层或任何其他合适的工艺来产生。包层(Cladding)是一种连续的金属接合工艺，其中两种或更多种合金冶金结合在例如连续线圈中。包层可以包括轧制包层、热包层或温包层、共挤出等。
在轧制包层的情况下，在专用的轧机中进行结合之前，对进料进行彻底清洁。层被减小其组合厚度的大于50％，例如，大于60％、大于70％、大于80％或大于90％，以在合金界面处产生新的无氧化物的表面。这种高压结合在层与层之间形成原子与原子的接触。在一些实施方式中，可以利用随后的二次热处理来驱动敷层之间的扩散和合金化，这增强了相邻层的合金之间的冶金结合。
在热包层或温包层的情况下，在轧制包层工艺过程中会使用热量，从而使层在初始结合步骤中发生热扩散。热包层或温包层允许较少的厚度百分比减小，同时无需二次热处理即可在相邻层的合金之间实现冶金结合。
在共挤出的情况下，通过模具拉出或挤出圆形或圆柱形形状，以使材料的横截面面积大大减小。如在轧制包层中一样，这种线性膨胀在很大压力下产生新的表面接触。这也实现了层与层之间的原子与原子的接触，从而使相邻合金的扩散和冶金结合成为可能。除平坦条带以外的几何形状都可以通过共挤出得到。
图7示意性地示出了包层工艺的一个实施方式。具体而言，图7示意性地示出了选择性包层工艺。如图所示，两层材料，例如两层不同的合金，可以具有不同的宽度。较窄的层可以通过包层镶嵌入较宽的层中。选择性包层工艺可用于产生例如上述的层状结构300和/或层状结构400。
图8A示意性地示出了包层工艺的另一个实施方式。具体而言，图8A示出了全覆盖包层工艺。全覆盖包层可用于将全宽度接触层(例如上述接触层104)结合至衬底，并将加强层(例如上述加强层612)结合至衬底。
图8B示意性地示出了包层工艺的一个实施方式的更多细节。具体而言，图8B示出了从旋转辊的一侧进入的三层材料，该三层材料配置为将三层的组合厚度减小大约60％，或者减小任何其他期望的百分比。如图所示，离开旋转辊的结构具有明显减小的厚度，并且三层紧密接触。在界面处新产生的接触区域打破了氧化物边界，并在层与层之间产生了原子与原子的接触。
包层提供了传统的涂层工艺(例如电镀)无法实现的几个优点。例如，电镀只能用于形成纯金属涂层。换句话说，电镀不能用于形成合金接触层，例如本文所述的具有稀土金属添加物的接触层。另外，包层允许若干种几何形状和设计的选择，例如扩散阻挡层和/或衬里层，其改善了各种层状结构和由此产生的充电端子的整体性能。此外，通过在衬底上的选定位置施加接触层或嵌体，以产生展示出高的总电导率、物理强度和刚度的复合结构，包层可优化由贵金属基接触层或嵌体提供的表面益处。
示例性充电端子
图9A示意性地示出了可用于形成或产生充电端子或充电接触部的另一个层状结构900。层状结构900类似于图3所示的层状结构300，除了贵金属基接触层或嵌体904设置在衬底102的边缘上。图9B示意性地示出了使用层状结构900产生的充电端子的插头端910，以及图9C示意性地示出了使用层状结构900产生的充电端子的插座端920。
在操作过程中，插头端910的头部或圆柱端插入插座端920。插头端910的尾部或扁平端可以附接到电线或电缆，该电线或电缆将插头端910耦合至电池，例如电动汽车中使用的电池。插座端920的扁平端可以附接到电线或电缆，该电线或电缆将插座端920耦合到用于对电池充电的电源。在插入期间，推动插头端910的至少部分地由贵金属基接触层或嵌体904限定的外表面，以沿着插座端920的两个凸面并在两个凸面之间滑动，该两个凸面至少部分地由贵金属基接触层或嵌体904a、904b限定。
如上所述，可以由包含在接触层或嵌体合金中的稀土金属形成的氧化物可以减小摩擦系数，从而降低使用者将插头端910推入插座端920的插入力以及使用者将插头端910从插座端920拔出的拔出力。取决于充电端子的插头端910和插座端920的设计，插入力和/或拔出力可以为0.1lb至3.0lb，例如，0.1lb至2.5lb、0.1lb至2.0lb、0.1lb至1.5lb、0.1lb至1.0lb、0.1lb至0.75lb、0.1lb至0.5lb、0.1lb至0.25lb、0.25lb至3.0lb、0.25lb至2.5lb、0.25lb至2.0lb、0.25lb至1.5lb、0.25lb至1.0lb、0.25lb至0.75lb、0.25lb至0.5lb、0.5lb至3.0lb、0.5lb至2.5lb、0.5lb至2.0lb、0.5lb至1.5lb、0.5lb至1.0lb、0.5lb至0.75lb、0.75lb至3.0lb、0.75lb至2.5lb、0.75lb至2.0lb、0.75lb至1.5lb、0.75lb至1.0lb、1.0lb至3.0lb、1.0lb至2.5lb、1.0lb至2.0lb、1.0lb至1.5lb、1.5lb至3.0lb、1.5lb至2.5lb、1.5lb至2.0lb、2.0lb至3.0lb、2.0lb至2.5lb或2.5lb至3.0lb。就上限而言，插入力和/或拔出力可以小于3.0lb，例如，小于2.5lb、小于2.0lb、小于1.5lb、小于1.0lb、小于0.75lb、小于0.5lb、小于0.25lb、小于0.2lb、小于0.15lb或更小。考虑到减小的摩擦系数和/或插入力和拔出力，充电端子可以操作大于5000次插入和拔出循环，例如大于6000次插入循环、大于7000次循环、大于8000次循环、大于9000次循环、大于10000次循环，而不会招致电气性能的重大损失，例如，由于连接表面的过度磨损而导致的有效电接触(低接触电阻)的损失。例如，在其整个使用寿命期间，与首次使用充电端子时的初始接触电阻相比，由于磨损导致的接触层的接触电阻的增加可以小于30％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％、小于3％、小于2％、小于1％或更低。
尽管以电动汽车的充电端子为例进行了说明，但是本文所述的各种层状结构可用于生产用于其他应用的充电端子，例如其他高功率应用，其中可能需要具有高耐磨性能、良好的导电性、低插入力等中的一项或多项。
实施例
提供以下非限制性实施例。
提供了包含铝、铜、镍和锌以及钐添加物的贵金属/稀土金属合金(银-钐)。还提供了包含相同金属但不包含钐添加物的对比合金。成分的组成量示于表1中。
经由包层操作形成了包括铜衬底层和接触层的层状结构。铜衬底层使用铜。单独放置的铜的电导率为～100IACS。接触层使用前述的Ag-Cu-Ni-Zn-Sm合金(实施例1)和Ag-Cu-Ni-Zn-合金(对比实施例A)。还包括作为对比实施例B的商业用镀银铜带。
对层状结构进行以下测量：硬度(ASTM E384-17)；电导率(ASTM B193-20)；和摩擦系数(ASTM G99-17)。结果示于表2中。
如表2所示，实施例1提供了合适的硬度和电导率，并且还展示出与对比实施例A和B相比显著改善的摩擦系数性能-相较于对比实施例A改善80％，以及相较于对比实施例B改善86％。
令人惊讶的是，与对比实施例A相比，实施例1的层状结构提供了这些摩擦系数的改善而没有牺牲电导率性能(与对比实施例B相比仅有最小的电导率下降)。
据估计，基于模拟估算，如果对层状结构进行超过5000次插入/拔出测试，则与首次使用充电端子时的初始接触电阻相比，由于磨损而导致的层状结构的接触电阻增加将小于30％。
同样，在相同的测试条件下，据估计，基于模拟估算，与采用了不含钐的镀银结构(例如，对比实施例B)的相同连接器设计相比，插入力将减小7倍(或更小)。
实施方式
考虑了以下实施方式。考虑了特征和实施方式的所有组合。
实施方式1：层状结构，其包含：衬底，该衬底的电导率大于40％IACS(2.3200×107S/m)，例如，大于60％IACS(或大于3.4801×107S/m)；和接触层，该接触层设置在衬底的至少一部分上，其中该接触层展示出小于1.4的摩擦系数，如根据美国材料与试验学会(ASTM)G99-17测量的。
实施方式2：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含稀土金属。
实施方式3：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含钐。
实施方式4：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含贵金属基合金。
实施方式5：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含银合金。
实施方式6：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含钐银合金。
实施方式7：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含氧化钐。
实施方式8：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含小于0.1wt％的氧化钐。
实施方式9：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含小于0.2vol％的氧化钐。
实施方式10：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包括氧化钐，氧化钐分布在接触层的从接触层的表面测量的0.001μm至50μm的整个深度上。
实施方式11：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含铜、镍、或锌、或其组合。
实施方式12：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含：0.001wt％至10wt％的钐；和/或50wt％至99.9wt％的银。
实施方式13：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含：0.001wt％至10wt％的钐；和/或余量的银。
实施方式14：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层包含：50wt％至99.9wt％的银；0.1wt％至约20wt％的镍；1wt％至30wt％的铜；和0.001wt％至10wt％的锌。
实施方式15：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬底包含金属，优选为铜或铜合金。
实施方式16：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出0.1至1.4的摩擦系数。
实施方式17：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出大于80％IACS(或大于4.6401×107S/m)的电导率。
实施方式18：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出大于86％IACS(或大于4.9881×107S/m)的电导率。
实施方式19：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出大于80HV的硬度，如通过ASTM E384-17测量的。
实施方式20：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出25HV至100HV的硬度。
实施方式21：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出150HV至200HV的硬度。
实施方式22：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬底展示出大于95％IACS(或大于5.5101×107S/m)的电导率。
实施方式23：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬底展示出小于70ksi的屈服强度，如通过ASTM E8/E8M-16a测量的。
实施方式24：前述实施方式中的任一实施方式，其中层状结构展示出大于80％IACS(或大于4.6401×107S/m)的电导率。
实施方式25：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层的厚度为5μm至40μm。
实施方式26：前述实施方式中的任一实施方式，其中层状结构的厚度为0.1μm至5μm。
实施方式27：前述实施方式中的任一实施方式，其中层状结构是通过将接触层包层在衬底上来形成的。
实施方式28：前述实施方式中的任一实施方式，其中层状结构还包括设置在衬底和接触层之间的扩散阻挡层。
实施方式29：前述实施方式中的任一实施方式，其中扩散阻挡层包含镍或铌。
实施方式30：前述实施方式中的任一实施方式，其中扩散阻挡层的厚度为0.01mm至0.05mm。
实施方式31：前述实施方式中的任一实施方式，其中层状结构还包括衬里层，该衬里层设置在与接触层相反的衬底的至少一部分上。
实施方式32：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬里层包含高强度的铜基合金或铁基合金。
实施方式33：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬里层包含钢。
实施方式34：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬里层的厚度为0.1mm至1mm。
实施方式35：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬底和/或接触层是大致平坦的。
实施方式36：前述实施方式中的任一实施方式，其中衬底是圆柱形的，接触层围绕圆柱形衬底的外表面的至少一部分设置。
实施方式37：前述实施方式中的任一实施方式，其中层状结构配置用于高功率应用。
实施方式38：前述任一实施方式的电端子或电连接器，其中电端子或电连接器配置为执行大于5000次的插入和拔出循环，例如大于10000次插入和拔出循环，而不会发生故障。
实施方式39：前述实施方式中的任一实施方式，其中当电端子或电连接器执行大于5000次插入和拔出循环时，例如，大于10000次插入和拔出循环，接触电阻的增加小于30％、小于15％、小于10％、小于5％、小于3％、小于2％或小于1％。
实施方式40：充电端子，包括：衬底，该衬底的电导率大于60％IACS(或大于3.4801×107S/m)；和接触层，该接触层设置在衬底的至少一部分上，其中充电端子展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。
实施方式41：接触层组合物，包含：钐；银；镍；铜和/或锌，其中该接触层组合物展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。
实施方式42：前述实施方式中的任一实施方式，包含：0.001wt％至10wt％的钐；和/或50wt％至99.9wt％的银。
实施方式43：前述实施方式中的任一实施方式，包含：50wt％至99.9wt％的银；0.1wt％至约20wt％的镍；1wt％至30wt％的铜；和0.001wt％至10wt％的锌。
实施方式44：前述实施方式中的任一实施方式，其中接触层展示出大于86％IACS(或大于4.9881×107S/m)的电导率。
实施方式45：前述实施方式中的任一实施方式，其中钐为氧化钐。
实施方式46：用于制备任一实施方式的层状结构的方法，包括：提供衬底；以及在衬底上形成接触层。
实施方式47：前述方法实施方式中的任一实施方式，其中在衬底上形成接触层包括在衬底上形成包含钐金属的合金。
实施方式48：前述方法实施方式中的任一实施方式，其中在衬底上形成接触层还包括通过将接触层暴露于空气以使至少一些钐金属氧化。
实施方式49：前述方法实施方式中的任一实施方式，还包括在衬底和接触层之间形成扩散阻挡层，该扩散阻挡层可选地包括镍或铌。
实施方式50：前述方法实施方式中的任一实施方式，还包括在衬底和接触层之间形成衬里层，该衬里层可选地包括高强度的铜基或铁基合金。
实施方式51：前述方法实施方式中的任一实施方式，其中接触层、扩散阻挡层和/或衬里层中的任何层是通过包层来实现的。
虽然已经详细描述了本发明，但是在本发明的精神和范围内进行修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。鉴于前述讨论，与背景技术和具体实施方式有关的以上讨论的本领域中的相关知识和参考文献，其全部公开内容通过引用并入本文。另外，应该理解，下面和/或所附权利要求中记载的本发明的各方面以及各种实施方式和各种特征的部分可以全部或部分地组合或互换。在各种实施方式的前述描述中，如本领域技术人员将理解的，可以将引用另一实施方式的那些实施方式与其他实施方式适当地组合。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并不意在进行限制。
Claims (15)
1.层状结构，包括：
衬底，所述衬底的电导率大于40％国际退火铜标准(IACS)(或大于3.4801×107S/m)；和
接触层，所述接触层设置在所述衬底的至少一部分上，其中所述接触层展示出小于1.4的摩擦系数，如根据美国材料与试验学会(ASTM)G99-17测量的，
其中，所述接触层的厚度为5μm至40μm。
2.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述接触层包含稀土金属，优选为钐。
3.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述接触层包含钐银合金。
4.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述接触层包含小于5wt％的钐。
5.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述接触层包含：
银，优选50wt％至99.9wt％的银；
镍，优选0.1wt％至20wt％的镍；
铜，优选1wt％至30wt％的铜；和
锌，优选0.001wt％至10wt％的锌。
6.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述接触层或所述层状结构展示出大于80％IACS(大于4.6401×107S/m)的电导率。
7.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述接触层展示出100Hv至120HV的硬度。
8.根据权利要求1所述的层状结构，其特征在于，所述层状结构的厚度为0.1mm至5mm。
9.电端子或电连接器，所述电端子或电连接器包括权利要求1所述的层状结构，其中，所述电端子或电连接器配置为执行大于5000次的插入和拔出循环而没有故障。
10.根据权利要求9所述的电端子或电连接器，其特征在于，当所述电端子或电连接器执行至少5000次插入和拔出循环时，接触电阻的增加小于30％、小于15％、小于10％、小于5％、小于3％、小于2％或小于1％。
11.充电端子，包括：
衬底，所述衬底的电导率大于40％IACS；和
接触层，所述接触层设置在所述衬底的至少一部分上，其中所述充电端子展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。
12.接触层组合物，包含：
钐；
银；
镍；
铜；
锌，其中所述接触层组合物展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。
13.用于制备层状结构的方法，所述方法包括：
提供衬底；以及
在所述衬底上形成接触层，
其中所述接触层包含钐；银；镍；铜；和锌，
其中接触层组合物展示出0.1至1.4的摩擦系数，如根据ASTM G99-17测量的。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，形成包括通过将所述接触层暴露于空气来使至少一些钐金属氧化。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在所述衬底和所述接触层之间形成包含镍或铌的扩散阻挡层；和/或
在所述衬底和所述接触层之间形成包含高强度的铜基或铁基合金的衬里层，
其中所述接触层、所述扩散阻挡层和所述衬里层中的任何层的形成可选地通过包层来实现。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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