DE102018202915A1

DE102018202915A1 - Neue Materialien für Solarzellenverbinder

Info

Publication number: DE102018202915A1
Application number: DE102018202915.6A
Authority: DE
Inventors: Blanka Lenczowski; Claus Zimmermann; Christel NÖMAYR; Wiebke STEINS; Frank Geiger; Stephan Reichelt
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-08-29
Also published as: US20190267504A1; JP2019173159A; CN110195177A; EP3530765A1; EP3530765B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Metallfolie aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, bereit, sowie die entsprechend hergestellte Metallfolie. Mit einer solchen Folie können beispielsweise Verbinder für Solarzellen hergestellt werden, welche insbesondere in der Luft- und/oder Raumfahrt, beispielsweise in Satelliten, Anwendung finden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Metallfolie aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, eine entsprechend dem Verfahren hergestellte Metallfolie, sowie deren Verwendung in einem Solarzellenverbund und/oder der Luft- und/oder Raumfahrt.
Für den Betrieb von Satelliten werden heutzutage üblicherweise Solarzellen verwendet. Um mehrere Solarzellen in Serie miteinander zu verschalten und somit den resultierenden String an die geforderte Operationsspannung eines Satelliten anzupassen, werden Zellverbinder verwendet. Diese Verbinder sind üblicherweise im Orbit den gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt wie die Solarzellen selbst und können dementsprechend degradieren. Da die Solarzellen das eigentliche „Herz“ der Satelliten darstellen, kann eine Schädigung der Verbinder bzw. der Zellverbinder, welche die Solarzellen an- und verbinden, zum Leistungsverlust führen und damit die Mission des Satelliten bzw. seine Nutzlast in Gefahr bringen.
Momentane Verbinder aus Materialien wie Silber, Gold, Molybdän, MoAg werden aus dünnen Folien mit einer Dicke von ca. 12-38 µm ausgestanzt und mittels Schweißtechnik an die Zelle kontaktiert. Bei Anwendung von Xenon betriebenen Ionentriebwerken, welche in Zukunft verstärkt Anwendung finden können, können die derzeitigen Verbindermaterialien jedoch beim Betrieb in einen Satelliten durch Umwelteinflüsse geschädigt werden, da Ag und Au nicht stabil gegenüber Xenon-Ionen-Erosion sind und Ag darüber hinaus auch nicht gegenüber atomaren Sauerstoff (atomic oxygen, ATOX).
In der EP 2871642 sind neue Materialien für die Herstellung von Metallfolien offenbart, welche neben Aluminium Scandium und Zirconium enthalten.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Metallfolien auf Basis von Aluminium-Magnesium-Metall-Legierungen, welche Scandium und Zirconium enthalten, bereitzustellen, sowie verbesserte Verbinder für Solarzellen in Satelliten unter Verwendung solcher Metallfolien.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Metallfolie mit den Merkmalen des Anspruchs 7, einen Solarzellenverbund (solar cell array) mit den Merkmalen des Anspruchs 9, einen Satelliten mit den Merkmalen des Anspruchs 10, sowie die Verwendungen der Ansprüche 11 und 12. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Materialtechnologie für die Realisierung von dünnen Metallfolien mit einer Enddicke von beispielsweise bis zu 1 µm oder bis zu ca. 10 µm aus Aluminium-Magnesium-Legierungen mit Scandium und Zirkonium, wie z.B. der AA5024/AA5028-Scalmalloy®-Gruppe, und deren Prozesstechnologien sowie die Folienanwendung insbesondere für Solarzellen als Verbinder insbesondere für die Raumfahrtanwendung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass durch eine gezielte Herstellung einer Metallfolie aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung umfassend Scandium und Zirconium vorteilhafte Eigenschaften, die in einem zugrunde liegenden Halbzeug, beispielsweise einem Blech, vorhanden sind, in der Folie selbst beibehalten werden können.
Demnach können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Metallfolien hergestellt werden, welche eine gute Stabilität insbesondere gegenüber Xe-Ionen und allgemein eine hohe Zyklen- und Ionenerosions-Beständigkeit aufweisen und zudem eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber atomaren Sauerstoff (ATOX). Zudem besitzen diese gleichzeitig eine elektrische Leitfähigkeit und sehr gute Schweißbarkeit, wie z.B. mittels Widerstandspunktschweißen, Ultraschallpunktschweißen, Laserschweißen, und Rührreibschweißen (friction stir welding; FSW). Im einem insbesondere in der Raumfahrt, beispielsweise für Satelliten, geforderten Temperaturbereich von ca. -190°C bis 200°C ist das Material der Metallfolien stabil gegenüber schnell wechselnden thermischen Beanspruchung mit stabilen mechanischen Eigenschaften. Dies ist wichtig sowohl für Missionen in einem geostationären Orbit (GEO; geostationary orbit), als auch in niedriger Erdumlaufbahn (LEO; low earth orbit). Darüber hinaus ist es insbesondere für Verbinder in Satelliten und anderen Anwendungsgegenständen der Luft- und/oder Raumfahrt unabdingbar, dass diese Verbinderelemente die Dehnungen und Erschütterungen durch mechanische und akustische Schwingungen während eines Raketenstarts bestehen. Insbesondere kann dies in Metallfolien, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden, durch den gezielten Herstellungsprozess sichergestellt werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Metallfolie aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, wird zunächst ein Halbzeug einer Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, bereitgestellt. Das Halbzeug ist hierbei nicht besonders beschränkt, insofern es aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung besteht, welche Scandium und Zirconium umfasst. Die Form des Halbzeuges ist hierbei nicht besonders beschränkt, und das Halbzeug kann beispielsweise ein Blech oder eine Platte, ein Profil, ein Strang, eine Stange, ein Baren, ein Rohr oder ähnliches, insbesondere ein Blech, sein.
Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft, dass das Halbzeug aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung besteht, welche Scandium und Zirconium umfasst. Diese Materialien eignen sich hervorragend für Anwendungen in der Luft- und/oder Raumfahrt und profitieren insbesondere von der Schrittabfolge im erfindungsgemäßen Verfahren, da insbesondere in diesen Materialien eine Materialveränderung durch das Verfahren im Wesentlichen vermieden werden kann. Al-Mg-Legierungen mit Sc und Zr besitzen u.a. bessere mechanische Eigenschaften, da in diesen noch ein zusätzlicher festigkeitssteigernder Effekt der Mischkristallverfestigung von Mg in Aluminium vorliegt. Ferner kann mit den Elementen Sc und Zr die Mikrostruktur während des Walzens bis zu kleinen Dicken stabilisiert werden, sodass keine Rekristallisation auftritt, welche beispielsweise bei höheren Mg-Gehalten in übersättigten Mischungen und höheren Temperaturen auftreten kann. Es ergibt sich also eine feine Kornstruktur mit hohenmechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus ergeben sich dadurch mehr Korngrenzen, welche eine feinere Verteilung der Mg-Phase begünstigen und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus sind Al-Mg-Legierungen, welche Sc und Zr umfassen, schweißbar, und es liegt eine gute Stabilität gegenüber ATOX vor. Dem zu Folge haben wir eine feine Kornstruktur mit hohenmechanischen Eigenschaften erreicht und desweiteren, gibt es mehr Kongrenzen, die feinere Verteilung der Mg-Phase begünstigt und ferner zur besserer Korrosionsbeständigkeit beiträgt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen hat das Halbzeug, z.B. ein Blech, eine Dicke von 0,1 bis 10 mm, beispielsweise ca. 6 - 0,4 mm.
Die Auswahl des Materials des Halbzeugs wurde hierbei insbesondere basierend auf den Anforderungen für Verbindermaterialien in der Raumfahrt getroffen, und es wurden diverse Materialien betrachtet. Die Verbinder bzw. Zellverbinder sind hierbei Elemente, welche mindestens zwei Solarzellen miteinander verbinden können und/oder eine geeignete Anbindung von Solarzellen an ein damit zu ladendes Gerät wie etwa einen Satelliten bereitzustellen.
Für die Verbindermaterialien ergeben sich die folgenden Überlegungen und auch z.T. Anforderungen:
Es ist zunächst eine ausreichende thermische Stabilität von -196°C (kryogen) bis zu mindestens bis 200°C mit thermo-mechanischen Wechselwirkungen zu gewährleisten, was Temperaturregime für den Betrieb von Satelliten widerspiegelt. Darüber hinaus sollen diese widerstandsfähig gegenüber ATOX und Ionenerosion sein, wie oben bereits ausgeführt. Für eine gute Anbindung ist zudem eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität im geforderten Temperaturbereich vonnöten. Zudem ist zur Anbindung eine exzellente Schweißbarkeit, z.B. Laserschweißbarkeit oder Ultraschallschweißbarkeit vorteilhaft, sowie eine Korrosionsbeständigkeit.
Für die Verwendung in der Raumfahrt, z.B. Satelliten, sind zudem eine geringe Materialdichte, hohe mechanische und dynamische Materialeigenschaften, und ein geringer thermisches Ausdehnungskoeffizient (CTE; coefficient of thermal expansion) vorteilhaft. Für die Produktion ist zudem von Interesse, dass das Material als Folie mit Foliendicken im Bereich von 5 - 50 µm, bevorzugt 8 - 30 µm, insbesondere 10 - 26 µm, verfügbar ist, und dass der Herstellungsprozess mit kurzen Durchlaufzeiten automatisierbar ist. Von Vorteil ist weiterhin, wenn die hergestellte Folie keine zusätzliche Beschichtung benötigt, um die elektrische Leitfähigkeit herzustellen und/oder um Schweißbarkeit und Korrosionsschutz zu gewährleisten. Die bisher für Verbinder in Satelliten verwendeten Materialien wie Kovar (NiFeCo-Legierung) oder Molybdän benötigen üblicherweise eine zusätzliche Silberbeschichtung aus den genannten Gründen.
Zusätzlich sollte die Folie vorteilhaft durch Stanzen und/oder Prägen leicht in eine gewünschte Form gebracht werden können und keine aufwendigen Ätzprozesse benötigen, um eine gewünschte Geometrie zu definieren.
Es ist bekannt, dass Aluminiumlegierungen eine gute Beständigkeit gegenüber Xenon-Ion Erosion aufzeigen, weshalb diese Materialgruppe insbesondere in Verbindung mit Magnesium näher betrachtet wurde. Da jedoch nicht alle unter diesen eine ausreichende Materialfestigkeit bei erhöhter Temperatur besitzen und z.B. die konventionellen Aluminiummaterialien max. bis ca. 150°C thermisch stabil sind, wurden insbesondere Aluminiumlegierungen mit Scandium und Zirconium wie beispielsweise AA5024/KO8242 näher betrachtet, die beispielsweise als Halbzeug mit einer Materialdicke von ca. 6 - 0,4 mm verfügbar sind. Das Scandium und Zirkonium bewirken neben einer intensiven Teilchenhärtung mittels der thermisch stabilen AIScZr-Ausscheidung eine Kornfeinung des Gussgefüges und eine Rekristallisationshemmung beim Walzen. Die Ausscheidungen können die Materialeigenschaften bis zu Temperaturen von 400°C stabilisieren und darüber hinaus auch die Schweißbarkeit verbessern. Aluminium-Magnesium-Legierungen, welche Scandium und Zirconium umfassen, sind metallurgisch exotisch, da hier eine Mischkristallhärtung mit Mg in AI mit einer Ausscheidungshärtung mit Al und Sc und Zr kombiniert wird
Die Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, ist gemäß bestimmten Ausführungsformen ausgewählt aus Aluminiumlegierungen der Gruppen AA5024 und/oder AA5028 (nach EN 573-3/4) und insbesondere ausgewählt aus der Scalmalloy®-Gruppe, für welche sich insbesondere die obigen vorteilhaften Materialeigenschaften ergeben und welche durch das erfindungsgemäße Verfahren beibehalten werden können. Insbesondere diese Legierungen eignen sich für Solarzellenverbinder und für eine automatisierte Herstellung der Verbinder wie auch eine mögliche Integration an eine Solarzelle vorzugsweise mittels Schweißen. Zellverbinder mit Aluminiumlegierungen der Gruppen AA5024 und/oder AA5028 und insbesondere Scalmalloy®-Zellverbinder-Technologie können eine mehrfache Lebensdauer von Solarpanels mit thermischer Stabilität im Temperaturbereich von ca. -200°C bis zu ca. 400°C erzielen und bringen somit enorme wirtschaftliche Vorteilen und eine besseren Wettbewerbsfähigkeit für die Solarpaneltechnologie insbesondere für die Raumfahrtanwendung. Insbesondere mit den Aluminiumlegierungen der Gruppen AA5024 und/oder AA5028 und insbesondere Scalmalloy®-Legierungen ist die vorliegende Materialtechnologie bis ca. 400°C einsetzbar.
Im Anschluss an das Bereitstellen wird das Halbzeug, beispielsweise ein Blech, mittels Warm- und/oder Kaltwalzen, insbesondere Kaltwalzen, auf eine Dicke von 5 bis 50 µm, bevorzugt 8 - 30 µm, insbesondere 10 - 26 µm, ausgewalzt. Das Kaltwalzen ist hierbei die Umformung des Halbzeugs, beispielsweise eines Breitflach-Produktes wie eines Blechs oder einer Platte, unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur mit mechanischen Vorrichtungen, insbesondere bei Raumtemperatur von z.B. ca. 20 - 25°C, z.B. ca. 25°C, also ohne Materialerhitzung. Das Warmwalzen findet entsprechend bei einer höheren Temperatur statt.
Das Auswalzen kann hierbei in einem Schritt oder in mehreren Schritten erfolgen, erfolgt jedoch gemäß bestimmten Ausführungsformen in mehreren Schritten. Das Auswalzen ist darüber hinaus nicht besonders beschränkt hinsichtlich der Walzvorrichtung und/oder der Walzgeschwindigkeit. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Walzen bei einer Walzgeschwindigkeit von weniger als 50 m/min,, bevorzugt weniger als 40 m/min, weiter bevorzugt weniger als 30 m/min, insbesondere weniger als 20 m/min, z.B. 2 bis 18 m/min, z.B. 5 bis 15 m/min, z.B. 5 bis 8 m/min oder 10 bis 15 m/min. Es wurde hierbei insbesondere eine Fertigung mit Fokus auf hohe Qualität und Reproduzierbarkeit angestrebt. Aus diesem Grund wird bevorzugt mit insgesamt niedrigen Walzgeschwindigkeiten gearbeitet, da diese eine bessere Dosierung und Steuerung der Bandzüge beim Abwalzen erlauben und gleichzeitig eine unkontrollierte Erwärmung im Walzspalt - bedingt durch die Dissipation von Umformwärme - vermieden wird, was sich insbesondere als vorteilhaft für die vorliegend verwendeten Legierungen gezeigt hat, um deren Struktur und die sich daraus ergebenden Vorteile, wie angegeben, beizubehalten.
Gemäß einer Weiterbildung kann mindestens einmal zwischen zwei Schritten des Auswalzens ein Zwischenglühen bei einer Temperatur von 200 - 450°C und/oder für einen Zeitraum von 1 - 10 h erfolgen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgen jedoch mehr als zwei Schritte des Auswalzens, also drei oder mehr, z.B. drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf oder mehr, und es erfolgt ein mehrfaches Zwischenglühen zwischen den Schritten des Auswalzens, beispielsweise ein zwei-, drei-, vier-, fünf-, sechs-, sieben-, acht-, neun-, zehn- oder mehrmaliges Zwischenglühen. Die Schritte des Auswalzens können hierbei auch zu einer Walzkampagne mit mehreren Walzstichen, also Durchläufen durch die Walze, z.B. zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf oder mehr, zusammengefasst werden, wobei zwischen den Walzkampagnen jeweils ein Zwischenglühen erfolgen kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt zwischen jeweils zwei Schritten des Auswalzen, beispielsweise auch zwei Walzkampagnen, z.B. drei Walzkampagnen, immer ein Zwischenglühen. Für die Herstellung von dünnen Folien mit Foliendicken im Bereich von 5 - 50 µm, bevorzugt 8- 30 µm, insbesondere 10 - 26 µm, aus walzharten Al-, Mg-, Sc-, und Zr-haltigem Material eignet sich insbesondere die Herstellung mittels Kaltwalzen mit einer Stichfolge mit mehrmaligem Zwischenglühen, welche insbesondere die Verarbeitung des Materials bis auf die geforderten Dicken erlaubt.
Das ein- oder mehrmalige Zwischenglühen kann bei einer Temperatur von 200 - 450°C und/oder für einen Zeitraum von 1 - 10 h erfolgen, beispielsweise bei einer Temperatur von 220 -350°C, bevorzugt 290-330°C, z.B. ca. 325°C, und/oder für einen Zeitraum von 2 - 8 h, insbesondere 3 - 6 h, z.B. 4 h. Die Art des Zwischenglühens ist nicht besonders beschränkt und kann geeignet, beispielsweise durch Erhitzen, erfolgen. Die Zwischenglühungen bzw. das Zwischenglühen wird vom Zeit-Temperaturregime insbesondere so ausgelegt, dass ein Abbau der durch den Walzprozess eingebrachten Verfestigungseffekte erfolgt, ohne dass eine wesentliche Beeinflussung der Gesamtmikrostruktur wie der Phasenzusammensetzung, Phasenanteile, etc. erfolgt. Die Gesamtstichfolge sowie die Anzahl an Zwischenglühungen kann hierbei fallweise an die erhältlichen Ausgangs- und/oder die erforderlichen Enddicken angepasst werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann das erfindungsgemäße Verfahren weiter ein Glühen nach dem Auswalzen bei einer Temperatur von 250 - 350°C, bevorzugt 275°C-325°C, umfassen. Das Glühen ist hierbei ebenfalls nicht besonders beschränkt und kann ebenfalls ein geeignetes Erwärmen bzw. Erhitzen umfassen. Mit dem optionalen Glühen, beispielsweise in einer abschließenden Wärmebehandlung kann eine gezielte Beeinflussung des Gefügeaufbaus erfolgen.
Gemäß einer Weiterbildung wird die Metallfolie nach dem Auswalzen und ggf. einem oder mehreren Glühen, beispielsweise Zwischenglühen und/oder finalen Glühen, gestanzt und/oder geprägt. Durch das Stanzen und/oder Prägen, welches nicht besonders beschränkt ist, kann beispielsweise eine geeignete Form für einen Verbinder, z.B. für Solarzellen, z.B. in der Luft- und/oder Raumfahrt, hergestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Metallfolie. Die Form der Folie ist über die Dicke hinaus nicht weiter eingeschränkt. Beispielsweise kann die Metallfolie in Form eines Zellverbinders für Solarzellen vorliegen, wobei dieser in Weiterbildungen noch weitere Bestandteile, welche in solchen Zellverbindern üblich sind, umfassen kann.
Außerdem offenbart ist ein Solarzellenverbund, umfassend die Metallfolie in Form eines Zellverbinders. Der Solarzellenverbund ist darüber hinaus nicht besonders beschränkt, sofern er Solarzellen umfasst, und kann geeignet hergestellt werden, wobei insbesondere die Metallfolie in Form eines Zellverbinders an eine Solarzelle angeschweißt werden kann. Der Solarzellenverbund kann in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden, wo eine entsprechende Energiegewinnung gewünscht ist, beispielsweise auch in großer Höhe, beispielsweise für Messgeräte auf hohen Bergen, insbesondere aber in der Luft- und/oder Raumfahrt, insbesondere in Satelliten oder ähnlichen Geräten, welche sich beispielsweise in einem Orbit um die Erde befinden können. Entsprechend ist erfindungsgemäß auch ein Satellit umfassend einen erfindungsgemäßen Solarzellenverbund offenbart, wobei die weiteren Bestandteile des Satelliten nicht besonders beschränkt sind.
Auch offenbart ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Metallfolie in einem Solarzellenverbund und/oder in der Luft- und/oder Raumfahrt, insbesondere in einem Satelliten.
Die erfindungsgemäße innovative Wertschöpfungskette vom Material bis zum Endprodukt garantiert eine wesentlich höhere Produktlebensdauer, insbesondere von Solarzellen, Solarzellenpanels, Satellitenmissionen, und ebenfalls eine verbesserte Wirtschaftlichkeit hinsichtlich einer automatisierten Herstellungstechnologie.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung zweier Solarzellen, welche mit einer erfindungsgemäßen Metallfolie in Form eines Zellverbinders verbunden sind;
3 Versuchsergebnisse von Zugfestigkeiten, welche mit einer erfindungsgemäßen Metallfolie erzielt werden;
4 schematisch eine Versuchsanordnung für einen Zugtest in einem erfindungsgemäßen Beispiel;
5 Ergebnisse von Sputterraten unter senkrechtem Xe-Ioneneinfall mit einer erfindungsgemäßen Metallfolie und einer des Stands der Technik; und
6 Ergebnisse von Wöhlerkurven einer erfindungsgemäßen Folie im Vergleich zu einer des Stands der Technik.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen dünnen Metallfolien, beispielsweise bis zur einen Enddicke von ca. 10 µm, aus einer Legierung der 5xxx-Gruppe mit Scandium & Zirkonium, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Einen Schritt S1 des Bereitstellens eines Halbzeugs, z.B. eines Bleches, aus der Legierungsgruppe 5xxxx mit Scandium & Zirkonium wie z.B. 5024 (KO8242) oder 5028 (KO8542) oder auch aus weiteren ähnlichen Legierungen von Aluminium und Magnesium mit Scandium und Zirkonium, beispielsweise mit einer Dicke ca. 0,2 mm bis 6 mm und einer Länge in der längsten Abmessung von mindestens 1000 mm;
- Mindestens einen Schritt S2 des Warmwalzens und/oder Kaltwalzens des Halbzeugs; und
- Optional mindestens einen Schritt S3 des Zwischenglühens des Halbzeugs, wenn das Halbzeug im Anschluss wiederum gewalzt wird.

Die Metallfolie kann also in mehreren Schritten, jedoch zumindest in einem Schritt, mittels Warmwalzen/Kaltwalzen, mit eventuellen Zwischenglühungen bei mehreren Walzschritten, aus Halbzeugen realisiert, die beispielsweise mittels konventionellen Ingotmetallurgie (IM) oder Pulvermetallurgie (PM) oder mittels diverser Bandgussverfahren hergestellt worden sind und eventuell noch zu Walzbarren mittels Zerspannen bearbeitet wurden.
Durch die Zwischenglühung(en) bzw. das Zwischenglühen, z.B. im Temperaturbereich von ca. 200-450°C für ca. 1-10 h, kann die Materialverfestigung aus dem Walzprozess sowie aus der Ausscheidungshärtung reduziert werden, um auf die Enddicke (5 - 50 µm, z.B. 10, 18, 20 oder mehr µm) in mehreren Schritten oder zumindest mit einem Schritt abwalzen zu können.
Das Material kann direkt nach dem Walzen eine Zugfestigkeit/Dehngrenze von über 300 MPa, vorzugsweise jedoch über 350 MPa oder auch mehr aufweisen, wobei Bruchdehnungswerte im Bereich über 0% liegen können, vorzugsweise über 0,10%.
Ferner können die Materialeigenschaften mittels einer optionalen Wärmenachbehandlung im Temperaturbereich von 250 - 350°C verbessert werden.
Im Anschluss kann die Metallfolie ausgestanzt und/oder geprägt werden, um einen Verbinder 2, wie er schematisch in 2 gezeigt ist, bereitzustellen, der beispielsweise zwei Solarzellen 1 verbinden kann, beispielsweise bei einer Schaltung in Serie. Hierzu kann der Verbinder beispielsweise an die Solarzellen angeschweißt werden. Dieser Verbinder kann mit den Solarzellen dann beispielsweise zum Betreiben eines Satelliten verwendet werden.
Die technische Lösung der Erfindung betrifft die Herstellung von dünnen Folien, beispielsweise bis zu einer Dicke von 5 µm, z.B. bis zu einer Dicke von etwa 10 µm, sowie die Wertschöpfungskette bis zur Applikation von Verbindern aus diesen dünnen Folien mittels Schweißverfahren an Solarpanels. Die schweißbaren, korrosionsbeständigen dünnen Metallfolien sind widerstandsfähig gegen atomaren Sauerstoff (ATOX). Das Material besitzt darüber hinaus im Temperaturbereich von minus 196°C bis ca. plus 400°C eine gute elektrische Leitfähigkeit, thermische Stabilität, Ionenresistenz und ein exzellentes Ermüdungsverhalten. Somit ist eine höhere Langzeitstabilität für Solarpanels, insbesondere für Satelliten, erreichbar.
Es stellte sich insbesondere heraus, dass die Scalmalloy®-Materialtechnologie, also Aluminium-Magnesium-Legierungen mit Scandium und Zirkonium in Form von dünnen Folien eine gute Alternative für Solarzellenverbinder darstellt und geeignet für zukünftige Satellitenpanels ist. Mit der neuen Technologie für die Verbinder ist es möglich, mehr als 2.000 Zyklen im Temperaturbereich ca. -190°C bis 200+°C für GEO-Missionen (geostationary orbit) und bis ca. 100.000 Zyklen für LEO-Missionen (low earth orbit) im Temperaturbereich ca. -160°C bis +150°C zu gewährleisten.
Die Erfindung wird im Anschluss anhand einer beispielhaften Ausführungsform weiter erläutert, wobei diese beispielhafte Ausführungsform die Erfindung nicht beschränkt.
Beispiel:
Aus einem KO8242 Blech mit einer Dicke von 0,4 mm wurde mittels Kaltwalzen und mehrmaligem Zwischenglühen für 4 h bei 325°C eine 11 µm dicke Metallfolie hergestellt. Hierbei wurde in einer ersten Walzenkampagne mit mehreren Walzstichen bei einer Geschwindigkeit von 5-8 m/min das Blech auf 80 µm gewalzt, dann zwischengeglüht, in einer zweiten Walzkampagne mit mehreren Walzstichen bei einer Geschwindigkeit von 5-8 m/min von 80 auf 18 µm gewalzt, wiederum zwischengeglüht, und dann in einer dritten Walzkampagne mit mehreren Stichen bei einer Geschwindigkeit von 10 - 15 m/min von 18 auf 11 µm gewalzt. Es ergaben sich hierbei die folgenden Härten [HV01]: nach der ersten Walzkampagne: 170; nach dem ersten Zwischenglühen: 110; nach der zweiten Walzkampagne: 130; nach dem zweiten Zwischenglühen: 100; nach der dritten Walzkampagne: 100. Es sei hierzu angemerkt, dass dieselben Ergebnisse auch erhalten werden, wenn in der zweiten Walzkampagne auf 26 µm und in der dritten Walzkampagne auf 20 µm gewalzt wird.
Zugtest
Mit der 11 µm dicken Folie wurden Zugtests durchgeführt. Die Zugtestergebnisse an der 11 µm dicken KO8242 Folie sind in 3 dargestellt, wobei sich für die neun durchgeführten Repitionen ein Mittelwert der Zugfestigkeit Rm von 378 MPa ergab. Es ist in 3 dargestellt sowohl das Ergebnis 3 der jeweiligen Messung, der Mittelwert 4 sowie die Standardabweichung 5.
ATOX-Stabilität
Des Weiteren wurde mit der Folie die ATOX-Stabilität für die Anwendung in Betracht gezogen. KO8242 zeichnet sich durch eine exzellente Beständigkeit gegenüber atomarem Sauerstoff (ATOX) aus, der beispielsweise in niedrigen Erdorbits auftritt. Da die hervorragenden mechanischen Eigenschaften dieser Legierung durch nm große, kohärente Ausscheidungen bewerkstelligt werden, entspricht die Oberfläche von KO8242 dem einer reinen AIMg-Legierung ohne großflächigen Ausscheidungen, was entsprechend auf die vorliegende Metallfolie übertragbar ist. Die Fluenz an atomarem Sauerstoff in einem 500 km Orbit beträgt beispielsweise 3,6E20 Sauerstoff-Atome/cm2. Damit ergibt sich für KO8242 keine messbare Erosion durch ATOX, während Ag unter leichen Bedingungen eine Erosion von 38 µm ergibt (Quelle aller Daten: SPENVIS, www.spenvis.oma.be/spenvis)
Test der Schweißbarkeit
Um die Schweißbarkeit zu testen, wurde ein Streifen der KO8242 Metallfolie als Solarzellenverbinder mit den Schweißkontakten einer Solarzelle, bestehend aus z.B. Silber mit dünner Goldschicht, mittels Kaltverschweißung mittels Ultraschallschweißen geschweißt.
Der Solarzellenverbinder bestand für diesen Test an der Schweißstelle aus vier einzelnen „Fingern“, parallelen Streifen mit einer Breite von 1,25 mm. Jeder Finger wurde mit einem Schweißpunkt der Größe 0,3×09,9 mm² auf dem 7×1 mm² großen Schweißpad der Zelle fixiert. Die vier einzelnen Finger des Solarzellenverbinders münden in einer 6,25 mm breiten gemeinsamen Basis, die für den Zugtest eingespannt wurde. Im Zugtest wurden daher alle vier Finger gleichzeitig gezogen.
Die dabei erreichten Zugfestigkeiten unter einem Zugwinkel von 0°, wie in 4 schematisch dargestellt, mit Verbinder 6, Kontakt 7 und Solarzelle 8, liegen bei > 5N.
Thermalzykeltest
Um die Ermüdungsfestigkeit von aus der 11µm dicken KO8242 Folie gefertigten Solarzellverbindern möglichst nah am späteren Einsatz im Orbit zu testen, wurde ein Thermalzykeltest konzipiert, in dem dreimal jeweils sieben Substrate mit sechs Verbindern durch Verschweißung verbunden wurden. Die Verbinder bestanden dabei aus jeweils zwei parallelen Metallstreifen, 2 mm breit, die einzeln mit dem Substrat verschweißt wurden. Die Abmessung der eigentlichen Schweißstelle betrug 0,3×0,9 mm². Die drei „Strings“ aus jeweils sieben Substraten wurden auf eine Kohlefaser-Sandwich Struktur geklebt und senkrecht in eine regelbare Temperaturkammer eingebracht wurden. Dabei wurde die auf die Verbinder einwirkende thermomechanische Belastung durch die sich unter Temperatur ausdehnenden und zusammenziehenden Solarzellen durch metallisierte Germaniumsubstrate simuliert. Durch die Temperaturwechsel wurde auch der sich aus dem linearen Expansionskoeffizienten des Materials ergebende Anteil an der Wechselbelastung sowie eine mögliche Materialänderungen simuliert. Die einzelnen Germaniumsubstrate waren 4×5 cm groß. Die wesentliche Abmessung war dabei die Breite von 4 cm (parallel zur Verbinderrichtung), da diese die Größe der Wechselbelastung definiert. Der Temperaturbereich deckte -175°C bis +130°C ab. Es wurden insgesamt 12000 Zyklen durchgeführt. Vergleichend wurden auch andere Materialien wie Silber und reines Aluminium in identischer Konfiguration getestet.
Die Solarzellverbinder wurden visuell inspiziert auf Risse bzw. Durchrisse. Während die Verbinder aus Silber teilweise gerissen waren, ergaben sich mit KO8242 intakte Verbinder. Im Vergleich zeigte sich eine deutliche höhere Ermüdungsfestigkeit der KO8242 Verbinder gegenüber den typischerweise verwendeten Silberverbindern sowie wie zu erwarten dem reinen Aluminium. So versagte von 24 KO8242 Verbindern keiner, während bei Silber 10 von 24 gerissen waren sowie bei Aluminium 19 von 24.
Erosionstest
Um die Beständigkeit gegen die Erosion durch Xe-Ionen, wie sie beispielsweise von Lageregelungstriebwerken auf Satelliten emittiert werden, zu ermitteln, wurden die Sputterraten unter normalem/senkrechten Xe Einfall im relevanten Energiebereich E < 1000 eV von KO8242 ermittelt und mit denjenigen von Ag verglichen. Die Xe-Ionen wurden mittels einer Standard Ionenquelle mit definierter Energie in einem parallelen Strahl auf die Folie als Targetmaterial geschossen. Die gesamte Messung erfolgte im Vakuum. Durch Änderung des Einfallswinkel relativ zum Substrat sowie der Energie des Ionenstrahls konnte die gesamte Energie und Winkelabhängigkeit der Sputterraten gemessen werden. Die Sputterrate wurde jeweils durch Messung der Gewichtsabnahme der Targetfolie bestimmt.
Wie aus 5 ersichtlich, sind die Sputteraten Y_s in Atomen pro Ion von KO8242 etwa einen Faktor 3 besser als die von Ag. Diese höhere Erosionsbeständigkeit kann beispielsweise für eine bessere Ausrichtung der Lageregelungstriebwerke in Nord-Süd Richtung genutzt werden, was zu einer besseren Effizienz und einem niedrigeren Xe-Verbrauch führt.
Zittertest
Um die deutlich verbesserte Ermüdungsfestigkeit der KO8242 Verbinder zu quantifizieren, wurden Verbinder in der tatsächlich verwendeten Geometrie (out of plane loop von 430 µm) geprägt und in einer speziellen Vorrichtung mechanischen Wechselbelastungen von +/- 60 µm bis +/- 100 µm ausgesetzt. Mehrere Verbinder wurden gleichzeitig in einer Vorrichtung eingespannt, die die Variation des Abstands zweier Solarzellen in Orbit simuliert. Zu diesem Zweck wird eine Einspannung (z.B. der Zellrückseite entsprechend) örtlich fest gehalten, während die andere mittels eines Piezokristalls um die gewünschte Wechselbelastung aus der Ruhelage ausgelenkt wird. Die Einspannung der Verbinder auf dieser Seite berücksichtigt darüber hinaus den tatsächlichen Höhenversatz des Verbinders auf einem eigentlichen Solarpanel. Durch alle Verbinder wird individuell ein Strom geschickt, sodass über die Messung des Spannungsabfalls der Bruch des Verbinders detektiert werden kann.
Für jede dieser Belastungsstufen wurde die Zahl der Wechselbelastungen (N; number of cycles) bis zum Bruch für jeweils 16 Verbinder ermittelt. Mittels Finiter Elemente Modellierung (FEM) wurden die maximalen Spannungen (σ), die im Verbinderloop während jeder der Wechselbelastungsstufen auftreten, errechnet. Mit Hilfe dieser Daten kann eine klassische Wöhlerkurve erstellt werden, welche in 6 für KO8242 dargestellt ist mit den tatsächlichen Daten 11 für KO8242 sowie einem angepassten Kurvenverlauf 12, und zum Vergleich diejenige von Silber mit dem angepassten Kurvenverlauf 13 und den tatsächlichen Werten 14, einem Verbindermaterial aus dem Stand der Technik. Die überlegene Zyklenbeständigkeit in einem weiten Spannungsbereich ist deutlich ersichtlich.
Bezugszeichenliste

S1: Bereitstellens eines Halbzeugs
S2: Kalt- und/oder Warmwalzen
S3: Zwischenglühen
1: Solarzelle
2: Verbinder
3: Zugfestigkeit im Beispiel
4: Mittelwert der Zugfestigkeit
5: Standardabweichung
6: Verbinder
7: Kontakt
8: Solarzelle
9: Sputterrate von KO8242
10: Sputterrate von Ag
11: tatsächliche Werte von KO8242 im Zittertest
12: angepasste Kurve von KO8242 im Zittertest
13: angepasste Kurve von Ag im Zittertest
14: tatsächliche Werte von Ag im Zittertest

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2871642 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Metallfolie aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, umfassend Bereitstellen eines Halbzeugs einer Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst; und Auswalzen des Halbzeugs mittels Warm- und/oder Kaltwalzen auf eine Dicke von 5 bis 50 µm.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auswalzen des Halbzeugs in mehreren Schritten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens einmal zwischen zwei Schritten des Auswalzens ein Zwischenglühen bei einer Temperatur von 200 - 450°C und/oder für einen Zeitraum von 1 - 10 h erfolgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, weiter umfassend ein Glühen nach dem Auswalzen bei einer Temperatur von 250 - 350°C.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Walzen bei einer Walzgeschwindigkeit von weniger als 50 m/min erfolgt.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Aluminium-Magnesium-Legierung, welche Scandium und Zirconium umfasst, ist ausgewählt ist aus Aluminiumlegierungen der Gruppen AA5024 und/oder AA5028.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Metallfolie nach dem Auswalzen und ggf. einem Glühen gestanzt und/oder geprägt wird.
Metallfolie, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Metallfolie nach Anspruch 8, in der Form eines Zellverbinders für Solarzellen.
Solarzellenverbund, umfassend eine Metallfolie nach Anspruch 8 oder 9 in Form eines Zellverbinders.
Satellit, umfassend einen Solarzellenverbund nach Anspruch 10.
Verwendung einer Metallfolie nach Anspruch 8 oder 9 in einem Solarzellenverbund.
Verwendung einer Metallfolie nach Anspruch 8 oder 9 in der Luft- und/oder Raumfahrt.
Verwendung nach Anspruch 13, wobei die Metallfolie in einem Satelliten verwendet wird.