一种微晶铝材料生产方法与设备的制造方法
【专利说明】
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技术领域
[0001]本发明采用在低温、真空条件下，将含有金属铝化合物的气体通入高频等离子体电场，利用气相化学沉积方法，制造具有类似非晶金属特性的微晶金属铝材料或产品，其技术属于新材料制造领域。
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【背景技术】
[0002]微晶金属性能介于普通晶态金属与非晶金属之间。非晶金属又称为液体金属、或玻璃金属。恪融状态的金属液体在极速(百万分之一秒)冷却状况下，金属液体中的原子来不及移动形成有序晶格就以无序排列状态凝固成固体。这种固体被称之为非晶金属。由于非晶金属固体内部原子分布具有液体的特征，也称为玻璃态特征，所以，非晶金属内部的微观结构与普通金属内部原子有序排列构成晶格的微观结构迥异。这种金属内部原子分布状态的改变，直接导致金属性能发生了令人吃惊的变异。譬如，非晶金属不存在晶格，也就没有晶格之间的滑动和晶格缺陷，因而非晶金属没有普通金属的延展性。正因为非晶金属具有质地紧密、均匀、无结构性缺陷的玻璃态特性，决定了非晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。此外，非晶金属在受热融化时，没有固定的熔点，像玻璃一样，先软化，再由稠变稀，经过一个温度上升区间后，才能完全液化。并且，非晶金属在液化过程中具有较好的流动性和填充性，经冷却固化时、因没有典型的晶体形成，故原子排列状态仍然与液态时相同，所以，凝固前后体积保持不变。这种特性使得非晶金属可以在一定温度区间内，像玻璃、塑料材料一样，利用模具精确成型。由于微晶金属具有类似非晶金属特性，因此微晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。所以微晶金属在耐磨、耐腐蚀、高硬度等刚性材料领域比普通晶态金属具有更广泛的应用前景。由于采用极速冷却金属液体方法获得的微晶金属，不但成本高昂且很难获得大体积的微晶金属。通常这种方法只能用于制造薄片状或粉末状的微晶金属。在偏压电场作用下，利用真空高频等离子体电场将气相金属化合物电离，金属离子在定向沉积过程中与还原性气体进行还原反应，所产生的气态金属原子云雾，与处于低温状态的电极板表面接触时，金属原子因急剧冷却发生凝聚，就形成了微晶形态金属。这种方法生产微晶金属材料不仅成本较低，而且可以直接获得大体积的微晶态金属材料。
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【发明内容】
[0003]采用加热氯化铝使其升华为气体，通入高速流动的还原性氢气携带铝化合物气体，作为混合气体原料。或将铝化合物溶解在特定的溶剂中形成铝离子溶液，直接通入高速流动的还原性气体将铝离子溶液雾化，混合并携带作为气体原料。采用具有冷却功能的耐酸腐蚀金属平行平板电极加载高频等离子体电场和偏压电场，使铝化合物电离产生铝离子，在还原气体作用下，铝离子被还原为原子，骤冷后的金属原子运动速度变得迟缓，凝聚为原子团，定向沉积生成微晶金属。采用铝制薄板或模具，覆盖在平板电极表面作为沉积物衬底，它与微晶铝具有较好的结合力，利于沉积大体积的微晶铝，并且可以一次成型为微晶铝制品。采用耐腐蚀钢材制作圆柱体真空室，防止生产中产生的酸性气体腐蚀真空室。采用气体过滤装置，利用碱性固态吸附剂吸收化学沉积反应中产生的酸性氯化氢气体，可加速氯化铝的电离并防止排放酸性气体造成环境污染。
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【附图说明】
[0004]附图是生产设备结构示意图。
本发明的设备由真空系统、气体原料系统、高频等离子电场系统、冷却固化成型系统和酸性气体吸收过滤装置组成。真空系统包括:真空栗(1)、导管(2)、真空室(3)、真空室门
[4]、透明视窗(16)。气体原料系统包括:还原性气体(5)、铝化合物气化器(6)、铝化合物固体原料(7)、三通导管(19)、混合原料气体(15)。高频等离子电场系统包括:高频及偏压电源(8)、导线(18)、平行平板电极(9)、聚四氟乙烯塑料支架(17)。冷却固化成型系统包括:液氮循环制冷装置(10)、冷却板(11)、绝缘导管(20)、微晶铝(12)及其沉积生长衬底(21) ο酸性气体吸收过滤装置(22)包括:固态碱性吸附剂(13)及其载体(14)。
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【具体实施方式】
[0005]本发明优选实施方案为:采用不锈钢材料制作直径约I米、长度约1.5米、厚度约5毫米的圆柱形真空室(3)。真空室门(4)安装有透明视窗(16)，可以向外拉开。真空栗(I)通过导管(2)与真空室(3)连通。采用绝缘、防腐蚀的聚四氟乙烯塑料支架(17)，将长度约I米、宽度约0.8米、厚度约2毫米的两块不锈钢制作的平行平板电极(9)，安装固定在真空室(3)内。高频及偏压电源(8)通过导线(18)分别与真空室(3)内两块平板电极(9)连接，偏压负极与两块平行平板电极(9)中位于下方的平板电极(9)连接，正极与上方的平板电极(9)连接。采用三通导管(19)连通还原性气体(5)、铝化合物气化器(6)及真空室(3)。用导热良好的金属铜制作内部设有冷却介质循环通道的冷却板(11)，冷却板(11)面积与平板电极(9)相同，厚度约20毫米，冷却介质循环通道通过绝缘导管(20)与真空室
(3)外的液氮循环制冷装置(10)连通。微晶铝(12)沉积生长衬底(21)由厚度约2毫米的铝板制作，平铺在位于下方的平板电极(9)表面。酸性气体吸收过滤装置(22)安装在真空室(3)内导管⑵末端，内部为固态碱性吸附剂(13)及其载体(14)。
[0006]工艺流程为:启动真空栗(I)、将真空室(3)空气抽净。==》启动高频及偏压电源(8)，在平行平板电极(9)加载高频及偏压电场。==》启动还原性气体(5)及固态铝化合物气化器(6)将混合原料气体(15)通入真空室(3)，保持真空室(3)气压稳定在设计的真空度。==》启动液氮循环制冷装置(10)，保持冷却板(11)处于恒温状态，平行平板电极(9)之间形成电离辉光，微晶铝(12)在衬底(21)表面持续沉积生长。==》关闭真空栗
(I)、高频及偏压电源(8)、液氮循环制冷装置(10)、还原性气体(5)及固态铝化合物气化器
(6)，然后打开真空室门(4)，取出衬底(21)及微晶铝(12)。==》将微晶铝(12)从衬底
(21)剥离。
【主权项】
1.本发明采用在低温、真空条件下，将氢气与已经气化的金属铝化合物的混合气体通入高频等离子体电场，发生电离反应和还原反应，利用气相化学沉积方法和采用金属模具做衬底，一次成型制造具有类似非晶金属特性的微晶态金属铝材料或产品。其技术属于新材料制造领域。与现有金属铝及其合金材料相比，该微晶态金属铝制品具有更高的力学性能和更好的抗化学腐蚀性能。适用于各种飞行器、运载工具制造行业。 本发明独有的，与现有技术不同的技术特征为: (1)采用固体气化器(6)将铝化合物固体原料(7)升华为气体或将铝盐溶液雾化为气体，同时与还原性氢气(5)混合成为原料气体(15)。 (2)将气相沉积衬底(21)设计为沉积物一次成型模具同时具有电极(9)功能。 (3)采用酸性气体吸收过滤装置(22)、固态碱性吸附剂(13)及其载体(14)，吸收氯化氢气体，促进还原反应，同时防止有害气体排放污染环境。 (4)采用液氮循环制冷装置(10)、冷却板(11)、绝缘导管(20)，沉积物衬底(21)及平行平板电极(9)构成超低温沉积环境。 除上述独有的、与现有技术不同的技术特征外，本发明还要求保护以下技术范围: (5)使用本发明采用的固态金属盐气化器￠)、气相沉积模具式衬底(21)、气体过滤装置(22)，利用高频等离子体(8)、(9)全部四项技术或其中某一项技术实施气相沉积，制造包括但不限于微晶铝(12)及其合金产品。例如制造其他金属的微晶制品及其合金产品。
【专利摘要】一种微晶铝材料生产方法与设备。本发明采用在低温、真空条件下，将氢气与已经气化的金属铝化合物的混合气体通入高频等离子体电场，发生电离反应和还原反应，利用气相化学沉积方法和采用金属模具做衬底，设计了一次成型制造具有类似非晶金属特性的微晶态金属铝材料或产品的生产方法与设备。其技术属于新材料制造领域。与现有金属铝及其合金材料相比，该微晶态金属铝制品具有更高的力学性能和更好的抗化学腐蚀性能。适用于各种飞行器、及各类运载工具制造行业。
【IPC分类】C23C16/12
【公开号】CN105088178
【申请号】CN201510324019
【发明人】刘南林
【申请人】刘南林
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年6月5日