专利名称：一种具有微流道结构的金属间化合物及其制造方法
技术领域：
本发明涉及金属微流道及其制造技术，特别提供了一种具有微流道结构的金属间化合物及其制造方法，具体涉及M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道及其制造方法，。
背景技术：
微反应器技术是现代化学和生物化学工业的一项倍受关注的新兴技术[参见文献姚华堂，于新海，王正东，涂善东.微反应器中的微制作技术，微细加工技术，(2)(2006)54-60]。微反应器是一种连续流动的管道式反应器，其管道尺寸在亚微米至亚毫米之间，远小于常规管式反应器。微反应器管道具有极大的比表面积，因而物料的混合效率和换热效率极高，在精确控制反应温度，提高反应速率、反应的选择性和安全性以及产品质量方面，较之常规反应器有着极大的优势；同时微反应器以单元方式堆叠，可对生产规模进行方便的扩大和灵活的调节。微反应器技术将给现代化工技术带来革命性的影响。据报道，使用微反应器可使纳米粒子生产提高500倍。微管道或微流道是微反应器的关键组成部分，因而其加工技术构成了制作微反应器的关键技术，也是现代先进制造技术中较活跃的领域。微流道材料包括高分子类、金属类、玻璃和陶瓷类。其中金属微流道具有热导率高、高温强度和抗热震性能优异的优势，是高温微反应器的理想候选材料。金属微流道的各种制备技术已有大量报道，如Guillou等人[参见文献L. Guillou，S. Paul, V.Le Courtoisj Investigation of H2 staging effects on CO conversion and productdistribution for Fischer-Tropsch synthesis in a structured microchannelreactor, Chemical Engineering Journal, 136 (2008) 66-76]使用快速成型机雕刻技术(Fast prototyping machine)在 0. 25mm 厚的 316L 不镑钢片上制备出了 1_ 宽 800_ 长的蛇形镂空通道，然后将其夹在两片其他板材之间由此形成了微流道，这种工艺制备二维微流道有一定的可行性，但对三维微流道来说需要制备大量的叠层，工艺复杂不易实现，且成本较高。利用脉冲放电对金属工件进行蚀除加工的微细放电加工技术可对金属进行穿孔和切割，具有较好的成型能力，但加工精度难以保证[参见文献王润孝，先进制造技术，北京科学出版社，2004]。Hakamada等人[参见文献M. Hakamada，Y. Asao，T.Kuromuraj Y. Chen, Processing of three-dimensional metallic microchannels byspacer method, Materials Letters 62 (2008) 1118-1121]米用间隔法(spacer method)在铜基体内制备出了三维结构的微流道，具体做法是首先将铝丝预制成所需结构，然后埋入铜粉内，加压成型，接着在碱液内将铝丝腐蚀直至全部溶解，最后再经高温烧结提高强度，最终在铜基体内留下与铝丝结构一致的三维微流道。这一方法在制备三维微流道方面显示出了优越性，但腐蚀法较耗费时间，因而效率较低。Ohmi等人[参见文献T. Ohmi，N. Hayashi，M. Iguchi，Formation of Porous Intermetallic Thick Filmby Ni-Al Microscopic Reactive Infiltration, Materials Transactions,49 (2008)2723-2727;T. Ohmi, T. Kodama, M. Iguchi,Formation Mechanism of Microchannelsand Lining Layers in Sintered Iron Powder Compacts with Copper SacrificialCores, Materials Transactions, 50(2009)2891-2896]则将一定结构的铝丝放入镍粉内或将铜丝放入铁粉内，加压成型，分别在高于铝和铜的熔点烧结，最终形成微流道。Ohmi等人认为这是由于铝或铜熔点低，熔化后融入镍或铁基体从而留下孔洞的结果，或者认为是普遍接受的 Kirkendall 效应的结果[Y. He, Y. Jiang, N. Xu, J. Zou, B. Huang, C. T. Liu, P.K. Liaw, Fabrication of Ti-Al micro/nanometer-sized porous alloys, AdvancedMaterials, 19 (2007) 2102-2106]。这一方法省去了腐蚀的工序，效率较高，但该工艺只适应于少数几种金属基体，比如在铜或非金属基体内可能就无法形成微流道，因而应用范围较窄。而且包括以上介绍的大多数金属微流道耐温、耐腐蚀性能均较低，难以满足高温微反应器的应用要求。现代工业需要一种耐温、耐腐蚀性能优异且易于加工的金属微流道用于高温微反应器。人们期望获得一种技术效果优良的金属间化合物微流道及其制造方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决当前多数金属微流道耐高温和耐腐蚀性差，而耐高温和耐腐蚀性优异的金属间化合物微流道难以制备的问题，从而提供了具有微流道结构的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道及其制造方法。本发明重点涉及一种具有微流道结构的金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物微流道的合金相为下述金属间化合物中的一种或多种Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和 Nb-Al ；所述金属间化合物微流道的骨架是具有所需空间结构的铝丝构件；在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其组合；上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的金属间化合物微流道。所述金属间化合物微流道的骨架中，铝丝断面形状包括但不限于圆形，其外径为100nm-2mm,其化学成份为纯铝或铝合金。本发明还涉及一种具有微流道结构的金属间化合物的制造方法，其特征在于首先将具有所需空间结构的铝丝构件作为基础骨架；然后在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其组合；再上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的金属间化合物微流道；烧结温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟。在铝丝构件上沉积金属层M的沉积方法具体是以下几种之一电镀、化学镀、PVD法、CVD方法；沉积的金属层M厚度为铝丝外径的1/2-1/20。本发明利用金属扩散的Kirkendall效应，结合金属间化合物的优异的耐温、耐腐蚀性能[参见文献李婷婷，彭超群，王日出，王小锋，刘兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展，中国有色金属学报，21 (2011) 784-795 ；D.E.Alman, C. P. Dogan, Intermetallic sheets synthesized from elemental Ti, Al, andNb foils, Metallurgical and Materials Transactions A, 26A (1995) 2759-2762],提供了
4制备工艺简单且适用范围较宽的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道及其制备方法。所述金属间化合物微流道还可在金属、陶瓷或玻璃体内形成；本发明具体提出的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道及其制造方法，可解决现有金属微流道耐温和耐腐蚀差，而耐高温和耐腐蚀性优异的金属间化合物微流道难以制备的问题，工艺简单，成本较低，并适于规模化生产。
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明图I为本发明在金属基体内制作二维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物蛇形微流道的工艺示意图；图2为本发明在玻璃-陶瓷基体内制作二维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物蛇形微流道的工艺示意图；图3为本发明在金属基体内制作三维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道的工艺示意图；图4为本发明在玻璃-陶瓷基体内制作三维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道的工艺示意图；图5为本发明在金属基体内制作三维螺旋结构M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道的工艺示意图；图6为本发明在玻璃-陶瓷基体内制作三维螺旋结构M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道的工艺示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明实施例I采用附图I所示的制备工艺可在金属基体内制作二维M-Al (M=Fe, Co，Ni，Ti或Nb)金属间化合物蛇形微流道。首先将直径0.005-lmm的铝丝做成蛇形弯曲状构件，然后采用化学镀、电化学镀或PVD方法在该构件上沉积厚度为铝丝直径1/2-1/20的金属层M(M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb);将带有镀层的蛇形铝丝埋入微反应器所需要的金属粉内，通过单向或等静压方式进行压制，压力不超过500MPa;然后将压制的块体进行高温处理，高温处理在真空、惰性或还原性气氛中进行，温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟，高温处理期间铝发生外扩散与金属层M化合形成金属间化合物；由此获得嵌入在金属基体内的二维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道，其合金相包括Fe_Al、Co-Al, Ni-Al,Ti-Al和Nb-Al金属间化合物中的一种或多种。实施例2采用附图2所示的制备工艺可在玻璃-陶瓷基体内制作二维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物蛇形微流道。首先将直径0.005-lmm的铝丝做成蛇形弯曲状构件，然后采用化学镀、电化学镀或PVD方法在该构件上沉积厚度为铝丝直径1/2-1/20的金属层M(M=Fe，Co, Ni, Ti或Nb);将带有镀层的蛇形铝丝埋入微反应器所需要的玻璃-陶瓷粉内，通过单向或等静压方式进行压制，压力不超过500MPa，也可不进行压制；然后将压制的块体或连同模具进行高温处理，高温处理在真空、惰性或还原性气氛中进行，温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟，高温处理期间铝发生外扩散与金属层M化合形成金属间化合物；由此获得嵌入在玻璃-陶瓷基体内的二维M-Al (M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb)金属间化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al金属间化合物中的一种或多种。实施例3采用附图3所示的制备工艺可在金属基体内制作三维M-Al (M=Fe, Co，Ni，Ti或Nb)金属间化合物微流道。首先将直径O. 005-lmm的铝丝做成具有三维空间结构的构件，然后采用化学镀、电化学镀或PVD方法在该构件上沉积厚度为铝丝直径1/2-1/20的金属层M(M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb);将带有镀层的三维铝丝构件埋入微反应器所需要的金属粉内，通过单向或等静压方式进行压制，压力不超过300MPa ;然后将压制的块体进行高温处理，高温处理在真空、惰性或还原性气氛中进行，温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟，高温处理期间铝发生外扩散与金属层M化合形成金属间化合物；由此获得嵌入在金属基体内的三维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni_Al、Ti-Al和Nb-Al金属间化合物中的一种或多种。实施例4采用附图4所示的制备工艺可在玻璃-陶瓷基体内制作三维M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道。首先将直径O. 005-lmm的铝丝做成具有三维空间结构的构件，然后采用化学镀、电化学镀或PVD方法在该构件上沉积厚度为铝丝直径1/2-1/20的金属层M(M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb);将带有镀层的三维铝丝构件埋入微反应器所需要的玻璃-陶瓷粉内，通过单向或等静压方式进行压制，压力不超过300MPa，也可不进行压制；然后将压制的块体或连同模具进行高温处理，高温处理在真空、惰性或还原性气氛中进行，温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟，高温处理期间铝发生外扩散与金属层M化合形成金属间化合物；由此获得嵌入在玻璃-陶瓷基体内的三维M-Al (M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb)金属间化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al金属间化合物中的一种或多种。实施例5采用附图5所示的制备工艺可在金属基体内制作三维螺旋结构的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道。首先将直径O. 005-lmm的铝丝做成具有螺旋结构的构件，然后采用化学镀、电化学镀或PVD方法在该构件上沉积厚度为铝丝直径1/2-1/20的金属层M(M=Fe，Co, Ni, Ti或Nb);将带有镀层的铝丝螺旋构件埋入微反应器所需要的金属粉内，通过单向或等静压方式进行压制，压力不超过300MPa;然后将压制的块体进行高温处理，高温处理在真空、惰性或还原性气氛中进行，温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟，高温处理期间铝发生外扩散与金属层M化合形成金属间化合物；由此获得嵌入在金属基体内的三维螺旋结构的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al金属间化合物中的一种或多种。实施例6采用附图6所示的制备工艺可在玻璃-陶瓷基体内制作三维螺旋结构的M-Al (M=Fe, Co，Ni，Ti或Nb)金属间化合物微流道。首先将直径O. 005-lmm的铝丝做成具有螺旋结构的构件，然后采用化学镀、电化学镀或PVD方法在该构件上沉积厚度为铝丝直径1/2-1/20的金属层M(M=Fe，Co, Ni, Ti或Nb);将带有镀层的铝丝螺旋构件埋入微反应器所需要的玻璃-陶瓷粉内，通过单向或等静压方式进行压制，压力不超过300MPa也可不进行压制；然后将压制的块体或连同模具进行高温处理，高温处理在真空、惰性或还原性气氛中进行，温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟，高温处理期间铝发生外扩散与金属层M化合形成金属间化合物；由此获得嵌入在玻璃-陶瓷基体内的三维螺旋结构的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道，其合金相包括Fe_Al、Co-Al, Ni-Al,Ti-Al和Nb-Al金属间化合物中的一种或多种。实施例7一种具有微流道结构的金属间化合物，其合金相为下述金属间化合物中的一种或多种Fe_Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al 和 Nb-Al ；所述金属间化合物微流道的骨架是具有所需空间结构的铝丝构件；在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其组合；上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的金属间化合物微流道。所述金属间化合物微流道的骨架中，铝丝断面形状包括但不限于圆形，其外径为100nm-2mm,其化学成份为纯铝或铝合金。实施例8一种具有微流道结构的金属间化合物的制造方法首先将具有所需空间结构的铝丝构件作为基础骨架；然后在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe, Co, Ni, Ti, Nb其中之一或其组合；再上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的金属间化合物微流道；烧结温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟。在铝丝构件上沉积金属层M的沉积方法具体是以下几种之一电镀、化学镀、PVD法、CVD方法；沉积的金属层M厚度为铝丝外径的1/2-1/20。本实施例利用金属扩散的Kirkendall效应，结合金属间化合物的优异的耐温、耐腐蚀性能[参见文献李婷婷，彭超群，王日出，王小锋，刘兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展，中国有色金属学报，21 (2011) 784-795 ；D. E. Almanj C. P. DoganjIntermetallic sheets synthesized from elemental Ti，Al，andNb foils, Metallurgical and Materials Transactions A，26A (1995) 2759-2762]，提供了制备工艺简单且适用范围较宽的M-Al (M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb)金属间化合物微流道及其制备方法。所述金属间化合物微流道还可在金属、陶瓷或玻璃体内形成；本实施例具体提出的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金属间化合物微流道及其制造方法，可解决现有金属微流道耐温和耐腐蚀差，而耐高温和耐腐蚀性优异的金属间化合物微流道难以制备的问题，工艺简单，成本较低，并适于规模化生产。以上结合附图对本发明的具体实施方式
作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种具有微流道结构的金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物微流道的合金相为下述金属间化合物中的一种或多种Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al ； 所述金属间化合物微流道的骨架是具有所需空间结构的铝丝构件；在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其组合；上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的具有微流道结构的金属间化合物。
2.按照权利要求I所述具有微流道结构的金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物微流道的骨架中，铝丝断面形状包括但不限于圆形，其外径为100nm-2mm，其化学成份为纯招或招合金。
3.具有微流道结构的金属间化合物的制造方法，其特征在于 首先将具有所需空间结构的铝丝构件作为基础骨架；然后在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe, Co, Ni, Ti, Nb其中之一或其组合；再在上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的金属间化合物微流道；烧结温度要求是600-1200° C，时间>0. 5分钟。
4.权利要求3所述具有微流道结构的金属间化合物的制造方法，其特征在于 在铝丝构件上沉积金属层M的沉积方法具体是以下几种之一电镀、化学镀、PVD法、CVD方法；沉积的金属层M厚度为铝丝外径的1/2-1/20。
全文摘要
一种具有微流道结构的金属间化合物，其合金相为下述金属间化合物中的一种或多种Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al；所述金属间化合物微流道的骨架是具有所需空间结构的铝丝构件；在该铝丝构件上还沉积有一层金属M，M=Fe、Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其组合；上述已经沉积金属M的铝丝构件埋入下述三种材料制成的构件中并在真空、惰性或还原性气氛中采用无压或压力烧结得到最终的具有微流道结构的金属间化合物。本发明还涉及所述金属间化合物的制造方法。本发明所述金属间化合物微流道具有耐高温和耐腐蚀性优异的优点，所述制备方法工艺简单，成本较低，并适于规模化生产。
文档编号B01J19/00GK102921361SQ20121036150
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者沈明礼, 朱圣龙, 王福会, 吴维 申请人:中国科学院金属研究所