耐火体中的复杂结构及其形成方法
【专利摘要】公开了一种在陶瓷、玻璃或者玻璃-陶瓷本体微流体模块中形成复杂结构的方法，包括步骤：提供毛坯状态耐火材料结构(140)，所述耐火材料结构构成微流体模块的本体的至少一部分；提供由碳或含碳物质形成的可移除插入件(120)，所述插入件具有外表面，该外表面包含所要形成在微流体模块中的所需表面的负表面(122)；在毛坯状态结构(140)中加工开口(132)；将该插入件(120)定位在该开口(132)中；将该毛坯状态结构(140)和插入件(120)烧制在一起，以及在完成烧制之后，移除该插入件(120)。该插入件(120)理想的是螺钉或螺钉形状，从而由此形成内螺纹。该插入件(120)理想地包括石墨，且该结构理想地包括陶瓷，理想的是碳化硅。
【专利说明】耐火体中的复杂结构及其形成方法
[0001]本申请根据35U.S.C.§ 119要求2011年11月30日提交的美国临时申请序列号第61/564917号的优先权权益，本申请依赖其内容且其全文以参见的方式纳入本文。
【技术领域】
[0002]本发明总体涉及形成耐火体微流体模块中的复杂结构的方法并涉及由此形成的模块，更具体地，涉及形成诸如陶瓷体微流体装置内的螺纹的附连系统结构，以固定用于流体连接的连接器，通常是金属连接器。
[0003]背景和
【发明内容】
[0004]具有微米级至达几十毫米级最小尺寸通道的微反应器、或连续流动反应器，提供了许多优于传统的间歇式反应器的优点，包括在能量效率、反应条件控制、安全性、可靠性、生产率、可扩展性和可携带性上非常显著的改善。这种微反应器中，化学反应连续地发生，通常限制于这种通道内。
[0005]为了避免在强烈放热反应的安全问题，本领域中提出了在微反应器中执行这些反应。在微反应器中，这些反应比在常规的间歇式反应器更容易控制。此外，在实验室中或工业应用中，在微反应器中，能够实现在常规方法中出于安全原因而无法实现的反应条件。因此，当采用腐蚀性非常强的组合物(即无机酸或碱溶液)时，微反应器本体的坚固性和耐化学性是必不可少的。对于这些情形，玻璃和陶瓷材料(例如，Pyrex?.玻璃、氧化铝或碳化硅)，或玻璃-陶瓷通常是优选的。
[0006]对于玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷微反应器，流体互连件通常通过密封压缩系统连接到微型反应器流体模块本体，该系统采用了聚合物O形环，该聚合物O形环抵靠模块本体上的O形环密封位置紧固。该O形环的作用是确保气密性，而且还有适应应力(如在加热中，少量的管弯曲或膨胀失配)的作用，该应力可导致流体模块的耐火材料的失效。可应用如钎焊或焊接等其它技术，但这些技术要求涉及的材料的热膨胀系数非常接近的匹配。
[0007]目前使用的一种类型的密封件采用抵靠微反应器本体的平坦部的O形环，形成O形环面密封件，如例如在EP18545431的图1中所示出和描述的，该专利转让给本受让人。虽然EP1854543所示的O形环面密封件在某些条件下表现足够好，但仍然存在O形环被挤压穿过O形环座与流体模块面之间的小间隙的风险。另一个缺点是需要外部结构，该外部结构包围所述流体模块或围绕其边缘，以便抵靠模块面压缩该O形环。
[0008]这种结构会增加复杂性和成本，以及反应器的占地面积，该反应器通常包括多个流体模块。
[0009]本领域已知的一种替代配件系统为“O形环隆起密封件”。图1 (现有技术)示出采用O形环隆起密封件的流体互连系统10的情形中的横截面。“隆起”是结构20 (通常是铸造或锻造的金属结构)的圆柱凸起22。凸起22的端部24被机加工或者以其它方式形成为提供平坦、光滑的表面26，用于密封。在结构20的流体端口或开口 30的通孔内部设置内螺纹28。连接器40包括:与内螺纹28啮合的外螺纹42、与光滑表面26配合的平坦环形密封表面44，以及用于将连接器40拧入结构20的抓持面或接合面45。当连接件40和结构20组装在一起时，O形环50陷在环形空间中，该环形空间通过表面26与表面44的接触而封闭。来自开口 30内的压力仅仅将O形环更紧紧地卡入在连接器与凸起22的锥形内表面23之间。管60插入在可压缩套筒48内，该可压缩套筒48可通过压缩螺母49抵靠管60压缩以固定管60。
[0010]对于上面描述的和EP1854543中的O形面密封系统，至少在以下两个方面，类似于图1的配件系统10是较佳的:(I)使用管螺纹类型附连件，从而对于固定装置的附连和O形环50的压缩，不需要外部固定装置，以及(2)在使用时，O形环50坐落于封闭的腔内并且即使在高压差下也不脱出。因为至少这两个原因，理想的是耐火流体模块采用类似于图1中的具有O形环隆起密封件的配件系统10的配件系统。
[0011]在采用类似于诸如玻璃、陶瓷和玻璃-陶瓷的耐火材料的配件系统10的系统中，主要难点在于需要特定的工具和机器来加工各特征而不破坏材料。一般情况下，具有金刚石面刀具的磨床是必需的，且必须用水冷却玻璃或陶瓷部件，以避免过热。在非常硬的陶瓷，如SiC(碳化硅)，WC(碳化钨)或B4C(或B12C3M碳化硼)的情况下，这样的过程是非常昂贵的，因为该过程很慢且特殊和昂贵的工具迅速磨损。因此，形成这些非常坚硬的材料的典型和首选的方法是毛坯状态加工，即加工毛坯的、未烧制状态的陶瓷。不幸的是，在烧制中，对于成型配件的螺纹，尺寸变化过大，因为收缩率的变化是约1-3%。毛坯加工至粗糙公差，随后焙烧后加工到最后的公差是可能的，但仍然非常昂贵。
[0012]本发明提供一种在耐火体基微流体模块中形成复杂结构的方法，具体地，在微流体装置的陶瓷体内或陶瓷体的一部分或部件内形成螺纹，用于机械紧固，具体地将用于流体互连的连接器固定。
[0013]根据本发明的一个实施例，提供了一种在陶瓷、玻璃或者玻璃-陶瓷本体微流体模块中形成复杂结构的方法，包括步骤:提供毛坯状态耐火材料结构，所述耐火材料结构构成微流体模块的本体的至少一部分，提供由碳或含碳物质形成的可移除插入件，该可移除插入件具有外表面，该外表面包含所要形成在微流体模块中的所需表面的负表面；在毛坯状态结构中加工开口，将该插入件定位在该开口中；将该毛坯状态结构和插入件烧制在一起，以及
[0014]在完成烧制之后，移除所述插入件。该插入件理想的是螺钉或螺钉形状，从而由此形成内螺纹。该插入件理想地包括石墨，且该结构理想地包括陶瓷，理想的是碳化硅。
[0015]在下面的文本中参照紧接着简要描述的附图描述了本发明的方法的一些变型和实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]在结合以下附图阅读以后就会很好地理解本发明的各具体实施例的以下详细说明，其中相同的结构用相同的标号来表示，且其中:
[0017]图1 (现有技术)示出采用O形环隆起密封件的流体互连系统的情形中的正视横截面。
[0018]图2示出本发明的方法各步骤的实施例的流程图；
[0019]图3是根据本发明的实施例的呈螺栓形式的临时插入件的正视图；
[0020]图4是毛还状态耐火体的剖视图，该毛还状态耐火体具有在其中加工的开口，用于接纳临时插入件；
[0021]图5是图4的毛坯状态耐火体的一部分的剖视图，其中图3的临时插入件定位在耐火体的开口内；以及
[0022]图6是图4和5的毛还状态耐火体的剖视图,但处于烧制该毛还状态本体之后的烧制后状态且移除了临时插入件，示出存在着呈内螺纹形式的复杂结构，该内螺纹由毛坯状态耐火体与定位在开口内的临时插入件形成。
【具体实施方式】
[0023]在工程陶瓷中形成复杂或精细的结构是昂贵的。即使在毛坯状态下进行大部分工作，仍然需要金刚石机加工来移除大部分表面缺陷和瑕疵，这些缺陷和瑕疵在使用中可能成为严重裂纹。另外，当所要形成的结构时标准螺纹时，典型金属机加工螺纹的几何形状和尺寸公差非常小(100微米或更小)。在该结构的烧制过程中，烧结陶瓷结构通常经受高至15-20%的收缩。因此，在烧结陶瓷产品中形成具有所要求公差的螺纹而不需要大量的后加工是非常困难的。为此，目前，工程师通常采取夹持和螺栓布置来将玻璃或陶瓷与其它固体部件机械连接。
[0024]本发明提供了一种制造工艺，该制造工艺允许将金属螺纹流体连接器，诸如上面描述和图1所示的(现有技术)连接器简单地直接拧入陶瓷微反应器的本体。也可通过该方法形成其它复杂的结构，本方法的基本步骤在图2的工艺流程图图示。
[0025]图2中示出的该方法100包括提供毛坯状态耐火材料结构的步骤70，毛坯状态耐火材料结构构成微流体模块的本体的至少一部分。该耐火材料选自玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷以及它们的混合物或它们的组合，包括填充的烧结材料，其中玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷以及它们的混合物或组合包括该可烧结的材料组分。
[0026]该方法100还包括提供由碳或含碳物质形成的可移除插入件的步骤72。该插入件的外表面包括所要形成在陶瓷体微流体模块中的所需表面的负表面。该负表面可以例如由炭块加工而形成。
[0027]该方法100还包括在毛坯状态结构中加工开口并将插入件定位在该开口中的步骤74。该开口较佳地制作成给予正好足够的间隙来使得容易地将该插入件定位在开口中，例如100微米间隙，但是如果需要，该间隙可以更大或更小。理想的是插入件的负表面与开口的内表面，或者开口的内表面的所要形成的部分之间的开口体积足够小，且毛坯结构在烧制和转换到烧制后状态时的收缩足够大，从而该开口体积在烧制工艺期间闭合，从而该开口的内表面或者该开口的内表面中所要形成的部分符合于该插入件的表面。
[0028]该方法100还包括将插入件定位在开口中的步骤76、将该毛坯状态结构和插入件烧制在一起的步骤78，以及在该结构固结之后移除该插入件的步骤80。如果该插入件包括含碳材料且不是相对纯的碳材料，则可通过热解来移除该插入件。然而，在烧制工艺期间，该插入件必须足够耐久，从而该插入件在该结构足够固化后才移除，以在开口的内表面上形成所需要的正表面。如果该插入件由相对纯的碳材料构成，则可通过机械方式(在呈螺钉形式的插入件情形中，简单地拧开)来移除该插入件或通过氧化，诸如通过在空气或氧气中高温氧化，来移除该插入件，或通过等离子灰化来移除该插入件，或通过其它已知的技术来移除该插入件。
[0029]图3-6部分地示出该方法设想的原理应用。可以采用如图3所示的石墨螺钉120作为带有负表面122 (螺纹)的镜像插入件。为了在本方法中使用石墨螺钉120，诸如通过机加工(钻孔)毛坯状态结构140来形成开口 130。该实施例中，开口 130包括较宽的部分132来接纳呈石墨螺钉120形式的插入件。图5示出开口 130，其中呈石墨螺钉形式的插入件120定位在该开口 130中。螺纹122的外径几乎与开口 130的较宽部分132的内径相等，理想地存在着约100微米间隙。然后，烧制导致该结构140收缩，且在移除螺钉120之后，内螺纹保持形成在开口 130的内表面上，如图6所示。如果板的大小和/或厚度足够大以嵌入石墨螺钉，则螺纹特征可以模制在微流体模块的平坦部件的任何侧(顶部、底部以及甚至边缘)处。
[0030]石墨材料的热膨胀应足够接近陶瓷或玻璃材料，以防止在部件的冷却期间过大的残余应力。应小心地选择插入件材料以防止螺钉与陶瓷或玻璃体之间的不想要的化学反应。任何反应可局部改变材料的特性，并降低性能。石墨是一种示例性材料，其对于玻璃和硅化物(如SiC、Si3N4、MoSi2)是理想的。石墨材料还具有作为非常有弹性的材料(杨氏模量为约1MPa)的优点，因而限制了应力。石墨材料的不同变体也提供了大范围的热膨胀系数(从5至80X10_7/°C )和在惰性气氛中时，石墨承受非常高的温度。来自Mersen的石墨2020可与SiC和Si3N4陶瓷或低膨胀硼硅玻璃(如Pyrex?.玻璃)工作。
[0031]本方法与碳化硅陶瓷一起使用是尤其有益的，因为对于微反应器应用，碳化硅陶瓷的属性是非常有吸引力的，且这样一个坚硬的陶瓷后加工是负担不起的。可以通过冷压来获得SiC的毛坯部分和可以简单地用传统的切削刀具来加工开口 130。然后将石墨螺钉放入开口中。随后，在2100°C下在非氧化性气氛中烧制毛坯状态本体，以防止石墨插入件燃烧。致密化后，该结构需要被冷却，如冷却到室温，然后最后在空气中在1000°C下氧化，以除去石墨插入件。
[0032]在此披露的方法和由此生产的装置大体用于在微结构内执行如下任何过程，包括混合、分离、萃取、结晶、沉淀或者以其它方式处理流体或流体混合物，而流体混合物包括流体的多相混合物(包括流体或包括包含固体的多相流体混合物的流体混合物)。所述处理可以包括物理处理，化学反应，其中有机物、无机物、或者有机物和无机物发生相互转化，生物化学处理，或者任意其它形式的处理。可利用所披露的方法和/或装置来执行以下非限制列出的反应:氧化；还原；置换；消除；加成；配体交换；金属交换；以及离子交换。更确切地说，可利用所披露的方法和/或装置来执行任何以下非限制列出的反应:聚合；烷化；脱烷；硝化；磺化氧化；环氧化；氨解氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；擬基化；硫擬基化；烧氧基化；齒化；脱氢!齒化；脱齒；加氢!醒化；竣化；去碳酸基；胺化；芳基化；肽耦合；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶催化合成；缩酮；皂化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化物；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶促反应。
[0033]应注意到，本文所使用的“较佳地”、“通常”以及“典型地”之类的术语并不用于限制所要求的发明范围，或者暗示对于所要求发明的结构或功能是关键的、基本的或甚至重要的某些特征。此外，这些术语仅仅意指识别本发明实施例的特定方面，或者强调在本发明的特定实施例中可或不可使用的替代或附加特征。
[0034]由于已详细描述本发明的主题并参照其具体实施例，因而将显而易见的是，可能有不会超出本发明限定在所附权利要求中的范围的修改和变型。更确切地说，虽然在此将本发明的一些方面认定为较佳的或尤其有利的，但可设想的是，本发明不需要局限于这些方面。
[0035]应注意到，以下权利要求中的一项或多项将术语其特征在于摂作为过渡表述。为了限定本发明，应注意到，该术语在权利要求中引作开放性过渡表述，并用于引入一系列结构特征的列举，并且应以类似地方式解释成更通常使用的开放性前序术语“包括”。
【权利要求】
1.一种在陶瓷、玻璃或者玻璃-陶瓷本体微流体模块中形成复杂结构的方法，包括步骤: 提供毛坯状态耐火材料结构，所述耐火材料结构构成微流体模块的本体的至少一部分； 提供由碳或含碳物质形成的可移除插入件，所述插入件的外表面包含所要形成在所述微流体模块中的所需表面的负表面； 在所述毛坯状态结构中加工开口； 将所述插入件定位在所述开口中； 将所述毛坯状态结构和所述插入件烧制在一起； 在完成烧制之后，移除所述插入件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述插入件的负表面与所述开口的内表面之间的开口体积足够小，且在烧制时，所述毛坯状态结构的收缩足够大，从而在烧制工艺期间所述开口体积被闭合且所述开口的所述表面符合所述插入件的负表面。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，烧制包括在惰性气氛中烧制。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，移除包括所述插入件的热解。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，移除包括所述插入件的氧化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述插入件是螺钉且所述复杂结构包括内部螺纹。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，提供毛坯状态结构的步骤包括提供包含玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷中一种或多种的结构。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，提供毛坯状态结构的步骤包括提供包含陶瓷的结构。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，提供毛坯状态结构的步骤包括提供包含碳化硅的结构。
10.一种耐火本体微流体模块，所述耐火本体微流体模块通过前述权利要求中任一项所述的方法来形成。
【文档编号】B01J19/00GK104185504SQ201280067208
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】P·G·J·马克斯 申请人:康宁股份有限公司