基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置、方法和合金制造方法及图纸

技术编号:38657008 阅读:8 留言:0更新日期:2023-09-02 22:42
本发明专利技术提供了一种基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置、方法和合金。本发明专利技术可以实现块体合金材料的高通量制备,并用于筛选成分、组织、结构对性能的影响规律,大大加快了材料的制备效率和速度;本发明专利技术的设备升温速率高,适用于含有易挥发、升华元素的合金的高通量制备。量制备。量制备。

【技术实现步骤摘要】
基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置、方法和合金


[0001]本专利技术属于凝聚态物理和材料科学领域,具体涉及一种基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置、方法和合金。

技术介绍

[0002]合金是由两种或两种以上的金属或非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质,广泛应用于基础设施建设、交通运输、航空航天、加工制造、先进武器、海洋探测、能源、医疗卫生等众多领域。近几十年来,随着科学技术的发展,对合金的特殊要求越来越突出,比如高温合金,耐蚀合金,储氢合金,形状记忆合金等等。不同类型的新型合金开发和传统合金性能优化导致合金成分越来越复杂,并且合金制备过程中的工艺参数如过热度、冷却速率等对其组织影响极大,进而影响性能。然而,传统合金研发大多数是通过“试错法”,即每次实验控制单一变量,如成分、熔炼温度等,积累基础数据周期过长,研发效率低。那么加快合金材料的开发效率,实现合金块材的高通量制备具有重要意义。
[0003]高通量合金制备方法是目前实现合金材料高效开发的一个重要手段,其核心思想是将传统合金研发中的顺序迭代方法改为并行制备,在短时间能得到大量不同成分、组织结构的良品,并进一步结构高通量表征方法得合金的成分、相结构和性能等信息从而得到统一标准化的合金材料大数据,从中筛选出具有优异性能的合金材料或找到“成分

结构

工艺

性能”关系,从而提高材料研发的效率,实现合金的精准设计。
[0004]目前,主要的合金高通量制备方法是气相沉积法,通过制备出具有成分梯度的薄膜材料,实现单批次多样品制备。但是,对于合金材料而言,绝大多数的应用场合需要使用块体材料,其组织结构和相同组分的薄膜明显不同,进而显著影响性能。因此组合薄膜材料很多情况下无法直接显示块体材料的特征和性能,导致研发效率降低,错过很多性能优异的合金材料。目前已报到的合金块体高通量制备方法主要采用电弧熔炼、感应熔炼、电阻炉熔炼、3D打印、微波加热等。对于一次性熔炼多个不同成分的块体合金(即高通量制备)而言,高通量电弧熔炼炉虽然对单个样品熔炼效率较高,但目前只能实现串行熔炼,并且对于含有易挥发、升华元素(如Li、Mg、Zn等)的合金熔炼损耗较大。感应熔炼和电阻炉熔炼虽然可以实现并行熔炼,但是由于该方法加热体较大,导致升降温速率慢,效率较低的同时也导致易挥发、升华元素的损耗,并且合金熔体受到感生电流和外加磁场的影响容易悬浮并溢出坩埚,导致不同成分的样品混合从而造成污染。3D打印和微波加热方法工艺复杂、昂贵且耗时,不适于在短时间内实现合金的高通量制备。使用碳纸加热体进行合金材料的高通量制备是近年来发展起来的高通量实验技术,其原理是将金属盐溶液前驱体置于碳纸加热体上并进一步通过热冲击等方法进行还原制备合金。但目前该方法只能够实现合金纳米颗粒的高通量制备,如高熵合金纳米颗粒,低熔点高熵合金复合材料纳米颗粒。虽然合金熔化后流动性较好,但是作为导体会导致碳纸短路,无法直接置于碳纸上进行熔炼,无法满足块体合金材料的高通量制备需求。

技术实现思路

[0005]因此,本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷,提供一种基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置、方法和合金。可以在极短的时间内制备大量不同成分的合金样品,同时样品的尺寸和质量可以满足后续的热处理及性能检测,并能够利用已有的高通量表征技术对成分、相结构、组织、性能进行快速表征,大大降低合金材料的研发周期。
[0006]为实现上述目的,本专利技术的第一方面提供了一种基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置,所述高通量块体合金制备装置包括:真空腔室、碳纸加热体、电极、坩埚支架、坩埚、隔热保温罩、导线、测温观察孔、耐高温底座支架、水冷盘、升降装置和密封圈;其中,
[0007]所述碳纸加热体、所述电极、所述坩埚支架、所述坩埚、所述隔热保温罩、所述导线、所述测温观察孔、所述耐高温底座支架和所述水冷盘位于所述真空腔室中;和/或
[0008]所述水冷盘通过所述密封圈与所述升降装置连接;
[0009]优选地,所述真空腔室包括绝缘密封板、抽气口和排气口。
[0010]根据本专利技术第一方面的高通量块体合金制备装置,其中,
[0011]所述碳纸加热体的厚度为0.05mm~0.5mm,优选为0.1mm~0.4mm,更优选为0.2mm~0.3mm;
[0012]所述碳纸加热体的形状选自以下一种或多种:长方形、正方形、弓形、椭圆形、圆形,优选选自以下一种或多种:长方形、正方形、椭圆形、圆形,更优选选自以下一种或多种:长方形、正方形、椭圆形;
[0013]所述碳纸加热体通入的电流类型选自以下一种或多种:稳压直流、脉冲直流、交流,优选为稳压直流或交流;
[0014]所述碳纸加热体通入的电流大小为1A~1000A,优选为10A~900A,更优选为50A~800A;和/或
[0015]所述碳纸加热体的升温速率为1℃/min~5000℃/min,优选为5℃/min~4500℃/min,更优选为10℃/min~4000℃/min。
[0016]根据本专利技术第一方面的高通量块体合金制备装置,其中,
[0017]所述坩埚支架预先开孔从而形成孔洞;
[0018]所述坩埚支架位于所述碳纸加热体上;
[0019]所述坩埚位于所述坩埚支架的孔洞中;
[0020]所述隔热保温罩上端具有所述测温观察孔,且位于所述耐高温底座支架上;
[0021]所述碳纸加热体与所述电极相连,并通过所述导线穿过所述绝缘密封板和所述电源相连;和/或
[0022]所述坩埚支架、所述碳纸加热体和所述坩埚位于所述隔热保温罩中;
[0023]优选地,所述隔热保温罩由绝缘隔热非金属材料制成,所述绝缘隔热非金属材料更优选选自以下一种或多种:氮化硼,氧化镁,氧化铝,氧化锆,硼砂,优选选自以下一种或多种:氮化硼,氧化镁,氧化铝,氧化锆,更优选选自以下一种或多种:氮化硼,氧化镁,氧化铝。
[0024]根据本专利技术第一方面的高通量块体合金制备装置,其中,
[0025]所述坩埚支架的预先开孔的截面形状选自以下一种或多种:圆形、正方形、长方形,优选为圆形或正方形;
[0026]所述坩埚支架的孔洞的个数为20个~500个,优选为50个~300个,更优选为80个~200个;和/或
[0027]所述坩埚支架的孔洞选自以下一种或多种:通孔、盲孔、台阶孔,优选为通孔或台阶孔;所述孔洞的阵列优选为轴对称分布。
[0028]根据本专利技术第一方面的高通量块体合金制备装置,其中,
[0029]所述坩埚还包括坩埚盖,用来配置块体合金样品;
[0030]所述坩埚为绝缘坩埚或导电坩埚;
[0031]所述坩埚的材料选自以下一种或多种:石英玻璃,石墨,钽,氧化铝,氮化硼,氧化锆,钨,优选选自以下一种或多种:石英玻璃,石墨,钽,氧化铝,氮化硼,氧化锆,更优选选自以下一种或多种:石英玻璃,石墨,钽,氧化铝,氮化硼;
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纸加热体的高通量块体合金制备装置,其特征在于,所述高通量块体合金制备装置包括:真空腔室、碳纸加热体、电极、坩埚支架、坩埚、隔热保温罩、导线、测温观察孔、耐高温底座支架、水冷盘、升降装置和密封圈;其中,所述碳纸加热体、所述电极、所述坩埚支架、所述坩埚、所述隔热保温罩、所述导线、所述测温观察孔、所述耐高温底座支架和所述水冷盘位于所述真空腔室中;和/或所述水冷盘通过所述密封圈与所述升降装置连接;优选地,所述真空腔室包括绝缘密封板、抽气口和排气口。2.根据权利要求1所述的高通量块体合金制备装置,其特征在于,所述碳纸加热体的厚度为0.05mm~0.5mm,优选为0.1mm~0.4mm,更优选为0.2mm~0.3mm;所述碳纸加热体的形状选自以下一种或多种:长方形、正方形、弓形、椭圆形、圆形,优选选自以下一种或多种:长方形、正方形、椭圆形、圆形,更优选选自以下一种或多种:长方形、正方形、椭圆形;所述碳纸加热体通入的电流类型选自以下一种或多种:稳压直流、脉冲直流、交流,优选为稳压直流或交流;所述碳纸加热体通入的电流大小为1A~1000A,优选为10A~900A,更优选为50A~800A;和/或所述碳纸加热体的升温速率为1℃/min~5000℃/min,优选为5℃/min~4500℃/min,更优选为10℃/min~4000℃/min。3.根据权利要求1或2所述的高通量块体合金制备装置,其特征在于:所述坩埚支架预先开孔从而形成孔洞;所述坩埚支架位于所述碳纸加热体上;所述坩埚位于所述坩埚支架的孔洞中;所述隔热保温罩上端具有所述测温观察孔,且位于所述耐高温底座支架上;所述碳纸加热体与所述电极相连,并通过所述导线穿过所述绝缘密封板和所述电源相连;和/或所述坩埚支架、所述碳纸加热体和所述坩埚位于所述隔热保温罩中;优选地,所述隔热保温罩由绝缘隔热非金属材料制成,所述绝缘隔热非金属材料更优选选自以下一种或多种:氮化硼,氧化镁,氧化铝,氧化锆,硼砂,优选选自以下一种或多种:氮化硼,氧化镁,氧化铝,氧化锆,更优选选自以下一种或多种:氮化硼,氧化镁,氧化铝。4.根据权利要求3所述的高通量块体合金制备装置,其特征在于:所述坩埚支架的预先开孔的截面形状选自以下一种或多种:圆形、正方形、长方形,优选为圆形或正方形;所述坩埚支架的孔洞的个数为20个~500个,优选为50个~300个,更优选为80个~200个;和/或所述坩埚支架的孔洞选自以下一种或多种:通孔、盲孔、台阶孔,优选为通孔或台阶孔;所述孔洞的阵列优选为轴对称分布。5.根据权利要求1至4中任一项所述的高通量块体合金制备装置,其特征在于:所述坩埚还包括坩埚盖,用来配置块体合金样品;
所述坩埚为绝缘...

【专利技术属性】
技术研发人员:王超柳延辉李明星孟磊
申请(专利权)人:北京物科光电技术有限公司
类型:发明
国别省市:

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