專利名稱：一種具有微流道結構的金屬間化合物及其制造方法
技術領域：
本發明涉及金屬微流道及其制造技術，特別提供了一種具有微流道結構的金屬間化合物及其制造方法，具體涉及M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道及其制造方法，。
背景技術：
微反應器技術是現代化學和生物化學工業的一項倍受關注的新興技術[參見文獻姚華堂，于新海，王正東，涂善東.微反應器中的微制作技術，微細加工技術，(2)(2006)54-60]。微反應器是一種連續流動的管道式反應器，其管道尺寸在亞微米至亞毫米之間，遠小于常規管式反應器。微反應器管道具有極大的比表面積，因而物料的混合效率和換熱效率極高，在精確控制反應溫度，提高反應速率、反應的選擇性和安全性以及產品質量方面，較之常規反應器有著極大的優勢；同時微反應器以單元方式堆疊，可對生產規模進行方便的擴大和靈活的調節。微反應器技術將給現代化工技術帶來革命性的影響。據報道，使用微反應器可使納米粒子生產提高500倍。微管道或微流道是微反應器的關鍵組成部分，因而其加工技術構成了制作微反應器的關鍵技術，也是現代先進制造技術中較活躍的領域。微流道材料包括高分子類、金屬類、玻璃和陶瓷類。其中金屬微流道具有熱導率高、高溫強度和抗熱震性能優異的優勢，是高溫微反應器的理想候選材料。金屬微流道的各種制備技術已有大量報道，如Guillou等人[參見文獻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]使用快速成型機雕刻技術(Fast prototyping machine)在 0. 25mm 厚的 316L 不鎊鋼片上制備出了 1_ 寬 800_ 長的蛇形鏤空通道，然后將其夾在兩片其他板材之間由此形成了微流道，這種工藝制備二維微流道有一定的可行性，但對三維微流道來說需要制備大量的疊層，工藝復雜不易實現，且成本較高。利用脈沖放電對金屬工件進行蝕除加工的微細放電加工技術可對金屬進行穿孔和切割，具有較好的成型能力，但加工精度難以保證[參見文獻王潤孝，先進制造技術，北京科學出版社，2004]。Hakamada等人[參見文獻M. Hakamada，Y. Asao，T.Kuromuraj Y. Chen, Processing of three-dimensional metallic microchannels byspacer method, Materials Letters 62 (2008) 1118-1121]米用間隔法(spacer method)在銅基體內制備出了三維結構的微流道，具體做法是首先將鋁絲預制成所需結構，然后埋入銅粉內，加壓成型，接著在堿液內將鋁絲腐蝕直至全部溶解，最后再經高溫燒結提高強度，最終在銅基體內留下與鋁絲結構一致的三維微流道。這一方法在制備三維微流道方面顯示出了優越性，但腐蝕法較耗費時間，因而效率較低。Ohmi等人[參見文獻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]則將一定結構的鋁絲放入鎳粉內或將銅絲放入鐵粉內，加壓成型，分別在高于鋁和銅的熔點燒結，最終形成微流道。Ohmi等人認為這是由于鋁或銅熔點低，熔化后融入鎳或鐵基體從而留下孔洞的結果，或者認為是普遍接受的 Kirkendall 效應的結果[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]。這一方法省去了腐蝕的工序，效率較高，但該工藝只適應于少數幾種金屬基體，比如在銅或非金屬基體內可能就無法形成微流道，因而應用范圍較窄。而且包括以上介紹的大多數金屬微流道耐溫、耐腐蝕性能均較低，難以滿足高溫微反應器的應用要求。現代工業需要一種耐溫、耐腐蝕性能優異且易于加工的金屬微流道用于高溫微反應器。人們期望獲得一種技術效果優良的金屬間化合物微流道及其制造方法。

發明內容
本發明的目的是為了解決當前多數金屬微流道耐高溫和耐腐蝕性差，而耐高溫和耐腐蝕性優異的金屬間化合物微流道難以制備的問題，從而提供了具有微流道結構的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道及其制造方法。本發明重點涉及一種具有微流道結構的金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物微流道的合金相為下述金屬間化合物中的一種或多種Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和 Nb-Al ；所述金屬間化合物微流道的骨架是具有所需空間結構的鋁絲構件；在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其組合；上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的金屬間化合物微流道。所述金屬間化合物微流道的骨架中，鋁絲斷面形狀包括但不限于圓形，其外徑為100nm-2mm,其化學成份為純鋁或鋁合金。本發明還涉及一種具有微流道結構的金屬間化合物的制造方法，其特征在于首先將具有所需空間結構的鋁絲構件作為基礎骨架；然后在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其組合；再上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的金屬間化合物微流道；燒結溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘。在鋁絲構件上沉積金屬層M的沉積方法具體是以下幾種之一電鍍、化學鍍、PVD法、CVD方法；沉積的金屬層M厚度為鋁絲外徑的1/2-1/20。本發明利用金屬擴散的Kirkendall效應，結合金屬間化合物的優異的耐溫、耐腐蝕性能[參見文獻李婷婷，彭超群，王日出，王小鋒，劉兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金屬間化合物多孔材料的研究進展，中國有色金屬學報，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制備工藝簡單且適用范圍較寬的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道及其制備方法。所述金屬間化合物微流道還可在金屬、陶瓷或玻璃體內形成；本發明具體提出的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道及其制造方法，可解決現有金屬微流道耐溫和耐腐蝕差，而耐高溫和耐腐蝕性優異的金屬間化合物微流道難以制備的問題，工藝簡單，成本較低，并適于規模化生產。


下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明圖I為本發明在金屬基體內制作二維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物蛇形微流道的工藝示意圖；圖2為本發明在玻璃-陶瓷基體內制作二維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物蛇形微流道的工藝示意圖；圖3為本發明在金屬基體內制作三維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道的工藝示意圖；圖4為本發明在玻璃-陶瓷基體內制作三維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道的工藝示意圖；圖5為本發明在金屬基體內制作三維螺旋結構M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道的工藝示意圖；圖6為本發明在玻璃-陶瓷基體內制作三維螺旋結構M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道的工藝示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明實施例I采用附圖I所示的制備工藝可在金屬基體內制作二維M-Al (M=Fe, Co，Ni，Ti或Nb)金屬間化合物蛇形微流道。首先將直徑0.005-lmm的鋁絲做成蛇形彎曲狀構件，然后采用化學鍍、電化學鍍或PVD方法在該構件上沉積厚度為鋁絲直徑1/2-1/20的金屬層M(M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb);將帶有鍍層的蛇形鋁絲埋入微反應器所需要的金屬粉內，通過單向或等靜壓方式進行壓制，壓力不超過500MPa;然后將壓制的塊體進行高溫處理，高溫處理在真空、惰性或還原性氣氛中進行，溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘，高溫處理期間鋁發生外擴散與金屬層M化合形成金屬間化合物；由此獲得嵌入在金屬基體內的二維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道，其合金相包括Fe_Al、Co-Al, Ni-Al,Ti-Al和Nb-Al金屬間化合物中的一種或多種。實施例2采用附圖2所示的制備工藝可在玻璃-陶瓷基體內制作二維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物蛇形微流道。首先將直徑0.005-lmm的鋁絲做成蛇形彎曲狀構件，然后采用化學鍍、電化學鍍或PVD方法在該構件上沉積厚度為鋁絲直徑1/2-1/20的金屬層M(M=Fe，Co, Ni, Ti或Nb);將帶有鍍層的蛇形鋁絲埋入微反應器所需要的玻璃-陶瓷粉內，通過單向或等靜壓方式進行壓制，壓力不超過500MPa，也可不進行壓制；然后將壓制的塊體或連同模具進行高溫處理，高溫處理在真空、惰性或還原性氣氛中進行，溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘，高溫處理期間鋁發生外擴散與金屬層M化合形成金屬間化合物；由此獲得嵌入在玻璃-陶瓷基體內的二維M-Al (M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb)金屬間化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al金屬間化合物中的一種或多種。實施例3采用附圖3所示的制備工藝可在金屬基體內制作三維M-Al (M=Fe, Co，Ni，Ti或Nb)金屬間化合物微流道。首先將直徑O. 005-lmm的鋁絲做成具有三維空間結構的構件，然后采用化學鍍、電化學鍍或PVD方法在該構件上沉積厚度為鋁絲直徑1/2-1/20的金屬層M(M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb);將帶有鍍層的三維鋁絲構件埋入微反應器所需要的金屬粉內，通過單向或等靜壓方式進行壓制，壓力不超過300MPa ;然后將壓制的塊體進行高溫處理，高溫處理在真空、惰性或還原性氣氛中進行，溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘，高溫處理期間鋁發生外擴散與金屬層M化合形成金屬間化合物；由此獲得嵌入在金屬基體內的三維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni_Al、Ti-Al和Nb-Al金屬間化合物中的一種或多種。實施例4采用附圖4所示的制備工藝可在玻璃-陶瓷基體內制作三維M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道。首先將直徑O. 005-lmm的鋁絲做成具有三維空間結構的構件，然后采用化學鍍、電化學鍍或PVD方法在該構件上沉積厚度為鋁絲直徑1/2-1/20的金屬層M(M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb);將帶有鍍層的三維鋁絲構件埋入微反應器所需要的玻璃-陶瓷粉內，通過單向或等靜壓方式進行壓制，壓力不超過300MPa，也可不進行壓制；然后將壓制的塊體或連同模具進行高溫處理，高溫處理在真空、惰性或還原性氣氛中進行，溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘，高溫處理期間鋁發生外擴散與金屬層M化合形成金屬間化合物；由此獲得嵌入在玻璃-陶瓷基體內的三維M-Al (M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb)金屬間化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al金屬間化合物中的一種或多種。實施例5采用附圖5所示的制備工藝可在金屬基體內制作三維螺旋結構的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道。首先將直徑O. 005-lmm的鋁絲做成具有螺旋結構的構件，然后采用化學鍍、電化學鍍或PVD方法在該構件上沉積厚度為鋁絲直徑1/2-1/20的金屬層M(M=Fe，Co, Ni, Ti或Nb);將帶有鍍層的鋁絲螺旋構件埋入微反應器所需要的金屬粉內，通過單向或等靜壓方式進行壓制，壓力不超過300MPa;然后將壓制的塊體進行高溫處理，高溫處理在真空、惰性或還原性氣氛中進行，溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘，高溫處理期間鋁發生外擴散與金屬層M化合形成金屬間化合物；由此獲得嵌入在金屬基體內的三維螺旋結構的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道，其合金相包括Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al金屬間化合物中的一種或多種。實施例6采用附圖6所示的制備工藝可在玻璃-陶瓷基體內制作三維螺旋結構的M-Al (M=Fe, Co，Ni，Ti或Nb)金屬間化合物微流道。首先將直徑O. 005-lmm的鋁絲做成具有螺旋結構的構件，然后采用化學鍍、電化學鍍或PVD方法在該構件上沉積厚度為鋁絲直徑1/2-1/20的金屬層M(M=Fe，Co, Ni, Ti或Nb);將帶有鍍層的鋁絲螺旋構件埋入微反應器所需要的玻璃-陶瓷粉內，通過單向或等靜壓方式進行壓制，壓力不超過300MPa也可不進行壓制；然后將壓制的塊體或連同模具進行高溫處理，高溫處理在真空、惰性或還原性氣氛中進行，溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘，高溫處理期間鋁發生外擴散與金屬層M化合形成金屬間化合物；由此獲得嵌入在玻璃-陶瓷基體內的三維螺旋結構的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道，其合金相包括Fe_Al、Co-Al, Ni-Al,Ti-Al和Nb-Al金屬間化合物中的一種或多種。實施例7一種具有微流道結構的金屬間化合物，其合金相為下述金屬間化合物中的一種或多種Fe_Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al 和 Nb-Al ；所述金屬間化合物微流道的骨架是具有所需空間結構的鋁絲構件；在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其組合；上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的金屬間化合物微流道。所述金屬間化合物微流道的骨架中，鋁絲斷面形狀包括但不限于圓形，其外徑為100nm-2mm,其化學成份為純鋁或鋁合金。實施例8一種具有微流道結構的金屬間化合物的制造方法首先將具有所需空間結構的鋁絲構件作為基礎骨架；然后在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe, Co, Ni, Ti, Nb其中之一或其組合；再上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的金屬間化合物微流道；燒結溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘。在鋁絲構件上沉積金屬層M的沉積方法具體是以下幾種之一電鍍、化學鍍、PVD法、CVD方法；沉積的金屬層M厚度為鋁絲外徑的1/2-1/20。本實施例利用金屬擴散的Kirkendall效應，結合金屬間化合物的優異的耐溫、耐腐蝕性能[參見文獻李婷婷，彭超群，王日出，王小鋒，劉兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金屬間化合物多孔材料的研究進展，中國有色金屬學報，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]，提供了制備工藝簡單且適用范圍較寬的M-Al (M=Fe，Co，Ni，Ti或Nb)金屬間化合物微流道及其制備方法。所述金屬間化合物微流道還可在金屬、陶瓷或玻璃體內形成；本實施例具體提出的M-Al (M=Fe, Co, Ni, Ti或Nb)金屬間化合物微流道及其制造方法，可解決現有金屬微流道耐溫和耐腐蝕差，而耐高溫和耐腐蝕性優異的金屬間化合物微流道難以制備的問題，工藝簡單，成本較低，并適于規模化生產。以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種具有微流道結構的金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物微流道的合金相為下述金屬間化合物中的一種或多種Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al ； 所述金屬間化合物微流道的骨架是具有所需空間結構的鋁絲構件；在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe, Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其組合；上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的具有微流道結構的金屬間化合物。
2.按照權利要求I所述具有微流道結構的金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物微流道的骨架中，鋁絲斷面形狀包括但不限于圓形，其外徑為100nm-2mm，其化學成份為純招或招合金。
3.具有微流道結構的金屬間化合物的制造方法，其特征在于 首先將具有所需空間結構的鋁絲構件作為基礎骨架；然后在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe, Co, Ni, Ti, Nb其中之一或其組合；再在上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的金屬間化合物微流道；燒結溫度要求是600-1200° C，時間>0. 5分鐘。
4.權利要求3所述具有微流道結構的金屬間化合物的制造方法，其特征在于 在鋁絲構件上沉積金屬層M的沉積方法具體是以下幾種之一電鍍、化學鍍、PVD法、CVD方法；沉積的金屬層M厚度為鋁絲外徑的1/2-1/20。
全文摘要
一種具有微流道結構的金屬間化合物，其合金相為下述金屬間化合物中的一種或多種Fe-Al、Co-Al、Ni-Al、Ti-Al和Nb-Al；所述金屬間化合物微流道的骨架是具有所需空間結構的鋁絲構件；在該鋁絲構件上還沉積有一層金屬M，M=Fe、Co、Ni、Ti、Nb其中之一或其組合；上述已經沉積金屬M的鋁絲構件埋入下述三種材料制成的構件中并在真空、惰性或還原性氣氛中采用無壓或壓力燒結得到最終的具有微流道結構的金屬間化合物。本發明還涉及所述金屬間化合物的制造方法。本發明所述金屬間化合物微流道具有耐高溫和耐腐蝕性優異的優點，所述制備方法工藝簡單，成本較低，并適于規模化生產。
文檔編號B01J19/00GK102921361SQ20121036150
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者沈明禮, 朱圣龍, 王福會, 吳維 申請人:中國科學院金屬研究所