[發明專利]一種多組分材料的高通量微制造方法

有效

• 申請號: 201710946481.9
• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN107502765B
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 王海舟;賈云海;趙雷;陳學斌;李冬玲;王蓬;馮光;李小佳
• 申請（專利權）人: 鋼鐵研究總院
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C9/04;C22C13/00
• 代理公司: 北京中安信知識產權代理事務所(普通合伙) 11248
• 代理人: 李彬;張小娟

本發明屬于材料高通量制備及熱加工技術領域，特別涉及一種基于微波能控溫度梯度場的多組分材料的高通量微制造方法。本發明利用微波能場加熱，具有物料選擇靈活、升溫速率快、加熱效率高等特點，實現一次性在相同溫度場下快速制備具有多種組分的小尺寸塊體組合材料，以及實現材料一次性在不同溫度梯度場下的高通量燒結熔融制備和高通量熱處理的微制造方法。本發明解決了現有的材料制備方法在制備材料的組分組合單一、材料制備時外部加熱的效率低下、材料制備的控制溫度唯一、材料熱處理的控制溫度單一和制備樣品的原料使用量大成本高的問題。

技術領域

本發明屬于材料高通量制備及熱加工技術領域，特別涉及一種基于微波能控溫度梯度場的多組分材料的高通量微制造方法，利用微波能場，實現一次性在相同溫度場或不同溫度梯度場下快速合成具有多種組分的小尺寸塊體組合材料樣品，以及對小尺寸片狀材料樣品進行快速批量熱處理。

背景技術

傳統的新材料研發方法可歸納為“試錯法”，它首先基于已有的理論或經驗，對目標材料的組分配比提出預測或選擇，接著對其進行小批量熔融、冶煉、熱處理等制備加工(一般金屬材料需要幾十公斤)，然后根據對制備樣品的表征結果進行組分調整優化，再一次進行制備和表征，經過多次循環，最終獲得滿足需求的材料。這種一次實驗，制備一個樣品的分立制樣試錯法效率低下，且研發成本昂貴，據統計全球新材料研發時間平均需要5-12年,成為現代新材料發展的瓶頸(材料基因組計劃簡介，自然雜志，2014，36(2)：89-104)。

現有材料制備方法(尤其是塊體材料制備技術)一般為針對某種材料體系，每次制備一種組分的樣品，其制備效率低下，且制備成本高，究其原因主要是存在以下五項主要技術缺陷：

一、制備材料的組分組合單一。材料的成分對其性能起著主導性作用，以金屬材料的冶煉制備方法為例，現有方法每次只能選取一種成分組合方式進行配料并冶煉，大大降低確定最優成分組合配比條件的效率。

二、材料制備時外部加熱的效率低下。傳統加熱方法是利用外部熱源通過熱輻射由外到內逐漸傳導加熱，需要較長時間才能將環境溫度提升到設定度數，而且材料體積大小、熱導率等參數也將影響材料溫度提升和受熱均勻化的效率，因此這種輻射加熱方式加熱時間長、加熱的效率低。

三、材料制備的控制溫度唯一。溫度條件的控制是材料制備的關鍵因素，溫度過低，各種組分不能完全熔融，將產生組分不均勻、團聚、夾雜、缺陷等現象，溫度過高，易導致去除雜質困難且增加能耗，現有方法一次制備只能選擇一個溫度，大大降低選取最優制備溫度條件的效率。

四、材料熱處理的控制溫度單一。材料的組織結構對其性能起著決定性作用，相同組分的材料經過不同溫度下的熱處理工藝，能夠轉變為不同的組織結構，從而具有不同的性能，現有方法無法實現同時在多種溫度下對單一材料的熱處理，意味著無法獲得更多種組織結構，導致很難篩選出對提高材料性能作用最大的組織結構組合，大大降低摸索熱處理工藝條件的效率。

五、制備單體樣品的原料使用量大導致成本較高。在研發階段的新材料小批量試制在某種程度上其單體樣品使用量也很大，如金屬材料所試制的單體質量一般也在幾十公斤，而且需反復多次試驗，這是造成研發成本居高不下的主要原因。

微波屬于電磁波，其與物質相互作用時可促使物質中的微觀粒子發生運動，并將微波的電磁能轉變為熱能，從而實現對物質的加熱，與外部輻射加熱不同，微波可同時對樣品進行內外加熱。微波加熱不但具有物料選擇特性、升溫速率快、加熱效率高等優點，而且還能夠降低反應溫度，縮短反應時間，促進節能降耗；同時,由于其本身不產生任何氣體，它還是一種綠色高效的加熱方法(彭金輝，楊顯萬：微波能新應用[M].昆明:云南科技出版社，1997:75-78.)。