專利名稱：不可蒸發(fā)的真空吸氣劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空技術(shù)，尤其涉及不可蒸發(fā)的真空吸氣劑及其制備方法。
本發(fā)明可用作在電子真空元件-如陰極射線管，光學(xué)變換器，陀螺儀等，在基本粒子源及加速器，如TOKAMAK T-15型的熱核設(shè)備，中產(chǎn)生并維持高真空的吸附泵。
本發(fā)明優(yōu)選用在降低從環(huán)境中向恒溫媒介的傳熱的裝置中產(chǎn)生真空，這種裝置包括例如真空燒瓶，液化氣貯存桶，從油井輸送天然氣和原油用的管路-該管路為熱絕緣的，以便使環(huán)境的冷凍不影響管路內(nèi)物質(zhì)的輸送。
本發(fā)明還可用于惰性氣體的純化。
目前，在半導(dǎo)體生產(chǎn)和應(yīng)用等技術(shù)領(lǐng)域的高度發(fā)展，已對(duì)p-n結(jié)中p型和n型傳導(dǎo)的穩(wěn)定性設(shè)立了嚴(yán)格的限制，而這種傳導(dǎo)會(huì)被存在于半導(dǎo)體處理區(qū)中的有害氣體雜質(zhì)(如CO2，CO，O2，H2O，N2等)。
通過(guò)利用基于不可蒸發(fā)的真空吸氣劑的吸附泵，可將上述有害雜質(zhì)從處理區(qū)中泵出，上述處理區(qū)中有害雜質(zhì)濃度水平的降低取決于真空吸氣劑的吸附速率。因此，開(kāi)發(fā)高吸附速率的真空吸氣劑就顯得非常重要。已經(jīng)有人嘗試來(lái)生產(chǎn)高吸附速度的真空吸氣劑(USSR發(fā)明人證書No.1715496)。該已知真空吸氣劑分三層，一層支撐層，它由選自例如Fe，Ni或其合金的塑性材料制成，其它的兩層表面真空吸氣劑分別都是由鋯基材料制成，它含有例如16％重量的鋁，余量的鋯；或30％(重量)的釩，20％(重量)的鈦，余量的鋯。
制備基于鋯的真空吸氣劑的方法包括以下工序-將形成支撐層且選自例如Fe，Ni或其合金的粉末材料，和形成真空吸氣劑層的包括16％(重量)的鋁(Al)和余量的鋯(Zr)，或30％(重量)的釩(V)、20％(重量)的鈦(Ti)和余量的鋯(Zr)的鋯基粉末材料同時(shí)供入變形區(qū)中，使鋯基材料供入到形成支撐層的材料的兩側(cè)。在所述變形區(qū)中，上述粉末材料通過(guò)軋制在而成形，結(jié)果，制成了三層帶狀的真空吸氣劑坯料。當(dāng)上述真空吸氣劑坯料離開(kāi)變形區(qū)后，它被切割成標(biāo)準(zhǔn)片，例如200mm。上述真空吸氣劑坯料的標(biāo)準(zhǔn)片被放入維持真空的加熱區(qū)，加熱到950-1000℃，結(jié)果該坯料被燒結(jié)并制成了具有改進(jìn)機(jī)械性能的產(chǎn)品，即將吸氣材料的抗拉強(qiáng)度由例如6.3kg/mm2增加到6.8kg/mm2，并增加了吸附速率，例如在真空吸氣劑于900℃下活化后，當(dāng)吸附的氫氣量為1.3m3·Pa/kg時(shí)，室溫下的吸附速率達(dá)到1.9米3/米2·秒。
盡管抗拉強(qiáng)度有所增加，但已知的吸氣材料的真空吸氣劑層表現(xiàn)出低的機(jī)械強(qiáng)度，因?yàn)檎婵瘴鼩鈩邮怯苫赯r-Al或Zr-V-Ti合金的材料制成，這種材料中有大量的金屬間化合物，因此增加了其硬度和脆性。當(dāng)這種真空吸氣劑在交替負(fù)載下使用時(shí)，它們將失效，大多是因?yàn)樗榱讯?。此外，?6％(重量)鋁的鋁基合金增大了能源的消耗，因?yàn)榛罨@類真空吸氣劑要求較高的溫度(約900℃)。
另外，已知的真空吸氣劑對(duì)于諸如H2，O2，CO2，CO，N2等氣體的吸附容量是低的，因?yàn)橛蒄e，Ni或其合金制成的真空吸氣劑對(duì)氣體吸附是中性的，還因?yàn)檎婵瘴鼩鈩拥目紫堵实停挥?0％左右。上述制備不可蒸發(fā)的真空吸氣劑的方法在操作上存在許多困難，因?yàn)橐谥螌雍穸群驼婵瘴鼩鈩雍穸戎g達(dá)到最佳配合也是很難的，還有就是粉末材料的高損耗會(huì)導(dǎo)致真空吸氣劑成本上升。
此外還已知一種具有改進(jìn)機(jī)械強(qiáng)度和改進(jìn)的吸附速率的不可蒸發(fā)的真空吸氣劑(RF專利號(hào)No.1750256)。該已知的真空吸氣劑含20-35％(重量)的釩(V)，0.1-0.5％(重量)的鈣，和余量的鈦。
這種真空吸氣劑在交替負(fù)載下使用時(shí)，表現(xiàn)出增加的機(jī)械強(qiáng)度，這是由于釩在鈦中固溶的材料具有高塑性。吸氣材料中存在的元素鈣有助于吸氣速率的提高，因?yàn)殁}對(duì)氧有高度的化學(xué)活性、以形成氧化鈣(CuO)，并且氧化鈣顆粒均勻分散在金屬顆粒之間，起到抗燒結(jié)劑的作用，從而提高了真空吸氣劑的孔隙率。
上述真空吸氣劑是由下面方法制成的。
將含有20-35％(重量)釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量為鈦的金屬粉末供入變形區(qū)中，其中上述粉末材料通過(guò)軋制形成帶狀的真空吸氣劑坯料。當(dāng)該坯料帶離開(kāi)變形區(qū)后，被切割成標(biāo)準(zhǔn)片，該片再被傳送到加熱區(qū)。
在上述加熱區(qū)中，產(chǎn)生并維持低于1Pa的壓力，然后將坯料加熱到低于釩-鈦合金熔點(diǎn)的0.6倍，例如到850℃，然后保溫。這樣制成的真空吸氣劑是孔隙率為22％的板，當(dāng)氫吸附量為1.3m3·Pa/kg時(shí)，它在室溫下的吸附速率為1.8米3/米2·秒。該真空吸氣劑在300-350℃活化。
上述組成的真空吸氣劑可稱為低活化溫度的真空吸氣劑，該特征使吸附泵只要較低的能源消耗。但是，由于吸附速率較低，這種真空吸氣劑的應(yīng)用受到限制，例如，它不能在半導(dǎo)體生產(chǎn)中使用的多級(jí)泵裝置中用作一個(gè)級(jí)。
本發(fā)明的目的是提供一種不可蒸發(fā)的真空吸氣劑，當(dāng)氫吸附量為1.3m3·Pa/kg時(shí)，它在室溫下的氫吸附速率為高于2米3/米2·秒，這是因?yàn)樗c待泵出的氣體有大的接觸表面的原因。
本發(fā)明的目的通過(guò)一種不可蒸發(fā)的真空吸氣劑而實(shí)現(xiàn)，它含有20-35％(重量)的釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量的鈦，它的孔隙率為25-65％(體積)。
上述真空吸氣劑在其表面有大量的開(kāi)口氣孔。結(jié)果使它與待泵出氣體有大的接觸表面，從而增加了氣體吸附速率，即當(dāng)氫吸附量為1.3m3·Pa/kg時(shí)，它在室溫下的氫吸附速率大于2米3/米2·秒?？紫堵市∮?5％的真空吸氣劑的氫吸附速度小于2米3/米2·秒，這限制了其應(yīng)用范圍?？紫堵市∮?5％的真空吸氣劑不能用作，例如在半導(dǎo)體生產(chǎn)中使用的多級(jí)泵中的一個(gè)級(jí)。
孔隙率高于65％的真空吸氣劑具有較低的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)在交替負(fù)載下使用時(shí)，這將導(dǎo)致其碎裂和失效。這種真空吸氣劑不能用于例如夜視儀，陀螺儀等。
因此，由于本發(fā)明的真空吸氣劑的總孔隙率較高，導(dǎo)致其開(kāi)口氣孔率也高，從而使其在300-350℃活化后具有較高的吸附速率(1.5-3倍)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造上述不可蒸發(fā)的真空吸氣劑的方法，包括使用具有枝狀顆粒的粉末原料來(lái)在該材料中形成25-65％的孔隙率。
該目標(biāo)是通過(guò)下面所述的不可蒸發(fā)的吸氣材料的制備方法而實(shí)現(xiàn)的，該方法包括將含有20-35％(重量)的釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量為鈦的金屬粉末供入變形區(qū)，其中上述粉末通過(guò)軋制形成帶狀的真空吸氣劑坯料，該坯料帶在離開(kāi)變形區(qū)后，被切割成標(biāo)準(zhǔn)片，該片又被傳送到一個(gè)加熱區(qū)，在該加熱區(qū)中產(chǎn)生并維持低于1Pa的壓力，該坯料被加熱到低于鈦-釩合金熔點(diǎn)的0.6倍的溫度，再保溫，制成了孔隙率為22-65％(體積)的真空吸氣劑，本發(fā)明的金屬粉末的堆積密度約0.7-1.5g/cm3。
金屬粉末的堆積密度決定了成形坯料中的孔隙數(shù)量和尺寸。一般都知道，堆積密度數(shù)值較小，則最終產(chǎn)品孔隙率越大，反之亦然。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)含20-35％(重量)的釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量為鈦的金屬粉末的堆積密度接近0.7g/cm3時(shí)，得到的真空吸氣劑的孔隙率為約65％，而當(dāng)上述粉末的堆積密度約為1.5g/cm3時(shí)，得到真空吸氣劑的孔隙率約為25％。
供入變形區(qū)的金屬粉末中少于70％(重量)顆粒的粒徑小于50μm時(shí)，這樣金屬粉末的堆積密度約為1.5g/cm3。當(dāng)上述金屬粉末中少于20％(重量)顆粒的粒徑小于50μm時(shí)，上述粉末的堆積密度將約為0.7g/cm3。
優(yōu)選地，真空吸氣劑坯料應(yīng)加熱到約750-約950℃之間。該溫度范圍是由可允許的最大收縮量決定的，而所得真空吸氣劑的機(jī)械強(qiáng)度及其孔隙率(25-65％)可以借此而維持。當(dāng)上述坯料在加熱區(qū)中加熱到不足750℃的情況下，則由于金屬原子的擴(kuò)散遷移較低，顆粒間結(jié)合較弱，導(dǎo)致真空吸氣劑機(jī)械強(qiáng)度較低。當(dāng)上述坯料加熱到高于950℃時(shí)，發(fā)生很大收縮，導(dǎo)致真空吸氣劑的孔隙率減少，從而降低了吸附速率。
當(dāng)真空吸氣劑坯料的孔隙率低于45％時(shí)，上述坯料的標(biāo)準(zhǔn)片可能會(huì)卷曲。
已知帶狀坯料機(jī)械強(qiáng)度低，當(dāng)孔隙率增加時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度下降。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)真空吸氣劑坯料的孔隙率大于45％時(shí)發(fā)生卷曲，導(dǎo)致坯料失效。
通過(guò)下面特定實(shí)施方案之實(shí)例，將對(duì)本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)更加明了。
根據(jù)本發(fā)明的不可蒸發(fā)真空吸氣劑含有20-35％(重量)的釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量為鈦，其孔隙率為約25-65％(體積)。
本發(fā)明的真空吸氣劑，在氫吸附量為1.3m3·Pa/kg時(shí)，于室溫下的氫吸附速率大于2米3/米2·秒，該真空吸氣劑在300-350℃下被活化。
該性質(zhì)允許該真空吸氣劑用于基本粒子源及加速器，比如需在限定空間內(nèi)提供高泵送速率的熱核設(shè)備中使用的吸附泵。
為制備有上述性質(zhì)的真空吸氣劑，本發(fā)明提供了一種方法，它包括以下工序?qū)⒑?0-35％(重量)釩，0.1-0.5％(重量)鈣，余量為鈦，堆積密度在約0.7-1.5g/cm3的金屬粉末供入變形區(qū)，所述金屬粉末中70％(重量)以下的顆粒的粒徑小于50μm，對(duì)該變形區(qū)施以超過(guò)上述金屬粉末抗壓強(qiáng)度的力，例如1噸/厘米2，使金屬顆粒發(fā)生塑性形變。
然后，將金屬粉末軋制形成密度均勻，孔隙率大于最終產(chǎn)品孔隙率的帶狀坯料。坯料帶的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，具有小的厚度，其強(qiáng)度足以保證將它傳送到加熱區(qū)中。軋制的結(jié)果是制成寬度為15-80mm，厚度是例如0.4-0.8mm的坯料帶。軋制中上述金屬粉末經(jīng)歷連續(xù)成形，粉末的體積因?yàn)樵摲勰┲蓄w粒的排布密度增加而降低，盡管重量仍保持一定。
當(dāng)坯料帶離開(kāi)變形區(qū)后，被切成標(biāo)準(zhǔn)片，長(zhǎng)度例如為200，70mm等的片被傳送到加熱區(qū)中。使該加熱區(qū)產(chǎn)生并維持低于1Pa的壓力，其中該加熱區(qū)中的化學(xué)活性氣體分壓(氫除外)應(yīng)低于1×10-2Pa，并使真空吸氣劑坯料加熱到低于鈦-釩合金熔點(diǎn)0.6倍的溫度，然后保溫。保持加熱溫度在750-950℃范圍內(nèi)。該溫度范圍是由維持所得真空吸氣劑的機(jī)械強(qiáng)度，即抗拉強(qiáng)度為1-6kg/mm2和所需25-65％的孔隙率所允許的最大收縮量來(lái)決定的。
本發(fā)明特定實(shí)施方案的一個(gè)變化實(shí)例，假如真空吸氣劑的孔隙率低于45％，則該真空吸氣劑坯料的標(biāo)準(zhǔn)片會(huì)卷曲。已知帶狀坯料會(huì)顯示低的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)孔隙率增加時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度降低。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)孔隙率大于45％的坯料發(fā)生卷曲時(shí)，導(dǎo)致該坯料失效。實(shí)施例1將含有28.45％(重量)的釩，0.31％(重量)的鈣，71.24％(重量)的鈦，堆積密度γ＝1.17g/cm3的金屬粉末供入變形區(qū)中，所述金屬粉末中57％(重量)比例(q)的顆粒的粒徑小于50μm。在變形區(qū)中使用直徑為100mm的輥，在軋制速度(V)為1.5m/min下，成形金屬粉末。結(jié)果制得了厚度(h)為0.5mm，寬度為30mm的密度均勻的帶狀真空吸氣劑坯料，其孔隙率大于最終產(chǎn)品的孔隙率。軋制時(shí)上述金屬粉末是連續(xù)成形的。離開(kāi)上述變形區(qū)之后，所述帶狀真空吸氣劑坯料被切成長(zhǎng)度200mm的標(biāo)準(zhǔn)片，然后，將上述坯料片傳送到加熱區(qū)中，在加熱區(qū)中產(chǎn)生并維持0.025Pa的壓力，再將坯料加熱到850℃的溫度(T)，并保溫1小時(shí)。冷卻后，取出坯料。最終產(chǎn)品孔隙率(P)為43％，抗拉強(qiáng)度為2.1kg/cm2。
當(dāng)氫吸附量(Q)為1.3m3·Pa/kg時(shí)，本發(fā)明制成的真空吸氣劑于350℃(TakT)下活化15分鐘后，在20℃時(shí)的氫吸附速率(S)為4.0米3/米2·秒。實(shí)施例2將含有27.20％(重量)的釩，0.21％(重量)的鈣，72.61％(重量)的鈦，堆積密度γ＝0.98g/cm3的金屬粉末供入變形區(qū)中，所述金屬粉末中48％(重量)比例(q)的顆粒的粒徑小于50μm。在變形區(qū)中使用與實(shí)施例1中相同的輥進(jìn)行軋制，成形金屬粉末。結(jié)果制成了厚度(h)為0.5mm，寬度為30mm的密度均勻的帶狀真空吸氣劑坯料，其孔隙率大于最終產(chǎn)品的孔隙率。離開(kāi)上述變形區(qū)之后，上述帶狀真空吸氣劑坯料被切成標(biāo)準(zhǔn)片，孔隙率(P)低于45％的上述真空吸氣劑坯料的標(biāo)準(zhǔn)片發(fā)生卷曲成為內(nèi)徑80mm的卷，上述標(biāo)準(zhǔn)片的長(zhǎng)度為2.96m。然后將卷曲的真空吸氣劑坯料傳送到加熱區(qū)中，加熱區(qū)內(nèi)產(chǎn)生并維持0.025Pa的壓力，再將坯料加熱至850℃，保溫1小時(shí)。冷卻后，拿出卷曲的坯料，所得真空吸氣劑有大的吸附表面，它比實(shí)施例1真空吸氣劑的表面還大。卷曲真空吸氣劑的孔隙率(P)為38.5％，當(dāng)在350℃下活化15分鐘后，當(dāng)氫吸附量(Q)為1.3m3·Pa/kg時(shí)，它在20℃下對(duì)氫的吸附速率為3.3米3/米2·秒。
使用不同堆積密度的金屬粉末并施加不同燒結(jié)溫度后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果列于表中。
表
其中γ是金屬粉末的堆積密度q是粒徑小于50μm顆粒的比例T是加熱溫度P是真空吸氣劑孔隙率h是真空吸氣劑厚度s是氫吸附速率t是吸附溫度Q是氫吸附量TakT為真空吸氣劑活化溫度當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的孔隙率為30％的真空吸氣劑，以40片尺寸為180×30×0.8mm的片組成多級(jí)磁力泵的第一級(jí)，它對(duì)氫的吸附速率為0.3-2m3/s，該泵裝在用于半導(dǎo)體生產(chǎn)中的加速器中。
權(quán)利要求
1.含有20-35％(重量)釩，0.1-0.5％(重量)鈣，余量為鈦的不可蒸發(fā)的真空吸氣劑，其特征在于所述真空吸氣劑的孔隙率為25-65％(體積)。
2.一種制備不可蒸發(fā)的真空吸氣劑的方法，包括以下工序?qū)⒑?0-35％(重量)的釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量為鈦的金屬粉末供入變形區(qū)中，其中上述金屬粉末通過(guò)軋制而成形，結(jié)果制成帶狀的真空吸氣劑坯料，所述坯料帶離開(kāi)上述變形區(qū)后被切成標(biāo)準(zhǔn)片，并被進(jìn)一步傳送到一個(gè)加熱區(qū)，在該加熱區(qū)中產(chǎn)生并維持低于1Pa的壓力，并將上述真空吸氣劑坯料加熱到低于鈦-釩合金熔點(diǎn)0.6倍的溫度，接著保溫，結(jié)果制成了孔隙率在25-65％(體積)的真空吸氣劑，其特征在于，供入變形區(qū)中上述金屬粉末的堆積密度約為0.7-1.5g/cm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于供入上述變形區(qū)中的金屬粉末中低于70％(重量)比例的顆粒的粒徑小于50μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于所述真空吸氣劑坯料加熱到約750-950℃的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述真空吸氣劑坯料的孔隙率低于45％，所述的標(biāo)準(zhǔn)片發(fā)生卷曲。
全文摘要
含有20-35％(重量)釩，0.1-0.5％(重量)鈣，余量為鈦的不可蒸發(fā)的真空吸氣劑，其特征在于所述真空吸氣劑的孔隙率為25-65％(體積)。一種制備不可蒸發(fā)的真空吸氣劑的方法，包括以下工序?qū)⒑?0-35％(重量)的釩，0.1-0.5％(重量)的鈣，余量為鈦的金屬粉末供入變形區(qū)中，粉末的堆積密度為0.7-1.5g/cm
文檔編號(hào)H01J7/18GK1142250SQ95191862
公開(kāi)日1997年2月5日 申請(qǐng)日期1995年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月29日
發(fā)明者R·N·帕瓦洛那, M·S·朱里耶維奇, P·J·米哈洛維奇, S·V·列尼多維奇 申請(qǐng)人:特克諾瓦克有限公司