CN112030050B - 一种镓基液态合金连续制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镓基液态合金连续制备方法，基于具有手套箱的坩埚炉设备，在制备过程中，在镓基液态的制备过程中至少包括：A.材料准备，B.预热坩埚炉，C.密封加热提炼镓基液态合金，D.连续循环加热提炼镓基液态合金，该制备方法将液态金属冶炼过程所需的装料、气氛冶炼、熔体净化、冷却、产品包装、坩埚清理等多个步骤整合在一起，形成连续生产流水线，并引入了鼓泡除渣工艺和新型坩埚结构设计，形成了一种镓基液态合金连续制备方法的一体化冶炼方法。该方法具有自动化程度高、占地面积小和能耗低等特点，可以通过增加设备数量实现扩产，适应规模化生产的需要，降低生产成本。

Description

一种镓基液态合金连续制备方法

技术领域

本发明涉及镓基液态合金制备装置以及制备方法技术领域，特别是涉及一种镓基液态合金连续制备方法。

背景技术

自然界存在的常温下呈现液态的金属合金包括汞、铯、钫和镓，其相应熔点分别为–38.87℃，28.65℃，27℃和29.8℃。其中，汞的挥发性强，毒性大；铯在空气中极易被氧化，和水发生剧烈反应；钫则是一种不稳定的放射性元素；只有金属镓对人体无害，是一种安全金属。将金属镓与铟、锡等制备成共晶合金，可以获得常温为液态的金属，其中镓铟锡合金(熔点-19℃)和镓铟合金(熔点15.6℃)室温下均为液态。

镓基液态合金具有三个方面的优点：(1)沸点高、热导率高，可以在2000℃下保持液体状态，且蒸汽压远低于汞，在高集成度芯片、LED散热及太阳热能利用等领域有广泛应用前景；(2)导电性好，可满足耐弯折电路、注射电子及复杂导电通路等特殊应用需求，已在柔性电子器件制造及断裂神经修复等高技术领域的获得应用；(3)环保无毒、性质稳定，即使在使用中发生泄漏也不会带来环境灾难。因此，镓基液态金属是一种能够满足智能产业发展需求的关键新材料。

镓基液态合金中的镓易于氧化，合金冶炼过程需要保持真空或者采用惰性气体保护。此外，其他金属如铟、锡等原料也会有其氧化物及其他杂质，在镓基液态合金的冶炼过程中也应有效除去。因此，对于镓基液态金属的冶炼提出了较高的要求。

现有的镓基液态合金一般采用间歇法制备，即将一定比例的金属镓、铟及其他金属加入坩埚，放入气氛炉或者真空炉中加热至指定温度，待形成共晶合金后停电降温，至室温后取出封装。这种方法的缺点是间歇操作，生产效率低，设备能耗较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种将液态金属冶炼过程所需的装料、气氛冶炼、熔体净化、冷却、产品包装、坩埚清理等多个步骤整合在一起，形成连续生产流水线，并引入了鼓泡除渣工艺和新型坩埚结构设计，形成了一种镓基液态合金连续制备方法的一体化冶炼方法。该方法具有自动化程度高、占地面积小和能耗低等特点，可以通过增加设备数量实现扩产，适应规模化生产的需要，降低生产成本。

本发明所采用的技术方案是：一种镓基液态合金连续制备方法，基于具有手套箱的坩埚炉设备，其中：所述具有手套箱的坩埚炉设备包括:

手套箱，内部布置水冷盘管，顶部通过直线导轨分别连接两个平移装置，底部通过一个反应釜连接坩埚炉，侧面连接可打开的大过渡舱和可打开的小过渡舱，侧面内壁还连接若干风扇；

每一个平移装置底部连接一个升降装置；

每一个升降装置的底部连接有一个可拆卸的釜盖；反应釜置于坩埚炉的炉膛内，顶部设密封通道，可拆卸的釜盖穿过密封通道对反应釜进行密封；

每一个可拆卸的釜盖，底板连接提篮，提篮内放置盛装金属原料的石墨坩埚；可打开的小过渡舱一端连接真空泵，另一端通过通气管穿过可拆卸的釜盖与坩埚炉的炉膛连通；

反应釜的侧面通过冷水阀连接冷水机；

平移装置、坩埚炉、升降装置、真空泵、冷水阀、风扇连接电控箱；

在镓基液态的制备过程中，至少包括：

A.材料准备

a1.将金属原料装入样品袋，将一批样品袋由可打开的大过渡舱放入手套箱主箱体右侧指定位置，备用；

a2.将一批镓基液态合金包装瓶由可打开的小过渡舱放入手套箱左侧指定位置，备用；

B.预热坩埚炉

使用电控箱启动坩埚炉加热，使坩埚炉内温度达到200～600℃之间的某一特定温度保温，开启冷却水阀，使坩埚炉与主箱体连接部分的密封圈温度得以降低，并使主箱体内换热器铜管的温度下降至循环水温；

C.密封加热提炼镓基液态合金

c1.将准备好的金属原料样品放入两个石墨坩埚中，并且将石墨坩埚放入提篮，假定该提篮为提篮A，另一个提篮为提篮B，启动提篮A的升降装置，将提篮A穿过密封通道进入坩埚炉的炉膛内，使坩埚炉炉膛与手套箱隔离，20～60min后打开真空泵抽气，使坩埚炉内压强降低至0.06～0.1Pa，保持5～10min；

c2.关闭真空泵连接管道阀门，开启坩埚炉密封盖，使手套箱内惰性气体进入坩埚炉内；

c3.将坩埚炉内的提篮提升至手套箱内，并且启动手套箱内的风扇对其进行冷却，通过与水冷盘管热量交换达到控制手套箱内部温度的目的；

c4.随后将直线导轨上的提篮B移动至坩埚炉内密封，并且加热20～60min后打开真空泵抽气，使坩埚炉内压强降低至0.06～0.1Pa，保持5～10min；之后重复步骤c2和c3；

D.连续循环加热提炼镓基液态合金

d1.在执行c4步骤的同时，将提篮A内被风扇的内循环风冷却的石墨坩埚取出，将里面的液态金属倒入包装瓶中，拧紧密封盖，完成产品包装；

d2.然后清理干净石墨坩埚上部和侧壁的氧化物，将下一批金属原料倒入石墨坩埚中，并将石墨坩埚放入提篮A中备用；

d3.待提篮B执行至提升到手套箱进行冷却后，将提篮A降至坩埚炉内执行c1-c3循环提炼镓基液态合金，并且在合适时机将提篮B内提炼的镓基液态合金进行封装，如此一直往复循环加热提炼镓基液态合金。

优选地，每一个石墨坩埚内设有一片竖直隔离板，从而在每一个石墨坩埚内部隔离出来原料填装空间和合金倒出空间，当石墨坩埚熔炼完成之后，将竖直隔离板提升一个高度，使得熔炼完成的镓基液态合金从底部倾倒出来，防止漂浮的熔渣影响镓基液态合金的纯度。

优选地，每一个平移装置底部的升降装置使用电葫芦驱动，电葫芦连接电控箱，在电控箱控制电葫芦作动。

优选地，步骤c1和步骤c4中的惰性气体为纯度大于99.9995％的高纯氩气。

优选地，可打开的大过渡舱和可打开的小过渡舱均分别连接有压力表，压力表指示其所在的可打开的大过渡舱或可打开的小过渡舱的压力。

优选地，风扇的数量为4-8个，并且这些风扇分别位于手套箱的左、右两侧的端面上固定，从而在手套箱内形成稳定的内循环冷却气流，通过与水冷盘管热量交换达到控制手套箱内部温度的目的。

优选地，手套箱内在工作时还填充有惰性气体，同时还连接有压力传感器和泄压阀，压力传感器和泄压阀连接电控箱实现自动控制泄压阀泄压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)合金冶炼操作高纯氩气或其他惰性气体保护下连续进行，省去了炉体加热和降温过程，节省了对应的能耗与操作时间。

(2)装料、冶炼和封装在同一装置内完成，采用两个平移装置在直线导轨上平移装载盛装金属原料的石墨坩埚，同时使用电动葫芦吊装可拆卸的釜盖，并且把盛装金属原料的石墨坩埚置于提篮内直接冶炼，可以准确控制石墨坩埚的升降与位置调整，使装料、冶炼和封装在同一装置内完成。

(3)抽真空鼓泡除渣净化镓基液合金熔体，冶炼过程中，在坩埚炉的炉膛内通过通气管以及可打开的小过渡舱连接抽真空泵，采用抽真空鼓泡除渣的方法净化镓基液合金熔体，防止镓基液态合金产品中混有氧化物及其他杂质。

(4)设计具有竖直隔板的石墨坩埚，方便液态合金分装时与炉渣的分离，提高冶炼效率。

(5)手套箱内设有冷却管排和内循环的风扇，可以快速冷却坩埚温度，有助于提高连续操作速度。

本发明将镓基液液态金属冶炼过程所需的装料、气氛冶炼、熔体净化、冷却、产品包装、坩埚清理等多个步骤整合在一起，形成连续生产流水线，并引入了鼓泡除渣工艺和新型石墨坩埚结构设计，形成了一体化冶炼方法。该方法具有自动化程度高、占地面积小和能耗低等特点，可以通过增加设备数量实现扩产，适应规模化生产的需要，降低生产成本。

附图说明

图1为基于具有手套箱的坩埚炉设备的主视图；

图2为基于具有手套箱的坩埚炉设备的侧视图；

图3为坩埚炉与反应釜连接结构图；

图4为石墨坩埚的一个实施例的结构图；

其中：1-手套箱，2-水冷盘管，3-直线导轨，4-平移装置，5-密封通道，6-坩埚炉，61-炉膛；7-升降装置，8-可拆卸的釜盖，9-提篮，10-石墨坩埚，101-竖直隔离板，102-原料填装空间，103-合金倒出空间；11-可打开的大过渡舱，12-可打开的小过渡舱，13-真空泵，14-冷水阀，15-风扇，16-电控箱，17-压力传感器，18-泄压阀，19-通气管，20-冷水机，21-电葫芦，22-反应釜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

一种镓基液态合金连续制备方法，基于具有手套箱的坩埚炉设备，如图1所示，其中：所述具有手套箱的坩埚炉设备包括:

手套箱1，内部布置水冷盘管2，顶部通过直线导轨3分别连接两个平移装置4，底部通过一个反应釜22连接坩埚炉6，侧面连接可打开的大过渡舱11和可打开的小过渡舱12，侧面内壁还连接若干风扇15，若干风扇15在手套箱内形成冷却气流，实现对冶炼好的镓基液合金进行冷却；这里所述平移装置4可以直接手动推动其在手套箱内移动，具体的实现办法可以是在其顶部布置拉杆伸出手套箱外侧或者在手套箱内预留手拉动位置然后做密封均可，这些细节设计都可以根据具体情况设计。

每一个平移装置4底部连接一个升降装置7，升降装置7用来连接并且吊装可拆卸的釜盖8；反应釜22置于坩埚炉6的炉膛61内，顶部设密封通道5，可拆卸的釜盖8穿过密封通道5对反应釜22进行密封；每一个升降装置的底部连接有一个可拆卸的釜盖8；每一个可拆卸的釜盖8，底板连接提篮9，提篮9内放置盛装金属原料的石墨坩埚10，也就是说升降装置用来吊装坩埚炉的可拆卸的釜盖、提篮以及石墨坩埚和装载在石墨坩埚内的金属原料；

可打开的小过渡舱12一端连接真空泵13，另一端通过通气管19穿过可拆卸的釜盖8与坩埚炉的炉膛连通,从而实现对坩埚炉内的压强的控制；

反应釜22的侧面通过冷水阀14连接冷水机20，引用冷水机内的冷水对密封通道以及坩埚炉、手套箱进行水冷，密封通道5的设置的目的主要是为了将可拆卸的釜盖8方便拆卸，并且能够及时密封地插入或者拨出坩埚炉，从图上还可以看出可拆卸的釜盖8顶部一端较长一段位置有密封材料制成或者密封材料填充；坩埚炉6、升降装置7、真空泵13、冷水阀14、风扇15连接电控箱16，目的是为了进行自动控制各个设备的启动。

一种镓基液态合金连续制备方法在镓基液态的制备过程中，主要包括如下步骤：

A.材料准备

a1.将一定比例纯度为4N(99.99％)的镓、铟、锡等金属原料切割混合后，制成金属原料装入样品袋。将一批样品袋由可打开的大过渡室放入手套箱主箱体右侧指定位置，备用；

a2.将一批镓基液态合金包装瓶由可打开的小过渡室放入手套箱左侧指定位置，备用；

B.预热坩埚炉

使用电控箱启动坩埚炉加热，使坩埚炉内温度达到200～600℃之间的某一特定温度保温，开启冷却水阀，使坩埚炉与主箱体连接部分的密封圈温度得以降低，并使主箱体内换热器铜管的温度下降至循环水温；

C.密封加热提炼镓基液态合金

c1.将准备好的金属原料样品放入两个石墨坩埚中，并且将石墨坩埚放入提篮，假定该提篮为提篮A，另一个提篮为提篮B，启动提篮A的升降装置，将提篮A穿过密封通道进入坩埚炉的炉膛内，使坩埚炉炉膛与手套箱隔离，同时实现将坩埚炉炉膛密封，20～60min后打开真空泵抽气，使坩埚炉内压强降低至0.06～0.1Pa，保持5～10min；目的是为了石墨坩埚内液态金属内溶解的气体会因外部压强较低而析出，形成鼓泡，将悬浮在熔体内的固态杂质带到熔体表面，形成漂浮的熔渣，进而防止镓基液态合金产品中混有氧化物及其他杂质。

c2.关闭真空泵连接管道阀门，开启坩埚炉密封盖，使手套箱内惰性气体进入坩埚炉内，省去了炉体加热和降温过程，节省了对应的能耗与操作时间；

c3.将坩埚炉内的提篮提升至手套箱内，启动平移装置使之由右向左移动，至指定位置停止，并且启动手套箱内的风扇对其进行冷却，可以快速冷却坩埚温度，有助于提高连续操作速度；

c4.随后将直线导轨上的提篮B移动至坩埚炉内密封，使炉体与手套箱隔离，并且加热20～60min后打开真空泵抽气，使坩埚炉内压强降低至0.06～0.1Pa，保持5～10min；之后重复步骤c2和c3；可以保证坩埚炉能够连续使用，不间断，提高冶炼效率；

D.连续循环加热提炼镓基液态合金

d1.在执行c4步骤的同时，将提篮A内被风扇的内循环风冷却的石墨坩埚取出，将里面的液态金属倒入包装瓶中，拧紧密封盖，完成产品包装；

d2.然后清理干净石墨坩埚上部和侧壁的氧化物，将下一批金属原料倒入石墨坩埚中，并将石墨坩埚放入提篮A中备用；

d3.待提篮B执行至提升到手套箱进行冷却后，将提篮A降至坩埚炉内执行c1-c3循环提炼镓基液态合金，并且在合适时机将提篮B内提炼的镓基液态合金进行封装，如此一直往复循环加热提炼镓基液态合金，也就是说循环操作，可以连续生产镓基液态合金。

在上述实施例中，从图4中还可以看出来，石墨坩埚从盛装原料至合金练成后的使用过程，包括原理填装、合金熔炼，以及合金熔炼完成后提升竖直隔离板，随后倒出合金的使用过程。具体的说每一个石墨坩埚10内设有一片竖直隔离板101，从而在每一个石墨坩埚内部隔离出来原料填装空间102和合金倒出空间103，当石墨坩埚熔炼完成之后，将竖直隔离板101提升一个高度，使得熔炼完成的镓基液态合金从底部倾倒出来，方便液态合金分装时与炉渣的分离。每一个平移装置4底部的升降装置7使用电葫芦21驱动，电葫芦21连接电控箱16，在电控箱控制电葫芦作动，可以进一步提高冶炼效率。

更佳的实施方式是，步骤c1和步骤c4中的惰性气体为纯度大于99.9995％的高纯氩气，省去了炉体加热和降温过程，节省了对应的能耗与操作时间。

从图1中还可以看出，可打开的大过渡舱11和可打开的小过渡舱12均分别连接有压力表，压力表指示其所在的可打开的大过渡舱或可打开的小过渡舱的压力，以便能够直观地观察到可打开的大过渡舱和可打开的小过渡舱的压力。

从图2中可以看出，风扇15的数量为4-8个，并且这些风扇分别位于手套箱的左、右两侧的端面上固定，从而在手套箱内形成稳定的内循环冷却气流，以实现对提炼后的镓基液合金进行均匀地冷却，保证其整体的性能稳定。

在本实施例执行时，手套箱1内在工作时还填充有惰性气体，同时还连接有压力传感器17和泄压阀18，压力传感器17和泄压阀18连接电控箱实现自动控制泄压阀泄压，确保手套箱内的压力保持在预定的压力值范围内，具体的连接以及使用属于现有技术，在次不再累述。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一 种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：基于具有手套箱的坩埚炉设备，其中：所述具有手套箱的坩埚炉设备包括:

手套箱（1），内部布置水冷盘管（2），顶部通过直线导轨（3）分别连接两个平移装置（4），底部通过一个反应釜（22）连接坩埚炉（6），侧面连接可打开的大过渡舱（11）和可打开的小过渡舱（12），侧面内壁还连接若干风扇（15）；

每一个平移装置（4）底部连接一个升降装置（7）；

每一个升降装置的底部连接有一个可拆卸的釜盖（8）；

反应釜（22），置于坩埚炉（6）的炉膛（61）内，顶部设密封通道（5），可拆卸的釜盖（8）穿过密封通道（5）对反应釜（22）进行密封；

每一个可拆卸的釜盖（8），底板连接提篮（9），提篮（9）内放置盛装金属原料的石墨坩埚（10）；

可打开的小过渡舱（12），一端连接真空泵（13），另一端通过通气管（19）穿过可拆卸的釜盖（8）与坩埚炉的炉膛连通；

反应釜（22）的侧面通过冷水阀（14）连接冷水机（20）；

坩埚炉（6）、升降装置（7）、真空泵（13）、冷水阀（14）、风扇（15）连接电控箱（16）；

镓基液态的制备过程，至少包括如下步骤，

材料准备

a1.将金属原料装入样品袋，将一批样品袋由可打开的大过渡舱放入手套箱主箱体右侧指定位置，备用；

a2.将一批镓基液态合金包装瓶由可打开的小过渡舱放入手套箱左侧指定位置，备用;

预热坩埚炉

使用电控箱启动坩埚炉加热，使坩埚炉内温度达到200～600℃之间的某一特定温度保温，开启冷却水阀，使坩埚炉与主箱体连接部分的密封圈温度得以降低，并使主箱体内换热器铜管的温度下降至循环水温；

密封加热提炼镓基液态合金

c1.将准备好的金属原料样品放入两个石墨坩埚中，并且将石墨坩埚放入提篮，假定该提篮为提篮A，另一个提篮为提篮B，启动提篮A的升降装置，将提篮A穿过密封通道进入坩埚炉的炉膛内，使坩埚炉炉膛与手套箱隔离，20～60 min后打开真空泵抽气，使坩埚炉内压强降低至0.06～0.1Pa，保持5～10 min；

c2.关闭真空泵连接管道阀门，开启坩埚炉密封盖，使手套箱内惰性气体进入坩埚炉内；

c3.将坩埚炉内的提篮提升至手套箱内，并且启动手套箱内的风扇对其进行冷却；

c4.随后将直线导轨上的提篮B移动至坩埚炉内密封，并且加热20～60 min后打开真空泵抽气，使坩埚炉内压强降低至0.06～0.1Pa，保持5～10 min；之后重复步骤c2和c3；

连续循环加热提炼镓基液态合金

d1.在执行c4步骤的同时，将提篮A内被风扇的内循环风冷却的石墨坩埚取出，将里面的液态金属倒入包装瓶中，拧紧密封盖，完成产品包装;

d2.然后清理干净石墨坩埚上部和侧壁的氧化物，将下一批金属原料倒入石墨坩埚中，并将石墨坩埚放入提篮A中备用；

d3.待提篮B执行至提升到手套箱进行冷却后，将提篮A降至坩埚炉内执行c1-c3循环提炼镓基液态合金，并且在合适时机将提篮B内提炼的镓基液态合金进行封装，如此一直往复循环加热提炼镓基液态合金。

2.根据权利要求1所述的一种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：每一个石墨坩埚（10）内设有一片竖直隔离板（101），从而在每一个石墨坩埚内部隔离出来原料填装空间（102）和合金倒出空间（103），当石墨坩埚熔炼完成之后，将竖直隔离板（101）提升一个高度。

3.根据权利要求1所述的一种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：

每一个平移装置（4）底部的升降装置（7）使用电葫芦（21）驱动，电葫芦连接电控箱（16），电控箱控制电葫芦作动。

4.根据权利要求1所述的一种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：步骤c1和步骤c4中的惰性气体为纯度大于99.9995%的高纯氩气。

5.根据权利要求1所述的一种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：可打开的大过渡舱（11）和可打开的小过渡舱（12）均分别连接有压力表，压力表指示其所在的可打开的大过渡舱或可打开的小过渡舱的压力。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：风扇（15）的数量为4-8个，并且这些风扇分别位于手套箱的左、右两侧的端面上固定，从而在手套箱内形成稳定的内循环冷却气流，通过与水冷盘管（2）热量交换达到控制手套箱内部温度的目的。

7.根据权利要求6所述的一种镓基液态合金连续制备方法，其特征在于：手套箱（1）内在工作时还填充有惰性气体，同时还连接有压力传感器（17）和泄压阀（18），压力传感器（17）和泄压阀（18）连接电控箱实现自动控制泄压阀泄压。

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