CN209906873U

CN209906873U - 制造平面锂靶材组件的设备

Info

Publication number: CN209906873U
Application number: CN201920027229.2U
Authority: CN
Inventors: 齐大志; 程滋平; 杨诚; 陈强; 牟瀚波; 吴春敢; 刘慧芳; 代春雨
Original assignee: TIANJIN CHINA ENERGY LITHIUM CO Ltd
Current assignee: TIANJIN CHINA ENERGY LITHIUM CO Ltd
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2029-01-08

Abstract

公开了一种制造平面锂靶材组件的设备，包括：真空室；与真空室相连的抽真空装置和可选的破真空装置；用于支撑初始靶材组件的支撑件和用于向初始靶材组件施压的施压件，其中所述支撑件和所述施压件以可移除的方式置于所述真空室中；加热装置，用于加热被所述支撑件支撑的初始靶材组件。本实用新型的技术方案解决了平面锂靶材生产中靶材质量不佳的问题，所制造的靶材组件具有高抗拉强度，还可以解决金属锂柔软和黏性所导致的生产问题，使靶材组件的生产简洁易行，且基本无原材料浪费。

Description

制造平面锂靶材组件的设备

技术领域

本实用新型涉及金属靶材技术领域，尤其涉及制造锂靶材组件的设备。

背景技术

金属锂是一种稀有元素，密度0.534g/cm³，是最轻的金属。熔点180.54℃，沸点1317℃。具有软，韧性大，延展性好，化学活性好，负电位高、比能量大，可与大量无机试剂和有机试剂发生反应，与水的反应非常剧烈的特点。

金属锂靶材可以通过溅射至玻璃上从而获得电致变色玻璃，在建筑、飞机、汽车等领域广泛应用，有助于节能和环保。

由于金属锂熔点低、不稳定、难以控制，无法通过传统的粉末冶金、喷涂等方法制备成靶材。中国专利申请号201510756173.0公开了一种金属锂靶材铸造制备方法，但是该方法仅适合铸造加工旋转靶材。目前，需要用于制造平面金属锂靶材组件的工业上适用的设备。

实用新型内容

本实用新型旨在解决缺乏工业上适用的制造平面金属锂靶材组件的设备的问题。

本实用新型的发明人致力于通过简单的焊接工艺制造平面金属锂靶材组件的研究，发现：在保护性气体(例如氩气)气氛中，可以通过焊接制造出外观很好的锂靶材组件，但存在靶材内容易有气室、鼓包等，导致使用效果不好的问题；而在真空环境中，利用真空扩散焊，不仅可以相对容易地获得平面金属锂靶材组件，而且制造出的靶材组件不易出现气室、鼓包等，具有高强度。另外，针对金属锂柔软、易变形且易粘附而不容易，实用新型人进一步设计了用于真空扩散焊接的设备，从而完成了本实用新型。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现。

本实用新型提供一种制造平面锂靶材组件的设备，包括：

真空室；

与真空室相连的抽真空装置和可选的破真空装置；

用于支撑初始靶材组件的支撑件和用于向初始靶材组件施压的施压件，其中所述支撑件和所述施压件以可移除的方式置于所述真空室中；

加热装置，用于加热被所述支撑件支撑的初始靶材组件，

其中，所述初始靶材组件包括锂靶坯和背板，所述锂靶坯具有第一主表面和与第一主表面相反的第一背面，所述背板具有第二主表面和与第二主表面相反的第二背面，所述锂靶坯的第一主表面与所述背板的第二主表面相对设置并贴合，形成初始组件。

可选地，所述设备还包括模具，所述模具具有两端开放的腔室，所述腔室具有与所述锂靶坯相同的横截面形状。

可选地，所述施压件包括施压块，所述施压块具有与所述模具的腔室相同的横截面形状，从而所述施压块、所述模具和所述背板构成将所述锂靶坯包封在其中的封闭空间。

可选地，所述锂靶坯的横截面为圆形或矩形。

可选地，所述施压件的要与锂靶坯接触的部位具有防粘部件，或者所述设备还包括设置在所述施压件与所述锂靶坯之间的防粘部件。

可选地，所述支撑件和所述加热装置是同一器件，或者所述支撑件构成所述加热装置的一部分。

本实用新型的技术方案至少具有以下优点之一：

1、利用真空扩散焊设备制造平面锂靶材组件，工艺简单易行，投资成本低；

2、避免了非真空环境(干燥室、氩气手套箱)操作时易在靶材内产生气室、鼓包的问题；

3、解决了金属锂柔软和黏性所导致的生产问题，使靶材组件的生产简洁易行，且基本无原材料浪费；

4、所制造的锂靶材组件强度高，其抗拉强度可以达到0.8Mpa以上，已基本接近金属锂本身的抗拉强度。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施方案的流程示意图。

图2是图1所示实施例步骤S1中靶坯的结构示意图。

图3是图1所示实施例步骤S1中背板的结构示意图。

图4是图1所示实施例步骤S3中初始组件的结构示意图。

图5是图1所示实施例步骤S4中初始组件放置的具体实施图。

图6是图1所示实施例步骤S5中靶材组件的结构示意图。

图7是本实用新型的用于制造平面锂靶材组件的设备的一个结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述。应当理解，在不脱离本实用新型的范围或精神的情况下，本领域技术人员能够根据本公开的教导设想其他各种实施方案并能够对其进行修改。因此，以下的具体实施方式不具有限制性意义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的一个方面提供一种平面锂靶材组件的制造方法，包括：提供锂靶坯和背板，锂靶坯具有第一主表面和与第一主表面相反的第一背面，背板具有第二主表面和与第二主表面相反的第二背面；将锂靶坯的第一主表面与背板的第二主表面相对设置并贴合，形成初始组件；在真空环境中，在施压块接触锂靶坯的第一背面的情况下向锂靶坯和背板施加压力，同时加热初始组件，使锂靶坯与背板在贴合表面处发生扩散焊接，形成平面锂靶材组件。

上述制造方法中，利用真空扩散焊工艺，以锂靶坯的第一主表面为第一焊接面，背板的第二主表面为第二焊接面，将锂靶坯与背板焊接在一起，获得平面锂靶材组件。

扩散焊的原理是在一定的温度、压力下使两个待焊接件之间原子互相扩散，经过一段时间最终成为一体，完成绑定。扩散焊在真空条件下更易进行。本实用新型以真空环境作为制造锂靶材组件的特定环境，利用真空扩散焊工艺，可以促进锂靶坯与背板的绑定，且可以防止靶坯与背板之间夹杂气体，影响使用效果。

本实用新型中用于制造平面靶材组件的锂靶坯通常具有1-20mm的厚度，例如2-10mm。其材质可以是纯度等于或大于99.9％的金属锂，也可以是金属锂的质量百分比等于或大于60％的锂合金。

背板通常由金属或合金制成，例如，其材质可以铜(例如，紫铜)、不锈钢、或它们的混合材料。

作为负载锂靶坯的基板，背板通常具有大于锂靶坯的横截面面积。靶坯以及背板的形状可以根据靶材组件的所需形状而定。例如，提供背板和靶坯的横截面为圆形，且所述靶坯的直径小于所述背板的直径；将靶坯的第一焊接面与背板的第二焊接面相对设置并贴合后形成初始组件，优选的，所述靶坯凸出于所述背板。或者，提供背板和靶坯的横截面为矩形，且所述靶坯的长宽均不大于所述背板的长宽尺寸；将靶坯的第一焊接面与背板的第二焊接面相对设置并贴合后形成初始组件，优选的，所述靶坯凸出于所述背板。

本实用新型中，在将锂靶坯与背板贴合之前，可以对背板，尤其是第二主表面(第二焊接面)进行去油污处理。去油污处理可以采用有机溶剂进行，利用机加工方式进行，利用超声波工艺进行，或利用钢丝刷等方式进行。

为了提高锂靶坯与背板的绑定强度，可以对背板的第二主表面(第二焊接面)进行表面粗糙化处理。表面粗糙化处理是指通过物理或化学方法在表面上形成凸凹不平的形状。表面粗糙化处理的物理方法可以包括打毛、喷砂等。化学方法可以包括酸蚀刻和水洗等步骤。另外，还可以通过机械方法在第二主表面上形成凹槽。表面粗糙化处理形成的凸凹不平形状通常具有微米级尺寸，例如几微米至几百微米。

还可以在背板的第二主表面上设置中间焊接层，优选由铟制成的中间焊接层。这样的中间焊接层可以提高锂靶坯与背板的绑定强度，尤其是在锂靶坯与背板的直接绑定强度较弱时。在设置中间焊接层时，背板与锂靶坯的焊接表面(第二焊接面)即为中间焊接层。形成中间焊接层的方法可以是本领域常用的方法，例如钎焊或扩散焊。

金属锂非常柔软，即使施加压力较小，锂也可能被压得很薄，而且，金属锂具有较强的粘性，常常会粘附在加工工具上，影响生产及产品的质量。本实用新型针对金属锂的上述特点，设计了用于制造平面锂靶材组件的特殊设备，包括模具和与之匹配的施压块。

具体地，本实用新型平面靶材组件的制造方法中采用一种可用于限制锂靶材变形的特殊模具，其具有两端开放的腔室，所述腔室的横截面形状具有与锂靶坯的横截面形状相同，从而在将锂靶坯置于模具的腔室中，所述模具可以将锂靶坯的四周包围。模具腔室的高度可以大于等于锂靶坯的厚度，以将靶坯完全容纳于其中。

与模具相匹配地，施压块具有与模具腔室相同的横截面形状，从而当施压块按压在锂靶坯的第一背面上时，施压块、模具和背板构成将靶坯包封在其中的封闭空间。该封闭空间将靶坯完全包覆，保证了对靶材施加压力和/或进行加热时，靶坯不会因压力过大而产生变形或流动。

在具体操作时，可以在形成初始组件之前，或在形成初始组件之后但在施加压力和加热之前，用所述模具将锂靶坯的四周包围。此处，形成初始组件的步骤可以在非真空环境中进行，也可以将靶坯和背板单独放入真空环境或设备内，然后进行贴合形成初始组件。

然后，进行真空扩散焊步骤，其中，在真空环境中，对初始组件进行加热并且靶坯和背板施加压力(加热和施加压力的先后顺序也可以进行调换)，维持一段时间后最终形成锂靶材组件。此处，可以由施压块施加压力，也可以在施压块按压在锂靶坯的第一背面上(形成封闭空间)的同时向背板施加压力。由于靶坯被限制在由施压块、模具和背板构成的封闭空间，不会发生变形或流动，因此，可以施加更大的压力，使绑定更加牢固，而且也避免了因靶材变形导致的材料浪费。

真空扩散焊步骤可以在以下条件下进行：真空环境的真空度为1x10^-3Pa至100Pa，优选1x10^-3Pa至1x10^-1Pa；对锂靶坯和背板施加的压强为1MPa至25MPa；对初始组件加热的温度为100℃至180℃；加热加压持续时间为2-5小时。

为减少或消除金属锂粘附在加工工具上而影响生产及产品质量的问题，本实用新型还可以在施压块和模具要与锂靶坯接触的部位设置防粘材料。防粘材料可以直接构成施压块和模具与锂靶坯接触的部位，或者可以涂层形式存在于所述部位上。

由于可以通过用施压块将靶材从模具中挤出而解决金属锂与模具粘连问题，可以只在施压块上设置防粘材料。

作为一个备选方案，也可以单独设置一个层状的防粘部件，在向初始组件施压和加热时，将该部件置于施压块与锂靶坯之间。

作为防粘材料，可以选自聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚乙烯(PE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、陶瓷、含油或涂油薄膜等。

在完成焊接后，本实用新型还可以包括破真空操作，从设备内取出锂靶材组件。破真空时，可以采用干燥空气或氩气；优选的，破真空时使用氩气。

下面结合附图对平面锂靶材组件的制造方法的一些具体实施例做详细的说明。

参考图1，图1是本实用新型锂靶材组件的制造方法一实施例的流程示意图，本实施例靶材组件的制造方法包括以下具体步骤：

步骤S1：提供靶坯和背板，所述靶坯的待焊接面为第一焊接面，所述背板的待焊接面为第二焊接面；

步骤S2：将第二焊接面或背板进行清洗去油污操作；

步骤S3：将所述第一焊接面与所述第二焊接面进行相对设置并贴合，形成初始组件；

步骤S4：将初始组件放置入真空环境或设备，加热加压，并维持一段时间；

步骤S5：破真空操作，取出靶材组件。

参考图1至图3，执行步骤S1，提供靶坯10(如图2所示)和背板20(如图3所示)，所述靶坯10的待焊接面(第一主表面)为第一焊接面12，所述背板20的待焊接面(第二主表面)为第二焊接面21。与所述靶坯10的第一焊接面12相对的为第一背面11，与所述背板20的第二焊接面21相对的为第二背面22。

本实施例中所述靶坯10的尺寸为

厚度为6mm，纯度为99.9％以上的金属靶坯；所述背板20的尺寸为厚度为5mm的紫铜。

参考图1至图3，执行步骤S2，利用有机溶剂对所述铜背板20进行清洗，去除铜背板20上的浮尘和油污。然后将铜背板20放入真空烤箱进行烘干。

执行步骤S3，将靶坯10的第一焊接面12与铜背板20的第二焊接面21相对设置并贴合，形成初始组件30。

执行步骤S4，将形成的初始组件30放入真空设备内；采用模具40将靶坯10四周包围，开始抽真空操作，待真空度降至1x10^-1Pa以下时，施压块50从模具40上方向下对靶坯10的第一背面11施加压力，使靶坯10处于由模具40、施压块50和背板20 所构成的封闭空间内。使靶坯10的第一焊接面12与铜背板20的第二焊接面21紧密贴合；对初始组件30进行加热，加热温度控制在100℃至180℃，本实施例中温度控制在170℃左右。维持抽真空、加压和加热操作和相关真空度、压力值和温度值；本实施例中维持时间为3小时。

本实施例中所述步骤S3，将靶坯10与背板20贴合形成初始组件30的过程也可以分开操作；例如：先将背板20放置入真空设备内，然后再将靶坯10放置入真空设备内，在真空设备内将靶坯10和背板20贴合，形成初始组件。本实施例中所述步骤S4 中的抽真空、施加压力、加热操作等的先后顺序也可以进行调换，具体真空度、压力值以及温度值也可以在一定范围内进行调整。本实施例中操作的先后顺序以及设定的相关参数，仅为更清晰的说明技术方案的意图，不能因此作为制造方法的一种限制，还可以包含改变相关先后顺序或改变相关参数而采用类似工艺或手段进行的操作。

参考图1、图4、图5，执行步骤S5，对真空设备进行破真空操作，恢复至常压。取出靶材组件40。

本实用新型的另一个方面提供一种用于制造平面锂靶材组件的设备，包括：真空室；与真空室相连的抽真空装置和可选的破真空装置；用于支撑初始靶材组件的支撑件和用于向初始靶材组件施压的施压件，其中所述支撑件和所述施压件以可移除的方式置于所述真空室中；以及加热装置。

此处，初始靶材组件如上所述，包括锂靶坯和背板，所述锂靶坯具有第一主表面和与第一主表面相反的第一背面，所述背板具有第二主表面和与第二主表面相反的第二背面，所述锂靶坯的第一主表面与所述背板的第二主表面相对设置并贴合，形成初始组件。

抽真空装置用于控制真空室的真空度，例如可以将真空度控制到1x10^-3 Pa至100Pa。

破真空装置可以包括储气装置、将储气装置与真空室相连的管道、控制阀等。储气装置储存干燥空气或氩气。在平面锂靶材组件制造完成后，可以将储气装置与真空室连通时，使干燥空气或氩气进入真空室，破除真空室的真空，以便取出锂靶材组件。

支撑件用于支撑初始靶材组件，其可以是支撑台、支撑板等。

施压件是向初始靶材组件施压的部件，其可以包括位于初始靶材组件上方(与支撑件相反一侧)的施压块。施压时，可以用施压块向下施压(按压锂靶坯的第一背面)，也可以保持施压块不动，将支撑件向上移动而向初始靶材组件施压。施压件对锂靶坯和背板施加的压强可以为1MPa至25MPa。

加热装置用于加热被所述支撑件支撑的初始靶材组件。加热装置可以包括本领域的常规加热装置，例如加热棒，真空加热炉，感应加热装置等。加热装置可以将初始组件加热到100℃至180℃的温度。需指出的是，本实用新型中，支撑件和加热装置可以是同一器件，或者支撑件可以构成加热装置的一部分。

在某些实施方案中，制造平面锂靶材组件的设备还可以包括模具，所述模具具有两端开放的腔室，所述腔室具有与所述锂靶坯相同的横截面形状，以使所述模具能够将所述锂靶坯的四周包围。模具腔室的高度大于等于锂靶坯的厚度，以将靶坯完全容纳于其中。

与模具相匹配地，施压块可以具有与模具腔室相同的横截面形状，从而当施压块按压在锂靶坯的第一背面上时，施压块、模具和背板构成将靶坯包封在其中的封闭空间。

在某些实施方案中，制造平面锂靶材组件的设备还可以包括防粘部件，用于防止金属锂粘附在加工工具上。防粘部件可以设置在施压件和/或模具要与锂靶坯接触的部位上，或者要与锂靶坯接触的部位与锂靶坯之间。由于可以通过用施压块将靶材从模具中挤出而解决金属锂与模具粘连问题，可以只在施压块上或者在施压块与锂靶坯之间设置防粘部件。防粘部件可以是层状形状，例如施压块表面上的涂层。

在某些实施方案中，在背板的第二主表面上还可以设置中间层。中间层由对金属锂具有良好焊接性的材料制成(因此，也称为中间焊接层)，以提高锂靶坯与背板的绑定强度。

下面结合附图对本实用新型的用于制造平面靶材组件的设备的一个具体实施例做详细的说明。

参考图7，用于制造平面锂靶材组件的设备包括：

真空室M100；本实施例中真空室M100由机架M140密封构成，在其他实施例中真空室也可以作为设备外的单独一部分；

与真空室M100相连的抽真空装置；抽真空装置包括真空泵M150和真空挡板阀M160以及连接管道；

与真空室M100相连的破真空装置；破真空装置包括破真空阀门M190，氩气瓶 M170和氩气瓶阀门M180；

加热装置M130；本例中的加热装置M130为加热平台，加热装置M130的上表面具有用于初始组件30定位的凹槽(支撑件)；

模具M120；模具M120由两个模具下压缸M201和M202(模具下压缸可以为气缸或油缸，本实施例中为油缸)驱动；模具M120具有两端开放的腔室，所述腔室的横截面形状与锂靶坯的横截面形状相同；

施压块M110；施压块M110由施压块驱动缸M210(本实施例中为油缸)驱动；施压块M110具有与模具腔室相同的横截面形状，从而当施压块M110按压在锂靶坯上时，施压块M110、模具M120和背板构成将靶坯包封在其中的封闭空间。

具体操作步骤如下：

将初始组件30放置到加热装置M130的定位凹槽内；

驱动用于控制模具M120的油缸M201和油缸M202，使模具M120向下移动将初始组件30的锂靶坯四周包围；

开启真空泵M150和用于控制抽真空的真空挡板阀M160，开始抽真空过程；

驱动用于控制施压块M110的油缸M210，使施压块M110向下移动与模具M120一起将锂靶坯包覆并对初始组件30施加压力；同时，开启加热装置M130对靶材组件进行加热；

维持所需压力、真空度和温度一定时间后，开启阀门M180和破真空阀M190，使氩气瓶M170内的氩气进入到真空室M100内，使真空室M100恢复常压或微正压；

待靶材组件冷却后，取出靶材组件。

虽然本实用新型已披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种制造平面锂靶材组件的设备，其特征在于，所述设备包括：

真空室；

与真空室相连的抽真空装置和可选的破真空装置；

加热装置，用于加热被所述支撑件支撑的初始靶材组件，

2.如权利要求1所述的制造平面锂靶材组件的设备，其特征在于，所述设备还包括模具，所述模具具有两端开放的腔室，所述腔室具有与所述锂靶坯相同的横截面形状。

3.如权利要求2所述的制造平面锂靶材组件的设备，其特征在于，所述施压件包括施压块，所述施压块具有与所述模具的腔室相同的横截面形状，从而所述施压块、所述模具和所述背板构成将所述锂靶坯包封在其中的封闭空间。

4.如权利要求3所述的制造平面锂靶材组件的设备，其特征在于，所述锂靶坯的横截面为圆形或矩形。

5.如权利要求1所述的制造平面锂靶材组件的设备，其特征在于，所述施压件的要与锂靶坯接触的部位具有防粘部件，或者所述设备还包括设置在所述施压件与所述锂靶坯之间的防粘部件。

6.如权利要求1所述的制造平面锂靶材组件的设备，其特征在于，所述支撑件和所述加热装置是同一器件，或者所述支撑件构成所述加热装置的一部分。