專利名稱：一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及真空器件技術領域，是一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法。
背景技術：
行波管是一種微波電真空器件，具有高可靠、寬頻帶、高效率的特點。在電子對抗、 雷達、衛(wèi)星通信等領域有著廣泛的應用。作為真空電子器件，多年來一直受到半導體器件的極大挑戰(zhàn)和威脅，尤其在中小功率方面為甚。但是，在大功率、尤其是超大功率領域，真空電子器件至今仍具有極其顯著的優(yōu)勢。熱解石墨的沉積是在高溫、真空條件下進行的化學氣相沉積反應，當碳氫化合物氣體(CH4，C3H8，CnHm)和稀釋氣體(N2，Ar，H2)按一定的比例混合進入加熱爐后，碳氫氣體就會在爐內(nèi)分解，分解的單原子碳沉積在石墨基體的熱表面上。反應的余氣由真空泵連續(xù)抽出，碳原子不斷的沉積而形成一定的厚度。待爐溫降至室溫，由于基體收縮量遠大于熱解石墨，可很方便地從基體上剝離下熱解石墨制品。熱解石墨的沉積反應可表示為CnHm->Cn' Hm' +Hx->---->C(原子態(tài))+Hx'其本質就是裂解脫氫，部分游離基團又聚合的過程。對沉積過程中的反應機理、生長機理目前還存在不同的看法。部分研究人員認為，在約1000°c下以甲烷做沉積反應氣體時，屬裂解反應，反應式如下CH4——>C+2H2。另外還有研究人員認為沉積過程中有中間產(chǎn)物(如甲基基團、乙炔、乙烷、苯、萘、蒽和其他更加復雜的氣相碳氫化合物)產(chǎn)生，可以認為，熱裂解和聚合反應同時存在，溫度越高，聚合反應的速率越小。熱解石墨沉積的成核及生長過程如圖1所示。熱解石墨的機械強度隨溫度的升高而增加，熱解石墨具有優(yōu)良的導電性能。因為熱解石墨是在高度清潔的環(huán)境中制備的，所以在高溫條件下不放氣[華光技術報導， 1978.3，P67 78]。由于以上諸多性能，因而熱解石墨特別適宜制作真空電子器件的零部件。[Applications of advancedmaterials technologies. Proceedings of theIEEE, Vol. 87，No. 5 :855-858,1999.]國內(nèi)成都旭光電子股份有限公司和電子科技大學合作在大功率、超大功率電子管中對熱解石墨的應用作了分析，通過試驗研究和討論，獲得了優(yōu)化的石墨柵極毛坯沉積工藝，制作了熱解石墨柵極[任永富，熱解石墨柵極毛坯沉積工藝研究及應用，電子科技大學工程碩士學位論文，2005. 11]。據(jù)文獻報道，國外研究真空微波器件的單位有采用熱解石墨材料制作多級降壓收集極，使得行波管的總體效率提高10%左右。由于國內(nèi)封接技術還不能有效保證熱解石墨或高密度各向同性石墨與陶瓷或其他金屬氣密封接，使得熱解石墨的使用受到了很大的限制。[(I)Ben T. Ebihara andPeter Ramins. Design，F(xiàn)abrication，and Performance of Small， GraphiteElectrode， Multistage Depressed Collectors With 200_W，CW，8-tol8-GHz Traveling-Wave Tubes. NASA Technical paper 2693,1987. (2)Peter Ramins,Ben T.Ebihara. Isotropicalgraphite multistagedepressed collectors-aprogress report.IEEE Transactiononelectron devices,36(4) :817-822,1989.]國外相關文獻報道，有單位對熱解石墨采用活性釬料進行釬焊，主要是采用Ti基釬料，輔以Cu、Cr、Zr、Ni等合金釬料進行活性焊接的方法。[(I)Development of Brazing Processes for Pyrolytic Graphite. NASATechnical paper 2342,1984. (2)Phillip B.Abel, Andras L.Korenyi-Both, Frank S. Honecy, and Stephen V.Pepper. Study of copperon graphite with titanium or chromium bondlayer. J. Mater. Res. ,Vol. 9,No. 3, Mar 1994.]

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法，以解決熱解石墨材料與陶瓷或其他金屬氣密封接的問題。為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是一種熱解石墨的金屬化工藝方法，其包括步驟a)將熱解石墨材料加工成具體的零件，形成基體；b)對熱解石墨基體進行表面預處理；c)采用真空多弧離子鍍技術在熱解石墨基體表面沉積鍍層；d)經(jīng)鍍層的后期處理，得成品。所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其所述b)步，是1)將熱解石墨零件表面進行打磨用500目、金相砂紙打磨后，以酒精進行超聲波清洗2 4分鐘，然后使用丙酮進行脫水處理，以此除掉表面的雜質及油污；2)在真空離子鍍膜罐內(nèi)，真空度< 9X10_3I^下，對熱解石墨零件表面進行離子轟擊，偏壓1000V加1分鐘，400V加1分鐘；3)然后，用Ar氣清洗，負偏壓350V 450V之間，時間3分鐘左右；4)再輝光清洗用Ar氣，偏壓800V 1000V之間，時間3分鐘左右。所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其所述c)步，是1)選用高純Cr靶材對熱解石墨零件表面進行鍍Cr膜沉積，沉積參數(shù)電壓 150V 250V之間，時間20分鐘左右；2)再選用高純Ni靶材在剛形成的Cr膜上沉積Ni膜，沉積參數(shù)電壓IOOV 200V 之間，時間30 50分鐘。所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其所述d)步，是1)將沉積膜層后的熱解石墨零件，放入氫氣爐中，在氫氣保護下，緩慢加熱至 850°C 1000°C，保溫5分鐘左右，然后隨爐冷卻；2)出爐后，得成品；3)將成品零件放入恒溫恒濕柜中進行保存，防止氧化及污染。所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其所述C)步，先用Cr靶材在熱解石墨基體表面打底，然后用M靶材濺射，Cr膜和M膜的膜厚以作業(yè)時間長短控制，以保證與基體牢固結合以及與其它金屬連接。一種所述的金屬化熱解石墨的焊接方法，其是
a)將熱解石墨零件和需要焊接的部件放在氫氣爐中，在氫氣保護下進行；b)所用焊料，為銀銅焊料；c)其焊接工藝參數(shù)為焊接溫度為810°C 820°C，保溫3 5分鐘后，自然降溫至200°C以下；d)待溫度低于50°C，取出焊接件即得成品。所述的金屬化熱解石墨的焊接方法，其所述銀銅焊料，其銅含量在72-28%之間。本發(fā)明的一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法，使用真空離子鍍技術在熱解石墨基體表面蒸鍍Cr膜和Ni膜，以對熱解石墨表面進行改性，使得熱解石墨可以與陶瓷或其他金屬進行可靠的焊接，實現(xiàn)氣密封接，大大促進了微波電真空器件的發(fā)展。


圖1為熱解石墨沉積的成核及生長過程示意圖；圖2為本發(fā)明的一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法流程示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法，主要內(nèi)容包括1、熱解石墨的金屬化方法及工藝參數(shù)。熱解石墨金屬化的方法采用真空多弧離子鍍技術進行熱解石墨的表面沉積。離子鍍是在低氣壓放電條件下，將蒸發(fā)出來的鍍料粒子部分電離，形成離子、原子、分子和其它中性粒子集團，再經(jīng)過擴散和電場作用轟擊，沉積在施加有負偏壓的基體(工件)上，或者與基片附近活化、分解、電離的反應氣體相互作用，在基片上沉積出化合物薄膜的技術。多弧離子鍍屬物理氣相沉積技術，具有離化率高，離子能量大，沉積速率高、附著力好、膜層致密、易于控制、適應性寬的特點。能沉積絕大多數(shù)金屬與合金材料，在薄膜沉積中應用廣泛。沉積之前需對熱解石墨基體進行表面預處理，主要包括1)將熱解石墨加工成具體的零件，零件表面進行打磨，使用酒精進行超聲波清洗 2至4分鐘，然后使用丙酮進行脫水處理，以此除掉表面的雜質及油污；2)對材料表面進行離子轟擊，使得真空室的真空度彡9 X KT3Pa ；Ar氣清洗，負偏壓350V至450V之間，時間3分鐘左右；輝光清洗Ar氣，偏壓800V至1000V之間，時間3 分鐘左右；3)選用高純Cr靶材對熱解石墨表面進行鍍Cr膜沉積，沉積參數(shù)選擇電壓150V至 250V之間，時間20分鐘左右；4)在選用高純Ni靶材在剛形成的Cr膜基礎上沉積Ni膜，沉積參數(shù)選擇100V至 200V之間，時間30至50分鐘；5)沉積后的膜層需要進行適當?shù)暮筇幚砉ば颍饕窃跉錃鉅t中，緩慢加熱至 850°C至ΙΟΟΟ ，保溫5分鐘，然后隨爐冷卻，使用此后處理工序主要是增加膜層與基體的附著力，使膜層與基體能夠牢固結合；6)出爐后需將鍍后的零件放入恒溫恒濕柜中進行保存，防止氧化及污染。2、熱解石墨與金屬材料(本發(fā)明采用的電真空器件中常用的可伐材料)的連接方法及工藝參數(shù)。
熱解石墨金屬化后主要是與電真空器件中常用的可伐金屬材料的連接，可伐材料表面需要鍍Ni預處理工序，這是一道較為常規(guī)的工藝。主要是焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。1)熱解石墨與金屬材料的焊接方法采用氫氣保護下焊接，焊接過程采用在程控氫氣爐中進行；2)采用電真空器件制備過程中常用的AgCu(72- % )焊料作為連接用釬料；3)由于熱解石墨的膨脹系數(shù)(室溫下各向異性熱解石墨a-b面1.8xlO_6;C面 23. 4χ1(Γ6 ；各向同性熱解石墨7. 7χ1(Γ6)與可伐材料(100°C時約1. 4xl0"6,600 °C時約 10. 94xl0-6)的膨脹系數(shù)存在差異，焊接過程中的升溫和降溫曲線選擇相對較慢的參數(shù)，使得升溫速率彡200C /min，焊料熔化后需在800°C 830°C之間，保溫3至5分鐘，然后可自然降溫至200°C以下，待溫度低于50°C，方可取出焊接件。實施例1.對熱解石墨基體進行預處理1)500目金相砂紙打磨，酒精超聲波清洗3分鐘，丙酮脫水處理；2)抽真空使多弧真空離子鍍罐中的真空度達到9 X IO-3Pa ；3)采用輝光清洗Ar氣，偏壓1000V，加1分鐘；4)進行離子轟擊清洗:kr氣，負偏壓400V，1分鐘；2.進行過渡膜層(Cr層)和表面膜層(Ni層)的沉積1) Cr膜層沉積，使用參數(shù)電壓200V，20分鐘；2) Ni膜層沉積，使用參數(shù)電壓150V，40分鐘；3.對鍍層進行后處理1)在氫氣爐中，以升溫速率10°C /min，加熱至950°C，保溫5分鐘，然后隨爐冷卻；2)出爐后需將鍍后的零件放入恒溫恒濕柜中保存。4.熱解石墨與金屬材料的焊接1)可伐材料表面進行常規(guī)電鍍Ni處理；2)焊接方法采用氫氣保護下焊接，焊接過程在程控氫氣爐中進行；3)采用焊料為AgCu (72-28 % )焊料；4)焊接工藝參數(shù)升溫速率彡10°C/min，810°C 820°C，保溫3分鐘，然后可自然降溫至200°C以下；5)待溫度低于50°C，取出焊接件。至此，本發(fā)明的熱解石墨的金屬化工藝及焊接過程結束，以此方案工藝操作，可以獲得釬焊效果很好的接縫。
權利要求
1.一種熱解石墨的金屬化工藝方法，其特征在于，包括步驟a)將熱解石墨材料加工成具體的零件，形成基體；b)對熱解石墨基體進行表面預處理；c)采用真空多弧離子鍍技術在熱解石墨基體表面沉積鍍層；d)經(jīng)鍍層的后期處理，得成品。
2.如權利要求1所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其特征在于，所述b)步，是1)將熱解石墨零件表面進行打磨用500目、金相砂紙打磨后，以酒精進行超聲波清洗 2 4分鐘，然后使用丙酮進行脫水處理，以此除掉表面的雜質及油污；2)在真空離子鍍膜罐內(nèi)，真空度彡9X10-3 下，對熱解石墨零件表面進行離子轟擊， 偏壓1000V加1分鐘，400V加1分鐘；3)然后，用Ar氣清洗，負偏壓350V 450V之間，時間3分鐘左右；4)再輝光清洗用Ar氣，偏壓800V 1000V之間，時間3分鐘左右。
3.如權利要求1所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其特征在于，所述c)步，是1)選用高純Cr靶材對熱解石墨零件表面進行鍍Cr膜沉積，沉積參數(shù)電壓150V 250V之間，時間20分鐘左右；2)再選用高純Ni靶材在剛形成的Cr膜上沉積Ni膜，沉積參數(shù)電壓100V 200V之間，時間30 50分鐘。
4.如權利要求1所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其特征在于，所述d)步，是1)將沉積膜層后的熱解石墨零件，放入氫氣爐中，在氫氣保護下，緩慢加熱至850°C 1000°C，保溫5分鐘左右，然后隨爐冷卻；2)出爐后，得成品；3)將成品零件放入恒溫恒濕柜中進行保存，防止氧化及污染。
5.如權利要求1所述的熱解石墨的金屬化工藝方法，其特征在于，所述c)步，先用Cr 靶材在熱解石墨基體表面打底，然后用M靶材濺射，Cr膜和M膜的膜厚以作業(yè)時間長短控制，以保證與基體牢固結合以及與其它金屬連接。
6.一種如權利要求1所述的金屬化熱解石墨的焊接方法，其特征在于，a)將熱解石墨零件和需要焊接的部件放在氫氣爐中，在氫氣保護下進行；b)所用焊料，為銀銅焊料；c)其焊接工藝參數(shù)為焊接溫度為810°C 820°C，保溫3 5分鐘后，自然降溫至 200°C以下；d)待溫度低于50°C，取出焊接件即得成品。
7.如權利要求6所述的金屬化熱解石墨的焊接方法，其特征在于，所述銀銅焊料，其銅含量在72- %之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱解石墨的金屬化工藝及焊接方法，涉及真空器件技術，該金屬化方法，采用真空多弧離子鍍技術在熱解石墨基體表面沉積鍍層，該焊接方法，是將熱解石墨零件和需要焊接的部件放在氫氣爐中焊接。本發(fā)明方法，通過對熱解石墨基體表面金屬化，使其可以很好的與陶瓷或其他金屬進行焊接，達到氣密封接，解決了封接中存在的技術難題，大大促進了微波電真空器件的發(fā)展。
文檔編號C23C14/32GK102234764SQ20101016230
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月28日
發(fā)明者王鑫, 胡京軍, 蘇小保, 趙世柯, 鄧峰, 馬天軍 申請人:中國科學院電子學研究所