[发明专利]通过定向熔融和再固化形成的对齐的多孔基材

说明书

优先权

本申请要求2009年5月28日提交的题为“通过定向熔融和再固化形成的对齐的多孔基材(ALIGNED POROUS SUBSTRATES BY DIRECTIONAL MELTING AND RESOLIDIFICATION)”的美国专利申请系列号第12/473,669号的优先权。

背景和概述

本发明一般涉及多孔或无孔铸件的模板化生长，更具体来说涉及通过蜂窝体基材内的局部熔融和定向再固化形成的多孔或无孔铸件。

多孔基材可以用于很多种应用，包括催化、过滤、膜等。尽管人们已经开发出了很多的加工技术(例如挤出和发泡)来制造多孔材料和其它微孔材料，但是在加工的过程中仍然很难精确并高效地控制孔隙和/或微孔结构的尺寸、形状、定向性、各向同性(或各向异性)、连通性和曲折性。形成微孔材料的另一个难题涉及成孔剂的普遍使用以及与将成孔剂从最终产品除去有关的困难。

包含晶体金属(例如铜)和半导体(例如Si、GaAs等)的无孔基材可以用于半导体和非半导体应用。例如，可以采用在石英坩锅中进行定向固化作为代替丘克拉斯基(Czochralski)(CZ)生长的方法来制造多晶硅的锭块，用于光伏用途。除了半导体材料以外，还可以使用定向固化形成金属基材和陶瓷基材。在本文中，基材是在其上进行工艺操作的材料，或者在其上构建器件或结构的材料。

局部熔融和定向再固化一般涉及一系列用来控制固相至液相和随后的液相至固相的转变，以及伴随的固化或铸造主体的形成的方法。本文所述的铸造主体或铸造结构是固体形状。局部熔融包括使固化的原料经过温度梯度，使得一部分原料熔融。定向固化包括使原料中的液体或熔融部分通过温度梯度，从而使其再固化。

所述固体原料可以源自原先呈液态的原料，所述原先呈液态的原料可以包括单组分液体，例如熔融硅，或者多组分液体，例如熔融合金(例如硅-锗合金)。而多组分液体组分又可以包括单相(例如熔融Si-Ge合金或水-PVA溶液)或多相。多相液体原料的一个例子是气泡、不混溶的液体和/或固体颗粒在一种或多种液体中的分散体。分散体可以是乳液或胶体。

局部熔融和定向再固化可以用来形成多孔或无孔材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物或其复合体。例如，可以由包含颗粒在液体中的分散体(即浆液)的多组分原料铸造形成微结构化的微孔材料。该方法包括使液态原料在基质中固化，在所述基质中使所述原料局部熔融并以定向的方式再固化，取出所述固化的(之前呈液态的)相，并且任选地对所得的结构进行致密化。对于单向固化，可以形成具有单向通道(即直线型孔隙)的多孔主体，其中所述通道由之前被固化相占据的空间形成。另一方面，无孔铸件可以由单组分或多组分液体原料(例如熔融硅或熔融金属合金)制造。局部的定向再固化可以作为接近最后形状(near net shape)的成形途径。所述用作模板的基质可以是蜂窝体基材。

在单组分和多组分原料体系中，为了控制微结构，从而控制所得的再固化材料的性质，重要的是在再固化过程中保持空间上均匀的固化前锋面(固-液界面)。另外，在多组分体系中，重要的是沿着液-固界面保持横向均匀的颗粒和/或溶质的分布。在实际中，由于液相中存在密度梯度驱动的对流，很难实现这些条件。

定向固化中的对流由体系中不可避免的热梯度产生。即使是在具有垂直稳定的密度分层的例子中，液体中存在的径向温度梯度也会产生对流。所述对流会导致严重的溶质离析以及不均匀的(即存在宏观曲线分布的)固化前锋面。溶质的离析又会导致浓度梯度驱动的对流，这可能会促使或不利于热驱动的对流。在加载微粒的原料的例子中，对流会沿着液-固界面冲走颗粒，会导致颗粒分布的高度不均匀。随着液体的有效尺寸的增大，这一问题通常会变得更明显。

当通过定向固化制备多孔铸件的时候，可能会遇到的其它问题(特别是对于较大体积的铸件)包括固化过程中由于成核、非平行颗粒的生长以及预先致密的样品的坯体强度不足造成的孔连续性或连通性的损失。

从上述情况来看，人们希望开发出一种通过定向固化制造多孔或无孔铸件的方法，该方法减少沿着液-固界面由热对流和/或溶质对流引起的非均匀性，在按比例放大的样品中减小坯体强度的不足，减少由于成核、非平行颗粒的生长和碰撞造成的多孔铸件的轴向连通性损失和曲折性的增加。

根据一个实施方式，形成模板化铸件(templated casting)的方法包括：将液体原料加入蜂窝体基材的通道中，形成加载原料的基材，使液体原料在通道内固化，使所述固化的原料局部熔融，然后使熔融的材料定向地再固化。所述铸件可以包括多孔结构或无孔结构。