[发明专利]一种制备Si-TaSi2共晶自生复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体是一种制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料的方法。

背景技术

难熔金属硅化物TaSi₂具有高熔点（T_m＝2040°C）、良好的抗氧化性、较低的功函数且与硅有很好的结合强度，因此Si-TaSi₂共晶自生复合材料被认为是一种具有广阔应用前景的新型冷场致发射材料。目前，常用的制备所述Si-TaSi₂共晶自生复合材料的方法有以下几种：

1、Czochralski(CZ)法。文献“D.M.Ditchek，J.Hefter，T.R.Middleton.Microstructure of Czochralskl grown Si-TaSi₂ eutectic composites[J].Journal of Crystal growth，102(1990)401-412.”^[1]采用CZ定向凝固技术，制备出了Si-TaSi₂棒状共晶自生复合材料。CZ法由于籽晶和坩埚同时旋转产生的非稳态温度场易导致溶质沿径向分布不均，极大影响了材料的场发射性能。

2、电子束悬浮区熔法。文献“C.J.Cui，J.Zhang，Z.W.Jia，H.J.Su，L.Liu，H.Z.Fu.Microstructure and field emission properties of the Si-TaSi₂ eutectic in situ composites by electron beam floating zone melting technique[J].Journal of Crystal growth，310(2008)71-77.”^[2]提出了采用无坩埚的电子束区熔凝固技术制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料，提高了温度梯度（300～500K/cm），并获得了组织较为细化的复合材料。用该技术制备Si-TaSi₂共晶时，由于熔体的温度及抽拉速率不能独立、精度的控制，因此难以对凝固组织进行优化和定量设计，不利于进行该合金的凝固理论研究。另外电子束对熔区的轰击和搅拌也会产生较强的对流，同样易导致组织和成分不均匀。

3、传统的Bridgman法。文献“N.J.Helbren，S.E.R.Hiscocks.Silicon-and germanium-based eutectics[J].Journal of Materials Science，8(1973)1744-1750”^[3]提出了用Bridgman定向凝固技术制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料。由于该方法采用感应线圈加热和自然冷却，因此温度梯度低<100K/cm，凝固速率低<10μm/s，制备的纤维组织粗大且规整性较差，极大影响了材料的场发射性能。

发明内容

为克服现有技术中存在的制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料组织成分不均、组织粗大，定向生长差的问题，并进一步提高该材料的场发射性能，本发明提出了一种制备Si-TaSi₂共晶自生复合材料的方法。

本发明包括以下步骤：

步骤一，制备Si-TaSi₂共晶合金铸锭母材：

以高纯的Si和高纯的Ta作为原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si：Ta的原子百分比为99∶1；将母材原料装入石英坩埚中并置于熔炼炉内，将熔炼炉抽真空至真空度低于2×10^-4Pa并保持该真空度；将熔炼炉加热，加热中以30℃/min的速度逐步将熔炼炉加热至1450℃，使母材原料完全熔化后保温30min；关闭电源并用冷却水将熔炼炉内温度冷却至室温，得到Si-TaSi₂共晶合金铸锭母材；

步骤二，填装试棒：

将得到的Si-TaSi₂共晶合金铸锭母材切割成试棒；将得到的试棒打磨后置于酒精溶液中并采用超声波清洗30min；将清洗干净的试棒放进刚玉管中；运行抽拉系统，使不锈钢接头完全浸没到结晶器Ga-In-Sn冷却剂液面以下；将氧化铝隔热板放入炉内；关闭炉腔，并安装W/Re热电偶；

步骤三，Si-TaSi₂共晶合金试棒的定向凝固：