พื้นฐานทางเทคโนโลยีและความต้องการของอุตสาหกรรม

โลหะผสมซีลความขยายตัวคงที่ของเหล็ก-นิกเกิลเป็นโลหะผสมพิเศษประเภทหนึ่งที่สามารถบรรลุค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนที่เฉพาะเจาะจง ด้วยการควบคุมสัดส่วนของธาตุเหล็กและนิกเกิลอย่างแม่นยำ ซึ่งถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในสถานการณ์ต่าง ๆ เช่น การบรรจุชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ การเชื่อมต่อเครื่องมือแม่นยำในอวกาศและการบิน เป็นต้น คุณค่าหลักของมันคือการแก้ปัญหาการแตกร้าวจากความเครียดที่เกิดจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนของวัสดุที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในการบรรจุเซมิคอนดักเตอร์ การซีลระหว่างแก้วและโลหะต้องให้สอดคล้องกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนของแก้ว (ประมาณ 8×10⁻⁶/℃) ในขณะที่วัสดุโลหะแบบดั้งเดิมยากที่จะตอบสนองความต้องการนี้ บริษัท ชิงชวน เนว์แมททีเรียล (เจิ้งโจว) จำกัด ได้พัฒนาโลหะผสมที่ปรับแต่งให้เหมาะสมกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน 5-12×10⁻⁶/℃ ด้วยเทคโนโลยีการผลิตโลหะบริสุทธิ์สูง ซึ่งได้เติมเต็มช่องว่างของวัสดุซีลความขยายตัวปานกลางในประเทศ

หลักการทางเทคนิคและพารามิเตอร์หลัก

การควบคุมค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลสำหรับการซีลด้วยการขยายตัวที่คงที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของของแข็งละลายในแผนภาพเฟสไบนารี Fe-Ni เมื่อมีปริมาณนิกเกิลอยู่ที่ 30%-50% โลหะผสมจะแสดงโครงสร้างตาข่ายคริสตัลแบบเซ็นเตอร์เฟซคิวบิก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนจะลดลงอย่างเป็นเส้นตรงเมื่อปริมาณนิกเกิลเพิ่มขึ้น บริษัท ชิงชวน นิวแมททีเรียลส์ ควบคุมปริมาณนิกเกิลให้อยู่ในช่วง 36%±0.2% โดยใช้เทคโนโลยีการหลอมด้วยความรู้สึกสูญญากาศ ร่วมกับการจับคู่อย่างแม่นยำระหว่างปริมาณการแปรรูปด้วยการรีดเย็น (60%-75%) และอุณหภูมิการอบอ่อน (1050-1100℃) เพื่อให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวคงที่ที่ 8.5×10⁻⁶/℃±0.3×10⁻⁶/℃ พารามิเตอร์นี้ผ่านการทดสอบตามมาตรฐาน GB/T 4338-2006 โดยค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวมีความผันผวนน้อยกว่า 0.5% ในช่วงอุณหภูมิ -50℃ ถึง 300℃ ซึ่งดีกว่าค่าเฉลี่ยของอุตสาหกรรมอย่างมีนัยสำคัญ (±1.2×10⁻⁶/℃)

การจัดวางอุปกรณ์การผลิตและเทคโนโลยี

ฐานการผลิตของ Qingchuan New Materials ซึ่งตั้งอยู่ในเขตพัฒนาเทคโนโลยีสูงเจิ้งโจว มีอุปกรณ์หลักเช่น เตาหลอมอินดักชันสูญญากาศขนาด 10 ตัน เครื่องรีดเย็นสี่ลูกกลิ้ง และเตาอบอนิลส์ต่อเนื่อง เป็นต้น โดยเตาหลอมอินดักชันสูญญากาศใช้เทคโนโลยีแม่เหล็กควบคุมด้วยขั้วทังสเตน สามารถควบคุมปริมาณออกซิเจนให้ต่ำกว่า 15 ppm เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากสิ่งสกปรกออกไซด์ต่อค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว เครื่องรีดเย็นติดตั้งเครื่องวัดความหนาด้วยเลเซอร์ เพื่อตรวจสอบความคลาดเคลื่อนของความหนาแผ่นในเวลาจริง (±0.02 มม.) เพื่อรับประกันความแม่นยำในการแปรรูปต่อไป เตาอบออนิลส์ใช้บรรยากาศป้องกันด้วยไนโตรเจน ร่วมกับระบบควบคุมอุณหภูมิเป็นช่วง (อัตราการเพิ่มอุณหภูมิ ≤5℃/นาที ระยะเวลารักษาอุณหภูมิ 2-4 ชั่วโมง) เพื่อขจัดแรงเครียดจากการแปรรูปและทำให้โครงสร้างเม็ดธาตุมีความเสถียร อุปกรณ์เหล่านี้ร่วมกันสนับสนุนสายการผลิตโลหะผสมพิเศษที่มีกำลังการผลิตต่อปี 500 ตัน โดยมีขนาดผลิตภัณฑ์ครอบคลุมแผ่นที่มีความหนา 0.1-3 มม. และแท่งที่มีขนาด φ3-φ50 มม.

กรณีศึกษาการนำไปใช้ที่เป็นตัวอย่าง: การบรรจุหีบห่อเซ็นเซอร์ของยานอวกาศ

ในโครงการบรรจุหีบห่อเซ็นเซอร์อุณหภูมิของยานอวกาศรุ่นหนึ่ง ลูกค้าต้องการแก้ปัญหาการจับคู่ระหว่างโลหะผสม Kovar (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว 5.2×10⁻⁶/℃) กับแก้วบอร์โอน-ซิลิคอน (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัว 7.8×10⁻⁶/℃) บริษัท Qingchuan New Materials ได้จัดหาโลหะผสม 4J36 แบบกำหนดเอง (มีเนื้อหาของนิกเกิล 36%) โดยปรับกระบวนการอบอ่อนเพื่อเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวขึ้นเป็น 7.6×10⁻⁶/℃ ซึ่งมีความเข้ากันได้กับแก้วถึง 97.4% หลังจากการทดสอบวัฏจักรความร้อน 100 ครั้ง จาก -196℃ ถึง 200℃ ไม่พบรอยแตกหรือการแยกตัวที่แนวเชื่อมต่อ การตรวจสอบความหนาแน่น (ด้วยเครื่องวัดสเปกตรัม He) มีอัตราการรั่วซึมน้อยกว่า 1×10⁻¹¹ Pa·m³/s ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดความน่าเชื่อถือระดับอวกาศ โครงการนี้ใช้โลหะผสมรวม 2.3 ตัน หลังจากแทนที่ผลิตภัณฑ์นำเข้าแล้ว ทำให้ต้นทุนลดลง 35% และระยะเวลาการส่งมอบสั้นลงเหลือ 45 วัน

ข้อได้เปรียบทางเทคโนโลยีและความเหมาะสมกับอุตสาหกรรม

โลหะผสมสำหรับปิดผนึกการขยายตัวคงที่ของเหล็ก-นิกเกิลจากชิงชวนนิวเมทีเรียลส์มีข้อได้เปรียบสามประการ: ประการแรก ช่วงการปรับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่กว้าง (5-12×10⁻⁶/℃) ครอบคลุมความต้องการในหลายสาขา เช่น อิเล็กทรอนิกส์, ออปโตอิเล็กทรอนิกส์, พลังงาน เป็นต้น; ประการที่สอง ความสม่ำเสมอขององค์ประกอบสูง (ความผันผวนของเนื้อหานิกเกิล ≤0.2%) หลีกเลี่ยงการสะสมแรงดันในบางพื้นที่; ประการที่สาม ประสิทธิภาพในการแปรรูปยอดเยี่ยม สามารถขึ้นรูปด้วยการรีดเย็นได้ถึง 80% โดยไม่เกิดรอยแตก และสนับสนุนการขึ้นรูปโครงสร้างที่ซับซ้อน ปัจจุบัน วัสดุดังกล่าวได้ถูกนำไปใช้ในหลายสถานการณ์ เช่น ตัวกรองสถานีฐาน 5G, หน้าต่างเครื่องตรวจจับอินฟราเรด, กลไกขับเคลื่อนแท่งควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เป็นต้น โดยรวมแล้วมีลูกค้าที่ใช้บริการแล้วกว่า 200 ราย ซึ่ง 30% เป็นบริษัทในอุตสาหกรรมการทหารและการผลิตอุปกรณ์ชั้นสูง

ทิศทางการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต

เพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์สื่อสารความถี่สูงที่มีต่อวัสดุที่มีการสูญเสียต่ำ บริษัท Qingchuan New Materials กำลังวิจัยและพัฒนาโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลที่มีค่าการขยายตัวคงที่และค่าความสามารถในการนำแม่เหล็กต่ำ (μr≤1.05) โดยการเพิ่มโมลิบดีนัมในปริมาณเล็กน้อย (0.5%-1.2%) เพื่อยับยั้งการเคลื่อนที่ของผนังโดเมนแม่เหล็กและลดการสูญเสียจากกระแสวน การทดสอบเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่า ณ ความถี่ 10 GHz ค่าแทนเจนต์ของมุมการสูญเสียไดอิเล็กทริก (tanδ) ของโลหะผสมสามารถควบคุมให้อยู่ภายใน 0.002 ซึ่งดีขึ้นกว่าวัสดุดั้งเดิมถึง 40% เทคโนโลยีนี้คาดว่าจะสามารถผลิตในเชิงพาณิชย์ได้ในปี 2025 และจะเป็นวัสดุสนับสนุนที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์สื่อสาร 6G