Bối cảnh kỹ thuật và nhu cầu ngành

Hợp kim niêm phong mở rộng định hình sắt-niken là một loại hợp kim đặc biệt đạt được hệ số giãn nở nhiệt cụ thể bằng cách kiểm soát chính xác tỷ lệ nguyên tố sắt, niken, được ứng dụng rộng rãi trong các tình huống như đóng gói linh kiện điện tử, kết nối thiết bị chính xác hàng không vũ trụ. Giá trị cốt lõi của nó là giải quyết vấn đề nứt gãy do căng thẳng gây ra bởi sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu khác nhau, ví dụ trong đóng gói bán dẫn, việc niêm phong giữa thủy tinh và kim loại cần phải phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh (khoảng 8×10⁻⁶/℃), trong khi các vật liệu kim loại truyền thống khó có thể đáp ứng yêu cầu này. Công ty TNHH Vật liệu mới Kình Xuyên (Trịnh Châu) đã thành công trong việc phát triển hợp kim tùy chỉnh phù hợp với hệ số giãn nở từ 5-12×10⁻⁶/℃ nhờ vào công nghệ chế tạo kim loại có độ tinh khiết cao, lấp đầy khoảng trống về vật liệu niêm phong có hệ số giãn nở trung bình trong nước.

Nguyên lý kỹ thuật và các thông số cốt lõi

Việc điều khiển hệ số giãn nở của hợp kim niken-sắt có độ giãn nở cố định phụ thuộc vào đặc tính của dung dịch rắn trong biểu đồ pha nhị phân Fe-Ni. Khi hàm lượng niken trong khoảng 30%-50%, hợp kim có cấu trúc lưới tinh thể mặt tâm立方 (mặt tâm khối), hệ số giãn nở nhiệt giảm tuyến tính khi hàm lượng niken tăng. Công ty擎川新材料 (Kình Xuyên Tân Vật Liệu) thông qua công nghệ nấu chảy cảm ứng chân không, kiểm soát hàm lượng niken trong khoảng 36% ± 0,2%, kết hợp với sự phối hợp chính xác giữa mức độ biến dạng cán nguội (60%-75%) và nhiệt độ ủ (1050-1100℃), đạt được hệ số giãn nở ổn định ở mức 8,5×10⁻⁶/℃ ± 0,3×10⁻⁶/℃. Thông số này đã vượt qua kiểm tra theo tiêu chuẩn GB/T 4338-2006, với biến động hệ số giãn nở trong khoảng nhiệt độ từ -50℃ đến 300℃ nhỏ hơn 0,5%, vượt trội đáng kể so với mức trung bình của ngành (±1,2×10⁻⁶/℃).

Bố trí thiết bị sản xuất và công nghệ

Cơ sở sản xuất của擎川新材料 (Kình Xuyên Tân Vật Liệu) tại Khu phát triển công nghệ cao Trịnh Châu được trang bị các thiết bị cốt lõi như lò nấu chảy cảm ứng chân không cấp 10 tấn, máy cán lạnh bốn cuộn và lò ủ liên tục. Trong đó, lò nấu chảy cảm ứng chân không áp dụng công nghệ điều khiển từ trường bằng điện cực wolfram, có thể kiểm soát hàm lượng oxy dưới 15ppm, tránh ảnh hưởng của tạp chất oxy hóa đến hệ số giãn nở; máy cán lạnh được trang bị máy đo độ dày bằng laser, giám sát thời gian thực độ dày dung sai của tấm (±0,02mm), đảm bảo độ chính xác gia công tiếp theo; lò ủ áp dụng khí bảo vệ nitơ, kết hợp với hệ thống điều khiển nhiệt độ theo từng giai đoạn (tốc độ tăng nhiệt ≤5℃/phút, thời gian giữ nhiệt 2-4 giờ), loại bỏ ứng suất gia công và ổn định cấu trúc hạt. Những thiết bị này cùng hỗ trợ dây chuyền sản xuất hợp kim đặc biệt với công suất 500 tấn/năm, quy cách sản phẩm bao gồm tấm có độ dày từ 0,1-3mm và thanh có đường kính từ φ3-φ50mm.

Trường hợp ứng dụng điển hình: Bao bọc cảm biến cho một tàu vũ trụ

Trong dự án đóng gói cảm biến nhiệt độ của một loại tàu vũ trụ, khách hàng cần giải quyết vấn đề phù hợp giữa hợp kim Kovar (hệ số giãn nở 5,2×10⁻⁶/℃) và thủy tinh borosilicat (hệ số giãn nở 7,8×10⁻⁶/℃). Kinh Xuyên Tân Vật Liệu cung cấp hợp kim 4J36 tùy chỉnh (hàm lượng niken 36%), bằng cách điều chỉnh quy trình ủ để tăng hệ số giãn nở lên 7,6×10⁻⁶/℃, phù hợp với thủy tinh đến 97,4%. Sau 100 lần thử nghiệm chu kỳ nhiệt từ -196℃ đến 200℃, giao diện niêm phong không xuất hiện vết nứt hoặc bong tróc, tỷ lệ rò rỉ trong kiểm tra độ kín khí (máy quang phổ He) nhỏ hơn 1×10⁻¹¹ Pa·m³/s, đáp ứng yêu cầu độ tin cậy cấp vũ trụ. Dự án này đã sử dụng tổng cộng 2,3 tấn vật liệu hợp kim, sau khi thay thế sản phẩm nhập khẩu, chi phí giảm 35%, thời gian giao hàng rút ngắn xuống còn 45 ngày.

Lợi thế công nghệ và sự phù hợp với ngành

Hợp kim niêm phong mở rộng cố định sắt-niken của Kinh Xuyên Tân Vật Liệu có ba ưu thế lớn: Thứ nhất, phạm vi điều chỉnh hệ số mở rộng rộng (5-12×10⁻⁶/℃), đáp ứng nhu cầu của nhiều lĩnh vực như điện tử, quang điện, năng lượng,...; Thứ hai, tính đồng nhất về thành phần cao (biến động hàm lượng niken ≤0,2%), tránh tập trung ứng suất cục bộ; Thứ ba, tính chất gia công xuất sắc, lượng biến dạng cán lạnh có thể đạt 80% mà không xuất hiện vết nứt, hỗ trợ tạo hình cấu trúc phức tạp. Hiện nay, vật liệu này đã được ứng dụng trong các lĩnh vực như bộ lọc trạm cơ sở 5G, cửa sổ đầu dò hồng ngoại, cơ cấu điều khiển thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân,... đã phục vụ tổng cộng hơn 200 khách hàng, trong đó 30% là doanh nghiệp quân sự và sản xuất thiết bị cao cấp.

Hướng phát triển công nghệ trong tương lai

Đáp ứng nhu cầu về vật liệu có tổn hao thấp của các thiết bị viễn thông tần số cao, Kinh Xuyên Vật Liệu Mới đang nghiên cứu phát triển hợp kim sắt - niken có độ giãn nở định hình có độ thẩm磁 (μr ≤ 1,05), thông qua việc bổ sung một lượng nhỏ molypden (0,5% - 1,2%) để ức chế sự di chuyển của thành tường từ vực, giảm tổn hao dòng xoáy. Kiểm tra sơ bộ cho thấy, ở tần số 10 GHz, giá trị góc tổn hao điện môi (tanδ) của hợp kim có thể được kiểm soát trong khoảng dưới 0,002, cải thiện 40% so với vật liệu truyền thống. Dự kiến công nghệ này sẽ được sản xuất hàng loạt vào năm 2025, cung cấp hỗ trợ vật liệu quan trọng cho thiết bị viễn thông 6G.