4J36和4J29合金髮展，性能運用

2020-09-05 moju


19世紀末，法國人歐傑姆發現Ni含量為36%的Fe-Ni合金的尺寸規格在一定溫度範圍內基本上不會改變，因此將其起名叫Invar（因瓦合金，型號4J36）。

Fe-Ni合金的熱膨脹指數與Ni含量的相互關係中能夠 看得出，當Ni含量為36%時，出現了異常的低熱膨脹指數。這類異常現象的有關原理未有結論。Fe-Ni合金具備很嚴重的相變熱滯，其兩相區均衡建立很遲緩。在一般的急冷自然環境下，乃至在-253℃下，因瓦合金仍可能是單一的奧氏體結構。當以一部分Co取代奧氏體Fe-Ni合金中的Ni時，也可以使合金仍維持奧氏體結構，而且在一定成份範疇內仍有低膨脹特點。這就出現了新的一類膨脹合金——Fe-Co-Ni合金。

Fe-Ni系膨脹合金的類型也有許多，但在杜瓦冷平臺上應用領域的主要是這二種。實際的合金型號包含Fe-Ni系的4J36合金（因瓦）及其Fe-Co-Ni系的4J32合金（超因瓦）和4J29合金（可伐）。


因為具備低膨脹特性、可工藝性能好及其來源於普遍等緣故，Fe-Ni系膨脹合金在致冷焦平面冷平臺上獲得了廣泛運用。以前報導過去了一種用以較長線列的紅外線探測器杜瓦。它的冷平臺選用可伐原材料，其尺寸規格為200-300mm，操作溫度為95K。

在李言謹等研發的長波紅外線2048元線列HgCdTe焦平面元器件中，八個256元線列焦平面元器件交叉式排序在一個可伐冷平臺上。TAOSII新項目配用了17個4.8k×2mCMOS焦平面傳感系統（CIS113），其冷平臺選用因瓦合金，操作溫度為200K。新聞報導的用以嫦娥三號和龍宮一／二號的超光譜成像儀的杜瓦部件冷平臺採用了超因瓦原材料（4J32）。Teledyne公司在用以地基天文學（GroundBasedAstronomy，GBA）的HyViSlrM控制模塊和航空航天用H2RG控制模塊的封裝中選用因瓦合金做為冷平臺原材料。


坐落於智利的暗能量照相機（DECam）選用了74個CCD控制模塊，在其中62個2048×4096元CCD控制模塊組成顯像焦平面，12個2048×2048元CCD控制模塊用以正確引導和聚焦點。他們的操作溫度為233K，並且都通過了173K下的檢測。
因瓦和可伐等Fe-Ni系膨脹合金在許多行業都佔有著不能替代的關鍵位置。可是在紅外線探測器的規模越來越大，精密度、敏感度、使用壽命等的要求愈來愈高的發展趨向下，因瓦和可伐在紅外線探測器杜瓦冷平臺上的進一步應用領域很受到限制。最先是相對密度很大的難題。因瓦、可伐合金和超因瓦合金等Fe-Ni系膨脹合金的相對密度都會8g/cm3上下。在航空航天行業輕量的要求日漸嚴苛的現況下，這一難題變得尤其突顯。


除此之外，Fe-Ni系膨脹合金的導熱係數並不理想化，造成致冷高效率不高，制冷機組負荷增大，進而變向減少探測儀的使用壽命。在超低溫下，因瓦及超因瓦合金的熱膨脹指數與Si讀取電源電路及瓷器襯底的匹配度較高，但可伐合金的熱膨脹指數與集成ic及Si讀取電源電路相距很大。並且可伐和超因瓦合金因為Co原素的添加減少了相穩定性，在超低溫下非常容易產生馬氏體／奧氏體相變化，造成膨脹指數強烈的變化。


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