19世纪末,法国人欧杰姆发现Ni含量为36%的Fe-Ni合金的尺寸规格在一定温度范围内基本上不会改变,因此将其起名叫Invar(因瓦合金,型号4J36)。Fe-Ni合金的热膨胀指数与Ni含量的相互关系中能够 看得出,当Ni含量为36%时,出現了异常的低热膨胀指数。这类异常现象的有关原理未有结论。Fe-Ni合金具备很严重的相变热滞,其两相区均衡建立很迟缓。在一般的急冷自然环境下,乃至在-253℃下,因瓦合金仍可能是单一的奥氏体结构。当以一部分Co取代奥氏体Fe-Ni合金中的Ni时,也可以使合金仍维持奥氏体结构,而且在一定成份范畴内仍有低膨胀特点。这就出現了新的一类膨胀合金——Fe-Co-Ni合金。Fe-Ni系膨胀合金的类型也有许多,但在杜瓦冷平台上应用领域的主要是这二种。实际的合金型号包含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)。
因为具备低膨胀特性、可工艺性能好及其来源于普遍等缘故,Fe-Ni系膨胀合金在致冷焦平面冷平台上获得了广泛运用。以前报导过去了一种用以较长线列的红外线探测器杜瓦。它的冷平台选用可伐原材料,其尺寸规格为200-300mm,操作温度为95K。在李言谨等研发的长波红外线2048元线列HgCdTe焦平面元器件中,八个256元线列焦平面元器件交叉式排序在一个可伐冷平台上。TAOSII新项目配用了17个4.8k×2mCMOS焦平面传感系统(CIS113),其冷平台选用因瓦合金,操作温度为200K。新闻报导的用以嫦娥三号和龙宫一/二号的超光谱成像仪的杜瓦部件冷平台采用了超因瓦原材料(4J32)。Teledyne公司在用以地基天文学(GroundBasedAstronomy,GBA)的HyViSlrM控制模块和航空航天用H2RG控制模块的封裝中选用因瓦合金做为冷平台原材料。坐落于智利的暗能量照相机(DECam)选用了74个CCD控制模块,在其中62个2048×4096元CCD控制模块组成显像焦平面,12个2048×2048元CCD控制模块用以正确引导和聚焦点。他们的操作温度为233K,并且都通过了173K下的检测。
因瓦和可伐等Fe-Ni系膨胀合金在许多行业都占有着不能替代的关键位置。可是在红外线探测器的规模越来越大,精密度、敏感度、使用寿命等的要求愈来愈高的发展趋向下,因瓦和可伐在红外线探测器杜瓦冷平台上的进一步应用领域很受到限制。最先是相对密度很大的难题。因瓦、可伐合金和超因瓦合金等Fe-Ni系膨胀合金的相对密度都会8g/cm3上下。在航空航天行业轻量的要求日渐严苛的现况下,这一难题变得尤其突显。除此之外,由图3得知,Fe-Ni系膨胀合金的导热系数并不理想化,造成致冷高效率不高,制冷机组负荷增大,进而变向减少探测仪的使用寿命。在超低温下,因瓦及超因瓦合金的热膨胀指数与Si读取电源电路及瓷器衬底的匹配度较高,但可伐合金的热膨胀指数与集成ic及Si读取电源电路相距很大。并且可伐和超因瓦合金因为Co原素的添加减少了相稳定性,在超低温下非常容易产生马氏体/奥氏体相变化,造成膨胀指数强烈的变化。
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