一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間材料科學(xué)研宄領(lǐng)域，特別涉及一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間材料科學(xué)，作為空間科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域中的重要分支，是傳統(tǒng)的材料科學(xué)向空間環(huán)境下的延伸，是發(fā)展材料科學(xué)新理論、探索材料制備新工藝和拓展材料應(yīng)用新領(lǐng)域中最活躍的前沿性交叉學(xué)科之一?？臻g具有微重力、超真空、無(wú)容器和強(qiáng)輻射等特殊效應(yīng)，是研宄材料熔融、凝固等的理想實(shí)驗(yàn)條件，但是，人們迄今所能利用的空間資源仍然十分有限。因此，模擬空間環(huán)境中各種效應(yīng)的地面方法應(yīng)運(yùn)而生。懸浮技術(shù)就是其中之一，它可以模擬空間環(huán)境中的無(wú)容器狀態(tài)。懸浮無(wú)容器技術(shù)就是利用外界物理場(chǎng)產(chǎn)生的作用力來(lái)抵消物體的重力，從而使物體處于一個(gè)無(wú)接觸、無(wú)容器的狀態(tài)。它避免了坩禍對(duì)材料表面的接觸與污染，能夠抑制異質(zhì)形核，獲得深過(guò)冷，是制備高純亞穩(wěn)態(tài)新型功能材料的有效手段。
[0003]懸浮無(wú)容器技術(shù)主要有聲懸浮、靜電懸浮、磁懸浮、光懸浮、電磁懸浮和氣懸浮等方式，其中靜電懸浮是較為先進(jìn)的一種。靜電懸浮是利用靜電場(chǎng)中帶有靜電的樣品受到的庫(kù)侖力來(lái)抵消重力，實(shí)現(xiàn)無(wú)容器狀態(tài)。由于靜電懸浮的無(wú)容器、高真空、高溫和可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，因此在熔體的熱物性、冷卻與凝固、材料的合成與制備和空間實(shí)驗(yàn)等方面已經(jīng)有初步的應(yīng)用。但是，靜電懸浮設(shè)備龐大復(fù)雜，造價(jià)昂貴。
[0004]國(guó)際上的靜電懸浮實(shí)驗(yàn)裝置只是在懸浮的狀態(tài)加熱和凝固，樣品雖然不受容器壁的影響，在凝固過(guò)程中仍然受到重力的擾動(dòng)，無(wú)法模擬微重力凝固的過(guò)程。
[0005]超高真空落管無(wú)容器處理技術(shù)是地面條件下各種無(wú)容器冷凝技術(shù)中模擬空間環(huán)境最全面的一種實(shí)驗(yàn)方法，是實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬深過(guò)冷的一種重要手段。它能夠接近真實(shí)地模擬外層空間的“微重力、無(wú)容器和超高真空”環(huán)境。它的具體做法是將金屬熔體在一定高度的落管管體中下落，發(fā)生快速凝固。
[0006]落管按其高度分為兩類(lèi):長(zhǎng)落管和短落管；長(zhǎng)落管一般在1m以上；兩類(lèi)落管由于高度不同，其無(wú)容器處理的原理有所不同，主要區(qū)別是如何使金屬樣品凝固。在長(zhǎng)落管中樣品的下落時(shí)間為3-5s，只有少部分尺寸很小的高熔點(diǎn)材料液滴可以直接在下落過(guò)程中凝固，因此，長(zhǎng)落管實(shí)驗(yàn)可在真空中進(jìn)行，用以研宄微重力環(huán)境對(duì)凝固過(guò)程的影響。國(guó)際上主要的長(zhǎng)落管的末端的收集速度非常高，會(huì)對(duì)樣品造成變形等傷害；即便落管的長(zhǎng)度達(dá)到100米，樣品的冷卻時(shí)間也非常短，只能夠達(dá)到4.6秒。因此長(zhǎng)落管能提供的無(wú)容器的凝固時(shí)間是短暫的，限制也是多方面的:
[0007](I)由于樣品在自由墜落的過(guò)程中處于無(wú)容器凝固條件下，樣品通過(guò)輻射方式(真空條件)散熱的，散熱條件受到制約。此外，樣品只能在非常大的過(guò)冷情況下才能凝固，導(dǎo)致目前的落管條件只能夠研宄高熔點(diǎn)材料或尺寸非常小的試驗(yàn)樣品，而對(duì)于低熔點(diǎn)材料實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行。輻射散熱的降溫速度理論表明，溫度越低，冷卻速度越慢，若樣品的直徑為3毫米，要想達(dá)到百度量級(jí)的過(guò)冷度，樣品的熔點(diǎn)至少要達(dá)到1000°C以上，能夠?qū)嶒?yàn)的材料受到制約。
[0008](2)樣品在長(zhǎng)落管中降落，回收前的速度較大，回收過(guò)程中的沖擊會(huì)對(duì)尚處于高溫的樣品造成損傷，甚至樣品會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶等現(xiàn)象，掩蓋了樣品的本征信息。
[0009](3)落管長(zhǎng)，自由墜落的樣品會(huì)碰到管壁的概率加大，回收樣品的成功率降低。
[0010](4)長(zhǎng)落管設(shè)備龐大，操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有超高真空落管無(wú)容器處理技術(shù)中長(zhǎng)落管存在的上述缺陷，提出了一種靜電懸浮配合短落管的微重力環(huán)境下的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置及方法，此裝置包括一個(gè)靜電懸浮控制及釋放裝置，可控制材料樣品凝固后進(jìn)入短落管，避免了短落管中材料樣品難以完全凝固的缺陷。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置，包括:真空容器1、靜電懸浮控制及釋放裝置2、加熱器3、測(cè)溫儀4、短落管5、回收托盤(pán)6和相機(jī)7 ;所述真空容器I為一個(gè)真空的封閉容器；所述靜電懸浮控制及釋放裝置2位于真空容器I內(nèi)的頂部，用于控制材料樣品處于懸浮狀態(tài)或下落狀態(tài)；材料樣品通過(guò)短落管5落入回收托盤(pán)6，所述回收托盤(pán)6位于真空容器I的底部，用于回收凝固后的材料樣品；所述加熱器3、測(cè)溫儀4位于真空容器I外，所述加熱器3用于加熱樣品到熔化狀態(tài)；所述測(cè)溫儀4用于測(cè)量材料樣品的溫度；與所述靜電懸浮控制及釋放裝置2通過(guò)信號(hào)線相連；。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述靜電懸浮控制及釋放裝置2包括電極8、位置探測(cè)器9、反饋控制器10、高壓放大器11和釋放部件12 ;其特征在于，所述位置探測(cè)器9、反饋控制器10、高壓放大器11和電極8依次相連，用于測(cè)量和調(diào)節(jié)材料樣品的位置；所述位置探測(cè)器9為位置敏感檢測(cè)器或圖像傳感器；所述測(cè)溫儀4與反饋控制器10相連；所述釋放部件12為抽拉的電極，用于使材料樣品落入所述短落管5中。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述加熱器3為半導(dǎo)體激光加熱器、CO2激光加熱器、氙燈光源或電子束加熱器。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述測(cè)溫儀4為單波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀、雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀、熱成像儀、熱電偶或熱電阻。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述短落管5的材質(zhì)為石英玻璃或不銹鋼；所述短落管的長(zhǎng)度范圍為0.5m_5m。
[0017]上述技術(shù)方案中，所述回收托盤(pán)6上有一個(gè)金屬的緩沖網(wǎng)，用于緩沖材料樣品落入托盤(pán)的沖力。
[0018]基于上述模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置，本發(fā)明提供了一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的方法；具體包括如下步驟:
[0019]步驟I)打開(kāi)電極8，使材料樣品懸浮于預(yù)定懸浮位置；打開(kāi)測(cè)溫儀，測(cè)量材料樣品的溫度；
[0020]步驟2)打開(kāi)所述加熱器3，將材料樣品加熱到熔化狀態(tài)；在此過(guò)程中，所述位置探測(cè)器9持續(xù)測(cè)量材料樣品的位置，所述反饋控制器10將位置數(shù)據(jù)傳輸出到高壓放大器11 ;當(dāng)材料樣品的位置偏離預(yù)定懸浮位置時(shí)，所述高壓放大器11改變作用在材料樣品上的電場(chǎng)力，以此調(diào)節(jié)材料樣品位置，使材料樣品保持在預(yù)定懸浮位置；
[0021]步驟3)關(guān)閉所述加熱器3對(duì)材料樣品進(jìn)行降溫處理；
[0022]步驟4)所述測(cè)溫儀4將材料樣品的溫度傳入所述反饋控制器10，當(dāng)材料樣品溫度到達(dá)凝固溫度臨界值時(shí)，所述反饋控制器10發(fā)出指令關(guān)閉電極8，材料樣品在重力作用下落入所述短落管5 ;
[0023]步驟5)材料樣品在所述短落管5中自由下落，并在微重力條件下完全凝固，落入所述回收托盤(pán)6;
[0024]步驟6)所述相機(jī)7跟蹤觀察材料樣品。
[0025]上述技術(shù)方案中，在所述步驟I)之前，還包括:獲取材料樣品的凝固溫度臨界值，具體步驟為:
[0026]步驟101)所述加熱器3加熱材料樣品到熔化狀態(tài)后，關(guān)閉加熱器3直至材料樣品完全凝固，在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)測(cè)溫儀4記錄材料樣品的溫度數(shù)據(jù)；并對(duì)記錄的溫度數(shù)據(jù)繪制時(shí)間-溫度曲線圖；
[0027]步驟102)將步驟101)反復(fù)進(jìn)行N次后，得到N個(gè)時(shí)間-溫度曲線圖；
[0028]步驟103)通過(guò)N個(gè)時(shí)間-溫度曲線圖，計(jì)算材料樣品的凝固溫度臨界值。
[0029]上述技術(shù)方案中，所述步驟103)的具體過(guò)程為:
[0030]設(shè)材料樣品溫度降到凝固狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)為h，材料樣品從重力狀態(tài)進(jìn)入微重力狀態(tài)的穩(wěn)定時(shí)間為At，則所述靜電懸浮控制及釋放裝置2發(fā)出釋放指令的時(shí)間點(diǎn)為、-△ t ;從N個(gè)時(shí)間-溫度曲線圖中獲取At時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的N個(gè)溫度值，并將這N個(gè)溫度值進(jìn)行平均，平均值為材料樣品的凝固溫度臨界值。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0032]1、本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，制作成本低；
[0033]2、在本發(fā)明的裝置進(jìn)行材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)，回收樣品成功率高；
[0034]3、在本發(fā)明的裝置進(jìn)行材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)，樣品在回收前已經(jīng)凝固，而且樣品落管中的下落時(shí)間短，回收樣品過(guò)程不易對(duì)樣品造成損傷；
[0035]4、本發(fā)明的裝置可廣泛應(yīng)用于空間材料科學(xué)研宄領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為本發(fā)明的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明的靜電懸浮控制及釋放裝置內(nèi)部部件連接關(guān)系示意圖；
[0038]圖3為液態(tài)樣品鋯的凝固過(guò)程溫度曲線。
[0039]【附圖說(shuō)明】:
[0040]1、真空容器 2、靜電懸浮控制及釋放裝置 3、加熱器
[0041]4、測(cè)溫儀5、短落管6、回收托盤(pán)
[0042]7、相機(jī)8、電極9、位置探測(cè)器
[0043]10、反饋控制器 11、高壓放大器12、釋放部件
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0045]如圖1所示，一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置，包括:真空容器1、靜電懸浮控制及釋放裝置2、加熱器3、測(cè)溫儀4、短落管5、回收托盤(pán)6和相機(jī)7 ;所述真空容器I為一個(gè)真空的封閉容器；所述靜電懸浮控制及釋放裝置2位于真空容器I內(nèi)的頂部，用于控制材料樣品處于懸浮狀態(tài)或下落狀態(tài)；材料樣品通過(guò)短落管5落入回收托盤(pán)6，所述回收托盤(pán)6位于真空容器I的底部，用