于回收凝固后的材料樣品;所述加熱器3、測(cè)溫儀4和相機(jī)7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。
[0046]如圖2所示,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。
[0047]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。
[0048]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。
[0049]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。
[0050]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。
[0051]所述相機(jī)7為高速相機(jī)或紅外相機(jī),用于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中跟蹤觀測(cè)材料樣品。
[0052]此外,所述裝置還包括電荷補(bǔ)充光源,用于補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料樣品表面丟失的電荷。所述電荷補(bǔ)充光源為氘燈光源、氙燈光源、汞燈光源、紫外激光器或X光源。
[0053]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)明還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:
[0054]步驟I)打開(kāi)電極8,使材料樣品懸浮于預(yù)定懸浮位置;開(kāi)啟測(cè)溫儀4,測(cè)量材料樣品的溫度;
[0055]步驟2)開(kāi)啟所述加熱器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;
[0056]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;
[0057]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 ;
[0058]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;
[0059]步驟6)所述相機(jī)7跟蹤觀察材料樣品。
[0060]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:
[0061]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;
[0062]在本實(shí)施例中,以鋯球?yàn)椴牧蠘悠?,其凝固過(guò)程時(shí)間-溫度曲線如圖3所示。
[0063]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;
[0064]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。
[0065]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。
[0066]最后所應(yīng)說(shuō)明的是,以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置,包括:真空容器(I)、靜電懸浮控制及釋放裝置(2)、加熱器(3)、測(cè)溫儀(4)、短落管、回收托盤(pán)(6)和相機(jī)(7);其特征在于,所述真空容器(I)為一個(gè)真空的密閉容器;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)和相機(jī)(7)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置,其特征在于,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);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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置,其特征在于,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。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固的實(shí)驗(yàn)裝置,其特征在于,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。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置,其特征在于,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。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的裝置,其特征在于,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。
7.一種模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的方法,基于權(quán)利要求2-6之一所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固的實(shí)驗(yàn)的裝置實(shí)現(xiàn),所述方法包括如下步驟: 步驟I)打開(kāi)電極(8),使材料樣品懸浮于預(yù)定懸浮位置;開(kāi)啟測(cè)溫儀(4),測(cè)量材料樣品的溫度; 步驟2)開(kāi)啟所述加熱器(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; 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; 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); 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); 步驟6)所述相機(jī)7跟蹤觀察材料樣品。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的方法,其特征在于,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: 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; 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; 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。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模擬微重力環(huán)境的材料樣品凝固實(shí)驗(yàn)的方法,其特征在于,所述步驟103)的具體過(guò)程為: 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⑵發(fā)出釋放指令的時(shí)間點(diǎn)為At ;從N個(gè)時(shí)間-溫度曲線圖中獲取時(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。
【專(zhuān)利摘要】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(1)為一個(gè)真空的密閉容器;所述靜電懸浮控制及釋放裝置(2)位于真空容器(1)內(nèi)的頂部,用于控制材料樣品處于懸浮或下落狀態(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(1)的底部;所述加熱器(3)、測(cè)溫儀(4)和相機(jī)(7)位于真空容器(1)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。
【IPC分類(lèi)】G01N25-04, G01N25-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104569033
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510009614
【發(fā)明人】翟光杰, 王飛龍, 孫志斌, 代斌
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日