[發明專利]利用液滴冷卻實現微量材料高速降溫的裝置及方法

在審

• 申請號: 201711077303.3
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107884259A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 周東山;朱逸夫;姜菁;羅少川;克里斯托弗·西克;薛奇;王曉亮;陳葳;江偉;季青
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N1/42
• 分類號: G01N1/42;G01N25/12
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 楊曉莉

技術領域

本發明涉及材料微結構的獲得與分析技術領域，具體是一種利用液滴冷卻實現高速降溫的裝置及方法。

背景技術

工業上常以高于1000K/s的降溫速率將樣品從熔體淬冷為固體(例如注塑、吹膜等)，在這樣一個復雜的過程中可以形成具有不同程度有序結構以及重組結構的材料，包括一些高分子、金屬、共混物以及合金等。而最近快速發展的添加劑技術以及3D打印技術中也涉及到少量熔體快速冷卻的過程，因此以實驗方法模擬工業快速冷卻，了解微量材料(從納克到幾十微克)的淬冷過程是非常重要的，這可以幫助我們了解在工業上涉及的快速冷卻過程中材料內具體發生了什么，從而可以更好的指導未來的工業生產。

金屬和高分子都是非常重要的材料，都需要傳統手段無法達到的降溫速率。通過減少樣品尺寸，使用氣體冷卻，可以實現可控的高速降溫。超快掃描量熱儀 (FSC)便是這樣一種在高速升降溫過程中觀測材料的杰出技術手段。它不僅可以制備具有精確熱歷史的樣品，同時可以在很高的掃描速率下對其進行分析，通過超高速掃描(通常是100000K/s以上)，捕獲微小樣品在不同溫度或時間時的結構快照。但是FSC的快速掃描也具有其局限性，特別是對樣品質量的要求以及當樣品溫度達到周圍環境溫度時對掃描速率的影響。

由于氣體具有極佳的導熱系數和熱容，熱慣性較低，當樣品需要快速從加熱切換到冷卻時，使用空氣冷卻是非常有效的。但是，同樣也是因為這些氣體性質，當樣品與氣體之間的溫差趨近于零時，降溫效率會非常明顯的受到限制。實際上， FSC使用的傳感器只有在溫度高于氣體溫度500K時才能夠實現10⁶K/s的降溫速率，當溫度高于爐溫100K時只能達到1000K/s，而高于爐溫50K時則只能達到100K/s。當溫度達到特定值以下后降溫速率急劇下降，這種現象被稱作彈道冷卻(如圖1所示)，尤其對于質量較大的樣品，彈道冷卻的影響尤其明顯。如果以氦氣代替空氣則可以明顯減少彈道冷卻，或者可以通過降低氣體溫度從而在特定的溫度避免彈道冷卻，比如說在液氮冷卻的空氣或氦氣中進行實驗。但這種方法也不是總是可行的，會受到實驗平臺和測試條件的影響。

發明內容

發明目的：針對現有技術中的上述缺陷，本申請提供了一種以液體降溫代替氣體降溫、達到更高降溫速率的高速降溫裝置，并提供了利用該裝置實現高速降溫的方法。

技術方案：本發明所述的一種利用液滴冷卻實現微量材料高速降溫的裝置，包括：注射器，與注射驅動器相連接，用于滴加揮發性冷卻液體；置于注射器正下方的溫度傳感器，包括熱電堆冷端和熱端，內置有加熱電阻器，表面附有氮化硅薄膜，微量材料即置于氮化硅薄膜上；數據采集器，用于采集溫度傳感器的熱電堆信號和加熱電阻器信號；氣體吹掃設備；控制中心，所述注射器、溫度傳感器、數據采集器以及氣體吹掃設備均與控制中心相連接。

其中，所述裝置需要通過注射驅動器和注射器控制冷卻液滴的大小和流速，確保冷卻液滴首先接觸樣品的表面而不是傳感器的薄膜，在這種情況下冷卻效率最高。

用于注射液滴的注射器可以是任何一種可以使液體形成穩定細流或者液滴的裝置，例如醫用注射器和普通PE滴管均可以。也可以是其他注射裝置，比如微流控裝置等。需要注意的是，液滴的直徑需要大于樣品的直徑，液滴的直徑越大，冷卻的效率越高。一般情況下，直徑大約2mm的液滴即可實現高速降溫。

進一步的，所述冷卻液體為具有一定揮發性的液體，在樣品冷卻之后可通過干燥的氣流吹掃，在環境溫度下去除冷卻用液滴且不改變樣品的熱歷史。由于萊頓弗洛斯特效應，液體揮發太快會導致其在熱的傳感器上沸騰，從而影響降溫的效率，甚至中斷冷卻；另外當傳感器測試面積不同時冷卻液滴的沸騰情況也不同，因此需要根據不同面積的傳感器選擇不同性質的冷卻液體。

優選的，所述冷卻液體為冷乙醇，溫度范圍是-50℃到0℃。優選-20℃。

任何不溶解或者不吸收冷卻液體的樣品均可以使用于該裝置，根據所使用溫度傳感器的加熱面積，樣品的直徑可從幾微米到幾百微米不等。

所述溫度傳感器為任何目前可用的商用真空規薄膜傳感器(XENSOR.NL)，例如XI394，XI395和XI400等。進一步的，本申請中采用的所述XI394測量區域為8×6μm²、XI395測量區域為60×60μm²、XI400測量區域直徑為500μm。