[發(fā)明專利]微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置及觀測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910207956.1
• 申請日: 2019-03-19
• 公開（公告）號: CN110031501B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設計）人: 孫東科;王學舟;倪中華;毛士麟
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N25/02
• 分類號: G01N25/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王美章

1.一種微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于，包括超聲懸浮系統(tǒng)，用于將液態(tài)金屬樣品懸浮于空中，包括：

支撐底座，所述支撐底座的上部與一透明罩體密封連接，透明罩體內部為一密閉的空腔；超聲波換能器，固定設置在所述透明罩體的內部上方，超聲波換能器下端通過變幅桿與聲發(fā)射端連接；

聲反射端，通過可升降機構設置在透明罩體內部位于所述聲發(fā)射端的正下方；

超聲波發(fā)生器，設置在透明罩體外部，超聲波發(fā)生器的信號輸入端通過線路與超聲波換能器的信號接收端連接；

液態(tài)金屬，懸浮放置在透明罩體內位于所述聲發(fā)射端和聲反射端之間；

聲場可視化系統(tǒng)，設置在透明罩體外部，用于對所產生的聲駐波場進行顯示、以及對微重力狀態(tài)下液態(tài)金屬冷卻過程中的聲駐波場變化進行實時觀測，包括：

光源、前凸透鏡、后凸透鏡、刀口、觀測相機，其中，所述光源、前凸透鏡放置在透明罩體外部一側，所述光源放置在前凸透鏡的第一焦點處；所述后凸透鏡、刀口、觀測相機依次放置在透明罩體外部另一側，所述刀口放置在后凸透鏡的第二焦點處，所述前凸透鏡第一焦點處的光源出射光，通過前凸透鏡后轉變?yōu)槠叫泄猓┻^透明聲場，通過后凸透鏡的第二焦點處被刀口切割，最后在觀測相機中成像；

冷卻機構，設置在透明罩體內底部，用于對所述液態(tài)金屬進行冷卻；

所述聲場可視化系統(tǒng)用于快速找到駐點位置，同時對冷卻過程中的聲駐波場變化進行實時觀測，準確調整聲反射端位置，保證液態(tài)金屬樣品處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。

2.根據權利要求1所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于，所述可升降機構為電動調節(jié)支座。

3.根據權利要求2所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于：所述電動調節(jié)支座通過放置在支撐底座中的步進電機及單片機控制。

4.根據權利要求1所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于，所述冷卻機構為設置在所述透明罩體內位于支撐底座上呈環(huán)形固定的冷卻銅管，冷卻銅管內設有經過液氮冷卻的氣態(tài)氮流。

5.根據權利要求1所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于，所述聲反射端表面為平面或者凹球形面。

6.根據權利要求1所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于：所述透明罩體的透明光學材料為光學石英玻璃，所述透明罩體與所述支撐底座之間采用增強柔性墊密封。

7.根據權利要求1所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置，其特征在于：所述超聲波換能器通過支撐桿與支撐底座固定連接，所述支撐桿為中空柱體，所述超聲波換能器的輸入走線通過支撐桿連接到所述支撐底座，并在密閉空腔外部與超聲波發(fā)生器連接。

8.一種基于權利要求1~7中任一所述的微重力狀態(tài)下的液態(tài)金屬凝固原位觀察裝置的觀測方法，其特征在于，

首先，開啟聲場可視化系統(tǒng)，打開超聲波發(fā)生器，調節(jié)發(fā)生器的輸出功率和頻率，根據聲場可視化系統(tǒng)中觀測相機實時得到的圖像，調節(jié)聲發(fā)射端與聲反射端之間距離到諧振距離，根據可視化的聲場在懸浮節(jié)點處添加液態(tài)金屬樣品；

然后，打開冷卻機構進行冷卻；

在此過程中，根據觀測相機得到的聲場圖像，通過可升降機構實時調節(jié)聲反射端高度，以保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)；與此同時，觀測相機記錄微重力狀態(tài)下液態(tài)金屬的凝固過程；

最后，將凝固后的樣品取出剖開，用金相顯微鏡進行觀察和分析。