[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無(wú)容器實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010054115.4
• 申請(qǐng)日: 2020-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111257314A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于強(qiáng);翟光杰;孫志斌;鄭福;陸瀟曉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/84
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/84;G01B11/24
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 楊青;陳琳琳

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無(wú)容器實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)控制熔融罐內(nèi)的懸浮加熱樣品；所述控制系統(tǒng)包括：靜電懸浮真空度控制子系統(tǒng)、靜電懸浮位置控制子系統(tǒng)、靜電懸浮溫度控制子系統(tǒng)和高速成像子系統(tǒng)；這些子系統(tǒng)布設(shè)在熔融罐的周?chē)凰鲮o電懸浮真空度控制子系統(tǒng)用于控制靜電懸浮熔融罐內(nèi)的真空度；所述靜電懸浮位置控制子系統(tǒng)用于控制樣品的位置及速度，使樣品穩(wěn)定懸浮；還用于采集樣品的位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行上傳；所述靜電懸浮溫度控制子系統(tǒng)用于控制加熱激光器的功率，使樣品溫度值達(dá)到預(yù)期值，還用于采集樣品的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行上傳；所述高速成像子系統(tǒng)用于采集靜電懸浮樣品的表面瞬態(tài)，并進(jìn)行成像。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能儀器領(lǐng)域，具體地涉及一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無(wú)容器實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在材料研究中，采用無(wú)容器技術(shù)開(kāi)展材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究是獲得先進(jìn)材料的重要方式，它可以使材料在無(wú)器壁無(wú)干擾的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?yàn)闆](méi)有容器壁引入雜質(zhì)所造成的非均質(zhì)形核，實(shí)驗(yàn)材料可以在比熔點(diǎn)低很多的溫度下依然保持液態(tài)，此狀態(tài)稱(chēng)作材料的深過(guò)冷狀態(tài)。材料在深過(guò)冷狀態(tài)下凝固，晶體的生長(zhǎng)速度會(huì)隨著過(guò)冷度的增加而提高，所得到的新材料往往具有常規(guī)材料所不具備的特殊理化性能。

目前，進(jìn)行無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)的主要方法有三種：空間法、落管法和懸浮法。空間法，即利用地球軌道空間提供的微重力環(huán)境實(shí)現(xiàn)材料無(wú)容器實(shí)驗(yàn)；落管法，即讓熔融材料在落管中做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)完成凝固；懸浮法，即采用電磁、靜電、氣體、聲波等外場(chǎng)方式實(shí)現(xiàn)材料懸浮。空間法是比較理想的實(shí)現(xiàn)無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)的方法，但其存在實(shí)驗(yàn)成本高昂、實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)稀少、難以反復(fù)實(shí)驗(yàn)等不足，難以滿足大量的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。落管法雖然操作簡(jiǎn)單，可以排除重力引起的干擾，但是它在控制材料的降溫速率、觀察材料快速凝固過(guò)程方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)。至此，懸浮法成為了人們?cè)诘孛嫔蠌V泛使用的實(shí)現(xiàn)無(wú)容器實(shí)驗(yàn)的方法，它的利用外力與重力保持平衡，讓材料在懸浮無(wú)接觸的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

至今，進(jìn)行無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)的懸浮法有：氣懸浮、聲懸浮、電磁懸浮和靜電懸浮。氣懸浮通過(guò)噴射高速氣流來(lái)使樣品懸浮，可以懸浮任何材料的樣品，但是材料依然會(huì)與氣體接觸，氣流也會(huì)給材料帶來(lái)擾動(dòng)，對(duì)于材料位置的精確控制很難做到。聲懸浮利用聲場(chǎng)中的高能駐波使樣品懸浮在最小聲壓節(jié)點(diǎn)上。因?yàn)槁曇魝鞑バ枰諝饨橘|(zhì)，聲懸浮方法中樣品會(huì)暴露在氣體中，依舊會(huì)使樣品引入雜質(zhì)，同時(shí)聲波造成的擾動(dòng)也不能忽視。電磁懸浮通過(guò)交變磁場(chǎng)懸浮和加熱樣品，此方法可以在真空或者保護(hù)氣體中完成實(shí)驗(yàn)，有效地避免了樣品引入雜質(zhì)的問(wèn)題。但是，電磁懸浮方法只能適用于金屬材料，而且其加熱與懸浮存在耦合，因此該方法在無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)中依然存在不足。靜電懸浮法通過(guò)一對(duì)平行電極板產(chǎn)生向上的電場(chǎng)，使表面帶電荷的樣品受到向上的電場(chǎng)力來(lái)平衡重力。靜電懸浮法具有材料范圍廣、擾動(dòng)小、可控制性、懸浮與加熱獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)，是目前最理想的無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的技術(shù)在無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)中的不足，從而研制設(shè)計(jì)了一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無(wú)容器實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，適用于多數(shù)材料、無(wú)擾動(dòng)、可控制性的無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無(wú)容器實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)控制熔融罐內(nèi)的懸浮加熱樣品，完成無(wú)容器高溫熔體實(shí)驗(yàn)；所述控制系統(tǒng)包括：靜電懸浮真空度控制子系統(tǒng)、靜電懸浮位置控制子系統(tǒng)、靜電懸浮溫度控制子系統(tǒng)和高速成像子系統(tǒng)；這些子系統(tǒng)布設(shè)在熔融罐的周?chē)?/p>

所述靜電懸浮真空度控制子系統(tǒng)，用于控制靜電懸浮熔融罐內(nèi)的真空度，使實(shí)驗(yàn)在無(wú)干擾無(wú)擾動(dòng)的環(huán)境中進(jìn)行；

所述靜電懸浮位置控制子系統(tǒng)，用于控制樣品的位置及速度，使樣品穩(wěn)定懸浮；還用于采集樣品的位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行上傳；

所述靜電懸浮溫度控制子系統(tǒng)，用于控制加熱激光器的功率，使樣品溫度值達(dá)到預(yù)期值，還用于采集樣品的溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行上傳；

所述高速成像子系統(tǒng)，用于采集靜電懸浮樣品的表面瞬態(tài)，并進(jìn)行成像。