[发明专利]一种超声波在线表征结晶动力学过程的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料测试领域，特别是一种超声波在线表征材料结晶动力学过程的方法和装置。

背景技术

一些材料在降温过程是过冷液体，通过局部有序化形成结晶结构。该过程是一种热动力学过程，材料组成、温度、压力和介质等条件对晶体结构、结晶速度和结晶度有影响，准确把握该影响规律可有效调控制品微观结构及其性能。

结晶过程中材料的热容和比容（密度的倒数）等性能发生变化，监测其变化即可表征结晶动力学过程。动态扫描量热仪(DSC)等可用于表征材料冷却过程中热容变化，被广泛用于表征结晶过程，但必须针对确定小质量试样，难以直接用于制品冷却定型过程，即测试是离线进行的。常规DSC是常压下进行，新近出现的高压DSC在变压过程难于稳定，且也是针对确定质量试样测试，不便用于在线表征。 

另一方面，进行PVT（压力-体积-温度）装置可测试结晶过程中比容变化反映结晶的动态特性。实际上，常规PVT测试必须针对封闭体积内确定量材料进行，难于真正实现在线表征。本专利申请人提出了利用超声波在线表征聚合物比容的方法（见专利“一种在线测试熔融指数的方法和装置”，申请号201310304246.3）。这样，本专利提出：在建立了超声波声速与比容的定量关系后，可进一步对冷却制品进行超声波无损监测，在线表征材料结晶动力学过程。相对DSC测试，超声波表征法可针对非固定质量样品，如连续生产过程或大型制品，容易实现高压测试和快速变压、变温瞬态测试。

为原位监测制品结晶历程，本发明提出在生产线或成型模具料腔安装超声波系统，通过监测材料冷却过程中超声波传递特性（如声速或衰减系数），在线表征结晶过程的方法和装置。高频率超声波几乎是无损的机械波，用其在线测试具有信号反馈灵敏、检测信息丰富及操作安装方便等优点。

发明内容

为了克服现有技术不在线的不足，本发明的目的在于提供一种利用超声波在线表征材料结晶动力学过程的测试方法和装置。

先建立材料中传递超声波声速曲线和其比容曲线的对应关系，分析获得声速-比容定量关系。为此，在PVT测试装置的密闭料腔安装温度、压力传感器和超声波探头，在测试冷却过程材料比容的同时，同步测试其中传递的超声波声速，获得比容和声速对温度或时间的曲线。需要说明的是，PVT测试中同步超声波测试可采用透射模式或反射模式；为保证测试精度，被测对象应为料腔中材料，压力传感器和超声波探头应与材料直接接触，温度传感器前段尽可能接近被测材料。一些压力传感器与温度传感器为一体，这时不需要单独安装温度传感器，更方便使用。

下图1提出一种PVT-超声波同步测试装置和方法进行说明，但本专利并不局限于此。料腔1被围于加热/冷却部件2内，通过热传导可准确调节被测材料3的温度；材料3被料腔1和可移动改变材料体积的柱塞4及通过螺纹连接密封的螺栓堵头5封闭；在料腔一截面内安装温度/压强传感器6、超声波发射探头7和超声波接受探头8（反射模式时仅一个探头进行发射和接受超声波），柱塞4的位置变化通过位移传感器9测试，柱塞4与直线移动驱动系统10连接而变化位置，该驱动系统10可用液压缸、气缸或丝杠驱动等机构形式。由柱塞4位置计算出被封闭材料的体积，与其质量比为比容；从传感器同步检测压强、温度和超声波声速。对材料从高温冷却到结晶的全过程中，按一定间隔时间读取这些数据并记录，获得不同压强和温度下的比容曲线和超声波声速曲线。将同一温度或同一压力下的比容曲线和超声波声速曲线作在一张图内，得到其等温或等压曲线。由声速曲线拐点可确定结晶开始温度和结束温度，连接不同压力下结晶开始温度点和结束温度点形成两条线，由低温到高温可将材料所处的热力学状态定义为固态、结晶区和熔融态。这样，可分析结晶历程、温度和压强及其变化速率对结晶过程的影响规律；改变材料组成进行测试还可分析材料组成和结构对其结晶过程的影响。

一定压力和温度下确定状态材料的比容和一定频率超声波在其中传递速度是唯一的。将结晶过程超声波速度曲线与比容曲线进行对比，用同步的超声波速度对比容作图，拟合建立声速-比容定量关系。

进一步，应用现有结晶动力学理论和基于比容变化表征结晶过程的方法，将结晶动力学方程中结晶度用比容表达的形式转换为用超声波速度的形式，从而用超声波声速变化定量分析结晶度随冷却时间变化的动态过程，研究材料组成、温度和压强及介质对结晶度和结晶结构的影响规律。

需要说明的是，超声波声速-比容定量关系、结晶动力学方程及结晶度-比容定量关系可以考虑不同材料或工艺条件采取不同数学表达式。