[发明专利]一种金属液滴的微重力凝固装置

说明书

一种金属液滴的微重力凝固装置，管体的上端为样品安装段，下端的管内安放有液淬收集器。样品置于位于样品安装段的试管内的底部。在管体上套装有加热线圈，并且该加热线圈位于试管的下端，使样品位于该加热线圈轴向高度的中部。试管通过气体流量控制器与实验气氛源连通。真空泵和实验气氛源均通过气路控制端分别与样品安装段和试管连通。试管底端中心有通孔，用于样品融化后分散成不同直径的液滴，并使液滴通过管体自由下落至位于管体下端的液淬收集器内。本发明采取微重力与液淬作用集成的快速凝固技术，将金属液滴在管体中自由下落和后续的液淬急冷相结合，从而实现在较短的管体内实现大尺寸毫米级金属液滴在微重力作用下的快速凝固。

技术领域

本发明属于空间材料领域，涉及一种在微重力条件下实现快速金属液滴凝固的装置。

背景技术

近代科学在高速摄影、衍射分析、大型计算机等技术上的高速发展，为凝固领域研究的不断深入创造了条件。其研究方向已经从最初的稳定态常规凝固扩展至亚稳态和非稳态超常凝固，快速凝固就是典型的超常凝固，即采用高冷速或大过冷的方法来实现相变的快速进行，一般晶体生长速率大于1cm/s。同时，航天技术的迅猛发展实现了人类飞向宇宙空间的梦想。以微重力、无容器状态、超高真空和强辐射为主要特征的空间环境引起了人们的广泛关注。在空间环境下晶体的形核、生长、组织形态和溶质分布将出现新的规律，这些对于开发高性能的新型材料具有重要意义。由此开展的科学研究促进了空间科学与材料凝固领域的融合和交叉。

由于空间实验需要利用空间站、航天飞机及探索火箭等手段，实验成本昂贵且重复性差，研究者们发展了各种空间环境地面模拟技术，即无容器处理技术。无容器处理技术通过模拟空间环境中的无容器和/或微重力状态，避免因器壁与材料接触产生的异质形核，从而实现大体积材料样品的深过冷和快速凝固。无容器处理技术主要包括液滴乳化技术、熔融玻璃净化技术、微重力快速凝固技术和各种悬浮无容器处理技术。微重力快速凝固技术通过提供空间环境中的微重力环境从而使合金液滴处于无容器状态，使其在具有一定高度的落管管体中自由下落以完成快速凝固过程。该技术可以有效避免因器壁与材料接触产生的异质形核实现材料样品的深过冷和快速凝固，从而改善材料的各项应用性能。

现有的微重力快速凝固方法主要通过落管来实现。落管按其长度可以分为长落管(管体长度l10m)和短落管(l10m)。专利CN203649403U(名称：“一种真空落管金属-合金球形颗粒制备设备”)提出了一种用于冶金材料制备的落管装置，其目的在于将不规则金属颗粒重熔后在落管中下落获得规则球状金属颗粒，在该装置中如果想要获得毫米级金属颗粒仍需要增大落管的长度。专利CN104569033A(名称：“一种模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置及方法”)采取静电悬浮结合短落管方法设计了一种材料样品凝固实验装置。采用该方法，首先静电悬浮实验对材料样品尺寸有严格要求，其次短落管长度是针对微米级小尺寸液滴的快速凝固，并且一次实验只能实现一个液滴的悬浮和凝固。同族专利US6235109B1(名称：“Method of preparing crystalline or amorphose material frommelt”)、JP3087964B1和JP2001089292A公开了一种在微重力环境中制取最佳直径尺寸为2-10mm的金属晶体或非晶的方法。由于管体长度的限制，这种方法对于2mm直径的Cu-In合金而言，在自由下落后只能通过撞击底部的冷却介质从而快速凝固形成薄片。同族专利US2006070652A1(名称：“Drop tube type granular crystal producing device”)、AU2002255348A1、EP1510602A1、WO03095719A1、JPWO2003095719A1和AU2002255348B8中发明了一种管体长度为5-8m的落管装置，用于制备球状无机晶体材料，发明人在该装置中设计了冷却气流以提高大液滴在管体中的冷却速率从而使其在自由下落的微重力条件下快速凝固，但是必须满足冷却气流速率与液滴下落速率一致的要求才能达到微重力效果。由于不同尺寸的液滴在管体中的下落速率不同，控制冷却气流速率与液滴下落速率的同步性操作起来比较困难。