[发明专利]微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法

说明书

本发明公开了一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法，装置包括超声悬浮系统和声场可视化系统；所述超声悬浮系统用于将液态金属样品悬浮于空中，所述声场可视化系统用于对所产生的声驻波场进行显示、以及对微重力状态下液态金属冷却过程中的声驻波场变化进行实时观测。本发明能够在微重力状态下对液态金属的凝固过程进行原位观察。

技术领域

本发明涉及一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法，属于材料无容器处理技术领域。

背景技术

本发明所研究的液态金属不同于传统的汞及碱金属材料，主要是指镓及其合金（如镓铟合金、镓铟锡合金等）以及铋基合金（如铋铟锡合金），是一类安全无毒的低熔点金属材料，熔点在室温附近。液态金属因为其不定型的液态形态而具有极佳的电性能和热力学性能，固有的高导热特性赋予了液态金属优异的对流换热能力，采用液态金属取代传统的以水为代表的冷却工质打破了传统冷却技术的能力极限。这一全新的高性能热管理材料引起了学术界和产业界的高度关注。

在地面实验室环境中，液态金属材料因其自身重力的作用，必须依靠外界提供的容器来维持其体积形状，然而与容器的接触又会不可避免地影响材料的某些性质和性能参数的测量。此外重力引起的自然对流还会对材料凝固过程中液固界面前沿的浓度场、温度场以及形核、生长和不同相的偏析产生重要影响，同时对研究者研究液态金属中被自然对流所掩盖的一些诸如表面毛细波、Marangoni对流等的动力学行为造成了一定的困难；而在空间环境中，由于微重力的特征，液态金属材料不存在静压力，因此材料的体积和形状只受到其表面张力的约束，在极小外力作用下即可自由悬浮，不需要与容器接触。此外悬浮状态可以避免在液态金属材料凝固过程中重力引起的各种微观对流现象对最终成型组织的影响，还可避免容器壁和杂质颗粒干扰引起的异质形核，从而得到在地面环境中无法获得的均匀凝固组织。

空间环境的应用依赖于空间技术的发展，尽管空间技术发展至今已经取得了极大的突破，为研究者提供了更多的在空间环境中进行科学实验的机会，但是由于实验成本昂贵、空间资源有限等原因，极大限制了研究者对于空间环境的利用。因此，研究者期望在地面环境中模拟空间环境“微重力、无容器、超高真空、高辐射”的特点，从而可以以较低的成本进行大量的空间材料科学实验。悬浮法就是其中一种在地面环境中模拟空间环境的方法。自悬浮法被提出以来，运用各种原理设计的悬浮技术开始出现并得到迅速的发展，其中一种就是超声悬浮技术，因其固有的一些特性得到了研究人员的广泛关注。

超声悬浮技术是在重力空间利用超声波特别是超声驻波产生的辐射压力平衡样品的重力，同时水平方向的定位力将样品固定在声压的波节处，从而使样品悬浮起来的一种无容器处理技术。它是高声强条件下的一种非线性现象，对悬浮样品没有电磁学性质方面的特殊要求，且不附加热效应，受到研究人员的青睐，因此运用超声悬浮技术在地面环境中对微重力状态下的液态金属凝固进行原位观察是一种非常有效的方法。

目前，研究人员已经运用超声悬浮技术对多种合金在微重力状态下的快速凝固进行观察，但都是将合金样品加热至熔点，等其自然凝固，还未见对常温下为液态的液态金属样品进行微重力悬浮状态下凝固的观察。此外在加载材料样品时通常凭经验预估声压波节的位置 ，时常发生样品未处于合适位置无法达到悬浮状态的问题，对操作者的实验要求较高。在加载液态金属样品时，超声场处于强谐振状态，较强的声辐射压使得样品在悬浮位置附近发生飞溅等问题，影响了实验的精度和效率。

发明内容

技术问题：为了在微重力状态下对液态金属的凝固过程进行原位观察。本发明提出了一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法，在微重力悬浮状态下对液态金属的凝固过程进行观察，其操作简单，并可解决现有超声悬浮装置样品加载精度和效率低的问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置，包括超声悬浮系统，用于将液态金属样品悬浮于空中，包括：