[发明专利]一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统

说明书

本发明公开了一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统，该控制系统控制熔融罐内的悬浮加热样品；所述控制系统包括：静电悬浮真空度控制子系统、静电悬浮位置控制子系统、静电悬浮温度控制子系统和高速成像子系统；这些子系统布设在熔融罐的周围；所述静电悬浮真空度控制子系统用于控制静电悬浮熔融罐内的真空度；所述静电悬浮位置控制子系统用于控制样品的位置及速度，使样品稳定悬浮；还用于采集样品的位置数据并进行上传；所述静电悬浮温度控制子系统用于控制加热激光器的功率，使样品温度值达到预期值，还用于采集样品的温度数据并进行上传；所述高速成像子系统用于采集静电悬浮样品的表面瞬态，并进行成像。

技术领域

本发明涉及智能仪器领域，具体地涉及一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统。

背景技术

在材料研究中，采用无容器技术开展材料科学实验的研究是获得先进材料的重要方式，它可以使材料在无器壁无干扰的状态下进行实验。因为没有容器壁引入杂质所造成的非均质形核，实验材料可以在比熔点低很多的温度下依然保持液态，此状态称作材料的深过冷状态。材料在深过冷状态下凝固，晶体的生长速度会随着过冷度的增加而提高，所得到的新材料往往具有常规材料所不具备的特殊理化性能。

目前，进行无容器材料实验的主要方法有三种：空间法、落管法和悬浮法。空间法，即利用地球轨道空间提供的微重力环境实现材料无容器实验；落管法，即让熔融材料在落管中做自由落体运动时完成凝固；悬浮法，即采用电磁、静电、气体、声波等外场方式实现材料悬浮。空间法是比较理想的实现无容器材料实验的方法，但其存在实验成本高昂、实验机会稀少、难以反复实验等不足，难以满足大量的材料科学实验需求。落管法虽然操作简单，可以排除重力引起的干扰，但是它在控制材料的降温速率、观察材料快速凝固过程方面无法实现。至此，悬浮法成为了人们在地面上广泛使用的实现无容器实验的方法，它的利用外力与重力保持平衡，让材料在悬浮无接触的状态下进行实验。

至今，进行无容器材料实验的悬浮法有：气悬浮、声悬浮、电磁悬浮和静电悬浮。气悬浮通过喷射高速气流来使样品悬浮，可以悬浮任何材料的样品，但是材料依然会与气体接触，气流也会给材料带来扰动，对于材料位置的精确控制很难做到。声悬浮利用声场中的高能驻波使样品悬浮在最小声压节点上。因为声音传播需要空气介质，声悬浮方法中样品会暴露在气体中，依旧会使样品引入杂质，同时声波造成的扰动也不能忽视。电磁悬浮通过交变磁场悬浮和加热样品，此方法可以在真空或者保护气体中完成实验，有效地避免了样品引入杂质的问题。但是，电磁悬浮方法只能适用于金属材料，而且其加热与悬浮存在耦合，因此该方法在无容器材料实验中依然存在不足。静电悬浮法通过一对平行电极板产生向上的电场，使表面带电荷的样品受到向上的电场力来平衡重力。静电悬浮法具有材料范围广、扰动小、可控制性、悬浮与加热独立等优点，是目前最理想的无容器材料实验方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术在无容器材料实验中的不足，从而研制设计了一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统，适用于多数材料、无扰动、可控制性的无容器材料实验。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统，该控制系统控制熔融罐内的悬浮加热样品，完成无容器高温熔体实验；所述控制系统包括：静电悬浮真空度控制子系统、静电悬浮位置控制子系统、静电悬浮温度控制子系统和高速成像子系统；这些子系统布设在熔融罐的周围；

所述静电悬浮真空度控制子系统，用于控制静电悬浮熔融罐内的真空度，使实验在无干扰无扰动的环境中进行；

所述静电悬浮位置控制子系统，用于控制样品的位置及速度，使样品稳定悬浮；还用于采集样品的位置数据并进行上传；

所述静电悬浮温度控制子系统，用于控制加热激光器的功率，使样品温度值达到预期值，还用于采集样品的温度数据并进行上传；

所述高速成像子系统，用于采集静电悬浮样品的表面瞬态，并进行成像。