[发明专利]一种气悬浮加热装置

说明书

本发明公开了一种气悬浮加热装置，其特征在于，包括气流系统、喷嘴、以及用于加热的激光器；所述气流系统，与喷嘴连接，用于输送悬浮用气流；所述喷嘴，用于喷出气体，悬浮物料；所述激光器用于对物料进行加热；所述喷嘴包括竖直方向上相对设置的上腔体和下腔体，所述上腔体为底面朝上的锥形腔体，其锥角在80°至100°之间；所述下腔体为底面朝下的锥形腔体，其锥角在60°至120°之间；所述上腔体与所述下腔体之间通过缢缩颈部相连。本发明提供的气悬浮加热装置，悬浮稳定性好，能有效避免样品与容器壁接触，从而制备较大直径的物料，且产品质量稳定重复性好，满足工业化生产的要求。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，更具体地，涉及一种气悬浮加热装置。

背景技术

熔体的凝固过程一直是材料科学与工程领域内最具研究价值的方向之一。一般而言，材料在熔化之后需要在一定的过冷度下才能进行凝固，发生固-液相变。在对材料常规的热处理过程中，过冷熔体自身热力学的不稳定性使得它极易受与之接触的容器壁诱导作用而发生快速的异质形核过程，而掩盖了熔体本征动力学特性的发挥，因而无法对材料的凝固过程进行有效调控。

无容器技术起源于地面对微重力环境的需求，逐步发展了包括电磁悬浮、声悬浮、光悬浮、静电悬浮、气悬浮、落管(落塔)实验等技术。利用无容器技术，可以实现在熔体凝固过程中样品与容器的分离，大大降低容器诱导熔体异质成核的影响，对熔体凝固过程的本征特性进行直接研究和调控，因而在研究和开发新型功能材料方面有着十分重要的意义。对于现有的无容器技术而言，电磁悬浮的加热和悬浮不能独立进行；光悬浮和声悬浮的悬浮力较弱，悬浮稳定性受温度影响较大；静电悬浮需要复杂的反馈系统才能实现稳定悬浮；落管(落塔)实验中，样品悬浮时间短，不可调控，加热也受到很大限制。气悬浮利用气流压力来平衡样品重力而实现无容器状态，悬浮和加热过程可以独立控制，几乎可以对所有材料进行悬浮和加热凝固，因而是调控熔体凝固过程来开发新型功能材料的理想无容器技术。

专利US 5215688公布了一种呈凹形分布的多气管气悬浮装置，控制径向气管流量大小，实现样品稳定悬浮。专利US 6967011公开了一种利用倒锥形喷嘴及单一CO₂激光器为加热源来实现样品悬浮加热的装置，实现了最高熔点约为2000℃Fe₂B的悬浮凝固。国内无容器技术以电磁悬浮、磁悬浮、落管法、超声悬浮为主，而对于气悬浮的专利较少，目前发展的气悬浮无容器装置还存在以下的缺点：

①样品在悬浮熔融凝固过程中容易与容器壁接触，悬浮稳定性差，使得无容器状态受到破坏，无容器优势无法得到体现。样品主要依靠在重力方向上的气流压力来平衡重力，控制手段有限，如果样品偏离平衡位置，其他方向上没有力来使样品恢复到平衡位置，而与容器壁发生接触，无法稳定悬浮。

②样品加热和冷却速度手动控制，气悬浮受温度波动影响，稳定性差，同时温度波动影响直接导致所制备样品的重复一致性差。由于熔体的加热冷却速度会严重影响材料组织的种类和分布，进而影响所制备材料性能的发挥，不能满足工业应用对材料重复一致性的要求。

③由于悬浮稳定性差，因此目前气悬浮能制备的材料体积非常有限，通常在直径3mm以下，满足不了工业应用的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气悬浮加热装置，其目的在于通过对气悬浮加热装置的喷嘴结构优化设计，改进喷嘴产生的流动气体，从而增强气悬浮稳定性，控制物料不与容器壁接触，提高适用的物料的量，达到工业化应用的要求，由此解决现有技术悬浮稳定性差、一致性不佳、制备材料体积有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种气悬浮加热装置，包括气流系统、喷嘴、以及用于加热的激光器；

所述气流系统，与喷嘴连接，用于输送悬浮用气流；所述喷嘴，用于喷出气体，悬浮物料；所述激光器用于对物料进行加热；