一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法与流程

本发明涉及一种材料润湿装置，属于材料性能测试技术领域，主要涉及一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法。

背景技术：

润湿性不仅是评价钎焊焊点质量的关键因素，也是复合材料界面结合评定的关键指标。良好的润湿性是获得具有高可靠性钎焊焊点的前提，传统提高钎料的润湿性主要是通过外加钎剂的方法，利用钎剂的化学反应除去材料表面的氧化膜，从而达到降低材料表面张力的目的，但是钎剂具有腐蚀性，焊件在服役过程中焊接头的使用性能会大幅度降低；在复合材料方面，如要将增强相加入基体中，必须保证增强相和基体能够润湿，对于复合材料来说主要是利用合金元素在固液界面发生反应形成界面反应物来提高材料的润湿性。

除此之外也可利用外加辅助能量来提高材料的润湿性，目前应用较多的主要有超声波和静电场，有研究者在纳米ceo2p/zn-4.5%al-re-mg-ti复合材料的高能超声制备中发现，高能超声作用能够改善界面的润湿性，使纳米ceo2粒子能够进入到za熔体中，这是因为超声波振动辅助下会产生“声空化”作用和“声涡流”作用，可以破碎固体表面的氧化膜，提高液态金属润湿性；有研究表明在静电场作用下钎料润湿过程中，cu原子的扩散可使钎料铺展面积提高20%、润湿角减小20.4%，这是因为电场可以通过降低元素之间的扩散激活能、促进界面的空位扩散和元素之间的固溶等机制，促进了界面处各元素之间的扩散、界面结合层的形成，降低了界面张力，增强了界面附着功，从而改善了润湿性；也有人研究了凝固过程中外场对流动控制的研究，发现旋转磁场作用能显著提高合金的润湿性，而且能消除宏观偏析，碎断和细化枝晶；而对于外加磁场提高材料表面润湿性也有一定的报道，有研究发现在强磁场作用下富zn液相在fe-6.5wt％si双晶晶界（36.9^°和45^°晶界）与固/液界面相交处的晶界润湿行为特征如下：润湿角明显的减小，润湿性得到明显的提高。

以上方法都可以改善材料润湿性，但是只单独施加超声波辅助、静电场辅助或磁场辅助，都仅能在有限范围内提高润湿性，将超声振动-电场-磁场共同作用以期改善润湿性的研究或应用还未见报道。本发明的目的是提供一种能同时施加超声振动载荷、高压静电场以及可变磁场的提高材料润湿性的装置及方法，可用于研究在超声振动载荷-电场-磁场复合场作用下润湿性试验，有助于研究出提高材料润湿性的新技术、新工艺，对探寻和发展材料的制备技术都有十分重要的意义。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供的是一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法，解决了现有外加辅助设备施加方式单一、超声波施加方式存在功率损失大、单一辅助能改善试样润湿性作用不明显等问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法，包括以下步骤：

步骤一：将需要复合的试样a、试样b的表面分别用砂纸或磨削设备去掉毛刺，打磨光洁，然后将试样a、b放入超声波清洗机内，加酒精或丙酮进行清洗，清洗次数为3~5次，每次清洗时间为15~20min，清洗完毕去除试样表面的油污及氧化物杂质后，取出晾干后备用，同时将钎料c制成厚度为0.05~1mm的薄片，备用；

步骤二：打开真空炉炉门，将试样a和试样b叠放在上、下电极板之间的铜板上，并在试样a和试样b之间放置1片或多片钎料c，然后用挡块将铜板调整到合适位置并固定在绝缘润湿性工作台上，滑动横梁使其在导轨立柱上移动，调整横梁位置直至超声波振动子与试样相接触；

步骤三：关闭真空炉炉门，并对真空炉进行抽真空处理，待真空度达到8×10^-3~10×10^-3pa后，开启加热装置的电源，将真空炉以10~15℃/min的速率升温至所需钎焊温度；

步骤四：开启超声辅助装置、电场辅助装置、磁场辅助装置的电源，并设定超声频率为20~40khz、功率为0~1kw，电场强度为2~2.5kv/cm，磁场强度为0~1t，超声辅助作用时间达到40~45s时关闭超声辅助装置的电源，电场辅助作用时间达到60~65s时关闭电场辅助装置的电源，磁场辅助作用时间达到240~250s时关闭磁场辅助装置的电源；

步骤五：关闭真空泵阀门，并用放电棒将上电极板、下电极板以及高压电源内部的电荷释放完全，再以5~6℃/min的速率将真空炉降至室温，然后打开炉门，升起超声波变压杆，取出试样。

一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置，包括操作平台、放置在操作平台上的真空炉、位于操作平台一侧的高压电源控制箱和对试样施加辅助能量的超声辅助装置、电场辅助装置、磁场辅助装置，所述的真空炉上设有热电偶接口，热电偶从热电偶接口伸入真空炉内；

所述的超声辅助装置包括导轨立柱和固定在导轨立柱上且可在导轨立柱上滑动的横梁，在横梁上远离导轨立柱的一端连接有超声波发生装置，所述超声波发生装置包括实现从声能转换为机械能的超声波换能器、提供大功率高频交流电流并驱动超声波换能器工作的超声波发生器、将机械振动的质点位移或速度放大并把超声能量集中在较小面积上的超声波变压杆和将超声波变压杆上的能量传递到试样上的超声波振动子，所述超声波变压杆的一端与超声波换能器连接，另一端与伸进真空炉内的超声波振动子连接；

所述的电场辅助装置设在真空炉内且位于超声波振动子下方，包括电场电源、沿水平方向平行间隔设置的上电极板和下电极板，所述的上电极板和下电极板上还设有与真空炉外部的高压电源控制箱连接的电极引线，所述的电极引线外面套设有与真空炉炉壁绝缘的陶瓷套管，所述的上电极板通过绝缘陶瓷支柱支撑在绝缘平台上，所述的下电极板的下方设置有位于绝缘平台上的绝缘陶瓷板，上方设置有用于放置试样的绝缘润湿性工作台，所述的绝缘润湿性工作台的台面上设有用于放置润湿的钎料的铜板和用于固定铜板位置的挡块；

所述的磁场辅助装置设置在真空炉内，包括磁场电源线圈和磁场电源，所述的磁场电源线圈为两个，通过支架分别设在电场辅助装置的两侧，所述的磁场电源通过导线给磁场电源线圈输出交流电，并产生可变的磁场。

作为优选方案，所述的超声波发生装置还包括由钛合金制成的超声波聚能器，所述的超声波聚能器和超声波换能器形成组合体通过螺纹固定在超声波变压杆上。

作为优选方案，在所述的超声波变压杆指向真空炉的一端通过高温胶连接有一段绝缘陶瓷柱，所述的绝缘陶瓷柱通过金属波纹管和法兰固定在真空炉炉腔上。

作为优选方案，所述的超声振动子的一端通过螺纹与绝缘陶瓷柱连接，另一端与试样接触后传递超声负载。

作为优选方案，所述的超声波发生器的频率和功率为可调的，且功率为0～1000w，振动频率为20～40khz。

作为优选方案，所述的上电极板和下极板的间距为5～7mm，电场电源的电压为10kv～15kv。

作为优选方案，所述的上电极板和下电极板均为由304不锈钢制成的带有接线柱的圆形平板，所述的绝缘润湿性工作台、绝缘陶瓷板和绝缘平台均为由氮化硅陶瓷制成的圆形板，所述的绝缘陶瓷支柱由氮化硅陶瓷制成。

作为优选方案，所述磁场电源线圈的匝数为1000～1500匝，磁场电源的输出电压的范围为0～1500v，磁场强度为0～1t。

作为优选方案，所述的电场电源可以提供正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压，具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端。

本发明的有益效果是：

其一、本发明首次采用在多场辅助下提高材料的润湿性，同时申请人通过研究发现：超声辅助、电场辅助以及磁场辅助三者之间存在一定的配合关系，也就是说不同的辅助强度配合不同的作用时间起到的效果也是不同的，尤其当设置为超声频率为24~25khz、功率为0.8~1kw、作用时间为43~45s，电场强度为2.3~2.5kv/cm、作用时间为58~60s，磁场强度为0.6~0.8t、作用时间为240~245s时为最佳；

本方案使试样在超声波振动载荷、电场、磁场的共同辅助下进行润湿，克服了现有工艺润湿性差的缺陷，既满足了钎焊技术研究中少用、甚至不用钎剂的要求，又可用于研究不同材料在多场作用下的粘结复合过程，详细分析如下：如在钎焊过程中，其中超声波作为一种能量的载体，可以使铺展在母材表面的液态钎料在超声波作用下产生空化作用，空化泡爆破产生的局部高压破坏了钎料表面的氧化膜，使液态钎料与母材直接接触，形成润湿结合，同时超声波可以破碎较大的枝晶，使柱状晶向等轴晶发生转变，从而细化结合区的晶粒，改善接头组织并提高接头性能；而电场通过降低元素之间的扩散激活能、促进界面的空位扩散和元素之间的固溶机制，促进了界面处各元素之间的扩散、界面结合层的形成，降低了界面张力，增强了界面附着功；同时强磁场具有的强磁化效应可以作用到物质的原子和分子尺度，将高强度的能量传递到物质内部，改变原子的物理、化学状态，影响原子的排列、匹配和迁移等行为，可有效地控制合金的晶界偏聚并改善晶界脆性，提高材料冷却均匀性，减小母材和钎料之间的晶界宽度，提高晶界间的结合力；因此在超声、电场、磁场三种场的同时作用下，首先破坏了钎料表面的氧化膜，使钎料与母材可以直接结合，然后促进了结合界面处各元素之间的扩散、界面结合层的形成，降低了界面张力，同时细化了母材、钎料结合处的晶粒细度，对晶界进行重排，从而提高钎料了的润湿性、以及与母材的结合力，使钎焊的焊缝更加均匀，取得了仅使用超声、电场或磁场等单一场所达不到的效果，改善了传统钎焊工艺中存在的诸多问题；

其二、本发明所述的一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置，克服了已有外能辅助装置辅助方式单一、工作温度不高、装置绝缘性能不佳的问题，弥补了超声施加方式功率损失过大、电场种类及极性单一、外能辅助的耦合作用对钎焊过程影响不能研究、应用范围窄等不足，提供了加热温度范围可从室温到1000℃、电场强度在0-5kv/cm之间、超声波功率可达1000w、磁场强度范围在0-1t之间、真空度可达1×10^-3pa的装置；利用本装置不仅可以进行单一场，如电场、超声或磁场作用下试样润湿性的研究，也可进行多种辅助场，如超声-电场、超声-磁场、电场-磁场、超声-电场-磁场作用下试样润湿性的研究，使外加辅助场情况下试样的的润湿性研究进一步得到完善，有助于研究出提高材料润湿性的新技术、新工艺，对探寻和发展材料的制备技术都有十分重要的意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。

图1是的基于多场耦合下提高材料润湿性的装置的使用状态图；

图2是超声辅助装置的结构示意图；

图3是电场辅助装置的结构示意图；

图4是磁场辅助装置的结构示意图；

附图标记：1、实验平台，2、真空炉，3、绝缘平台，4、绝缘陶瓷板，5、下电极板，6、绝缘润湿性工作台，7、铜板，8、磁场电源线圈，9、超声波变压杆，10、超声波换能器，11、横梁，12、导轨立柱，13、挡块，14、上电极板，15、绝缘陶瓷支柱，16、热电偶，17、真空管道，18、电极引线，19、高压电源控制箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图、实施例对技术方案进行清楚、完整地描述。下面结合具体实施例详细描述本发明的方案：

本发明所述的一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法，包括以下步骤：

步骤一：将需要复合的试样a、试样b的表面分别用砂纸或磨削设备去掉毛刺，打磨光洁，然后将试样a、b放入超声波清洗机内，加酒精或丙酮进行清洗，清洗次数为3~5次，每次清洗时间为15~20min，清洗完毕去除试样表面的油污及氧化物杂质后，取出晾干后备用，同时将钎料c制成厚度为0.05~1mm的薄片，备用；

步骤二：打开真空炉炉门，将试样a和试样b叠放在上、下电极板之间的铜板上，并在试样a和试样b之间放置1片或多片钎料c，然后用挡块将铜板调整到合适位置并固定在绝缘润湿性工作台上，滑动横梁使其在导轨立柱上移动，调整横梁位置直至超声波振动子与试样相接触；

步骤三：关闭真空炉炉门，并对真空炉进行抽真空处理，待真空度达到8×10^-3~10×10^-3pa后，开启加热装置的电源，将真空炉以10~15℃/min的速率升温至所需钎焊温度；

步骤四：开启超声辅助装置、电场辅助装置、磁场辅助装置的电源，并设定超声频率为20~40khz、功率为0~1kw，电场强度为2~2.5kv/cm，磁场强度为0~1t，超声辅助作用时间达到40~45s时关闭超声辅助装置的电源，电场辅助作用时间达到60~65s时关闭电场辅助装置的电源，磁场辅助作用时间达到240~250s时关闭磁场辅助装置的电源；

步骤五：关闭真空泵阀门，并用放电棒将上电极板、下电极板以及高压电源内部的电荷释放完全，再以5~6℃/min的速率将真空炉降至室温，然后打开炉门，升起超声波变压杆，取出试样。

本发明的一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法中，其中步骤四中，还可以进行一种单一场（电场、超声或磁场）作用下的试样润湿性研究，如仅开启超声辅助装置的电源，并设定超声频率为20~40khz、功率为0~1kw，待超声辅助作用时间达到40~45s时关闭超声辅助装置的电源；如仅开启电场辅助装置的电源，并设定电场强度为2~2.5kv/cm，待电场辅助作用时间达到60~65s时关闭电场辅助装置的电源；如仅开启磁场辅助装置的电源，并设定磁场强度为0~1t，待磁场辅助作用时间达到240~250s时关闭磁场辅助装置的电源。

本发明的一种基于多场耦合下提高材料润湿性的方法中，其中步骤四中，还可进行两种辅助场（超声-电场、超声-磁场、电场-磁场）作用下的试样润湿性研究，如开启超声辅助装置、电场辅助装置的电源，并设定超声频率为20~40khz、功率为0~1kw，电场强度为2~2.5kv/cm，超声辅助作用时间达到40~45s时关闭超声辅助装置的电源，电场辅助作用时间达到60~65s时关闭电场辅助装置的电源；如开启超声辅助装置、磁场辅助装置的电源，并设定超声频率为20~40khz、功率为0~1kw，磁场强度为0~1t，超声辅助作用时间达到40~45s时关闭超声辅助装置的电源，磁场辅助作用时间达到240~250s时关闭磁场辅助装置的电源；如开启电场辅助装置、磁场辅助装置的电源，并设定电场强度为2~2.5kv/cm，磁场强度为0~1t，电场辅助作用时间达到60~65s时关闭电场辅助装置的电源，磁场辅助作用时间达到240~250s时关闭磁场辅助装置的电源。

如图所示，一种基于多场耦合下提高材料润湿性的装置及方法，包括操作平台1、放置在操作平台上的真空炉2、位于操作平台一侧的高压电源控制箱19和对试样施加辅助能量的超声辅助装置、电场辅助装置、磁场辅助装置，所述的真空炉2上分别设有热电偶接口和真空计接口，热电偶16从所述的热电偶接口伸入真空炉2内，真空管道17将真空计接口与真空炉2连接起来；

所述的超声辅助装置包括导轨立柱12和固定在导轨立柱上且可在导轨立柱上滑动的横梁11，在横梁上远离导轨立柱的一端连接有超声波发生装置，所述超声波发生装置包括实现从声能转换为机械能的超声波换能器10、提供大功率高频交流电流并驱动超声波换能器工作的超声波发生器、由钛合金制成的且与超声波换能器10形成组合体的超声波聚能器、将机械振动的质点位移或速度放大并把超声能量集中在较小面积上的超声波变压杆9和将超声波变压杆上的能量传递到试样上的超声波振动子，超声波变压杆9的一端通过螺纹与超声波换能器10连接，另一端通过高温胶连接有一段绝缘陶瓷柱，绝缘陶瓷柱通过金属波纹管和法兰固定在真空炉2的炉腔上，并与伸进真空炉内的超声波振动子螺纹连接，超声波发生器的频率和功率为可调的，且功率为0～1000w，振动频率为20～40khz，超声振动子与试样接触后可传递超声负载；

所述的电场辅助装置设在真空炉内且位于超声波振动子下方，包括电场电源、沿水平方向平行间隔设置的上电极板14和下电极板5，电场电源的电压为10kv～15kv，电场电源可以提供正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压，具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端，上电极板14和下电极板5均为由304不锈钢制成的带有接线柱的圆形平板，上下电极之间的间距为5～7mm，所述的上电极板14和下电极板5上还设有与真空炉2外部的高压电源控制箱19连接的电极引线18，所述的电极引线18外面套设有与真空炉炉壁绝缘的陶瓷套管，所述的上电极板14通过由氮化硅陶瓷制成的绝缘陶瓷支柱15支撑在由氮化硅陶瓷制成的圆形绝缘平台3上，所述的下电极板5的下方设置有位于绝缘平台3上的由氮化硅陶瓷制成的圆形绝缘陶瓷板4，上方设置有由氮化硅陶瓷制成的、用于放置试样的圆形绝缘润湿性工作台6，所述的绝缘润湿性工作台6的台面上设有用于放置润湿的钎料的铜板7和用于固定铜板位置的挡块13；

磁场辅助装置设置在真空炉内，包括磁场电源线圈8和磁场电源，磁场电源的输出电压的范围为0～1500v，磁场强度为0～1t，磁场电源线圈8为两个，匝数为1000～1500匝，通过支架分别设在电场辅助装置的两侧，磁场电源通过导线给磁场电源线圈8输出交流电，并产生可变的磁场。

在本发明的其它实施例中，上电极板与下电极板之间的间距可以为4~8cm。

在本发明的其它实施例中，真空炉中还可以采用其它的热源，如高频感应加热。

在本发明的其它实施例中，电场强度还可以为0~5kv/cm。

在本发明的其它实施例中，绝缘陶瓷支柱还可以用石英玻璃或氧化铝陶瓷制成，绝缘润湿性工作台和绝陶瓷板和绝缘平台还可以采用氧化铝陶瓷制成。

在本发明的其它实施例中，电场电源还可以选择其它的电压范围以及电场电源各输出端与相应的上电极板和下电极板的不同接法，例如上电极板、下电极板分别接负直流高压输出端、正直流高压输出端，输出电压范围为0~20kv；或者上电极板、下电极板分别接正直流高压输出端、负直流高压输出端，输出电压为0~20kv；或者上电极板、下电极板分别接正直流脉冲高压输出端、负直流高压输出端，输出电压为0~20kv；或者上电极板、下电极板分别接负直流高压输出端、正直流脉冲高压输出端，输出电压为0~20kv；或者上电极板、下电极板分别接接地端、负直流高压输出端，输出电压为0~10kv；或者上电极板、下电极板分别接接地端、交流高压输出端，输出电压为0~10kv；或者上电极板、下电极板分别接接地端、正直流高压输出端，输出电压范围为0~10kv；或者上电极板、下电极板分别接接地端、正直流脉冲高压输出端，输出电压为0~10kv；或者上电极板、下电极板分别接正直流高压输出端、接地端，输出电压为0~10kv；或者上电极板、下电极板分别接交流高压输出端、接地端，输出电压为0~10kv；或者上电极板、下电极板分别接正直流脉冲高压输出端、接地端，输出电压为0~10kv。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。