专利名称：一种多样品多功能材料科学实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及多样品多功能材料科学实验装置，该装置特别涉及一种多样品多功能材料科学实验装置。
背景技术：
目前的微重力材料科学实验实验装置功能非常单一，只能够进行样品生长试验， 一次最多能够加工6个样品。并且不具备振动、观察、旋转磁场、淬火等材料科学试验所需的功能。德国空间局曾研制出一种透明的空间材料实验设备，如附图1所示它用于TEXUS微重力火箭中的定向凝固实验，用来研究凝固过程中的柱状晶-等轴晶转变问题。该装置利用气凝胶对可见光和近红外透明的性能，可以在实验过程中实时观察凝固界面的位置，并可测量样品表面温度。但它的功能非常单一，只能够进行一支样品的定向凝固实验，不能更换样品。
发明内容
本发明的目的在于，为克服目前的微重力材料科学实验装置功能非常单一的问题，从而提供一种多样品多功能材料科学实验装置。为实现上述发明目的，本发明提出一种多样品多功能材料科学实验装置，该装置用于在批量样品的实验装置中完成对样品的多功能实验操作，其特征在于，所述的批量样品实验装置包括样品库、多维运动机构、加热炉；所述的多维运动机构包括手体垂直支架和水平丝杠，实现机械手的垂直和水平运动、样品库的前后运动、炉子的前后运动；所述的样品库和加热炉设置在同一垂直位置，该装置的上下两侧安装有两个样品库，加热炉设置在两个样品库之间，用于对样品进行加热；该装置还包括样品锁紧机构，包括同轴设置的锁紧螺芯、夹紧仓锁紧母和夹紧仓；所述的夹紧仓呈圆筒状，用于容纳样品安瓿；该夹紧仓的一端设有锁紧稍面；所述的锁紧螺芯包括两段内径不同的圆筒，其中，一段的内径和夹紧仓的内径相同，另一段的内径较大，其与样品安瓿之间形成空隙，用于容纳机械手；锁紧螺芯和夹紧仓之间使用可转动的固定连接；所述的夹紧仓锁紧母固定设置，套设于锁紧螺芯和夹紧仓的结合部，其一端的内部配合夹紧仓的锁紧稍面设置有斜面；所述的机械手包括 机械主手、机械副手、定位螺盖、缓冲弹簧和编码器；所述的机械主手，用于抓紧样品安瓿， 包括三个或以上的手指、同轴套设的主手手体和手体拉杆、拉紧器、外齿轮换位键；机械主手的手指上设有齿牙，用于与样品安瓿上的齿槽相配合，以传输样品安瓿的测量信号；所述的主手手体的前端部设有第一手指铆接位，用于可转动铆接手指的中部；所述的手体拉杆的前端还配合设有第二手指铆接位，用于可转动铆接手指的端部；所述的手体拉杆的中间主体呈多边形嵌套于主手手体内；所述的手体拉杆的后部套设固定有拉紧器，该拉紧器前端的外圆上有个环形滑槽，通过该环形滑槽配合主手手体内壁的弹簧滑道将拉紧器固定在主手手体的内腔上，其末端内壁设有内齿花键，用于啮合外齿轮换位键；所述的机械副手是一拨叉，用于带动锁紧机构，实现样品在料仓中的卡紧与松开，包括叉部和内齿花键部； 所述的叉部，穿设于主手手体上的圆弧形凹槽内，用于配合锁紧机构；所述的内齿花键部， 抵设于拉紧器和定位螺盖之间，其内齿花键配合外齿轮换位花键；其中，所述的多样品多功能材料科学实验装置还包含样品更换单元，用于采用不同形式的样品库是加工不同尺寸的样品；淬火单元，用于对所加工的样品快速致冷，淬火块在实验装置的左右两侧各有一个；样品加工单元，用于对样品进行生长操作；旋转磁场单元，用于对所加工的样品施加外部磁场作用，该旋转磁场设置在加热炉的外壁；观察单元，借助光源对所加工的样品进行实时观察；振动单元，用于利用机械手带动样品进行振动；物性检测单元，用于测量样品加工过程中电导率、赛贝克电压的变化；过程监视单元，用于监视样品的生长过程；控制单元，用于对整个系统的工作进行控制；和监控单元，用于在计算机上实现监控整个试验过程。上述技术方案，所述的旋转磁场的强度和频率能进行调整；所述的振动单元的振动频率、振幅和波形可调；所述的加热炉包括单温区炉、多温区炉或透明的可观察炉；所述的观察单元包含红外光观察单元、可见光观察单元、紫外光观察单元和X光观察单元。作为本发明的一个改进，所述的多样品多功能材料科学实验装置还包含遥操作模块，用于远程控制实验过程。本发明的目的是提供一种多样品多功能材料科学实验装置，利用它可以进行多种材料科学实验，并且特别适用于微重力条件下的材料科学实验。为实现上述目的，本发明提供了一种多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，整个系统由样品更换单元、淬火单元、炉体单元、样品加工单元、旋转磁场单元、观察单元、物性检测单元、振动单元、过程监视单元、控制单元和监控单元组成。可以一次连续进行上百个样品的试验。可对每一个样品设定独立的加工工艺过程，包括升温时间、设定温度、 保温时间、降温时间、控制参数(P、I、D参数)、生长速率、磁场旋转速度、磁场强度、振动曲线和振动过程的参数(波形、频率、幅度等)等工艺参数。具有遥操作功能，能够远程控制样品的加工过程，并可实时更改各种工艺参数。整个装置的体积和重量都很小，非常适合在有限体积和有限重量的条件下使用。装置工作时，机械手垂直运行到所要取出的样品处，然后再水平运动到所要取的样品位置。样品架向前到限位开关有效。机械手合闭，抓取样品，机械手顺时针旋转，将样品解锁。样品架运动到最底部，样品被取出来。机械手先垂直运行，再水平运行到中部，对准炉膛。炉子向前进，将样品插入炉膛中。开始对样品进行加热，此时也可对样品进行磁力搅拌，或施加振动。样品可有两种方式进行生长，一种是炉子向后移动，另一种是控制炉子中的温场移动。样品生长过程完成后，炉子快速退到后限位开关有效处。如果样品需要淬火，则淬火模块快速合拢过来，将样品抱住，使其快速降温。样品降温过程完成之后，淬火模块退向两边。机械手先垂直后水平运行到该样品的料舱处，对准料舱。样品架向前运行，样品架前限位开关有效时，样品被放入料舱之中。机械手逆时针旋转，将样品锁紧。控制器控制机械手抓取下一个样品。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，样品架可以灵活设计，可以设计成装载多达上百个较细样品安瓿的形式，也可以设计成在相同的体积内装载几十个较粗样品安瓿的形式。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，抓取和加工样品的方式。样品抓取是通过两维定位，第三维取出的方式进行的。而加工样品所用的炉子被巧妙地安排在两个样品架之间，这种结构样品存储、抓取和加工方式可以最大限度地利用有限的空间， 更多地放置样品。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，装置中设计了一个淬火模块。淬火模块用于将高温样品快速冷却。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，装置中设计了旋转磁场。旋转磁场用于在样品加工过程中，对样品进行磁力搅拌。磁场的强度和旋转频率可通过控制
器调节。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，装置中设计了振动机构。振动机构用于在样品加工过程中，对样品施加各种振动作用。振动的强弱、频率和波形可通过控制器调节。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，装置中设计了振动观察模块。观察模块用于在样品加工过程中，对样品加工过程中的形态进行观察，为材料研究提供直接的图像信息，并可从图像信息中获得材料加工过程中的温场分布。观察模块可使用多种光源，包括红外光、可见光、紫外光和X光等。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，装置为模块化的组合体。可根据所加工材料的要求，选择不同的模块组合。例如，炉子模块可有多种形式，包括单温区炉，多温区炉，透明炉。样品库也可以有多种，如果样品安瓿教细，则可以装载较多样品；如果样品安瓿教粗，则相同体积的样品库可以装载较少的大体积样品安瓿。观察模块也可有多种形式，例如红外光观察模块、可见光观察模块、紫外光观察模块和X光观察模块等。淬火也可以有多种形式，例如利用金属块直接抱住样品，或利用具有大热容量的材料吸收样品的热量，或直接向样品上吹液氮或其他冷气，或利用循环水对样品进行冷却。振动模块也有多种形式，包括对直接对样品施加径向和轴向振动，或者对样品施加旋转运动等。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，可对实验装置进行遥操作。 通过遥操作，可以实时更改样品的加工工艺，包括升温时间、设定温度、保温时间、降温时间、控制参数(P、I、D参数)、生长速率、磁场旋转速度、磁场强度、振动曲线和振动过程的参数(波形、频率、幅度等)等工艺参数，还可以加工指定的样品，即在样品架中所有的样品里选择一个样品进行加工。并且利用遥操作可以解决实验过程中出现的故障。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，该装置具有物性检测的功能。样品套内可进行温度测量，可精确给出样品上的温度分布。可根据实验要求，对样品坩埚结构进行特殊设计，可以提供如下信息(1)电阻率的变化；(2)冷却曲线(供差热分析)；C3)对实验进程加电脉冲进行标记等实时物性测量或控制。所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，可对实验装置的实验过程
6进行视频监视。在机构中安装有若干个视频摄像头，可实时监视从料舱中取出样品、加工样品、将样品送回料舱的整个过程。这样，当实验装置运行过程中发生故障时，可十分准确地掌握故障发生的情况，并快速找到故障发生的原因，迅速提出解决故障的方法，在最短的时间内解决故障，使实验装置恢复正常。本发明具有以下优点1.实验装置装载样品数量多可一次装载多达上百个样品，也就是说，可以一次进行上百个样品的实验。使用不同的样品库和相应的加热炉，可以加工粗细不同的样品2.实验装置功能多该装置同时具有材料样品生长、磁场搅拌、施加振动、淬火、实时观察、测量材料的物性参数、遥操作、实验过程监视等功能。它几乎包括了材料实验所需要的各种工艺条件。3.通用性强由于试样实验单元可以灵活配置，因此可以进行多种材料科学实验，包括 金属材料和合金材料 氧化物材料 多元新型材料 二元、三元半导体光电子材料眷半导体材料 非晶材料 新型单晶材料 纳米及复合材料 可进行材料物理与化学性能的研究 可进行材料的物性检测可用来研究材料科学中的下列问题 单晶生长 合金熔炼 定向凝固 快速冷却(金属玻璃) 凝聚态物理基础问题，如熔体扩散等 实验过程标记(Seebeck & Peltier效应)參 Ostwald 熟化 颗粒包陷 应力操纵 其他适合加工的材料5.实验装置结构简单它有若干个模块组合而成，可方便地拆卸、更换样品架、更换炉子、更换观察模块。 它特别适合于在有限重量、有限体积、有限功率的空间飞行器上进行空间材料科学实验。6.模块化的设计由于采用模块化的设计方法，因此可灵活配置各种模块。可根据需要增加或减少模块，也可配置相同功能的不同类型模块(例如配置不同的炉子、不同的观察模块、不同的淬火模块)，以适应材料试验的需要。
图1是目前德国ARTEX定向凝固实时观察炉系统示意图；图2是本发明多样品多功能材料科学实验装置的带有淬火单元的实验装置的顶视原理示意图；图3是本发明多样品多功能材料科学实验装置的带有淬火单元的实验装置的侧视原理示意图；图4是样品实验流程图；图5是可装载102个较细样品安瓿的样品库；图6是可装载30个较粗样品安瓿的样品库；图7是可进行物性测量的样品安瓿；图8是带有观察单元的实验装置；图9是配置成透明的可观察实验配置；图10是配置成带有旋转磁场的炉子；图11是本发明中的炉子模块和样品库模块的拆卸过程示意图。附图标志1、样品舱2、样品库4、加热炉 5、观察单元7、水平丝杠 8、透明的实验炉10、机械手 11、信号触点13、信号线
3、淬火模块 6、机械手垂直移动杆 9、旋转磁场模块 12、样品
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。如图2和图3所示，所述的多样品多功能材料科学实验装置，其样品库2分为上下两层，可以装载多达上百个样品。炉子4提供材料试验所需要的热环境。当样品在炉子4 中加热完，从炉子4中出来之后，淬火模块3立即合拢，将样品抱住，令其快速冷却。旋转磁场9可在样品加工过程中为样品提供磁场搅拌。振动单元为样品提供所需振动过程。如图2、图3和图5所示，多样品多功能材料科学实验装置由样品库2、炉子4、机械手10、机械手水平移动丝杠7、机械手垂直移动杆6、淬火模块3、观察单元5等部分构成。实验装置工作时，机械手10垂直运行到所要抓取的样品处，然后再水平块运动到所要取的样品位置。样品架向前到限位开关有效。机械手10合闭，抓取样品，机械手10顺时针旋转， 将样品与样品舱1之间解锁，样品架运动到最底部，样品被取出来。机械手10先垂直运行， 再水平运行到中部，对准炉膛4。炉子4向前进，将样品插入炉膛4中。开始对样品进行加热，此时也可对样品进行磁力搅拌，或施加振动。样品可有两种方式进行生长，一种是炉子向后移动，另一种是控制炉子中的温场移动。样品生长过程完成后，炉子快速退到后限位开关有效处。如果样品需要淬火，则淬火模块3快速合拢过来，将样品抱住，使其快速降温。样品降温过程完成之后，淬火模块3退向两边。机械手10先垂直后水平运行到该样品的料舱处，对准料舱。样品架向前运行，样品架前限位开关有效时，样品被放入料舱之中。机械手逆时针方向旋转，将样品锁紧。控制器控制机械手抓取下一个样品。实验装置可根据需要配置成不同的用途，例如可配置成透明的可观察样品实验过程的实验装置8 ；可配置成具有旋转磁场9的实验装置；可配置成具有淬火功能的实验装置；可配置成具有振动功能的实验装置；也可配置成具有一般功能的样品实验装置。实验装置中炉子模块和样品库模块的拆卸过程如图11所示。首先卸下后面板，然后卸下炉子4模块，或卸下样品库2模块。卸下之后，可重新装上新的炉子4模块，或新的样品库2模块。其样品实验流程图如图4所示。可装载102个样品安瓿的样品架示意图如图5所示。可装载30个样品安瓿的样品架示意图如图6所示。可进行物性测量的样品安瓿的示意图如图7所示。配置成带有观察模块的实验装置和配置成透明的可观察实验装置如图8和图9所
7J\ ο带有旋转磁场的炉子如图10所示。需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
权利要求
1.一种多样品多功能材料科学实验装置，该装置用在批量样品实验装置中完成对样品的多功能实验操作，其特征在于，所述的批量样品实验装置包括样品库、多维运动机构、加热炉；所述的多维运动机构包括手体垂直支架和水平丝杠，实现机械手的垂直和水平运动、 样品库的前后运动、炉子的前后运动；所述的样品库和加热炉设置在同一垂直位置，该装置的上下两侧安装有两个样品库， 加热炉设置在两个样品库之间，用于对样品进行加热；该装置还包括样品锁紧机构，包括同轴设置的锁紧螺芯、夹紧仓锁紧母和夹紧仓；所述的夹紧仓呈圆筒状，用于容纳样品安瓿；该夹紧仓的一端设有锁紧稍面；所述的锁紧螺芯包括两段内径不同的圆筒，其中，一段的内径和夹紧仓的内径相同，另一段的内径较大，其与样品安瓿之间形成空隙，用于容纳机械手；锁紧螺芯和夹紧仓之间使用可转动的固定连接；所述的夹紧仓锁紧母固定设置，套设于锁紧螺芯和夹紧仓的结合部，其一端的内部配合夹紧仓的锁紧稍面设置有斜面；所述的机械手包括机械主手、机械副手、定位螺盖、缓冲弹簧和编码器；所述的机械主手，用于抓紧样品安瓿，包括三个或以上的手指、同轴套设的主手手体和手体拉杆、拉紧器、外齿轮换位键；机械主手的手指上设有齿牙，用于与样品安瓿上的齿槽相配合，以传输样品安瓿的测量信号；所述的主手手体的前端部设有第一手指铆接位，用于可转动铆接手指的中部；所述的手体拉杆的前端还配合设有第二手指铆接位，用于可转动铆接手指的端部；所述的手体拉杆的中间主体呈多边形嵌套于主手手体内；所述的手体拉杆的后部套设固定有拉紧器，该拉紧器前端的外圆上有个环形滑槽，通过该环形滑槽配合主手手体内壁的弹簧滑道将拉紧器固定在主手手体的内腔上，其末端内壁设有内齿花键，用于啮合外齿轮换位键；所述的机械副手是一拨叉，用于带动锁紧机构，实现样品在料仓中的卡紧与松开，包括叉部和内齿花键部；所述的叉部，穿设于主手手体上的圆弧形凹槽内，用于配合锁紧机构；所述的内齿花键部，抵设于拉紧器和定位螺盖之间，其内齿花键配合外齿轮换位花键；其中，所述的多样品多功能材料科学实验装置还包含样品更换单元，用于采用不同形式的样品库是加工不同尺寸的样品；淬火单元，用于对所加工的样品快速致冷，淬火块在实验装置的左右两侧各有一个；样品加工单元，用于对样品进行生长操作；旋转磁场单元，用于对所加工的样品施加外部磁场作用，该旋转磁场设置在加热炉的外壁；观察单元，借助光源对所加工的样品进行实时观察； 振动单元，用于利用机械手带动样品进行振动；物性检测单元，用于测量样品加工过程中电导率、赛贝克电压电压的变化； 过程监视单元，用于监视样品的生长过程； 控制单元，用于对整个系统的工作进行控制；和监控单元，用于在计算机上实现监控整个试验过程。
2.根据权利要求1所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，所述的旋转磁场的强度和频率能进行调整。
3.根据权利要求1所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，所述的观察光源采用可见光、红外光、紫外光或X光。
4.根据权利要求1所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，所述的振动单元的振动频率、振幅和波形可调。
5.根据权利要求1所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，所述的加热炉包括单温区炉、多温区炉或透明的可观察炉。
6.根据权利要求1所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，所述的观察单元包含红外光观察单元、可见光观察单元、紫外光观察单元和X光观察单元。
7.根据权利要求1所述的多样品多功能材料科学实验装置，其特征在于，所述的多样品多功能材料科学实验装置还包含遥操作模块，用于远程控制实验过程。
全文摘要
本发明提出一种多样品多功能材料科学实验装置，该装置在批量样品实验装置中完成对样品的多功能实验操作，其特征在于，所述的装置包括样品库、多维运动机构、加热炉；所述装置还包含样品更换单元，用于采用不同形式的样品库是加工不同尺寸的样品；淬火单元、样品加工单元、旋转磁场单元，该旋转磁场设置在加热炉的外壁；观察单元，借助光源对所加工的样品进行实时观察；振动单元，用于利用机械手带动样品进行振动；物性检测单元，用于测量样品加工过程中电导率、赛贝克电压的变化；过程监视单元，用于监视样品的生长过程；控制单元，用于对整个系统的工作进行控制；和监控单元，用于在计算机上实现监控整个试验过程。
文档编号G01N35/00GK102486900SQ20101057740
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者于强 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心