于回收凝固后的材料样品；所述加热器3、测温仪4和相机7位于真空容器I外，所述加热器3用于加热样品到熔化状态；所述测温仪4用于测量材料样品的温度，与所述静电悬浮控制及释放装置2通过信号线相连。
[0046]如图2所示，所述静电悬浮控制及释放装置2包括电极8、位置探测器9、反馈控制器10、高压放大器11和释放部件12 ;其特征在于，所述位置探测器9、反馈控制器10、高压放大器11和电极8依次相连，用于测量和调节材料样品的位置；所述位置探测器9为位置敏感检测器或图像传感器；所述测温仪4与反馈控制器10相连；所述释放部件12为抽拉的电极，用于使材料样品落入所述短落管5中。
[0047]所述加热器3为半导体激光加热器、CO2激光加热器、氙灯光源或电子束加热器。
[0048]所述测温仪4为单波长红外测温仪、双波长红外测温仪、热成像仪、热电偶或热电阻。
[0049]所述短落管5的材质为石英玻璃或不锈钢；所述短落管的长度范围为0.5m_5m。
[0050]所述回收托盘6上有一个金属的缓冲网，用于缓冲材料样品落入托盘的冲力。
[0051]所述相机7为高速相机或红外相机，用于在实验过程中跟踪观测材料样品。
[0052]此外，所述装置还包括电荷补充光源，用于补充实验过程中材料样品表面丢失的电荷。所述电荷补充光源为氘灯光源、氙灯光源、汞灯光源、紫外激光器或X光源。
[0053]基于上述模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，本发明还提供了一种模拟微重力环境的材料样品凝固实验的方法；具体包括如下步骤:
[0054]步骤I)打开电极8，使材料样品悬浮于预定悬浮位置；开启测温仪4，测量材料样品的温度；
[0055]步骤2)开启所述加热器3，将材料样品加热到熔化状态；在此过程中，所述位置探测器9持续测量材料样品的位置，所述反馈控制器10将位置数据传输出到高压放大器11 ;当材料样品的位置偏离预定悬浮位置时，所述高压放大器11改变作用在材料样品上的电场力，以此调节材料样品位置，使材料样品保持在预定悬浮位置；
[0056]步骤3)关闭所述加热器3对材料样品进行降温处理；
[0057]步骤4)所述测温仪4将材料样品的温度传入所述反馈控制器10，当材料样品温度到达凝固温度临界值时，所述反馈控制器10发出指令关闭电极8，材料样品在重力作用下落入所述短落管5 ;
[0058]步骤5)材料样品在所述短落管5中自由下落，并在微重力条件下完全凝固，落入所述回收托盘6;
[0059]步骤6)所述相机7跟踪观察材料样品。
[0060]在所述步骤I)之前，还包括:获取材料样品的凝固温度临界值，具体步骤为:
[0061]步骤101)所述加热器3加热材料样品到熔化状态后，关闭加热器3直至材料样品完全凝固，在这个过程中通过测温仪4记录材料样品的温度数据；并对记录的温度数据绘制时间-温度曲线图；
[0062]在本实施例中，以锆球为材料样品，其凝固过程时间-温度曲线如图3所示。
[0063]步骤102)将步骤101)反复进行N次后，得到N个时间-温度曲线图；
[0064]步骤103)通过N个时间-温度曲线图，计算材料样品的凝固温度临界值。
[0065]设材料样品温度降到凝固状态的时间点为h，材料样品从重力状态进入微重力状态的稳定时间为At，则所述静电悬浮控制及释放装置2发出释放指令的时间点为、-△ t ;从N个时间-温度曲线图中获取At时间点对应的N个温度值，并将这N个温度值进行平均，平均值为材料样品的凝固温度临界值。
[0066]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，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当中。
【主权项】
1.一种模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，包括:真空容器(I)、静电悬浮控制及释放装置(2)、加热器(3)、测温仪(4)、短落管、回收托盘(6)和相机(7);其特征在于，所述真空容器(I)为一个真空的密闭容器；所述静电悬浮控制及释放装置(2)位于真空容器(I)内的顶部，用于控制材料样品处于悬浮状态或下落状态；材料样品通过短落管(5)落入回收托盘(6)，所述回收托盘(6)位于真空容器(I)的底部，用于回收凝固后的材料样品；所述加热器(3)、测温仪(4)和相机(7)位于真空容器(I)外，所述加热器(3)用于加热样品到熔化状态；所述测温仪(4)用于测量材料样品的温度；与所述静电悬浮控制及释放装置(2)通过信号线相连。
2.根据权利要求1所述的模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，其特征在于，所述静电悬浮控制及释放装置(2)包括电极(8)、位置探测器(9)、反馈控制器(10)、高压放大器(11)和释放部件(12);所述位置探测器(9)、反馈控制器(10)、高压放大器(11)和电极(8)依次相连，用于测量和调节材料样品的位置；所述位置探测器(9)为位置敏感检测器或图像传感器；所述测温仪(4)与反馈控制器(10)相连；所述释放部件(12)为抽拉的电极，用于使材料样品落入所述短落管(5)中。
3.根据权利要求2所述的模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，其特征在于，所述加热器(3)为半导体激光加热器、CO2激光加热器、氙灯光源或电子束加热器。
4.根据权利要求2所述的模拟微重力环境的材料样品凝固的实验装置，其特征在于，所述测温仪(4)为单波长红外测温仪、双波长红外测温仪、热成像仪、热电偶或热电阻。
5.根据权利要求2所述的模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，其特征在于，所述短落管(5)的材质为石英玻璃或不锈钢；所述短落管的长度范围为0.5m-5m。
6.根据权利要求2所述的模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，其特征在于，所述回收托盘(6)上有一个金属的缓冲网，用于缓冲材料样品落入托盘的冲力。
7.一种模拟微重力环境的材料样品凝固实验的方法，基于权利要求2-6之一所述的模拟微重力环境的材料样品凝固的实验的装置实现，所述方法包括如下步骤: 步骤I)打开电极(8)，使材料样品悬浮于预定悬浮位置；开启测温仪(4)，测量材料样品的温度； 步骤2)开启所述加热器(3)，将材料样品加热到熔化状态；在此过程中，所述位置探测器(9)持续测量材料样品的位置，所述反馈控制器(10)将位置数据传输出到高压放大器(11);当材料样品的位置偏离预定悬浮位置时，所述高压放大器(11)改变作用在材料样品上的电场力，以此调节材料样品位置，使材料样品保持在预定悬浮位置； 步骤3)关闭所述加热器(3)对材料样品进行降温处理； 步骤4)所述测温仪(4)将材料样品的温度传入所述反馈控制器(10)，当材料样品温度到达凝固温度临界值时，所述反馈控制器(10)发出指令关闭电极(8)，材料样品在重力作用下落入所述短落管(5); 步骤5)材料样品在所述短落管(5)中自由下落，并在微重力条件下完全凝固，落入所述回收托盘(6); 步骤6)所述相机7跟踪观察材料样品。
8.根据权利要求7所述的模拟微重力环境的材料样品凝固实验的方法，其特征在于，在所述步骤I)之前，还包括:获取材料样品的凝固温度临界值，具体步骤为: 步骤101)所述加热器(3)加热材料样品到熔化状态后，关闭加热器(3)直至材料样品完全凝固，在这个过程中通过测温仪(4)记录材料样品的温度数据，并对记录的温度数据绘制时间-温度曲线图； 步骤102)将步骤101)反复进行N次后，得到N个时间-温度曲线图； 步骤103)通过N个时间-温度曲线图，计算材料样品的凝固温度临界值。
9.根据权利要求8所述的模拟微重力环境的材料样品凝固实验的方法，其特征在于，所述步骤103)的具体过程为: 设材料样品温度降到凝固状态的时间点为h，材料样品从重力状态进入微重力状态的稳定时间为At，则所述静电悬浮控制及释放装置⑵发出释放指令的时间点为At ;从N个时间-温度曲线图中获取时间点对应的N个温度值，并将这N个温度值进行平均，平均值为材料样品的凝固温度临界值。
【专利摘要】本发明提供了一种模拟微重力环境的材料样品凝固实验的装置，包括：真空容器(1)、静电悬浮控制及释放装置(2)、加热器(3)、测温仪(4)、短落管(5)、回收托盘(6)和相机(7)；所述真空容器(1)为一个真空的密闭容器；所述静电悬浮控制及释放装置(2)位于真空容器(1)内的顶部，用于控制材料样品处于悬浮或下落状态；材料样品通过短落管(5)落入回收托盘(6)，所述回收托盘(6)位于真空容器(1)的底部；所述加热器(3)、测温仪(4)和相机(7)位于真空容器(1)外，所述加热器(3)用于加热样品到熔化状态；所述测温仪(4)用于测量材料样品的温度；与所述静电悬浮控制及释放装置(2)通过信号线相连。
【IPC分类】G01N25-04, G01N25-02
【公开号】CN104569033
【申请号】CN201510009614
【发明人】翟光杰, 王飞龙, 孙志斌, 代斌
【申请人】中国科学院空间科学与应用研究中心
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月8日