称性，各个分体具有相同的尺寸和形状，与整体样品台相比，大大降低了模型的复杂程度和利用次数，各个分体受损后可以单独更换，任意搭配使用，降低了高温样品台制备成本；
[0035]垫片和主体支架组合后形成的间隙、内嵌凹槽结构能够极大减小结构内部热应力，防止因高温度梯度形成裂纹甚至碎裂；
[0036]定位隔热托盘有凹槽结构，主体支架嵌入凹槽内部，用于定位，同时保证0.5mm至Imm的间隙，消除热膨胀相互挤压引起的热应力；留有间隙的原因在于防止主体支架嵌入托盘后，在高温使用过程中由于主体支架受热膨胀对底部托盘凹槽产生挤压作用，提供膨胀空间；间隙太大则无法起到凹槽限位的作用。
[0037]经过高温试验测试表明，分体式支架和分体式垫片方式可以满足2200°C重复高温实验，试验期间未发现热应力导致的裂纹，结构保持良好的完整性。
[0038]实验前将附图1中的主体支架4组合嵌入底部定位隔热托盘7中，使得四个支架能够在底部托盘的定位作用下组成圆锥结构，将ZrO2垫片2组合放置在支架4组合体的上方，调整垫片位置，保证垫片中心孔与形成的圆锥顶部中心孔圆心在同一条轴线上，最后将被加热的超高温材料试样放置在垫片中心，即可开启激光器对试样进行加热。
[0039]激光对材料进行加热时，加热激光直接作用于试样I的下表面，试样I温度急剧上升，通过接触热传导和辐射对垫片2进行加热，同时高温试样通过辐射加热支架组合体4和底部定位隔热托盘6 ;此外，垫片2温度急剧上升，通过接触传热对支架组合体4进行传导加热。
[0040]分体式垫片2与试样I直接接触，既能够隔离主体支架4和试样I的直接接触而受到热传导，缓解主体支架4的热梯度，又因为垫片2本身的分体结构，保证垫片内的热应力能够通过间隙3最大限度的消除，防止垫片由于快速升温，热应力集中而碎裂。
[0041]支架组合体4同样采用分离式结构，有效消除了顶部高温区热应力集中，同时组合体形成的凹槽结构有利于高温向环境中福射散热，且有助于调节试样位置或调节激光光斑的实验观察，通过垫片2的隔热作用，支架4的温度和热梯度都得到有效缓解。
[0042]底部定位隔热托盘6加工有凹槽，结构便于支架组合体4的定位，托盘6同样采用ZrO2材料，能够防止支架4的底面与冷壁直接接触，减小支架纵向的热梯度，同样起到缓解热应力作用，定位隔热托盘与主体支架间接触间隙7表示凹槽与支架组合体的间隙配合，该设计主要是为了留出接触间隙以消除热膨胀带来的挤压作用。
[0043]具体实施例1:
[0044]半导体激光器加载功率800W，测试样品为ZrB2-SiC超高温陶瓷材料，尺寸Φ 12mmX 2mm,实验重复次数10次，单次加热时间30min，加热环境为真空Ar保护环境。
[0045]本实例中利用半导体激光器对Φ 12mmX 2mm的ZrB2-SiC超高温陶瓷试样进行加热，激光输出功率达到800W，高温计测量获得的试样上表面温度约为1800°C，目标温度维持30min，待稳定时间达到后关闭激光器，试样和高温样品台在空气中自然冷却。试样和样品台冷却至室温后，再次开启激光器使用相同功率加热试样至目标温度，如此反复加热10次。
[0046]经过10次高温加载后，样品台的垫片和支架结构都保持完好。该实验实例表明本发明的高温样品台可满足1800 0C温度范围高温材料的多次长时稳定承载。
[0047]具体实施例2:
[0048]半导体激光器加载功率950W，测试样品为石墨材料，尺寸Φ 12mmX2mm，实验重复次数10次，单次加热时间30min，加热环境为真空Ar保护环境。
[0049]本实例中利用半导体激光器对Φ 12mmX2mm的石墨试样进行加热，激光输出功率达到950W时，高温计测量获得的试样上表面温度达到2000°C，目标温度维持30min，待试样和样品台冷却至室温后，再次开启激光器使用相同功率加热试样至目标温度，如此反复加热10次。
[0050]经过10次2000°C的高温加载后，样品台的垫片和支架结构都保持完好。该实验实例表明本发明的高温样品台可在20000C温度范围可以实现对高温材料的多次长时稳定承载。
[0051]具体实施例3:
[0052]半导体激光器加载功率1400W，测试样品为ZrB2-SiC超高温陶瓷材料，尺寸为Φ 12mmX 2mm,试样表面温度达到2200°C，实验重复次数10次，单次加热时间30min，加热环境为真空Ar保护环境。
[0053]试验过程中，经过5次2200°C的高温加载后，样品台的垫片由于多次承受较高的温度产生了很大的热应力，5次加热试验后垫片受热碎裂，但支架结构都保持完好；更换垫片后对托架继续进行了 5次220(TC高温加载，5次加热试验后垫片出现裂纹，但支架结构仍然保持结构完整。该实验表明本发明的高温样品台在2200°C温度下，垫片在多次使用后会发生热裂，需要更换。由于垫片的隔热作用，使得支架承受的温度大大降低，支架在垫片的隔热保护下实现多次使用后结构依然完整。因此，在使用本文设计的高温样品台承载2200°C的高温试样时，仅需要通过更换垫片即可保持主要的支架结构的长时稳定使用，而垫片加工成本较低，与频繁更换整体的高温样品台相比，大大降低了样品台多次使用的实验成本。
[0054]
[0055]虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的【具体实施方式】，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。
【主权项】
1.一种适用于大功率激光加热的超高温样品台，其特征在于: 所述样品台包括垫片、主体支架和定位隔热托盘； 所述垫片为分体式结构，由至少两片相同尺寸和形状的圆环片组成，所述圆环片拼接成为一个圆环片之间留有间隙的完整的圆环形状； 所述主体支架为分体式结构，由至少两个相同尺寸和形状的变截面锥体组成，所述变截面锥体拼接成一个变截面锥体之间留有间隙的完整的圆环结构； 所述定位隔热托盘为圆环型一体结构，并具有用于主体支架定位的内嵌凹槽。2.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述垫片、主体支架和定位隔热托盘是由ZrO2M料模压制备。3.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述垫片由4片1/4圆环片组成。4.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述变截面锥体为30°至60°弧形角。5.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述主体支架由4个变截面锥体组成。6.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述主体支架由30°弧形角的变截面锥体组成。7.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述变截面锥体间的间隙为拼接后自然形成的接触缝隙。8.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述圆环片间的间隙是指拼接组合后自然形成的接触缝隙。9.如权利要求1所述的样品台，其特征在于:所述主体支架嵌入所述定位隔热托盘内嵌凹槽后留有0.5至Imm接触间隙。10.一种如权利要求1所述的样品台的使用方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一，将变截面锥体嵌入定位隔热托盘中，使得变截面锥体能够在定位隔热托盘的定位作用下组成圆锥结构； 步骤二，将圆环片组合放置在主体支架的上方，调整圆环片位置，使得圆环片能够组成圆环形状的垫片，保证垫片中心孔与形成的圆锥结构顶部中心孔圆心在同一条轴线上；步骤三，将被加热的超高温材料试样放置在垫片中心； 步骤四，开启激光器对试样进行加热。
【专利摘要】本发明涉及一种适用于大功率激光加热的超高温样品台，包括垫片、主体支架和定位隔热托盘。其中，垫片和主体支架采用分体式结构，实现了超高温材料的稳定承载，保证了样品台在多次、长时间加热条件下的结构稳定性，无需多次试验频繁更换，大大降低了使用成本，增加了样品台使用的稳定性。
【IPC分类】G01N3/60, G01N25/00
【公开号】CN105067656
【申请号】CN201510475157
【发明人】金华, 曾庆轩, 孟松鹤, 卓立军, 秦丽媛
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月6日