PS胶，调胶比 例为lmL液相约4. 5g固相，用于密封锆英粉与硅溶胶固化产生的气孔，在室温下进行固化 处理。
[0037] 将封装好的Mg_28wt. % Gd合金薄片放在定向凝固炉中加热熔化，温度梯度设为 6K/mm，保温30min后关闭加热电源，使定向凝固炉的上下炉以5K/s的冷却速率冷却，观察 Mg-28wt. % Gd合金薄片的凝固过程。图3为实施例2方法制备的Mg-28wt. % Gd合金薄片 凝固时的同步辐射视频截图。可以看到，该合金的二次枝晶与一次枝晶间的夹角为60°，一 次枝晶生长方向与温度梯度方向有所偏离。
[0038] 实施例3 :本发明为镁合金凝固过程同步辐射实时成像研究用坩埚及其制备方 法。坩埚包括石墨框1、刚玉片2、中空的石墨纸3薄片、锆英粉和硅溶胶的混合物4和耐高 温无机CPS胶5。中空的石墨纸薄片3置于两片尺寸相同的刚玉片2之间，并在此腔体内放 入适量的硫磺粉，周围的空隙使用锆英粉和硅溶胶的糊状混合物4填充。在将此整体放入 中空带凹槽的石墨框1中，周围用锆英粉和硅溶胶的混合物4填充，固化后在其周围涂上一 层耐高温无机CPS胶5。
[0039] 上述用于镁合金凝固过程同步辐射实时成像研究用坩埚的制备方法为：
[0040] (1)在刚玉片和刚玉片间的石墨纸夹层上喷涂一层BN喷剂，在室温下放置约2分 钟，待其完全干燥后即可使用；
[0041] (2)将锆英粉和硅溶胶混合搅拌均匀至糊状，留作密封材料使用，调制比例为lmL 硅溶胶约5g锆英粉；
[0042] (3)将两面均抛光的Mg_28wt. % Gd合金薄片放入中空的石墨纸内，Mg_28wt. % Gd 合金薄片尺寸为35*15*0. 2mm，用两片刚玉片将其夹住，形成三明治结构。在Mg-28wt. % Gd 合金薄片与石墨纸周围的空隙区域放入适量的硫磺粉，随后在刚玉片四边填充锆英粉和硅 溶胶的混合物，将孔隙填实；
[0043] (4)将上述结构放入中空的石墨框中，在石墨框四边填上锆英粉和硅溶胶的混合 物，使Mg_28wt. % Gd合金薄片与外界空气隔离，在室温下使锆英粉与硅溶胶的混合物固 化；
[0044] (5)在固化的锆英粉和硅溶胶混合物的表面涂上一层耐高温无机CPS胶，调胶比 例为lmL液相约4. 5g固相，用于密封锆英粉与硅溶胶固化产生的气孔，在室温下进行固化 处理。
[0045] 将封装好的Mg_28wt. % Gd合金薄片放在定向凝固炉中加热熔化，温度梯度设为 12K/mm，保温30min后关闭加热电源，使定向凝固炉的上下炉以5K/s的冷却速率冷却，观察 Mg-28wt. % Gd合金薄片的凝固过程。图4为实施例2方法制备的Mg-28wt. % Gd合金薄片 凝固时的同步辐射视频截图。可以看到，该合金的二次枝晶与一次枝晶间的夹角为60°，相 比于温度梯度为6K/mm的枝晶生长过程，一次枝晶生长方向更接近于温度梯度方向。
[0046] 本发明采用硫磺粉燃烧消耗坩埚内残留氧气，产生二氧化硫还原性气体保护镁合 金不受氧化污染，同时一定量的二氧化硫气体在高温下产生一定的蒸气压，抑制了镁合金 挥发，具体分析如下。
[0047] 硫磺粉的燃烧点约248°C，而镁的熔化点约650°C，所以在坩埚加热过程中硫磺粉 将首先燃烧生成二氧化硫，抑制镁合金与氧气反应，可见在硫磺粉存在的条件下可有效地 阻止镁合金的氧化和燃烧。
[0048] 金属的饱和蒸气压随温度的变化规律可用Clausius-Clapeyron方程式表示，
[0050] 式中，p蒸气压（Pa)，T熔体温度（K) ;L挥发潜热（J/mol) ;V液、V气分别为lmol的 液体体积及lmol液体蒸发后的体积（m3/mol)。
[0051] 忽略液相体积，按照理想气体定律即可求得金属的饱和蒸气压为，
[0052] lgp = AT ^BlgT+C
[0053] 式中，A、B、C分别为积分常数。查相应的金属手册，可得金属元素的A、B和C值， 即可求出在金属的熔点到沸点温度区间内金属的饱和蒸气压。对于金属镁，A = -7550, B =-1. 41，C = 12. 79〇
[0054] 由此即可求出，如在800°C时，金属Mg的饱和蒸气压为30. 30torr，约4039. 31Pa。
[0055] 硫磺粉在密封通气管III内发生如下反应，
[0056] S+02- S0 2
[0057] 302气体遵循理想气体定律，即pv = nRT，其中p为压强，v为体积，η为气体物质 的量，R气体摩尔常数，Τ绝对温度。
[0058] 由i甘埚结构体可知，体积ν为刚玉片和石墨纸夹层之间的体积，则i甘埚体积为，ν =abc，a、b、c分别为石墨纸的内框尺寸。
[0059] 由此即可知，n mol的硫磺粉可产生n mol的二氧化硫气体，在坩埚内可以产生的 压强为，P = nRiy (abc)。若要二氧化硫抑制镁的挥发，则需使二氧化硫产生的蒸气压大于 等于镁产生的饱和蒸气压，则所需最少硫磺粉量为，
[0061] 以i甘埚的内腔尺寸分别为36mm、16mm和0· 2mm以及温度为800°C为例，lg的纯硫 磺可产生的蒸气压约为2· 42X 109Pa。计算后发现在坩埚内腔尺寸分别为36mm、16mm和 0. 2mm以及温度为800°C的条件下，需要放入大于等于1. 71 X 10 6g的硫磺即可抑制镁合金 的挥发。
[0062] 为保证坩埚本体内氧气被全部消耗，假设坩埚本体内均为氧气，则需要硫磺粉的 量为，
[0064] 针对本发明，以i甘埚内腔尺寸分别为36mm、16mm和0. 2mm为例，消耗完i甘埚本体内 全部氧气需4. 43 X 10 7g硫磺粉。
[0065] 综上硫磺粉使用量与坩埚体积有关，其使用量为，
[0067] 在实际使用中硫磺粉可能有部分损耗，以坩埚内腔尺寸分别为36mm、16mm和 0. 2mm为例，使用硫磺粉的量约为0. lg。
[0068] 本发明使用的BN喷剂在800°C下具有优越的成膜粘附力，并且与熔融金属，如铝 铜钢等，或是玻璃熔浆不发生任何反应。
[0069] 本发明使用的锆英粉和硅溶胶的混合物能承受800°C以上高温，不与镁合金发生 反应，固化后起密封作用。
[0070] 本发明使用中空的石墨框起固定作用，并且便于密封。同时，中空结构避免了 X射 线通过石墨时的衰减，提高了照片的衬度，从而便于从照片中获取所需要的信息。
[0071] 本发明使用的耐高温无机CPS胶的耐热温度为980°C，线膨胀系数与钢铁相近稍 有收缩，其耐水、耐油，不与镁合金及刚玉片发生反应。
【主权项】
1. 一种镁合金凝固过程同步辐射实时成像研究用坩埚，其特征在于：包括石墨框（1)、 刚玉片⑵、石墨纸⑶、锆英粉与硅溶胶的混合物⑷和耐高温无机CPS胶（5);所述石墨 纸（3)是中空型，置于两片尺寸相同的刚玉片（2)之间，石墨纸（3)的中空型腔体内放置硫 磺粉，石墨纸（3)与两片刚玉片（2)之间的空隙使用锆英粉与硅溶胶的混合物（4)填充；石 墨纸（3)与两片刚玉片（2)装配后放入中空带凹槽的石墨框（1)中，石墨纸（3)与石墨框 (1)的凹槽周围用锆英粉与硅溶胶的混合物（4)填充，固化后再涂一层耐高温无机CPS胶 (5)。2. -种权利要求1所述坩埚的制备方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、在刚玉片（2)与石墨纸（3)上喷涂一层BN喷剂，在室温下放置2分钟； 步骤二、将锆英粉和硅溶胶混合搅拌均匀，制成锆英粉与硅溶胶的混合物（4)，调制比 例为lmL硅溶胶配4~5g锆英粉； 步骤三、将两面均抛光的镁合金薄片放入中空的石墨纸（3)内，用两片刚玉片（2)夹 住；在镁合金薄片与石墨纸（3)周围的空隙区域放入硫磺粉，随后在刚玉片（2)四边填充锆 英粉与硅溶胶的混合物（4); 步骤四、石墨纸（3)与两片刚玉片（2)装配后放入中空带凹槽的石墨框（1)中，石墨纸 (3)与石墨框（1)的凹槽周围用锆英粉与硅溶胶的混合物（4)填充，在室温下使锆英粉与硅 溶胶的混合物（4)固化； 步骤五、在固化后的锆英粉与硅溶胶的混合物（4)表面涂上一层耐高温无机CPS胶 (5)，用于密封锆英粉与硅溶胶的混合物（4)固化产生的气孔，在室温下进行固化处理。3. 根据权利要求2所述坩埚的制备方法，其特征在于：所述镁合金薄片尺寸为 35*15*(0· 15 ~0· 2)mm〇
【专利摘要】本发明公开了一种镁合金凝固过程同步辐射实时成像研究用坩埚及其制备方法，用于解决现有坩埚用于镁合金容易氧化的技术问题。技术方案是坩埚包括石墨框、刚玉片、石墨纸、锆英粉和硅溶胶的混合物及耐高温无机CPS胶。所述石墨纸是中空型，置于两片尺寸相同的刚玉片之间，石墨纸的中空型腔体内放置硫磺粉，石墨纸与两片刚玉片之间的空隙使用锆英粉与硅溶胶的混合物填充。石墨纸与两片刚玉片装配后放入中空带凹槽的石墨框中，石墨纸与石墨框的凹槽周围用锆英粉与硅溶胶的混合物填充，固化后再涂一层耐高温无机CPS胶。本发明使得镁合金与空气完全隔离，硫磺粉去除坩埚内残留氧气，产生的蒸汽压抑制镁合金挥发，解决了镁合金高温氧化的技术问题。
【IPC分类】B01L3/04
【公开号】CN105413774
【申请号】CN201510874462
【发明人】罗时峰, 杨光昱, 刘少军, 肖磊, 介万奇
【申请人】西北工业大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月3日