微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法与流程

本发明涉及一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法，属于材料无容器处理技术领域。

背景技术：

本发明所研究的液态金属不同于传统的汞及碱金属材料，主要是指镓及其合金（如镓铟合金、镓铟锡合金等）以及铋基合金（如铋铟锡合金），是一类安全无毒的低熔点金属材料，熔点在室温附近。液态金属因为其不定型的液态形态而具有极佳的电性能和热力学性能，固有的高导热特性赋予了液态金属优异的对流换热能力，采用液态金属取代传统的以水为代表的冷却工质打破了传统冷却技术的能力极限。这一全新的高性能热管理材料引起了学术界和产业界的高度关注。

在地面实验室环境中，液态金属材料因其自身重力的作用，必须依靠外界提供的容器来维持其体积形状，然而与容器的接触又会不可避免地影响材料的某些性质和性能参数的测量。此外重力引起的自然对流还会对材料凝固过程中液固界面前沿的浓度场、温度场以及形核、生长和不同相的偏析产生重要影响，同时对研究者研究液态金属中被自然对流所掩盖的一些诸如表面毛细波、marangoni对流等的动力学行为造成了一定的困难；而在空间环境中，由于微重力的特征，液态金属材料不存在静压力，因此材料的体积和形状只受到其表面张力的约束，在极小外力作用下即可自由悬浮，不需要与容器接触。此外悬浮状态可以避免在液态金属材料凝固过程中重力引起的各种微观对流现象对最终成型组织的影响，还可避免容器壁和杂质颗粒干扰引起的异质形核，从而得到在地面环境中无法获得的均匀凝固组织。

空间环境的应用依赖于空间技术的发展，尽管空间技术发展至今已经取得了极大的突破，为研究者提供了更多的在空间环境中进行科学实验的机会，但是由于实验成本昂贵、空间资源有限等原因，极大限制了研究者对于空间环境的利用。因此，研究者期望在地面环境中模拟空间环境“微重力、无容器、超高真空、高辐射”的特点，从而可以以较低的成本进行大量的空间材料科学实验。悬浮法就是其中一种在地面环境中模拟空间环境的方法。自悬浮法被提出以来，运用各种原理设计的悬浮技术开始出现并得到迅速的发展，其中一种就是超声悬浮技术，因其固有的一些特性得到了研究人员的广泛关注。

超声悬浮技术是在重力空间利用超声波特别是超声驻波产生的辐射压力平衡样品的重力，同时水平方向的定位力将样品固定在声压的波节处，从而使样品悬浮起来的一种无容器处理技术。它是高声强条件下的一种非线性现象，对悬浮样品没有电磁学性质方面的特殊要求，且不附加热效应，受到研究人员的青睐，因此运用超声悬浮技术在地面环境中对微重力状态下的液态金属凝固进行原位观察是一种非常有效的方法。

目前，研究人员已经运用超声悬浮技术对多种合金在微重力状态下的快速凝固进行观察，但都是将合金样品加热至熔点，等其自然凝固，还未见对常温下为液态的液态金属样品进行微重力悬浮状态下凝固的观察。此外在加载材料样品时通常凭经验预估声压波节的位置，时常发生样品未处于合适位置无法达到悬浮状态的问题，对操作者的实验要求较高。在加载液态金属样品时，超声场处于强谐振状态，较强的声辐射压使得样品在悬浮位置附近发生飞溅等问题，影响了实验的精度和效率。

技术实现要素：

技术问题：为了在微重力状态下对液态金属的凝固过程进行原位观察。本发明提出了一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法，在微重力悬浮状态下对液态金属的凝固过程进行观察，其操作简单，并可解决现有超声悬浮装置样品加载精度和效率低的问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置，包括超声悬浮系统，用于将液态金属样品悬浮于空中，包括：

支撑底座，所述支撑底座的上部与一透明罩体密封连接，透明罩体内部为一密闭的空腔；超声波换能器，固定设置在所述透明罩体的内部上方，超声波换能器下端通过变幅杆与声发射端连接；

声反射端，通过可升降机构设置在透明罩体内部位于所述声发射端的正下方；

超声波发生器，设置在透明罩体外部，超声波发生器的信号输入端通过线路与超声波换能器的信号接收端连接；

液态金属，悬浮放置在透明罩体内位于所述声发射端和声反射端之间；

声场可视化系统，设置在透明罩体外部，用于对所产生的声驻波场进行显示、以及对微重力状态下液态金属冷却过程中的声驻波场变化进行实时观测，包括：

光源、前凸透镜、后凸透镜、刀口、观测相机，其中，所述光源、前凸透镜放置在透明罩体外部一侧，所述光源放置在前凸透镜的第一焦点处；所述后凸透镜、刀口、观测相机依次放置在透明罩体外部另一侧，所述刀口放置在后凸透镜的第二焦点处，所述前凸透镜第一焦点处的光源出射光，通过前凸透镜后转变为平行光，穿过透明声场，通过后凸透镜的第二焦点处被刀口切割，最后在观测相机中成像；

冷却机构，设置在透明罩体内底部，用于对所述液态金属进行冷却。

所述可升降机构为电动调节支座。

所述电动调节支座通过放置在支撑底座中的步进电机及单片机控制。

所述冷却机构为设置在所述透明罩体内位于支撑底座上呈环形固定的冷却铜管，冷却铜管内设有经过液氮冷却的气态氮流。

所述声反射端表面为平面或者凹球形面。

所述透明罩的透明光学材料为光学石英玻璃，所述透明罩与所述支撑底座之间采用增强柔性垫密封。

所述超声波换能器通过支撑杆与支撑底座固定连接，所述支撑杆为中空柱体，所述超声波换能器的输入走线通过支撑杆连接到所述支撑底座，并在密闭空腔外部与超声波发生器连接。

本发明进一步公开了一种基于所述的微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置的观测方法，

首先，开启声场可视化系统，打开超声波发生器，调节发生器的输出功率和频率，根据声场可视化系统中观测相机实时得到的图像，调节声发射端与声反射端之间距离到谐振距离，根据可视化的声场在悬浮节点处添加液态金属样品；

然后，打开冷却机构进行冷却；

在此过程中，根据观测相机得到的声场图像，通过升降机构实时调节声反射端高度，以保持稳定悬浮状态；与此同时，观测相机记录微重力状态下液态金属的凝固过程；

最后，将凝固后的样品取出剖开，用金相显微镜进行观察和分析。

有益效果：

本发明的一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置及观测方法，具有以下有益效果：

第一、将液态金属样品悬浮于空中，不与任何容器接触，实现了真正在微重力状态下的液态金属凝固，并对其进行观察。

第二、采用一种声场可视化系统对所产生的声驻波场进行显示，快速找到驻点位置，提高了液态金属样品加载的精度和效率。同时对冷却过程中的声驻波场变化进行实时观测，从而准确调整声反射端位置，保证液态金属样品处于稳定悬浮状态。

第三、电动调节支座避免了手工操作，降低了误触和过度调节的可能性。

附图说明

图1是本发明的一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置的总体布置示意图；

图中，1-透明罩；2-超声波换能器；3-变幅杆；4-声发射端；5-声反射端；6-冷却铜管；7-电动调节支座；8-支撑底座；9-支撑杆；10-观测相机；11-超声波发生器；12-光源；13-前凸透镜；14-后凸透镜；15-刀口；16-观测相机。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明：

本发明的一种微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置，包括超声悬浮系统、声场可视化系统；所述超声悬浮系统包括透明罩1、超声波换能器2、变幅杆3、声发射端4、声反射端5、冷却铜管6、电动调节支座7、支撑底座8、支撑杆9、观测相机10、超声波发生器11；所述声场可视化系统包括光源12、前凸透镜13、后凸透镜14、刀口15、观测相机16。

所述透明罩1材料为光学透明石英玻璃，与支撑底座8采用增强柔性垫密封连接，形成一个密闭的空腔；在空腔内，超声波换能器2通过支撑杆9固定在支撑底座8上，且超声换能器2下端通过变幅杆3与声发射端4连接；声反射端4与电动调节支座7连接，可在竖直方向上下移动；电动调节支座7固定在支撑底座7上。

所述声反射端5表面为平面或者凹球形面；声发射端4位于声反射端5上方，且处于同一轴线上。

所述光源12、前凸透镜13与所述后凸透镜14、刀口15、观测相机16分别放置在超声悬浮装置两侧，且在同一轴线上；光源12为led光源，并用小直径光纤近似点光源进行出射；光源12放置在前凸透镜13的焦点处；刀口15放置在后凸透镜14的焦点处。

所述冷却铜管6呈环形固定在支撑底座8上，外部经过液氮冷却的气态氮流经冷却铜管6冷却样品。

所述支撑杆9为中空柱体，超声波换能器2的输入走线通过支撑杆9连接到支撑底座8，并在密闭空腔外部与超声波发生器11连接。

所述电动调节支座7通过放置在支撑底座8中的步进电机及单片机控制。

所述观测相机10放置在空腔外部记录微重力状态下液态金属的凝固过程。

前凸透镜13焦点处的光源12出射led光，通过前凸透镜13后转变为平行光，穿过透明声场，通过后凸透镜14后在焦点处被刀口切割，最后在观测相机16中成像。

本发明微重力状态下的液态金属凝固原位观察装置的观测方法如下:

首先，开启声场可视化系统，打开超声波发生器11，调节发生器的输出功率和频率，根据声场可视化系统中观测相机16实时得到的图像，调节声发射端4与声反射端5之间距离到谐振距离，根据可视化的声场在悬浮节点处添加液态金属样品；然后，打开气阀，经过液氮冷却的气态氮流经冷却铜管6进行冷却，透明罩1防止冷却过程中空气对流对悬浮稳定性的影响并且可以提高冷却效率。在此过程中，根据观测相机16得到的声场图像，通过电动调节支座7实时调节声反射端5高度，以保持稳定悬浮状态。与此同时，观测相机10记录微重力状态下液态金属的凝固过程；最后，将凝固后的样品取出剖开，用金相显微镜进行观察和分析。

以上所述仅是本发明的一种装置的一次实际操作应用，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。