多功能实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供的一种多功能实验装置，包括：能够提供多种温场模式的温场模块；能够固定并控制样品速度及方向的固定与移动模块；能够控制样品旋转的旋转模块；能够提供磁场约束的磁场模块；能够形成并保持内部真空环境的真空密封模块；和能够控制上述各模块并输入输出信号的数据采集和控制模块；所述各模块均能够独立地、可拆装地安装于安装支架和中央安装板上。本实用新型提供一种一体化实现材料的多种外加条件实验，用途广泛，操作简单、维修性好、可靠性高，可实现各功能的模块化设计和制造的材料科学领域实验用的多功能实验装置。
【专利说明】
多功能实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及材料科学技术领域，具体地，涉及一种材料科学领域实验用的多功能实验装置。
【背景技术】
[0002]材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类社会的发展历程以材料为主要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。先进材料对于高技术发展而言极为重要，因此材料科学的形成是科学技术发展的结果。
[0003]材料科学是研究材料科学与工程的基础学科，研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，是一门与工程技术密不可分的应用科学。其对于认知材料在制备中发生的物理与化学过程的本征规律，丰富和完善材料科学与工程的基础理论，指导和推动材料制备工艺和战略性新兴产业发展具有十分重要的意义。
[0004]开展材料科学研究，实验装置十分重要，其功能和性能决定了材料科学研究内容的深度和广度。材料科学的发展在很大程度上依赖于实验技术的提高，尤其随着科学技术的发展，材料科学对实验技术和实验装置的要求也日益提高。每一种新仪器和测试手段的发明创造，都对当时新材料的出现和发展起到了促进作用。
[0005]目前，市场上常见的材料工程的实验装置多数只能提供简单温场功能、样品移动功能和电控功能，即便是较高级的实验装置也只增加了真空密封功能或磁场功能，未能将旋转功能、磁场功能、真空功能与复杂温场模式的加热功能及可调速度和方向的样品移动功能有效结合。然而，在进行材料实验时，需要测试不同种类的材料在多种情况下不同需求的物理及化学性能，上述实验装置功能单一、实验方式不灵活，无法满足当前的材料科学研究需要。因此，为了适合不同种类、不同需求的材料实验研究，一种可根据需要选择安装和拆卸的多功能实验装置是非常必要的。
【实用新型内容】
[0006]鉴于以上所述，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种一体化实现材料的多种外加条件实验，用途广泛，操作简单、维修性好、可靠性高，可实现各功能的模块化设计和制造的材料科学领域实验用的多功能实验装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种多功能实验装置，包括:能够提供多种温场模式的温场模块;能够固定并控制样品速度及方向的固定与移动模块;能够控制样品旋转的旋转模块;能够提供磁场约束的磁场模块;能够形成并保持内部真空环境的真空密封模块;和能够控制上述各模块并输入输出信号的数据采集和控制模块；
[0008]所述各模块均能够独立地、可拆装地安装于安装支架和中央安装板上。
[0009]根据本实用新型，本实验装置可提供多种温场模式，适合不同种类、不同需求的材料实验研究，还可叠加外场干预措施，如旋转角度、磁场约束、真空环境，丰富了实验的外加条件，提高了实验研究的深度和广度。本实验装置可实现各功能的模块化设计和制造，可根据需要选择安装和拆卸。用途广泛，操作简单、维修性好、可靠性高。尤其适合高校和科研院所进行实验研究。
[0010]优选地，所述安装支架包括安装框架条和安装板，且所述安装支架的下部装设有可调节水平度的万向轮。
[0011]根据本实用新型，由于安装支架的底部安装有可调节水平度的万向轮，因而实验装置的调平和移动变得容易。
[0012]优选地，所述温场模块包括:具有至少两个可独立控制、可物理分离或组合的加热炉的加热炉机构、以及具备冷却盘的冷却水机构;所述加热炉机构和所述冷却水机构单独或共同使用。
[0013]根据本实用新型，本实验装置通过将加热炉机构与冷却水机构以不同方式组合并使用，以此不仅可提供多种温场模式，而且可提供宽区域温度梯度，从而能够适合不同种类、不同需求的材料实验研究，包括定向凝固实验、热处理、重熔、熔体晶体生长、固相反应等材料实验。加热炉机构和冷却水机构可根据不同的实验需求组合，单独或共同使用。
[0014]优选地，所述加热炉机构的每个加热炉均选用单温区、双温区、三温区或更多温区设置;所述冷却水机构的冷却盘可安装于所述加热炉之间，或仅安装于所述加热炉一侧。
[0015]根据本实用新型，通过加热炉机构的多温区设置，可进一步地丰富本实验装置的温场模块的多样性和复杂性，可以满足更多的实验需求，如温场模式需求、温度梯度需求等。通过将冷却水机构的冷却盘安装于加热炉之间或一侧，以此实现快速冷却，从而能提供超大温度梯度，满足特殊材料实验需求。
[0016]优选地，所述加热炉机构和所述冷却水机构通过可调节支架连接和加固，由此可根据不同的实验需求组合，单独或共同使用;优选地，所述温场模块的线缆可沿所述可调节支架纵向布置。
[0017]根据本实用新型，组合后的加热炉机构和冷却水机构通过高度可调的可调节支架进行连接和加固，以此不仅改善了应对不同尺寸材料的灵活性，还增加了装置整体的可靠性。而将温场模块的线缆沿支架纵向布置，则提高了装置的空间利用率。
[0018]优选地，所述固定与移动模块包括样品固定管和样品移动驱动机构。
[0019]根据本实用新型，可有效固定样品防止脱落的同时，还能使样品的速度和方向可控，满足不同的实验需求。
[0020]优选地，所述旋转模块具备旋转驱动机构，并通过该旋转驱动机构使所述中央安装板和连接到所述中央安装板上的所述各模块进行旋转及定位。
[0021 ]根据本实用新型，可通过旋转模块的旋转驱动机构实现中央安装板和连接到中央安装板上的功能模块的360度旋转及任意角度定位，包括水平、垂直，与地面30 °C、45 °C、60°C等方向，满足不同的实验需求。
[0022]优选地，所述磁场模块栓接于所述中央安装板的外侧;优选地，安装于所述加热炉机构的外侧;更优选地，所述磁场模块为空心圆柱状。
[0023]根据本实用新型，可灵活地拆卸、加装、更换磁场模块以更好地适应具体的实验需求。而将其安装于加热炉机构的外侧，则可在材料样品进行各种热处理的同时施加不同的磁场约束条件，实现多条件叠加实验，提高了实验手段的先进性。
[0024]优选地，所述真空密封模块包括上、下真空罩，所述上、下真空罩分别栓接于所述中央安装板的上下两侧;优选地，所述上、下真空罩形成为将所述温场模块、所述固定与移动模块、所述旋转模块、所述磁场模块包含于内部空间的结构;更优选地，所述上、下真空罩采用铝合金加工而成。
[0025]根据本实用新型，真空密封模块能够保持密封并且真空罩内部能够被抽真空，从而在其内部形成真空腔体，实现材料实验的真空环境条件，进一步满足不同的实验需求，如防止氧化的真空条件需求。不仅如此，由于真空条件下对流散热的影响大大降低，使得加热炉能实现大气环境下所不能实现的高温，拓宽了温场温度范围；同时由于腔体内部对流散热减弱，腔体外壁温度降低，有利于实验人员安全操作。
[0026]优选地，所述数据采集和控制模块包括计算机控制系统;优选地，计算机控制系统可具备用于实验的人机控制界面。
[0027]根据本实用新型，本实验装置可提供多种温场模式，而且可提供超大温度梯度，适合不同种类、不同需求的材料实验研究，还可叠加外场干预措施，如旋转角度、磁场约束、真空环境，丰富了实验的外加条件，提高了实验研究的深度和广度。本实验装置可实现各功能的模块化设计和制造，可根据需要选择安装和拆卸。用途广泛，操作简单、维修性好、可靠性高。尤其适合高校和科研院所进行实验研究。
[0028]本实用新型解决了【背景技术】中存在的缺陷，其有益效果是:通过各功能模块的模块化设计和制造，以此实现材料的多种外加条件实验研究，用途广泛，操作简单、维修性好、可靠性高，且在提高实验研究效率的同时，还能降低人工成本及缩短实验研究时间。该实验装置可用于进行新材料的合成，晶体材料的生长，各种材料的改性研究等。
[0029]根据下述具体实施形态并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述内容及其它目的、特征和优点。
【附图说明】
[0030]图1是示出根据本实用新型一实施形态多功能实验装置的结构示意图；
[0031]图2是示出图1所示多功能实验装置中的可调节的安装支架的结构示意图；
[0032]图3是示出图1所示多功能实验装置中的温场模块的结构示意图；
[0033]图4是示出图1所示多功能实验装置中的固定与移动模块的结构示意图；
[0034]图5是示出图1所示多功能实验装置中的磁场模块的结构示意图；
[0035]图6是示出图1所示多功能实验装置中的旋转模块的结构示意图；
[0036]图7是示出图1所示多功能实验装置中的真空密封模块的结构示意图；
[0037]图8是示出图1所示多功能实验装置中的数据采集和控制模块的结构示意图；
[0038]图9是示出图1所示多功能实验装置中的安装支架的结构示意图；
[0039]图10是示出图1所示多功能实验装置中的中央安装版的结构示意图；
[0040]附图标记:
[0041]I温场模块；
[0042]11加热炉机构；
[0043]111、112 加热炉；
[0044]12冷却水机构；
[0045]121冷却盘；
[0046]13网状外壳；
[0047]2固定与移动模块；
[0048]21固定管；
[0049]22移动驱动机构；
[0050]3旋转模块；
[0051 ]31旋转驱动机构；
[0052]4磁场模块；
[0053]5真空密封模块；
[0054]51,52上、下真空罩；
[0055]6数据采集和控制模块；
[0056]7安装支架；
[0057]71安装框架条；
[0058]72安装板；
[0059]73万向轮；
[0060]8中央安装板
[0061]81安装孔；
[0062]9可调节支架；
[0063]C可调节导槽。
【具体实施方式】
[0064]下面结合具体实施形态和附图来说明本实用新型的实质性特点和显著性的进步。应理解，这些实施形态仅用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
[0065]图1是示出根据本实用新型一实施形态多功能实验装置的结构示意图；图2是示出图1所示多功能实验装置中的可调节的安装支架的结构示意图；图3至图8是示出上述各功能模块的结构示意图；图9示出了安装支架的结构示意图；图10示出了中央安装版的结构示意图。如图所示，为方便说明，本实用新型所述的上下方向与纸面的上下方向相同。
[0066]如图1所示，本实施形态的多功能实验装置包括如下各功能模块:能够提供多种温场模式的温场模块I;能够固定并控制样品速度及方向的固定与移动模块2;能够控制样品旋转的旋转模块3;能够提供磁场约束的磁场模块4;能够形成并保持内部真空环境的真空密封模块5;和能够控制并输入输出信号的数据采集和控制模块6;各功能模块均能够独立地、可拆装地安装于安装支架7和中央安装板8上以实现装配集成。
[0067]由此，本实用新型的多功能实验装置是一种将旋转功能、磁场功能、真空功能与复杂温场功能及可调速度和方向的样品移动功能有效结合的多功能实验装置。该装置不仅可提供多种温场模式，而且可提供宽区域温度梯度，适合不同种类、不同需求的材料实验研究，包括定向凝固实验、热处理、重熔、熔体晶体生长、固相反应等材料实验。该实验装置还可叠加外场干预措施，如旋转角度、磁场约束、真空环境，丰富了实验的外加条件，提高了实验研究的深度和广度。该实验装置的各功能均实现了模块化设计和制造，可根据需要选择安装和拆卸。
[0068]具体而言，本实施形态中，安装支架7由安装框架条71和安装板72构成，本实施形态中尺寸例如为长X宽X高为565mmX580mmX 1500mm，但不限于此，可根据具体要求变更。安装支架7的下部装设有可调节水平度的万向轮73。由于安装支架7的底部安装有可调节水平度的万向轮73，因而实验装置的调平和移动变得容易，可以确保实验的实施环境。
[0069]中央安装板8上分布有用于螺栓连接各功能模块的安装孔81，并位于安装支架7的大致中央部。本实施形态中，中央安装板8的尺寸例如为400mm X 400mm X 40mm，材质为铝合金板，但不限于此，可根据具体要求变更，只要为不易变形的硬质材质即可。而且，由于中央安装板8上分布安装孔81，因此各功能模块I?5可根据实际需求容易地在中央安装板8上进行拆卸或变更等。
[0070]其中，温场模块I具备加热炉机构11和冷却水机构12。本实施形态的加热炉机构11包含加热炉111、加热炉112这两个电阻炉，其中，加热炉111为双温区电阻炉，尺寸例如为Φ138mm X 280mm ；加热炉112为单温区电阻炉，尺寸例如为Φ 138mm X 90mm。加热炉机构11的加热炉111、112通过螺栓连接安装于中央安装板8，此外，两个以上的加热炉的中每个加热炉温区无限制。上述加热炉的数量、型号、功能和尺寸均不限于此，只要能提供多种温场模式以及宽区域温度梯度即可。
[0071]冷却水机构12的冷却盘121安装于两个加热炉111、112之间，也可仅安装于靠近中央安装板的一侧。本实施形态中，冷却盘121安装在加热炉111和加热炉112之间，外型尺寸例如为φ138_ X 10_。但具体型号和尺寸不限于此，只要能实现冷却功能即可。
[0072]如图1所示，加热炉111和加热炉112和冷却盘121外加装有网状外壳13，将其连成一体地安装到中央安装板8上。但不限于此，也可将加热炉111和冷却盘121组合，单独地安装到中央安装板8上。借助于此，加热炉机构11和冷却水机构12可根据不同的实验需求组合，单独或共同使用。
[0073]组合后的加热炉机构11和冷却水机构12通过该网状外壳13与可调节支架9连接和加固。具体地，如图2所示，该可调节支架9的A端连接到中央安装板8，B端连接到加热炉机构11和所述冷却水机构12的网状外壳，依次进行连接和固定。其中，通过位于支架上的导槽C实现高度的可调节性。本实施形态中，温场模块I的线缆沿可调节支架9纵向布置。借助于此，可调节支架9不仅可用于加固中央安装板8和加热炉机构11以及冷却水机构12的连接，还可用于温场模块I的的线缆布置进而提高空间使用率。
[0074]如上所述，通过加热炉机构11的多温区设置、加热炉机构11与冷却水机构12的不同方式组合使用，可实现多种不同的温场模式，而且可得到宽区域的温度梯度，适合不同种类、不同需求的材料实验研究。
[0075]本实施形态的固定与移动模块2由样品管21和移动驱动机构22组成，安装在中央安装板8上方，用于实现样品的固定、可控速度和可控方向的移动。样品管21中固定有样品，并与移动驱动机构22连接。移动驱动机构22通过驱动并改变样品管21的位置从而实现样品的固定、可控速度和可控方向的移动。
[0076]本实施形态的旋转模块3具备旋转驱动机构31，旋转驱动机构31与中央安装板8连接，并驱动中央安装板8和安装在中央安装板8上的各功能模块旋转。本实施形态中，旋转模块3的旋转驱动机构31可带动各功能模块进行360度旋转及任意角度定位，例如旋转至包括水平、垂直，与地面30°C、45°C、6(TC等方向后将各功能模块定位于该方向上，以进行各种实验。
[0077]本实施形态的磁场模块4例如可为空心圆柱状，套在加热炉机构11外，通过中央安装板8上预留的安装孔81连接到中央安装板8上。本实施形态的旋转模块4内径150mm，高度约60mm。但旋转模块4的形状与尺寸不限于此，可根据具体需要进行调整。
[0078]由于本实施例中的磁场模块4安装于加热炉机构11的外侧，并通过螺钉连接到中央安装板8上，因此可根据具体实验需求进行加装、拆卸或更换。借助于此，可以更优异地叠加外场干预，提高实验研究的深度和广度。
[0079]真空密封模块5由上、下真空罩51、52组成，上、下真空罩51、52通过螺钉连接分别安装到中央安装板8的上下侧。本实施形态中，真空密封模块5可将加热炉机构11、冷却盘121、固定移动模块2、旋转模块3、磁场模块4包含进去，并能够通过抽真空设备抽真空，从而在其内部形成真空腔体，而后能够密封该真空腔体从而保持真空罩内部的真空状态，实现材料实验的真空环境条件。本实施形态中，真空罩可采用铝合金加工而成，上真空罩尺寸可为Φ 350mm X 420mm，下真空罩尺寸可为Φ 350mm X 420mm。
[0080]数据采集和控制模块6安装在安装支架7的上部，其一端与其他功能模块通过专用电缆连接，并通过连接到电脑实现人机操作。数据采集和控制模块6可实现炉膛温度、样品位置、样品移动速度、样品移动方向、旋转角度、旋转方向、磁场强度、磁场频率、磁场方向和真空度等信号的输入、输出和控制。此外，在本实施形态中，数据采集和控制模块6包括可提供实验的人机控制界面的计算机软件控制系统，并通过专用电缆连接到计算机数据接口，通过界面软件操作，实现实验的程序控制。借助于此，改善效率的同时可以降低人工成本，使操作更加便捷。
[0081]根据本实用新型的多功能实验装置的各功能均实现了模块化设计和制造，可根据需要选择安装和拆卸，不仅可提供多种温场模式，还可提供宽区域温度梯度，适合不同种类、不同需求的材料实验研究，此外还可叠加外场干预措施，如旋转角度、磁场约束、真空环境，丰富了实验的外加条件，提高了实验研究的深度和广度。该实验装置用途广泛，操作简单、维修性好、可靠性高，尤其适合高校和科研院所进行材料实验研究。
[0082]在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
【主权项】
1.一种多功能实验装置，其特征在于，包括: 能够提供多种温场模式的温场模块； 能够固定并控制样品速度及方向的固定与移动模块； 能够控制样品旋转的旋转模块； 能够提供磁场约束的磁场模块； 能够形成并保持内部真空环境的真空密封模块;和 能够控制上述各模块并输入输出信号的数据采集和控制模块； 所述各模块均能够独立地、可拆装地通过安装支架安装于中央安装板。2.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述安装支架包括安装框架条和安装板，且所述安装支架的下部装设有能调节水平度的万向轮。3.根据权利要求1或2所述的多功能实验装置，其特征在于，所述温场模块包括:具有至少两个独立控制、物理分离或组合的加热炉的加热炉机构、以及具备冷却盘的冷却水机构； 所述加热炉机构和所述冷却水机构单独或共同使用。4.根据权利要求3所述的多功能实验装置，其特征在于，所述加热炉机构的每个加热炉均选用单温区、双温区、三温区或更多温区设置； 所述冷却水机构的冷却盘安装于所述加热炉之间，或仅安装于所述加热炉一侧。5.根据权利要求4所述的多功能实验装置，其特征在于，所述加热炉机构和所述冷却水机构通过可调节支架连接和加固。6.根据权利要求5所述的多功能实验装置，其特征在于，所述温场模块的线缆沿所述可调节支架纵向布置。7.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述固定与移动模块包括样品固定管和样品移动驱动机构。8.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述旋转模块具备旋转驱动机构，并通过该旋转驱动机构使所述中央安装板和连接到所述中央安装板上的所述各模块进行旋转及定位。9.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述磁场模块栓接于所述中央安装板的外侧。10.根据权利要求3所述的多功能实验装置，其特征在于，所述磁场模块安装于所述加热炉机构的外侧。11.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述磁场模块为空心圆柱状。12.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述真空密封模块包括上、下真空罩，所述上、下真空罩分别栓接于所述中央安装板的上下两侧。13.根据权利要求12所述的多功能实验装置，其特征在于，所述上、下真空罩形成为将所述温场模块、所述固定与移动模块、所述旋转模块、所述磁场模块包含于内部空间的结构。14.根据权利要求12所述的多功能实验装置，其特征在于，所述上、下真空罩采用铝合金加工而成。15.根据权利要求1所述的多功能实验装置，其特征在于，所述数据采集和控制模块包括计算机控制系统。16.根据权利要求15所述的多功能实验装置，其特征在于，所述计算机控制系统具备用于实验的人机控制界面。
【文档编号】G01N33/00GK205449936SQ201521125314
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】温海琴, 盖立君, 艾飞, 张明辉, 刘岩, 邓伟杰, 潘秀红, 汤美波
【申请人】中国科学院上海硅酸盐研究所