无容器材料加工系统技术方案

本发明专利技术涉及一种无容器材料加工系统，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块。本发明专利技术空间站无容器材料加工系统，具有良好的地面静电悬浮技术基础，可以每批次加工多个样品，样品的加热温度可达到3000℃；通过模块化、集成化设计，可实现在轨维护、样品更换和功能扩展；能够准确掌握实验的实时状态。结构新颖、通用性好、功能更强、适应面更宽、可满足多种类型材料科学研究需求的新一代材料科学实验系统。可以在地面和空间环境下开展材料无容器深过冷加工和热物性测量。能够在微重力飞机、探空火箭、返回式卫星、空间站等各种空间飞行器开展相关材料科学实验。

【技术实现步骤摘要】
无容器材料加工系统
本专利技术涉及一种无容器材料加工系统，尤其涉及一种在微重力条件下的无容器材料加工系统。可以在地面和空间环境下开展材料无容器深过冷加工和热物性测量。能够在微重力飞机、探空火箭、返回式卫星、空间站等各种空间飞行器开展相关材料科学实验。
技术介绍
无容器材料加工是进行材料深过冷研究的重要方法，非金属材料的深过冷研究越来越显示出其特别的价值，我国空间材料科学是研究中目前还缺乏对非金属材料的深过冷研究的手段。通过静电的方式，将样品悬浮起来，实现微重力条件下的无容器加工。可以在地面和空间环境下开展材料无容器深过冷加工和热物性测量。能够在微重力飞机、探空火箭、返回式卫星、空间站等各种空间飞行器开展相关材料科学实验。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于现有技术的缺陷，提供一种无容器材料加工系统，可以实现既适应于非金属材料也适应金属材料深过冷的空间材料科学研究，以及实现微重力条件下凝固的实验研究。为实现上述目的，本专利技术提供了一种无容器材料加工系统，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块温度控制模块，用于无容器材料加工过程中，采用双波长测温仪或单波长测温仪实现对材料样品的非接触温度测量，采用近红外波段的激光器对悬浮样品实现非接触加热；位置控制模块，与所述温度控制模块相连接，用于无容器材料样品的静电悬浮功能，采用对多个电极施加悬浮电压的方式，形成用于悬浮样品位置控制的可调控电场；实现不同种类材料样品的静电无容器悬浮控制；物性测量模块，与所述温度控制模块和位置控制模块相连接，用于无容器材料样品加工实验过程中热物性测量功能，采用高速相机、热物性辅助测量电极、悬浮样品振荡测量仪、双波长测温仪来实现对样品密度测定、表面张力以及粘度系数的测定、比热·凝固潜热测定和电导率测定；样品加工模块，与所述温度控制模块、位置控制模块和物性测量模块相连接，用于实现对悬浮样品的输送、释放、约束和回收功能；实现对多个材料样品，乃至不同类型的材料样品的深过冷加工与测量；综合控制模块，与所述温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块和样品加工模块相结合，采用步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制方法对悬浮样品的温度加热控制；采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法实现对材料样品的悬浮位置的控制；采用图像处理算法、振荡测量方法实现样品加热过程中的密度、表面张力、粘度系数、电导率热物性测量；采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；通过对悬浮熔融样品的形核触发控制方法实现对材料样品的可控深过冷凝固过程的调整。根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品加工模块包括：样品室单元、样品盒单元、样品更换机构单元、石英腔更换单元和石英腔盘单元；所述样品盒单元，所述样品盒单元上按圆周均匀放置样品，所述样品盒单元与机械手的位置偏心；所述样品更换机构单元，用于加工所述样品时，启动样品更换机构单元的样品换位电机，把所述样品旋转至机械手的位置，由样品抓取电机带动机械手将样品放至指定位置，然后机械手收回；样品加工完成之后回收所述样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回收至所述样品盒单元中对应的位置处；所述石英腔盘单元，放置有石英腔，所述石英腔位于所述样品的上下电极之间的样品加工位置，所述石英腔一端通过钢套固定，由机械手推至指定位置，机械手不退回，拖着石英腔，机械手收回，石英腔则回至所述石英腔盘单元相应位置；所述石英腔更换单元，用于更换石英腔。进一步的，所述样品加工模块还包括：紫外光单元、离子泵单元、形核触发机构单元。进一步的，所述温度控制模块包括：双波长测温单元、单波长测温单元和激光加热单元；所述双波长测温单元，用于测量所述样品的温度；所述激光加热单元，包括一台或一台以上近红外激光器，用于加热所述样品。进一步的，所述双波长测温单元包括两台测温单元，分别用于材料样品的低温测量和高温测量。进一步的，所述位置控制模块包括：位置传感器单元和电源单元；所述位置传感器单元，用于检测所述样品的在位置传感器单元上产生的位置信息。进一步的，所述物性测量模块包括：摄像机单元和图像采集单元；所述摄像机单元，安装在所述样品室单元周围，用于采集图像数据，并发送给所述图像采集单元；所述图像采集单元，用于与实验柜的通讯协议，将图像数据转换为实验柜可接受的格式，将该图像数据传送给实验柜上的数据管理设备。进一步的，所述摄像机单元包括局部观察摄像机和高速摄像机。进一步的，所述综合控制模块包括：温度控制单元、位置控制单元、形核触发机构控制单元、样品更换机构控制单元、石英腔更换机构控制单元、紫外光源控制单元、样品室的真空度控制单元；所述温度控制单元，用于材料样品的非接触温度测量和加热的闭环控制，包括温度控制的步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制控制方法；所述位置控制单元，用于材料样样品的悬浮位置控制，采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法计算出电极的电压大小，调节高压电源实现对材料样品悬浮位置的控制和调节；所述形核触发机构控制单元，采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法计算出电极的电压大小，调节高压电源实现对材料样品悬浮位置的控制和调节；所述样品更换机构控制单元，采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；具体包括电机控制，编码测量，各种开关使能控制；所述石英腔更换机构控制单元，用于样品实验过程中对污染的石英腔体的更换，消除吸附杂质的腔体对样品的污染；所述紫外光源控制单元，用于补充材料样品在加热过程中表面电荷的发生的变化，使其保持恒定的电荷数量，便于提高在亚稳相变过程中样品的位置控制精度；所述样品室的真空度控制单元，用于实现对悬浮实验样品加工过程中所需要的真空条件，具体可以采用真空规的对真空度进行测量、控制离子泵、分子泵使真空度保持到实验所需要的条件。本专利技术无容器材料加工系统，具有良好的地面静电悬浮技术基础，可以每批次加工样品36个，样品的加热温度可达到3000℃；通过模块化、集成化和组合式设计，可实现在轨维护、样品更换和功能扩展；具有反馈控制技术，能够准确掌握实验的实时状态。结构新颖、通用性好、功能更强、适应面更宽、可满足多类别材料科学研究需求的新一代材料科学实验系统。附图说明图1为本专利技术无容器材料加工系统的示意图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。本专利技术的无容器材料加工系统中配置了悬浮控制、形核触发、材料再辉测量、图像获取、加热温度控制等设备，通过控制加热、冷却、形核触发等能够精确给出材料的无容器凝固的温度起始点等材料凝固实验参数。本专利技术的完成，能够对各种材料进行空间无容器加工，适合非金属材料、以及金属材料的深过冷研究，材料适应范围广，为开展非金属材料深过冷研究提供良好的空间科学实验平台。能够适应熔点低、过冷大的材料在微重力、无容器条件下的凝固实验。本专利技术硬件的研制，能够为我国空间无容器材料科学研究测量过热、过冷熔体材料部分热物理特性，获得微重力无容器材料凝固样品以及准确的材料加工历史数据，成为我国空间材料研究重要组成部分，为材料科学研究提供良好的实验条件。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无容器材料加工系统，其特征在于，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块；温度控制模块，用于无容器材料加工过程中，采用双波长测温仪或单波长测温仪实现对材料样品的非接触温度测量，采用近红外波段的激光器对悬浮样品实现非接触加热；位置控制模块，与所述温度控制模块相连接，用于无容器材料样品的静电悬浮功能，采用对多个电极施加悬浮电压的方式，形成用于悬浮样品位置控制的可调控电场；实现不同种类材料样品的静电无容器悬浮控制；物性测量模块，与所述温度控制模块和位置控制模块相连接，用于无容器材料样品加工实验过程中热物性测量功能，采用高速相机、热物性辅助测量电极、悬浮样品振荡测量仪、双波长测温仪来实现对样品密度测定、表面张力以及粘性系数的测定、比热·凝固潜热测定和电导率测定；样品加工模块，与所述温度控制模块、位置控制模块和物性测量模块相连接，用于实现对悬浮样品的输送、释放、约束和回收功能；实现对多个材料样品，乃至不同类型的材料样品的深过冷加工与测量；综合控制模块，与所述温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块和样品加工模块相结合，采用步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制方法对悬浮样品的温度加热控制；采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法实现对材料样品的悬浮位置的控制；采用图像处理算法、振荡测量方法实现样品加热过程中的密度、表面张力、粘度系数、电导率热物性测量；采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；通过对悬浮熔融样品的形核触发控制方法实现对材料样品的可控深过冷凝固过程的调整。...

【技术特征摘要】
1.一种无容器材料加工系统，其特征在于，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块；温度控制模块，用于无容器材料加工过程中，采用双波长测温仪或单波长测温仪实现对材料样品的非接触温度测量，采用近红外波段的激光器对悬浮样品实现非接触加热；位置控制模块，与所述温度控制模块相连接，用于无容器材料样品的静电悬浮功能，采用对多个电极施加悬浮电压的方式，形成用于悬浮样品位置控制的可调控电场，实现不同种类材料样品的静电无容器悬浮控制；物性测量模块，与所述温度控制模块和位置控制模块相连接，用于无容器材料样品加工实验过程中热物性测量功能，采用高速相机、热物性辅助测量电极、悬浮样品振荡测量仪、双波长测温仪来实现对样品密度测定、表面张力以及粘度系数的测定、比热·凝固潜热测定和电导率测定；样品加工模块，与所述温度控制模块、位置控制模块和物性测量模块相连接，用于实现对悬浮样品的输送、释放、约束和回收功能，实现对多个材料样品，乃至不同类型的材料样品的深过冷加工与测量；综合控制模块，与所述温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块和样品加工模块相结合，采用步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制方法对悬浮样品的温度加热控制；采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法实现对材料样品的悬浮位置的控制；采用图像处理算法、振荡测量方法实现样品加热过程中的密度、表面张力、粘度系数、电导率热物性测量；采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；通过对悬浮熔融样品的形核触发控制方法实现对材料样品的可控深过冷凝固过程的调整；所述样品加工模块包括：样品室单元、样品盒单元、样品更换机构单元、石英腔更换单元和石英腔盘单元；所述样品盒单元上按圆周均匀放置样品，所述样品盒单元与机械手的位置偏心；所述样品更换机构单元，用于加工所述样品时，启动样品更换机构单元的样品换位电机，把所述样品旋转至机械手的位置，由样品抓取电机带动机械手将样品放至指定位置，然后机械手收回；样品加工完成之后回收所述样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回收至所述样品盒单元中对应的位置处；所述石英腔盘单元，放置有石英腔，所述石英腔位于所述样品的上下电极之间的样品加工位置，所述石英腔一端通过钢套固定，由机械手推至指定位置，机械手不退回，拖着石英腔，机械手收回，石英腔则回至所述石英腔盘单元相应位置；所述石英腔更换单元，用于更换石英腔。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟光杰，王飞龙，孙志斌，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11