強(qiáng)磁場下定向凝固裝置的設(shè)計及觀察系統(tǒng)-

1、    強(qiáng)磁場下定向凝固裝置的設(shè)計及觀察系統(tǒng)*    耿鐵強(qiáng)+熊超宇+任慶鑫+關(guān)思宇+李犇+婁長勝：2095-6835（2016）07-0103-02摘 要：定向凝固技術(shù)作為功能晶體生長與材料取向強(qiáng)化的主要方法之一，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。為了進(jìn)一步提高材料的性能，許多學(xué)者將電磁場與定向凝固技術(shù)相結(jié)合，并基于電磁場可抑制熱對流的特點，開發(fā)了新型的定向凝固技術(shù)。由于透明類金屬晶體材料具有熔點低和光學(xué)透明等特點，所以，可在實驗中觀測，從而使人們更加深入地認(rèn)識凝固基本理論。因此，研制了新型強(qiáng)磁場下的定向凝固觀察裝置。關(guān)鍵詞：磁場；定向凝固裝置；丁二腈

2、；cmos工業(yè)相機(jī)：tg111.4 ：a doi：10.15913/ki.kjycx.2016.07.103隨著材料制備加工技術(shù)的發(fā)展，新材料不斷向著產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，這有效提升了傳統(tǒng)材料的使用性能。對于金屬的凝固過程控制而言，一方面要獲得晶粒細(xì)小、組織致密、性能優(yōu)良的產(chǎn)品；另一方面，應(yīng)綜臺利用各種手段開發(fā)新的凝固成形工藝，改進(jìn)金屬的熔煉、凝固、成形過程，以滿足不同情況下的特殊要求。透明模型合金在強(qiáng)磁場下的定向凝固裝置可對實驗裝置的各個模塊進(jìn)行測試和調(diào)節(jié)。對透明類金屬物質(zhì)-99.9%的丁二腈透明模型合金定向凝固過程進(jìn)行了實時觀測，利用cmos工業(yè)相機(jī)實時觀察和記錄了丁二腈晶體在不同強(qiáng)度磁場下生

3、長時的界面形態(tài)，分析了不同強(qiáng)度的磁場對晶體生長界面形態(tài)變化的影響，并觀察了定向凝固時枝晶的演化過程。本文研究的內(nèi)容為有效觀測金屬凝固過程中的界面奠定了基礎(chǔ)。1 磁場下定向凝固實驗裝置的特點目前，定向凝固裝置大多被用于實驗中，其設(shè)計思路各不相同。其中，比較成熟且應(yīng)用較多的是模塊化設(shè)計，比如加熱模塊、冷卻模塊、抽拉模塊、觀察模塊等的設(shè)計。這樣的設(shè)計便于實驗裝置的搭建，可根據(jù)實際情況調(diào)整各個模塊的參數(shù)，從而及時解決實驗過程中存在的問題，且模塊具有外形美觀、實用的特點。本實驗裝置采用了模塊化設(shè)計，根據(jù)磁場的形狀、尺寸，采用了對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便于修改、控制各參數(shù)及確定中心位置。實驗裝置由磁場、加熱模塊

4、、冷卻模塊、控制模塊、觀察模塊五部分組成。2 強(qiáng)磁場對實驗裝置的要求2.1 材料要求定向凝固裝置在超強(qiáng)磁場中工作時，為了防止裝置與超強(qiáng)磁場相互干擾，所有裝置均選用順磁材料制成；為了防止超強(qiáng)磁場對相機(jī)及傳輸信號造成干擾，在磁場中所有的相機(jī)上設(shè)置了相應(yīng)的磁屏蔽；為了滿足精度要求，在實驗過程中將裝置固定在了磁場中心。2.2 尺寸要求由于本實驗裝置最終要運用在磁場中，而磁場的空間是有限的（本實驗用到的磁場的直徑為250 mm，長度為700 mm）所以，在設(shè)計實驗裝置時必須考慮其尺寸，從而保證可將其放置于磁場中心位置。本實驗裝置采用對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計，既可確保定向凝固部分處于磁場中心，又可保證實驗裝置在磁場

5、中的水平度。3 磁場下定向凝固實驗裝置的結(jié)構(gòu)本實驗設(shè)計的定向凝固裝置由強(qiáng)磁場、加熱模塊、冷卻模塊、觀察模塊、控制模塊、五部分組成。3.1 強(qiáng)磁場本實驗的超導(dǎo)強(qiáng)磁體的工作空間為一個豎直的圓柱形通孔，內(nèi)徑為250 mm，長度為700 mm，工作空間的溫度為室溫。強(qiáng)超導(dǎo)材料制成的線圈冷卻至超導(dǎo)態(tài)，然后在線圈中通入大強(qiáng)度直流電，進(jìn)而在工作空間中產(chǎn)生豎直方向的穩(wěn)定超強(qiáng)磁場。磁場中心的感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)，且在工作空間軸向方向上，磁場中心范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較均勻。磁場中心位置與磁體底部的距離為427 mm，在放置實驗裝置時，必須確保樣品與磁場中心在同一高度、同一水平面，從而保證磁場強(qiáng)度的精準(zhǔn)性。3.2 加熱模塊

6、要想在定向凝固裝置中建立溫度梯度場，加熱區(qū)就必須提供足夠的熱量。該實驗裝置的加熱區(qū)具備熔化試樣的功能。為了避免因感應(yīng)加熱中電動力造成的固液界面不平穩(wěn)現(xiàn)象和消除強(qiáng)磁場對電流的影響，進(jìn)而導(dǎo)致凝固方向與軸向柱晶偏離、樣品性能下降，該定向凝固加熱系統(tǒng)采用了電阻加熱的方式。如圖1所示，加熱模塊由2塊獨立的加熱片和上、下2塊鋁板組成，輸入電壓為220 v，具有加熱速度快、溫度穩(wěn)定、加熱均勻等特點，鋁板作為傳熱面具有加熱均勻、受熱面積穩(wěn)定的特點。此外，加熱片外包裝材料選用了鋁材，可滿足強(qiáng)磁場下的實驗需求；控制面板中的加熱模塊溫控儀可自動設(shè)定加熱溫度，最高加熱溫度可以達(dá)到100.0 ，溫度精度可達(dá)0.1 。3

7、.3 冷卻模塊冷卻模塊用于快速冷卻試樣一端，可獲得穩(wěn)定的溫度梯度，從而實現(xiàn)樣品從受冷端開始凝固的目標(biāo)，并能觀察試樣組織的相轉(zhuǎn)變。本實驗冷卻模塊由2塊帕爾貼組成，如圖2所示。1834年，法國科學(xué)家帕爾貼發(fā)現(xiàn)了熱電致冷和致熱現(xiàn)象，即溫差電效應(yīng)。在本實驗中，由n、p型材料組成一對熱電偶，當(dāng)熱電偶通入直流電流后，因直流電通入的方向不同，將在電偶結(jié)點處出現(xiàn)吸熱和放熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀爾帖效應(yīng)。通過帕爾貼元件可將冷端溫度控制在常溫狀態(tài)，溫度可在1040 之間調(diào)節(jié)，從而可滿足不同溫度梯度的需求。3.4 控制模塊控制模塊由測溫元件和控溫元件組成。3.4.1 測溫元件本實驗裝置的測溫元件為2塊薄膜熱電阻，型號

8、為pt100，溫度范圍為-50600 ，分別固定在冷、熱端的開口處。為了防止熱電阻短路，固定前需要在熱電阻的補(bǔ)償線上先涂抹指甲油。指甲油具有絕緣、透明、耐熱等特點，可滿足實驗要求。3.4.2 控溫元件本實驗裝置的控溫元件由2塊溫控儀組成，如圖3所示。熱端溫控儀的型號為xmtd-808，精度為0.5級；冷端溫控儀的型號為xmt-615，精度為0.5級。3.5 觀察模塊觀察模塊由工業(yè)相機(jī)和自制支架組成，如圖4所示。相機(jī)的產(chǎn)品型號為mq36-200，產(chǎn)品名稱為usb 2.0 200萬數(shù)碼攝像頭；圖像傳感器為1/2彩色/cmos圖像傳感器，像素尺寸為3.2 m×3.2 m，光譜響應(yīng)為4001 000 nm，掃描方式為逐行掃描，分辨率為640×480、1 280×1 024、1 600×1 200，傳輸速率為30f640×480、15f1 280×1 024，白平衡為自動/手動，自動曝光控制為自動/手動，圖像輸出為usb 2.0（480 mb/s）；電源為usb 2.0（5 v）；工作溫度為050 。4 磁場下的定向凝固實驗裝置設(shè)計將上述各模塊按照調(diào)試好的距離組裝并固定后，便可得到最終的實驗裝置，如圖5所示。參考文獻(xiàn)1高志玉.熱電磁流體動力學(xué)效應(yīng)對鋁合金定向凝固顯微組織的影響d.沈陽：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007.2