专利名称：梯度强磁场单向凝固结晶装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种梯度强磁场单向凝固结晶装置，属磁场控制晶体生长的晶体制备技术领域。
背景技术：
以往在磁场作用下单向凝固生长晶体材料的方法和装置上存在一些技术上的缺陷和不足，主要是在单向凝固生长晶体的过程中，由于溶质再分配和密度差别等原因，受重力的作用，易于产生溶质的偏聚、即偏析，这会导致晶体材料性能及其均质性降低。因而，为减轻这种偏析，人们曾采用在太空微重力环境或落管中生长晶体的方法，但是在太空环境生长晶体材料的费用昂贵，另外在落管中生长晶体时间太短，难以生长出实用材料，因此有必要寻找一种新的方法来制备完善均匀的晶体材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种在梯度强磁场控制下单向凝固结晶的装置。
本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的。
本实用新型的梯度强磁场单向凝固结晶装置，包括有装有超导线圈的超导磁体、加热元件、保温层、可控拉动装置等，其特征在于本装置的中央设有一盛放熔融态材料的坩埚或模型，其旁侧设有加热元件、加热元件外侧设置有保温层，再外侧贴近保温层处设有隔热水套，最外侧设置有超导线圈，超导线圈置于杜瓦罐内，在容器坩埚或模型的上方设置有保温密封盖，下部设置有隔热保温垫板；坩埚或模型内，上部的熔融态材料与操作过程中将形成的、位于下部的凝固结晶部分之间形成一凝固结晶界面；坩埚或模型的下面设置有可通入冷却剂的冷却器；装置下部的拉出装置的上面设有导轨和平台，拉出装置可使平台上的冷却器沿导轨向前移动，并带动上面坩埚或模型同步移动。
超导线圈通入直流电最高为1000A，产生的磁场的磁感应强度B为1-40T范围内，Bz(dBz/dz)值在200-3400T2/m范围内。
本实用新型是根据以下原理设计而成的任何物质均具有磁性，在梯度强磁场中均产生磁化力，其磁化力可表示为
F=χμ0(B‾.·▿)B‾]]>其中，F-磁化力，N/Kg；χ-质量磁化率；μ0＝4π×10-7Wb/m·A；B-磁场强度，T。力方向取决于χ(B·)B，当其与重力相反时可抵消重力，从而抑制偏析发生。同时，强静磁场也可对导电液体中的对流产生反向罗伦兹力从而加以抑制。现梯度强磁场已可经济地长期获得，因此可在地面上长期进行晶体材料和其他材料的生长，其费用则大大降低。
超导螺线管线圈在低温下处于超导态，通入电流后产生大于1特斯拉的强磁场，并根据晶体材料的磁性，设定χ(B·)B的方向和大小，使之与重力抵消；将欲生长的晶体材料的固/液界面保持在χ(B·)B值最大处附近，连续拉出已结晶部分，即可结晶出均匀的晶体材料。
本发明优点本实用新型装置结构简单、便于操作、能防止偏析而导致晶体均匀性降低并影响晶体材料的性能，能制备出完善均匀的晶体材料。本实用新型的装置可在地面实现微重力环境下凝固结晶，控制单向凝固结晶中溶质分布，制取成分和性能均匀的材料。
图1为本实用新型的强磁场下单向凝固结晶装置结构示意图。
图2为凝固结晶界面与磁场参数Bz(dBz/dz)间关系曲线图具体实施方式
现结合附图和实施例，将本实用新型装置进一步叙述于后。
实施例一，参见图1和图2，本实用新型的梯度强磁场单向凝固结晶装置，包括有装有超导线圈的超导磁体、加热元件、保温层、可控拉动装置等，本装置的中央设有一盛放熔融态材料4的坩埚或模型3，其旁侧设有加热元件2、加热元件2外侧设置有保温层8，再外侧贴近保温层8处设有隔热水套5，最外侧设置有超导线圈7，超导线圈7置于杜瓦罐6内，在容器坩埚或模型3的上方设置有保温密封盖1，下部设置有隔热保温垫板10；坩埚或模型3内，上部的熔融态材料4与操作过程中将形成的、位于下部的凝固结晶部分9之间形成一凝固结晶界面15；坩埚或模型3的下面设置有可通入冷却剂的冷却器11；装置下部的拉出装置14的上面设有导轨13和平台12，拉出装置14可使平台12上的冷却器11沿导轨13向前移动，并带动上面坩埚或模型3同步移动。
当超导磁体内的超导线圈处于低温超导态时，通入直流电，最高可达1000A，可产生10T以上的强磁场，并尽可能提高Bz(dBz/dz)的值，其中Bz为轴向磁感应强度，dBz/dz为磁场梯度(见图2)。
在操作过程中，首先根据材料的磁性和凝固特性确定凝固结晶界面位置15，然后将坩埚或模型3中材料4在无磁场在加热元件2的加热下熔化并保温足够时间，再向超导线圈7通入电流，使之产生预定强度磁场；其次，向冷却器16中通入冷却剂进行冷却或控制加热原件2加热功率，使凝固结晶界面15处于前确定的位置处；经一定时间，然后启动拉出装置14，使冷凝器11与平台12沿导轨13向前移动，从而带动坩埚或模型3同步移动，将已凝固部分9以预定速度拉出(保持凝固结晶界面15相对磁场位置不变)，直至熔体完全凝固结晶。
超导线圈通入直流电最高为1000A，产生的磁场的磁感应强度B为1-40T范围内，Bz(dBz/dz)值在200-3400T2/m范围内，根据材料而异。
所用材料可以是稀土金属、金属铜、金属铝及合金钢铁等。
权利要求1.一种梯度强磁场单向凝固结晶装置，包括有装有超导线圈的超导磁体、加热元件、保温层、可控拉动装置等，其特征在于本装置的中央设有一盛放熔融态材料(4)的坩埚或模型(3)，其旁侧设有加热元件(2)、加热元件(2)外侧设置有保温层(8)，再外侧贴近保温层(8)处设有隔热水套(5)，最外侧设置有超导线圈(7)，超导线圈(7)置于杜瓦罐(6)内，在容器坩埚或模型(3)的上方设置有保温密封盖(1)，下部设置有隔热保温垫板(10)；坩埚或模型(3)内，上部的熔融态材料(4)与操作过程中将形成的、位于下部的凝固结晶部分(9)之间形成一凝固结晶界面(15)；坩埚或模型(3)的下面设置有可通入冷却剂的冷却器(11)；装置下部的拉出装置(14)的上面设有导轨(13)和平台(12)，拉出装置(14)可使平台(12)上的冷却器(11)沿导轨(13)向前移动，并带动上面坩埚或模型(3)同步移动。
2.根据权利要求1所述的梯度强磁场单向凝固结晶装置，其特征在于，所述的超导线圈通入直流电最高为1000A，产生的磁场的磁感应强度B为1-40T范围内，Bz(dBz/dz)值在200-3400T2/m范围内。
专利摘要本实用新型涉及一种梯度强磁场单向凝固结晶装置，属磁场控制晶体生长的晶体制备技术领域。本实用新型包括有盛放熔融态材料的坩埚或模型，其旁侧设有加热元件、保温层，隔热水套，超导线圈，超导线圈置于杜瓦罐内，坩埚或模型的下面设置有可通入冷却剂的冷却器；装置下部的拉出装置的上面设有导轨和平台，拉出装置可使平台上的冷却器沿导轨向前移动，并带动上面坩埚或模型同步移动。超导线圈通入直流电最高为1000A，产生的磁场的磁感应强度B为1－40T范围内，Bz(dBz/dz)值在200－3400T
文档编号B22D27/02GK2715885SQ20042003733
公开日2005年8月10日 申请日期2004年7月8日 优先权日2004年7月8日
发明者任忠鸣, 邓康, 李喜, 钟云波 申请人:上海大学