无容器材料加工系统的制作方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】无容器材料加工系统
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无容器材料加工系统，尤其设及一种在微重力条件下的无容器材 料加工系统。可W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。
【背景技术】
[0002] 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W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。
【发明内容】
[0003] 本发明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W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，W及实现微重力条件下 凝固的实验研究。
[0004] 为实现上述目的，本发明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
[0005] 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 执. "一，
[0006] 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；
[0007] 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W及粘性系数的测定、比热?凝固潜 热测定和电导率测定；
[000引样品加工模块，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；
[0009] 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 审IJ ;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；通过对悬浮烙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。
[0010] 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；
[0011] 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 械手的位置偏屯、；
[0012] 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.
[0013] 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；
[0014] 所述石英腔更换单元，用于更换石英腔。
[0015] 进一步的，所述样品加工模块还包括：紫外光单元、离子累单元、形核触发机构单 J L 〇
[0016] 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；
[0017] 所述双波长测温单元，用于测量所述样品的温度；
[0018] 所述激光加热单元，包括一台或一台W上近红外激光器，用于加热所述样品。
[0019] 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。
[0020] 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；
[0021] 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。
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 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。
[00巧]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。
[0026] 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；
[0027] 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；
[002引所述位置控制单元，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；
[0029] 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；
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 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；
[0033] 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W采用真空规的对真空度进行测量、控制离子累、分子累使真空度保持到实 验所需要的条件。
[0034] 本发明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W每批次加 工样品36个，样品的加热温度可达到300(TC ;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。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1为本发明无容器材料加工系统的示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0037] 本发明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。
[003引本发明的完成，能够对各种材料进行空间无容器加工，适合非金属材料、W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。能够适应烙点低、过冷大的材料在微重力、无容器条件下的凝固实验。
[0039] 本发明硬件的研制，能够为我国空间无容器材料科学研究测量过热、过冷烙体材 料部分热物理特性，获得微重力无容器材料凝固样品W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。
[0040] 本发明研究的是利用静电悬浮方法在空间站上开展材料科学实验的方法。主要研 制内容是实验平台的构建和可靠运行。
[0041] (1)样品位置控制技术
[0042] 在微重力状态下，样品的准确定位是利用静电悬浮实验装置进行空间材料科学实 验的最基本条件，也就是使样品稳定地处于几束加热激光的交叉点处。由于该问题的存在， 导致空间实验的设备和地面试验的设备是不一样的。该主要体现在Z(重力）方向的电源 上。在地面试验时，控制Z方向悬浮的电源需要较大的功率和较高的电压，另两对电源只 需要较小的电压对样品水平方向位置进行调整；但是在微重力下，不能确定主要的重力方 向，因此对于S轴要能产生几乎均等的力。
[0043] 静电悬浮是在上下两电极之间施加电场，样品先在下电极板上充电，带上电荷，在 电场的作用下，样品会脱离电极，向另外一个电极运动，其运动速度决定于电场大小、样品 带的电荷量W及样品材料特性，由于样品在脱离下电极板表面前，其电荷分布决定了与电 极板存在有相互吸引力因素（镜象力、吸附等），样品不容易脱离电极，一但脱离电极则因 为镜象力的迅速减小而快速飞向上电极，造成悬浮控制的困难。
[0044] 因此需要研究样品位置控制的方法，在样品释放的初始阶段，快速捕捉到样品悬 浮空间位置，并通过信号处理给出样品的空间坐标、运动速度和方向，然后给出相应的控制 信号W控制样品悬浮。
[0045] (2)样品温度控制技术
[0046] 温度控制技术需要在W下几个方面开展研究：
[0047] a)温度的稳走性控制。
[0048] 从S/四个方向同时加热，各方向的加热过程中存在相互影响（即禪合），该是一 个多输入多输出的控制系统，需要利用控制理论寻找鲁椿性强、简单可靠的解禪控制方法。
[0049] b)红外温度测量技术
[0化0] -般的红外温度测量仪不能够满足空间试验高可靠性的要求。需要研制精度高、 可靠性高、能够用于空间环境下进行温度测量的双波长温度测量计。
[0化1] C)大功率激光加热器
[0052] 激光器的转换效率和可靠性是激光加热器需要解决的两个重要问题。立足国内， 与专业厂家合作研究大功率激光加热器。
[0053] (3)热物性测量技术
[0化4] 在线原位检测分析模块可实现对样品的热物性测量。获得特定谱段的发射率、表 面张力、黏度特性，W及材料深过冷和加工历史之间的关系。需要研究的热物性测量方法包 括如下几个方面：
[005引 a)密度测定
[0056] b)表面张力W及粘性系数的测定
[0057] C)比热?凝固潜热测定
[0化引 d)电导率测定
[0059] (4)形核控制技术
[0060] 形核控制技术是在不同过冷条件下，依据实验的需要，引入非自发核屯、，使样品在 确定的温度条件下凝固。研究安全可靠性的形核方法，比较不同形核方法的优缺点，研究适 合于在空间条件下形核的技术。
[0061] 巧）样品输运系统
[0062] 样品的输运和回收是本发明中要研究的重要问题。样品从样品库中被送到加工位 置，加工完成之后再将其回收到样品库中，在微重力条件下，该是一个较难实现的过程。
[0063] 做窗口的污染问题
[0064] 样品在加热过程中会挥发，多次试验之后将会导致真空腔的窗口被污染。窗口被 污染之后，将会导致温度和样品位置测量不准确，激光加热效率降低，样品的图像模糊等一 系列影响试验获得圆满结果的问题。因此，在空间利用静电悬浮技术对材料样品进行加工 时，必须要解决样品挥发对窗口造成的污染问题。
[0065] 本发明无容器材料加工系统可W实现的科学研究内容。
[0066] 1、金属单晶生长界面形态演化及缺陷控制
[0067] 镶基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气祸轮发动机关键材料，地面重力 场中，重力驱动对流在合金凝固过程中始终存在，对铸造金属和凝固组织有很大影响。
[0068] W金属单晶为对象进行空间凝固实验，研究镶基单晶高温合金等在微重力和重 力环境下枝晶生长形貌和特征参数的差异W及成分偏析和缺陷形成的异同，揭示重力对枝 晶生长过程和成分偏析等现象的影响及其在凝固缺陷形成中的作用，获得对地面单晶合金 制备具有实用价值的理论指导。
[0069] 2、金属合金烙体深过冷、形核与凝固组织形成机理
[0070] 研究具有大过冷能力的合金材料在微重力和大过冷度条件下的形核、晶体生长、 凝固组织特征和性能，认识重力对合金深过冷形核、晶体生长（包括枝晶生长）、凝固组织 与性能、凝固或晶化过程动力学的影响规律，认识凝固过程及固液界面动力学特性，揭示微 重力条件下影响凝固过程和凝固组织的关键因素。
[0071] 研究结果可揭示金属凝固的本征规律，有望带来凝固理论研究的突破性进展，推 动金属凝固学科的技术进步，并用于指导材料凝固组织控制和性能改善，开发新型高性能 材料。
[0072] 3、新型无机功能材料无容器深过冷凝固与机理研究
[0073] 利用空间无容器加工实验平台，进行无机功能材料的无容器凝固机理研究，包括 过冷烙体中超常结构与性能亚稳相的形成条件、高温烙体热物性精确测量，W及无机材料 深过冷非平衡凝固机理等内容。制备具有特殊电、磁、光、热等性能的新型亚稳态功能材料， 开发超常结构与性能、极具工业利用价值的新型无机功能材料。认识重力对深过冷条件下 无机材料凝固组织的影响规律，揭示无机亚稳相的非平衡凝固动力学机制，建立无机材料 深过冷凝固理论，为无机材料快速凝固组织形态控制及其性能优化提供理论指导。
[0074] 4、金属合金的玻璃转变机制研究
[0075] 玻璃转变与玻璃本征性质研究一直是材料与凝聚态物理中最具挑战的科学难题 之一，对金属玻璃的本征性质认识与玻璃转变的理解将不仅将带来材料科学和凝聚态物理 在实验和理论上重大突破，也将为高性能材料的开发提供科学依据。
[0076] W具有较好玻璃形成能力的合金系在无容器条件或玻璃包覆技术基础上实现烙 体深过冷，研究亚稳结构形成和金属玻璃转变，认识合金烙体的过冷能力与玻璃形成能力 的关系，探讨金属玻璃的转变机制。
[0077] 5、壳核型结构形成机理研究
[007引根据自均匀分布状态向热平衡态趋近的动力学过程、热平衡态下的核/壳结构的 具体构型，W及核壳结构融合的动力学过程，研究非混溶体系界面能对温度、组分的依赖关 系，Marangoni运动造成的液核迁移的规律，温度梯度效应，磁性液态核的运动，W及磁性对 构型的依赖关系等。
[0079] 研究可为具有壳核组织偏晶合金粉末的制备奠定基础，为烧结、焊接等应用领域 提供科学基础，并为地球内核的研究提供可操控的模拟体系。
[0080] 6、固液界面作用与颗粒分聚行为研究
[0081] W烙体润湿性和液/固界面交互作用为理论指导，设计复合材料基体与增强相之 间的结合界面。研究空间条件下复合材料的界面设计和形成机理，合金烙体与增强固相间 的润湿性、液/固界面交互作用、原子扩散及凝固特性，W及在空间与地面不同条件下润湿 性变化规律，提出空间复合材料界面结构和性能特征，在界面理论上提出新的学术观点。
[0082] 研究可丰富和发展材料科学空间凝固理论，促进材料科学的发展和新型复合材料 的实际应用，指导地基凝固界面前沿夹杂颗粒行为控制。
[0083] 7、烙体平衡与非平衡态热物理性质测量
[0084] 利用无容器加工实验平台，通过在线测量金属、合金、非晶合金、半导体等多种材 料的热物理性质（导热系数、比热、表面福射率、表面张力、粘度和比体积等）及其随温度和 成分的变化规律，研究热物性、温度、合金成分、初始过热度、材料热历史、环境气氛等对烙 融合金热物理性能测量结果的影响，建立各热物性参数之间的关联，为探索晶体生长机制 与非晶合金形成机制提供必要理论基础。
[0085] 研究可获得一系列典型体系热物理性能的准确数值，为地面测量烙体热物性参数 提供校准，为地面材料设计和加工的计算与模拟提供依据。
[0086] 8、新一代激光/光学晶体材料空间生长研究
[0087] 利用材料科学实验平台，进行多种新一代激光/光学晶体材料的空间生长制备实 验，包括不同组分C旭nTe晶体的微重力下PVT生长机理和缺陷控制，空间生长大尺寸和组 分均匀的魄酸钟裡固烙体单晶、生长激光晶体Nd3+:NaY(W〇4)2及生长技术方案优化、空间 微重力环境下制备化4R0炬〇3)3晶体材料等。研究有助于解决我国在重要功能材料方面面 临的困境（如C旭nTe禁运和技术封锁），有望解决近红外半导体激光的倍频，实现高效率藍 绿激光的输出，获得高质量和高性能激光晶体。
[008引本发明无容器材料加工系统具有如下功能：
[0089] 1、提供无容器加工环境，避免器壁效应对材料性能的影响；可获得非同寻常的材 料深过冷能力，为寻找新材料和理解材料的凝固规律提供了其他设备无法比例的优势。
[0090] 2、可直接测量材料的再辉；从而确定材料的凝固起始点，能够确定材料的过冷特 性和过冷凝固关联关系。
[0091] 3、能够较精确得到材料无容器加工过程中烙化、凝固的温度起始点、凝固完成、冷 却到完成的加工历史数据；
[0092] 4、能够较为精确地测量材料的物性，尤其是高温材料的热物理性能，包括密度、表 面张力、粘性系数、比热、凝固潜热、电导率，为材料研究提供准确的基础数据；适用于重要 国防高温材料基础物理参数的测量。
[0093] 5、进行微重力条件下材料的形核触发，有利于获得空间材料凝固的规律。
[0094] 6、研究的材料覆盖面广，适用于研究金属和非金属材料；静电悬浮在材料适应性 上具有较大的优势，适合导体、绝缘体、半导体材料的加工。
[0095] 7、可提供3000°C的热环境，进行高烙点材料的实验；静电悬浮加工的加热温度范 围主要局限于激光所能够提供的能量，无其他技术制约，因此静电悬浮可适合高温材料加 工。
[0096] 8、可加工多数量多种类样品，有效地利用空间站提供的长时间的实验资源；静电 悬浮主要功能是对小样品进行精确的加工，能够加工批量的样品，对充分获得材料实验数 据，有效利用空间站的资源具备较大的优势。
[0097] 本发明无容器材料实验系统是W静电悬浮的方式将样品悬浮起来，不与任何器壁 进行接触。通过位置控制模块控制样品的悬浮位置；通过激光对悬浮的样品加热，使样品烙 化，利用图像获取设备获得样品烙化时的几何形状，并对其几何形状进行分析，获得样品材 料的物性参数。
[009引系统对航天器相关条件的适应性起主要决定作用的技术指标是样品尺寸和加热 温度。较大的样品尺寸和较高的加热温度，需要航天器提供较多的资源（主要是体积、重量 和功耗资源）。
[0099] 在地面上把Zr作为实验材料样品，在72W的激光功率下，实验材料样品吸收的功 率为5. 5W左右。实验材料样品的放热量（放射率为0. 3)。
[0100] 放热量超过入热量时则不能进行加热，因此可W根据各实验材料样品大小推出其 能够达到的温度。（p 1 mm可W加热到3100K，（p2mm可W加热到2300K，（p3mm可W加热到 1800K、q>4mm可W加热到1600K、(p5mm可W加热到1400K左右。
[0101] 由此可W看出，由于本系统的技术指标为样品直径为(p3-5mm，加热温度为 3000°C，该样需要航天器提供一个实验柜的资源。
[0102] 在地面条件下，一台输出功率40W的激光器，其重量为18kg，体积为 420mm*337mm*174mm。它的体积相当于 1/2 个 SPU。
[0103] 大功率激光器还存在散热的问题。W激光器效率为40%计算，每台激光器输出功 率为40W，其输入功率为100W，将产生60W的热量。四台激光器将产生240W的耗散热量。
[0104] 图1为本发明无容器材料加工系统的示意图，如图所示，本发明的系统包括：温度 控制模块1、位置控制模块2、物性测量模块3、样品加工模块4、综合控制模块5。
[01化]温度控制模块1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2与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3与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W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4与温度控制模块、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5与温度控 审臘块、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 烙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。
[0106] 具体的，温度控制模块1由双波长测温单元11和激光加热单元12组成；位置控制 模块2由位置传感器单元21、激光单元22和电源单元23组成；物性测量模块3由摄像机 单元31、图像采集单元32组成；样品加工模块4由样品室单元41、紫外光源单元42、离子 累单元43、形核触发机构单元44、样品盒单元45、石英腔盘单元46、样品更换机构单元47、 石英腔更换机构单元48组成；综合控制模块5由温度控制单元51、位置控制单元52、紫外 光源控制单元53、形核触发控制单元54、样品更换控制单元55、石英腔更换控制单元56、通 讯单元57和真空控制单元58组成。
[0107] 样品加工模块4主要由样品室单元47、样品盒单元45、样品更换机构单元47、石英 腔更换单元48、石英腔盘单元46组成，此外还包括紫外光单元42、离子累单元43、形核触发 机构单元54。
[0108] 样品盒单元，样品盒单元上按圆周均匀放置样品，样品盒单元与机械手的位置偏 屯、；样品更换机构单元，用于加工样品时，启动样品更换机构单元的样品换位电机，把样品 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，将样品回收至样品 盒单元中对应的位置处；石英腔盘单元，放置有石英腔，石英腔位于样品的上下电极之间的 样品加工位置，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，石英腔则回至石英腔盘单元相应位置；石英腔更换单元，用于更换石英 腔。
[0109] 样品上下电极之间样品加工位置处放置一个石英腔，W保证样品在上电极中屯、方 向上移动。样品盒通过样品换位电机带动做旋转运动。
[0110] 样品盒单元上按圆周均匀放置样品，样品盒与机械手的位置偏屯、，当要加工某个 样品时，启动样品换位电机，把该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。
[0111] 样品加工完成之后回收样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回 收至样品盒中对应的位置处。然后换位，可继续加工下一个样品。
[0112] 石英腔放置于一个做旋转运动的圆盘上（石英腔盘），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。
[0113] 更换石英腔时，机械手收回，石英腔则回至圆盘相应位置。
[0114] 温度控制模块1的功能是；1)利用双波长测温计精确地测量样品的温度；2)利用 激光加热实现样品的加热。
[0115] 温度控制模块1由双波长测温单元11和激光加热单元12组成。加热采用可W进 行有效加热样品的激光器。激光波长为可W加热金属的808nm(或者976nm)半导体激光 器。激光器的输出功率为160W(40WX4)，采用光纤从激光输出端口到样品加工模块进行导 光。为保证安全，需要用金属管屏蔽光路。将从四个方向对样品进行加热。加热过程按预 定的加热曲线完成样品的加热和冷却过程。
[0116] 双波长测温仪需要两台，一台用于低温测量，另一台用于高温测量。双波长测温仪 具有如下的技术指标：
[0117] (1)功率 10W
[0118] (2)测温精度 ±10°C
[0119] 双波长测温技术的基本原理是；选定两个比较相近的波长，测量样品在该两个波 长上福射的能量，该能量与样品材料的发射率、样品对探测器的立体角、样品温度W及选定 波长有关。将两个能量值相比，若波长比较相近，可W认为发射率近似相等，且立体角相等， 波长已知，则该比值只与样品温度有关。
[0120] 对于黑体福射，根据普朗克定律有：
[0121]
【权利要求】
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。
2. 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 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。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品加工模块还包括：紫外光单元、 离子泵单元、形核触发机构单元。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，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。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，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。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，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。
7. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，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。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述摄像机单元包括局部观察摄像机和 高速摄像机。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，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，用于材料悬浮样品在深过冷状态下，通过蒸发舟、纳米材 料细丝实现对材料悬浮样品凝固过程控制； 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。
【文档编号】G01N1/44GK104503380SQ201410664890
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】翟光杰, 王飞龙, 孙志斌 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心