[发明专利]磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的悬浮处理装置，尤其是在强磁环境下固态及液态抗磁性材料的失重状态无容器处理装置。

背景技术

空间环境下的材料处理技术是空间科学研究中最重要的研究方向之一。在空间环境下进行材料处理，主要是利用空间环境的失重条件。失重条件可以消除或大大减弱在重力场条件下存在的对流、沉降等现象，为材料处理带来新的手段，有利于获得新的或具备特殊性能的材料。此外，空间环境下，也很容易实现长时间的无容器材料处理。无容器材料处理技术主要利用悬浮状态下材料不与容器内壁接触的特点，可消除有容器材料处理中存在的器壁与处理材料之间的相互作用，如器壁造成的对材料的污染，及附着于器壁导致的材料应力等有害作用，有利于获得质量高、性能均一的材料。总之，空间是实现无容器失重材料处理的理想环境。

然而，尽管空间环境所提供的失重状态能够满足无容器、完全悬浮的要求，但是空间环境的利用受发射机会、成本等条件限制。因此，为充分利用每次空间科学实验的机会，提高其成功率，在地面寻找模拟手段进行预先实验，取得对空间科学实验有参考意义的实验结果，十分必要。此外，在地面发展的研究手段若能达到空间科学实验的目的，则可考虑使用地基手段替代相应的空间科学实验。因此，地面实验技术的研发，有着十分重要的意义。

在地面实现无容器失重条件比较困难，而使该条件长时间持续维持则更加困难。曾有利用落管装置实现无容器失重条件生长合金晶体的研究，此法对仅需数秒时间的瞬态科学研究十分有用，但不适宜于需要时间跨度较长的多数材料科学和生命科学实验。

地面重力场下的悬浮技术有声悬浮、气悬浮、静电悬浮、电磁悬浮等，这些技术虽然能够使材料在较长时间内处于无容器状态，但这些材料的内部受力不均匀，难以在力学环境方面很好地模拟空间失重状态。

从力学环境一致性的角度出发，可考虑在地面寻找能平衡物体自身重力的场力(或称为体力body force，即物体内部各点均同时受到物理场中同种性质的力的作用)。梯度静磁场对材料产生的作用力是一种场力，若使这种力与重力的大小相等，但方向相反，则可平衡重力，获得失重状态。为了通过这种途径实现失重状态，材料的悬浮位置必须满足磁场强度和磁场梯度足够大的条件(即大梯度强磁场条件，例如悬浮纯水的条件是：|μ02H(dH/dy)|>1370T2/m]]>)。20世纪90年代，研制的大型混合磁体可产生大梯度强磁场，实现抗磁性生命体及其他抗磁材料(自然界大多材料为抗磁性)的悬浮，可成功模拟空间失重状态。但混合磁体能耗过大，且持续时间较短，适宜于开展短时间的科学实验，难以推广应用于多数材料及生命科学研究。

近年来，超导磁体技术得到迅速发展，其性能已达到混合磁体悬浮生命体等抗磁性物质的能力，同时该技术解决了混合磁体不能长时间工作的问题。此外，与混合磁体相比，超导磁体的能耗几乎可忽略不计。因此，具备悬浮能力的超导磁体为在地面模拟失重条件下开展长时间材料科学及生命科学研究提供了一种新的途径。目前，利用具备悬浮能力的超导磁体进行材料科学和生命科学研究才刚刚开始，迫切需要用于该类超导磁体模拟失重状态下的长时间无容器悬浮实验装置，但迄今为止，该类装置报道极少，公开报道的用于磁体中的无容器、失重、悬浮抗磁性材料的装置仅有一类，而且这类装置是专为固态样品在悬浮状态下进行熔化凝固处理而设计的不具备液体样品进样系统，不能处理液态样品；其材料悬浮位置与外部空间直接相通，难以避免来自外部空间的污染及液态物质的挥发；或其悬浮腔中使用与外部相连的流动保护气氛，不能防止液态物质的挥发。同时，该类装置温控系统采用激光加热或电阻加热方式，只能加热，不能致冷，且温度难以精确控制。

发明内容