[发明专利]一种高熔点材料颗粒相变过程高温光谱辐射特性测量系统

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种高熔点材料颗粒相变过程高温光谱辐射特性测量系统。

背景技术

材料的相变状态是玻璃制造、钢铁工业、半导体、航空航天等工业过程中的重要阶段，涉及到化工、冶金、航天、军事等多个领域。材料在相变过程中的辐射性质是重要研究对象。发展实验技术和数值模拟方法是研究材料相变过程高温辐射特性的两个主要方法。尽管在过去50年中关于高温熔融态材料方面的实验研究很多，但是进展有限，在传统加热炉里对置于容器中的高温熔融态样品进行研究时伴随着难以克服的困难，例如：样品与容器存在化学反应，样品容易被容器污染，由于异质形核作用难以获得深度过冷，很难到达1500℃以上的高温。

悬浮熔化凝固方法区别于传统的接触熔化凝固，是一种使材料从熔化到凝固过程中始终保持不与器壁接触的方法。这种方法可防止熔体接触污染，抑制非均匀形核，获得深度过冷及快速凝固效果，是一种研究与制备新材料的重要方法，应用前景广泛。目前悬浮材料技术主要有：静电悬浮、电磁悬浮、声悬浮和气动悬浮等。

上述各种方法在应用上都有各自的局限性：静电悬浮是目前最先进的悬浮技术，适合于能在表面保持足够静电荷以实现悬浮的材料，装置十分复杂，操作较难；电磁悬浮技术只适用于导体和半导体材料，悬浮加热不能独立控制；声悬浮原则上可以悬浮任何物质，但悬浮力较小，不能在真空下工作。目前，在弥散颗粒红外光谱辐射特性的测量方面，气动悬浮技术已经开始得到应用。由于粒子的尺寸太小，单个粒子的热物性测量难以实现，通常是在腔体内，利用气流吹起经过加热的粒子团簇，实现悬浮，测量悬浮状态粒子辐射特性问题。该方法的粒子加热温度不是很高，不适用于研究单个毫米级尺寸高熔点材料相变过程中的辐射特性，难以现实高温熔体冷却至凝固阶段的冷速控制。

实现高熔点材料相变过程气动悬浮和开展辐射特性测量实验的主要难点和要求如下：

(1)稳定悬浮状态：通过气动悬浮方法进行实验的过程中，气流要非常稳定，由于被悬浮颗粒或液滴比较小，一般只有30～50mg，直径1～3mm，即使微小的流量波动也可能破坏悬浮状态。当实验时间比较长时，要求能够长时间稳定悬浮，实验涉及到材料的相变，材料形态和重量也在不断变化，因此还必须保证能根据样品状态，对气流流量进行连续精确调节。

(2)熔化难熔材料：实验要求快速熔化高熔点材料，加热温度要达到3000K，并要求材料熔化后快速冷却，一般的加热方法很难实现。

(3)减少温度梯度：在悬浮加热的过程中，材料不同部分会存在温度差，主要是气流对材料底部的对流冷却作用和激光入射方向的影响引起的，当温度不均匀性较大时，可能造成实验无法开展。如何尽量减少实验材料的温度梯度，也是需要解决的问题。

(4)减少背景干扰：相变材料辐射特性测量实验中，需要考虑背景辐射的影响，例如，以红外激光为热源加热材料时会对待测样品的红外光谱信号的测量产生影响，必须去除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高熔点材料颗粒相变过程高温光谱辐射特性测量系统，解决了现有的测量设备结构复杂，无法进行高熔点材料颗粒相变过程高温辐射特性测量的问题。

本发明所采用的技术方案是包括活塞式空气压缩机，活塞式空气压缩机通过管道连接初级空气过滤器，初级空气过滤器通过管道连接冷冻式干燥机，冷冻式干燥机通过管道连接精密空气过滤器，精密空气过滤器、稳压罐、氮气瓶和氦气瓶分别通过管道连接四通阀，稳压罐通过管道连接稳压器，稳压器通过管道连接质量流量控制计，质量流量控制计通过导线连接控制器，质量流量控制计通过管道连接在线式空气加热器，在线式空气加热器通过管道连接喷管基座上安装的进气管路和冷却管路连接口，进气管路和冷却管路连接口还通过冷却循环管路连接水冷循环机，喷管基座上设有喷管，喷管基座和喷管置于高温室内，高温室顶部和底部分别设有激光光束窗口I和激光光束窗口Ⅱ，红外激光器发出的激光通过反射镜照射激光光束窗口I，紫外激光器发出的激光通过反射镜照射激光光束窗口Ⅱ，激光光束窗口Ⅰ两侧安装石英玻璃窗口Ⅰ和石英玻璃窗口Ⅱ，ICCD和紫外(红外)光谱仪通过导线连接控制器，ICCD和紫外(红外)光谱仪通过镜头对准石英玻璃窗口Ⅰ，高温计对准石英玻璃窗口Ⅱ，高温计通过导线连接控制器，脉冲延时发生器分别通过导线连接红外激光器、紫外激光器和控制器，高温室还通过管道连接抽真空设备。