[实用新型]超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置

说明书

技术领域

本实用新型属于材料技术领域，特别涉及一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置。

背景技术

液/固润湿与界面行为是材料制备、化工合成过程中一种常见的物理化学现象，广泛存在于金属熔炼、组织细化、液/固复合、电子封装、TLP连接、液相烧结等金属及其复合材料的制备过程，以及生物、化工与合成化学等领域；它是材料工程中的关键技术环节，在很大程度上决定材料制备的可能性，最终的组织性能，以及生产效率。

例如：在AlTiC 晶粒细化剂和TiC颗粒增强Al基复合材料的原位合成过程中，由于C（Carbon）与Al熔体间的润湿性差，C粉末常吸附气体等杂质，易产生氢键而聚集成团状，使Al熔体很难浸润到C粉末的内部进行反应；同时，C粉末易浮于Al熔体表面，与空气接触时发生氧化反应，而Al熔体表面的氧化膜也阻碍了润湿与反应的进行，使C与Al-Ti合金熔体间几乎不能发生TiC合成反应；而粒子相TiC与α-Al的界面结构，决定了TiC的形核活性与界面相容性；因此，C/Al界面润湿与界面结构调控问题，已成为制约AlTiC晶粒细化剂和TiC颗粒增强Al基复合材料制备与应用的技术瓶颈。

近二十年来，通过外场耦合方法改变材料的制备和加工环境，进而获得理想的组织与性能，已经成为材料改性的重要手段；包括电场、磁场、超声场以及它们之间复合作用在内的诸多方法，已被广泛关注和重点研究；高密度超声场具有空化(Acoustic Cavitation)效应与声流(Acoustic Streaming)作用，能改变金属熔体的传质行为，改善增强相与金属熔体间的润湿性，从而能提高粒子相对基体金属的强化效应；能影响增强相的迁移与运动行为，使增强相粒子获得外来能量，从团簇中解除聚并状态，呈弥散分布；能改变相界面的结构属性、可用于双相或多相液体的乳化与破乳处理。因此，通过声场协同条件优化与声场模式控制，可实现液/固界面的润湿和界面结构调控，包括界面反应热力学与动力学条件、以及组织演化过程与界面性能控制。

然而，超声场的声流作用会在熔体引起环流和紊流，加之固相界面的散射作用，会在熔体中形成混响声场，使声场中的声压值、振幅值和声流速度等声场协同条件紊乱，并且声场模式难以调控，使得熔体中各区域没有统一的空化阈值，导致在超声场熔体处理研究中，其实验结果会出现较大的数据分散性；例如：根据Jasiuniene等人的研究结果，在超声场耦合过程中，对于Disk shape transducer（圆片形辐射器）产生纵向振动时，将超声场能量传递给无限大熔体、并在辐射器前端熔体中出现散射后的声场分区情况及声场分布的模拟结果呈现了明显的不均匀现象（形成了混响声场），如果再考虑熔体边界的反射时，声场不均匀现象会更加严重。

因此，在原有的超声场耦合过程中，由于声场模式难以控制，使得熔体中的声场协同条件不统一，无法找到声场协同条件与液/固界面组织演变规律间的定量关系，也不可能准确揭示或验证超声场耦合下液/固润湿与界面结构调控的作用机制，以及相关工艺条件参数。

实用新型内容

针对现有超声场耦合对材料改性的方法在技术上存在的上述问题，本实用新型提供一种超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置，该装置可通过将超声波定向声束强耦合给金属熔体，并通过声场协同条件优化，在金属熔体中形成一定驻波可控声场；再通过声场传播，将能量耦合给液/固界面，最终实现超声场耦合下液/固界面的润湿与相互作用控制。

本实用新型的超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控装置包括真空罩、载物台、坩埚、辐射器、耦合器、加液器、加热电阻和热电偶；加热电阻、热电偶、载物台和坩埚位于真空罩内部，坩埚底部连接加热电阻，加热电阻底部与载物台连接；辐射器底端插入坩埚内，辐射器顶端穿过真空罩与耦合器连接，耦合器与超声电源通过导线连接；耦合器与超声电源通过导线连接；加液器穿过真空罩且底端插入坩埚内部；载物台底部与螺纹丝杠固定连接，螺纹丝杠穿过真空罩与驱动电机装配在一起；真空罩上设有真空接口，真空接口分别通过阀门与气氛控制系统、惰性气体系统和真空泵系统连通；加热电阻和热电偶同时与温控装置通过导线连接。

上述的辐射器由变幅杆和振动头组成；变幅杆为双曲线结构，振动头固定在变幅杆下部；变幅杆的上部设有冷却水套。

上述发真空泵系统由罗茨泵、旋片泵和扩散泵串联组成。

上述的气氛控制系统由分子筛和氧阱组成。

上述装置中的耦合器为电致伸缩结构。

本实用新型的超声场耦合下碳铝界面润湿与结构调控方法是采用上述装置，按以下步骤进行：