[发明专利]一种带加热功能的高温流体密度测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体密度测试装置，尤其涉及一种带加热功能的高温流体密度测试装置。

背景技术

材料产业作为制造业发展的基础，已成为当今国际科技和产业竞争的重点领域之一。2010年中国国务院印发了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，将新材料产业列入七大战略性新兴产业，指出了新材料在国民经济和社会发展中的基础性、关键性作用。之后，“十二五”发展规划再次指出要发展新材料产业，并重点发展特种金属功能材料等产业群。作为功能材料中具有宝贵物理特性的晶体材料，由于其能实现电、磁、声、光和热等各种能量形式的转换，被广泛地应用在航天航空、国防工业、电子通信等技术当中，是现代科技及其产业不可或缺的重要材料。随着工业的发展，人们对晶体材料的质量要求越来越高，天然生长的晶体无论是从数量上，还是从质量上已经远不能满足工业需求，因此通过人工方法生长晶体受到了人们的高度重视。密度是晶体材料性质的最基本参数,反映了物质致密的程度,是结构变化敏感物理性质之一。不同于密度随温度线性减小的常规流体，硅、镓、锗、HgCdTe及CdZnTe等常用晶体材料在高温熔融状态时其密度并不是温度的单调函数，而是在某一特定温度下存在一个密度极值，当温度偏离此特定值时，密度均减小，此时，密度极值两侧的流体层密度梯度方向分别与温度梯度方向相同或相反，形成强度近似的双涡胞或者多涡胞流动结构，其会改变晶体结晶界面的温度场和浓度场分布，从而影响生长界面的推移和掺杂物在晶体中的均匀分布，即宏观偏析。另外，流体系统极不稳定，熔池内常产生速度、温度和浓度的涨落，这将引起晶体中化学成分的变化，导致晶体条纹的出现，即微观偏析。微观偏析导致晶体性能的不均匀，并产生位错和应力的不均匀，甚至严重影响晶体的性能。因而，准确测量晶体材料熔融状态(熔体)时密度随温度的变化曲线，找出密度极值点所对应的温度，在晶体生长中避免密度倒置特性的影响可以大幅度提高晶体质量及生长规模。另外，获取工质在较高温时的密度也是热力学函数的计算及无机材料和冶金工程等领域工程设计所需的基本参数。

现阶段传统的密度测试方法仍以浮力法为主，测试设备主要包括浮子、连接杆、称、烧杯、测试台等。测试时，将一定质量体积的浮子放置在被测液体中，浮子上方有连接绳连接称。通过称得浮子在液体中的重量，减去空气中浮子的重量，获取其在水中的浮力。利用阿基米德原理，即浮子在水中的浮力等于相同体积水的重量，除以浮子的体积，计算得到密度。密度计算公式为：

浮力法测量常温液体密度已经较为成熟可靠，但是将这种方法用到晶体材料熔体等高温流体密度极值的测量中，却鲜有文献报道。晶体材料熔体通常温度较高，常用的液体密度测试装置无法完成待测工质的加热、温度的控制、不同温度下工质密度的实时测量等，进而无法得到熔体的密度极值。

传统液体密度测试装置的局限性较大，仅仅能够测量常温情况下的液体密度，并不便于获取高温熔体密度极值。这是由于：

1、常用的密度测试装置仅用来测量常温液体密度，测试装置并没有相应的温度加热、温度控制系统，而晶体材料熔点通常都较高，例如硅的熔点在1400℃以上。此时，常温液体密度测试装置因其材料承受温度的限制而不再适用。需要设计一套具有温度加载功能的用于高温测试环境的密度测试装置。

2、传统的液体密度测试采用离线测量，称重采用机械式，手工记录，计算重量。这种情况下，测得的液体密度为某个温度点的密度。而工质密度往往随着温度呈连续性变化，传统的液体密度测试装置无法实时同步检测，即不能准确获取密度实时变化规律，进而不利于待测工质密度极值的确定。

3、传统的浮子与称连接采用细绳连接，这就要求待测工质密度小于浮子密度才可进行测量，而晶体材料的熔体密度通常较大，一般的浮子无法沉浸在流体中，且高温环境下常用的细绳容易烧断，无法起到连接浮子以传递浮力的作用，此时传统液体密度测量系统已经无法适用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种适用于高熔点工质密度测量的带加热功能的高温流体密度测试装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：