[发明专利]利用液滴冷却实现微量材料高速降温的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料微结构的获得与分析技术领域，具体是一种利用液滴冷却实现高速降温的装置及方法。

背景技术

工业上常以高于1000K/s的降温速率将样品从熔体淬冷为固体(例如注塑、吹膜等)，在这样一个复杂的过程中可以形成具有不同程度有序结构以及重组结构的材料，包括一些高分子、金属、共混物以及合金等。而最近快速发展的添加剂技术以及3D打印技术中也涉及到少量熔体快速冷却的过程，因此以实验方法模拟工业快速冷却，了解微量材料(从纳克到几十微克)的淬冷过程是非常重要的，这可以帮助我们了解在工业上涉及的快速冷却过程中材料内具体发生了什么，从而可以更好的指导未来的工业生产。

金属和高分子都是非常重要的材料，都需要传统手段无法达到的降温速率。通过减少样品尺寸，使用气体冷却，可以实现可控的高速降温。超快扫描量热仪 (FSC)便是这样一种在高速升降温过程中观测材料的杰出技术手段。它不仅可以制备具有精确热历史的样品，同时可以在很高的扫描速率下对其进行分析，通过超高速扫描(通常是100000K/s以上)，捕获微小样品在不同温度或时间时的结构快照。但是FSC的快速扫描也具有其局限性，特别是对样品质量的要求以及当样品温度达到周围环境温度时对扫描速率的影响。

由于气体具有极佳的导热系数和热容，热惯性较低，当样品需要快速从加热切换到冷却时，使用空气冷却是非常有效的。但是，同样也是因为这些气体性质，当样品与气体之间的温差趋近于零时，降温效率会非常明显的受到限制。实际上， FSC使用的传感器只有在温度高于气体温度500K时才能够实现10⁶K/s的降温速率，当温度高于炉温100K时只能达到1000K/s，而高于炉温50K时则只能达到100K/s。当温度达到特定值以下后降温速率急剧下降，这种现象被称作弹道冷却(如图1所示)，尤其对于质量较大的样品，弹道冷却的影响尤其明显。如果以氦气代替空气则可以明显减少弹道冷却，或者可以通过降低气体温度从而在特定的温度避免弹道冷却，比如说在液氮冷却的空气或氦气中进行实验。但这种方法也不是总是可行的，会受到实验平台和测试条件的影响。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的上述缺陷，本申请提供了一种以液体降温代替气体降温、达到更高降温速率的高速降温装置，并提供了利用该装置实现高速降温的方法。

技术方案：本发明所述的一种利用液滴冷却实现微量材料高速降温的装置，包括：注射器，与注射驱动器相连接，用于滴加挥发性冷却液体；置于注射器正下方的温度传感器，包括热电堆冷端和热端，内置有加热电阻器，表面附有氮化硅薄膜，微量材料即置于氮化硅薄膜上；数据采集器，用于采集温度传感器的热电堆信号和加热电阻器信号；气体吹扫设备；控制中心，所述注射器、温度传感器、数据采集器以及气体吹扫设备均与控制中心相连接。

其中，所述装置需要通过注射驱动器和注射器控制冷却液滴的大小和流速，确保冷却液滴首先接触样品的表面而不是传感器的薄膜，在这种情况下冷却效率最高。

用于注射液滴的注射器可以是任何一种可以使液体形成稳定细流或者液滴的装置，例如医用注射器和普通PE滴管均可以。也可以是其他注射装置，比如微流控装置等。需要注意的是，液滴的直径需要大于样品的直径，液滴的直径越大，冷却的效率越高。一般情况下，直径大约2mm的液滴即可实现高速降温。

进一步的，所述冷却液体为具有一定挥发性的液体，在样品冷却之后可通过干燥的气流吹扫，在环境温度下去除冷却用液滴且不改变样品的热历史。由于莱顿弗洛斯特效应，液体挥发太快会导致其在热的传感器上沸腾，从而影响降温的效率，甚至中断冷却；另外当传感器测试面积不同时冷却液滴的沸腾情况也不同，因此需要根据不同面积的传感器选择不同性质的冷却液体。

优选的，所述冷却液体为冷乙醇，温度范围是-50℃到0℃。优选-20℃。

任何不溶解或者不吸收冷却液体的样品均可以使用于该装置，根据所使用温度传感器的加热面积，样品的直径可从几微米到几百微米不等。

所述温度传感器为任何目前可用的商用真空规薄膜传感器(XENSOR.NL)，例如XI394，XI395和XI400等。进一步的，本申请中采用的所述XI394测量区域为8×6μm²、XI395测量区域为60×60μm²、XI400测量区域直径为500μm。