耿鐵強(qiáng)++熊超宇++任慶鑫++關(guān)思宇++李犇++婁長(zhǎng)勝

文章編號(hào)：2095-6835（2016）07-0103-02

摘 要：定向凝固技術(shù)作為功能晶體生長(zhǎng)與材料取向強(qiáng)化的主要方法之一，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。為了進(jìn)一步提高材料的性能，許多學(xué)者將電磁場(chǎng)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合，并基于電磁場(chǎng)可抑制熱對(duì)流的特點(diǎn)，開發(fā)了新型的定向凝固技術(shù)。由于透明類金屬晶體材料具有熔點(diǎn)低和光學(xué)透明等特點(diǎn)，所以，可在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)，從而使人們更加深入地認(rèn)識(shí)凝固基本理論。因此，研制了新型強(qiáng)磁場(chǎng)下的定向凝固觀察裝置。

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)；定向凝固裝置；丁二腈；CMOS工業(yè)相機(jī)

中圖分類號(hào)：TG111.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.103

隨著材料制備加工技術(shù)的發(fā)展，新材料不斷向著產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，這有效提升了傳統(tǒng)材料的使用性能。對(duì)于金屬的凝固過程控制而言，一方面要獲得晶粒細(xì)小、組織致密、性能優(yōu)良的產(chǎn)品；另一方面，應(yīng)綜臺(tái)利用各種手段開發(fā)新的凝固成形工藝，改進(jìn)金屬的熔煉、凝固、成形過程，以滿足不同情況下的特殊要求。

透明模型合金在強(qiáng)磁場(chǎng)下的定向凝固裝置可對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試和調(diào)節(jié)。對(duì)透明類金屬物質(zhì)-99.9%的丁二腈透明模型合金定向凝固過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)，利用CMOS工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)觀察和記錄了丁二腈晶體在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)下生長(zhǎng)時(shí)的界面形態(tài)，分析了不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)界面形態(tài)變化的影響，并觀察了定向凝固時(shí)枝晶的演化過程。本文研究的內(nèi)容為有效觀測(cè)金屬凝固過程中的界面奠定了基礎(chǔ)。

1 磁場(chǎng)下定向凝固實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

目前，定向凝固裝置大多被用于實(shí)驗(yàn)中，其設(shè)計(jì)思路各不相同。其中，比較成熟且應(yīng)用較多的是模塊化設(shè)計(jì)，比如加熱模塊、冷卻模塊、抽拉模塊、觀察模塊等的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)便于實(shí)驗(yàn)裝置的搭建，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整各個(gè)模塊的參數(shù)，從而及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，且模塊具有外形美觀、實(shí)用的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)裝置采用了模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)磁場(chǎng)的形狀、尺寸，采用了對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于修改、控制各參數(shù)及確定中心位置。實(shí)驗(yàn)裝置由磁場(chǎng)、加熱模塊、冷卻模塊、控制模塊、觀察模塊五部分組成。

2 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的要求

2.1 材料要求

定向凝固裝置在超強(qiáng)磁場(chǎng)中工作時(shí)，為了防止裝置與超強(qiáng)磁場(chǎng)相互干擾，所有裝置均選用順磁材料制成；為了防止超強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)相機(jī)及傳輸信號(hào)造成干擾，在磁場(chǎng)中所有的相機(jī)上設(shè)置了相應(yīng)的磁屏蔽；為了滿足精度要求，在實(shí)驗(yàn)過程中將裝置固定在了磁場(chǎng)中心。

2.2 尺寸要求

由于本實(shí)驗(yàn)裝置最終要運(yùn)用在磁場(chǎng)中，而磁場(chǎng)的空間是有限的（本實(shí)驗(yàn)用到的磁場(chǎng)的直徑為250 mm，長(zhǎng)度為700 mm）所以，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)必須考慮其尺寸，從而保證可將其放置于磁場(chǎng)中心位置。本實(shí)驗(yàn)裝置采用對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可確保定向凝固部分處于磁場(chǎng)中心，又可保證實(shí)驗(yàn)裝置在磁場(chǎng)中的水平度。

3 磁場(chǎng)下定向凝固實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的定向凝固裝置由強(qiáng)磁場(chǎng)、加熱模塊、冷卻模塊、觀察模塊、控制模塊、五部分組成。

3.1 強(qiáng)磁場(chǎng)

本實(shí)驗(yàn)的超導(dǎo)強(qiáng)磁體的工作空間為一個(gè)豎直的圓柱形通孔，內(nèi)徑為250 mm，長(zhǎng)度為700 mm，工作空間的溫度為室溫。強(qiáng)超導(dǎo)材料制成的線圈冷卻至超導(dǎo)態(tài)，然后在線圈中通入大強(qiáng)度直流電，進(jìn)而在工作空間中產(chǎn)生豎直方向的穩(wěn)定超強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)中心的感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)，且在工作空間軸向方向上，磁場(chǎng)中心范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較均勻。磁場(chǎng)中心位置與磁體底部的距離為427 mm，在放置實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，必須確保樣品與磁場(chǎng)中心在同一高度、同一水平面，從而保證磁場(chǎng)強(qiáng)度的精準(zhǔn)性。

3.2 加熱模塊

要想在定向凝固裝置中建立溫度梯度場(chǎng)，加熱區(qū)就必須提供足夠的熱量。該實(shí)驗(yàn)裝置的加熱區(qū)具備熔化試樣的功能。為了避免因感應(yīng)加熱中電動(dòng)力造成的固液界面不平穩(wěn)現(xiàn)象和消除強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電流的影響，進(jìn)而導(dǎo)致凝固方向與軸向柱晶偏離、樣品性能下降，該定向凝固加熱系統(tǒng)采用了電阻加熱的方式。如圖1所示，加熱模塊由2塊獨(dú)立的加熱片和上、下2塊鋁板組成，輸入電壓為220 V，具有加熱速度快、溫度穩(wěn)定、加熱均勻等特點(diǎn)，鋁板作為傳熱面具有加熱均勻、受熱面積穩(wěn)定的特點(diǎn)。此外，加熱片外包裝材料選用了鋁材，可滿足強(qiáng)磁場(chǎng)下的實(shí)驗(yàn)需求；控制面板中的加熱模塊溫控儀可自動(dòng)設(shè)定加熱溫度，最高加熱溫度可以達(dá)到100.0 ℃，溫度精度可達(dá)0.1 ℃。

3.3 冷卻模塊

冷卻模塊用于快速冷卻試樣一端，可獲得穩(wěn)定的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)樣品從受冷端開始凝固的目標(biāo)，并能觀察試樣組織的相轉(zhuǎn)變。本實(shí)驗(yàn)冷卻模塊由2塊帕爾貼組成，如圖2所示。1834年，法國(guó)科學(xué)家帕爾貼發(fā)現(xiàn)了熱電致冷和致熱現(xiàn)象，即溫差電效應(yīng)。在本實(shí)驗(yàn)中，由N、P型材料組成一對(duì)熱電偶，當(dāng)熱電偶通入直流電流后，因直流電通入的方向不同，將在電偶結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)吸熱和放熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。通過帕爾貼元件可將冷端溫度控制在常溫狀態(tài)，溫度可在10～40 ℃之間調(diào)節(jié)，從而可滿足不同溫度梯度的需求。

3.4 控制模塊

控制模塊由測(cè)溫元件和控溫元件組成。

3.4.1 測(cè)溫元件

本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)溫元件為2塊薄膜熱電阻，型號(hào)為PT100，溫度范圍為-50～600 ℃，分別固定在冷、熱端的開口處。為了防止熱電阻短路，固定前需要在熱電阻的補(bǔ)償線上先涂抹指甲油。指甲油具有絕緣、透明、耐熱等特點(diǎn)，可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.4.2 控溫元件

本實(shí)驗(yàn)裝置的控溫元件由2塊溫控儀組成，如圖3所示。熱端溫控儀的型號(hào)為XMTD-808，精度為0.5級(jí)；冷端溫控儀的型號(hào)為XMT-615，精度為0.5級(jí)。

3.5 觀察模塊

觀察模塊由工業(yè)相機(jī)和自制支架組成，如圖4所示。相機(jī)的產(chǎn)品型號(hào)為MQ36-200，產(chǎn)品名稱為USB 2.0 200萬數(shù)碼攝像頭；圖像傳感器為1/2彩色/CMOS圖像傳感器，像素尺寸為3.2 μm×3.2 μm，光譜響應(yīng)為400～1 000 nm，掃描方式為逐行掃描，分辨率為640×480、1 280×1 024、1 600×1 200，傳輸速率為30F@640×480、15f@1 280×1 024，白平衡為自動(dòng)/手動(dòng)，自動(dòng)曝光控制為自動(dòng)/手動(dòng)，圖像輸出為USB 2.0（480 MB/s）；電源為USB 2.0（5 V）；工作溫度為0～50 ℃。

4 磁場(chǎng)下的定向凝固實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

將上述各模塊按照調(diào)試好的距離組裝并固定后，便可得到最終的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5所示。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：耿鐵強(qiáng)（1992—），男，省乙級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目主持人。

〔編輯：張思楠〕