CN104503380A - 无容器材料加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无容器材料加工系统，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块。本发明空间站无容器材料加工系统，具有良好的地面静电悬浮技术基础，可以每批次加工多个样品，样品的加热温度可达到3000℃；通过模块化、集成化设计，可实现在轨维护、样品更换和功能扩展；能够准确掌握实验的实时状态。结构新颖、通用性好、功能更强、适应面更宽、可满足多种类型材料科学研究需求的新一代材料科学实验系统。可以在地面和空间环境下开展材料无容器深过冷加工和热物性测量。能够在微重力飞机、探空火箭、返回式卫星、空间站等各种空间飞行器开展相关材料科学实验。

Description

无容器材料加工系统

技术领域

本发明涉及一种无容器材料加工系统，尤其涉及一种在微重力条件下的无容器材料加工系统。可以在地面和空间环境下开展材料无容器深过冷加工和热物性测量。能够在微重力飞机、探空火箭、返回式卫星、空间站等各种空间飞行器开展相关材料科学实验。

背景技术

无容器材料加工是进行材料深过冷研究的重要方法，非金属材料的深过冷研究越来越显示出其特别的价值，我国空间材料科学是研究中目前还缺乏对非金属材料的深过冷研究的手段。通过静电的方式，将样品悬浮起来，实现微重力条件下的无容器加工。可以在地面和空间环境下开展材料无容器深过冷加工和热物性测量。能够在微重力飞机、探空火箭、返回式卫星、空间站等各种空间飞行器开展相关材料科学实验。

发明内容

本发明的目的是基于现有技术的缺陷，提供一种无容器材料加工系统，可以实现既适应于非金属材料也适应金属材料深过冷的空间材料科学研究，以及实现微重力条件下凝固的实验研究。

为实现上述目的，本发明提供了一种无容器材料加工系统，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块

温度控制模块，用于无容器材料加工过程中，采用双波长测温仪或单波 长测温仪实现对材料样品的非接触温度测量，采用近红外波段的激光器对悬浮样品实现非接触加热；

位置控制模块，与所述温度控制模块相连接，用于无容器材料样品的静电悬浮功能，采用对多个电极施加悬浮电压的方式，形成用于悬浮样品位置控制的可调控电场；实现不同种类材料样品的静电无容器悬浮控制；

物性测量模块，与所述温度控制模块和位置控制模块相连接，用于无容器材料样品加工实验过程中热物性测量功能，采用高速相机、热物性辅助测量电极、悬浮样品振荡测量仪、双波长测温仪来实现对样品密度测定、表面张力以及粘性系数的测定、比热·凝固潜热测定和电导率测定；

样品加工模块，与所述温度控制模块、位置控制模块和物性测量模块相连接，用于实现对悬浮样品的输送、释放、约束和回收功能；实现对多个材料样品，乃至不同类型的材料样品的深过冷加工与测量；

综合控制模块，与所述温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块和样品加工模块相结合，采用步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制方法对悬浮样品的温度加热控制；采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法实现对材料样品的悬浮位置的控制；采用图像处理算法、振荡测量方法实现样品加热过程中的密度、表面张力、粘度系数、电导率热物性测量；采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；通过对悬浮熔融样品的形核触发控制方法实现对材料样品的可控深过冷凝固过程的调整。

根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品加工模块包括：样品室单元、样品盒单元、样品更换机构单元、石英腔更换单元和石英腔盘单元；

所述样品盒单元，所述样品盒单元上按圆周均匀放置样品，所述样品盒单元与机械手的位置偏心；

所述样品更换机构单元，用于加工所述样品时，启动样品更换机构单元 的样品换位电机，把所述样品旋转至机械手的位置，由样品抓取电机带动机械手将样品放至指定位置，然后机械手收回；样品加工完成之后回收所述样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回收至所述样品盒单元中对应的位置处；

所述石英腔盘单元，放置有石英腔，所述石英腔位于所述样品的上下电极之间的样品加工位置，所述石英腔一端通过钢套固定，由机械手推至指定位置，机械手不退回，拖着石英腔，机械手收回，石英腔则回至所述石英腔盘单元相应位置；

所述石英腔更换单元，用于更换石英腔。

进一步的，所述样品加工模块还包括：紫外光单元、离子泵单元、形核触发机构单元。

进一步的，所述温度控制模块包括：双波长测温单元、单波长测温单元和激光加热单元；

所述双波长测温单元，用于测量所述样品的温度；

所述激光加热单元，包括一台或一台以上近红外激光器，用于加热所述样品。

进一步的，所述双波长测温单元包括两台测温单元，分别用于材料样品的低温测量和高温测量。

进一步的，所述位置控制模块包括：位置传感器单元和电源单元；

所述位置传感器单元，用于检测所述样品的在位置传感器单元上产生的位置信息。

进一步的，所述物性测量模块包括：摄像机单元和图像采集单元；

所述摄像机单元，安装在所述样品室单元周围，用于采集图像数据，并发送给所述图像采集单元；

所述图像采集单元，用于与实验柜的通讯协议，将图像数据转换为实验柜可接受的格式，将该图像数据传送给实验柜上的数据管理设备。

进一步的，所述摄像机单元包括局部观察摄像机和高速摄像机。

进一步的，所述综合控制模块包括：温度控制单元、位置控制单元、形核触发机构控制单元、样品更换机构控制单元、石英腔更换机构控制单元、紫外光源控制单元、样品室的真空度控制单元；

所述温度控制单元，用于材料样品的非接触温度测量和加热的闭环控制，包括温度控制的步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制控制方法；

所述位置控制单元，用于材料样样品的悬浮位置控制，采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法计算出电极的电压大小，调节高压电源实现对材料样品悬浮位置的控制和调节；

所述形核触发机构控制单元，采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法计算出电极的电压大小，调节高压电源实现对材料样品悬浮位置的控制和调节；

所述样品更换机构控制单元，采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；具体包括电机控制，编码测量，各种开关使能控制；

所述石英腔更换机构控制单元，用于样品实验过程中对污染的石英腔体的更换，消除吸附杂质的腔体对样品的污染；

所述紫外光源控制单元，用于补充材料样品在加热过程中表面电荷的发生的变化，使其保持恒定的电荷数量，便于提高在亚稳相变过程中样品的位置控制精度；

所述样品室的真空度控制单元，用于实现对悬浮实验样品加工过程中所需要的真空条件，具体可以采用真空规的对真空度进行测量、控制离子泵、分子泵使真空度保持到实验所需要的条件。

本发明无容器材料加工系统，具有良好的地面静电悬浮技术基础，可以每批次加工样品36个，样品的加热温度可达到3000℃；通过模块化、集成化和组合式设计，可实现在轨维护、样品更换和功能扩展；具有反馈控制技术， 能够准确掌握实验的实时状态。结构新颖、通用性好、功能更强、适应面更宽、可满足多类别材料科学研究需求的新一代材料科学实验系统。

附图说明

图1为本发明无容器材料加工系统的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的无容器材料加工系统中配置了悬浮控制、形核触发、材料再辉测量、图像获取、加热温度控制等设备，通过控制加热、冷却、形核触发等能够精确给出材料的无容器凝固的温度起始点等材料凝固实验参数。

本发明的完成，能够对各种材料进行空间无容器加工，适合非金属材料、以及金属材料的深过冷研究，材料适应范围广，为开展非金属材料深过冷研究提供良好的空间科学实验平台。能够适应熔点低、过冷大的材料在微重力、无容器条件下的凝固实验。

本发明硬件的研制，能够为我国空间无容器材料科学研究测量过热、过冷熔体材料部分热物理特性，获得微重力无容器材料凝固样品以及准确的材料加工历史数据，成为我国空间材料研究重要组成部分，为材料科学研究提供良好的实验条件。

本发明研究的是利用静电悬浮方法在空间站上开展材料科学实验的方法。主要研制内容是实验平台的构建和可靠运行。

(1)样品位置控制技术

在微重力状态下，样品的准确定位是利用静电悬浮实验装置进行空间材料科学实验的最基本条件，也就是使样品稳定地处于几束加热激光的交叉点处。由于该问题的存在，导致空间实验的设备和地面试验的设备是不一样的。这主要体现在Z(重力)方向的电源上。在地面试验时，控制Z方向悬浮的电 源需要较大的功率和较高的电压，另两对电源只需要较小的电压对样品水平方向位置进行调整；但是在微重力下，不能确定主要的重力方向，因此对于三轴要能产生几乎均等的力。

静电悬浮是在上下两电极之间施加电场，样品先在下电极板上充电，带上电荷，在电场的作用下，样品会脱离电极，向另外一个电极运动，其运动速度决定于电场大小、样品带的电荷量以及样品材料特性，由于样品在脱离下电极板表面前，其电荷分布决定了与电极板存在有相互吸引力因素(镜象力、吸附等)，样品不容易脱离电极，一但脱离电极则因为镜象力的迅速减小而快速飞向上电极，造成悬浮控制的困难。

因此需要研究样品位置控制的方法，在样品释放的初始阶段，快速捕捉到样品悬浮空间位置，并通过信号处理给出样品的空间坐标、运动速度和方向，然后给出相应的控制信号以控制样品悬浮。

(2)样品温度控制技术

温度控制技术需要在以下几个方面开展研究：

a)温度的稳定性控制。

从三/四个方向同时加热，各方向的加热过程中存在相互影响(即耦合)，这是一个多输入多输出的控制系统，需要利用控制理论寻找鲁棒性强、简单可靠的解耦控制方法。

b)红外温度测量技术

一般的红外温度测量仪不能够满足空间试验高可靠性的要求。需要研制精度高、可靠性高、能够用于空间环境下进行温度测量的双波长温度测量计。

c)大功率激光加热器

激光器的转换效率和可靠性是激光加热器需要解决的两个重要问题。立足国内，与专业厂家合作研究大功率激光加热器。

(3)热物性测量技术

在线原位检测分析模块可实现对样品的热物性测量。获得特定谱段的发 射率、表面张力、黏度特性，以及材料深过冷和加工历史之间的关系。需要研究的热物性测量方法包括如下几个方面：

a)密度测定

b)表面张力以及粘性系数的测定

c)比热·凝固潜热测定

d)电导率测定 

(4)形核控制技术 

形核控制技术是在不同过冷条件下，依据实验的需要，引入非自发核心，使样品在确定的温度条件下凝固。研究安全可靠性的形核方法，比较不同形核方法的优缺点，研究适合于在空间条件下形核的技术。

(5)样品输运系统 

样品的输运和回收是本发明中要研究的重要问题。样品从样品库中被送到加工位置，加工完成之后再将其回收到样品库中，在微重力条件下，这是一个较难实现的过程。

(6)窗口的污染问题

样品在加热过程中会挥发，多次试验之后将会导致真空腔的窗口被污染。窗口被污染之后，将会导致温度和样品位置测量不准确，激光加热效率降低，样品的图像模糊等一系列影响试验获得圆满结果的问题。因此，在空间利用静电悬浮技术对材料样品进行加工时，必须要解决样品挥发对窗口造成的污染问题。

本发明无容器材料加工系统可以实现的科学研究内容。

1、金属单晶生长界面形态演化及缺陷控制

镍基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气涡轮发动机关键材料，地面重力场中，重力驱动对流在合金凝固过程中始终存在，对铸造金属和凝固组织有很大影响。

以金属单晶为对象进行空间凝固实验，研究镍基单晶高温合金等在微重 力和重力环境下枝晶生长形貌和特征参数的差异以及成分偏析和缺陷形成的异同，揭示重力对枝晶生长过程和成分偏析等现象的影响及其在凝固缺陷形成中的作用，获得对地面单晶合金制备具有实用价值的理论指导。

2、金属合金熔体深过冷、形核与凝固组织形成机理

研究具有大过冷能力的合金材料在微重力和大过冷度条件下的形核、晶体生长、凝固组织特征和性能，认识重力对合金深过冷形核、晶体生长(包括枝晶生长)、凝固组织与性能、凝固或晶化过程动力学的影响规律，认识凝固过程及固液界面动力学特性，揭示微重力条件下影响凝固过程和凝固组织的关键因素。

研究结果可揭示金属凝固的本征规律，有望带来凝固理论研究的突破性进展，推动金属凝固学科的技术进步，并用于指导材料凝固组织控制和性能改善，开发新型高性能材料。

3、新型无机功能材料无容器深过冷凝固与机理研究

利用空间无容器加工实验平台，进行无机功能材料的无容器凝固机理研究，包括过冷熔体中超常结构与性能亚稳相的形成条件、高温熔体热物性精确测量，以及无机材料深过冷非平衡凝固机理等内容。制备具有特殊电、磁、光、热等性能的新型亚稳态功能材料，开发超常结构与性能、极具工业利用价值的新型无机功能材料。认识重力对深过冷条件下无机材料凝固组织的影响规律，揭示无机亚稳相的非平衡凝固动力学机制，建立无机材料深过冷凝固理论，为无机材料快速凝固组织形态控制及其性能优化提供理论指导。

4、金属合金的玻璃转变机制研究

玻璃转变与玻璃本征性质研究一直是材料与凝聚态物理中最具挑战的科学难题之一，对金属玻璃的本征性质认识与玻璃转变的理解将不仅将带来材料科学和凝聚态物理在实验和理论上重大突破，也将为高性能材料的开发提供科学依据。

以具有较好玻璃形成能力的合金系在无容器条件或玻璃包覆技术基础上 实现熔体深过冷，研究亚稳结构形成和金属玻璃转变，认识合金熔体的过冷能力与玻璃形成能力的关系，探讨金属玻璃的转变机制。

5、壳核型结构形成机理研究

根据自均匀分布状态向热平衡态趋近的动力学过程、热平衡态下的核/壳结构的具体构型，以及核壳结构融合的动力学过程，研究非混溶体系界面能对温度、组分的依赖关系，Marangoni运动造成的液核迁移的规律，温度梯度效应，磁性液态核的运动，以及磁性对构型的依赖关系等。

研究可为具有壳核组织偏晶合金粉末的制备奠定基础，为烧结、焊接等应用领域提供科学基础，并为地球内核的研究提供可操控的模拟体系。

6、固液界面作用与颗粒分聚行为研究

以熔体润湿性和液/固界面交互作用为理论指导，设计复合材料基体与增强相之间的结合界面。研究空间条件下复合材料的界面设计和形成机理，合金熔体与增强固相间的润湿性、液/固界面交互作用、原子扩散及凝固特性，以及在空间与地面不同条件下润湿性变化规律，提出空间复合材料界面结构和性能特征，在界面理论上提出新的学术观点。

研究可丰富和发展材料科学空间凝固理论，促进材料科学的发展和新型复合材料的实际应用，指导地基凝固界面前沿夹杂颗粒行为控制。

7、熔体平衡与非平衡态热物理性质测量

利用无容器加工实验平台，通过在线测量金属、合金、非晶合金、半导体等多种材料的热物理性质(导热系数、比热、表面辐射率、表面张力、粘度和比体积等)及其随温度和成分的变化规律，研究热物性、温度、合金成分、初始过热度、材料热历史、环境气氛等对熔融合金热物理性能测量结果的影响，建立各热物性参数之间的关联，为探索晶体生长机制与非晶合金形成机制提供必要理论基础。

研究可获得一系列典型体系热物理性能的准确数值，为地面测量熔体热物性参数提供校准，为地面材料设计和加工的计算与模拟提供依据。

8、新一代激光/光学晶体材料空间生长研究

利用材料科学实验平台，进行多种新一代激光/光学晶体材料的空间生长制备实验，包括不同组分CdZnTe晶体的微重力下PVT生长机理和缺陷控制，空间生长大尺寸和组分均匀的铌酸钾锂固熔体单晶、生长激光晶体Nd3+:NaY(WO₄)₂及生长技术方案优化、空间微重力环境下制备Ca4RO(BO₃)₃晶体材料等。研究有助于解决我国在重要功能材料方面面临的困境(如CdZnTe禁运和技术封锁)，有望解决近红外半导体激光的倍频，实现高效率蓝绿激光的输出，获得高质量和高性能激光晶体。

本发明无容器材料加工系统具有如下功能：

1、提供无容器加工环境，避免器壁效应对材料性能的影响；可获得非同寻常的材料深过冷能力，为寻找新材料和理解材料的凝固规律提供了其他设备无法比例的优势。

2、可直接测量材料的再辉；从而确定材料的凝固起始点，能够确定材料的过冷特性和过冷凝固关联关系。

3、能够较精确得到材料无容器加工过程中熔化、凝固的温度起始点、凝固完成、冷却到完成的加工历史数据；

4、能够较为精确地测量材料的物性，尤其是高温材料的热物理性能，包括密度、表面张力、粘性系数、比热、凝固潜热、电导率，为材料研究提供准确的基础数据；适用于重要国防高温材料基础物理参数的测量。

5、进行微重力条件下材料的形核触发，有利于获得空间材料凝固的规律。

6、研究的材料覆盖面广，适用于研究金属和非金属材料；静电悬浮在材料适应性上具有较大的优势，适合导体、绝缘体、半导体材料的加工。

7、可提供3000℃的热环境，进行高熔点材料的实验；静电悬浮加工的加热温度范围主要局限于激光所能够提供的能量，无其他技术制约，因此静电悬浮可适合高温材料加工。

8、可加工多数量多种类样品，有效地利用空间站提供的长时间的实验资 源；静电悬浮主要功能是对小样品进行精确的加工，能够加工批量的样品，对充分获得材料实验数据，有效利用空间站的资源具备较大的优势。

本发明无容器材料实验系统是以静电悬浮的方式将样品悬浮起来，不与任何器壁进行接触。通过位置控制模块控制样品的悬浮位置；通过激光对悬浮的样品加热，使样品熔化，利用图像获取设备获得样品熔化时的几何形状，并对其几何形状进行分析，获得样品材料的物性参数。

系统对航天器相关条件的适应性起主要决定作用的技术指标是样品尺寸和加热温度。较大的样品尺寸和较高的加热温度，需要航天器提供较多的资源(主要是体积、重量和功耗资源)。

在地面上把Zr作为实验材料样品，在72W的激光功率下，实验材料样品吸收的功率为5.5W左右。实验材料样品的放热量(放射率为0.3)。

放热量超过入热量时则不能进行加热，因此可以根据各实验材料样品大小推出其能够达到的温度。可以加热到3100K，可以加热到2300K， 可以加热到1800K、可以加热到1600K、可以加热到1400K左右。

由此可以看出，由于本系统的技术指标为样品直径为加热温度为3000℃，这样需要航天器提供一个实验柜的资源。

在地面条件下，一台输出功率40W的激光器，其重量为18kg，体积为420mm*337mm*174mm。它的体积相当于1/2个SPU。

大功率激光器还存在散热的问题。以激光器效率为40％计算，每台激光器输出功率为40W，其输入功率为100W，将产生60W的热量。四台激光器将产生240W的耗散热量。

图1为本发明无容器材料加工系统的示意图，如图所示，本发明的系统包括：温度控制模块1、位置控制模块2、物性测量模块3、样品加工模块4、综合控制模块5。

温度控制模块1用于无容器材料加工过程中，采用双波长测温仪或单波 长测温仪实现对材料样品的非接触温度测量，采用近红外波段的激光器对悬浮样品实现非接触加热；位置控制模块2与温度控制模块相连接，用于无容器材料样品的静电悬浮功能，采用对多个电极施加悬浮电压的方式，形成用于悬浮样品位置控制的可调控电场；实现不同种类材料样品的静电无容器悬浮控制；物性测量模块3与温度控制模块和位置控制模块相连接，用于无容器材料样品加工实验过程中热物性测量功能，采用高速相机、热物性辅助测量电极、悬浮样品振荡测量仪、双波长测温仪来实现对样品密度测定、表面张力以及粘性系数的测定、比热·凝固潜热测定和电导率测定；样品加工模块4与温度控制模块、位置控制模块和物性测量模块相连接，用于实现对悬浮样品的输送、释放、约束和回收功能；实现对多个材料样品，乃至不同类型的材料样品的深过冷加工与测量；综合控制模块5与温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块和样品加工模块相结合，采用步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制方法对悬浮样品的温度加热控制；采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法实现对材料样品的悬浮位置的控制；采用图像处理算法、振荡测量方法实现样品加热过程中的密度、表面张力、粘度系数、电导率热物性测量；采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；通过对悬浮熔融样品的形核触发控制方法实现对材料样品的可控深过冷凝固过程的调整。

具体的，温度控制模块1由双波长测温单元11和激光加热单元12组成；位置控制模块2由位置传感器单元21、激光单元22和电源单元23组成；物性测量模块3由摄像机单元31、图像采集单元32组成；样品加工模块4由样品室单元41、紫外光源单元42、离子泵单元43、形核触发机构单元44、样品盒单元45、石英腔盘单元46、样品更换机构单元47、石英腔更换机构单元48组成；综合控制模块5由温度控制单元51、位置控制单元52、紫外光源控制单元53、形核触发控制单元54、样品更换控制单元55、石英腔更换控制单元56、通讯单元57和真空控制单元58组成。

样品加工模块4主要由样品室单元47、样品盒单元45、样品更换机构单元47、石英腔更换单元48、石英腔盘单元46组成，此外还包括紫外光单元42、离子泵单元43、形核触发机构单元54。

样品盒单元，样品盒单元上按圆周均匀放置样品，样品盒单元与机械手的位置偏心；样品更换机构单元，用于加工样品时，启动样品更换机构单元的样品换位电机，把样品旋转至机械手的位置，由样品抓取电机带动机械手将样品放至指定位置，然后机械手收回；样品加工完成之后回收样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回收至样品盒单元中对应的位置处；石英腔盘单元，放置有石英腔，石英腔位于样品的上下电极之间的样品加工位置，石英腔一端通过钢套固定，由机械手推至指定位置，机械手不退回，拖着石英腔，机械手收回，石英腔则回至石英腔盘单元相应位置；石英腔更换单元，用于更换石英腔。

样品上下电极之间样品加工位置处放置一个石英腔，以保证样品在上电极中心方向上移动。样品盒通过样品换位电机带动做旋转运动。

样品盒单元上按圆周均匀放置样品，样品盒与机械手的位置偏心，当要加工某个样品时，启动样品换位电机，把该样品旋转至机械手的位置，由样品抓取电机带动机械手将样品放至指定位置，然后机械手收回。

样品加工完成之后回收样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回收至样品盒中对应的位置处。然后换位，可继续加工下一个样品。

石英腔放置于一个做旋转运动的圆盘上(石英腔盘)，石英腔一端通过钢套固定，由机械手推至指定位置，机械手不退回，拖着石英腔。

更换石英腔时，机械手收回，石英腔则回至圆盘相应位置。

温度控制模块1的功能是：1)利用双波长测温计精确地测量样品的温度；2)利用激光加热实现样品的加热。

温度控制模块1由双波长测温单元11和激光加热单元12组成。加热采用可以进行有效加热样品的激光器。激光波长为可以加热金属的808nm(或者 976nm)半导体激光器。激光器的输出功率为160W(40W×4)，采用光纤从激光输出端口到样品加工模块进行导光。为保证安全，需要用金属管屏蔽光路。将从四个方向对样品进行加热。加热过程按预定的加热曲线完成样品的加热和冷却过程。

双波长测温仪需要两台，一台用于低温测量，另一台用于高温测量。双波长测温仪具有如下的技术指标：

(1)功率10W

(2)测温精度±10℃

双波长测温技术的基本原理是：选定两个比较相近的波长，测量样品在这两个波长上辐射的能量，该能量与样品材料的发射率、样品对探测器的立体角、样品温度以及选定波长有关。将两个能量值相比，若波长比较相近，可以认为发射率近似相等，且立体角相等，波长已知，则该比值只与样品温度有关。

对于黑体辐射，根据普朗克定律有：

$M_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{2{\mathrm{\πc}}^{2}h}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λkT}}\right)-1}=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}\right)-1}$

其中，第一辐射常数c₁＝2πhc²＝3.74183×10⁴W·μm⁴·cm^-2，第二辐射常数普朗克常数h＝6.6262×10^-34W·s²，波尔兹曼常数k＝1.3806×10^-23W·s·K^-1。

当λ·T＜3000μm·K时，普朗克公式可以用维恩公式近似：

$M_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{e}^{-\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}}$

则物体在两个不同波长(λ₁和λ₂)下的辐射度的比值R(T)可以表示为： 

$R_b\left(T\right)=\frac{M_b({\mathrm{\λ}}_1,T)}{M_b({\mathrm{\λ}}_2,T)}={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^5\exp \left[\frac{c_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right]$

可以得到，温度T为R(T)的单值函数。

$T=\frac{c_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \left[R\left(T\right)\right]-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}$

黑体的辐射分布只依赖于辐射波长及温度，然而实际物体的辐射量还与构成物体的材料性质等诸多因素有关。引入光谱发射率ε(λ,T)，则有：

$M(\mathrm{\λ},T)=\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{e}^{-\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}}$

此时有：

$T=\frac{c_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \left[R\left(T\right)\right]-\ln \frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T)}-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}$

对于灰体材料，ε(λ,T)为常数；对于选择性辐射体来说，如果λ₁和λ₂相距很近，可以认为ε₁(λ,T)和ε₂(λ,T)相等。

对于非单色情况，如果波段较宽(λ₁+Δλ₁和λ₂+Δλ₂)，则应用积分辐射度比值表示：

$R_b\left(T\right)=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{M}_b({\mathrm{\λ}}_1,T)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{M}_b({\mathrm{\λ}}_2,T)\mathrm{d\λ}}$

若Δλ₁和Δλ₂非常小，通过一级近似有：

${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{e}^{-\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}}\mathrm{d\λ}=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{e}^{-\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1$

从而得到， 

$T=\frac{c_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \left[R\left(T\right)\right]-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}-\ln \left(\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\right)}$

通过双波长下辐射度的比值，可以避开发射率的影响，提高温度测量的精度，优于单波长测温法。双波长的温度测量原理已经被广泛地应用于地面的各种温度测量场合，但是其测量精度较差，并且尚无在空间条件下应用的成熟产品。需要在此方开展研究工作，研制高精度的，可在空间条件下应用的双波长测温仪。

双波长测温仪的探测光路有单通道和双通道两种结构，单通道实际是一种光路复用的方法。为了快速测量，采用双通道的方式，用分光棱镜将入射光一分为二，再分别通过选定的滤光片，获得两路测量光。滤光片的半带宽(FWHM)约为10nm。

多数双波长测温仪都是利用透镜来收集红外辐射的，透镜对红外光的反射和吸收是能量损失的重要因素，因此，为了实现远距离的准确测量，需要好的光学透镜。

考虑探测器的接收面积较小，一般红外光学系统的视场不太大，轴外像差可以少考虑。红外光学系统一般对象质要求不太高，但是要求较高的灵敏度，以获得所需要的信噪比。因此，多采用大相对孔径。

高温段选择波长0.8--1.5μm，低温段选取波长1.5--2.2μm，两路滤光片的波长间隔0.2--0.4μm。

位置控制利用位置控制模块2实现，位置控制的难点在于空间和地面的控制方式是不一样的。在地面上试验时，主要是要克服重力的作用，使样品稳定地悬浮在空中。而在空间试验时，“悬浮”的作用主要定位，也就是使样品稳定地处于几束加热激光的交叉点处。由于该问题的存在，导致空间实验的设备和地面试验的设备是不一样的。这主要体现在Z方向的电源上。在地面试验时，控制Z方向悬浮的电源需要较大的功率和较高的电压，另两对电源 只需要较小的电压对样品水平方向位置进行调整；但是在微重力下，不能确定主要的重力方向，因此对于三轴要能产生几乎均等的力。为此要减小上下方向电极，其直径为10mm。另外要增大两对水平方向电极，其直径为10mm。但有一点可以确定，不论是空间试验还是地面试验，控制原理和技术路线是一样的。

位置控制的方案如下：

对下电极板施加振动干扰，尽量使样品在充电的过程中与下电极的接触状态是接触-脱离-接触…循环状态，避免样品和下电极的接触静态吸引力，一旦样品充电状态能够使样品悬浮，就会尽早脱离电极表面，而且脱离后的样品，飞向另外一个电极的速度也相对低，容易实现位置控制。

提高电场电源的响应速度，根据位置测量数据，控制电场的大小和方向，达到控制悬浮的目的。

在样品位置测量方面，采用反应速度比较快的PSD作为样品位置测量传感器，其采样频率可以达到750Hz以上。

物性测量模块3由摄像机单元31、图像采集单元32组成，摄像机单元包括局部观察摄像机和高速摄像机，两台摄像机中一台为局部观察，像素1024*1024；另一台为高速摄像，采样率为200fps，像素为640×480。图像采集单元利用图像采集卡实现。两台摄像机安装在样品室周围，其图像信号传送给图像采集卡，图像采集卡安装在综合控制模块中。图像采集卡根据与实验柜的通讯协议，将图像数据转换为实验柜可接受的格式，将其传送给实验柜上的数据管理设备。

物性测量包括密度、粘度、表面张力、比热

(1)密度测量

密度测量的关键是得到样品的体积，样品的体积可由如下的方法求得：

$R\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i-0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{P}_i\left(\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\right)$

$V={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\frac{2}{3}\mathrm{\π}{\left(R\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^3\sin \mathrm{\θd\θ}$

(2)表面张力

表面张力的计算方法如下所示，它与质量和振荡频率有关。

$\mathrm{\σ}=\frac{3}{8}\mathrm{\πm}{\mathrm{\ω}}_R^2$

表面振荡反射光信号的测量要求水平同轴1个窗口，窗口尺寸大于Φ20。数字图像处理水平同轴1个窗口，要求窗口尺寸大于Φ20。

综合控制模块包括：温度控制单元、位置控制单元、形核触发机构控制单元、样品更换机构控制单元、石英腔更换机构控制单元、紫外光源控制单元、样品室的真空度控制单元。

温度控制单元，用于材料样品的非接触温度测量和加热的闭环控制，包括温度控制的步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制控制方法；位置控制单元，用于材料样样品的悬浮位置控制，采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法计算出电极的电压大小，调节高压电源实现对材料样品悬浮位置的控制和调节；形核触发机构控制单元，用于材料悬浮样品在深过冷状态下，通过蒸发舟、纳米材料细丝实现对材料悬浮样品凝固过程控制。样品更换机构控制单元，采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；具体包括电机控制，编码测量，各种开关使能控制；石英腔更换机构控制单元，用于样品实验过程中对污染的石英腔体的更换，消除吸附杂质的腔体对样品的污染；紫外光源控制单元，用于补充材料样品在加热过程中表面电荷的发生的变化，使其保持恒定的电荷数量，便于提高在亚稳相变过程中样品的位置控制精度；样品室的真空度控制单元，用于实现对悬浮实验样品加工过程中所需要的真空条件，具体可以采用真空规的对真空度进行测量、控制离子泵、分子泵使真空度保持到实验所需要的条件。

综合控制模块5的功能如下： 

1、温度控制单元51

温度的控制过程如下：

a.根据样品的要求对样品进行加热

b.检测加热温度是否到预定温度

c.反馈加热状态给控制器

d.对温度信号进行数字滤波和相关运算算法计算样品温度值

e.在对样品加热过程中，要采用PID算法控制加热过程

f.设置温度采样率为5ms

g.并将温度数据传送给控制器

2、位置控制单元52根据位置测量模块数据分析如何调节悬浮驱动电压，同时监控悬浮电源，控制激光光源、振动器电流和电压信号。解析主控器命令，并汇报悬浮模块运行状态。利用悬浮驱动模块控制电源电压，将输入直流电压根据位置测量信号转换为调节电压。位置测量部件主要功能是设置PSD传感器的内部寄存器参数，将PSD传感器的信号转换为位置信号，应用质心计算公式计算小球的位置坐标。在开始阶段要完成对样品坐标的标定。

3、形核触发机构控制单元54

形核触发机构控制单元主要包括形核触发机构的电机控制，以及触发针位置的反馈信号。在样品加工过程中，需要进行形核触发的时候，控制触发针触及样品，从而导致样品形核过程的发生。

形核触发机构控制单元的主要功能是准确地控制触发针到达触发位置，避免不能触及样品或过度触及样品。

位置反馈可采用编码器或光栅(或磁栅)标尺。

4、样品更换机构控制单元55

样品更换机构控制单元主要包括两个电机的控制和样品的位置反馈信号。一个电机用于控制样品盒的旋转，另一个电机控制样品送入加工位置。

样品更换机构控制单元的主要功能是将样品准确地送到加工位置。在样 品盒将要加工的样品对准石英腔之后，送料机构将样品送到样品加工位置。样品位置的测量可采用编码器和光栅(或磁栅)标尺。

5、石英腔更换机构控制单元56

完成若干样品的实验之后，由于样品的蒸发会对石英腔造成污染，因此每实验完成一批样品之后，需要更换石英腔。石英腔采用与样品类似的方法进行更换。石英腔更换机构控制单元主要包括两个电机的控制和样品的位置反馈信号。一个电机用于控制石英腔盘的旋转，另一个电机控制石英腔送入安装位置。

石英腔更换机构控制单元的主要功能是将石英腔准确地送到安装位置。在石英腔盘将要安装的石英腔对准安装位置之后，输送机构将石英腔送到安装位置。石英腔位置的测量可采用编码器和光栅(或磁栅)标尺。

6、紫外光源控制单元53

紫外光源用于给样品补充电荷。当需要对样品进行点和补充的时候，紫外光源控制单元控制紫外光打开，对样品补充完电荷之后，紫外光源控制单元控制紫外光关闭。

7、样品室的真空度控制单元58

样品室的真空度控制单元控制样品室中抽真空或充气。真空室中安装有真空度测量元件和压力测量元件。真空室外安装有离子泵。

本发明无容器材料加工系统具有如下效果。

1、实现了一种材料科学实验平台，与高温科学实验平台一起，相互之间功能互补，共同构建满足空间材料科学大部分实验的公共实验平台。

2、建设空间无容器材料科学实验平台，满足材料科学凝固规律性研究要求，具备大深过冷获取的能力，适合通过深过冷度控制寻找新材料的能力。

3、开展空间无容器材料加工实验，获得空间材料科学研究的样本和基本参量。

4、掌握和应用最先进的空间材料科学实验技术，丰富和提高空间材料科 学研究手段。

5、满足空间材料科学研究的需要，为空间材料科学研究从相对宏观向宏观与精细化研究转变提供必要的设备条件保障。

6、研究有重大应用背景的新型材料，解决重要应用材料的高温物理特性性能参数获取问题。

7、满足材料个性化研究需要，精细研究材料科学凝固中的理论问题。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无容器材料加工系统，其特征在于，所述系统包括：温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块、样品加工模块、综合控制模块；

温度控制模块，用于无容器材料加工过程中，采用双波长测温仪或单波长测温仪实现对材料样品的非接触温度测量，采用近红外波段的激光器对悬浮样品实现非接触加热；

位置控制模块，与所述温度控制模块相连接，用于无容器材料样品的静电悬浮功能，采用对多个电极施加悬浮电压的方式，形成用于悬浮样品位置控制的可调控电场；实现不同种类材料样品的静电无容器悬浮控制；

物性测量模块，与所述温度控制模块和位置控制模块相连接，用于无容器材料样品加工实验过程中热物性测量功能，采用高速相机、热物性辅助测量电极、悬浮样品振荡测量仪、双波长测温仪来实现对样品密度测定、表面张力以及粘性系数的测定、比热·凝固潜热测定和电导率测定；

样品加工模块，与所述温度控制模块、位置控制模块和物性测量模块相连接，用于实现对悬浮样品的输送、释放、约束和回收功能；实现对多个材料样品，乃至不同类型的材料样品的深过冷加工与测量；

综合控制模块，与所述温度控制模块、位置控制模块、物性测量模块和样品加工模块相结合，采用步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制方法对悬浮样品的温度加热控制；采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法实现对材料样品的悬浮位置的控制；采用图像处理算法、振荡测量方法实现样品加热过程中的密度、表面张力、粘度系数、电导率热物性测量；采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；通过对悬浮熔融样品的形核触发控制方法实现对材料样品的可控深过冷凝固过程的调整。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品加工模块包括：样品室单元、样品盒单元、样品更换机构单元、石英腔更换单元和石英腔盘

所述样品盒单元，所述样品盒单元上按圆周均匀放置样品，所述样品盒单元与机械手的位置偏心；

所述样品更换机构单元，用于加工所述样品时，启动样品更换机构单元的样品换位电机，把所述样品旋转至机械手的位置，由样品抓取电机带动机械手将样品放至指定位置，然后机械手收回；样品加工完成之后回收所述样品时，机械手运动至样品处，机械手夹住样品，将样品回收至所述样品盒单元中对应的位置处；

所述石英腔盘单元，放置有石英腔，所述石英腔位于所述样品的上下电极之间的样品加工位置，所述石英腔一端通过钢套固定，由机械手推至指定位置，机械手不退回，拖着石英腔，机械手收回，石英腔则回至所述石英腔盘单元相应位置；

所述石英腔更换单元，用于更换石英腔。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品加工模块还包括：紫外光单元、离子泵单元、形核触发机构单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度控制模块包括：双波长测温单元、单波长测温单元和激光加热单元；

所述双波长测温单元，用于测量所述样品的温度；

所述激光加热单元，包括一台或一台以上近红外激光器，用于加热所述样品。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述双波长测温单元包括两台测温单元，分别用于材料样品的低温测量和高温测量。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置控制模块包括：位置传感器单元和电源单元；

所述位置传感器单元，用于检测所述样品的在位置传感器单元上产生的位置信息。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述物性测量模块包括：摄像机单元和图像采集单元；

所述摄像机单元，安装在所述样品室单元周围，用于采集图像数据，并发送给所述图像采集单元；

所述图像采集单元，用于与实验柜的通讯协议，将图像数据转换为实验柜可接受的格式，将该图像数据传送给实验柜上的数据管理设备。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述摄像机单元包括局部观察摄像机和高速摄像机。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述综合控制模块包括：温度控制单元、位置控制单元、形核触发机构控制单元、样品更换机构控制单元、石英腔更换机构控制单元、紫外光源控制单元、样品室的真空度控制单元；

所述温度控制单元，用于材料样品的非接触温度测量和加热的闭环控制，包括温度控制的步进加热、多曲线设定、PID算法、模糊控制控制方法；

所述位置控制单元，用于材料样样品的悬浮位置控制，采用线性、PID算法、位置、模糊控制、加速度方法计算出电极的电压大小，调节高压电源实现对材料样品悬浮位置的控制和调节；

所述形核触发机构控制单元，用于材料悬浮样品在深过冷状态下，通过蒸发舟、纳米材料细丝实现对材料悬浮样品凝固过程控制；

所述样品更换机构控制单元，采用对悬浮材料样品的送样、释放、约束和回收过程的自动控制和测量方法实现对样品加工过程的控制；具体包括电机控制，编码测量，各种开关使能控制；

所述石英腔更换机构控制单元，用于样品实验过程中对污染的石英腔体的更换，消除吸附杂质的腔体对样品的污染；

所述紫外光源控制单元，用于补充材料样品在加热过程中表面电荷的发生的变化，使其保持恒定的电荷数量，便于提高在亚稳相变过程中样品的位置控制精度；

所述样品室的真空度控制单元，用于实现对悬浮实验样品加工过程中所需要的真空条件，具体可以采用真空规的对真空度进行测量、控制离子泵、分子泵使真空度保持到实验所需要的条件。