CN105568279B - 一种梯度材料制备用多级运动磁场装置 - Google Patents

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Abstract

一种梯度材料制备用多级运动磁场装置，包括：基板、光电开关、光电开关滑槽、步进电机、控制器、联轴器、丝杆、多级磁环系统，其特征在于：基板位于整个装置的最下方；控制器与步进电机连接，用于控制步进电机的工作参数；步进电机通过联轴器与丝杆相连接，用于控制丝杆的旋转；丝杆与多级磁环系统连接，控制多级磁环系统的运动速度和方向；光电开关滑槽与丝杆平行放置；2个光电开关位于滑槽两端；多级磁环系统由2～10个轴向充磁的磁环组成，相邻磁环同轴并且反向排列，相邻磁环间距为5～50mm。该装置克服传统方法中磁场驱动力小的缺点，方便、可控地制备具有大组分梯度的功能梯度材料。

Description

一种梯度材料制备用多级运动磁场装置
技术领域
本发明涉及一种运动磁场装置，尤其是一种梯度材料制备用多级运动磁场装置。
背景技术
梯度材料是一类组元和微结构呈梯度变化的，能够缓解热应力，从而在苛刻的高温环境中能够持续运行的新材料。最早由日本学者在 1987 年提出，各国科研机构纷纷开展此类研究项目，人们在热应力缓和型 FGM 的复合理论设计、材料合成技术与结构控制方法以及材料的特性评价等方面的研究取得了许多重要进展和成果。如今 ，梯度功能材料的应用已经进入航空航天、光学电子、生物医药、新能源 、工业催化 等诸多领域。 制备是梯度功能材料研究的重点，梯度结构材料的制备过程需要严格控制浓度、流量、温度及压力等参数，因此过程较为复杂。目前已报道的制备方法 包括：物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积法（C VD）、粉末冶金法、等离子喷涂法、自蔓延高温燃烧合成法、激光熔敷法和流延法等。各制备方法 具备 各自的特点和适用范围，但也都存在各自的缺陷。
目前，对于许多重要的功能梯度材料如：ZrO2/Ni、ZrO2/钢、Al2O3/Ni、SiC/不锈钢等，金属组元Fe、Ni、Co等过渡金属属于铁磁性物质，而陶瓷组元Al2O3、ZrO2、SiC、 AlN、Si3N4等是弱磁性物质。铁磁性物质在居里温度以下具有强磁性，而弱磁性物质对磁场不敏感。利用二者之间磁性能的差异，我们小组先后采用静磁场、脉冲磁场和运动磁场中采用流延成型法成功制备出了梯度材料。这些方法中，尤其以运动磁场驱动磁性组元制备梯度材料的效果最为显著。其原理为：将磁场运动的动能通过磁场转变为组元迁移的动能，以较小磁场强度在体系中实现较大的组分梯度。利用外磁场制备梯度材料的研究中，磁场作用于组元的磁力是体系梯度结构形成的驱动力，因此合理的磁路设计对于外磁场中梯度材料的制备至关重要。采用超导磁体，可以产生数10T梯度磁场，但设备复杂，不易推广；采用的电磁线圈产生的磁场强度和磁场梯度都较弱；采用多级轴向磁化的磁环，相邻磁环的磁极反向排列，有效地压缩磁环的磁场，形成多级磁路，通过多级磁路设计能大幅提高磁场梯度，增大磁场对磁性组元的磁驱动力。当多级磁环在电机控制下运动时，磁性组元在磁场的约束下随着磁环的运动而迁移。多级磁路结构中的每一级磁环都可以起到“搬运”磁性组元的作用，某些磁性组元即使没有被第一级磁环“搬运”，还会被第二级、第三级磁环“搬运”，最终在体系中沿磁环运动方向呈梯度分布。
采用多级磁场驱动磁性组元制备功能梯度材料，具有显著的优点。首先，可以多次、反复移动多级磁环对磁性组元进行多次驱动，并且在多级磁环移动过程中，每一级磁环对组元都起到驱动作用，因此对组元的驱动效果明显。其次，多级磁环中相邻磁环反向排列的结构，大幅提高了磁场梯度，增大了磁场对组元的驱动力。因此，采用多级磁场驱动磁性组元制备功能梯度材料，克服传统方法中磁场驱动力小的缺点，方便、可控地制备具有大组分梯度的功能梯度材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯度材料制备用多级运动磁场装置。
本发明的技术方案如下：
一种梯度材料制备用多级运动磁场装置，包括：基板、光电开关、光电开关滑槽、步进电机、控制器、联轴器、丝杆、多级磁环系统；基板位于整个装置的最下方，用于支撑其它所有结构件；控制器与步进电机连接，用于控制步进电机的工作参数；步进电机通过联轴器与丝杆相连接，用于控制丝杆的旋转；丝杆的旋转速度由步进电机单位时间的脉冲数决定；丝杆与多级磁环系统连接，通过丝杆旋转方向控制多级磁环系统的正向或反向运动，通过丝杆旋转速度控制多级磁环系统的运动速度，多级磁环系统的实际运行速度控制在0.05～10mm/s之间；光电开关滑槽与丝杆平行放置；2个光电开关位于滑槽两端，用于控制多级磁环系统移动的端点；多级磁环系统由2～10个轴向充磁的磁环组成，相邻磁环同轴并且反向排列，相邻磁环间距为5～50mm，磁环间距越小，相互之间排斥力越大，磁场强度越高。
作为优选，通过丝杆控制的多级磁环系统的位移精度为0.001mm。
作为优选，磁环由高牌号的钕铁硼材料制成，以保证磁环中的高磁场强度。
在实际使用时，开机后，通过控制器设置系统的运动速度等参数，放置好样品，启动系统，多级磁环系统以给定的速度通过样品后，触发光电开关，多级磁环系统停止运行；移开样品，继续启动系统，多级磁环系统反向运动至初始位置触发光电开关而停止运行，至此为一完整周期。如有需要，继续放置样品，启动系统，开始第二周期的工作。如此往复……。
本发明的优点是：
1）可以多次、反复移动多级磁环对磁性组元进行多次驱动，并且在多级磁环移动过程中，每一级磁环对组元都起到驱动作用，因此对组元的驱动效果明显；
2）多级磁环中相邻磁环反向排列的结构，大幅提高了磁场梯度，增大了磁场对组元的驱动力。因此，采用多级磁场驱动磁性组元制备功能梯度材料，克服传统方法中磁场驱动力小的缺点，方便、可控地制备具有大组分梯度的功能梯度材料。
附图说明
图1是运动磁场驱动磁性组元原理示意图。
图2是多级磁环的相对位置和磁极分布（以3级为例）。
图3是多级磁环中轴线上的磁场分布（以3级为例）。
图4是多级运动磁场装置结构示意图。
其中，基板1、控制器2、步进电机3、联轴器4、丝杆5、多级磁环系统6、光电开关滑槽7、光电开关8。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种梯度材料制备用多级运动磁场装置，包括：基板1、控制器2、步进电机3、联轴器4、丝杆5、多级磁环系统6、光电开关滑槽7、光电开关8；基板1位于整个装置的最下方，用于支撑其它所有结构件；控制器2与步进电机3连接，用于控制步进电机3的工作参数；步进电机3通过联轴器4与丝杆5相连接，用于控制丝杆5的旋转；丝杆5的旋转速度由步进电机3单位时间的脉冲数决定；丝杆5与多级磁环系统6连接，通过丝杆5旋转方向控制多级磁环系统6的正向或反向运动，通过丝杆5旋转速度控制多级磁环系统6的运动速度；光电开关滑槽7与丝杆5平行放置；2个光电开关8位于光电开关滑槽7两端，用于控制多级磁环系统6移动的端点；多级磁环系统6由三个轴向充磁的磁环组成，相邻磁环同轴并且反向排列，相邻磁环间距为10mm，磁环间距越小，相互之间排斥力越大，磁场强度越高；通过丝杆控制的多级磁环系统的位移精度为0.001mm；多级磁环系统的实际运行速度控制在1mm/s之间；磁环由高牌号的钕铁硼材料制成，以保证磁环中的高磁场强度。
在实际使用时，开机后，通过控制器2设置系统的运动速度等参数，放置好样品，启动系统，多级磁环系统6以给定的速度通过样品后，触发光电开关8，多级磁环系统6停止运行；移开样品，继续启动系统，多级磁环系统6反向运动至初始位置触发光电8开关而停止运行，至此为一完整周期。如有需要，继续放置样品，启动系统，开始第二周期的工作。如此往复……。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种梯度材料制备用多级运动磁场装置，包括：基板、光电开关、光电开关滑槽、步进电机、控制器、联轴器、丝杆、多级磁环系统，其特征在于：基板位于整个装置的最下方，用于支撑其它所有结构件；控制器与步进电机连接，用于控制步进电机的工作参数；步进电机通过联轴器与丝杆相连接，用于控制丝杆的旋转；丝杆的旋转速度由步进电机单位时间的脉冲数决定；丝杆与多级磁环系统连接，通过丝杆旋转方向控制多级磁环系统的正向或反向运动，通过丝杆旋转速度控制多级磁环系统的运动速度，多级磁环系统的实际运行速度控制在0.05～10mm/s之间；光电开关滑槽与丝杆平行放置；2个光电开关位于滑槽两端，用于控制多级磁环系统移动的端点；多级磁环系统由2～10个轴向充磁的磁环组成，相邻磁环同轴并且反向排列，相邻磁环间距为5～50mm，磁环间距越小，相互之间排斥力越大，磁场强度越高。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1932543A (zh) * 2006-10-20 2007-03-21 北京赛迪机电新技术开发公司 一种磁测量用全自动电磁铁以及驱动控制方法
CN204269512U (zh) * 2014-12-12 2015-04-15 浙江师范大学 动态非均匀磁场下磁流变液剪切屈服应力检测装置

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