CN109656286A - 大分子结晶空间材料实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大分子结晶空间材料实验装置及方法，保证空间材料实验过程中的微重力和温度环境，能够在线监测空间材料晶体生长过程并记录。本发明具有各个部分及接口均标准化、模块化和通用化，适应性强的功能。本发明大分子结晶处理单元中的反应室没有复杂的机械系统，不需要机组人员交互。

Description

大分子结晶空间材料实验装置及方法
技术领域
本发明涉及空间材料实验技术领域，特别是一种大分子结晶空间材料实验装置及方法。
背景技术
材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系。在空间微重力条件下，浮力对流、沉淀、流体静力学压力等因素的影响变得很弱或者消失，为从事材料学研究提供了微重力、无对流、超高真空等更有利的理想环境。然而国内现有的空间材料科学实验装置由于未进行隔振处理、没有原位检测、类型单一化及未标准模块化等诸多原因，实际实验环境并不能达到材料科学实验的微重力环境指标，实验装置也缺乏实时监测原料混合是否均匀、材料结构和成分是否符合要求等功能，因此不能系统地开展空间材料科学研究，总体技术与国外相比，仍然存在很大的差距。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种大分子结晶空间材料实验装置及方法，保证空间材料实验过程中的微重力和温度环境，能够在线监测空间材料晶体生长过程并记录。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大分子结晶空间材料实验装置，包括外壳；所述外壳上安装有指令处理I/O面板、电子单元模块、数据处理I/O面板、温控电子单元模块、大分子结晶处理单元模块、空间隔震模块；所述大分子结晶处理单元模块与空间隔震模块固定连接；所述指令处理I/O面板通过信号连接线与电子单元模块连接；数据处理I/O面板通过数据连接线与电子单元模块连接；大分子结晶处理单元模块通过信号连接线和数据连接线与温控电子单元模块和电子单元模块连接；空间隔震模块通过信号连接线和数据连接线与电子单元模块连接。
所述空间隔震模块设置于所述外壳底部。
相应地，本发明还提供了一种利用上述装置进行实验的方法，该方法主要实现过程为：采集温控电子单元模块获取的温度数据，将所述温度数据与温度阈值a1比较，若T≤a1，则发出加热信号使大分子结晶处理单元进行加热，若a1<T<a2，则温控电子单元模块无动作；若T≥a2，则发出冷却信号使大分子结晶处理单元降温；同时，当空间隔振模块采集到空间隔震模块上的位移传感器和加速度传感器的数据，与振动阈值b1比较，若大分子结晶处理单元模块的振动值X≥b1，则空间隔振模块发出隔振信号至空间隔振模块中的执行器，降低外界振动环境对实验装置的干扰，否则空间隔振模块无动作；在在轨阶段，当大分子结晶温控电子单元模块采集到温控电子单元模块的温度数据，与温度阈值a3比较，若T≤a3，则发出加热信号使大分子结晶处理单元进行加热，若a3<T<a4，则温控电子单元模块将满足实验要求的温度信号发送至电子单元模块，若T≥a4，则发出冷却信号使大分子结晶处理单元进行降温；同时，当空间隔振模块采集到位移传感器和加速度传感器的数据，与振动阈值b2比较，若X≥b2，则空间隔振模块发出隔振信号至执行器，降低外界振动环境对实验装置的干扰，否则空间隔振模块将满足振动指标的信号发送至电子单元模块。
a1和a3取值范围均为[3℃，24℃]，且a3>a1；a2和a4取值范围均为[25℃，60℃]，且a4≥a2；b1取值范围为[1×10-2g0，0.5g0]；b2取值范围为[2×10-5g0，3×10-3g0]；0为地球表面重力加速度，值为9.8m/s2。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在发射和运输及在轨两阶段均使大分子结晶实验的温度和振动环境达到理想实验条件，实验中采用原位检测设备和视频技术(原位检测仪器和显微镜安装于大分子结晶处理单元内)，实现在线监测空间材料晶体生长过程并记录，最终得到高质量晶体；本发明具有各个部分及接口均标准化、模块化和通用化，适应性强的功能；本发明大分子结晶处理单元中的反应室没有复杂的机械系统，不需要机组人员交互。
附图说明
图1为本发明空间材料科学实验装置二维示意图；
图2为本发明大分子结晶空间材料处理单元三维示意图；
图3为本发明大分子结晶空间材料温控机械单元三维示意图；
图4为大分子结晶空间材料反应室二维剖面示意图；
图5为大分子结晶空间材料科学实验方法流程示意图。
具体实施方式
本发明主要包括外壳1、指令处理I/O面板2、电子单元模块3、数据处理I/O面板4、温控电子单元模块5、大分子结晶处理单元模块6和空间隔振模块7等七个组成部分，其中指令处理I/O面板2是接受/输出本地的控制指令和接受远程控制命令，其通过紧固件连接至外壳1；电子单元模块3包括电源单元、中央处理器、控制电子器件和光学和视频控制器单元等部分，实现电源集中控制与调控、数据的处理与分析、光学和视频的时序控制等主要功能，其通过紧固件连接至外壳1，该部分可根据不同实验项目更换为其它模块；数据处理I/O面板4有与外部设备连接的标准化、通用化的接口，实现该装置与外部的数据读写，其通过紧固件连接至外壳1；温控电子单元模块5主要功能为控制大分子结晶处理单元模块6的温度，确保温度在实验的理想温度环境，其通过紧固件连接至外壳1，该部分可根据不同实验项目更换为其它模块；大分子结晶处理单元模块6(详见图2)主要包括大分子结晶温控机械单元(容纳多达3个，详见图3，每个温控机械单元包含多达12件大分子结晶空间材料反应室，详见图4)、有原位检测功能的融合的光学仪器及若干台微型摄像机等主要组成部分，该部分可根据不同实验项目更换为其它模块，其通过紧固件连接至空间隔振模块7；空间隔振模块7主要是实现在空间六个自由度上隔离太空环境本身及设备和人员等不必要的干扰，确保大分子结晶处理单元的微重力环境指标，该部分的位置优先考虑放置在外壳1内部最下方。
本发明涉及一种大分子结晶空间材料科学实验方法，见图5，在发射和运输及在轨两阶段均使大分子结晶实验的温度和振动环境达到理想实验条件，实验中采用原位检测设备和视频技术，实现在线监测空间材料晶体生长过程并记录，最终得到高质量晶体。图5中，在发射和运输阶段，当大分子结晶温控电子单元模块采集到温度传感器数据，处理并与温度阈值a1比较，若T≤a1，则发出加热信号使大分子结晶处理单元进行加热，若a1<T<a2，则温控装置无动作，若T≥a2，则发出冷却信号使大分子结晶处理单元进行降温；同时，当空间隔振模块采集到位移传感器和加速度传感器的数据，处理分析并与振动阈值b1比较，若X≥b1，则空间隔振模块发出隔振信号至执行器，降低外界振动环境对实验装置的干扰，否则空间隔振模块无动作。在在轨阶段，当大分子结晶温控电子单元模块采集到温度传感器数据，处理并与温度阈值a3比较，若T≤a3，则发出加热信号使大分子结晶处理单元进行加热，若a3<T<a4，则温控装置将满足实验温度信号发送至电子单元模块，若T≥a4，则发出冷却信号使大分子结晶处理单元进行降温；同时，当空间隔振模块采集到位移传感器和加速度传感器的数据，处理分析并与振动阈值b2比较，若X≥b2，则空间隔振模块发出隔振信号至执行器，降低外界振动环境对实验装置的干扰，否则空间隔振模块将满足振动指标的信号发送至电子单元模块，电子单元模块可控制光学仪器和摄像机实时监控大分子结晶生长过程并记录，也可以通过远程指令进行远程遥控光学仪器或摄像机。其中a1和a3取值范围为[3℃，24℃]，且a3>a1；a2和a4取值范围为[25℃，60℃]，且a4≥a2；b1取值范围为[1×10-2g0，0.5g0]和b2取值范围为[2×10-5g0，3×10-3g0]。
图4中，1、端盖I；2、大分子溶液；3、透析膜；4、低浓度沉淀剂溶液；5、多孔材料；6、反应室容器(圆柱体)；7、高浓度沉淀剂溶液；8、端盖II。其中端盖I、多孔材料、反应室容器(圆柱体)的材料优选透明的塑料或玻璃。在大分子结晶空间材料反应室中，透析膜将大分子溶液保持在一个隔室中，同时允许沉淀剂分子从相邻隔室自由通过膜，随着沉淀剂浓度在大分子隔室内增加，大分子结晶开始。然而在地球上，因为密度和温度差导致溶液快速混合，所以液-液扩散是困难的。

Claims (4)

1.一种大分子结晶空间材料实验装置，其特征在于，包括外壳(1)；所述外壳(1)上安装有指令处理I/O面板(2)、电子单元模块(3)、数据处理I/O面板(4)、温控电子单元模块(5)、大分子结晶处理单元模块(6)、空间隔震模块(7)；所述大分子结晶处理单元模块(6)与空间隔震模块(7)固定连接；所述指令处理I/O面板(2)通过信号连接线与电子单元模块(3)连接；数据处理I/O面板(4)通过数据连接线与电子单元模块(3)连接；大分子结晶处理单元模块(6)通过信号连接线和数据连接线与温控电子单元模块(5)和电子单元模块(3)连接；空间隔震模块(7)通过信号连接线和数据连接线与电子单元模块(3)连接。
2.根据权利要求1所述的大分子结晶空间材料实验装置，其特征在于，所述空间隔震模块(7)设置于所述外壳(1)底部。
3.一种利用权利要求1或2所述装置进行实验的方法，其特征在于，该方法主要实现过程为：采集温控电子单元模块(5)获取的温度数据，将所述温度数据与温度阈值a1比较，若T≤a1，则发出加热信号使大分子结晶处理单元进行加热，若a1<T<a2，则温控电子单元模块(5)无动作；若T≥a2，则发出冷却信号使大分子结晶处理单元降温；同时，当空间隔振模块采集到空间隔震模块(7)上的位移传感器和加速度传感器的数据，与振动阈值b1比较，若大分子结晶处理单元模块的振动值X≥b1，则空间隔振模块发出隔振信号至空间隔振模块中的执行器，降低外界振动环境对实验装置的干扰，否则空间隔振模块无动作；在在轨阶段，当大分子结晶温控电子单元模块采集到温控电子单元模块(5)的温度数据，与温度阈值a3比较，若T≤a3，则发出加热信号使大分子结晶处理单元进行加热，若a3<T<a4，则温控电子单元模块(5)将满足实验要求的温度信号发送至电子单元模块，若T≥a4，则发出冷却信号使大分子结晶处理单元进行降温；同时，当空间隔振模块采集到位移传感器和加速度传感器的数据，与振动阈值b2比较，若X≥b2，则空间隔振模块发出隔振信号至执行器，降低外界振动环境对实验装置的干扰，否则空间隔振模块将满足振动指标的信号发送至电子单元模块。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，a1和a3取值范围均为[3℃，24℃]，且a3>a1；a2和a4取值范围均为[25℃，60℃]，且a4≥a2；b1取值范围为[1×10-2g0，0.5g0]；b2取值范围为[2×10-5g0，3×10-3g0]；0为地球表面重力加速度，值为9.8m/s2。
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