CN109922555B - 一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，该装置包括微波源发生器、微波反应腔和温度采集设备，微波反应腔内设置有旋转台、保温桶和坩埚模具，旋转台上设置有保温桶，保温桶内设置有坩埚模具，坩埚模具上设置有多个第一凹槽，第一凹槽用于放置坩埚，各第一凹槽均匀分布于第一圆周上；保温桶顶部设置有多个第一固定孔，第一固定孔与第一凹槽对应设置；微波反应腔顶部设置有第一采集孔，第一采集孔位于所述第一圆周的正上方；保温桶随旋转台旋转时，温度采集设备通过第一采集孔和第一固定孔对坩埚内的物料进行温度的采集。本发明的装置能够实现多组金属物料的同步或异步快速熔炼及温度数据采集，且温度采集设备简洁、可操作性强。

Description

一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置

技术领域

本发明涉及微波高通量技术领域，特别是涉及一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置。

背景技术

材料的高通量制备是在短时间内完成大量样品的制备过程，以量变引起材料研究效率的质变。目前，高通量的材料研究方法在材料制备领域中得到了广泛的应用，为加速新材料的研发、现有材料与器件的优化以及物理机理的深入探究提供了一条全新的途径。

微波是一种高频电磁波，当与物料作用时，通过介电损耗等形式实现微波能向热能的转化，微波可同时对样品进行内外加热，而且其独有的加热特性可以制备出组织均匀、晶粒细小的材料，另外微波还能够降低材料的反应温度、缩短反应时间，促进节能降耗。在空间传播时，微波电磁场均匀分布，且对物料以非接触的方式进行作用，可以同时对多批量物料进行加热，因此，微波在材料高通量制备方面具有广泛的应用前景和技术优势。而传统电加热炉和电磁感应加热熔炼炉，加热过程中物料受热不均的现象较为常见，很难实现多组物料的同时烧结、熔炼或热处理等过程。于是，出现了采用微波加热的方式来实现材料的高通量制备，但是在对不同坩埚内材料进行温度采集时采用的设备复杂，且可操作性差。

因此，亟待一种能够实现多组金属物料同步或异步的快速熔炼及温度数据的采集，且温度采集设备简洁、可操作性强。

发明内容

本发明的目的是提供一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，能够实现多组金属物料的同步或异步快速熔炼及温度数据采集，且温度采集设备简洁、可操作性强。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，包括微波源发生器、微波反应腔和温度采集设备；

所述微波源发生器用于产生微波，并将所述微波通过波导管传输到所述微波反应腔内；

所述微波反应腔内设置有旋转台、保温桶和坩埚模具；所述旋转台设置于所述微波反应腔底部，所述旋转台上设置有所述保温桶，所述保温桶内设置有所述坩埚模具，所述坩埚模具设置于所述保温桶底部，且所述坩埚模具用于盛放坩埚；

所述坩埚模具上设置有多个第一凹槽，所述第一凹槽用于放置坩埚，各所述第一凹槽均匀分布于第一圆周上；所述保温桶顶部设置有多个第一固定孔，所述第一固定孔与所述第一凹槽对应设置；所述微波反应腔顶部设置有第一采集孔，所述第一采集孔位于所述第一圆周的正上方；

所述保温桶随所述旋转台旋转时，所述温度采集设备通过所述第一采集孔和所述第一固定孔对所述坩埚内的物料进行温度的采集。

可选的，所述装置还包括控制系统，所述控制系统分别与所述温度采集设备和所述微波源发生器连接，所述控制系统根据所述温度采集设备采集到的温度数据对所述微波源发生器的功率进行调节。

可选的，所述装置还包括气压测量设备，用于测量所述微波反应腔内的压力；所述微波反应腔上设置有进气管和排气管，所述进气管上设置有进气阀，所述排气管上设置有排气阀；所述控制系统分别与所述气压测量设备、所述进气阀和所述排气阀连接，所述控制系统根据压力数据控制所述进气阀或所述排气阀的开闭。

可选的，所述装置还包括真空泵，所述真空泵和所述微波反应腔连通，所述真空泵用于对所述微波反应腔内的气体进行抽真空。

可选的，所述装置还包括循环水冷机，所述循环水冷机与所述微波源发生器上的水冷套连通，用于冷却所述微波源发生器。

可选的，所述坩埚模具上还设置有多个第二凹槽，所述第二凹槽用于放置坩埚，各所述第二凹槽均匀分布于第二圆周上；所述第一圆周和所述第二圆周为同心圆，所述保温桶顶部设置有多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第二凹槽对应设置；所述微波反应腔顶部设置有第二采集孔，所述第二采集孔位于所述第二圆周的正上方；所述保温桶随所述旋转台旋转时，所述温度采集设备通过所述第二采集孔和所述第二固定孔对所述坩埚内的物料进行温度的采集。

可选的，所述坩埚为碳化硅坩埚或掺杂氧化铝、氧化硅或氧化铁的碳化硅坩埚。

可选的，所述温度采集设备为红外测温仪。

可选的，所述保温桶由莫来石材料制成。

可选的，所述旋转台由钛板制成。

与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：

本发明在微波反应腔内设置旋转台、保温桶和坩埚模具，旋转台上设置保温桶，保温桶内设置坩埚模具，坩埚模具上设置有多个第一凹槽，第一凹槽用于放置坩埚，各第一凹槽均匀分布于第一圆周上；保温桶顶部设置有多个第一固定孔，第一固定孔与第一凹槽对应设置；微波反应腔顶部设置有第一采集孔，第一采集孔位于所述第一圆周的正上方；保温桶随旋转台旋转时，温度采集设备通过第一采集孔和第一固定孔对坩埚内的物料进行温度的采集。本发明的装置能够实现多组金属物料的同步或异步快速熔炼及温度数据采集，且设备构造简单高效，易于操作和维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置的截面结构示意图；

图2为本发明实施例一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置立体结构示意图；

图3为本发明实施例中微波反应腔内的结构示意图；

图4为本发明实施例中坩埚模具内坩埚分布示意图；

图5为本发明实施例中坩埚模具内坩埚分布俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，能够实现多组金属物料的同步或异步快速熔炼及温度数据采集，且温度采集设备简洁、可操作性强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置的截面结构示意图，图2为本发明实施例一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置立体结构示意图，图3为本发明实施例中微波反应腔内的结构示意图。

参见图1-图3，本发明实施例一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，包括微波源发生器101、微波反应腔102和温度采集设备107，所述微波源发生器101用于产生微波，并将所述微波通过波导管113传输到所述微波反应腔102内。

具体的，所述微波源发生器101通过矩形波导管113连通所述微波反应腔102，所述波导管113通过法兰连接微波源发生器101口，法兰连接口截面为矩形口，包括但不限于国标BJ22-26所规定形式，所述波导管113与所述微波反应腔102间采用四氟垫片、莫来石陶瓷片或石英玻璃片对所述微波反应腔102进行密封，密封片厚度约为2～5mm厚，所述微波源发生器101能够采用单微波源或多微波源组合方式实现功率调节，功率为0～20kW，但不局限于此，本发明实施例中采用多微波源组合方式，微波源频率采用2450±50MHz或915±50MHz，微波总功率为0～20kW，能够通过调节微波总功率来控制升温速率。

所述微波反应腔102内设置有旋转台105、保温桶103和坩埚模具104；所述旋转台105设置于所述微波反应腔102底部，所述旋转台105上设置有所述保温桶103，所述保温桶103内设置有所述坩埚模具104，所述坩埚模具104设置于所述保温桶103底部，且所述坩埚模具104用于盛放坩埚106。

所述坩埚模具104上设置有多个第一凹槽，所述第一凹槽用于放置坩埚106，各所述第一凹槽均匀分布于第一圆周上；所述保温桶103顶部设置有多个第一固定孔，所述第一固定孔与所述第一凹槽对应设置；所述微波反应腔102顶部设置有第一采集孔，所述第一采集孔位于所述第一圆周的正上方；所述保温桶103随所述旋转台105旋转时，所述温度采集设备107通过所述第一采集孔和所述第一固定孔对所述坩埚106内的物料进行温度的采集。

具体的，所述微波反应腔102为不锈钢长方体结构，腔体壁厚1～3mm，腔内壁采用多晶莫来石材料，能够保温且耐热温度为1400℃。所述微波反应腔102顶部设置有炉盖114，所述炉盖114采用可拆卸带扣螺栓固定，底部设置有炉底，上部炉盖114及下部炉底均采用密封圈密封，能够实现微波反应腔102在真空密闭或在保护气氛密闭条件下工作。

所述保温桶103由莫来石材料制成，所述保温桶103顶部设置有桶盖，所述桶盖上设置有多个第一固定孔，所述炉盖114上设置有第一采集孔，所述第一采集孔顶部设置有红外测温仪，所述炉底设置有旋转台105，所述旋转台105上设置有保温桶103，所述保温桶103随旋转台105的转动而转动，当所述旋转台105转动时，所述保温桶103也会转动，从而带动所述坩埚模具104的运动，使所述坩埚106在圆周上运动，在此过程中，所述第一固定孔和所述坩埚106的相对位置不变，所述第一采集孔和所述第一固定孔的相对位置发生变化，所述红外测温仪经所述第一采集孔和所述第一固定孔对所述坩埚106内的物料进行温度的测量。测温间隔时间通过控制旋转台105转速进行调节，通过上述装置来进行不同坩埚106内物料的采集，其装置更为简洁，可操作性强。

作为本发明的一种实施例，所述装置还包括控制系统，所述控制系统分别与所述温度采集设备107和所述微波源发生器101连接，所述控制系统根据所述温度采集设备107采集到的温度数据对所述微波源发生器101的功率进行调节。

具体的，所述控制系统采用触摸屏式PLC全自动智能控制，能直接显示并输出实验数据，也能连接相应计算机设备进行数据保存和分析。

作为本发明的一种实施例，所述装置还包括气压测量设备，用于测量所述微波反应腔102内的压力，所述气压测量设备为压力表；所述微波反应腔102上设置有进气管和排气管，所述进气管上设置有进气阀111，所述排气管上设置有排气阀112；所述控制系统分别与所述气压测量设备、所述进气阀111和所述排气阀112连接，所述控制系统根据压力数据控制所述进气阀111或所述排气阀112的开闭。

作为本发明的一种实施例，所述装置还包括真空泵110，所述真空泵110和所述微波反应腔102连通，所述真空泵110用于对所述微波反应腔102内的气体进行抽真空。

具体的，所述微波反应腔102底部留有排气孔，炉盖114密封并留有进气孔和抽真空口，所述进气孔经进气管和储气柜108连通，使氮气、氩气等保护性气体进入微波反应腔102内，真空泵110主要是抽取真空，保证真空环境或排空氧气，所述微波反应腔102内压力范围为10⁴～10⁶Pa，腔内气氛压力超过10⁶Pa时，排气阀112将自动打开。

作为本发明的一种实施例，所述装置还包括循环水冷机109，所述微波源发生器101装配铝合金水冷套，所述循环水冷机109和所述水冷套连通，用于磁控管强制水冷却微波源，保证微波源发生器101连续运行。

本实施例中所述装置还包括报警设备，本实例中的装置在运行过程中需保证处于密闭和循环水冷却的条件中，因此，在未通入循环水或炉门未密闭条件下，将启动报警或断电保护，主要是循环水冷机，在未开通循环水的条件下不能开机，另外就是炉门打开的情况下微波源发生器自动断电，一般是由安装在炉门的开关电源控制。

优选的，所述坩埚模具104上还设置有多个第二凹槽，各所述第二凹槽均匀分布于第二圆周上；所述第一圆周和所述第二圆周为同心圆，所述保温桶103顶部设置有多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第二凹槽对应设置；所述微波反应腔102顶部设置有第二采集孔，所述第二采集孔位于所述第二圆周的正上方；所述保温桶103随所述旋转台105旋转时，所述温度采集设备107通过所述第二采集孔和所述第二固定孔对所述坩埚106内的物料进行温度的采集。

图4为本发明实施例中坩埚模具内坩埚分布示意图，图5为本发明实施例中坩埚模具内坩埚分布俯视图。参见图4和图5，所述坩埚模具104为圆柱体结构，所述第一圆周和所述第二圆周为同心圆，所述圆心为所述坩埚模具104底部的中心，在所述第一圆周上均匀分布有16个第一凹槽，在所述第二圆周上均匀分布有8个第二凹槽，各凹槽用于放置坩埚106，所述保温桶103的桶盖上设置有固定孔116，所述固定孔116和所述凹槽分布一致，所述炉盖114上设置有第一采集孔和第二采集孔，所述第一采集孔设置于第一圆周的正上方，所述第二采集孔设置于第二圆周的正上方，当旋转台105旋转时，所述坩埚106和所述固定孔也会随着旋转，采集孔不旋转，以此，使所述第一采集孔顶部的红外测温仪测量各第一凹槽内坩埚106物料的温度，使所述第二采集孔顶部的红外测温仪测量各第二凹槽内坩埚106物料的温度。

优选的，所述坩埚106为碳化硅坩埚或掺杂氧化铝、氧化硅或氧化铁的碳化硅坩埚。具体的，所述坩埚106为多个，每个坩埚106对应放置于坩埚模具104的凹槽中，所述坩埚106为圆柱形结构，坩埚106容量为0.1～0.5L/个，坩埚106壁厚为5～10mm，所述坩埚106用于盛放物料及辅助加热，其成分为碳化硅、碳化硅+氧化铝、碳化硅+氧化硅、碳化硅+氧化铁，但不局限于此，通过调控坩埚的碳化硅含量来实现相同微波加热条件下的同步或异步升温，在微波加热条件下升温速率最高可达50～70℃/min，最高温度为1400±50℃，显著提高了加热效率和加热速率，缩短了工艺过程，降低了能耗，是一种高效、清洁、节能、便捷的多功能微波装备，此外，通过控制坩埚的碳化硅含量以及旋转台的转速，进行多样品的单点精准测温，实现多样品在不同温度下的同步处理。

优选的，所述温度采集设备107为红外测温仪，采用所述红外测温仪进行测温，其测温范围为350～1600℃，当保温桶103随腔内旋转台105旋转时，通过炉盖114顶部相应的红外测温仪对同心圆分布的各个坩埚106内的物料进行测温，测温间隔时间通过控制转速进行调控，并通过控制系统进行数据采集。

优选的，所述旋转台105由钛板制成，采用钛板主要是耐受温度高，强度高，不易产生热变形。还能够在旋转台105上放置支撑板115，所述支撑板115材质为金属钛或钛合金。

工作原理：

微波材料烧结或金属熔炼等工艺过程是通过微波加热碳化硅材质坩埚以及坩埚中样品或物料来实现，采用圆柱形结构以及烧结工艺成型，具有微波吸收能力，将盛有物料的坩埚送入微波反应腔内坩埚模具中，密封炉盖，开启循环水冷机，抽取真空到一定负压，视情况充入保护性气体，如氮气，压力应小于10⁶Pa，采用阀门进行保护，然后通过控制系统调节旋转台转速，并开启相应的红外测温仪，再馈入微波，待熔炼或烧结等工艺完成后，应先关闭微波源发生器，至样品温度降温到安全范围后再进行开启炉门的操作。

本发明实施例一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，涉及材料烧结、金属及合金熔炼、热处理、微波工业窑炉等技术，该装置利用微波加热技术，实现金属及合金熔炼、材料烧结、热处理等工艺过程在相同条件下的高通量处理，采用单微波源或多微波源组合方式实现功率放大，采用碳化硅基复合材料制备的坩埚作为物料承载容器和微波辅助加热元件，通过调控坩埚的碳化硅含量进行升温控制，相同条件下可同步升温或异步升温，各坩埚置于莫来石保温桶中基座上的坩埚模具内，各坩埚为同心圆分布，可为单层或多层，当保温桶随旋转台旋转时，可通过顶部相应的红外测温仪对各个坩埚内的物料进行测温，测温间隔通过控制转速进行调控，并通过控制系统进行数据采集，且能实现在真空或气氛保护等条件下的操作。本发明实施例用于材料烧结、金属及合金熔炼等高通量制备过程，提高相关工艺处理效率，且设备构造简单高效，易于操作和维护，相比传统电加热和微波高温处理设备具有明显的技术优势，适用于生产、实验等多功能用途，具有推广前景。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，其特征在于，包括微波源发生器(101)、微波反应腔(102)和温度采集设备(107)；

所述微波源发生器(101)用于产生微波，并将所述微波通过波导管(113)传输到所述微波反应腔(102)内；

所述微波反应腔(102)内设置有旋转台(105)、保温桶(103)和坩埚模具(104)；所述旋转台(105)设置于所述微波反应腔(102)底部，所述旋转台(105)上设置有所述保温桶(103)，所述保温桶(103)内设置有所述坩埚模具(104)，所述坩埚模具(104)设置于所述保温桶(103)底部，且所述坩埚模具(104)用于盛放坩埚(106)；

所述坩埚模具(104)上设置有多个第一凹槽，所述第一凹槽用于放置坩埚(106)，各所述第一凹槽均匀分布于第一圆周上；所述保温桶(103)顶部设置有多个第一固定孔，所述第一固定孔与所述第一凹槽对应设置；所述微波反应腔(102)顶部设置有第一采集孔，所述第一采集孔位于所述第一圆周的正上方；

所述保温桶(103)随所述旋转台(105)旋转时，所述温度采集设备(107)通过所述第一采集孔和所述第一固定孔对所述坩埚(106)内的物料进行温度的采集；

所述坩埚模具(104)上还设置有多个第二凹槽，所述第二凹槽用于放置坩埚(106)，各所述第二凹槽均匀分布于第二圆周上；所述第一圆周和所述第二圆周为同心圆，所述保温桶(103)顶部设置有多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第二凹槽对应设置；所述微波反应腔(102)顶部设置有第二采集孔，所述第二采集孔位于所述第二圆周的正上方；所述保温桶(103)随所述旋转台(105)旋转时，所述温度采集设备(107)通过所述第二采集孔和所述第二固定孔对所述坩埚(106)内的物料进行温度的采集；

所述坩埚(106)为碳化硅坩埚，通过调控所述坩埚(106)的碳化硅含量进行升温控制，在相同加热条件下能同步升温或异步升温；

所述温度采集设备(107)为红外测温仪，所述红外测温仪的测温范围为350～1600℃，当所述保温桶(103)随所述旋转台(105)旋转时，通过炉盖(114)顶部的所述红外测温仪对各所述坩埚(106)内的物料进行测温，测温间隔时间通过控制所述旋转台(105)的转速进行调控；所述旋转台(105)由钛板制成；所述旋转台(105)上放置有支撑板(115)，所述支撑板(115)的材质为金属钛或钛合金；

所述装置还包括循环水冷机(109)，所述循环水冷机(109)与所述微波源发生器(101)上的水冷套连通，用于冷却所述微波源发生器(101)；

所述装置还包括报警设备，所述报警设备用于在未通入循环水启动报警或炉门未密闭条件下进行断电保护。

2.根据权利要求1所述的底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，其特征在于，所述装置还包括控制系统，所述控制系统分别与所述温度采集设备(107)和所述微波源发生器(101)连接，所述控制系统根据所述温度采集设备(107)采集到的温度数据对所述微波源发生器(101)的功率进行调节。

3.根据权利要求2所述的底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，其特征在于，所述装置还包括气压测量设备，用于测量所述微波反应腔(102)内的压力；所述微波反应腔(102)上设置有进气管和排气管，所述进气管上设置有进气阀(111)，所述排气管上设置有排气阀(112)；所述控制系统分别与所述气压测量设备、所述进气阀(111)和所述排气阀(112)连接，所述控制系统根据压力数据控制所述进气阀(111)或所述排气阀(112)的开闭。

4.根据权利要求1所述的底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，其特征在于，所述装置还包括真空泵(110)，所述真空泵(110)和所述微波反应腔(102)连通，所述真空泵(110)用于对所述微波反应腔(102)内的气体进行抽真空。

5.根据权利要求1所述的底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，其特征在于，所述坩埚(106)为掺杂氧化铝、氧化硅或氧化铁的碳化硅坩埚。

6.根据权利要求1所述的底盘同心旋转式微波高通量材料处理装置，其特征在于，所述保温桶(103)由莫来石材料制成。

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