CN212432895U

CN212432895U - 一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置

Info

Publication number: CN212432895U
Application number: CN202022064304.8U
Authority: CN
Inventors: 杨文杰; 陶振翔; 杨锐; 唐维彤; 王坚; 张平
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2030-09-18

Abstract

本实用新型属于材料工程领域，具体涉及一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置。本实用新型装置包含石英坩埚、法兰盘、加热炉、支架、透明方形力管、氮气发生装置、电磁阀、单向阀门、真空泵、真空计、高速相机、红外高速相机等。本装置能够将从高温坩埚中通过气动脉冲而滴出的高温金属液滴保护在氮气的惰性氛围之内，防止高温金属液滴与氧气反应使得表面性质发生变化，进而影响实验自变量的控制。本装置的实验压强保持在一个大气压强，有利于连续产生大小均匀的金属液滴，保证了实验的可重复性与易操作性。通过高速相机与红外高速相机，记录高温金属液滴在产生及撞击过程中的动力学与热力学过程，为高温金属液滴撞击理论的研究提供参考依据。

Description

一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置

技术领域

本实用新型属于材料工程领域，具体涉及一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置。

背景技术

多个领域及工艺过程均涉及金属液滴与平板撞击的动力学过程，如热喷涂、3D打印、微电子封装等。目前在各个领域，二次引燃导致的事故频繁发生，这一现象也使得高温金属颗粒引燃其他可燃材料的问题变得尤为突出。金属液滴撞击底板过程涉及铺展、粘附、反弹等动力学过程，也涉及相变传热过程，影响因素较为复杂，如金属液滴种类、底板温度、底板材料性质、环境氧浓度、环境温度等。若需探究上述复杂的物理过程，则需精确控制各个变量。

目前，液滴喷射装置主要分为压电陶瓷液滴发生器和气动脉冲液滴发生器。前者所使用的典型的压电陶瓷温度范围通常为120℃～360℃，无法用于高温金属熔融液滴的发生，如铝、镁金属熔融液滴的喷射。

多个领域及工艺过程均涉及金属液滴与平板撞击的动力学过程。如3D打印、热喷涂、微电子封装等。当下二次引燃问题在各个领域暴漏出的问题，使得高温金属颗粒引燃其他可燃材料的问题也变得尤为突出。金属液滴撞击底板过程涉及铺展、粘附、反弹等动力学过程，也涉及相变传热过程，影响因素较为复杂，如金属种类、底板温度、底板材料性质、环境氧浓度、环境温度等。若需探究上述复杂的物理过程，则需精确控制各个变量。

因此，本装置基于气动脉冲高温金属液滴发生器，设计了一种坩埚内部及液滴滴落飞行和撞击过程中的带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置，基于气动脉冲高温金属液滴发生器，设计坩埚内部及液滴滴落飞行及撞击过程中的气体保护功能，以控制金属液滴在发生器内、滴落飞行过程及撞击过程中周围的气体氛围，达到精确控制实验变量的目的。

本实用新型提出的带有气体保护的高温金属液滴发生装置，包括：氮气源、温控仪、加热炉、石英坩埚、透明方管、可控温被试撞击底板、可升降平台和主体支架；所述的加热炉、透明方管、可控温被试撞击底板和可升降平台同轴安装，加热炉置于主体支架上，加热炉与主体支架之间设有隔热棉；所述的温控仪分别与石英坩埚中的第一热电偶、石英坩埚外圈的第二热电偶和加热丝相连；所述的石英坩埚置于加热炉中，石英坩埚的顶部设有法兰密封盘，石英坩埚的底部设有喷嘴，石英坩埚底部的喷嘴伸入透明方管中，透明方管通过高温玻璃胶固定于主体支架顶部平板的底部，透明方管上端的外部两侧设有第一光源和第二CCD高速相机，透明方管下端的外部两侧设有第二光源、第一CCD高速相机和红外高速相机，透明方管与可控温被试撞击底板的间距可调；所述的可控温被试撞击底板置于可升降平台上；所述的氮气源分别通过第一电磁阀和第二电磁阀与石英坩埚和透明方管相连；石英坩埚的顶部设有单向阀门和抽真空口。

本实用新型提出的带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置，其优点是：

1、本实用新型的带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置，能够连续产生均匀大小的熔融金属液滴，液滴大小可通过改变石英坩埚底部喷嘴直径或脉冲压强大小和作用时间来改变，液滴撞击到底板表面的速度通过改变方管的长度或可升降平台的高度来改变。

2、本实用新型装置在实验过程中，金属熔融液滴在坩埚中及在滴落飞行和撞击过程中受到惰性气体的保护，不易被氧气所氧化，表面物理和化学性质保持稳定。实验过程中，不仅可以通过给透明方管中通入氮气来隔绝氧气，还可以通入一定比例氮气与氧气的混合物，来探究在不同氧气浓度条件下，金属液滴对可燃材料的引燃问题。

3、本实用新型装置的实验过程中，可通过高速CCD相机和红外高速相机记录液滴撞击动力学与热力学全过程。使用接触角测量软件进行分析，得到不同金属液滴前进、后退及静态接触角大小；通过红外高速相机拍摄到液滴表面温度随时间的变化情况，可以分析得到液滴撞击过程中的相变情况。

4、本实用新型装置能控制通入惰性气体与氧气的浓度比，结合不同种类的被试撞击表面，进行不同氧浓度工况下的二次引燃模拟实验。本实用新型装置可用于热喷涂、电路封装、金属3D打印及高温质点颗粒二次引燃等问题的机理研究。

附图说明

图1是本实用新型提出的一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置的结构示意图。

图2是图1所示的高温金属液滴发生装置中底部带有喷嘴的坩埚的结构示意图。

图3是图1所示的高温金属液滴发生装置中透明方管的结构示意图。

图1中，1是单向阀门，2是第一电磁阀，3是氮气源，4是温控仪，5是第一热电偶，6是第二热电偶，7是绝热棉，8是第一光源，9是主体支架，10是可控温被试撞击底板，11是第二光源，12是第二电磁阀，13是可升降平台，14是第一CCD高速相机，15是红外高速相机，16是透明方管，17是第二高速CCD相机，18是加热炉，19是石英坩埚，10是法兰密封盘，21是真空计，22是抽真空口。

具体实施方式

本实用新型提出的带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置，其结构如图1所示，包括：氮气源3、温控仪4、加热炉18、石英坩埚19、透明方管16、可控温被试撞击底板10、可升降平台13和主体支架9；所述的加热炉18、透明方管16、可控温被试撞击底板10和可升降平台13同轴安装，加热炉18置于主体支架9上，加热炉18与主体支架9之间设有隔热棉7；所述的温控仪4分别与石英坩埚18中的热电偶5、石英坩埚19外圈的第二热电偶6和加热丝相连；所述的石英坩埚19置于加热炉18中，石英坩埚19的顶部设有法兰密封盘20，石英坩埚19的底部设有喷嘴，如图2所示，石英坩埚19底部的喷嘴伸入透明方管16中，透明方管16的结构如图3所示，透明方管16通过高温玻璃胶固定于主体支架9顶部平板的底部，透明方管16上端的外部两侧设有第一光源8和第二CCD高速相机17，透明方管16下端的外部两侧设有第二光源11、第一CCD高速相机14和红外高速相机，透明方管16与可控温被试撞击底板10的间距可调；所述的可控温被试撞击底板10置于可升降平台13上；所述的氮气源3分别通过第一电磁阀2和第二电磁阀12与石英坩埚18和透明方管16相连；石英坩埚19的顶部设有单向阀门1和抽真空口22。

以下结合附图，详细介绍本实用新型的工作原理和工作过程：

本实用新型提出的带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置，其工作过程如下：

1、称取适当质量的金属颗粒，将其放入石英坩埚19中，安装法兰密封盘20，通过法兰密封盘20上预留的通孔插入第一热电偶5至金属块区域，使用高温玻璃胶密封法兰盘上的通孔。

2、将石英坩埚19、加热炉18相互配合，并安置在主体支架9的中部，使得石英坩埚19底部的喷嘴置于主体支架9平板部分开孔的中央。

3、选取合适长度的透明方管16，用高温玻璃胶固定于主体支架9的底部，使喷嘴位于透明方管16的中央部位。接入气体通路，透明方管16塞入密封塞。用真空泵从法兰密封盘20顶部的单向阀1向外抽取气体，待真空计示数接近于-0.1MPa时，关闭真空泵，并打开底部透明方管16的气体通路，通入氮气，至真空计示数为常压。重复多次，直至从单向阀1抽出的气体中氧浓度降低至35ppm。

4、关闭真空泵，断开真空泵与单向阀的连接，关闭氮气通路。设置加热炉18的加热目标温度，接通加热炉电路，等待金属颗粒的融化。

5、通过插入石英坩埚19内部的热电偶，判断温度是否使金属完全融化，待温度升至熔点以上时，可打开透明方管16底部的密封塞，同时打开底部氮气通路。将可控温被试撞击底板10放置在靠近透明方管16底部的位置，便可以通过与法兰密封盘20所连接的第一电磁阀2来控制脉冲压强，将熔融金属通过底部喷嘴挤压出石英坩埚19。熔融金属液滴从产生直至撞击被试撞击底板10，都不会受到明显的氧化作用。

6、通过分析高速相机与红外高速相机在实验过程中所拍摄的照片，获得液滴在撞击过程中的动力学参数和包含相变的热力学参数，为理论模型的完善提供参考依据。

本实用新型提出的用于实验的高温金属液滴气体氛围保护装置，其中加热炉18与主体支架9之间放置一层10mm厚的保温棉。主体支架9由铝合金平板及铝型材构成，高1m，铝板中部有一个直径为20mm的孔，使得金属液滴可以自由滴落。透明方管16通过高温玻璃胶与主体支架9的铝合金平板底部相连接。透明方管16有多种长度规格，从5cm～100cm不等，且靠近底部位置均留有气管连接装置，可以接入氮气或是氮气与氧气的混合物。石英坩埚19底部喷嘴内径可设置为0.2mm，0.4mm，0.8mm，结合不同压力脉冲，可产生不同大小直径的金属液滴颗粒。可更换不同长度的透明方管，使得金属液滴碰撞底板的速度在1～4m/s范围内可调节。实验过程中，由于透明方管16底部与大气联通，因此管内压强恒等于一个大气压强，在石英坩埚19内部持续脉冲压力的作用下可产生均匀大小的金属液滴。法兰密封盘20顶部所连接的单向阀，不仅可以作为防止石英坩埚内部压强过大的泄压阀，还可以作为实验准备过程中，抽取石英坩埚19及透明方管16内空气的通路。透明方管16中所通气体，不仅可以为纯净氮气，还可以为不同比例氮气和氧气的混合气体，以此来观察不同氧浓度对金属液滴颗粒的氧化作用及其对金属颗粒撞击动力学和二次引燃过程的影响。实验所用金属颗粒材料以低熔点金属为主，如锡(熔点232℃)、铟(熔点157℃)、铋(熔点271℃)、铝(熔点660℃)，可探究不同种类的金属撞击动力学特征。

本实用新型提出的用于实验的高温金属液滴气体氛围保护装置中，底部带有喷嘴的石英坩埚19，可以有多种内径的喷嘴，用以产生不同直径大小的金属液滴。底部带有气路连接口的透明方管16，用于控制金属液滴下落飞行及撞击地板过程中的气体氛围及撞击速度。该种透明方管16不会对光路造成较大折射而引起畸变。可以使用透明方管16上端的外部两侧的第一光源8和第二CCD高速相机17拍摄金属液滴形成初期的形态，进而测量其直径大小，亦可以使用透明方管16下端外部两侧的第二光源11、第一CCD高速相机14和红外高速相机15，拍摄液滴撞击底板10的动力学和热力学过程。

Claims

1.一种带有气体氛围保护的高温金属液滴发生装置，其特征在于包括：氮气源、温控仪、加热炉、石英坩埚、透明方管、高速相机、红外高速相机、可控温被试撞击底板、可升降平台和主体支架；所述的加热炉、透明方管、可控温被试撞击底板和可升降平台同轴安装，加热炉置于主体支架上，加热炉与主体支架之间设有隔热棉；所述的温控仪分别与石英坩埚中的第一热电偶、石英坩埚外圈的第二热电偶和加热丝相连；所述的石英坩埚置于加热炉中，石英坩埚的顶部设有法兰密封盘，石英坩埚的底部设有喷嘴，石英坩埚底部的喷嘴伸入透明方管中，透明方管通过高温玻璃胶固定于主体支架顶部平板的底部，透明方管上端的外部两侧设有第一光源和第二CCD高速相机，透明方管下端的外部两侧设有第二光源、第一CCD高速相机和红外高速相机，透明方管与可控温被试撞击底板的间距可调；所述的可控温被试撞击底板置于可升降平台上；所述的氮气源分别通过第一电磁阀和第二电磁阀与石英坩埚和透明方管相连；石英坩埚的顶部设有单向阀门和抽真空口。