一种电效应驱动凝固结晶过程的装置，涉及一种凝固结晶的装置。解决了现有的用于电场下观测晶体结晶行为的装置不能直观的观测到晶体生长情况的问题，它包括电场发生系统、恒温水循环系统、结晶器、ＣＣＤ显微镜、热电阻、通讯仪表、串行通讯口、ＵＳＢ总线接口电路和计算机；所述电场发生系统的正极与结晶器的一端相连，电场发生系统的负极与结晶器的另一端相连，恒温水循环系统与结晶器相连通，保证结晶器温度恒定，ＣＣＤ显微镜设置在结晶器的正上方，并且通过ＵＳＢ总线接口电路与计算机相连，薄膜铂热电阻预置在结晶器熔区内，并且与通讯仪表的数据输入端相连，通讯仪表的数据输出端通过串行通讯口与计算机相连。本发明专利技术适用于需要直接观测结晶过程的情况。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种凝固结晶的装置。
技术介绍
进入21世纪以来，高技术产业尤其是航空、航天及汽车工业对材料的使用要求越 来越苛刻，科技人员迫切期待从控制材料的凝固进程入手寻求获得具有优异性能的新材 料。对微重力场、电场、磁场、电磁场及超声波等外场作用下的材料凝固进程控制已展开了 深入研究，并取得丰硕成果。其中电场作用下凝固技术具有设备简单，易操作，改变凝固组 织明显等优点受到了极大的关注。电场作用下的材料凝固进程研究始于上世纪60年代，至今已有近半个世纪，大量 实验数据证实电场可以提高金属及其合金在凝固时固液(S/L)界面前沿处的温度梯度，影 响其晶体生长，细化凝固组织。电场对金属及其合金凝固的影响机制可从以下几点考虑 (1)电场热效应或热电效应(包括Joule热效应，Seebeck效应，Peltier效应，Thomson效 应)；(2)电迁移；(3)电场感生出Lorentz力驱动熔体流动。热效应直接影响S/L界面处的 温度场，造成S/L界面处凝固方向上温度梯度的变化。电迁移影响凝固溶质分配系数。金 属凝固前液相的流动对凝固进程的传热、传质及动量传输过程产生影响。此三者互相制约， 耦合关系如图1所示。为直观地表征金属及其合金的凝固行为特征包括溶质再分配、枝晶尖端生长，深 入揭示材料凝固本质特征，科研工作者不断更新观测及分析手段。研究者们将各种形式的电场应用到合金熔体阶段、普通凝固条件、定向凝固条件 及凝固后热处理，选取的材料包括Pb-Sn、Zn合金、Al合金、铸铁、不锈钢、高锰钢、镁合金， 分别得到电场影响金属凝固进程和改变凝固组织的实验结果。在对电场作用下探讨金属的 凝固机制方面，学者们也进行了较为深入的研究。顾根大在定向凝固条件下对Al - 4. 5wt. %Cu及Sn — 5wt. %Bi合金施加平行于生 长方向的稳衡电场时，考虑界面静电势、界面电压和电场强度、界面处原子的跳跃几率与界 面电场的关系、溶质的电场能和界面能及固液两侧原子的能量状态后，给出在生长速度为 零时的电场下界面分配系数的最终定量关系式。分析得出随着电流密度增大合金的界面 分配系数减小；直流电场显著提高了Sn - 5%wt. Bi合金的界面稳定性，其作用表现在，平 面界面一失稳界面一胞晶界面一枝晶界面转变的临界生长速度都随电流密度增大而迅速 增大。认为，电场导致界面稳定性迅速增加的主要原因是电场使界面能和界面上最危险干 扰波的频率增大及电场导致液相中对流增大。上海大学在定向凝固条件下研究脉冲电场对 纯Al、Al合金固液界面形貌的影响，通过在Al-4. 5wt. %Cu合金上下两端通以脉冲电流，发 现随着脉冲电流密度的增大，合金胞状晶间距及糊状区深度减小，而且其固液界面形貌从 枝晶转向胞晶甚至平界面，脉冲电流使得固液界面前沿温度梯度增大，促进了溶质分布更 加均勻，二次枝晶生长被抑制。众所周知在金属的定向凝固进程中，固液界面是决定材料凝 固的重要因素，对材料的溶质分布、晶体形貌、组织结构有着重要影响，进而决定所凝固材料的性能，这说明脉冲电场对控制凝固界面前沿的凝固行为，改变溶质分配，影响固液界面前沿的温度梯度等方面必将发挥重要作用。将直流电流和交流电流作用于铸造凝固过程的研究始于20世纪60年代，当时发 现通入电流的Al-Ni合金熔体的最终凝固组织发生变化，特别是有效溶质分配系数发生变 化，在共晶合金促进两个组成相的分离或偏聚。紧接着前苏联在70年代对铸铁凝固中施加 电流，表明石墨相的平均尺寸减小了 20%-40%，而且石墨相由片状变得卷曲，拉伸强度提高 了 30%。进入80年代以后，美国学者A. K. Misra在Pb-Sb-Sn三元合金凝固中通入直流电 流，得到了细小均勻的凝固组织，共晶片层间距也减小到原来的1/4，且共晶团数量增加，这 充分验证了电流有促进生核和抑制长大的假设。90年代以后国内外学者初步证实了电流密 度与一次枝晶间距呈现线性反比关系，而且高的电流密度有利于增大凝固前沿固液两相的 焦耳热差值，提高界面能，提高温度梯度，使得凝固界面稳定性增加。然而普通的电流技术要想获得高的电流密度需要相当可靠的高功率电力设施保 障，成本昂贵，不利于实际应用。人们发现脉冲电流(电脉冲)可以通过功率较低和投资较小 的电源设备实施间歇式大能量输出，自此电脉冲对金属凝固组织的影响成为新兴的研究方 向。美国麻省理工学院M. C. Flemings教授等人率先对合金铸造过程中施加脉冲电流进行 了研究，他们采用的是低熔点Sn-15%Pb合金熔体，发现在凝固的起始阶段施加脉冲电流可 使组织中的树枝晶转变为球状晶，而且形貌取决于放电峰值电压、固相体积分数和凝固冷 却速率；他们还观察到金属液面的波动现象，证实了脉冲电流充放过程所造成伸缩力的存 在。究竟是哪种机制在控制凝固中起主导作用，还要根据不同材料的物性，成分等因 素决定，不能一概而论，而且凝固是一个复杂能量体系的转变过程，伴随着传热、传质、动量 传输，一个外界因素的扰动很难被放大显示在最终组织性能上，因此迫切期待简化凝固过 程，过滤无关影响因素，重点研究电场某一种效应对金属凝固过程的影响机制。在晶体生长观测方面，从已有的文献资料可看出，多为一些模型合金在无电场下 的凝固结晶行为研究，如西北工业大学自制的装置由4块载玻片组成的一个条形空间，两 边插入相同厚度的铜片，再经透明有机胶无缝粘合而成，其中阴影部分为模型合金。温控 系统通过铜片精确调节生长室中的温度梯度，得到不同的晶体生长形貌。但在显微镜下直接观测电场下晶体生长的装置还未见报道。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的用于观测晶体结晶行为的装置不能直观的观测到电场作 用下晶体生长情况的问题，提供一种电效应驱动凝固结晶过程的装置。一种电效应驱动凝固结晶过程的装置，它包括电场发生系统、恒温水循环系统、结 晶器、CCD显微镜、热电阻、通讯仪表、串行通讯口、USB总线接口电路和计算机；所述电场发生系统的正极与结晶器的热端相连，电场发生系统的负极与结晶器的冷端 相连，恒温水循环系统与结晶器相连通，保证结晶器温度恒定，CCD显微镜设置在结晶器的 正上方，并且通过USB总线接口电路与计算机的数据通讯端相连，薄膜钼热电阻预置在结 晶器熔区内，并且与通讯仪表的数据输入端相连，通讯仪表的数据输出端通过串行通讯口 与计算机的数据通讯端相连。本专利技术的装置既可直接观测具有小晶面晶体生长特征或非小晶面晶体生长特征 的晶体生长过程，控制温度梯度并施加稳衡电场、交流电场及脉冲电场作用于晶体生长过 程中，最终制备出电场作用下的晶体凝固试样又可为材料在外场下的凝固行为理论研究奠 定基础以丰富材料非平衡凝固学科内涵。本专利技术为直接用于电场下观测晶体结晶行为的装置，该装置具备实时温度测量及 记录，动态照片及视频录制，电场大小及方向参数可控且输出平稳，大温度梯度，体积较小 等优点。本专利技术适用于需要直接观测结晶过程的情况。附图说明图1为电场对金属材料的耦合作用关系示意图。图2为电效应驱动凝固结晶过程 的装置的结构示意图。图3为图2中虚线椭圆部分的局部放大示意图。图4为无电场时丁 二腈类金属模型合金的凝固时的柱状树枝晶生长照片。图5为稳衡电场下丁二腈类金属模 型合金的凝固时的柱状本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电效应驱动凝固结晶过程的装置，其特征在于它包括电场发生系统（１０１）、恒温水循环系统（１０２）、结晶器（１０３）、ＣＣＤ显微镜（４）、热电阻（５）、通讯仪表（７）、串行通讯口（８）、ＵＳＢ总线接口电路（１１）和计算机（１２）；所述电场发生系统（１０１）的正极与结晶器（１０３）的热端相连，电场发生系统（１０１）的负极与结晶器（１０３）的冷端相连，恒温水循环系统（１０２）与结晶器（１０３）相连通，保证结晶器（１０３）温度恒定，ＣＣＤ显微镜（４）设置在结晶器（１０３）的正上方，并且通过ＵＳＢ总线接口电路（１１）与计算机（１２）的数据通讯端相连，薄膜铂热电阻（５）预置在结晶器熔区（３０）内，并且与通讯仪表（７）的数据输入端相连，通讯仪表（７）的数据输出端通过串行通讯口（８）与计算机（１２）的数据通讯端相连。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丁宏升，张永，姜三勇，陈瑞润，郭景杰，傅恒志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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