本發(fā)明屬于納米材料，特別是涉及一種使用石墨加熱器拉制無機晶體及非晶體材料的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、無機晶體材料具有規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的光學(xué)透明性、高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，例如，石英、氧化物晶體(氧化鋯、二氧化鈦等)、晶體金屬(金、銀、銅等)等。無機晶體材料在化學(xué)化工、能源、生物、激光器等多個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在化學(xué)化工領(lǐng)域，如氧化鋯(zro2)等無機晶體材料因其高離子導(dǎo)電性和卓越的化學(xué)穩(wěn)定性，常用作高溫固體氧化物燃料電池(sofcs)的電解質(zhì)材料，促進了化工過程中的電化學(xué)反應(yīng)。在生物領(lǐng)域，氧化鋅(zno)晶體憑借其良好的生物相容性和壓電特性，廣泛應(yīng)用于生物傳感器，用于檢測生物分子和酶活性，因其高靈敏度和穩(wěn)定性在醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。在激光器領(lǐng)域，釔鋁石榴石(nd)、鈦藍(lán)寶石(ti)、磷酸鈦氧鉀(ktp)等無機晶體材料被廣泛應(yīng)用于固體激光器和超短脈沖激光器中，用于激光束的產(chǎn)生與調(diào)制，這些材料還在激光切割、激光醫(yī)療和光通信等方面具有重要作用。通過這些應(yīng)用，無機晶體材料在推動科學(xué)技術(shù)進步中扮演了關(guān)鍵角色。

2、無機非晶材料由于缺乏長程有序的晶格排列，具有無定型結(jié)構(gòu)、獨特的力學(xué)特性、易加工等特點。例如，玻璃、非晶硅、非晶態(tài)氧化物(非晶氧化鋁、非晶氧化鈦)。無機晶體材料和無機非晶體材料在化學(xué)化工、能源、生物以及激光晶體領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。在能源領(lǐng)域，非晶態(tài)硅和非晶氧化物在鋰離子電池中作為陽極材料，有效緩解體積膨脹問題，提高了循環(huán)壽命和電池容量。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，類金剛石碳(dlc)涂層因其良好的生物相容性、耐腐蝕性和低摩擦性，廣泛應(yīng)用于制造生物醫(yī)學(xué)器械，如心臟支架、人工關(guān)節(jié)和骨植入物。

3、微納探針和超微電極的用途廣泛，在生命科學(xué)、能源科學(xué)及化學(xué)化工等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。由于微納探針和超微電極存在制備難度高、易損耗以及難以運輸?shù)葐栴}，難以滿足實驗室日?？蒲行枨?。

4、通過拉制儀對加熱和拉制過程進行調(diào)控，可將玻璃或石英毛細(xì)管加工成不同尺寸、形貌的微納探針，并應(yīng)用于多種科研場景。例如，在單細(xì)胞研究中，微納探針能夠精準(zhǔn)探測和操控單個細(xì)胞內(nèi)部的化學(xué)環(huán)境，直接測量細(xì)胞內(nèi)的ph值、離子濃度、膜電勢等指標(biāo)；在微納加工研究中，微納探針可以用于納米圖案化加工，通過電化學(xué)刻蝕或電沉積，制備納米尺度的器件結(jié)構(gòu)，用于微電子和光子學(xué)；在形貌成像與電化學(xué)活性測量研究中，如掃描電化學(xué)液池顯微鏡技術(shù)(seccm)，向微納探針中注入電解質(zhì)溶液，其管口前端由于毛細(xì)作用形成的“半月板”液滴與基底接觸會構(gòu)成了一個微小的電化學(xué)池，可用于電化學(xué)測量。此外，通過記錄探針與基底接觸過程中的下降距離，還可以對基底表面進行形貌成像。這種微納米級別的電化學(xué)池不僅大幅提高了空間分辨率，減少了樣品和試劑的消耗，還能夠?qū)崿F(xiàn)對局部電化學(xué)環(huán)境的精確控制。其小巧的體積設(shè)計允許對微小樣品區(qū)域進行精細(xì)的電化學(xué)分析，極大地提升了測量的靈敏度和準(zhǔn)確性。此外，微型液池還能促進對快速反應(yīng)動力學(xué)的研究，特別適用于納米材料、電催化和生物傳感器等領(lǐng)域的高精度制備與測量。

5、微納探針的另一重要應(yīng)用是制備超微電極。具體為以微納探針作為絕緣模板，利用電沉積、電泳或高溫氣相熱解等方法將導(dǎo)電物質(zhì)嵌入微納探針管內(nèi)制備超微電極，該方法通常稱為“自下而上”法。相對而言，通過熱封裝或同步拉伸封裝的方式對玻璃/石英絕緣層與內(nèi)置導(dǎo)電金屬絲/碳纖維進行處理的電極制備方案通常稱為“自上而下”法，該方法主要依靠拉制儀等設(shè)備完成。制備的電極尖端往往需要拋光處理以獲得規(guī)則形狀的導(dǎo)電截面，其具有許多特性，包括可忽略的歐姆降、較小的雙電層電容和較快的傳質(zhì)速率。與傳統(tǒng)的大電極相比，超微電極由于尺寸微小，通常表現(xiàn)為半球形擴散場，能夠在短時間內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)電流，非常適合快速電化學(xué)測量，并應(yīng)用于多種科研場景。例如，在生物傳感器研究中，超微電極可以用作高靈敏度的生物傳感器，檢測血液、尿液或其他體液中的生物標(biāo)志物；在微納加工研究中，利用超微電極進行微電沉積，可以精確地在電極表面沉積金屬或其他材料，制造微小的電路元件、傳感器和微結(jié)構(gòu)。在電化學(xué)研究中，使用超微電極進行電化學(xué)成像技術(shù)，如掃描電化學(xué)顯微鏡(secm)，能夠在微觀尺度上探測和分析材料的電化學(xué)活動。

6、在上述微納探針及超微電極的制備方法中，石英毛細(xì)管在強度、硬度、介電性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性方面優(yōu)于玻璃毛細(xì)管。石英能夠承受極高溫度，不易軟化或變形，可以匹配不同種類金屬絲的熔點，而玻璃則容易在高溫下軟化。不同材料的軟化溫度差異對拉制儀的加熱溫度(穩(wěn)定性及加熱溫區(qū))提出了更高的要求。

7、當(dāng)前市面上的拉制儀通常對樣品材質(zhì)有特定要求，缺乏一種適用于多種材質(zhì)(如玻璃、石英、需高溫拉制的晶態(tài)金屬)的拉制方法。玻璃拉制儀通常使用電阻絲或電加熱片作為加熱元件，但這些元件在空氣中高溫氧化，導(dǎo)致電阻值變化，從而使加熱溫度不穩(wěn)定。這樣的缺點會影響拉制過程的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。此外，這些元件的溫度上限較低，不能對石英管進行拉制。石英拉制儀采用co2激光器來對石英毛細(xì)管進行加熱和拉制。然而，co2激光器的輸出功率容易衰減，影響其拉制效果。此外，光路系統(tǒng)裝置復(fù)雜，對使用和運輸環(huán)境要求高，維護和更換困難，存在較大的局限性。這些問題限制了設(shè)備的使用壽命和拉制過程的穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的超微電極制備方法，自動化程度低且入門難度高，需經(jīng)過長時間練習(xí)才能夠掌握制備技術(shù)。此外，受人工操作的影響，其重現(xiàn)性不能保證。更重要的是，現(xiàn)有方法在制備小尺寸、小rg比超微電極時成功率低，不能滿足實驗室日常需求。

8、微納探針的拉制過程大體相同：首先，將玻璃或石英毛細(xì)管(棒)固定；然后，通過加熱器產(chǎn)生高溫，軟化固定的毛細(xì)管；最后，施加拉力將中間軟化的毛細(xì)管朝兩側(cè)拉斷，在空氣或惰性氣氛中迅速冷卻，制備出尖端對稱的兩個微納探針。類似的，在玻璃或石英毛細(xì)管內(nèi)置金屬絲進行同步拉制可制備超微電極。使用電阻絲(片)作為加熱器件的拉制儀由于工作溫度上限約為1400℃，只能拉制軟化點較低的玻璃等材質(zhì)。而使用co2激光器作為加熱器件的拉制儀，通過發(fā)射接近sio2晶格共振頻率的波長軟化石英和其他傳統(tǒng)玻璃，頻繁切換波長會導(dǎo)致激光輸出功率易衰減，存在維護成本高等缺陷。

9、總體而言，市面上大多數(shù)拉制儀器僅適用于玻璃材質(zhì)，只有極少數(shù)可兼容石英和玻璃。然而，這些儀器通常存在維護成本高、維修周期長以及性能衰減快的缺點，能夠同時拉制玻璃、石英微納探針、超微電極、需高溫拉制的金屬和無機晶體材料的技術(shù)方案更為稀缺。因此亟需一種能夠適用于無機晶體材料(石英、需高溫拉制的晶態(tài)金屬等)和無機非晶體材料(玻璃等)的通用型拉制儀器及穩(wěn)定的拉制方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明為了解決無機晶體材料(石英、需高溫拉制的晶態(tài)金屬等)和無機非晶體材料(玻璃等)拉制過程中遇到的技術(shù)難題，提出一種使用石墨加熱器對無機晶體材料(石英、需高溫拉制的晶態(tài)金屬等)和無機非晶體材料(玻璃等)進行拉制，制備微納探針和超微電極的裝置和方法，為化學(xué)、生物等領(lǐng)域的實驗器材生產(chǎn)提供了高效、穩(wěn)定、可靠的解決方案。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種使用石墨加熱器拉制無機晶體及非晶體材料的裝置，包括加熱艙單元、滑動加持單元、水冷單元、機箱結(jié)構(gòu)單元和惰性氣體流動單元，所述機箱結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的主體機身平臺上安裝有加熱艙單元，加熱艙單元外部安裝有水冷單元和惰性氣體流動單元，所述惰性氣體流動單元用于為加熱艙單元提供惰性氣體，所述水冷單元為加熱艙單元進行降溫，所述加熱艙單元兩側(cè)安裝有滑動加持單元；

3、加熱艙單元包括加熱艙外殼、兩個電極、石墨環(huán)加熱器、監(jiān)測加熱艙實時溫度的熱電偶、監(jiān)測電極實時溫度的熱電偶、對石墨環(huán)加熱器施加電流的正極和負(fù)極，所述加熱艙外殼內(nèi)安裝有石墨環(huán)加熱器，所述兩個電極分別位于石墨環(huán)加熱器兩側(cè)，石墨環(huán)加熱器分為正極和負(fù)極，所述加熱艙外殼上還安裝有監(jiān)測加熱艙實時溫度的熱電偶和監(jiān)測電極實時溫度的熱電偶；

4、惰性氣體流動單元包括惰性氣體管道入口、干燥艙、加熱艙惰性氣體進氣口和加熱艙惰性氣體出氣口，惰性氣體管道入口通過一號進氣管道與干燥艙連接，然后通過加熱艙惰性氣體進氣口與加熱艙惰性氣體進氣口連接，所述加熱艙外殼上設(shè)置有加熱艙惰性氣體出氣口。

5、更進一步地，所述滑動加持單元包括加熱艙兩側(cè)的牽拉臂、鋼絲轉(zhuǎn)向的定滑輪、限制牽拉臂的金屬彈簧片、用于固定毛細(xì)管棒的旋鈕和六個設(shè)置在牽拉臂上下方的滑輪。

6、更進一步地，所述機箱結(jié)構(gòu)單元包括主體機身、觸摸屏、功能按鈕、放置抽氣軟管的孔、遮光蓋和散熱孔，所述主體機身面板上設(shè)置有觸摸屏和功能按鈕，側(cè)面設(shè)置有散熱孔，主體機身上方安裝有遮光蓋，所述遮光蓋上設(shè)置有放置抽氣軟管的孔。

7、更進一步地，所述水冷單元包括加熱艙水冷換熱器、水冷管道入口、水冷管道出口、進水管道、出水管道和電極水冷換熱器，所述加熱艙水冷換熱器安裝在加熱艙外殼外側(cè)，所述加熱艙水冷換熱器分別連接水冷管道入口和水冷管道出口，所述電極外安裝有電極水冷換熱器，所述電極水冷換熱器連接有進水管道和出水管道。

8、更進一步地，所述水冷單元中的水須為娃哈哈純凈水。

9、一種利用所述的使用石墨加熱器拉制無機晶體及非晶體材料的裝置的拉制方法，具體包括以下步驟：

10、步驟一：在主界面打開用戶程序，選擇符合需求的程序編號并加載，退出用戶程序，進入拉制界面，安裝樣品毛細(xì)管；

11、步驟二：如使用用戶自定義程序進行拉制，具體操作步驟如下：

12、1.打開水冷單元、拉制儀和惰性氣體流動單元，在測試界面打開氣閥開關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計，使流量保持在用戶自定義流量，打開遮光蓋，將玻璃或石英毛細(xì)管放置在一側(cè)牽拉臂的毛細(xì)管夾槽中，并沿夾槽穿過加熱艙，按壓兩側(cè)牽拉臂上的金屬彈簧片拉緊兩側(cè)的牽拉臂，將毛細(xì)管用旋鈕固定，關(guān)閉遮光蓋；

13、2.點擊拉制界面的“熱值測試”，測量不同材質(zhì)、尺寸樣品管的實際軟化熱值；

14、3.依據(jù)步驟2中的熱值測試結(jié)果，輸入熱值參數(shù)，用戶可根據(jù)所需目標(biāo)管徑和形狀，對熱值、速度、延遲時間、拉力和循環(huán)等參數(shù)進行調(diào)整，點擊拉制界面的“加載程序”，屏幕顯示“加載成功”后，點擊“開始”按鈕，進行拉制操作；

15、4.拉制完成后，打開遮光蓋，松開旋鈕，取下微納探針；

16、5.程序保存：點擊“保存程序”可對程序界面參數(shù)進行自定義命名儲存，并通過“用戶程序”調(diào)用；

17、6.儀器關(guān)機：關(guān)閉惰性氣體，退出拉制界面，打開測試界面，選擇“開啟氣閥”，釋放保護氣管內(nèi)余壓，關(guān)閉水冷單元和拉制儀的電源開關(guān)；

18、步驟三：如果使用用戶程序進行拉制，操作步驟如下：

19、1.打開水冷單元、拉制儀和惰性氣體流動單元，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計使流量保持在1l/min，按照步驟二中步驟1固定好毛細(xì)管；

20、2.進入用戶程序后加載合適程序，返回拉制界面，點擊“開始”按鈕，進行拉制操作；

21、3.拉制完成后，所有操作參照步驟二中的步驟4-步驟6。

22、更進一步地，所述拉制界面包括熱值、拉力1、速度、位移、加熱時間、延遲時間、拉力2和循環(huán)參數(shù)，其中熱值是根據(jù)熱值測試的結(jié)果所設(shè)，一般在熱值測試數(shù)值的±30內(nèi)，關(guān)閉安全模式后熱值總范圍為0-1000；拉力1用于調(diào)控加熱過程的軟拉力；位移、速度以及加熱時間是拉制過程中加熱停止的判斷條件，以上三個參數(shù)僅支持選擇性輸入其中之一：位移是牽拉臂在加熱過程中的運動量，速度是牽拉臂在加熱過程中的移動速率，加熱時間是施加電流的持續(xù)時間；延遲時間是石墨環(huán)加熱器(103)停止到施加拉力的間隔時間；拉力2為加熱停止后用于拉制的作用力；循環(huán)是每行參數(shù)的預(yù)設(shè)作用次數(shù)，單行循環(huán)最高10次。

23、更進一步地，程序設(shè)置完成后，點擊“加載程序”并按下開始按鈕，儀器將根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動調(diào)控各單元模塊、開啟計時功能同時高速采集并反饋各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先，單片機控制惰性氣體閥門開啟，使惰性氣體經(jīng)過干燥艙進入加熱艙外殼，確保氣體干燥，按照一定流量，持續(xù)通入一定時間的惰性氣體，以穩(wěn)定加熱艙內(nèi)的氣體環(huán)境，然后開始加熱，拉制過程中，惰性氣體將持續(xù)通入加熱艙外殼，維持流動的惰性氣體環(huán)境，監(jiān)測加熱艙實時溫度的熱電偶和監(jiān)測電極實時溫度的熱電偶分別實時監(jiān)測加熱艙室和電極的溫度，位移傳感器會同步記錄牽拉臂的運動情況，當(dāng)位移量、速度或加熱時間達到程序設(shè)定值時，加熱器停止工作，儀器將在延遲時間結(jié)束后施加拉力，完成拉制并進入循環(huán)，光電轉(zhuǎn)換器會實時監(jiān)測毛細(xì)管是否已拉斷。

24、更進一步地，在拉制過程中，水冷系統(tǒng)持續(xù)運行，低溫水從水冷器流出，通過水冷管道流入加熱艙水冷換熱器，與加熱艙外殼進行持續(xù)的熱交換，從而保證艙內(nèi)的快速降溫，經(jīng)過加熱艙水冷換熱器的水隨后流經(jīng)加熱艙水冷換熱器，最終回到水冷器，其中，加熱艙水冷換熱器與電極兩者都通過銅制金屬元件相連。

25、更進一步地，拉制程序結(jié)束，惰性氣閥會在一定時間后自行關(guān)閉，如果在所有程序結(jié)束后毛細(xì)管仍未拉斷，儀器也會終止拉制，以上參數(shù)除水冷和惰性氣路外，均可通過拉制界面進行保存和調(diào)用，也可選擇系統(tǒng)自帶的參考程序進行拉制過程，此外，設(shè)備還配備了停止和急停按鈕，確保在緊急情況下能夠迅速終止程序或設(shè)備運行。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種使用石墨加熱器拉制無機晶體及非晶體材料的裝置及方法的有益效果是：

27、(1)本發(fā)明基于焦耳熱原理的超高溫加熱技術(shù)，實現(xiàn)了高穩(wěn)定性和高重復(fù)性的拉制過程。惰性氣體氛圍避免了加熱元件和制備超微電極時金屬絲在高溫條件下與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，流動的干燥(經(jīng)過干燥艙等干燥裝置)惰性氣體實現(xiàn)了石墨加熱器的穩(wěn)定加熱，有利于加熱元件的運行壽命和超微電極的制備，通過惰性氣體保護加熱艙中的石墨環(huán)，大幅度降低了加熱器件在空氣中的損耗。

28、(2)同時本發(fā)明使用干燥劑模塊對通入加熱艙的惰性氣體進行干燥，避免濕度變化影響拉制過程，以上兩點保證了加熱艙內(nèi)石墨加熱器的穩(wěn)定工作。

29、(3)本發(fā)明可拉制無機晶體材料(石英、需高溫拉制的晶態(tài)金屬等)和無機非晶體材料(玻璃等)，制備微納米管和超微電極。

30、(4)本發(fā)明采用高效水冷技術(shù)，低溫水從水冷器流出進入加熱艙水冷換熱器，與加熱艙進行持續(xù)的熱交換，從而保證艙內(nèi)的快速降溫。經(jīng)過加熱艙水冷換熱器的水隨后流經(jīng)水冷電極，最終回到水冷器，其中，加熱艙水冷換熱器和電極兩者均通過銅制金屬元件相連，利用銅是良好的熱導(dǎo)體實現(xiàn)了加熱艙和石墨加熱器的快速降溫，大大提高了拉制效率。

31、(5)本發(fā)明中的石墨環(huán)加熱器生產(chǎn)成本低，維修簡單便捷，對操作環(huán)境要求低，普通的設(shè)備檢修過程可在實驗室內(nèi)通過簡單的操作完成。

32、(6)本發(fā)明在加熱過程中，增設(shè)可調(diào)節(jié)的“拉力1”。該設(shè)計彌補了拉制過程中“軟拉力”不可調(diào)的問題，從而有效解決了利用同一尺寸加熱器無法快速調(diào)制不同尖端錐角的技術(shù)難題。

33、(7)本發(fā)明對于拉制程序的設(shè)計，包括“軟拉力”參數(shù)的增加以及“位移”、“加熱時間”和“速度”三選一的拉制機制選擇，不僅滿足了不同微納探針和超微電極的制備需求，還使拉制產(chǎn)品的形貌和尺寸具有更靈活的調(diào)控空間。