專利名稱：材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料熱膨脹系數(shù)測量領(lǐng)域，尤其是材料發(fā)生固-液相變后，體積膨脹率、熔融態(tài)密度測定領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱膨脹系數(shù)是材料重要熱物性之一。熱力學(xué)溫度在OK以上的晶體中，原子在平衡位置附近熱振動。隨著溫度的升高，振動能量增加，振幅和頻率增大。但是勢能曲線關(guān)于原子間距初始平衡位置不對稱，原子動能衰減量在向原子間距增大方向比向原子間距變小方向小，所以振動平衡位置間距增大，即原子間距增大，體積膨脹。另一個原因是溫度越高，原子能量越高，產(chǎn)生的空穴數(shù)目越多，從而使材料發(fā)生膨脹。當(dāng)溫度達(dá)到熔點時，首先從勢能較高的晶界開始熔化，材料狀態(tài)發(fā)生改變，由具有固定形狀的固態(tài)變?yōu)榫哂辛鲃有缘囊簯B(tài)， 材料體積發(fā)生突變。研究材料熔化體積膨脹系數(shù)具有重要意義。比如在鑄造領(lǐng)域及鑄造CAD/CAE方面，這一參數(shù)控制著鑄件冷/熱應(yīng)力和各種鑄造缺陷分布狀態(tài)。在新能源領(lǐng)域，高溫儲熱技術(shù)是太陽能光熱利用的核心技術(shù)之一，而被認(rèn)為最有潛力的無機鹽高溫相變儲熱材料被封裝在承壓容器中，服役過程中，在高達(dá)上千攝氏度下往往經(jīng)歷上萬次熔化-凝固循環(huán)，分析其熔化體積變化率對儲熱容器設(shè)計、安全運行等具有決定性意義。純金屬或純無機非金屬材料的熱膨脹系數(shù)或許可以從資料中查到。但是，眾多合金及不同成分種類、不同成分含量的混合無機鹽的熱膨脹系數(shù)難以查到，實驗研究中，需要一種便捷的測量方法。目前，對熱膨脹系數(shù)的測量可以采用頂桿熱膨脹儀，實質(zhì)上測得的是材料線膨脹系數(shù)，方法是采用比樣品長幾倍的頂桿與試樣接觸，把試樣的長度變化傳遞給加熱爐外的與其接觸的位移傳感器。也可以采用干涉膨脹儀測量，它是一種光學(xué)非接觸、絕對測量方法，測量準(zhǔn)確度高。但是，以上兩種方法都僅限于固體材料，而且后者商業(yè)化產(chǎn)品最高測量溫度700°C，裝置和操作復(fù)雜，設(shè)備昂貴。目前難以測量固體材料加熱熔化為液態(tài)時體積膨脹率。盡管有研究者(Jurgen Blumm, Jack B Henderson)通過改進(jìn)頂桿熱膨脹儀，設(shè)計了可以測量金屬從固態(tài)熔化為液態(tài)的體積變化率的裝置，但不僅裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且要求樣品容器相對液態(tài)金屬密封、容器尺寸必須很精確等條件，這在幾百甚至上千攝氏度條件難以 兩足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置及方法。本發(fā)明是材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置及方法，其裝置中的樣品室201是一個有底、開口的筒形容器，盛裝待測樣品101后放置在加熱座301中間的加熱腔內(nèi)，加熱腔是加熱座301中心的一個豎直盲孔，加熱座301上方蓋有頂蓋304，加熱座301側(cè)壁靠近底部有一個與加熱腔連通的小徑通孔；加熱座301上靠近加熱腔的圓周上均布有豎直盲孔，加熱棒安裝在盲孔中，盲孔上面有一個環(huán)形保護(hù)塊303 ；環(huán)形保護(hù)塊303上面蓋有頂蓋304，頂蓋304中間并排有3個小徑通孔，左側(cè)通孔插入保護(hù)氣體通入管501 ；中心通孔的孔徑比探針401直徑大；探針401是一根筆直細(xì)長桿，固定在夾持機構(gòu)701的夾持端，夾持機構(gòu)701固定在導(dǎo)桿702上，間隙配合，通過夾緊螺釘703夾緊；導(dǎo)桿702固定在上箍圈 703和下箍圈704上，上箍圈704和下箍圈705套在加熱座301外圍，由上圓周緊固螺栓708 和下圓周緊固螺栓709固定；在上箍圈704和下箍圈705上分別通過螺紋連接一個上徑向調(diào)整螺釘706和下徑向調(diào)整螺釘707，上徑向調(diào)整螺釘706和下徑向調(diào)整螺釘707端部與加熱座301外壁抵觸；右側(cè)通孔插入測溫?zé)犭娕?01，測溫?zé)犭娕?01與PID智能溫控儀602 溫度輸入端連接，PID智能溫控儀602控制輸出端與繼電器模塊603線圈連接，220V交流電源分別通過溫顯開關(guān)Kl、負(fù)載開關(guān)KO后與PID智能溫控儀602和繼電器模塊603連接，從繼電器模塊603引出電源線經(jīng)過主熔斷器Rl、次熔斷器R2后與電加熱棒302接線端連接。材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量方法，其步驟為(1)稱重并盛裝樣品；(2)矯正實驗裝置，接通保護(hù)氣體；(3)設(shè)定加熱參數(shù)，開始加熱；(4)樣品完全熔化后關(guān)閉保護(hù)氣體，探量液面高度；(5)重復(fù)如上所述步驟(1) 步驟(4)；(6)數(shù)據(jù)處理通過如下公式計算樣品在Tm+Δ T溫度下熔融態(tài)相對于室
溫下固相體積膨脹率
權(quán)利要求
1.材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置，樣品室O01)是一個有底、開口的筒形容器，盛裝待測樣品(101)后放置在加熱座(301)中間的加熱腔內(nèi)，加熱腔是加熱座 (301)中心的一個豎直盲孔，加熱座(301)上方蓋有頂蓋(304)，其特征在于加熱座(301) 側(cè)壁靠近底部有一個與加熱腔連通的小徑通孔；加熱座(301)上靠近加熱腔的圓周上均布有豎直盲孔，加熱棒安裝在盲孔中，盲孔上面有一個環(huán)形保護(hù)塊(303)；環(huán)形保護(hù)塊(303) 上面蓋有頂蓋(304)，頂蓋(304)中間并排有3個小徑通孔，左側(cè)通孔插入保護(hù)氣體通入管 (501)；中心通孔的孔徑比探針(401)直徑大；探針001)是一根筆直細(xì)長桿，固定在夾持機構(gòu)(701)的夾持端，夾持機構(gòu)(701)固定在導(dǎo)桿(702)上，間隙配合，通過夾緊螺釘(703) 夾緊；導(dǎo)桿(702)固定在上箍圈(70 和下箍圈(704)上，上箍圈(704)和下箍圈(705)套在加熱座(301)外圍，由上圓周緊固螺栓(708)和下圓周緊固螺栓(709)固定；在上箍圈 (704)和下箍圈(70 上分別通過螺紋連接一個上徑向調(diào)整螺釘(706)和下徑向調(diào)整螺釘 (707)，上徑向調(diào)整螺釘(706)和下徑向調(diào)整螺釘(707)端部與加熱座(301)外壁抵觸；右側(cè)通孔插入測溫?zé)犭娕?601)，測溫?zé)犭娕?601)與PID智能溫控儀(602)溫度輸入端連接，PID智能溫控儀(60 控制輸出端與繼電器模塊(60 線圈連接，220V交流電源分別通過溫顯開關(guān)K1、負(fù)載開關(guān)KO后與PID智能溫控儀(602)和繼電器模塊(603)連接，從繼電器模塊(603)引出電源線經(jīng)過主熔斷器R1、次熔斷器R2后與電加熱棒(302)接線端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置，其特征在于 頂蓋(304)中間孔下端呈喇叭口狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置，其特征在于 導(dǎo)桿(70 橫截面是帶有V形凹槽的圓缺形；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置，其特征在于 夾緊螺釘(70 端部呈圓錐形，錐角與導(dǎo)桿(70 橫截面的V形凹槽夾角相同；
5.材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量方法，其步驟為(1)稱重并盛裝樣品；(2)矯正實驗裝置，接通保護(hù)氣體；(3)設(shè)定加熱參數(shù)，開始加熱；(4)樣品完全熔化后關(guān)閉保護(hù)氣體，探量液面高度；(5)重復(fù)如上所述步驟(1) 步驟；(6)數(shù)據(jù)處理通過如下公式計算樣品在Tm+△T溫度下熔融態(tài)相對于室溫下固相體積膨脹率
全文摘要
材料熔化體積膨脹率/熔融態(tài)密度的測量裝置及方法，該裝置包括樣品室置于電加熱的樣品座中，熱電偶、PID智能溫控儀和繼電器聯(lián)合控制加熱溫度和保溫時間；探針固定在夾持機構(gòu)上，整體沿導(dǎo)桿可以在z向自由運動。該方法包括將盛裝了已知質(zhì)量樣品的樣品室豎直放入樣品座中，蓋上頂蓋，矯正裝置使探針與樣品室底面垂直，通入保護(hù)氣體，打開溫顯開關(guān)，設(shè)定加熱參數(shù)后開始加熱。樣品完全熔化后關(guān)閉保護(hù)氣體，探針深入樣品室測得液面高度，再停止加熱，一次測量結(jié)束。重復(fù)測量獲得平均液面高度，根據(jù)公式求得樣品熔化體積膨脹率(負(fù)值為熔化體積收縮率)和熔融態(tài)密度值。
文檔編號G01N9/04GK102507373SQ20111034743
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者彭國偉, 成波, 王克振, 王軍偉, 王智平, 田禾青, 趙靜, 路陽, 陳丹丹, 馬榕彬 申請人:蘭州理工大學(xué)