本發(fā)明涉及空間材料科學(xué)、物理科學(xué)和自動(dòng)化科學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于空間站的透明模型合金凝固實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

1、在空間材料科學(xué)研究中，利用定向凝固技術(shù)研究材料的凝固過程和組織是獲得新的制備技術(shù)和新材料的手段之一，在通常情況下，空間材料定向凝固制備新材料的研究一般是在獲得了空間凝固組織后，反推其凝固過程，這就導(dǎo)致材料凝固過程實(shí)際的組織轉(zhuǎn)變過程及細(xì)節(jié)無法得知。所以當(dāng)前的研究熱點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向采用可視化的透明體系，此前美國nasa、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(jaxa)及歐洲空間局(esa)等研究機(jī)構(gòu)研究機(jī)構(gòu)曾利用其它空間平臺(tái)開展過透明模型合金的凝固實(shí)驗(yàn)。但以上的空間實(shí)驗(yàn)研究裝置只能實(shí)現(xiàn)恒溫場(chǎng)及固定冷卻速度下的透明模型合金凝固實(shí)驗(yàn)，不能改變溫度梯度和冷卻速度，從而限制了空間微重力環(huán)境條件下對(duì)透明模型合金定向凝固過程的深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于空間站的透明模型合金凝固實(shí)驗(yàn)裝置，涉及空間材料領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)裝置包括樣品模塊、溫度模塊、傳動(dòng)模塊、控制模塊、第一中板、第二中板、箱體和導(dǎo)軌；樣品模塊包括夾持結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)；傳動(dòng)模塊包括滑軌、滑塊、軸承、皮帶、同步輪、步進(jìn)電機(jī)和滑軌板；溫度模塊包括加熱片、制冷片、熱電偶、保溫板和散熱銅管；控制模塊接收溫度模塊發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)和傳動(dòng)模塊發(fā)送的位置數(shù)據(jù)，并發(fā)送溫度控制指令和位置移動(dòng)指令；第一中板和第二中板通過機(jī)械卡口固定在箱體上。本發(fā)明在空間微重力環(huán)境條件下能實(shí)現(xiàn)不同溫度梯度和冷卻速度下的透明模型合金凝固的原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，能更簡(jiǎn)單、高效和深入的研究合金定向凝固過程中的作用機(jī)制。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具體如下：

3、一種應(yīng)用于空間站的透明模型合金凝固實(shí)驗(yàn)裝置，所述實(shí)驗(yàn)裝置包括樣品模塊1、溫度模塊2、傳動(dòng)模塊3、控制模塊4、第一中板、第二中板、箱體和導(dǎo)軌；箱體包括上板、下板、前板、后板和側(cè)板；上板、下板、前板、后板和側(cè)板相互通過螺釘連接；導(dǎo)軌通過螺釘固定于箱體下板；第一中板和第二中板并行置于箱體內(nèi)，并與地面垂直；第一中板上、左和右三邊通過機(jī)械卡口分別與箱體上板、前板和后板固定，第二中板上、下、左和右四邊通過機(jī)械卡口分別與箱體上板、下板、前板和后板固定；第一中板和第二中板之間留有通道，溫度模塊2固定在第一中板和第二中板上；控制模塊4固定在第一中板上；樣品模塊1通過滑塊與傳動(dòng)模塊3連接；樣品模塊1通過傳動(dòng)模塊2在通道中來回移動(dòng)；溫度模塊2和傳動(dòng)模塊3相對(duì)獨(dú)立，溫度模塊2和傳動(dòng)模塊3分別通過導(dǎo)線與控制模塊連接；第一中板和第二中板將溫度模塊2、傳動(dòng)模塊3和控制模塊4集成在一起，減小實(shí)驗(yàn)裝置體積，滿足空間站對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的體積要求及實(shí)驗(yàn)裝置隨飛船上行過程中的振動(dòng)力學(xué)要求。

4、所述第一中板上設(shè)有熱電偶卡槽26、加熱片卡槽27、制冷片卡槽28、通光孔29和實(shí)驗(yàn)窗31；加熱片卡槽27和制冷片卡槽28并列分布于第一中板的下端部，并設(shè)置在第一中板的背面；熱電偶卡槽26并列分布于第一中板的下端部，并設(shè)置在第一中板的正面；熱電偶卡槽26在第一中板的位置與制冷片卡槽28和加熱片卡槽27對(duì)應(yīng)，熱電偶卡槽26中間設(shè)置有實(shí)驗(yàn)窗31；通光孔29并列位于第一中板上端部，通光孔29為圓形或橢圓形，以保證實(shí)驗(yàn)圖像記錄過程中的光源需求；

5、第二中板上設(shè)有熱電偶卡槽26-1、加熱片卡槽27-1、制冷片卡槽28-1、通光孔29-1、實(shí)驗(yàn)窗31-1和走線孔30；加熱片卡槽27-1和制冷片卡槽28-1并列分布于第二中板的中部，并設(shè)置在第二中板的背面；熱電偶卡槽26-1并列分布于第二中板的中部，并設(shè)置在第二中板的正面；熱電偶卡槽26-1在第二中板的位置與制冷片卡槽28-1和加熱片卡槽27-1對(duì)應(yīng)，熱電偶卡槽26-1中間設(shè)置有實(shí)驗(yàn)窗31-1；走線孔30分別位于第二中板的下端部和上端部；位于第二中板上端部的通光孔29-1與實(shí)驗(yàn)窗31-1并列；

6、第一中板上的熱電偶卡槽26、加熱片卡槽27、制冷片卡槽28、通光孔29和實(shí)驗(yàn)窗31位分別與第二中板上的熱電偶卡槽26-1、加熱片卡槽27-1、制冷片卡槽28-1、通光孔29-1和實(shí)驗(yàn)窗31-1位置對(duì)應(yīng)；第一中板和第二中板之間設(shè)有調(diào)距螺釘，調(diào)距螺釘精確調(diào)整間距第一中板和第二中板的間距，以滿足樣品模塊1與溫度模塊2的傳熱要求。

7、所述溫度模塊2包括加熱片14、制冷片15、熱電偶16、保溫板17和散熱銅管18；加熱片14分別卡入第一中板和第二中板的加熱片卡槽27和加熱片卡槽27-1內(nèi)，保溫板17緊貼在加熱片14外側(cè)；制冷片15分別卡入第一中板和第二中板的制冷片卡槽28和制冷片卡槽28-1內(nèi)；散熱銅管18一端與制冷片15連接，另一端通過螺釘固定在箱體后板上；熱電偶16分別卡入熱電偶卡槽26和熱電偶卡槽26-1內(nèi)，熱電偶16一側(cè)固定在加熱片14內(nèi)側(cè)，熱電偶16另一側(cè)通過螺釘與保溫板17連接；熱電偶16實(shí)時(shí)測(cè)量加熱片14溫度并傳送至所述控制模塊4，控制模塊4根據(jù)實(shí)時(shí)溫度和目標(biāo)溫度，通過反饋控制算法(proportional-integral-derivative?control)計(jì)算輸出電壓，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的穩(wěn)定控制。

8、所述傳動(dòng)模塊3包括滑軌24、滑塊25、軸承20、皮帶21、同步輪23、連接銷32、步進(jìn)電機(jī)19和滑軌板22；滑塊25兩端卡在滑軌24上，滑塊25上側(cè)開有螺紋孔35，滑塊25靠近同步輪23一側(cè)安裝有連接銷32；滑軌和滑塊25之間相對(duì)移動(dòng)；軸承20安裝在步進(jìn)電機(jī)19上；滑塊25、軸承20和同步輪23通過皮帶21連接；步進(jìn)電機(jī)19、滑軌24和同步輪23分別固定在滑軌板22上，滑軌板22為“m”形；步進(jìn)電機(jī)19固定在“m”形滑軌板22中間凸出位置，同步輪23固定在步進(jìn)電機(jī)19兩側(cè)。

9、所述樣品模塊1包括夾持結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)，所述封裝結(jié)構(gòu)直接插入夾持結(jié)構(gòu)，便于航天員更換樣品。

10、進(jìn)一步，所述封裝結(jié)構(gòu)包括螺釘11、端蓋10、密封橡膠體12、玻璃腔8、樣品9和金屬框架7；金屬框架7上頂部開有與玻璃腔8寬度和長(zhǎng)度一致的通孔，確保光路通暢，圖像采集清晰；金屬框架7頂部通孔的側(cè)壁有開槽，開槽寬度與玻璃腔8厚度相同，玻璃腔8卡入金屬框架7的側(cè)壁開槽中，保證封裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；玻璃腔8一端開口，從開口處向玻璃腔8內(nèi)部封裝樣品9，密封橡膠體12對(duì)玻璃腔8開口進(jìn)行密封，端蓋10將密封橡膠體12緊壓入玻璃腔8內(nèi)；端蓋10與金屬框架7通過螺釘11連接；端蓋10與金屬框架7兩端有防插錯(cuò)設(shè)計(jì)，端蓋10一端為斜面，金屬框架7右壁未開孔一端為“凸”形，與夾持結(jié)構(gòu)相配合；金屬框架7前壁開孔，作為紅外測(cè)溫光路；

11、所述夾持結(jié)構(gòu)整體為“l(fā)”形；包括銷孔33、連接板34、第一抓手和第二抓手；夾持結(jié)構(gòu)連接板34底部開有螺紋孔35，通過螺釘與滑塊25上側(cè)連接，連接板34豎直部分下端留有銷孔33，與滑塊25上的連接銷32連接；夾持結(jié)構(gòu)第一抓手為“凹”形，與封裝結(jié)構(gòu)中金屬框架7右壁的“凸”形設(shè)計(jì)相配合，夾持結(jié)構(gòu)第二抓手為斜面，與封裝結(jié)構(gòu)的端蓋10一端斜面相配合。

12、所述控制模塊4接收溫度模塊2發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)和傳動(dòng)模塊3發(fā)送的位置數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送溫度控制指令和位置移動(dòng)指令；控制模塊4設(shè)有兩種模式，包括手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，控制模塊4根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)定樣品溫度參數(shù)和冷卻速度，實(shí)現(xiàn)變溫度梯度和變冷卻速度功能。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、樣品模塊采用金屬框架和內(nèi)嵌玻璃艙的設(shè)計(jì)，相比現(xiàn)有的樣品封裝，本發(fā)明既滿足了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通光性需求和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中傳輸與傳熱對(duì)于樣品模塊的加工精度與材料強(qiáng)度的要求，又便于空間站實(shí)驗(yàn)艙宇航員更換樣品；傳動(dòng)模塊的起始位置由機(jī)械結(jié)構(gòu)固定，步進(jìn)電機(jī)位置初始化時(shí)每次電機(jī)朝著初始位置過量移動(dòng)，保證每次初始位置精確相等，再將電機(jī)步數(shù)與夾持機(jī)構(gòu)位置通過測(cè)試進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)樣品抓手的位置精確可控，可省去紅外測(cè)距模塊，相比于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明既保證了傳動(dòng)模塊的精度，又減小了裝置體積和重量，更有利與空間站實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。此外，本裝置多采用榫卯連接方式，此種連接方式不僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)裝置在隨飛船上行過程中的振動(dòng)力學(xué)要求，還能減小實(shí)驗(yàn)裝置的體積和重量，保證實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)精度，提升空間站實(shí)驗(yàn)艙的利用率。