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多通道陶瓷材料激光加热设备

多通道陶瓷材料激光加热设备

1.研发背景

“材料基因工程” 源于对材料的设计,通过理论与计算来预测新材料的组分、结构、工艺、性能的关系,并利用机器学习对材料的结构和性能进行大数据的分析,量身定做工业界所需要的特定材料,大大降低了材料的研发成本。旨在于集成理论-高通量计算-高通量实验-数据库技术,融合材料学-物理学-力学-信息学-计算科学等学科,实现材料“发现-生产-应用”的全过程“加速”并降低成本,进而在材料科技工业领域引发一系列技术创新而服务产业。

快速实验方法是材料基因工程的三大核心之一,而材料样品库(Material library)制备与表征技术是快速实验方法的典型代表,可快速获取样品成分筛选/性能优化的数据,达到研发时间减半和成本减半的目标,并为材料信息学及人工智能挖掘新材料提供实验数据基础。在材料样品库制备技术中,多通道并行合成阵列样品库是一个重要分支,可以实现多样品的快速制备,且样品阵列中每一个独立样品的空间尺度及体量足以满足现有结构表征和性能测试技术对样品的要求,由此建立材料成分-工艺-结构-性能之间的关联规律。

高温热处理是材料制备的必备环节,尤其是对金属以及陶瓷等无机非金属材料,可实现原料的化学反应、结晶成相、熔化铸锭等。

然而,针对材料基因工程所需的阵列样品库的快速热处理技术仍是空白。激光加热技术以其快速、定向、可聚焦等加热特点,应该成为对阵列样品库加热处理可以奏效的技术之一。但是,目前已经发展的一些激光加热技术或适用于单束激光对微小薄膜样品的逐点加热(专利号CN 106992131 A),或适用于多光束激光低温热刻蚀制备微位相差膜(专利号CN 101498805 B),或适用于激光焊接并检测焊点过烧情况(专利号CN 101107501 B),显然,对阵列样品库的快速高温热处理均不适用。因此,需要发展针对阵列样品库的并行快速高温热处理技术及装备,以满足材料基因工程对快速实验技术的迫切需求。

为满足材料基因工程对阵列材料样品库快速加热高温处理的技术需求,并发展具有普遍适应性的并行激光加热技术与装备,常州蓝泰光电科技有限公司自主研发了一种阵列样品多光束并行及束斑可调的激光加热系统,用于阵列样品的快速定向加热,实现样品的原位化学反应、结晶、熔化等,通过激光能量馈入及时效改变,获得优化的样品加热处理效果。所述的阵列样品库是包含了有序排列的{A´B}个独立样品,可以是金属或无机非金属的粉体、膜材和块体样品。

该系统主要是针对针对新型材料加热聚合,研究新材料的结构与物理特性而设计

该系统核心主要包含以下4个部分:

1. 激光加热单元 – 激光器及光路、扩束镜、以及配套的冷水机等;

2. 陶瓷微反应器 腔体单元 – 二维移动平台、平台控制器,陶瓷加热板;

3. 监控单元 – 观察相机及高温计等

4. 计算计系统控制单元 – 激光控制器、软件、计算机等

多通道陶瓷材料激光加热设备

2.测试原理:

采用三束并行、束斑可调的激光器,对材料基因工程所需的材料阵列样品的快速定向加热,三组红外温度计独立采集数据,并传输给计算机,二维平台通过计算机系统控制;三组CCD高温相机实现在线监控;

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多通道陶瓷材料激光加热设备

3.系统组成:

(1)单个或多个激光光源单元以并行或阵列方式排布,提供加热能量;

(2)激光扩束镜单元可改变激光的束斑尺寸,对不同尺寸的样品定向加热;

(3)激光光路调节单元将激光导向加热位点;

(4)温度测量单元用于精确测温和反馈加热效果;

(5)材料阵列样品二维移动台单元用于实现阵列样品与激光束定向加热位点的位置匹配运动及加热定位;

(6)材料阵列样品密封及除气单元用于保持阵列样品不受污染及释放加热过程中生成的气相物质;

(7)智能控制单元通过与上述激光光源单元、激光光路调节单元、扩束镜单元、温度测量单元、材料阵列样品二维移动台单元、阵列样品密封及除气单元的连接,用于控制激光能量馈入、时效、温度、位置、光斑尺寸等的变化,使激光对阵列中的每个样品达到有效加热;

(8)智能记录与显示单元用于记录实验参数、加热过程参数变化、加热温度(功率)-时间曲线、实时录像、屏幕实验结果回放。本发明可根据需要对几个样品同时加热,并实现激光馈入能量、时效、温度、位置、光斑尺寸的多参数可控调节,达到加热参数高效筛选及优化的技术要求。

4.设备优势:

与现有技术相比,多通道陶瓷材料激光加热设备具有如下优点:

(1) 采用一个或几个激光器并列或阵列排布,每个激光器的能量可调,能量可调范围宽,范围为0.1W~150W。选择连续激光器,而非脉冲激光器,可以保持快速加热升温过程的平稳,避免温度的陡升和陡降引起的加热波动。

(2) 采用的单个或多个激光光源可以均为二氧化碳气体激光光源或半导体激光光源,其中气体激光光源适用于无机非金属材料加热,而半导体激光光源适合金属材料加热;气体激光光源也可与半导体激光光源混搭,同时满足不同样品的加热需求。

(3) 采用高反反射镜将激光光路调节单元中的激光垂直(或90 o)导向加热位点,达到激光功率利用的最大化。

(4) 采用激光扩束镜单元改变激光的束斑尺寸,对不同尺寸的样品进行定向加热,光斑的扩束范围可达激光原始光斑尺寸的 2~8 倍。

(5) 设计的材料阵列样品密封仓及除气单元可保持样品不受污染及释放加热过程中生成的气相物质,密封仓上盖视窗采用激光可透射的专用玻璃。阵列样品密封仓及除气单元连接,用于控制激光能量馈入、时效、位置、光斑尺寸,使激光对每个阵列上的样品达到快速、有效和定点加热,并实时去除加热反应过程中产生的气体物质。

(6) 设计的智能记录与显示单元是高速CCD相机和计算机联用,用于记录实验参数、加热过程参数变化、加热温度(功率)-时间曲线、加热过程实时录像、屏幕图像回放。

(7) 温度测量单元用于精确测温和反馈加热效果,温度测量单元可以是高温辐射型温度装置,如非接触式的红外温度测量装置,监测温度范围为500~3000 oC。

(8) 所述材料阵列样品二维移动台单元,其驱动装置为伺服电机或步进电机,移动距离根据需求任意设定,用于材料阵列样品与激光束定向加热位点位置匹配运动及定位。

(9) 材料阵列样品密封仓及除气单元可保持样品不受污染及释放加热过程中生成的气相物质,密封仓上盖视窗采用激光可透射材料,如硒化锌晶体等

 

本系统适用于金属及无机非金属材料的粉体、膜材以及块体材料阵列样品的高温加热处理,其加热厚度小于等于5 mm,更优的加热效果是厚度小于等于3 mm。所述的阵列样品被制备或装配在基板上,其阵列形式可以是{A´B}的任意组合,其中A与B均为正整数,且1≤A≤20,1≤B≤20。阵列样品中每一个样品的平面最大尺寸(直径或边长)小于等于10 mm,并以{A´B}阵列形式形成适当组合。基板上阵列样品中每个样品的间隔距离需与并行激光光束的间距相匹配,且基板尺寸需与二维移动台单元中X-Y平面的尺寸及移动范围适配。


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(陶瓷加热板阵列图)

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(调试实拍图)

 

5.质量保证:

本设备出厂前根据客户需求进行设备的技术指标和参数验证,并提供真实有效的检查报告!

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6.实验结果:

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软件控制界面(PID控制)

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YAG材料加热前后对比(2700℃)

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YAG粉体材料在不同温度和加热时间熔化状态

7.实验视频(YAG粉)

 

如何订购:

由于本设备属于定制产品,请与我们的专业人员沟通或充分了解您的具体要求,然后确定配置方案。