一種用於空間在軌材料科學實驗的通用型樣品安瓿的製作方法

2023-05-17 01:49:36

本發明涉及空間微重力條件下材料科學實驗研究技術領域，具體涉及一種用於空間在軌材料科學實驗的通用型樣品安瓿。

背景技術：

空間科學及應用是當今世界科技發展的重要前沿，空間材料科學是其中最重要和具有代表性的領域方向之一。對於認知材料物理與化學過程的本徵規律，豐富和完善材料科學基礎理論，指導和推動地基材料製備工藝和戰略性新興產業發展，服務於高技術進步和國民經濟建設都具有重要意義。

空間在軌材料科學實驗是由運載火箭將載有實驗爐的空間飛行器發射到空間某一飛行軌道。經過一定時間的飛行後，實驗樣品在實驗爐中完成實驗。隨返回艙返回地面。發射和回收期間需承受十分惡劣的力學環境。因此，空間在軌材料科學實驗中使用的安瓿要有足夠的力學強度經得住惡劣的力學環境的震動與衝擊並保證安瓿完整無損。安全可靠是第一位的。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種用於空間在軌材料科學實驗的通用型樣品安瓿，該樣品安瓿與實驗裝置配套，承載材料樣品且具有密封性，適用於空間微重力環境下多種類型材料實驗並安全可靠。

為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：

一種用於空間在軌材料科學實驗的通用型樣品安瓿，包括石英安瓿外管、石英頂管、裝載區、不鏽鋼套管與合金夾頭；其中：

所述石英安瓿外管為一端封閉的管狀結構，其封閉端為圓弧曲面；在石英安瓿外管內部其封閉端的圓弧曲面與直管過渡的位置設置帶有中心孔的定位平臺，該定位平臺用於封裝時對樣品或坩堝進行定位；所述石英安瓿外管的外徑根據配套使用的材料實驗爐爐膛尺寸而確定，管壁厚度≥1.5mm。

所述石英頂管為一端為平底的盲管，通過平底端頂緊並固定樣品或坩堝；所述石英頂管的外徑比石英安瓿外管的內徑小1-2mm，石英頂管的管壁厚度≥2mm；在所述石英頂管上靠近平底端的管體側壁上開設用於抽真空的孔。可根據實驗需要將石英頂管的平底端擴徑成喇叭口形狀，使平底端的端面直徑與石英安瓿外管內徑相當，以便於提高石英頂管與石英安瓿外管間的同軸度。

所述裝載區是指石英安瓿外管內的定位平臺與石英頂管平底端之間形成的封閉區域，所述裝載區用於放置並固定實驗用材料樣品或坩堝及其附屬部件；裝載區寬度(定位平臺與石英頂管平底端之間的長度)可根據實驗需求在一定範圍內靈活調整；

所述合金夾頭包括不鏽鋼夾頭，用於夾緊石英頂管；所述合金夾頭還包括與夾頭相連接的把手，實驗人員通過操作把手進行實驗樣品的更換；所述合金夾頭與石英頂管的接觸面上塗覆高溫膠進行密封。所述合金夾頭的把手為鈦合金或鋁合金材質，所述把手和不鏽鋼夾頭之間採用螺紋連接；所述把手的表面設有溝槽用於加強手握摩擦力；把手內部採用中空設計以便於減重，把手上設有逸氣孔；所述不鏽鋼夾頭的一端為管狀開口，另一端為螺柱形式，中部有環狀凹槽，中軸處為貫通孔；管狀開口內徑與石英頂管外徑間縫隙為0.5-1mm，開口深度大於20mm，以保證石英頂管與不鏽鋼夾頭的粘接面長度不低於20mm；另一端螺柱長度不低於8mm，不鏽鋼夾頭通過螺柱與把手間形成穩固連接；不鏽鋼夾頭中部的環狀凹槽與實驗裝置中夾持機構配合，實驗時根據需要移動樣品安瓿。

所述不鏽鋼外套管為一端封閉的管狀殼體；套裝於石英安瓿外管和不鏽鋼夾頭的外部，對樣品安瓿起保護作用。所述不鏽鋼外套管的封閉端為弧形面(管體柱面與盲底間為圓弧過度)，管壁壁厚約為0.12mm。

所述不鏽鋼外套管的內表面和/或外表面可進行發黑處理；在不鏽鋼外套管的管壁兩側分別開設排氣孔。

本發明樣品安瓿還包括隔振材料，封裝時裝載區的樣品或坩堝通過隔振材料分別與定位平臺和石英頂管的平底端相分隔。所述隔振材料為高純氮化硼、高純石墨、不鏽鋼箔、銅箔或石英纖維；隔振材料為圓片狀，隔振材料的厚度及數量根據實驗樣品長度及其在安瓿中的位置確定，隔振材料外徑尺寸與石英管能夠滑動配合。

本發明具有以下優點和有益效果：

本發明是用於空間在軌材料科學實驗的通用型樣品安瓿，其結構設計符合空間材料科學實驗裝置技術要求，適合多種坩堝結構，滿足各種不同類型材料空間科學實驗需求。

本發明設計的樣品安瓿具有較高抗力學環境、熱環境性能，滿足飛船或衛星等發射、實驗和回收過程環境要求，安全可靠性高以及符合人機工效學，滿足航天員參與實驗操作要求。

附圖說明

圖1為安瓿結構示意圖。

圖2為石英安瓿外管圖。

圖3為石英安瓿外管頭部定位平臺示意圖。

圖4為安瓿頂管側面預製的抽氣孔示意圖。

圖5為天宮二號空間材料科學實驗樣品安瓿用合金夾頭；其中：(a)不鏽鋼夾頭；(b)把手。

圖6為實踐十號空間材料科學實驗樣品安瓿用合金夾頭。

圖7為不鏽鋼外套管。

圖8為組合式合金夾頭裝配圖。

圖9為天宮二號一批次空間材料實驗樣品安瓿外觀照片。

圖10為天宮二號二批次空間材料實驗樣品安瓿外觀照片。

圖11為天宮二號一批次空間材料實驗樣品安瓿內部結構照片。

圖12為天宮二號二批次空間材料實驗樣品安瓿內部結構照片。

圖13為實踐十號空間材料實驗樣品安瓿外部照片。

圖14為實踐十號空間材料實驗樣品安瓿內部結構照片。

圖15為實踐十號空間材料實驗樣品安瓿內部結構照片。

其中：1-石英安瓿外管；2-隔振材料；3-裝載區；4-石英頂管；5-不鏽鋼套管；6-合金夾頭；61-不鏽鋼夾頭；62-把手；63-螺紋；64-溝槽；7-定位平臺。

具體實施方式

以下結合附圖詳述本發明。

本發明為用於空間在軌材料科學實驗的通用型樣品安瓿，其整體結構如圖1所示。該樣品安瓿包括石英安瓿外管1、石英頂管4、裝載區3、不鏽鋼套管5與合金夾頭6；各部分具體結構如下：

所述石英安瓿外管1的結構如圖2所示，其為一端封閉的管狀結構，其封閉端為圓弧曲面；在石英安瓿外管內部其封閉端的圓弧曲面與直管過渡的位置設置帶有中心孔的定位平臺7(圖3)，該定位平臺用於封裝時對樣品或坩堝進行定位；所述石英安瓿外管的外徑根據配套使用的材料實驗爐爐膛尺寸而確定，管壁厚度≥1.5mm。

所述石英頂管4為一端為平底的盲管，通過平底端頂緊並固定樣品或坩堝；所述石英頂管的外徑比石英安瓿外管1的內徑小1-2mm，石英頂管4的管壁厚度≥2mm；在所述石英頂管上靠近平底端的管體側壁上開設用於抽真空的孔(圖4)。可根據實驗需要將石英頂管的平底端擴徑成喇叭口形狀，使平底端的端面直徑與石英安瓿外管內徑相當，以便於提高石英頂管與石英安瓿外管間的同軸度。

所述裝載區3是指石英安瓿外管1內的定位平臺7與石英頂管平底端之間形成的封閉區域，用於放置並固定實驗用材料樣品或坩堝及其附屬部件；裝載區寬度(定位平臺與石英頂管平底端之間的長度)可根據實驗需求在一定範圍內靈活調整；

所述合金夾頭6用於夾緊石英頂管4，依據不同的實驗任務和實驗裝置其形式略有不同；可僅包括不鏽鋼夾頭61，或者包括不鏽鋼夾頭61以及與不鏽鋼夾頭61相連接的把手62，實驗人員通過操作把手62進行實驗樣品的更換，所述不鏽鋼夾頭61與石英頂管4的接觸面上塗覆高溫膠(如金固jg-509)進行密封。

圖5所示為天宮二號空間材料科學實驗樣品安瓿用合金夾頭，它由鈦合金/鋁合金把手和不鏽鋼夾頭兩部分組合而成，兩者間採用螺紋63連接。因實驗過程中需航天員參與實驗樣品的更換，為滿足人機工效學，安瓿夾頭上需要有較長的把手便於操作。把手由密度較小的鈦合金/鋁合金(tc4鈦合金或ly12鋁合金)加工而成，其表面六道溝槽64的設計一方面是用於安瓿的顏色標識，另一方面可提高人工更換時的手握摩擦力。把手內部採用中空設計以便於減重。因安瓿在真空條件下使用，為防止夾頭組合體內部封閉氣體在把手兩組溝槽間設計了逸氣孔。把手頭部為半球體，與實驗裝置相鄰機構間形成點接觸，便於減小安瓿換位時的摩擦阻力。不鏽鋼夾頭(316l不鏽鋼)一端為管狀開口，另一端為螺柱形式，中部有環狀凹槽，中軸處為貫通孔。管狀開口內徑與石英頂管外徑間縫隙約為0.5-1mm，開口深度在20mm以上，以保證石英頂管與不鏽鋼夾頭粘接面長度不低於20mm，這樣可保證兩者間具有較高的粘接強度。另一端螺柱長度不低於8mm，保證與把手間形成穩固連接。中部環狀凹槽與實驗裝置中夾持機構配合，實驗時可根據需要移動樣品安瓿。軸心穿孔以防止夾頭組合體內部封閉氣體。

當不需要航天員參與實驗時，安瓿夾頭形式可根據實際需求進行簡化，如圖6所示為實踐十號空間材料科學實驗樣品安瓿用合金夾頭，由於不需要把手，它僅包含不鏽鋼夾頭61部分。

所述不鏽鋼外套管5為一端封閉的管狀薄殼體，其結構如圖7。該不鏽鋼外套管套裝於石英安瓿外管和不鏽鋼夾頭的外部，對樣品安瓿起保護作用。一方面避免安瓿因外力碰撞等原因發生破裂，另一方面即使在安瓿發生意外破裂的情況仍能保持其外形完整，不致損傷實驗裝置。所述不鏽鋼外套管的封閉端為弧形面(管體柱面與盲底間為圓弧過度)，管壁壁厚約為0.12mm。

為提高實驗時的熱傳遞效率，可在不鏽鋼外套管的內表面和外表面進行發黑處理(實踐十號樣品)，也可僅對內表面進行發黑處理，外表面保持光亮(天宮二號樣品)。此外，為便於抽真空時去除殘存於安瓿外管與不鏽鋼套管間隙中的氣體，在其一側靠近安瓿底部圓弧端及外管與頂管連接處對應位置分別有兩個排氣孔。

本發明樣品安瓿還包括隔振材料2，用於樣品或坩堝在安瓿中的定位和隔絕、吸收振動。封裝時裝載區的樣品或坩堝通過隔振材料分別與定位平臺和石英頂管的平底端相分隔。所述隔振材料可選用高純氮化硼、高純石墨、不鏽鋼箔、銅箔或石英纖維等材料；隔振材料為圓片狀，可以是單片也可以是多片組合，厚度根據樣品長度及其在安瓿中的位置確定選用，外徑尺寸一般要求與石英管滑動配合。較厚的墊片表面面開適量凹槽，起通氣及減少熱膨脹量作用。石英纖維一般置於樣品或坩堝與其相鄰組件之間，以緩衝其間的硬接觸。使用石英纖維時用銅箔或不鏽鋼箔墊片將其與其它部分隔離，防止纖維被研磨粉碎。

實施方式：首先，在石英安瓿外管底部平臺處填入一組隔振材料，將樣品、坩堝(或樣品支架)依據實驗需求放置於石英安瓿外管內部相應位置，再填入一組填充隔振材料。當樣品、坩堝或支架與石英安瓿間存在少量縫隙時可採用銅箔或不鏽鋼箔予以填充。然後，將石英頂管平底端從石英安瓿外管開口端插入並頂緊樣品或坩堝，並用火焰將外管開口與石英頂管燒封成為一體。最後，將石英頂管開口的另一端接入真空系統，持續抽真空。需要時可在加熱情況下抽真空，以便獲得最佳的除氣、除溼效果。達到預期的真空度要求後用火焰將頂管開口端封好並平整。

對於組合式合金夾頭，按照圖8所示裝配好，並加螺紋膠固定。將封裝好的安瓿插入不鏽鋼套管直至安瓿圓弧頭頂住不鏽鋼套管底部。調配好適當數量的高溫膠，並將其豎直灌入不鏽鋼夾頭灌膠口內。保持豎直方式將金屬夾頭按圖1所示組裝方式插入不鏽鋼套管與安瓿頂管之間縫隙間，並在固定模具上固化，以保證安瓿的同軸度和總長控制在需要範圍。當膠完全固化後，在不鏽鋼套管開口處距離邊緣約2-4mm處沿圓周方向每隔約90度角用點焊將其與合金夾頭焊接固定。對合金夾頭加注色帶和編號標識。

本發明通用型安瓿已經在實踐十號返回式衛星及天宮二號綜合材料科學研究實驗中得到實際驗證並順利完成任務。圖9-12所示為部分天宮二號空間綜合材料科學研究實驗樣品安瓿外觀及內部結構照片。圖13-15所示部分為實踐十號返回時衛星綜合材料科學研究實驗樣品安瓿外觀及內部結構照片。