本發(fā)明涉及空間微重力條件下材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用型樣品安瓿。

背景技術(shù)：

空間科學(xué)及應(yīng)用是當(dāng)今世界科技發(fā)展的重要前沿，空間材料科學(xué)是其中最重要和具有代表性的領(lǐng)域方向之一。對于認(rèn)知材料物理與化學(xué)過程的本征規(guī)律，豐富和完善材料科學(xué)基礎(chǔ)理論，指導(dǎo)和推動地基材料制備工藝和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)于高技術(shù)進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。

空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)是由運(yùn)載火箭將載有實(shí)驗(yàn)爐的空間飛行器發(fā)射到空間某一飛行軌道。經(jīng)過一定時(shí)間的飛行后，實(shí)驗(yàn)樣品在實(shí)驗(yàn)爐中完成實(shí)驗(yàn)。隨返回艙返回地面。發(fā)射和回收期間需承受十分惡劣的力學(xué)環(huán)境。因此，空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的安瓿要有足夠的力學(xué)強(qiáng)度經(jīng)得住惡劣的力學(xué)環(huán)境的震動與沖擊并保證安瓿完整無損。安全可靠是第一位的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用型樣品安瓿，該樣品安瓿與實(shí)驗(yàn)裝置配套，承載材料樣品且具有密封性，適用于空間微重力環(huán)境下多種類型材料實(shí)驗(yàn)并安全可靠。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種用于空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用型樣品安瓿，包括石英安瓿外管、石英頂管、裝載區(qū)、不銹鋼套管與合金夾頭；其中：

所述石英安瓿外管為一端封閉的管狀結(jié)構(gòu)，其封閉端為圓弧曲面；在石英安瓿外管內(nèi)部其封閉端的圓弧曲面與直管過渡的位置設(shè)置帶有中心孔的定位平臺，該定位平臺用于封裝時(shí)對樣品或坩堝進(jìn)行定位；所述石英安瓿外管的外徑根據(jù)配套使用的材料實(shí)驗(yàn)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，通過平底端頂緊并固定樣品或坩堝；所述石英頂管的外徑比石英安瓿外管的內(nèi)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(cè)壁上開設(shè)用于抽真空的孔?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要將石英頂管的平底端擴(kuò)徑成喇叭口形狀，使平底端的端面直徑與石英安瓿外管內(nèi)徑相當(dāng)，以便于提高石英頂管與石英安瓿外管間的同軸度。

所述裝載區(qū)是指石英安瓿外管內(nèi)的定位平臺與石英頂管平底端之間形成的封閉區(qū)域，所述裝載區(qū)用于放置并固定實(shí)驗(yàn)用材料樣品或坩堝及其附屬部件；裝載區(qū)寬度(定位平臺與石英頂管平底端之間的長度)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整；

所述合金夾頭包括不銹鋼夾頭，用于夾緊石英頂管；所述合金夾頭還包括與夾頭相連接的把手，實(shí)驗(yàn)人員通過操作把手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣品的更換；所述合金夾頭與石英頂管的接觸面上涂覆高溫膠進(jìn)行密封。所述合金夾頭的把手為鈦合金或鋁合金材質(zhì)，所述把手和不銹鋼夾頭之間采用螺紋連接；所述把手的表面設(shè)有溝槽用于加強(qiáng)手握摩擦力；把手內(nèi)部采用中空設(shè)計(jì)以便于減重，把手上設(shè)有逸氣孔；所述不銹鋼夾頭的一端為管狀開口，另一端為螺柱形式，中部有環(huán)狀凹槽，中軸處為貫通孔；管狀開口內(nèi)徑與石英頂管外徑間縫隙為0.5-1mm，開口深度大于20mm，以保證石英頂管與不銹鋼夾頭的粘接面長度不低于20mm；另一端螺柱長度不低于8mm，不銹鋼夾頭通過螺柱與把手間形成穩(wěn)固連接；不銹鋼夾頭中部的環(huán)狀凹槽與實(shí)驗(yàn)裝置中夾持機(jī)構(gòu)配合，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要移動樣品安瓿。

所述不銹鋼外套管為一端封閉的管狀殼體；套裝于石英安瓿外管和不銹鋼夾頭的外部，對樣品安瓿起保護(hù)作用。所述不銹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。

所述不銹鋼外套管的內(nèi)表面和/或外表面可進(jìn)行發(fā)黑處理；在不銹鋼外套管的管壁兩側(cè)分別開設(shè)排氣孔。

本發(fā)明樣品安瓿還包括隔振材料，封裝時(shí)裝載區(qū)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、不銹鋼箔、銅箔或石英纖維；隔振材料為圓片狀，隔振材料的厚度及數(shù)量根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明是用于空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用型樣品安瓿，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)要求，適合多種坩堝結(jié)構(gòu)，滿足各種不同類型材料空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的樣品安瓿具有較高抗力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境性能，滿足飛船或衛(wèi)星等發(fā)射、實(shí)驗(yàn)和回收過程環(huán)境要求，安全可靠性高以及符合人機(jī)工效學(xué)，滿足航天員參與實(shí)驗(yàn)操作要求。

附圖說明

圖1為安瓿結(jié)構(gòu)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(cè)面預(yù)制的抽氣孔示意圖。

圖5為天宮二號空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品安瓿用合金夾頭；其中：(a)不銹鋼夾頭；(b)把手。

圖6為實(shí)踐十號空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品安瓿用合金夾頭。

圖7為不銹鋼外套管。

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(shí)驗(yàn)樣品安瓿外觀照片。

圖10為天宮二號二批次空間材料實(shí)驗(yàn)樣品安瓿外觀照片。

圖11為天宮二號一批次空間材料實(shí)驗(yàn)樣品安瓿內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。

圖12為天宮二號二批次空間材料實(shí)驗(yàn)樣品安瓿內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。

圖13為實(shí)踐十號空間材料實(shí)驗(yàn)樣品安瓿外部照片。

圖14為實(shí)踐十號空間材料實(shí)驗(yàn)樣品安瓿內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。

圖15為實(shí)踐十號空間材料實(shí)驗(yàn)樣品安瓿內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。

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

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。

本發(fā)明為用于空間在軌材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用型樣品安瓿，其整體結(jié)構(gòu)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(qū)3、不銹鋼套管5與合金夾頭6；各部分具體結(jié)構(gòu)如下：

所述石英安瓿外管1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其為一端封閉的管狀結(jié)構(gòu)，其封閉端為圓弧曲面；在石英安瓿外管內(nèi)部其封閉端的圓弧曲面與直管過渡的位置設(shè)置帶有中心孔的定位平臺7(圖3)，該定位平臺用于封裝時(shí)對樣品或坩堝進(jìn)行定位；所述石英安瓿外管的外徑根據(jù)配套使用的材料實(shí)驗(yàn)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，通過平底端頂緊并固定樣品或坩堝；所述石英頂管的外徑比石英安瓿外管1的內(nèi)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(cè)壁上開設(shè)用于抽真空的孔(圖4)?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要將石英頂管的平底端擴(kuò)徑成喇叭口形狀，使平底端的端面直徑與石英安瓿外管內(nèi)徑相當(dāng)，以便于提高石英頂管與石英安瓿外管間的同軸度。

所述裝載區(qū)3是指石英安瓿外管1內(nèi)的定位平臺7與石英頂管平底端之間形成的封閉區(qū)域，用于放置并固定實(shí)驗(yàn)用材料樣品或坩堝及其附屬部件；裝載區(qū)寬度(定位平臺與石英頂管平底端之間的長度)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整；

所述合金夾頭6用于夾緊石英頂管4，依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)裝置其形式略有不同；可僅包括不銹鋼夾頭61，或者包括不銹鋼夾頭61以及與不銹鋼夾頭61相連接的把手62，實(shí)驗(yàn)人員通過操作把手62進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣品的更換，所述不銹鋼夾頭61與石英頂管4的接觸面上涂覆高溫膠(如金固jg-509)進(jìn)行密封。

圖5所示為天宮二號空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品安瓿用合金夾頭，它由鈦合金/鋁合金把手和不銹鋼夾頭兩部分組合而成，兩者間采用螺紋63連接。因?qū)嶒?yàn)過程中需航天員參與實(shí)驗(yàn)樣品的更換，為滿足人機(jī)工效學(xué)，安瓿夾頭上需要有較長的把手便于操作。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(shè)計(jì)一方面是用于安瓿的顏色標(biāo)識，另一方面可提高人工更換時(shí)的手握摩擦力。把手內(nèi)部采用中空設(shè)計(jì)以便于減重。因安瓿在真空條件下使用，為防止夾頭組合體內(nèi)部封閉氣體在把手兩組溝槽間設(shè)計(jì)了逸氣孔。把手頭部為半球體，與實(shí)驗(yàn)裝置相鄰機(jī)構(gòu)間形成點(diǎn)接觸，便于減小安瓿換位時(shí)的摩擦阻力。不銹鋼夾頭(316l不銹鋼)一端為管狀開口，另一端為螺柱形式，中部有環(huán)狀凹槽，中軸處為貫通孔。管狀開口內(nèi)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銹鋼夾頭粘接面長度不低于20mm，這樣可保證兩者間具有較高的粘接強(qiáng)度。另一端螺柱長度不低于8mm，保證與把手間形成穩(wěn)固連接。中部環(huán)狀凹槽與實(shí)驗(yàn)裝置中夾持機(jī)構(gòu)配合，實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需要移動樣品安瓿。軸心穿孔以防止夾頭組合體內(nèi)部封閉氣體。

當(dāng)不需要航天員參與實(shí)驗(yàn)時(shí)，安瓿夾頭形式可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行簡化，如圖6所示為實(shí)踐十號空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品安瓿用合金夾頭，由于不需要把手，它僅包含不銹鋼夾頭61部分。

所述不銹鋼外套管5為一端封閉的管狀薄殼體，其結(jié)構(gòu)如圖7。該不銹鋼外套管套裝于石英安瓿外管和不銹鋼夾頭的外部，對樣品安瓿起保護(hù)作用。一方面避免安瓿因外力碰撞等原因發(fā)生破裂，另一方面即使在安瓿發(fā)生意外破裂的情況仍能保持其外形完整，不致?lián)p傷實(shí)驗(yàn)裝置。所述不銹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(shí)驗(yàn)時(shí)的熱傳遞效率，可在不銹鋼外套管的內(nèi)表面和外表面進(jìn)行發(fā)黑處理(實(shí)踐十號樣品)，也可僅對內(nèi)表面進(jìn)行發(fā)黑處理，外表面保持光亮(天宮二號樣品)。此外，為便于抽真空時(shí)去除殘存于安瓿外管與不銹鋼套管間隙中的氣體，在其一側(cè)靠近安瓿底部圓弧端及外管與頂管連接處對應(yīng)位置分別有兩個(gè)排氣孔。

本發(fā)明樣品安瓿還包括隔振材料2，用于樣品或坩堝在安瓿中的定位和隔絕、吸收振動。封裝時(shí)裝載區(qū)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、不銹鋼箔、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(jù)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。石英纖維一般置于樣品或坩堝與其相鄰組件之間，以緩沖其間的硬接觸。使用石英纖維時(shí)用銅箔或不銹鋼箔墊片將其與其它部分隔離，防止纖維被研磨粉碎。

實(shí)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(jù)實(shí)驗(yàn)需求放置于石英安瓿外管內(nèi)部相應(yīng)位置，再填入一組填充隔振材料。當(dāng)樣品、坩堝或支架與石英安瓿間存在少量縫隙時(shí)可采用銅箔或不銹鋼箔予以填充。然后，將石英頂管平底端從石英安瓿外管開口端插入并頂緊樣品或坩堝，并用火焰將外管開口與石英頂管燒封成為一體。最后，將石英頂管開口的另一端接入真空系統(tǒng)，持續(xù)抽真空。需要時(shí)可在加熱情況下抽真空，以便獲得最佳的除氣、除濕效果。達(dá)到預(yù)期的真空度要求后用火焰將頂管開口端封好并平整。

對于組合式合金夾頭，按照圖8所示裝配好，并加螺紋膠固定。將封裝好的安瓿插入不銹鋼套管直至安瓿圓弧頭頂住不銹鋼套管底部。調(diào)配好適當(dāng)數(shù)量的高溫膠，并將其豎直灌入不銹鋼夾頭灌膠口內(nèi)。保持豎直方式將金屬夾頭按圖1所示組裝方式插入不銹鋼套管與安瓿頂管之間縫隙間，并在固定模具上固化，以保證安瓿的同軸度和總長控制在需要范圍。當(dāng)膠完全固化后，在不銹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(diǎn)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(biāo)識。

本發(fā)明通用型安瓿已經(jīng)在實(shí)踐十號返回式衛(wèi)星及天宮二號綜合材料科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中得到實(shí)際驗(yàn)證并順利完成任務(wù)。圖9-12所示為部分天宮二號空間綜合材料科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)樣品安瓿外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。圖13-15所示部分為實(shí)踐十號返回時(shí)衛(wèi)星綜合材料科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)樣品安瓿外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。