基于同步辐射的静电悬浮金属熔体及其凝固过程的实时观测方法与装置

金属熔体在过热态、过冷态和凝固过程中的物性和结构演变以及异质团簇在形核过程中的作用是凝固问题研究的重点之一，并在凝聚态物理和材料科学研究中占有重要地位。本项目在上海同步辐射装置的基础上，研究静电悬浮金属熔体及其凝固过程中物性和微结构演变的实时观测方法和装置系统。通过样品带电模型、负反馈控制算法的建立，提出实现稳定可控静电悬浮的技术措施；解决悬浮液滴旋转、团簇触发形核及与同步辐射光束线匹配等关键问题，集成无容器处理、液体结构及其演变检测、热物理性质测量等多种功能，并通过几种典型金属合金的应用验证，为材料科学、凝聚态物理等学科的创新研究提供国际先进的研究手段，为发展材料组织形态的精确调控措施提供坚实的技术支撑。同时，由于静电悬浮技术对材料的广泛适应性，本装置也必将成为一个极佳的科学研究平台，促进其它相关材料和学科的创新。

本项目通过静电悬浮实现金属熔体的无容器处理，建立了与上海同步辐射光源对接的静电悬浮装置，实现了金属凝固过程的实时观测；研究了金属熔体的凝固过程，包括：过冷金属熔体的物性，金属熔体的形核和生长。取得的主要成果有：. 针对导体球电容感应带电过程，建立了静电场优化理论模型，给出了感应带电量、悬浮电场力和悬浮电压的理论关系。通过二维和三维有限元计算对理论模型进行修正，实现了悬浮静电场几何参数的优化设计。在原有单轴式控制算法及软硬件控制方法的基础上，优化改进了控制方法和技术，通过改变控制频率、竖直方向PID控制参数以及水平方向速度控制参数等过程变量，成功实现了金属、非金属球形样品以及豆类、胡椒、花蕾、蘑菇等植物茎块的三轴式稳定悬浮。提出了衡量金属材料悬浮能力的参数，给出了不同高压放大器输出电压下，纯金属的静电悬浮极限。实现了自然界密度最大的固体——金属铱(22.65 g cm-3)的稳定悬浮；通过计算表面极化电荷分布，揭示了其悬浮姿态的动力学机制，并分析了静电场中电介质材料的极化规律。. 建立了气悬浮和静电悬浮装置，研究了悬浮金属熔体的过冷和凝固行为；获得了微合金化对Al的过冷和润湿角的影响规律。. 所研制装置与上海同步辐射光源进行了成功对接，研究了难混溶合金的凝固行为，获得了难混溶合金液相分离和偏析结构形成演变过程的全景图，同时，为Soret热扩散现象、表面偏析、Marangoni运动、Stokes运动等因素对相分离和偏析结构的影响提供了最为直观的实验证据。