技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种金属材料物理性能测量装置，特别是涉及一种金属材料热电性能测量装置，为精确测量金属材料的塞贝克系数提供了可靠的方法，应用于金属材料物理性能测量仪器技术领域。
背景技术
[0002] 自上世纪末，随着
能源和环境问题的日益严峻，使得新
型材料的研究迅速发展起来。基于
热电效应的热电材料以其无污染、寿命长、
能量利用率高等优点在各行各业中得到了广泛的应用。目前热电材料所面临的问题是热电转换率较低。
[0003] 1821年德国物理学家托
马斯·约翰·赛贝克发现，将二种不同金属各自的二端分别连接，并放在不同的
温度下，就会产生一个电位差，在线路内就会有
电流产生，他将这种现象称之为赛贝克效应。并认为不同的金属具有反应
塞贝克效应大小不同的赛贝克系数，而对于二种不同金属，一旦连接点的温度相差越大，那么产生的赛贝克电位差也越大。塞贝克系数是表征金属材料热电效应的重要参数，塞贝克系数越大材料的热电性能越好。
[0004] 热电材料的塞贝克系数可以表示为：
[0005]
[0006] 其中，S是热电材料的塞贝克系数， 为热电材料的塞贝克电动势， 为热电材料两端的温差。
[0007] 同一种金属材料的固相与液相有不同的赛贝克系数，分别为 和 ，两者之间的差值为该材料的绝对赛贝克系数 。另外，由经典
凝固理论可知，在金属凝固的实际过程中，金属凝固的实际温度 低于金属的平衡凝固温度 ，两者之间的差值为金属凝固的
过冷度 ，金属以不同速度凝固时，其过冷度也不同，在定向凝固时，不同凝固速度下的过冷度可以得通过计算得出。
[0008] 精确测量金属材料绝对赛贝克系数 ，对于材料的制备具有重大意义，但是由热电效应产生的
电压通常每开尔文温差只有几微伏，且在不同条件下单独测量材料固相和液相的赛贝克系数来计算其差值具备较大的误差，另外，传统的测量装置存在结构复杂，安装困难，测量
精度较低等问题。实用新型内容
[0009] 本实用新型的目的在于克服了
现有技术的不足，提供一种测量金属塞贝克系数的装置，可以精确测量金属材料的seebeck系数，本实用新型根据定向凝固过程中界面过冷原理，提出在固定一个加热炉的同时，使移动炉通过一定的速率进行定向移动的过程对样品进行持续加热，通过测量样品两端热电势的变化，结合凝固过冷度，即可计算得到热电材料的seebeck系数，具备精度高、操作简单、可多次重复验证的优点。
[0010] 为达到上述
发明创造目的，本实用新型采用的技术方案如下：
[0011] 一种测量金属塞贝克系数的装置，由温度场控制系统和测量系统构成，测量系统由
数据采集器和电脑终端构成，数据采集器的两个接线
端子分别通过对应的
信号传输线与待测金属试样的两端分别电连接，数据采集器还与电脑终端信号连接，温度场控制系统对待测金属试样的内部的温度场进行控制，使待测金属试样在两端开口的刚玉管中形成通长的棒状，并使待测金属试样侧表面和刚玉管的内表面之间紧密
接触，去除待测金属试样和刚玉管之间的空隙，即以刚玉管作为待测金属试样的样品
支架，使待测金属试样和刚玉管紧密结合并一体形成测量标的系统，并将刚玉管
位置固定，温度场控制系统至少由加热装置、冷却装置和保温装置组成，加热装置由
温度控制系统控制，将测量标的系统
水平放入加热装置中，使刚玉管从加热装置的通孔中穿过，并使待测金属试样的两端皆位于加热装置外部，冷却装置使待测金属试样的两端温度保持一致，加热装置由固定加热装置和移动式加热装置组成，分别对待测金属试样的不同区段进行加热，固定加热装置通过与其固定连接的一组固定支架安装在一个固定不动的平台上，移动式加热装置通过与其固定连接的另一组固定支架安装在可移动的另一个平台上，在固定加热装置和移动式加热装置之间，将测量标的系统对应区段的刚玉管设置于在保温装置内部形成的加热恒温空间区域内，固定加热装置和移动式加热装置同时对测量标的系统进行加热，使刚玉管内的待测金属试样中部完全熔融形成液相区段，而待测金属试样的液相区段两端则分别各形成一个液固界面，在待测金属试样的液相区段的两个液固界面之外分别为待测金属试样两段固相区段，其中固定加热装置对待测金属试样右侧区段加热，使固定加热装置未进行加热的待测金属试样右侧区段形成右侧固相区段，待测金属试样的右侧固相区段长度保持不变，从而使待测金属试样的液相区段的右侧液固界面保持平衡凝固状态，而其中移动式加热装置对待测金属试样左侧区段加热，使固定加热装置未进行加热的待测金属试样左侧区段形成左侧固相区段，同时还通过调节控制移动式加热装置沿待测金属试样的轴向移动，使待测金属试样的左侧固相区段长度发生变化，从而使待测金属试样的液相区段的左侧液固界面的位置发生变化，从而使待测金属试样的液相区段进行定向凝固。
[0012] 作为本实用新型优选的技术方案，将加热装置和冷却装置一起置于保温装置中。
[0013] 作为上述技术方案的改进，在固定加热装置和移动式加热装置之间，对测量标的系统对应区段的刚玉管外部设置安装保温套，保温套和刚玉管之间塞有高温
棉。
[0014] 作为上述方案的优选技术方案，通过牵引控制系统控制移动式加热装置的位移运动，牵引控制系统由
丝杠、三相异步
电机和程序控制柜组成，程序控制柜控制三相异步电机，再通过三相异步电机驱动丝杠，进而牵引可移动的平台，使移动式加热装置沿待测金属试样的轴向移动。
[0015] 作为上述方案的优选技术方案，冷却装置包括一套固定冷却器和一套可移动冷却器，固定冷却器安装在固定加热装置和待测金属试样右端之间位置处，对固定加热装置未进行加热的待测金属试样右侧区段进行冷却，使待测金属试样的右侧区段形成右侧固相区段，可移动冷却器与移动式加热装置同步移动，可移动冷却器安装在移动式加热装置和待测金属试样左端之间位置处，对移动式加热装置未进行加热的待测金属试样左侧区段进行冷却，使待测金属试样的左侧区段形成左侧固相区段。
[0016] 作为上述技术方案的改进，冷却装置采用
流体冷却方式工作，冷却装置由冷却介质内腔和冷却介质外腔形成两套独立的流体通道，其中冷却介质内腔中注入循环流动的高导热率液体，冷却介质外腔通入
循环水。
[0017] 作为上述技术方案的改进，
信号传输线为具有屏蔽结构的
导线，屏蔽结构为在导线外部包裹一层金属网。
[0018] 本实用新型与现有技术相比较，具有如下实质性特点和优点：
[0019] 1．本实用新型测量金属塞贝克系数的装置利用对凝固过冷度提供温差的设置，结合定向凝固过程，来测量材料的绝对赛贝克系数，采用了横向定向凝固设置测量方法，不需分别测量材料固相和液相的赛贝克系数，快速有效的测量材料绝对塞贝克系数，简化了系统结构，实现了对材料热电势进行快速、精确测量与研究的目的，并可多次重复验证；
[0020] 2. 本实用新型采用了横向定向凝固装置，简化了系统结构，易于制造与组装；
[0021] 3．本实用新型测量金属塞贝克系数的装置能够直接测量出与材料的绝对赛贝克系数相关的热电势，采用公式E=SΔT就可以一次性计算出材料的绝对赛贝克系数，能实现对绝对赛贝克系数的一次性测量；
[0022] 4．使用本实用新型测量金属塞贝克系数的装置在整个测量过程中不会破坏金属凝固过程的进行，保证晶体的生长状态稳定，从而实现精确测量；
[0023] 5．本实用新型测量金属塞贝克系数的装置的测量数据精确度高，测试环境安全可靠，具备很好的重复验证性，实现了对热电材料的热电势快速精准测量的目的；
[0024] 6．本实用新型测量金属塞贝克系数的装置所采用的
连接线均使用的具有屏蔽效果的
铜线，同时，连接线外侧包裹一层铜网，较好的屏蔽了
电磁干扰；
[0025] 7．本实用新型测量金属塞贝克系数的装置中连接电机与
转轴的转换轴采用的是梅花型转换轴，同时装置材料均采用304不锈
钢等材料制成，尽量避免了使用
铁磁性的零件组装设备，有效减少了对测量数据准确性的不利外部影响因素。
附图说明
[0026] 图1是本实用新型
实施例一测量金属塞贝克系数的装置的结构示意图。
[0027] 图2是本实用新型实施例一测量金属塞贝克系数的装置的热电回路图结构示意图。
[0028] 图3是采用本实用新型实施例一测量金属塞贝克系数的装置，在所测
合金试样的不同凝固速度下测量Pb-Sn合金的塞贝克系数的实验测量结果对比图，其中，图3（a）、图3（b）、图3（c）和图3（d）分别是移动式加热装置以5μm/s、10μm/s、15μm/s和20μm/s的速度移动时所获得的测量结果图。
具体实施方式
[0029] 本实用新型的优选实施例结合附图说明如下：
[0030] 实施例一：
[0031] 在本实施例中，选取纯度99.99%的高纯金属Pb和纯度为99.99%的金属Sn，在具有纯氩气保护气氛的感应熔炼炉中熔炼出
质量分数5wt%Sn的Pb-Sn合金，浇铸成制成长120cm、直径10mm的样品，作为待测金属试样4，将待测金属试样4表面打磨干净，用酒精冲洗吹干，装入相同尺寸的刚玉管中，为了去除试样之间和试样与刚玉管之间的空隙，将上述试样放入具有氩气保护气氛的定向凝固炉中进行定向凝固，得到Pb-Sn合金的待测金属试样4和刚玉管紧密结合并一体形成测量标的系统备用。
[0032] 在本实施例中，参见图1和图2，一种测量金属塞贝克系数的装置，由温度场控制系统和测量系统构成，测量系统由数据采集器11和电脑终端12构成，数据采集器11的两个接线端子分别通过对应的信号传输线10与待测金属试样4的两端分别电连接，数据采集器11还与电脑终端12信号连接，数据采集器11为2640A数据采集器，其包含20个通道，可以和电脑终端连接，一起构成了一个完整的数据采集系统，数据采集器11用来测量直流电压、交流电压、
电阻、温度、
频率和直流电流，温度测量用
热电偶或热电阻来进行，对于其他测量参数，只要使用合适的变送器或
传感器将其转换为以上
电信号，都可以进行测量，温度场控制系统对待测金属试样4的内部的温度场进行控制，使待测金属试样4在两端开口的刚玉管中形成通长的棒状，并使待测金属试样4侧表面和刚玉管的内表面之间紧密接触，去除待测金属试样4和刚玉管之间的空隙，即以刚玉管作为待测金属试样4的样品支架，使待测金属试样4和刚玉管紧密结合并一体形成测量标的系统，并将刚玉管位置固定，温度场控制系统至少由加热装置、冷却装置2和保温装置3组成，加热装置由温度控制系统控制，温度控制系统由PID型温度控制仪、整流
电路和分压电阻三部分组成，其中PID型温度控制仪采用智能控制，为单相3KW，并采用K型镍铬－镍
硅热电偶测定加热装置内腔的温度，控温精度达±1℃，将测量标的系统水平放入加热装置中，使刚玉管从加热装置的通孔中穿过，并使待测金属试样4的两端皆位于加热装置外部，冷却装置2使待测金属试样4的两端温度保持一致，加热装置由固定加热装置1和移动式加热装置13组成，分别对待测金属试样4的不同区段进行加热，两套加热装置都是
焊接一体的，中间水平通孔，插入待测金属试样4外部的刚玉管和测温热电偶，加热装置的加热区为硅
碳管加热棒，加热温度可达到1200℃，加热装置的设计尺寸为直径110*114mm，长度175mm，从而保证加热装置与加热套内壁之间有足够的空隙塞放保温材料以及保证有足够的加热区间，针对Pb-Sn合金材料调节加热温度，确保两加热装置中间区域样品能够均匀融化，固定加热装置1通过与其固定连接的一组固定支架8安装在一个固定不动的平台9上，移动式加热装置13通过与其固定连接的另一组固定支架8安装在可移动的另一个平台9上，在固定加热装置1和移动式加热装置13之间，将加热装置和冷却装置2一起置于保温装置3中，将测量标的系统对应区段的刚玉管设置于在保温装置3内部形成的加热恒温空间区域内，固定加热装置1和移动式加热装置13同时对测量标的系统进行加热，使刚玉管内的待测金属试样4中部完全熔融形成液相区段B，而待测金属试样4的液相区段B两端则分别各形成一个液固界面，在待测金属试样4的液相区段B的两个液固界面之外分别为待测金属试样4两段固相区段，其中固定加热装置1对待测金属试样4右侧区段加热，使固定加热装置1未进行加热的待测金属试样4右侧区段形成右侧固相区段C，待测金属试样4的右侧固相区段C长度保持不变，从而使待测金属试样4的液相区段B的右侧液固界面保持平衡凝固状态，而其中移动式加热装置13对待测金属试样4左侧区段加热，使固定加热装置1未进行加热的待测金属试样4左侧区段形成左侧固相区段A，同时还通过调节控制移动式加热装置13沿待测金属试样4的轴向移动，使待测金属试样4的左侧固相区段A长度发生变化，从而使待测金属试样4的液相区段B的左侧液固界面的位置发生变化，从而使待测金属试样4的液相区段B进行定向凝固。
[0033] 在本实施例中，参见图1，通过牵引控制系统控制移动式加热装置13的位移运动，牵引控制系统由丝杠5、三相异步电机6和程序控制柜7组成，程序控制柜7控制三相异步电机6，再通过三相异步电机6驱动丝杠5，进而牵引可移动的平台9，使移动式加热装置13沿待测金属试样4的轴向移动。采用本实施例的牵引控制系统易于完成规定的拉-停动作，有效控制凝固速度及凝固方向。牵引控制系统由三相异步
电动机6提供动
力，并由高机能向量控制交流马达
驱动器，通过程序控制柜7的程序的设定控制三相异步电动机6旋转速度的方向及大小。三相异步电动机6的
传动轴通过传动丝杠5进而带动可移动的平台9移动，平台9再通过一组固定支架8带动移动式加热装置13按照
指定程序定向移动，达到精确控制试样的凝固速度的目的。本实施例所采用三相异步电动机6型号为YS520型电动机，额定功率为160W，额定电流0.72A，额定转速1500r/min；
丝杆5使用的是
不锈钢攻丝拉杆，具有
抗拉强度大不易
变形，精确度高等优点，保证移动式加热装置13定向移动速度执行的精确性。
[0034] 在本实施例中，参见图1和图2，冷却装置2包括一套固定冷却器和一套可移动冷却器，固定冷却器安装在固定加热装置1和待测金属试样4右端之间位置处，对固定加热装置1未进行加热的待测金属试样4右侧区段进行冷却，使待测金属试样4的右侧区段形成右侧固相区段C，可移动冷却器与移动式加热装置13同步移动，可移动冷却器安装在移动式加热装置13和待测金属试样4左端之间位置处，对移动式加热装置13未进行加热的待测金属试样4左侧区段进行冷却，使待测金属试样4的左侧区段形成左侧固相区段A。
[0035] 在本实施例中，参见图1～图3，将加热装置置于具有
水循环保护的保温系统中，待测合金试样4水平放入固定加热装置1和移动式加热装置13中心位置，通过温度控制系统将加热装置按照设定程序升温到预定温度，使b-Sn合金的待测金属试样4的中部熔融，保温一定时间待Pb-Sn合金的待测金属试样4形成两个稳定的金属液固界面后，按照设定的速率使可移动冷却器与移动式加热装置13同步水平向右移动，直至测得的电势稳定以后停止移动，此时待测金属试样4两端的电势降低一定值后趋于稳定，这个电势落差就是合金的绝对热电势。
[0036] 在本实施例中，参见图1和图2，将所得到的待测金属试样4水平固定在固定加热装置1和移动式加热装置13内部，待测金属试样4两端表面分别与数据采集器11相连。将加热系统装置温度按设定程序升温到设定温度，保温30min后以设定的速度使移动式加热装置13水平方向运动，在此过程中使用数据采集器11记录下移动过程中电势的变化。当移动电势趋于稳定后停止移动，此时待测金属试样4两端的电势降低一定值后趋于稳定，这个电势落差就是合金的固液界面热电势。
[0037] 在本实施例中，参见图2，当左侧的固定加热装置1以设定速率水平向右运动时，为一定向凝固过程，待测金属试样4左侧固-液界面向右推移，此固-液界面的温度为 ，待测金属试样4右侧固-液界面位置不变，此固-液界面位置为 ，两固-液界面温度的差值即为以此速率定向凝固时的过冷度 。由于冷却装置2的循环冷却系统的作用，待测金属试样4两端的温度皆为室温 ，此时测量金属塞贝克系数的装置的热电回路所测的热电势为 ，且有： 。
[0038] 采用本实施例测量金属塞贝克系数的装置，在所测合金试样的不同凝固速度下测量Pb-Sn合金的塞贝克系数的实验测量结果对比，参见图3，其中，图3（a）、图3（b）、图3（c）和图3（d）分别是移动式加热装置以5μm/s、10μm/s、15μm/s和20μm/s的速度移动时所获得的测量结果。从图3中可以看出所测得的电势具有一个差值，这个差值就是所测合金试样不同凝固速度下的绝对热电势，通过计算出不同拉速下的 ，结合测得的热电势，即可得出材料的绝对赛贝克系数 。
[0039] 实施例二：
[0040] 本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
[0041] 在本实施例中，在固定加热装置1和移动式加热装置13之间，对测量标的系统对应区段的刚玉管外部设置安装保温套，保温套和刚玉管之间塞有高温棉。本实施例在位于两加装置中间的位置，设置有保温套，目的在于：由于系统工作时，加热区处于较高的温度，为了保持加热区间的温度状态以及出于安全防护方面的考虑。本实施例测量金属塞贝克系数的装置在使用时更加安全可靠。在保温套的底部两侧，开有宽度约20mm的短槽，以便使移动式加热装置13定向移动。
[0042] 实施例三：
[0043] 本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
[0044] 在本实施例中，冷却装置2采用流体冷却方式工作，冷却装置2由冷却介质内腔和冷却介质外腔形成两套独立的流体通道，其中冷却介质内腔中注入循环流动的高导热率液体，冷却介质外腔通入循环水。在本实施例中，每一套加热装置外侧均焊接有一个分为内外两腔、中心通孔的冷却装置2，冷却装置2的直径为72*76mm 、长度为100mm；冷却装置2的内腔中注满高导热率的Ga-In-Sn液体，外腔通入循环水，以保证能够快速冷却样品，使样品两端温度保持一致。
[0045] 实施例四：
[0046] 本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
[0047] 在本实施例中，信号传输线10为具有屏蔽结构的铜线，屏蔽结构为在导线外部包裹一层铜网，能较好的屏蔽了电磁干扰，保证测量数据更加精确。
[0048] 上面结合附图对本实用新型实施例进行了说明，但本实用新型不限于上述实施例，还可以根据本实用新型的实用新型创造的目的做出多种变化，凡依据本实用新型技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合用于本实用新型测量金属塞贝克系数的装置的结构和构造原理，都属于本实用新型的保护范围。
