高溫接觸角測定儀
高溫接觸角測定儀技術方案
方案信息
標題：高溫接觸角測定儀技術方案
型號：STR CAX-HT-1700
版本號：V1.0
日期：2025-05-10
編制：洛陽賽特瑞智能裝備技術部高溫測試設備組
適用：僅公司內部學習使用
一、概述簡介
STR CAX-HT-1700 高溫接觸角測定儀用于在室溫至 1700 ℃范圍內，測量熔融金屬、爐渣、玻璃、陶瓷等材料在固體基板上的靜態接觸角、表面張力及潤濕動力學。系統采用高分辨 CMOS 成像 + 激光錐形輪廓法雙測量模式，配備超高真空（可選）與惰性氣氛雙系統，為材料潤濕性評價、冶金連鑄保護渣設計、釬焊/燒結工藝優化提供定量數據。
二、遵循標準
GB/T 30707-2014《固體表面潤濕性測定 靜滴法》
ASTM D7334-20《Standard Test Method for Contact Angle of Solid Surface》
ASTM C813-20《Contact Angle of Glass on Glass by Sessile Drop》
ISO 15989:2021《Surface tension and contact angle—Sessile drop method》
DIN 55660-2《Paints and varnishes – Wettability – Part 2: Sessile-drop method》
三、用途
耐火材料、陶瓷、金屬基復合材料的潤濕性評估
冶金熔渣—耐火襯界面反應研究
釬料、焊料對母材潤濕角與鋪展因子測定
高溫涂層、自清潔陶瓷表面改性評價
玻璃—金屬封接工藝參數優化
四、測量原理
靜滴座滴法（Sessile Drop）：通過高分辨相機采集熔滴輪廓，Young-Laplace 擬合計算接觸角 θ、表面張力 γ。
激光錐形掃描法（可選）：旋轉錐形激光對被測液滴三維掃描，獲得真實液滴體積與輪廓，避免強光輻射造成邊緣識別誤差。
溫度補償算法：軟件實時校正高溫熱輻射對灰度梯度影響，保證 1600 ℃ 以上邊緣識別誤差 ≤ ±0.1°。
五、主要技術參數
| 序號 | 項目 | 規格 |
|---|---|---|
| 1 | 設備名稱 | 高溫接觸角測定儀 |
| 2 | 英文名稱 | High-Temperature Contact Angle Analyzer |
| 3 | 設備型號 | STR CAX-HT-1700 |
| 4 | 設備結構 | 立式上開蓋水冷爐體 + 側窗成像模塊 + 升降進樣機構 + 真空/氣氛系統 + 工控機控制柜 |
| 5 | 溫度范圍 | 室溫 – 1700 ℃ |
| 6 | 長期工作溫度 | ≤1600 ℃ |
| 7 | 升溫速率 | 0 – 50 ℃/min 可編程 |
| 8 | 控溫精度 | ±1 ℃（PID+SCR 閉環） |
| 9 | 加熱元件 | Φ9 mm U 型二硅化鉬（MoSi?）棒，18 支，環形均勻布置 |
| 10 | 爐膛有效尺寸 | φ90 × 120 mm（H） |
| 11 | 真空度 | ≤ 5×10?3 Pa（選配擴散泵機組） |
| 12 | 氣氛 | N?/Ar/He/H?（5% H? 安全混配），流量 0–2 L/min |
| 13 | 接觸角測量范圍 | 0 – 180° |
| 14 | 接觸角分辨率 | ±0.1° |
| 15 | 表面張力范圍 | 0 – 3000 mN/m |
| 16 | 表面張力分辨率 | ±0.01 mN/m |
| 17 | 成像系統 | 2.3 MP 工業 CMOS，25 fps @ 1920×1200，帶 650 nm 窄帶濾光片 |
| 18 | 鏡頭 | 高景深遠心鏡頭，工作距 300 mm，放大倍率 0.6 – 5× |
| 19 | 照明 | 高亮 630 nm LED 背光，PWM 調光，同步頻閃避免熱輻射干擾 |
| 20 | 樣品臺 | 碳化鎢/高純石墨復合，水平度可調 ±0.5° |
| 21 | 最大樣品質量 | 50 g |
| 22 | 整機功率 | 6 kW |
| 23 | 電源 | AC 220 V/50 Hz（單相三線，配穩壓器） |
| 24 | 冷卻水 | 去離子水，流量 ≥6 L/min，壓力 0.2 – 0.4 MPa，出口溫度 ≤35 ℃ |
| 25 | 外形尺寸 | 1100 × 700 × 1650 mm（含控制柜） |
| 26 | 凈重 | 約 420 kg |
可增選配置
A. 激光錐形掃描模塊（3D 輪廓）
B. 雙爐體（1600 ℃/2200 ℃）快速切換滑軌
C. 氧分壓閉環控制（ZrO? 探頭，10?12 – 1 atm）
D. 高速相機 500 fps（適用于快速鋪展 <200 ms）
E. 自動送滴微泵（1 μL 步進，防氧化金屬熔滴定量）
F. 紅外測溫儀（比色高溫計，輔助校對熱電偶）
結構特點
爐體模塊
雙層 304 不銹鋼+水冷夾層，內襯氧化鋁纖維，熱面涂高溫反射涂層，降低外殼溫度。
成像模塊
水冷法蘭保持觀察窗 ≤60 ℃，防止 CMOS 過熱；窗片為石英玻璃（可選藍寶石）?60 mm，厚度 8 mm，透射率 ≥92%（650 nm）。
升降進樣模塊
伺服電機+滾珠絲杠，行程 200 mm，定位精度 ±0.02 mm；樣品桿為空心鉬管，內部走冷卻氬，防止高溫軟化。
真空/氣氛模塊
前級旋片泵+分子泵（可選），全不銹鋼波紋管連接，真空計為復合 Pirani/Cold Cathode。
電控與軟件
工業級 15" 觸控工控機，Windows 7?，中文界面，數據導出 .xls/.csv。
標準配置清單
| 名稱 | 數量 |
|---|---|
| 高溫爐主機 | 1 套 |
| 二硅化鉬加熱棒 | 18 支（含備件 3 支） |
| 側窗成像組件（CMOS+遠心鏡頭+LED 背光） | 1 套 |
| 控制柜（含工控機+溫控器+真空計） | 1 套 |
| K 型熱電偶 | 2 支（含備件 1 支） |
| 樣品臺（石墨+碳化鎢） | 各 1 件 |
| 真空機組（旋片泵，5 m3/h） | 1 套 |
| 循環水冷機（5 P） | 1 臺 |
| 操作手冊+軟件 U 盤+校準尺 | 1 套 |
| 熔滴進樣勺（石墨） | 3 只 |
包裝運輸
小件（<200 kg）：全實木熏蒸箱+防震泡沫，真空袋+干燥劑。
大件（≥200 kg）：簡易鋼邊膠合板+纏繞膜+緩沖角墊，頂部吊環、底部叉車槽。
運輸標識：向上、防潮、易碎、重心標識；出口按 ISPM15 標準熏蒸。
使用注意事項
嚴禁在 400 – 700 ℃ 段長時間保溫，防止 MoSi? 粉化。
爐膛升溫速率 ≤10 ℃/min；降溫 1200 ℃ 以上須自然慢冷，禁止強制風冷。
觀察窗出現裂紋應立即停爐，防止高溫噴出。
真空泵停機順序：先關高閥→停泵→破真空，防止回油污染爐膛。
更換加熱棒必須整體成對更換，確保阻值匹配（±0.2 Ω）。
操作方法（SOP 級簡述）
開機前檢查水路、氣路、電源，確認樣品桿處于上限位。
裝樣：基板置于樣品臺中心，調整水平；金屬顆粒（約 0.2 g）放石墨勺。
密封：關閉爐蓋，擰緊觀察窗壓帽，開循環水，啟動真空泵至 ≤10 Pa，回充 Ar 至 0.05 MPa，循環 2 次洗爐。
設定程序：以 10 ℃/min 升至目標溫度，保溫段勾選“圖像采集間隔 1 s”。
進樣：到達目標溫度后，手動下降樣品桿，使金屬顆粒落在基板，軟件自動觸發錄像。
試驗結束：提升樣品桿→停止加熱→1000 ℃ 以下關水冷機→導出數據。
清理：爐溫 <200 ℃ 后破真空，取出侵蝕基板，酒精擦拭觀察窗。
（完整 SOP 文檔隨設備附帶，含 18 頁圖文說明及視頻二維碼。）
特別強調
本設備需由具備高溫真空設備操作經驗的專業人員使用！
操作前必須接受廠方或授權代理商的 4 h 現場培訓并通過考核。
未經培訓人員擅自開機造成的一切損失，廠方不承擔質保責任。
選型與采購提示
先確認最高溫度與氣氛：若僅 1400 ℃ 以下空氣氣氛，可選硅碳棒爐型，成本降低 25%。
研究型用戶建議增配 3D 激光掃描與高速相機，便于發高水平論文。
質檢/產線快檢可選雙爐滑軌，30 min 內完成換爐，日處理樣品 >40 個。
提前準備好循環水與氣源（Ar 純度 ≥99.99%），否則現場改造費用高。
默認不含任何第三方證書，證書需另付費
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