多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備的制造方法
【專利摘要】多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，包括電子試驗(yàn)機(jī)單元、多物理場加載控制平臺(tái)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元，其中電子試驗(yàn)機(jī)包括底座、真空低溫箱、制冷機(jī)，真空低溫箱包括觀察窗、橫梁、夾具及傳感測量組件和磁體，多物理場加載控制平臺(tái)單元包括溫度控制模塊、磁場控制模塊、電流控制模塊、真空控制模塊和加載與測量模塊，用于加載控制各個(gè)模塊工作，本發(fā)明直接針對(duì)服役于復(fù)雜極端多環(huán)境場下的功能材料與結(jié)構(gòu)（如超導(dǎo)等電磁類智能材料）的多學(xué)科、多場耦合等基礎(chǔ)科學(xué)前沿問題的實(shí)驗(yàn)儀器和性能表征。同時(shí)，該研制設(shè)備也是目前國內(nèi)外在設(shè)計(jì)理念和相關(guān)功能性指標(biāo)上具有先進(jìn)性和領(lǐng)先意義的多環(huán)境場超導(dǎo)材料力學(xué)性能的多功能測試裝置。
【專利說明】
多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)材料性能測試領(lǐng)域，具體的涉及一種多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]超導(dǎo)現(xiàn)象作為20世紀(jì)的最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，具有非常廣闊的應(yīng)用前景?；谶~斯納效應(yīng)、零電阻等優(yōu)越特性而在高新工程與技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用潛力。超導(dǎo)材料(高溫、低溫)就是基于這些優(yōu)越特性發(fā)展起來的，如今，超導(dǎo)材料已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用到超導(dǎo)磁體的制造領(lǐng)域，而超導(dǎo)磁體在在大型科學(xué)裝置、醫(yī)療設(shè)備、能源、國防軍事等諸多領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景。
[0003]伴隨著超導(dǎo)材料技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代超導(dǎo)磁體磁場最高強(qiáng)度已由早期的0.5特斯拉增加到數(shù)十個(gè)特斯拉，但要是繼續(xù)提高磁場的強(qiáng)度以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，其磁體間的洛倫茲力必將大大地提高，對(duì)超導(dǎo)材料的力學(xué)性能要求也越來越高。因此，從探索超導(dǎo)材料力學(xué)性能的角度出發(fā)，揭示在極端復(fù)雜條件下(低溫、強(qiáng)電磁場)超導(dǎo)材料的力學(xué)性能規(guī)律，提高超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的背景磁場是當(dāng)今工程界和學(xué)術(shù)界的迫切要求。
[0004]超導(dǎo)磁體(材料)在運(yùn)行狀態(tài)下(低溫、強(qiáng)電磁場)不能達(dá)到其設(shè)計(jì)要求的大部分誘因來源于與其力學(xué)性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、大應(yīng)力、大變形、機(jī)械損傷和破壞等。因此，對(duì)于極端復(fù)雜耦合環(huán)境下，超導(dǎo)材料的力學(xué)性能測量的研究顯得非常重要且具有挑戰(zhàn)性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)在極端復(fù)雜多環(huán)境場下對(duì)超導(dǎo)材料力學(xué)性能的測試，同時(shí)保證測量精度準(zhǔn)，穩(wěn)定性高及試驗(yàn)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，包括電子試驗(yàn)機(jī)單元、多物理場加載控制平臺(tái)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元，電子試驗(yàn)機(jī)單元分別與所述多物理場加載控制平臺(tái)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元連接，其中電子試驗(yàn)機(jī)單元采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，用于對(duì)測試樣品機(jī)械力學(xué)的加載，所述電子萬能試驗(yàn)機(jī)包括底座、真空低溫箱、制冷機(jī)，真空低溫箱安裝在底座上，制冷機(jī)安裝在真空低溫箱背面，真空低溫箱包括觀察窗、橫梁、夾具、傳感測量組件和磁體，夾具之間用于放置試驗(yàn)樣品，傳感測量組件與夾具連接，橫梁位于真空低溫箱體的頂部，磁體位于真空低溫箱體內(nèi)部，磁體采用跑道型超導(dǎo)線圈繞制而成，夾具和傳感測量組件安裝在線圈內(nèi)部的空腔中。
[0007]所述多物理場加載控制平臺(tái)單元包括溫度控制模塊、磁場控制模塊、電流控制模塊、真空控制模塊和加載與測量模塊，加載與測量模塊分別連接所述溫度控制模塊、磁場控制模塊、電流控制模塊、真空控制模塊，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元具有磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)(變形、力)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索和分析功能，是集多場性能參數(shù)檢測、加(卸)載控制和多場行為測試為一體的集成軟、硬件系統(tǒng)。
[0008]所述真空低溫箱為一低溫杜瓦，所述真空低溫箱采用雙重真空模式，其中內(nèi)部空間為高真空室，箱體外殼采用真空隔熱。
[0009]所述觀察窗包括上、下兩個(gè)觀察窗。
[0010]所述制冷機(jī)包括兩臺(tái)制冷劑，兩臺(tái)制冷機(jī)的冷頭立式安放于真空低溫箱內(nèi)部。
[0011]所述夾具具有不同類別，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的力學(xué)性能(包括壓縮、彎曲等)測量。
[0012]所述電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加高改造和力學(xué)傳感器的改造，加高改造是為了保證絲材的拉伸行程，而對(duì)力學(xué)傳感器的改造，是考慮到了超導(dǎo)絲材的多尺度效應(yīng)，通過運(yùn)用更換不同力學(xué)傳感器，可以精確的測量不同尺度下的超導(dǎo)絲材的力學(xué)效應(yīng)。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:采用上述結(jié)構(gòu)之后，可以對(duì)超導(dǎo)材料在多物理場下進(jìn)行耦合測量，為刻畫多場下超導(dǎo)材料的基本變形模式提供可靠的實(shí)驗(yàn)條件，其同時(shí)具有極低溫/變溫(實(shí)現(xiàn)較大低溫變溫區(qū)工作環(huán)境，室溫?4.2K)、環(huán)境場多(實(shí)現(xiàn)溫度、變電場(0?1000A)、變磁場(〇?12T)、力學(xué)變形場等復(fù)雜多場環(huán)境以及可控與可調(diào))、測試功能多(實(shí)現(xiàn)溫度、電磁、 變形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與損傷等多物理場相關(guān)的性能檢測與表征)、材料與測試試樣多元化(包括實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)以及其他電磁和溫度敏感材料的性能測試、測試試樣的機(jī)械加載實(shí)現(xiàn)拉、壓、彎多變形模式，以及包括標(biāo)準(zhǔn)試樣、線材、帶材、股線復(fù)合結(jié)構(gòu)等)，可實(shí)現(xiàn)多場多物理量性能的集成實(shí)驗(yàn)表征、測量精度和穩(wěn)定性高(溫度誤差:精度小于± 〇.5 %FS，磁場均勻度:小于1%; 應(yīng)變精度:小于示值的〇.5%，應(yīng)力精度:小于示值的0.5%)等。【附圖說明】
[0014]附圖1為本發(fā)明的電子試驗(yàn)機(jī)的左視圖；附圖2為本發(fā)明的多物理場加載控制平臺(tái)的正視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0016]本發(fā)明為一種多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，包括電子試驗(yàn)機(jī)單元、多物理場加載控制平臺(tái)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元，其中電子試驗(yàn)機(jī)單元采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)1，電子萬能試驗(yàn)機(jī)1依據(jù)國標(biāo)GB/T16491、GB/T2611、GB/T6825.1等，采用加寬、加高型設(shè)計(jì)，機(jī)架型式為門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，加載方式為采用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)相關(guān)性能參數(shù):試驗(yàn)力最大試驗(yàn)力:200KN 有效測力范圍:0 ? 4%?100%FS 分辨力:1/300000 示值相對(duì)誤差:± 0.5%負(fù)荷傳感器:高精度200 KN、50KN、10KN、0.5KN、0.1KN、0.05KN多套傳感器；試驗(yàn)速度調(diào)節(jié)范圍:0.005?500mm/min(無級(jí)調(diào)速)勻試驗(yàn)力速率、勻變形速率控制范圍:0.01%?10%FS/S勻試驗(yàn)力速率、勻變形速率控制誤差:±0.5%恒試驗(yàn)力、恒變形控制范圍:0 ? 5%?100%FS 控制誤差:小于10%FS時(shí)為± 1%，大于10%FS時(shí)為± 0.1%示值相對(duì)誤差:± 0.5%;位移(移動(dòng)橫梁)測量范圍:0?999mm 分辨力:0.001mm 示值相對(duì)誤差:± 0.5%變形輸出范圍:〇-5mm有效測量范圍:0.2%?100%FS標(biāo)距:50mm分辨力:1/300000示值相對(duì)誤差:± 0.5%加載過程采用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，圓弧同步帶輪減速，滾珠絲杠副傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，獲得試驗(yàn)力和變形速度高精密控制。
[0017]電子萬能試驗(yàn)機(jī)1包括底座8、真空低溫箱4和制冷機(jī)，真空低溫箱4為一低溫杜瓦， 此低溫杜瓦采用雙重真空模式，其中內(nèi)部空間為高真空室，且杜瓦內(nèi)腔有效尺寸為A 500mm XL600 _，其內(nèi)腔中央放置可以產(chǎn)生均勻環(huán)境磁場的低溫超導(dǎo)磁體3,箱體外殼采用真空隔熱，低溫杜瓦安裝在底座8上，制冷機(jī)安裝在低溫杜瓦背面，制冷機(jī)包括兩臺(tái)制冷劑，兩臺(tái)制冷機(jī)的冷頭立式安放于低溫杜瓦內(nèi)部，低溫杜瓦包括觀察窗5、橫梁2、夾具7、傳感測量組件6和磁體3，都通過軟密封方式安置于低溫杜瓦內(nèi)，其中觀察窗5包括上下兩個(gè)，用于實(shí)現(xiàn)無接觸全局變形的CCD光測功能的需要，觀察窗有效尺寸為A 80mm，夾具7之間用于放置試驗(yàn)樣品，傳感測量組件6與夾具7連接，橫梁2位于真空低溫箱體4的頂部，磁體3采用跑道型超導(dǎo)線圈繞制而成，磁體3尺寸為(內(nèi)徑120mm、外徑160mm) XL350mm，磁體3內(nèi)部的有效磁場區(qū)域?yàn)锳 80mnTL250mm，最高磁場可達(dá)12T(均勾度<3%)、變磁場(0?4.12T，均勾度< 1%)，夾具7和傳感測量組件6安裝在線圈內(nèi)部的空腔中，多物理場加載控制平臺(tái)單元包括溫度控制模塊、磁場控制模塊、電流控制模塊、真空控制模塊和加載與測量模塊，數(shù)據(jù)采集與處理單元具有磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)(變形、力)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索和分析功能，是集多場性能參數(shù)檢測、加(卸)載控制和多場行為測試為一體的集成軟、硬件系統(tǒng)。[〇〇18]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本申請(qǐng)所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本申請(qǐng)型的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，其特征在于，包括電子試驗(yàn)機(jī)單元、多物理 場加載控制平臺(tái)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元，所述電子試驗(yàn)機(jī)單元分別與所述多物理場加 載控制平臺(tái)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元連接，所述電子試驗(yàn)機(jī)單元采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，所述電子萬能試驗(yàn)機(jī)包括底座、真空低溫 箱和制冷機(jī)，所述真空低溫箱安裝在所述底座上，所述制冷機(jī)安裝在所述真空低溫箱背面， 所述真空低溫箱包括觀察窗、橫梁、夾具、傳感測量組件和磁體，所述夾具之間放置試驗(yàn)樣 品，所述傳感測量組件與所述夾具連接，所述橫梁位于真空低溫箱體的頂部，所述磁體安裝 在真空低溫箱內(nèi)部，所述磁體采用跑道型超導(dǎo)線圈繞制而成，所述夾具和傳感測量組件安 裝在線圈內(nèi)部的空腔中，所述多物理場加載控制平臺(tái)單元包括溫度控制模塊、磁場控制模塊、電流控制模塊、真 空控制模塊和加載與測量模塊，所述加載與測量模塊分別連接所述溫度控制模塊、磁場控 制模塊、電流控制模塊、真空控制模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，其特征在于，所述數(shù) 據(jù)采集與處理單元為集成軟、硬件系統(tǒng)，具有磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索 和分析功能。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，其特征在于，所述真 空低溫箱為一低溫杜瓦，所述真空低溫箱采用雙重真空模式，其中內(nèi)部空間為高真空室，箱 體外殼采用真空隔熱。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，其特征在于，所述觀 察窗包括上、下兩個(gè)觀察窗。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，其特征在于，所述制 冷機(jī)包括兩臺(tái)制冷劑，兩臺(tái)制冷機(jī)的冷頭立式安放于真空低溫箱內(nèi)部。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多環(huán)境場下超導(dǎo)材料力學(xué)性能測試設(shè)備，其特征在于，所述電 子萬能試驗(yàn)機(jī)的機(jī)架方式采用門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK106018062SQ201610575890
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月20日
【發(fā)明人】王省哲, 關(guān)明智, 周又和
【申請(qǐng)人】蘭州大學(xué), 中國科學(xué)院近代物理研究所