373-4.2k環境下超導材料的多場耦合測試系統的製作方法
2023-09-24 01:49:45 2
專利名稱：373-4.2k環境下超導材料的多場耦合測試系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及超導材料測量技術，具體地，涉及373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統。
背景技術：
超導現象作為20世紀的最偉大的發現之一，具有非常廣闊的應用前景。基於邁斯納效應、零電阻等優越特性而在高新工程與技術領域表現出誘人的應用潛力。超導材料(高溫、低溫)就是基於這些優越特性發展起來的，如今，超導材料已經被廣泛的運用到超導磁體的製造領域，而超導磁體在在大型科學裝置、醫療設備、能源、國防軍事等諸多領域有著非常重要的應用前景。伴隨著超導材料技術的快速發展，現代超導磁體磁場最高強度已由早期的0. 5特斯拉增加到數十個特斯拉，但要是繼續提高磁場的強度以滿足國民經濟發展的需要，其磁體間的洛倫茲力必將大大地提高，對超導材料的力學性能要求也越來越高。因此，從探索超導材料力學性能的角度出發，揭示在極端複雜條件下(低溫、強電磁場)超導材料的力學性能規律，提高超導磁體產生的背景磁場是當今工程界和學術界的迫切要求。超導磁體(材料)在運行狀態下(低溫、強電磁場)不能達到其設計要求的大部分誘因來源於與其力學性能相關的結構不穩定、應力大、變形大、機械損傷和破壞等。因此，對於極端複雜環境下，超導材料的力學性能測量的研究顯得非常重要且具有挑戰性。超導材料具有可提供強磁場等優異特性使它從被發現之日起，就向人類展示了誘人的應用前景。但要實際應用超導材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料製作的工藝等問題(例如脆性的超導陶瓷如何製成柔細的線材就有一系列工藝問題)。超導材料主要分為四大類超導元素(Nb)、合金材料(NbTi合金)、超導化合物(Nb3Sn)、超導陶瓷 (鋇-釔-銅氧化物等)。其中，NbTi合金材料臨界溫度為9. 3K,臨界磁場12T，Nb3Sn超導化合物臨界溫度為18. 1K，臨界磁場28. 5T，超導陶瓷的臨界溫度在液氮溫區下。前兩者屬於低溫超導材料，後者屬於高溫超導材料。這三種超導材料已經逐漸的運用到超導磁體技術和超導性能研究中，故屬於本測試系統重點研究對象。通常超導材料的力學基本性能測試通常在常溫下進行的，在實際過程中，通過常溫下的力學基本參數來估計低溫下超導材料的力學基本性能，而超導材料在室溫和低溫下的力學性質不盡相同，開展低溫下超導材料力學參數的測量的工作是十分必要和重要的。 此外，從室溫到低溫需要經歷一個降溫過程，考察降溫梯度下超導材料力學性質的變化是另外一個十分重要的問題。在現有的超導材料測試中，對於超導材料的單一受力狀態的力學測量，實驗裝置研究較多。但是，超導磁體運行時，通常處在變化的強電磁場環境中，變化的強電磁場必然會帶來強大的洛倫茲力作用，並且，這種洛倫茲力作用於超導材料的各個方向。因此，在低溫環境下，準確模擬超導材料的組合受力情況，建立低溫下拉壓彎實驗裝置，是測試系統的另一個關鍵問題。對於超導材料的性能測試涉及到諸如力學、熱學、電磁學性能的測試，在已有的測試系統中，對於超導材料在以上三方面性能測試的實驗裝置的研製較多，而對於考察超導材料的電磁力熱耦合性能的實驗裝置研製較少，而考察超導材料低溫環境下的多物理場耦合效應是當今工程界和學術界的熱點問題，如何在低/變溫環境下，對帶有強電流的超導材料進行力學測試，從而達到力-熱-電多場耦合測量也是本測試系統考慮的關鍵性問題。綜上所述，在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在功能弱、適用範圍小、試驗時間長與成本高等缺陷。
發明內容
本發明的目的在於，針對上述問題，提出373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，以實現功能強大、適用範圍廣、更換試樣方便、節約試驗時間與成本低的優點。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是373-4. a(環境下超導材料的多場耦合測試系統，包括大型變溫實驗箱，加套在所述大型變溫實驗箱的箱體內部的液氦超低溫真空杜瓦瓶；設置在所述液氦超低溫真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型變溫實驗箱的箱體底部的杜瓦瓶託架，下部分豎直並行密封設置在所述液氦超低溫真空杜瓦瓶的內部、且上部分依次伸出液氦超低溫真空杜瓦瓶的頂部及大型變溫實驗箱的箱體頂部的力學測試實驗裝置與液氦加注管，靠近所述液氦加注管、均勻設置在所述大型變溫實驗箱的箱體內壁上的多個加熱體，設置在所述大型變溫實驗箱的箱體後方的風循環裝置，以及位於所述大型變溫實驗箱的外部、且與所述風循環裝置軸承連接的風循環電機。進一步地，上述373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，還包括光電聯合測量裝置；所述光電聯合測量裝置，位於所述大型變溫實驗箱的內部、且與所述加電裝置及超導材料試樣配合設置的光電聯合測量裝置；在所述大型變溫實驗箱的箱體內部，與所述風循環裝置相配合，還設有溫度傳感器。進一步地，上述373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，還包括軸承座， 所述風循環電機通過軸承座與風循環裝置連接。進一步地，所述風循環裝置為智能自動調節功率的電機風扇。進一步地，在所述液氦超低溫真空杜瓦瓶的瓶口，設有密封蓋；所述力學測試實驗裝置與液氦加注管伸出密封蓋。進一步地，所述力學測試實驗裝置，包括分別夾持在超導材料試樣兩端的上夾具與下夾具，配合設置在所述上夾具的上方的上夾具託架，配合設置在所述下夾具的下方的下夾具託架，在所述上夾具託架的上方設有上拉杆，在所述下夾具託架的下方設有下拉杆； 位於所述上夾具託架的上方，自下向上在所述上拉杆上依次設有上加電組件與力學傳感器；位於所述下夾具託架的下方，在所述下拉杆上設有下加電組件。進一步地，所述上加電組件與下加電組件的結構相同；所述上加電組件包括靠近上夾具託架設置的電加熱夾具，以及設在所述電加熱夾具上方的絕緣套。進一步地，所述光電聯合測量裝置，包括分別與超導材料試樣配合設置的超導材料試樣光學測量組件、及超導材料試樣電學測量組件。
進一步地，所述超導材料試樣光學測量組件，包括用於為超導材料試樣提供低溫環境的低溫箱；可移動式設在超導材料試樣上、且用於標記超導材料試樣上任意兩點位置的第一黑色吸光靶與第二黑色吸光靶；以及可隨所述第一黑色吸光靶與第二黑色吸光靶移動，且用於記錄超導材料試樣任意兩點在低溫下拉伸時的相對位移、並計算出超導材料試樣的拉伸應變量的光學探測器；在所述低溫箱上，設有用於光學探測器的光束透過的玻璃窗。進一步地，所述超導材料試樣電學測量裝置，包括用於提供低溫環境與一對曲面刀口的低溫引伸計，以及固定套接在超導材料試樣兩端的一對銅套；所述低溫引伸計通過一對曲面刀口，與超導材料試樣的一對銅套接觸。本發明各實施例的373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，由於包括大型變溫實驗箱，加套在大型變溫實驗箱的箱體內部的液氦超低溫真空杜瓦瓶；設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型變溫實驗箱的箱體底部的杜瓦瓶託架，下部分豎直並行密封設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶的內部、且上部分依次伸出液氦超低溫真空杜瓦瓶的頂部及大型變溫實驗箱的箱體頂部的力學測試實驗裝置與液氦加注管，靠近液氦加注管、均勻設置在大型變溫實驗箱的箱體內壁上的多個加熱體，設置在大型變溫實驗箱的箱體後方的風循環裝置，以及位於大型變溫實驗箱的外部、且與風循環裝置軸承連接的風循環電機；可以同時提供變速率連續降溫(37I-77K)、低溫(77K、4. I)、強電場(士600Α)等多場耦合複雜環境下的超導材料(絲材、塊材)力學性能的測量；從而可以克服現有技術中功能弱、適用範圍小、試驗時間長與成本高的缺陷，以實現功能強大、適用範圍廣、更換試樣方便、節約試驗時間與成本低的優點。本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中
圖1為根據本發明373-4. 2Κ環境下超導材料的多場耦合測試系統中力學測試實驗裝置的結構示意圖Ia為圖1中A部的局部放大示意圖2為根據本發明373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統的主視圖的局部剖視結構示意圖加為圖2中B部的局部放大示意圖3為根據本發明373-4. 2Κ環境下超導材料的多場耦合測試系統的右視圖的局部剖視結構示意圖3a為圖3中C部的局部放大示意圖； 圖北為圖3中D部的局部放大示意圖4為根據本發明373-4. 2K環境下超導材料的多場耦合測試系統中超導材料試樣電學測量組件的結構示意圖5為根據本發明373-4. 2K環境下超導材料的多場耦合測試系統中超導材料試樣光學測量組件的結構示意圖。結合附圖，本發明實施例中附圖標記如下
1-箱體；2-加熱體；3-液氦加注管；4-力學傳感器；5-上拉杆；6-液氦超低溫真空杜瓦瓶；7-超導材料試樣；8-下夾具；9-下夾具託架；10-杜瓦瓶託架；11-風循環電機； 12-絕緣套；13-電加熱夾具；14-光束；15-光學探測器；16-玻璃窗；17-第二黑色吸光靶； 18-低溫箱；19-低溫引伸計；20-銅套；21-曲面刀口。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。根據本發明實施例，提供了 373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統。如圖 1-圖北所示，本實施例包括大型變溫實驗箱，加套在大型變溫實驗箱的箱體1內部的液氦超低溫真空杜瓦瓶6 ；設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶6的底部、且伸出大型變溫實驗箱的箱體1底部的杜瓦瓶託架10，下部分豎直並行密封設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶6的內部、且上部分依次伸出液氦超低溫真空杜瓦瓶6的頂部及大型變溫實驗箱的箱體1頂部的力學測試實驗裝置與液氦加注管3，靠近液氦加注管3、均勻設置在大型變溫實驗箱的箱體1內壁上的多個加熱體2，設置在大型變溫實驗箱的箱體1後方的風循環裝置，以及位於大型變溫實驗箱的外部、且與風循環裝置軸承連接的風循環電機11。在上述實施例中，373-4. ^(環境下超導材料的多場耦合測試系統，還包括光電聯合測量裝置；光電聯合測量裝置，位於大型變溫實驗箱的內部、且與加電裝置及超導材料試樣7配合設置的光電聯合測量裝置；在大型變溫實驗箱的箱體1內部，與風循環裝置相配合，還設有溫度傳感器。在上述實施例中，373-4. 2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，還包括軸承座， 風循環電機11通過軸承座與風循環裝置連接。這裡，風循環裝置為智能自動調節功率的電機風扇。在上述實施例中，在液氦超低溫真空杜瓦瓶6的瓶口，設有密封蓋；力學測試實驗裝置與液氦加注管3伸出密封蓋。進一步地，在上述實施例中，力學測試實驗裝置，包括分別夾持在超導材料試樣7 兩端的上夾具與下夾具8，配合設置在上夾具的上方的上夾具託架，配合設置在下夾具8的下方的下夾具託架9，在上夾具託架的上方設有上拉杆5，在下夾具託架9的下方設有下拉杆；位於上夾具託架的上方，自下向上在上拉杆5上依次設有上加電組件與力學傳感器4 ； 位於下夾具託架9的下方，在下拉杆上設有下加電組件。在上述實施例中，上加電組件與下加電組件的結構相同；上加電組件包括靠近上夾具託架設置的電加熱夾具13，以及設在電加熱夾具13上方的絕緣套12。進一步地，在上述實施例中，光電聯合測量裝置，包括分別與超導材料試樣7配合設置的超導材料試樣7光學測量組件、及超導材料試樣7電學測量組件。其中，上述超導材料試樣7光學測量組件，包括用於為超導材料試樣7提供低溫環境的低溫箱18 ；可移動式設在超導材料試樣7上、且用於標記超導材料試樣7上任意兩點位置的第一黑色吸光靶與第二黑色吸光靶17 ；以及可隨第一黑色吸光靶與第二黑色吸光靶17移動，且用於記錄超導材料試樣7任意兩點在低溫下拉伸時的相對位移、並計算出超導材料試樣7的拉伸應變量的光學探測器15 ；在低溫箱18上，設有用於光學探測器15的光束14透過的玻璃窗16。上述超導材料試樣7電學測量裝置，包括用於提供低溫環境與一對曲面刀口(如曲面刀口 21)的低溫引伸計19，以及固定套接在超導材料試樣7兩端的一對銅套(如銅套 20)；低溫引伸計19通過一對曲面刀口，與超導材料試樣7的一對銅套接觸。在上述實施例中，373-4. 2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，建立變速率連續降溫(373-77K)、極低溫(77K、4. 2Κ)下的極端工作環境。上述實施例的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統，採用的是大型變溫實驗箱內加套超低溫杜瓦瓶，大型變溫實驗箱採用噴霧式製冷方式，可以實現等\變速連續降溫(373-77Κ)的實驗環境，大型變溫實驗箱採用不鏽鋼箱體1，箱體1中填充有低導熱系統發泡型絕熱體，保證降溫速度的均勻性；而大型變溫實驗箱內加套超低溫杜瓦瓶，可以對超導材料試樣7實現超低溫下(浸泡方式4. 2Κ)的力學性能測試；而外置的力學測試實驗裝置，通過伸入液氦超低溫真空杜瓦瓶6的上拉杆5對超導材料試樣7進行拉、壓、彎等力學性能的測試。力學傳感器4置於室溫內(上拉杆5的上端)，因此，測量結果不會受溫度變化的影響；置於箱體1後方的風循環裝置，是一個智能自動調節功率的電機風扇，它可以根據置於箱體1內不同溫度傳感器測試的溫度均勻情況，而自動調節電機風扇的轉速，即當箱體1內的降溫的溫度不均勻時，風循環裝置就會開始工作，使得箱體1內的溫度均勻，當溫度均勻後風循環裝置就會立刻停止。上述實施例的373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，能夠在變低溫環境下，對通有強電流的材料進行力學性能測試，因此在電加熱夾具13上套有絕緣套12，這樣就可以保證夾具不導電，而只對測試材料通電。在測量材量的形變方面，採用光電聯合測
量裝置。在上述實施例中，實施例的373-4. 2Κ環境下超導材料的多場耦合測試系統，具有以下特點
⑴可以同時提供噴霧和浸泡兩種製冷方式下的低溫環境，測試溫度環境從室溫 4. 2Κ, 測試環境溫度非常寬泛；
⑵運用噴霧式連續降溫系統可以對不同低溫溫度進行考察，能夠在指定的時間內從室溫降到或升到目標溫度；
⑶可以對試樣實現在低\變溫環境下力一電耦合實驗的測試； ⑷用一臺力學性能試驗系統可完成多組力-熱-電耦合實驗 ①常溫下力學性能(包括試樣的拉、壓、彎)試驗(移開低溫容器)；②可實現變溫 (373Κ 77Κ)、超低溫下(4. 2Κ)力-電耦合性能(包括試樣的拉、壓、彎)試驗；③根據試驗材料自身的性質，可實現變溫(371 77Κ)、超低溫(4. I)下多組負荷高精度試驗(試驗機上配有100ΚΝ、20ΚΝ、1ΚΝ、0. 25ΚΝ，可以通過實驗軟體任意切換)；
ω運用噴霧式連續降溫系統可以通過程序控制，實現模擬變速降溫的過程，即降溫速率是可以任意控制的；
(6)噴霧試驗時，爐內均熱區長度可達150mm (外文文獻報導最長80mm)，均熱區內溫度波動度士 1°C，均熱區內溫差彡3°C ；
(7)採用單試樣試驗，快速更換試樣結構，可大大節約試驗時間(試樣拉斷後，連同拉杆等一起用橫梁移動拉出爐外，更換試樣即可)。綜上所述，本發明各實施例的373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，由於包括大型變溫實驗箱，加套在大型變溫實驗箱的箱體內部的液氦超低溫真空杜瓦瓶；設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型變溫實驗箱的箱體底部的杜瓦瓶託架，下部分豎直並行密封設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶的內部、且上部分依次伸出液氦超低溫真空杜瓦瓶的頂部及大型變溫實驗箱的箱體頂部的力學測試實驗裝置與液氦加注管，靠近液氦加注管、均勻設置在大型變溫實驗箱的箱體內壁上的多個加熱體，設置在大型變溫實驗箱的箱體後方的風循環裝置，以及位於大型變溫實驗箱的外部、且與風循環裝置軸承連接的風循環電機；可以同時提供變速率連續降溫(373K-77K)、低溫(77K、4. I)、強電場 (士600Α)等多場耦合複雜環境下的超導材料(絲材、塊材)力學性能的測量；從而可以克服現有技術中功能弱、適用範圍小、試驗時間長與成本高的缺陷，以實現功能強大、適用範圍廣、更換試樣方便、節約試驗時間與成本低的優點。最後應說明的是以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明， 儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.373-4. I環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，包括大型變溫實驗箱， 加套在所述大型變溫實驗箱的箱體內部的液氦超低溫真空杜瓦瓶；設置在所述液氦超低溫真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型變溫實驗箱的箱體底部的杜瓦瓶託架，下部分豎直並行密封設置在所述液氦超低溫真空杜瓦瓶的內部、且上部分依次伸出液氦超低溫真空杜瓦瓶的頂部及大型變溫實驗箱的箱體頂部的力學測試實驗裝置與液氦加注管，靠近所述液氦加注管、均勻設置在所述大型變溫實驗箱的箱體內壁上的多個加熱體，設置在所述大型變溫實驗箱的箱體後方的風循環裝置，以及位於所述大型變溫實驗箱的外部、且與所述風循環裝置軸承連接的風循環電機。
2.根據權利要求1所述的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，還包括光電聯合測量裝置；所述光電聯合測量裝置，位於所述大型變溫實驗箱的內部、 且與所述加電裝置及超導材料試樣配合設置的光電聯合測量裝置；在所述大型變溫實驗箱的箱體內部，與所述風循環裝置相配合，還設有溫度傳感器。
3.根據權利要求1所述的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，還包括軸承座，所述風循環電機通過軸承座與風循環裝置連接。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統， 其特徵在於，所述風循環裝置為智能自動調節功率的電機風扇。
5.根據權利要求1所述的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，在所述液氦超低溫真空杜瓦瓶的瓶口，設有密封蓋；所述力學測試實驗裝置與液氦加注管伸出密封蓋。
6.根據權利要求1所述的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，所述力學測試實驗裝置，包括分別夾持在超導材料試樣兩端的上夾具與下夾具，配合設置在所述上夾具的上方的上夾具託架，配合設置在所述下夾具的下方的下夾具託架，在所述上夾具託架的上方設有上拉杆，在所述下夾具託架的下方設有下拉杆；位於所述上夾具託架的上方，自下向上在所述上拉杆上依次設有上加電組件與力學傳感器；位於所述下夾具託架的下方，在所述下拉杆上設有下加電組件。
7.根據權利要求6所述的373-4.2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，所述上加電組件與下加電組件的結構相同；所述上加電組件包括靠近上夾具託架設置的電加熱夾具，以及設在所述電加熱夾具上方的絕緣套。
8.根據權利要求1所述的373-4.觀環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，所述光電聯合測量裝置，包括分別與超導材料試樣配合設置的超導材料試樣光學測量組件、及超導材料試樣電學測量組件。
9.根據權利要求8所述的373-4.2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，所述超導材料試樣光學測量組件，包括用於為超導材料試樣提供低溫環境的低溫箱；可移動式設在超導材料試樣上、且用於標記超導材料試樣上任意兩點位置的第一黑色吸光靶與第二黑色吸光靶；以及可隨所述第一黑色吸光靶與第二黑色吸光靶移動，且用於記錄超導材料試樣任意兩點在低溫下拉伸時的相對位移、並計算出超導材料試樣的拉伸應變量的光學探測器；在所述低溫箱上，設有用於光學探測器的光束透過的玻璃窗。
10.根據權利要求8所述的373-4.2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，其特徵在於，所述超導材料試樣電學測量裝置，包括用於提供低溫環境與一對曲面刀口的低溫引伸計，以及固定套接在超導材料試樣兩端的一對銅套；所述低溫引伸計通過一對曲面刀口，與超導材料試樣的一對銅套接觸。
全文摘要
本發明公開了373-4.2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，包括大型變溫實驗箱，加套在大型變溫實驗箱內部的液氦超低溫真空杜瓦瓶；設置在液氦超低溫真空杜瓦瓶的底部的箱體底部的杜瓦瓶託架，與液氦超低溫真空杜瓦瓶及大型變溫實驗箱配合設置的力學測試實驗裝置與液氦加注管，設置在大型變溫實驗箱內部的多個加熱體，設置在大型變溫實驗箱的箱體後方的風循環裝置，以及與風循環裝置軸承連接的風循環電機。本發明所述373-4.2K環境下超導材料的多場耦合測試系統，可以克服現有技術中功能弱、適用範圍小、試驗時間長與成本高等缺陷，以實現功能強大、適用範圍廣、更換試樣方便、節約試驗時間與成本低的優點。
文檔編號G01N3/18GK102323160SQ201110201640
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者關明智, 周又和, 張興義, 王省哲 申請人:蘭州大學