专利名称：373-4.2k环境下超导材料的多场耦合测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超导材料测量技术，具体地，涉及373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统。
背景技术：
超导现象作为20世纪的最伟大的发现之一，具有非常广阔的应用前景。基于迈斯纳效应、零电阻等优越特性而在高新工程与技术领域表现出诱人的应用潜力。超导材料(高温、低温)就是基于这些优越特性发展起来的，如今，超导材料已经被广泛的运用到超导磁体的制造领域，而超导磁体在在大型科学装置、医疗设备、能源、国防军事等诸多领域有着非常重要的应用前景。伴随着超导材料技术的快速发展，现代超导磁体磁场最高强度已由早期的0. 5特斯拉增加到数十个特斯拉，但要是继续提高磁场的强度以满足国民经济发展的需要，其磁体间的洛伦兹力必将大大地提高，对超导材料的力学性能要求也越来越高。因此，从探索超导材料力学性能的角度出发，揭示在极端复杂条件下(低温、强电磁场)超导材料的力学性能规律，提高超导磁体产生的背景磁场是当今工程界和学术界的迫切要求。超导磁体(材料)在运行状态下(低温、强电磁场)不能达到其设计要求的大部分诱因来源于与其力学性能相关的结构不稳定、应力大、变形大、机械损伤和破坏等。因此，对于极端复杂环境下，超导材料的力学性能测量的研究显得非常重要且具有挑战性。超导材料具有可提供强磁场等优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题(例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题)。超导材料主要分为四大类超导元素(Nb)、合金材料(NbTi合金)、超导化合物(Nb3Sn)、超导陶瓷 (钡-钇-铜氧化物等)。其中，NbTi合金材料临界温度为9. 3K,临界磁场12T，Nb3Sn超导化合物临界温度为18. 1K，临界磁场28. 5T，超导陶瓷的临界温度在液氮温区下。前两者属于低温超导材料，后者属于高温超导材料。这三种超导材料已经逐渐的运用到超导磁体技术和超导性能研究中，故属于本测试系统重点研究对象。通常超导材料的力学基本性能测试通常在常温下进行的，在实际过程中，通过常温下的力学基本参数来估计低温下超导材料的力学基本性能，而超导材料在室温和低温下的力学性质不尽相同，开展低温下超导材料力学参数的测量的工作是十分必要和重要的。 此外，从室温到低温需要经历一个降温过程，考察降温梯度下超导材料力学性质的变化是另外一个十分重要的问题。在现有的超导材料测试中，对于超导材料的单一受力状态的力学测量，实验装置研究较多。但是，超导磁体运行时，通常处在变化的强电磁场环境中，变化的强电磁场必然会带来强大的洛伦兹力作用，并且，这种洛伦兹力作用于超导材料的各个方向。因此，在低温环境下，准确模拟超导材料的组合受力情况，建立低温下拉压弯实验装置，是测试系统的另一个关键问题。对于超导材料的性能测试涉及到诸如力学、热学、电磁学性能的测试，在已有的测试系统中，对于超导材料在以上三方面性能测试的实验装置的研制较多，而对于考察超导材料的电磁力热耦合性能的实验装置研制较少，而考察超导材料低温环境下的多物理场耦合效应是当今工程界和学术界的热点问题，如何在低/变温环境下，对带有强电流的超导材料进行力学测试，从而达到力-热-电多场耦合测量也是本测试系统考虑的关键性问题。综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在功能弱、适用范围小、试验时间长与成本高等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，以实现功能强大、适用范围广、更换试样方便、节约试验时间与成本低的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是373-4. a(环境下超导材料的多场耦合测试系统，包括大型变温实验箱，加套在所述大型变温实验箱的箱体内部的液氦超低温真空杜瓦瓶；设置在所述液氦超低温真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型变温实验箱的箱体底部的杜瓦瓶托架，下部分竖直并行密封设置在所述液氦超低温真空杜瓦瓶的内部、且上部分依次伸出液氦超低温真空杜瓦瓶的顶部及大型变温实验箱的箱体顶部的力学测试实验装置与液氦加注管，靠近所述液氦加注管、均勻设置在所述大型变温实验箱的箱体内壁上的多个加热体，设置在所述大型变温实验箱的箱体后方的风循环装置，以及位于所述大型变温实验箱的外部、且与所述风循环装置轴承连接的风循环电机。进一步地，上述373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，还包括光电联合测量装置；所述光电联合测量装置，位于所述大型变温实验箱的内部、且与所述加电装置及超导材料试样配合设置的光电联合测量装置；在所述大型变温实验箱的箱体内部，与所述风循环装置相配合，还设有温度传感器。进一步地，上述373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，还包括轴承座， 所述风循环电机通过轴承座与风循环装置连接。进一步地，所述风循环装置为智能自动调节功率的电机风扇。进一步地，在所述液氦超低温真空杜瓦瓶的瓶口，设有密封盖；所述力学测试实验装置与液氦加注管伸出密封盖。进一步地，所述力学测试实验装置，包括分别夹持在超导材料试样两端的上夹具与下夹具，配合设置在所述上夹具的上方的上夹具托架，配合设置在所述下夹具的下方的下夹具托架，在所述上夹具托架的上方设有上拉杆，在所述下夹具托架的下方设有下拉杆； 位于所述上夹具托架的上方，自下向上在所述上拉杆上依次设有上加电组件与力学传感器；位于所述下夹具托架的下方，在所述下拉杆上设有下加电组件。进一步地，所述上加电组件与下加电组件的结构相同；所述上加电组件包括靠近上夹具托架设置的电加热夹具，以及设在所述电加热夹具上方的绝缘套。进一步地，所述光电联合测量装置，包括分别与超导材料试样配合设置的超导材料试样光学测量组件、及超导材料试样电学测量组件。
进一步地，所述超导材料试样光学测量组件，包括用于为超导材料试样提供低温环境的低温箱；可移动式设在超导材料试样上、且用于标记超导材料试样上任意两点位置的第一黑色吸光靶与第二黑色吸光靶；以及可随所述第一黑色吸光靶与第二黑色吸光靶移动，且用于记录超导材料试样任意两点在低温下拉伸时的相对位移、并计算出超导材料试样的拉伸应变量的光学探测器；在所述低温箱上，设有用于光学探测器的光束透过的玻璃窗。进一步地，所述超导材料试样电学测量装置，包括用于提供低温环境与一对曲面刀口的低温引伸计，以及固定套接在超导材料试样两端的一对铜套；所述低温引伸计通过一对曲面刀口，与超导材料试样的一对铜套接触。本发明各实施例的373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，由于包括大型变温实验箱，加套在大型变温实验箱的箱体内部的液氦超低温真空杜瓦瓶；设置在液氦超低温真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型变温实验箱的箱体底部的杜瓦瓶托架，下部分竖直并行密封设置在液氦超低温真空杜瓦瓶的内部、且上部分依次伸出液氦超低温真空杜瓦瓶的顶部及大型变温实验箱的箱体顶部的力学测试实验装置与液氦加注管，靠近液氦加注管、均勻设置在大型变温实验箱的箱体内壁上的多个加热体，设置在大型变温实验箱的箱体后方的风循环装置，以及位于大型变温实验箱的外部、且与风循环装置轴承连接的风循环电机；可以同时提供变速率连续降温(37I-77K)、低温(77K、4. I)、强电场(士600Α)等多场耦合复杂环境下的超导材料(丝材、块材)力学性能的测量；从而可以克服现有技术中功能弱、适用范围小、试验时间长与成本高的缺陷，以实现功能强大、适用范围广、更换试样方便、节约试验时间与成本低的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中
图1为根据本发明373-4. 2Κ环境下超导材料的多场耦合测试系统中力学测试实验装置的结构示意图Ia为图1中A部的局部放大示意图2为根据本发明373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统的主视图的局部剖视结构示意图加为图2中B部的局部放大示意图3为根据本发明373-4. 2Κ环境下超导材料的多场耦合测试系统的右视图的局部剖视结构示意图3a为图3中C部的局部放大示意图； 图北为图3中D部的局部放大示意图4为根据本发明373-4. 2K环境下超导材料的多场耦合测试系统中超导材料试样电学测量组件的结构示意图5为根据本发明373-4. 2K环境下超导材料的多场耦合测试系统中超导材料试样光学测量组件的结构示意图。结合附图，本发明实施例中附图标记如下
1-箱体；2-加热体；3-液氦加注管；4-力学传感器；5-上拉杆；6-液氦超低温真空杜瓦瓶；7-超导材料试样；8-下夹具；9-下夹具托架；10-杜瓦瓶托架；11-风循环电机； 12-绝缘套；13-电加热夹具；14-光束；15-光学探测器；16-玻璃窗；17-第二黑色吸光靶； 18-低温箱；19-低温引伸计；20-铜套；21-曲面刀口。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明实施例，提供了 373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统。如图 1-图北所示，本实施例包括大型变温实验箱，加套在大型变温实验箱的箱体1内部的液氦超低温真空杜瓦瓶6 ；设置在液氦超低温真空杜瓦瓶6的底部、且伸出大型变温实验箱的箱体1底部的杜瓦瓶托架10，下部分竖直并行密封设置在液氦超低温真空杜瓦瓶6的内部、且上部分依次伸出液氦超低温真空杜瓦瓶6的顶部及大型变温实验箱的箱体1顶部的力学测试实验装置与液氦加注管3，靠近液氦加注管3、均勻设置在大型变温实验箱的箱体1内壁上的多个加热体2，设置在大型变温实验箱的箱体1后方的风循环装置，以及位于大型变温实验箱的外部、且与风循环装置轴承连接的风循环电机11。在上述实施例中，373-4. ^(环境下超导材料的多场耦合测试系统，还包括光电联合测量装置；光电联合测量装置，位于大型变温实验箱的内部、且与加电装置及超导材料试样7配合设置的光电联合测量装置；在大型变温实验箱的箱体1内部，与风循环装置相配合，还设有温度传感器。在上述实施例中，373-4. 2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，还包括轴承座， 风循环电机11通过轴承座与风循环装置连接。这里，风循环装置为智能自动调节功率的电机风扇。在上述实施例中，在液氦超低温真空杜瓦瓶6的瓶口，设有密封盖；力学测试实验装置与液氦加注管3伸出密封盖。进一步地，在上述实施例中，力学测试实验装置，包括分别夹持在超导材料试样7 两端的上夹具与下夹具8，配合设置在上夹具的上方的上夹具托架，配合设置在下夹具8的下方的下夹具托架9，在上夹具托架的上方设有上拉杆5，在下夹具托架9的下方设有下拉杆；位于上夹具托架的上方，自下向上在上拉杆5上依次设有上加电组件与力学传感器4 ； 位于下夹具托架9的下方，在下拉杆上设有下加电组件。在上述实施例中，上加电组件与下加电组件的结构相同；上加电组件包括靠近上夹具托架设置的电加热夹具13，以及设在电加热夹具13上方的绝缘套12。进一步地，在上述实施例中，光电联合测量装置，包括分别与超导材料试样7配合设置的超导材料试样7光学测量组件、及超导材料试样7电学测量组件。其中，上述超导材料试样7光学测量组件，包括用于为超导材料试样7提供低温环境的低温箱18 ；可移动式设在超导材料试样7上、且用于标记超导材料试样7上任意两点位置的第一黑色吸光靶与第二黑色吸光靶17 ；以及可随第一黑色吸光靶与第二黑色吸光靶17移动，且用于记录超导材料试样7任意两点在低温下拉伸时的相对位移、并计算出超导材料试样7的拉伸应变量的光学探测器15 ；在低温箱18上，设有用于光学探测器15的光束14透过的玻璃窗16。上述超导材料试样7电学测量装置，包括用于提供低温环境与一对曲面刀口(如曲面刀口 21)的低温引伸计19，以及固定套接在超导材料试样7两端的一对铜套(如铜套 20)；低温引伸计19通过一对曲面刀口，与超导材料试样7的一对铜套接触。在上述实施例中，373-4. 2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，建立变速率连续降温(373-77K)、极低温(77K、4. 2Κ)下的极端工作环境。上述实施例的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统，采用的是大型变温实验箱内加套超低温杜瓦瓶，大型变温实验箱采用喷雾式制冷方式，可以实现等\变速连续降温(373-77Κ)的实验环境，大型变温实验箱采用不锈钢箱体1，箱体1中填充有低导热系统发泡型绝热体，保证降温速度的均勻性；而大型变温实验箱内加套超低温杜瓦瓶，可以对超导材料试样7实现超低温下(浸泡方式4. 2Κ)的力学性能测试；而外置的力学测试实验装置，通过伸入液氦超低温真空杜瓦瓶6的上拉杆5对超导材料试样7进行拉、压、弯等力学性能的测试。力学传感器4置于室温内(上拉杆5的上端)，因此，测量结果不会受温度变化的影响；置于箱体1后方的风循环装置，是一个智能自动调节功率的电机风扇，它可以根据置于箱体1内不同温度传感器测试的温度均勻情况，而自动调节电机风扇的转速，即当箱体1内的降温的温度不均勻时，风循环装置就会开始工作，使得箱体1内的温度均勻，当温度均勻后风循环装置就会立刻停止。上述实施例的373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，能够在变低温环境下，对通有强电流的材料进行力学性能测试，因此在电加热夹具13上套有绝缘套12，这样就可以保证夹具不导电，而只对测试材料通电。在测量材量的形变方面，采用光电联合测
量装置。在上述实施例中，实施例的373-4. 2Κ环境下超导材料的多场耦合测试系统，具有以下特点
⑴可以同时提供喷雾和浸泡两种制冷方式下的低温环境，测试温度环境从室温 4. 2Κ, 测试环境温度非常宽泛；
⑵运用喷雾式连续降温系统可以对不同低温温度进行考察，能够在指定的时间内从室温降到或升到目标温度；
⑶可以对试样实现在低\变温环境下力一电耦合实验的测试； ⑷用一台力学性能试验系统可完成多组力-热-电耦合实验 ①常温下力学性能(包括试样的拉、压、弯)试验(移开低温容器)；②可实现变温 (373Κ 77Κ)、超低温下(4. 2Κ)力-电耦合性能(包括试样的拉、压、弯)试验；③根据试验材料自身的性质，可实现变温(371 77Κ)、超低温(4. I)下多组负荷高精度试验(试验机上配有100ΚΝ、20ΚΝ、1ΚΝ、0. 25ΚΝ，可以通过实验软件任意切换)；
ω运用喷雾式连续降温系统可以通过程序控制，实现模拟变速降温的过程，即降温速率是可以任意控制的；
(6)喷雾试验时，炉内均热区长度可达150mm (外文文献报道最长80mm)，均热区内温度波动度士 1°C，均热区内温差彡3°C ；
(7)采用单试样试验，快速更换试样结构，可大大节约试验时间(试样拉断后，连同拉杆等一起用横梁移动拉出炉外，更换试样即可)。综上所述，本发明各实施例的373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，由于包括大型变温实验箱，加套在大型变温实验箱的箱体内部的液氦超低温真空杜瓦瓶；设置在液氦超低温真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型变温实验箱的箱体底部的杜瓦瓶托架，下部分竖直并行密封设置在液氦超低温真空杜瓦瓶的内部、且上部分依次伸出液氦超低温真空杜瓦瓶的顶部及大型变温实验箱的箱体顶部的力学测试实验装置与液氦加注管，靠近液氦加注管、均勻设置在大型变温实验箱的箱体内壁上的多个加热体，设置在大型变温实验箱的箱体后方的风循环装置，以及位于大型变温实验箱的外部、且与风循环装置轴承连接的风循环电机；可以同时提供变速率连续降温(373K-77K)、低温(77K、4. I)、强电场 (士600Α)等多场耦合复杂环境下的超导材料(丝材、块材)力学性能的测量；从而可以克服现有技术中功能弱、适用范围小、试验时间长与成本高的缺陷，以实现功能强大、适用范围广、更换试样方便、节约试验时间与成本低的优点。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.373-4. I环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，包括大型变温实验箱， 加套在所述大型变温实验箱的箱体内部的液氦超低温真空杜瓦瓶；设置在所述液氦超低温真空杜瓦瓶的底部、且伸出大型变温实验箱的箱体底部的杜瓦瓶托架，下部分竖直并行密封设置在所述液氦超低温真空杜瓦瓶的内部、且上部分依次伸出液氦超低温真空杜瓦瓶的顶部及大型变温实验箱的箱体顶部的力学测试实验装置与液氦加注管，靠近所述液氦加注管、均勻设置在所述大型变温实验箱的箱体内壁上的多个加热体，设置在所述大型变温实验箱的箱体后方的风循环装置，以及位于所述大型变温实验箱的外部、且与所述风循环装置轴承连接的风循环电机。
2.根据权利要求1所述的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，还包括光电联合测量装置；所述光电联合测量装置，位于所述大型变温实验箱的内部、 且与所述加电装置及超导材料试样配合设置的光电联合测量装置；在所述大型变温实验箱的箱体内部，与所述风循环装置相配合，还设有温度传感器。
3.根据权利要求1所述的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，还包括轴承座，所述风循环电机通过轴承座与风循环装置连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统， 其特征在于，所述风循环装置为智能自动调节功率的电机风扇。
5.根据权利要求1所述的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，在所述液氦超低温真空杜瓦瓶的瓶口，设有密封盖；所述力学测试实验装置与液氦加注管伸出密封盖。
6.根据权利要求1所述的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，所述力学测试实验装置，包括分别夹持在超导材料试样两端的上夹具与下夹具，配合设置在所述上夹具的上方的上夹具托架，配合设置在所述下夹具的下方的下夹具托架，在所述上夹具托架的上方设有上拉杆，在所述下夹具托架的下方设有下拉杆；位于所述上夹具托架的上方，自下向上在所述上拉杆上依次设有上加电组件与力学传感器；位于所述下夹具托架的下方，在所述下拉杆上设有下加电组件。
7.根据权利要求6所述的373-4.2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，所述上加电组件与下加电组件的结构相同；所述上加电组件包括靠近上夹具托架设置的电加热夹具，以及设在所述电加热夹具上方的绝缘套。
8.根据权利要求1所述的373-4.观环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，所述光电联合测量装置，包括分别与超导材料试样配合设置的超导材料试样光学测量组件、及超导材料试样电学测量组件。
9.根据权利要求8所述的373-4.2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，所述超导材料试样光学测量组件，包括用于为超导材料试样提供低温环境的低温箱；可移动式设在超导材料试样上、且用于标记超导材料试样上任意两点位置的第一黑色吸光靶与第二黑色吸光靶；以及可随所述第一黑色吸光靶与第二黑色吸光靶移动，且用于记录超导材料试样任意两点在低温下拉伸时的相对位移、并计算出超导材料试样的拉伸应变量的光学探测器；在所述低温箱上，设有用于光学探测器的光束透过的玻璃窗。
10.根据权利要求8所述的373-4.2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，其特征在于，所述超导材料试样电学测量装置，包括用于提供低温环境与一对曲面刀口的低温引伸计，以及固定套接在超导材料试样两端的一对铜套；所述低温引伸计通过一对曲面刀口，与超导材料试样的一对铜套接触。
全文摘要
本发明公开了373-4.2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，包括大型变温实验箱，加套在大型变温实验箱内部的液氦超低温真空杜瓦瓶；设置在液氦超低温真空杜瓦瓶的底部的箱体底部的杜瓦瓶托架，与液氦超低温真空杜瓦瓶及大型变温实验箱配合设置的力学测试实验装置与液氦加注管，设置在大型变温实验箱内部的多个加热体，设置在大型变温实验箱的箱体后方的风循环装置，以及与风循环装置轴承连接的风循环电机。本发明所述373-4.2K环境下超导材料的多场耦合测试系统，可以克服现有技术中功能弱、适用范围小、试验时间长与成本高等缺陷，以实现功能强大、适用范围广、更换试样方便、节约试验时间与成本低的优点。
文档编号G01N3/18GK102323160SQ201110201640
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月19日 优先权日2011年7月19日
发明者关明智, 周又和, 张兴义, 王省哲 申请人:兰州大学