一种基于真空下的液氦超低温冲击系统及其使用方法

本发明属于液氦超低温冲击力学性能测试设备，具体涉及一种基于真空下的液氦超低温冲击系统及其使用方法。

背景技术：

1、材料在低环境温度下运行的安全性是当前面临的问题和挑战，特别是 4.2k-77k温区的材料动力学特性是深空探测结构安全防护的一个基础性问题，也是探测器冲击防护工程研究的重难点之一。低温环境在提高材料强度的同时会降低其断裂韧性，进而导致裂纹的快速扩张。这种脆断的发生往往是毫无征兆的， 这对低温下材料的安全防护将是灾难性的。

2、一般而言，金属材料的强韧化要求其具有高弹性模量、低层错能以及相稳定性。然而，关于超低温下金属的韧化特性的研究主要集中在静态加载，对于复杂应力状态下冲击加载的研究欠缺，其动态强韧化的微细观作用机理尚不明确。基于此，本发明创建超低温(4.2k~77k)且复杂应力状态下的材料动态力学实验装置，结合多尺度实验方法研究纤维金属复合材料在超低温度下的动态力学特性，探讨低温动态加载下纤维金属复合材料的变形与失效演化规律，明确其超低温动韧化的微细观力学机理，进而阐明超低温与高应变率以及应力状态之间关联与竞争的机制。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了在材料进行复杂应力状态下冲击加载的同时，对材料行超低温冷却，提供了一种基于真空下的液氦超低温冲击系统及其使用方法。本发明基于分离式霍普金森压杆技术，结合超低温真空实验腔体为样品提供超低温环境，可以测量从4k到77k时的样品的力学性能。超低温真空实验腔体中既可通过液氦降温也可通过液氮降温；样品架的尺寸可以选择，可对不同直径、不同厚度的材料进行力学性能测试；样品架底部采用铟片，铟片具有良好的导热性能，使得温度传感器测量的样品温度更加准确；腔体正前方有透明观察窗，可以清晰的观测到材料的结构演化和破坏过程；装置结构清晰、原理简单。

2、本发明为了实现上述的发明目的，采用如下的技术方案：

3、一种基于真空下的液氦超低温冲击系统，所述基于真空下的液氦超低温冲击系统包括超低温真空实验腔体、真空机组、供液氦装置、冲击装置和应变采集装置；

4、所述超低温真空实验腔体包括观察窗、冲击装置接入口、液氦传输入口、液氦回流出口、抽真空接口、固定器、样品架、液氦温度传感器、液氮温度传感器、铟片和载物台；所述腔体两侧相对设置冲击装置接入口，供冲击装置的入射杆和透射杆伸入，所述超腔体侧面设置有观察窗、液氦传输入口、液氦回流出口和抽真空接口；所述腔体内部设置载物台，载物台上设置铟片，铟片上设置样品架，设置样品架的垂直上方设置固定器，固定器与样品架之间用于放置样品，使样品的位置位于冲击装置的入射杆、透射杆之间；

5、所述真空机组包括抽气泵和控制器，所述抽气泵通过波纹管与所述抽真空接口连接，所述控制器用于控制抽气泵；

6、所述供液氦装置包括液氦罐、氦气泵、液氦传输管、氦气传输管和温控仪；所述液氦罐通过氦气传输管与氦气泵连接，所述液氦罐通过液氦传输管与所述液氦传输入口连接，所述温控仪用于对所述超低温真空实验腔体的内部环境进行测温；

7、所述冲击装置包括气炮、冲击杆、入射杆、透射杆、吸收杆和动量阱；所述气炮、冲击杆、入射杆、透射杆、吸收杆和动量阱沿直线方向依次设置，所述气炮、冲击杆、入射杆设置于所述超低温真空实验腔体的一侧，所述透射杆、吸收杆和动量阱设置于所述超低温真空实验腔体的另一侧；

8、所述应变采集装置包括应变片、应变仪和示波器，所述应变片设置于入射杆和透射杆上，所述应变片连接至应变仪，所述应变仪与示波器连接。

9、在上述技术方案中，所述超低温真空实验腔体还包括底座，所述底座设置于腔体的底部。

10、在上述技术方案中，所述冲击装置还包括支撑平台，所述支撑平台设置于所述入射杆、透射杆的下方用于固定。

11、在上述技术方案中，所述样品架具有不同尺寸和规格，为可更换的。

12、在上述技术方案中，所述观察窗为透明的，由玻璃制成。

13、一种基于真空下的液氦超低温冲击系统的使用方法，包括如下步骤：

14、步骤一、根据试样的尺寸选择合适的样品架，将样品从观察窗中放置在样品架上，并用入射杆和透射杆接触夹持，将固定器拧紧盖好。

15、步骤二、分子泵控制器通过金属波纹管与抽真空接口连接，对超低温真空实验腔体进行抽真空。

16、步骤三、打开氦气泵通过氦气传输管虹吸将液氦罐中的液氦通过液氦传输管压入超低温真空实验腔体中的液氦传输入口，在超低温真空实验腔体中回流，通过液氦回流出口流出，给腔体提供持续的超低温环境，再通过温控仪实时测温监测。

17、步骤四、进行分离式霍普金森杆实验，入射杆和透射杆由支撑平台支撑，使其水平向和竖直向对齐，通过气炮中高压气体使冲击杆撞击入射杆，产生压应力脉冲并沿着入射杆向试样方向传播。当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，最终由吸收杆和动量阱吸收能量。通过贴在入射杆与透射杆上的‌应变片记录入射脉冲、反射脉冲以及透射脉冲。

18、在上述技术方案中，在步骤四中，根据一维应力波理论确定试样上的应力、应变率、应变，由此作出应力-应变曲线和应变-应变率曲线：

19、；

20、；

21、；

22、式中，e，c，a为压杆的弹性模量，波速及横截面积，，为试样的初始横截面积和初始长度。

23、有益效果：

24、（1）装置结构清晰、原理简单；

25、（2）超低温真空实验腔体中既可通过液氦降温也可通过液氮降温；

26、（3）样品架的尺寸可以选择，可对不同直径、不同厚度的材料进行力学性能测试；

27、（4）样品架底部采用铟片，铟片具有良好的导热性能，使得温度传感器测量的样品温度更加准确；

28、（5）腔体正前方有透明观察窗，可以清晰的观测到材料的结构演化和破坏过程。

技术特征：

1.一种基于真空下的液氦超低温冲击系统，其特征在于：所述基于真空下的液氦超低温冲击系统包括超低温真空实验腔体、真空机组、供液氦装置、冲击装置和应变采集装置；

2.根据权利要求1所述的一种基于真空下的液氦超低温冲击系统，其特征在于：所述超低温真空实验腔体还包括底座，所述底座设置于腔体的底部。

3.根据权利要求1所述的一种基于真空下的液氦超低温冲击系统，其特征在于：所述冲击装置还包括支撑平台，所述支撑平台设置于所述入射杆、透射杆的下方用于固定。

4.根据权利要求1所述的一种基于真空下的液氦超低温冲击系统，其特征在于：所述样品架具有不同尺寸和规格，为可更换的。

5.根据权利要求1所述的一种基于真空下的液氦超低温冲击系统，其特征在于：所述观察窗为透明的，由玻璃制成。

6.一种基于真空下的液氦超低温冲击系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于真空下的液氦超低温冲击系统的使用方法，其特征在于：在步骤四中，根据一维应力波理论确定试样上的应力、应变率、应变，作出应力-应变曲线和应变-应变率曲线。

技术总结
本发明公开了一种基于真空下的液氦超低温冲击系统及其使用方法，属于液氦超低温冲击力学性能测试设备技术领域，所述基于真空下的液氦超低温冲击系统包括超低温真空实验腔体、真空机组、供液氦装置、冲击装置和应变采集装置。所述装置结构清晰、原理简单；采用液氦制冷，使实验腔体中温度能够达到超低温环境，可用于不同试样在超低温环境下复杂应力状态冲击加载力学性能测试。

技术研发人员：王鹏飞,黄婷婷,武扬帆,徐松林
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/6