[发明专利]373-4.2K环境下超导材料的多场耦合测试系统

说明书

 

技术领域

本发明涉及超导材料测量技术，具体地，涉及373-4.2K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373-4.2K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：373-4.2K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、均匀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。