[发明专利]制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料低温力学性能测试装置，尤其涉及一种适用于低温环境（4.2K～300K）下的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置。

背景技术

随着我国氢能源、核聚变能、航空航天、应用超导、气体工业以及一些大科学工程等领域的发展，涉及到低温工程的项目越来越多。在工业和科研领域对低温材料的需求越来越大，对低温材料的性能数据要求越来越全面。材料在低温环境下工作，其低温物理性能通常不同于常温性能。其中，材料力学性能是工程中材料或工件的一个重要性能指标。测试材料在低温下的力学性能，对材料低温性能研究和优化改性具有重要的意义，对低温构件的设计和安全使用也至关重要。而要实现最低温度到4.2K的力学性能测试，必须具有可到4.2K温度的冷源。目前国内材料低温力学性能测试装置均采用低温液体（液氮77K或液氦4.2K）作为冷源；工作时将低温液体容器中的低温液体（液氮77K或液氦4.2K）输入到真空夹层杜瓦中，低温液体将低温力学支撑架和待测样品冷却，再通过温控器和低温液体蒸发器配合使用控制低温力学支撑架和待测样品的温度。随后低温液体变成气体从出气口中排出。因此，该测试装置在工作中会消耗大量的液氮或液氦；每次进行77K以下温区材料力学性能测试都得消耗大量的液氦，如，进行一次4.2K温度环境拉伸性能测试需要消耗20升液氦，而4.2K压缩、弯曲性能测试则因夹具复杂而消耗的液氦为30升以上。氦气是地球上宝贵的不可再生资源，目前全球氦气量分布约400亿立方米，其中美国占75%以上，阿尔及利亚占12%，俄罗斯约6%。全球氦气的消耗量为每年1.65亿立方米，且以10%的增长率迅速增长，其中中国每年消耗量占全球的6%，消耗增长率高达20%。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，难以提取，严重依赖进口。但是，自2007年由于美国核定氦气为战略物资而限制粗氦产量，实行配给制，削减用户使用量，同时基于战略考虑，阿尔及利亚已关闭氦气开采站，美国也即将关闭一个。这导致全球最大的氦气生产及供应商普莱克斯和BOC公司将氦气价格上调一倍，使液氦的价格由原来60～80元/每升，涨到目前200元/每升以上，甚至有些医院的核磁成像仪临时需用液氦的价格上涨到近300元/每升，并且氦资源进口受到越来越严格的控制。例如，2008年上半年，氦气断供，极大地影响我国低温研究工作的开展。在可以预计，未来氦气进口会受到更严格的控制，届时我国大量低温研究工作将受液氦供应不足的限制。

目前的材料低温力学性能测试装置的缺陷在于严重依赖液氮或液氦资源、成本高、操作复杂。因此，开发一种以制冷机作为冷源，无需消耗液氮或液氦的材料低温力学测试设备具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，以克服现有材料低温力学性能测试装置的严重依赖液氮或液氦资源、成本高、操作复杂等缺陷。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其包括：

一置于万能材料试验机内力学支撑架的正下方底座上的真空保温桶；

一装于所述真空保温桶之内的内部装有温控器的试样腔；

一将所述试样腔罩于其中，且位于所述真空保温桶之内的防热辐射桶；

所述真空保温桶用于密封制冷机的冷头、防热辐射筒和试样腔使之与外界绝热；

一内装氦气的外置储气袋；所述外置储气袋通过输气管与所述试样腔相连通，以用于给试样腔输送和回收气体；

待测试样通过夹持待测试样的测量夹具与万能材料试验机的力学支撑架刚性相连并上下移动，用于传递来自万能材料试验机的作用力至待测试样；

所述万能材料试验机具有力学传感器和位移传感器，并为待测试样提供力学动力源；

所述力学支撑架将待测试样的力学信号和位移信号传递给万能材料试验机的力学传感器和位移传感器；特点在于，还包括：

一制冷机；所述制冷机冷头置于所述真空保温桶之内，通过桥联接与所述试样腔相接触，为试样腔提供冷量。

所述制冷机的一级冷头与防热辐射筒通过热桥连接，并为之提供冷量；制冷机的二级冷头与试样腔通过热桥连接，并为之提供冷量。

所述夹持待测试样的测量夹具能安装静态拉伸、静态压缩、静态弯曲、静态剪切、拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学的待测试样。

所述温控器由外部计算机控制。所述温控器为环状温控器或棒状温控器。

所述的制冷机为单台制冷机或多台并联的制冷机组。