[发明专利]一种与X射线散射联用的超快速拉伸装置及其实验方法

说明书

本发明提供一种与X射线散射联用的超快速拉伸装置及其实验方法。装置采用两个安川伺服电机同步驱动，减少机械传动带来的机械损失。该装置一端配置扭矩传感器，检测拉伸过程中材料应力变化。装置利用分离式传动机构减少拉伸过程的加减速时间，有效利用电机转速，提高应变速率。而且，装置拉伸机构采用了空心的可拆卸辊轮，降低机构的转动惯量，在相同转速下提高线速度，并能够提供多种安装模式，配合不同样品和使用条件的测试需求。装置采用强制氮气流保证样品仓温度均匀性，并减少样品在高温下的热降解。本发明具有容易拆卸和安装等优点，非常适合于与同步辐射实验线站联用，为研究非平衡条件下高分子熔体结晶行为提供了更加有利的条件。

技术领域

本发明涉及用同步辐射X射线散射研究高分子结构演化与外场参数关系的技术领域，具体涉及一种与X射线散射联用的超快速拉伸装置及其实验方法。

背景技术

在工业生产和服役条件下，很多时候材料需要经历超高速的应变速率，处于非平衡条件。研究超高速外场作用下高分子材料结构演化对于高分子工业加工具有重要的意义。这项研究的常用基本思路是在设定的温度、压强等条件下，对材料施加流场，并利用不同的光学手段分析不同尺度的结构和性能特征。而对于单轴拉伸流场，材料所能承受的拉伸比是固定的，那么实验中所能够达到的极限速度与应变速率就同时取决于拉伸速度和加载加速度。在拉伸流变中，比较常用的是辊轴拉伸。这种形式可以保证被拉伸部分材料的长度恒定，即在相同的拉伸速度下保持相同的应变速率。在动力源功率恒定的情况下，整个系统及传动部分的转动惯量就会影响实验的效果；对于辊轴拉伸，在相同的最大转矩和旋转角速度下，夹具部分半径则会影响扭矩和转速的耦合。

同时，对于在拉伸过程中的结构转变的研究，最适宜的方法是各种原位光学检测手段。尤其是超快X射线散射，对于高分子结晶材料中各种稳定和亚稳的有序结构比较敏感，可以用来研究超快速结构转变的结构类型、含量、形态和结构转变速率与动力学。常用的X射线散射手段主要是小角和宽角X射线散射，通过样品-探测距离和结构空间尺度的耦合，可以分别跟踪不同空间尺度的结构。

为了对高分子材料拉伸过程的结构转变进行原位研究，实验装置必须满足以下条件：1、启动部分的转动惯量小，动力源功率足够大；2、针对不同的检测材料的特性，对于线速度和扭矩的耦合进行调控。3、轻便易携，安装尺寸小，便于与同步辐射光源联用。4、设置有便于散射光通过的通光孔，同时又必须保证样品腔温度均匀性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种与X射线散射联用的超快速拉伸装置及其实验方法。该拉伸装置具有容易拆卸和安装，便于和同步辐射X射线实验站联用的特点；拉伸速率及拉伸比连续可调；通过分离式传动机构大幅度提高极限应变速率，充分利用电机功率；拉伸方式为单轴辊筒拉伸，保证恒定的拉伸速度和应变速率；样品温度控制精确；拉力量程范围大，具有多通道实时数据采集等特点。可以得到高分子材料的形态结构信息如结晶度、取向度及流变信息(拉力变化)，获得外场参数与薄膜结构演化的关系。

本发明采用的技术方案为：一种与X射线散射联用的超快速拉伸装置，包括两个高精度伺服电机，运动控制器，扭矩传感器，角度传感器，空心辊筒夹具，启制动控制装置和高分子样品，其中：

两个高精度伺服电机通过运动控制器进行同步联动拉伸样品。两个高精度伺服电机首先驱动加速至最高速度，然后驱动拉伸部分开始旋转。同时利用空心辊筒夹具，在相同的电机转速下提高拉伸速度从而提高应变速率。对拉伸过程进行测试和建模后，得到速度和加减速时间的对应关系，利用电机和启制动控制装置控制应变和拉伸模式。拉伸过程中，扭矩传感器跟踪拉力变化，表征流变学信息。角度传感器组合了高速编码器和示波器，对拉伸过程的位置信息进行记录，可以得到应变和应变速率信息；拉伸温度由双通道温度控制器精确控制，样品加热腔设置两个热电阻，探测的温度信息反馈到温度控制器，温度控制器自动调节工作状态以达到精确控温的目的；氮气的通入能够保证薄膜温度的均匀。