CN104215661A - 基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，包括用于提供真空环境的制冷系统，安装在所述制冷系统上方、且用于在制冷系统提供的真空环境中测试试件在静、动态加载响应时接触面间的接触热阻的测试系统，以及分别与所述制冷系统和测试系统连接、且用于实时采集制冷系统和测试系统的实验数据并基于试验数据按预设目标对实验过程进行控制的控制、监视及测试系统。本发明所述基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，可以克服现有技术中结构复杂、集成度低和适用范围小等缺陷，以实现结构简单、集成度高和适用范围广的优点。

Description

基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置

技术领域

本发明涉及超导材料测试技术领域，具体地，涉及一种基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置。

背景技术

根据已有的文献调研可知，截止目前，国内外接触热阻的测量大都是通过测量样品和热流计的温度推导出接触热阻。主要测试系统有，徐烈等在低温工程1999年第4期发表的《双热流发测定低温真空下固体界面的接触热阻》；饶荣水在工业加热2003年第2期发表的《固体表面之间接触热阻的辨识研究》；V.V.Rao等在Measurement Science and Technology.2004年第15期上发表的《Instrumentation to measure thermal contact resistance》；侯卫国，张卫方等.接触热阻测试方法及测试设备.授权号：ZL201010229963.0。以前的实验设备大都存在如下问题，如结构复杂、集成度不高，由于施力装置的引入破坏了测试系统的真空度，最为严重的问题在于，测试温区主要是集中在液氮77K以上，同时，不能测试接触面间在动态加载响应时的接触热阻。

近年来，固体与接触固体之间的接触热阻问题一直是传热学界所重点关注的问题之一，直接关系到固体与接触固体结构的功能性设计。特别是对于工作在低温、真空环境或微重力环境下的固-固接触器件，由于对流换热机制作用很小，甚至没有作用，热传导与热辐射成为这类器件之间热交换的主要方式。因此，如何有效的预测固体与接触固体之间的接触热阻，不论是从国家需求还是科学前沿都具有重要的意义。

超磁致伸缩材料是智能材料的一种，其最鲜明的特征是在低温下，特别是液氦温区具有大的磁滞伸缩量。据文献报道，单晶的TbDy合金在77K磁滞伸缩应变为6300ppm，10K温度下可达8800ppm，4.2K温度环境中可产生接近9000ppm的磁滞伸缩应变。因此，超磁滞伸缩材料在制作低温制动器、低温阀门及低温定位器等有良好的应用价值。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在结构复杂、集成度低和适用范围小等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，以实现结构简单、集成度高和适用范围广的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，包括用于提供真空环境的制冷系统，安装在所述制冷系统上方、且用于在制冷系统提供的真空环境中测试试件在静、动态加载响应时接触面间的接触热阻的测试系统，以及分别与所述制冷系统和测试系统连接、且用于实时采集制冷系统和测试系统的实验数据并基于试验数据按预设目标对实验过程进行控制的控制、监视及测试系统。

进一步地，所述测试系统，包括真空容器，竖直对称设置在所述真空容器内部的一对螺杆，水平可拆卸式安装在所述一对螺杆顶部之间的定位板，自上向下依次配合安装在所述一对螺杆和定位杆构成的空间内的力传感器、上部加热及支撑组件、试件和下部加热及支撑组件，以及设置位于所述一对螺杆和定位杆构成的空间内、且竖向安装在试件的一侧的热电偶；

所述一对螺杆的底部，与制冷系统可拆卸式连接；所述力传感器和热电偶，分别与控制、监视及测试系统连接。

进一步地，所述测试系统，还包括设置在所述一对螺杆和定位杆构成的空间内的防辐射屏。

进一步地，所述上部加热及支撑组件，包括依次安装在所述力传感器和试件之间的上加热丝、上支撑块和上热流计；所述上支撑块具体为圆柱体，加热丝绕于其上；

和/或，

所述下部加热及支撑组件，包括自上向下依次安装在所述试件下方的下热流计、超磁致伸缩棒材、下支撑块和下加热丝，安装在所述超磁致伸缩棒材远离热电偶一侧的环形高温超导带材线圈，安装在所述超磁致伸缩棒材靠近热电偶一侧的温度传感器，以及分别安装在所述环形高温超导带材线圈远离超磁致伸缩棒材的一侧和环形高温超导带材线圈远离超磁致伸缩棒材的一侧的一对环形常导体线圈；所述热电偶的一端与上加热丝连接、另一端与温度传感器连接；

和/或，

所述试件，包括依次安装在所述上热流计和下热流计之间的上试件和下试件。

进一步地，所述制冷系统，包括配合安装在所述测试系统下方的制冷机构，安装在所述制冷机构远离控制、监视及测试系统一侧的分子泵，安装在所述分子泵远离制冷机构一侧的涡旋泵，以及配合安装在所述分子泵与涡旋泵之间的波纹管。

进一步地，所述制冷机构，包括底座，安装在所述底座下方的GM制冷机，以及，安装在所述底座上方、且自下向上依次安装在所述GM制冷机与测试系统之间的GM制冷机二级冷头和GM制冷机一级冷头。

进一步地，所述制冷机构，还包括分别与所述GM制冷机一级冷头和GM制冷机二级冷头配合设置的第一壳体与第二壳体，以及自上向下依次穿过第一壳体和第二壳体、并分别与所述测试系统和控制、监视及测试系统连接的二流引线；

所述第一壳体与第二壳体之间，通过配合设置的第一密封螺栓和第一密封圈密封安装；在所述第一壳体远离分子泵的一侧设有引线输出端，在引线输出端安装有密封引线接头，所述二流引线穿过密封引线接头连接至控制、监视及测试系统；第二壳体与底座之间，通过配合设置的第二密封螺栓和第二密封圈密封安装；所述第二壳体靠近分子泵一侧的输出端与分子泵配合安装。

进一步地，所述控制、监视及测试系统，包括分别与所述测试系统和制冷系统连接的力显示器、温度显示器、励磁电源和加热电源，以及通过RS232通信线路分别与所述力显示器、温度显示器、励磁电源和加热电源连接的电脑。

进一步地，在所述内部的环形高温超导线圈与环形常导体线圈的连接线之间，还设有切换开关。

本发明各实施例的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，由于包括用于提供真空环境的制冷系统，安装在制冷系统上方、且用于在制冷系统提供的真空环境中测试试件在静、动态加载响应时接触面间的接触热阻的测试系统，以及分别与制冷系统和测试系统连接、且用于实时采集制冷系统和测试系统的实验数据并基于试验数据按预设目标对实验过程进行控制的控制、监视及测试系统；可以测试接触面间在动态加载响应时的接触热阻；从而可以克服现有技术中结构复杂、集成度低和适用范围小的缺陷，以实现结构简单、集成度高和适用范围广的优点。

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。

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。

附图说明

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为本发明基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置的总体结构示意图；

图2为本发明基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置中测试系统的结构示意图；

图3为本发明基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置中制冷系统的结构示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-力传感器；2-上加热丝；3-上支撑块；4-上热流计；5-上试件；6-下试件；7-下热流计；8-环形高温超导带材线圈；9-下支撑块；10-下加热丝；11-GM制冷机二级冷头；14-GM制冷机一级冷头；12、20-密封螺栓；13、19-密封圈；15-分子泵；16-波纹管；17-涡旋泵；18-GM制冷机；21-密封引线接头；22-二流引线；23-温度传感器；24-环形常导体线圈；25-超磁致伸缩棒材；26-防辐射屏；27-热电偶；28-真空容器；29-定位板；30-螺杆；31-底座；32-切换开关。

具体实施方式

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，如图1、图2和图3所示，提供了一种基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置。

本发明的技术方案，基于超磁滞伸缩智能材料，结合经济、方便、可靠性高的GM制冷机，以及高温超导带材线圈，提出一套测试温度范围更广、准确、高效、系统集成度更高、操作简单的真空接触热阻测试装置即基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置。同时，该基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置还可以对动态加载下接触表面之间接触热阻的变化情况进行实时监测，该基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置的成功研发，将显著提升学术界对接触热阻进行全面、深入的研究能力。

鉴于以上的考虑，本申请人设计一种新型的固体界面真空接触热阻测试装置即基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，该基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置原理简单、经济实用、集成度高、操作简单，测试温度最低可达到4.2K，同时可以测试接触面间在动态加载响应时的接触热阻，主要原理图如图1。

本实施例的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，包括用于提供真空环境的制冷系统，安装在制冷系统上方、且用于在制冷系统提供的真空环境中测试试件在静、动态加载响应时接触面间的接触热阻的测试系统，以及分别与制冷系统和测试系统连接、且用于实时采集制冷系统和测试系统的实验数据并基于试验数据按预设目标对实验过程进行控制的控制、监视及测试系统。

其中，上述测试系统，包括真空容器（如真空容器28），竖直对称设置在真空容器内部的一对螺杆（如其中一个螺杆30），水平可拆卸式安装在一对螺杆顶部之间的定位板（如定位板29），自上向下依次配合安装在一对螺杆和定位杆构成的空间内的力传感器（如力传感器1）、上部加热及支撑组件、试件和下部加热及支撑组件，以及设置位于一对螺杆和定位杆构成的空间内、且竖向安装在试件的一侧的热电偶（如热电偶27）；一对螺杆的底部，与制冷系统可拆卸式连接；力传感器和热电偶，分别与控制、监视及测试系统连接。测试系统，还包括设置在一对螺杆和定位杆构成的空间内的防辐射屏（如防辐射屏26）；防辐射屏具体安装在GM制冷机一级冷头的法兰上面，即，图1所示位置法兰上面。。

这里，上部加热及支撑组件，包括依次安装在力传感器和试件之间的上加热丝（如上加热丝2）、上支撑块（如上支撑块3）和上热流计（如上热流计4）；上支撑块具体为圆柱体，加热丝绕于其上；和/或，下部加热及支撑组件，包括自上向下依次安装在试件下方的下热流计（如下热流计7）、超磁致伸缩棒材（如超磁致伸缩棒材25）、下支撑块（如下支撑块9）和下加热丝（如下加热丝10），安装在超磁致伸缩棒材远离热电偶一侧的环形高温超导带材线圈（如环形高温超导带材线圈8），安装在超磁致伸缩棒材靠近热电偶一侧的温度传感器（如温度传感器23），以及分别安装在环形高温超导带材线圈远离超磁致伸缩棒材的一侧和环形高温超导带材线圈远离超磁致伸缩棒材的一侧的一对环形常导体线圈（如其中一个环形常导体线圈24）；热电偶的一端与上加热丝连接、另一端与温度传感器连接；和/或，试件，包括依次安装在上热流计和下热流计之间的上试件（如上试件5）和下试件（如下试件6）。

上述制冷系统，包括配合安装在测试系统下方的制冷机构，安装在制冷机构远离控制、监视及测试系统一侧的分子泵（如分子泵15），安装在分子泵远离制冷机构一侧的涡旋泵（如涡旋泵17），以及配合安装在分子泵与涡旋泵之间的波纹管（如波纹管16）。

这里，制冷机构，包括底座（如底座31），安装在底座下方的GM制冷机（如GM制冷机18），以及，安装在底座上方、且自下向上依次安装在GM制冷机与测试系统之间的GM制冷机二级冷头（如GM制冷机二级冷头11）和GM制冷机一级冷头（如GM制冷机一级冷头14）。制冷机构，还包括分别与GM制冷机一级冷头和GM制冷机二级冷头配合设置的第一壳体与第二壳体，以及自上向下依次穿过第一壳体和第二壳体、并分别与测试系统和监视及控制系统控制、监视及测试系统连接的二流引线（如二流引线22，二流引线分别与监视及控制系统控制、监视及测试系统中的励磁电源连接）；第一壳体与第二壳体之间，通过配合设置的第一密封螺栓（如密封螺栓12）和第一密封圈密封（如密封圈13）安装；在第一壳体远离分子泵的一侧设有引线输出端，在引线输出端安装有密封引线接头（如密封引线接头21），二流引线穿过密封引线接头连接至监视及控制系统控制、监视及测试系统；第二壳体与底座之间，通过配合设置的第二密封螺栓（如密封螺栓20）和第二密封圈（如密封圈19）密封安装；第二壳体靠近分子泵一侧的输出端与分子泵配合安装。加热电源只是为加热丝供电，切换开关是用于切换，励磁电源给超导线圈与常导体线圈供电的。

上述控制、监视及测试系统，包括分别与测试系统和制冷系统连接的力显示器、温度显示器、励磁电源和加热电源，以及通过RS232通信线路分别与力显示器、温度显示器、励磁电源和加热电源连接的电脑。在内部的环形高温超导线圈与环形常导体线圈的连接线（即二流引线22）之间，还设有切换开关（如切换开关32）。

在本发明的技术方案中，基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置主要由控制、监视及测试系统、测试系统和制冷系统三大系统组成。其中，控制、监视及测试系统：主要是采集相应的实验数据，如测试点的温度、对样品的作用力，反馈给控制部分从而通过PID自动控制励磁电源的电流强度，调节高温超导线圈或者环形常导体线圈的磁场强度，达到控制超磁致伸缩棒材的伸缩量，最终改变接触面间的作用压力大小。

测试系统：工作在由真空装置提供的完整的真空环境中，测试样品安装在由丝杠、定位板组成的装夹机构中，接触面间的作用力由下端的超磁致伸缩棒材的伸长量来调节，力的大小由顶部的力传感器采集，样品、热流计包括超导线圈及冷头的温度变化由均匀分布在其上的热电偶采集，整个测试部分由防辐射屏包裹，避免与真空容器壁进行辐射换热，励磁线圈分为高温超导带材线圈和环形常导体线圈，高温超导体线圈的电流引线由二流引线引入，目的是尽量减少外部热量由导线的导入，最终确保测试系统可以达到4.2K的低温环境（因为GM制冷机4.2K时，制冷量仅为1.5W），同时，低温段（4.2K-90K）测试时超磁致伸缩棒材的驱动磁场由高温超导体线圈提供，因超导体工作在临界温度90K以下时，无电阻所以没有焦耳热产生，进一步保证了系统的稳定性。当测试温度高超过90K时，高温超导线圈将超过其临界温度，不在具有超导性质，所以，此时采用环形常导体线圈，由于环形常导体线圈完全与测试样品及冷头分离，不会直接将大量的焦耳热量传导给测试部件，加之随着温度的升高GM制冷机的冷量已经远远大于1.5W，所以由环形常导体线圈产生的焦耳热不会影响到测试系统的稳定性。测试系统的所有引线均采用密封插座的方式与外部链接确保测试系统的真空度。

制冷系统：主要由GM制冷机和抽真空机组成，GM制冷机冷头数量为两个，二级两头冷量4.2K时为1.5W。真空机组由涡旋泵和分子泵组成，可以抽到的极限真空度为10-4Pa。

整个测试过程：首先，打开真空容器盖，按照如图所示将测试样品及热流计安装在固定架上，布置好热电偶，调节丝杠的位置使力传感器的力刚好为0，封闭真空容器。接着，打开抽真空机组，对测试系统抽真空，等到真空度达到10-2Pa量级时，打开GM制冷机对测试样品进行冷却。开启控制、监视及测试系统，等到样品温度达到测定温度并稳定时，开启励磁电源，调节电流的大小，使接触面间达到需要的测试压力值，稳定后开启加热丝工作，采集热流计和测试样品上各点的温度值，采用双热流法测定计算出接触面间的接触热阻。重复以上步骤，完成不同温度，不同压力下接触面间接触热阻的测试。如果，需要测试动态响应下接触面间的接触热阻，只需要将励磁电源的电流输入信号，由前面稳定的值，变为动态的值，如正弦型号、方波。同时，由于实际工程中两固体表面之间，往往会因外界的扰动处在振动的状态下，所以可以考虑接触面热阻在高频振动下的响应问题，其它测试条件不变。当测试完成后，关闭相应的仪器电源，整理好实验设备，结束整个实验测试。

测试时，所用设备包括：GM制冷机1台，真空机组1套，温度采集仪1个，力显示仪1个，加热丝2组，超磁致伸缩棒材1个，高温超导线圈1个，环形常导体线圈1个，励磁电源1个，加热电源1个，低温密封容器1个，样品若干，温度传感器若干，热电偶若干，真空系统1套等（详见图1）。

本发明的技术方案，采用GM制冷机代替液氮或液氦作为冷媒；采用超导线圈和常导线圈两种励磁方式驱动超磁致伸缩棒材的力加载装置；模拟高频动态加载情况下接触面间的热阻；利用本发明技术方案的原理可以制造一种动态可控的热流密度调节开关或者温度调节开关。

通过本发明的技术方案，可以较为简单、经济的实现超低温（4.2K）至高温区，固体与固体表面间接触热阻的性能测试。同时，该设备的原理也可以应用到实际工程中，通过励磁线圈驱动超磁致伸缩材料伸缩变形，来达到改变固体与固体接触表面间的接触应力，最终实现对接触热阻的动态控制，从而来满足实际应用需求。

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。

Claims (9)

1.基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，包括用于提供真空环境的制冷系统，安装在所述制冷系统上方、且用于在制冷系统提供的真空环境中测试试件在动态加载响应时接触面间的接触热阻的测试系统静、动态加载响应时接触面间的接触热阻的测试系统，以及分别与所述制冷系统和测试系统连接、且用于实时采集制冷系统和测试系统的实验数据并基于试验数据按预设目标对实验过程进行控制的监视及控制系统控制、监视及测试系统。

2.根据权利要求1所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述测试系统，包括真空容器，竖直对称设置在所述真空容器内部的一对螺杆，水平可拆卸式安装在所述一对螺杆顶部之间的定位板，自上向下依次配合安装在所述一对螺杆和定位杆构成的空间内的力传感器、上部加热及支撑组件、试件和下部加热及支撑组件，以及设置位于所述一对螺杆和定位杆构成的空间内、且竖向安装在试件的一侧的热电偶；

所述一对螺杆的底部，与制冷系统可拆卸式连接；所述力传感器和热电偶，分别与监视及控制系统控制、监视及测试系统连接。

3.根据权利要求2所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述测试系统，还包括设置在所述一对螺杆和定位杆构成的空间内的防辐射屏。

4.根据权利要求2所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述上部加热及支撑组件，包括依次安装在所述力传感器和试件之间的上加热丝、上支撑块和上热流计；所述上支撑块具体为圆柱体，加热丝绕于其上；

和/或，

所述下部加热及支撑组件，包括自上向下依次安装在所述试件下方的下热流计、超磁致伸缩棒材、下支撑块和下加热丝，安装在所述超磁致伸缩棒材远离热电偶一侧的环形高温超导带材线圈，安装在所述超磁致伸缩棒材靠近热电偶一侧的温度传感器，以及分别安装在所述环形高温超导带材线圈远离超磁致伸缩棒材的一侧和环形高温超导带材线圈远离超磁致伸缩棒材的一侧的一对环形常导体线圈；所述热电偶的一端与上加热丝连接、另一端与温度传感器连接；

和/或，

所述试件，包括依次安装在所述上热流计和下热流计之间的上试件和下试件。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述制冷系统，包括配合安装在所述测试系统下方的制冷机构，安装在所述制冷机构远离控制、监视及测试系统一侧的分子泵，安装在所述分子泵远离制冷机构一侧的涡旋泵，以及配合安装在所述分子泵与涡旋泵之间的波纹管。

6.根据权利要求5所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述制冷机构，包括底座，安装在所述底座下方的GM制冷机，以及，安装在所述底座上方、且自下向上依次安装在所述GM制冷机与测试系统之间的GM制冷机二级冷头和GM制冷机一级冷头。

7.根据权利要求6所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述制冷机构，还包括分别与所述GM制冷机一级冷头和GM制冷机二级冷头配合设置的第一壳体与第二壳体，以及自上向下依次穿过第一壳体和第二壳体、并分别与所述测试系统和控制、监视及测试系统连接的二流引线；

所述第一壳体与第二壳体之间，通过配合设置的第一密封螺栓和第一密封圈密封安装；在所述第一壳体远离分子泵的一侧设有引线输出端，在引线输出端安装有密封引线接头，所述二流引线穿过密封引线接头连接至控制、监视及测试系统；第二壳体与底座之间，通过配合设置的第二密封螺栓和第二密封圈密封安装；所述第二壳体靠近分子泵一侧的输出端与分子泵配合安装。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，所述控制、监视及测试系统，包括分别与所述测试系统和制冷系统连接的力显示器、温度显示器、励磁电源和加热电源，以及通过RS232通信线路分别与所述力显示器、温度显示器、励磁电源和加热电源连接的电脑。

9.根据权利要求8所述的基于超磁滞伸缩智能材料的固体界面接触热阻测试装置，其特征在于，在所述内部的环形高温超导线圈与环形常导体线圈的连接线之间，还设有切换开关。