CN106610358A - 力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器及方法，属于精密科学仪器领域。包括固定端装配组件、活动端装配组件组成的轴向力加载平台，硅油槽装配组件，以及可控电磁铁组件组成。轴向力加载平台根据实验条件，对被测材料样品在测试过程中提供支撑或施加轴向圧缩载荷，在施加压缩载荷时同时对力载荷和位移进行精密检测，有效的提供了对被测材料样品的压缩力学性能的检测手段。硅油槽装配组件与两端绝缘夹具配合使用，集成了电阻式加热块、热电偶、可控电磁铁、霍尔探头等试验装置，为测试被测材料样品提供了相应的电—热—磁多物理场加载的试验环境。优点在于：结构小型轻量化、功能集成度高，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器及方法。可以为被测材料样品提供压缩载荷以及电场—热场—垂直磁场多物理场加载，从而可以精准测试被测材料样品的压缩曲线以及电滞回线、电致伸缩、磁滞回线等材料物理参数。配合光学显微镜等原位观测设备不仅可以有效的对被测材料样品在单一物理场加载条件下微观组织结构变化以及材料物理性能参数进行实时动态的原位监测，还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况。
背景技术
新型材料的研发和应用是工业发展的基础，材料科技的不断发展也依赖于对材料的各项力学参数与物理性能的深入研究。随着材料技术的不断快速发展，各项新材料的不断涌现。面对这些材料性能的分析测试也逐渐成为国际学术界和工程界的研究热点。特别是针对服役于航空航天等在多物理场下服役的材料，传统的单一材料力学性能测试手段已经难以全面的反映出材料的物理特性。在现有的研究水平下，针对单一物理场，例如单一力场、电场，磁场、温度场下服役的材料，对其物理特性测试的技术已经趋于成熟。但在多物理场耦合环境下针对材料物理性能进行参数测试的技术和仪器还有待于进一步的研究和开发，因此能够开发一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器及方法，已成为新型材料测试仪器的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器及方法，解决了现有商业化仪器设备不能集中实现力—电—热—磁的多物理场耦合作用下的材料性能测试的问题。本发明不仅可以实现在压缩加载的基础上同时构建电场—热场—磁场的多物理场耦合条件，测量材料样品压缩曲线、电滞回线、电致伸缩曲线，磁致伸缩曲线等参量还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况。为多物理场耦合条件下材料微观力学性能以及材料物理特性参数以及多物理场耦合相互影响条件下材料物理特性参数变化情况的探究提供有效的手段和方法。配合显微镜可实现有效的监测材料试件微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及物理性能演化的实时动态原位监测。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，包括由固定端装配组件1、活动端装配组件2组成的轴向力加载平台5，硅油槽装配组件3，以及可控电磁铁组件4，所述轴向力加载平台5由固定端装配组件1和活动端装配组件2组成，共同装配在基板502上，固定端装配组件1与基板502通过螺钉固定连接，活动端装配组件2通过活动端导轨201和活动端滑块202与基板502连接；硅油槽装配组件3通过两端绝缘夹具、可控电磁铁组件4的可控电磁铁401的两端磁头以及硅油槽支柱301固定支撑在轴向力加载平台5之上；可控电磁铁组件4的电磁铁支撑座402为控电磁铁401提供支撑作用，并通过螺钉与基座501固定连接。
所述的固定端装配组件1通过螺钉固定连接在基板502上，固定端底座101和固定端底板103间通过定位键102定位，由螺钉固定连接；固定端底板103下端面设有对应尺寸的定位键槽通过螺钉安装定位键102，固定端底座101上端面设有通槽，力传感器105通过螺钉与固定端背板104连接，固定端背板104通过螺钉固定于固定端底板103上，连接法兰106一侧通过螺钉与力传感器105连接，另一侧通过螺钉与固定端主轴107连接；固定端轴承座113通过螺钉与固定端底板103固定连接，固定端轴承座113以及安装在固定端轴承座113内的两个固定端圆柱滚子轴承110为固定端主轴107提供支撑；固定端轴套109以松配合的方式安装在固定端主轴的相应轴段，其端面靠紧轴承内圈的端面，固定端圆螺母108通过主轴上的螺纹靠紧固定端轴套109；力传感器105实时测量施加在被测材料样品601上的压缩力值；固定端夹具体114通过螺钉与固定端主轴107前端相连，固定端夹具体114上安装夹具体立式电极603和夹具体卧式电极604，夹具体立式电极603上连接电源导线，配合高压放大器为被测材料样品601提供高压电场加载。
所述的活动端装配组件2是：活动端导轨201通过螺钉与基板502连接，活动端滑块202通过螺钉与活动端底座204连接，活动端导轨201与活动端滑块202配合使用，实现活动端底座204以及装配在活动端底座204上的组件可以沿主轴轴线方向的相对运动；活动端螺母203通过螺钉安装在活动端底座204的下端面，与安装在活动端螺母座215上的活动端丝杠214组成丝杠螺母副，将电机219的旋转运动转化为活动端底座204的直线运动；活动端螺母座215通过螺钉安装在基板502上，其另一侧与联轴器216相连，联轴器216通过电机连接键217与电机219相连；电机支架218通过螺钉安装在基板502的侧面，活动端背板213与活动端底座204通过螺钉连接，活动端主轴206与活动端背板213连接；活动端轴承座209通过螺钉与活动端底座204固定连接，活动端轴承座209以及安装在其内的一个活动端圆柱滚子轴承208为活动端主轴206提供支撑；
活动端轴套211以松配合安装在活动端主轴206的相应轴段，端面靠紧轴承内圈，活动端圆螺母212通过活动端主轴206上的螺纹靠紧活动端轴套211，保证活动端轴承208的轴向定位；活动端夹具体205通过螺钉与活动端主轴206连接，活动端夹具体205上安装夹具体立式电极603和夹具体卧式电极604，夹具体立式电极上连接电源导线，配合高压放大器为被测材料样品601提供高压电场加载。
所述的活动端圆柱滚子轴承208由活动端轴承内圈207、轴承保持架、滚动体以及轴承外圈四部分组成，活动端轴承内圈207实现与圆柱滚子轴承组件的灵活拆装；活动端主轴206上的轴承段安装了四个活动端轴承内圈207且为紧配合，但轴承保持架以及轴承外圈仅有一组，因此当活动端底座204带动活动端主轴206在施加力学载荷沿主轴轴线相对运动时，活动端轴承内圈207与安装在活动端轴承座209内的轴承组件之间实现相对运动，从而既可以实现对活动端主轴206的支撑，又保证了对被测材料样品601的力学加载。
所述的硅油槽装配组件3中硅油槽主体303两侧面开夹具孔与相应尺寸的凹槽，在凹槽中安装与两端绝缘夹具尺寸相对应的格莱圈305，两侧夹具通过两端的夹具孔伸到硅油槽主体303内，硅油槽主体303前端面铣出相应尺寸的凹槽，在凹槽中安装硅油槽前硅胶垫307；硅油槽前门306上镶嵌光学玻璃，与硅油槽主体303之间通过快换螺钉连接，在硅油槽上盖309与硅油槽主体303下端面上分别开磁头孔于对应尺寸的凹槽并安装对应尺寸的O形圈304，可控电磁铁401的两端磁头通过磁头孔伸到硅油槽主体303指定位置，在硅油槽上盖309以及硅油槽主体303下端面分别开螺纹孔，通过螺纹连接安装硅油槽管接头302，在硅油槽上盖309分别开螺纹孔，电阻式加热块310以及热电偶311通过各自结构上的螺纹杆与硅油槽上盖309连接，借此可以调节各自在硅油槽主体303内的相对位置；硅油槽上盖309通过螺钉与硅油槽主体303连接，两者之间用对应尺寸的硅油槽上硅胶垫308密封压紧；在硅油槽主体303后侧面打孔，霍尔探头312通过此孔定位到两磁头气隙之间，此孔间隙用密封脂密封；硅油槽支柱301通过螺纹与硅油槽主体303的下端面连接，硅油槽支柱301长度可调，为硅油槽主体303提供基本的支撑作用。
所述的可控电磁铁401为双调单轭型结构，两端磁头均可以通过两端的旋转螺母调整磁头间气隙的距离；电磁铁支撑座402为可控电磁铁401提供支撑与定位作用，并通过螺钉固定安装于基座501的下底板上。
本发明的另一目的在于提供一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试方法，将被测材料样品601放在两端夹具之间，并通过电机219带动丝杠螺母副使得活动端底座204沿轴向相对运动，从而实现对被测材料样品601施加压缩载荷，通过力传感器105读取力载荷变化情况，通过应变片、应变分析仪读取在压缩试验过程中的应变变化情况，从而可以得到材料压缩力学性能的应力—应变曲线，通过曲线可以参数化的反映出材料抗压强度等一系列力学参量；
绝缘夹具上的电极通过高压放大器可为被测材料样品601提供电场加载，配合使用应变片602、应变分析仪以及模拟量采集卡可测量被测材料样品601的电滞回线，电致伸缩曲线；可控电磁铁401为被测材料样品提供垂直磁场加载，霍尔探头312检测测试过程中磁场强度的大小，配合使用应变片602测量被测材料样品601的磁致伸缩曲线；电阻式加热块310为硅油槽内的硅油加热，提供可调控温度场环境；热电偶311用于检测硅油槽内油温，配合电控系统实现了温度闭环控制；显微镜透过硅油槽前门306对被测材料样品601的微观变形、损伤机制、微观结构变化以及材料物理性能演化进行实时动态的监测。
本发明的有益效果在于：
1、本发明仪器不仅可以实现在压缩加载的基础上同时构建电场—热场—磁场的多物理场耦合条件，测量材料样品压缩曲线、电滞回线、电致伸缩曲线，磁致伸缩曲线等参量还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况。为多物理场耦合条件下材料微观力学性能以及材料物理特性参数以及多物理场耦合相互影响条件下材料物理特性参数变化情况的探究提供有效的手段和方法。
2、本发明可以兼容光学显微镜等原位观测仪器，可以动态监测在压缩载荷和多物理场载荷作用下材料样品的变形损伤，物理性能演变等。
3、本发明结构小型轻量化、功能集成度高，实用性强，配合光学显微镜等原位观测设备不仅可以有效的对被测材料样品在单一物理场加载条件下微观组织结构变化以及材料物理性能参数进行实时动态的监测，还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况。高效的实现了对被测材料样品电场、热场、垂直磁场的多物理场加载与压缩载荷加载，为相应的被测材料样品提供了不仅可以单一测试其压缩曲线、电致伸缩曲线、磁致伸缩曲线、电滞回线还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况的多功能试验平台。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的固定端装配组件的结构示意图；
图3为本发明的活动端装配组件的结构示意图；
图4为本发明的硅油槽装配组件的结构示意图；
图5为本发明的可控电磁铁的结构示意图。
图中：1、固定端装配组件；101、固定端底座；102、固定端定位键；103、固定端底板；104、固定端背板；105、力传感器；106、连接法兰；107、固定端主轴；108、固定端圆螺母；109、固定端轴套；110、固定端圆柱滚子轴承；111、固定端轴承端盖；112、调整垫片；113、固定端轴承座；114、固定端夹具体；2、活动端装配组件；201、活动端导轨；202、活动端滑块；203、活动端螺母；204、活动端底座；205、活动端夹具体；206、活动端主轴；207、活动端轴承内圈；208、活动端圆柱滚子轴承；209、活动端轴承座；210、活动轴承端盖；211、活动端轴套；212、活动端圆螺母；213、活动端背板；214、活动端丝杠；215、活动端螺母座；216、联轴器；217、电机连接键；218、电机支架；219、电机；220、电机编码器；3、硅油槽装配组件；301、硅油槽支柱；302、硅油槽管接头；303、硅油槽主体；304、O形圈；305、格莱圈；306、硅油槽前门；307、硅油槽前硅胶垫；308、硅油槽上硅胶垫；309、硅油槽上盖；310、电阻式加热块；311、热电偶；312、霍尔探头；4、可控电磁铁组件；401、可控电磁铁；402、电磁铁支撑平台；5、力学加载平台；501、基座；502、基板；601、被测材料样品；602、应变片；603、夹具体立式电极；604夹具体卧式电极。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，主要由包括固定端装配组件、活动端装配组件组成的轴向力加载平台，硅油槽装配组件，以及可控电磁铁组件组成。所述轴向力加载平台根据实验条件，对被测材料样品在测试过程中提供支撑或施加轴向圧缩载荷，在施加压缩载荷时同时对力载荷和位移进行精密检测，有效的提供了对被测材料样品的压缩力学性能的检测手段。硅油槽装配组件与两端绝缘夹具配合使用，集成了电阻式加热块、热电偶、可控电磁铁、霍尔探头等试验装置，为测试被测材料样品提供了相应的电—热—磁多物理场加载的试验环境。在电场加载过程中，硅油介质有效地防止了电极间放电击穿现象。利用绝缘夹具上的电极通过高压放大器可为被测材料样品提供电场加载，配合使用应变片、应变分析仪以及模拟量采集卡等相关仪器，可有效的测量被测材料样品的电滞回线，电致伸缩曲线。可控电磁铁为被测材料样品提供垂直磁场加载，霍尔探头检测测试过程中磁场强度的大小，配合使用应变片以及相关仪器可有效测量被测材料样品的磁致伸缩曲线。电阻式加热块为硅油槽内的硅油加热，提供可调控温度场环境。热电偶用于检测硅油槽内油温，配合电控系统实现了温度闭环控制。本发明的优点在于结构小型轻量化、功能集成度高，实用性强，配合光学显微镜等原位观测设备不仅可以有效的对被测材料样品在单一物理场加载条件下微观组织结构变化以及材料物理性能参数进行实时动态的监测，还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况。具体结构包括由固定端装配组件1、活动端装配组件2组成的轴向力加载平台5，硅油槽装配组件3，以及可控电磁铁组件4，所述轴向力加载平台5根据实验条件，对被测材料样品601在测试过程中提供支撑或施加轴向圧缩载荷，在施加压缩载荷时同时对力载荷和位移进行精密检测，有效的提供了对被测材料样品的压缩力学性能检测手段。硅油槽装配组件3配合两端绝缘夹具使用，集成了电阻式加热块310，热电偶311，可控电磁铁401，霍尔探头312等试验装置，为测试材料样品601提供了相应的电—热—磁多物理场加载的试验环境。在电场加载过程中，硅油介质有效地防止了电极间放电击穿现象。利用绝缘夹具上的电极通过高压放大器可为被测材料样品601提供电场加载，配合使用应变片、应变分析仪以及模拟量采集卡等相关仪器，可有效的测量被测材料样品601的电滞回线，电致伸缩曲线。可控电磁铁401可为被测材料样品601提供垂直磁场加载，霍尔探头312检测测试过程中磁场强度的大小，配合应变片602以及相关仪器的使用可有效测量被测材料样品601的磁致伸缩曲线。电阻式加热块310为硅油槽内的硅油加热，提供可调控温度场环境。热电偶311用于检测硅油槽内油温，配合使用电控系统实现了温度闭环控制。本发明结构紧凑、轻量化，功能集成度高，实用性强，配合光学显微镜等原位观测设备不仅可以有效的对被测材料样品601在单一物理场加载条件下微观组织结构变化以及材料物理性能参数进行实时动态的监测，还可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况。
参见图1所示，所述轴向力加载平台5由固定端装配组件1和活动端装配组件2组成，共同装配在基板502上，固定端装配组件1与基板502通过螺钉固定连接，活动端装配组件2通过活动端导轨201和活动端滑块202与基板502连接；所述硅油槽装配组件3通过两端绝缘夹具、可控电磁铁组件4的可控电磁铁401的两端磁头以及硅油槽支柱301固定支撑在轴向力加载平台5之上；可控电磁铁组件4的电磁铁支撑座402为控电磁铁401提供基础性的支撑作用，并通过螺钉与基座501固定连接；所述基座501为轴向力学加载平台5以及相关组件提供基础性的安装定位、稳定支撑的作用。
参见图1及图2所示，所述的固定端装配组件1通过螺钉固定连接在基板502上，包括固定端底座101、固定端定位键102、固定端底板103、固定端背板104、力传感器105、连接法兰106、固定端主轴107、固定端圆螺母108、固定端轴套109、固定端圆柱滚子轴承110、固定端轴承端盖111、调整垫片112、固定端轴承座113、固定端夹具体114，所述固定端装配组件由固定端底座102、固定端底板103以及装配在固定端底板103上的相关组件。
固定端底座101和固定端底板103间通过定位键102定位，由螺钉固定连接；固定端底板103下端面设有对应尺寸的定位键槽通过螺钉安装定位键102，固定端底座101上端面设有通槽，当需要更换夹具或对相关零件进行调整时，松开固定端底板103与固定端底座101之间的螺钉，可以灵活的抽拉固定端底板103，当调整完毕后可将其推回原位，用螺钉锁紧。力传感器105通过螺钉与固定端背板104连接，固定端背板104通过螺钉固定于固定端底板103上，连接法兰106一侧通过螺钉与力传感器105连接，另一侧通过螺钉与固定端主轴107连接；固定端轴承座113通过螺钉与固定端底板103固定连接，固定端轴承端盖111、调整垫片112与固定端轴承座113用螺钉连接，固定端轴承端盖111靠紧轴承外圈，调整垫片112用于调整轴承端盖与轴承座之间的距离。固定端轴承座113以及安装在固定端轴承座113内的两个固定端圆柱滚子轴承110为固定端主轴107提供有效的支撑；固定端圆柱滚子轴承110的轴承内圈与轴承保持架、滚动体以及轴承外圈可以灵活的拆装。固定端轴套109以松配合的方式安装在固定端主轴的相应轴段，其端面靠紧轴承内圈的端面，固定端圆螺母108通过主轴上的螺纹靠紧固定端轴套109，保证了轴承的轴向定位。力传感器105通过数据采集卡等相关仪器，可实时测量施加在被测材料样品601上的压缩力值；透过应变分析仪等相关仪器对应变片602应变的读取，可实时测量被测材料样品601在测试过程中的压缩应变，进而可以测得被测材料样品601的压缩曲线，通过压缩曲线，可以参数化的反映出材料力学性能。固定端夹具体114通过螺钉与固定端主轴107前端相连，固定端夹具体114上安装夹具体立式电极603和夹具体卧式电极604，夹具体立式电极603上连接电源导线，配合高压放大器等相关仪器为被测材料样品601提供高压电场加载。
参见图1及图3所示，所述的活动端装配组件2包括：活动端导轨201、活动端滑块202、活动端螺母203、活动端底座204、活动端夹具205、活动端主轴206、活动端轴承内圈207、活动端圆柱滚子轴承208、活动端轴承座209、活动端轴承端盖210、活动端轴套211、活动端圆螺母212、活动端背板213、活动端丝杠214、活动端螺母座215、联轴器216、电机连接键217、电机支架218、电机219，以及电机编码器220，所述活动端导轨201通过螺钉与基板502连接，活动端滑块202通过螺钉与活动端底座204连接，活动端导轨201与活动端滑块202配合使用，实现活动端底座204以及装配在活动端底座204上的相关组件可以沿主轴轴线方向的相对运动；活动端螺母203通过螺钉安装在活动端底座204的下端面，与安装在活动端螺母座215上的活动端丝杠214组成丝杠螺母副，将电机219的旋转运动转化为活动端底座204的直线运动；活动端螺母座215通过螺钉安装在基板502上，其另一侧与联轴器216相连，联轴器216通过电机连接键217与电机219相连；电机支架218通过螺钉安装在基板502的侧面，为电机219提供稳定支撑的作用。活动端背板213与活动端底座204通过螺钉连接，活动端主轴206通过背向拧螺钉的方式与活动端背板213连接；活动端轴承座209通过螺钉与活动端底座204固定连接，活动端轴承座209以及安装在其内的一个活动端圆柱滚子轴承208为活动端主轴206提供有效地支撑；
活动端轴套211以松配合安装在活动端主轴206的相应轴段，端面靠紧轴承内圈，活动端圆螺母212通过活动端主轴206上的螺纹靠紧活动端轴套211，保证活动端轴承208的轴向定位；活动端夹具体205通过螺钉与活动端主轴206连接，活动端夹具体205上安装夹具体立式电极603和夹具体卧式电极604，夹具体立式电极上连接电源导线，配合高压放大器等相关仪器为被测材料样品601提供高压电场加载。
所述的活动端圆柱滚子轴承208由活动端轴承内圈207、轴承保持架、滚动体以及轴承外圈四部分组成，活动端轴承内圈207可以实现与圆柱滚子轴承其他组件的灵活拆装；活动端主轴206上的轴承段安装了四个活动端轴承内圈207且为紧配合，但轴承保持架以及轴承外圈仅有一组，因此当活动端底座204带动活动端主轴206在施加力学载荷沿主轴轴线相对运动时，活动端轴承内圈207与安装在活动端轴承座209内的轴承其他组件之间可实现一定位移量的相对运动，从而既可以实现对活动端主轴206的支撑，又保证了对被测材料样品601的力学加载。
活动端装配组件2通过螺母丝杠副将电机219的旋转运动化为活动端底座204的直线运动，并通过安装在基板502上的活动端导轨201以及通过螺钉安装在固定端底座204上的活动端滑块202实现活动端装配组件2沿轴线方向的相对运动，从而实现对被测材料样品601的力学加载。活动端主轴206通过活动端背板213与活动端底座204连接，活动端轴承座209以及安装在内的活动端圆柱滚子轴承208为活动端主轴206提供有效的支撑，活动端轴承端盖210、调整垫片112与活动端轴承座209之间用螺钉连接，活动端轴承端盖210靠紧轴承外圈，调整垫片112用于调整活动端轴承端盖210与活动端轴承座209之间的距离。所述活动端圆柱滚子轴承208由活动端轴承内圈207、轴承保持架、滚动体以及轴承外圈四部分组成，其特点在于该活动端轴承内圈207可以实现与圆柱滚子轴承其他组件的灵活拆装。所述活动端主轴206上的轴承段安装了四个活动端轴承内圈207且为紧配合，但轴承保持架以及轴承外圈仅有一组，因此当活动端底座204带动活动端主轴206施加力学载荷沿主轴轴线相对运动时，活动端轴承内圈207与安装在活动端轴承座209内的轴承其他组件之间可实现一定位移量的相对运动，从而既可以实现对活动端主轴206的支撑，又保证了对被测材料样品601的力学加载。
固定端夹具体114与活动端夹具体205分别与固定端主轴107以及活动端主轴206通过螺钉连接，两端夹具体均采用机械性能较好的FR-4 玻璃纤维加工制作而成，这种材料不仅拥有良好的机械强度，而且可以有效地绝缘高压电场。在两端夹具体的前端均分别装配了夹具体立式电极603以及夹具体卧式电极604，两电极之间采用配作螺纹的连接方式。通过这种绝缘夹具上电极与被测材料样品601两端的接触并配合使用相关仪器，可以有效的给被测材料样品601施加高压电场。
参见图1、图4及图5所示，所述的硅油槽装配组件3高效的集中了轴向力学加载平台5、电阻式加热块310、热电偶311、可控电磁铁401、霍尔探头312等组件，实现了在结构紧凑、装配灵活的基础上压缩载荷，电场、热场、垂直磁场对被测材料样品601的集中加载。为被测材料样品601提供了一个既可以单一测试材料压缩曲线、电致伸缩曲线、磁致伸缩曲线、电滞回线等材料物理性能参数又可以探究在多物理场耦合条件影响下材料各项物理性能参数变化情况的多功能试验平台。所述硅油槽装配组件3包括硅油槽支柱301、硅油槽管接头302、硅油槽主体303、Ｏ型圈304、格莱圈305、硅油槽前门306、硅油槽前硅胶垫307、硅油槽上硅胶垫308、硅油槽上盖309、电阻式加热块310，热电偶311以及霍尔探头312，硅油槽装配组件3
中硅油槽主体303两侧面开夹具孔与相应尺寸的凹槽，在凹槽中安装与两端绝缘夹具尺寸相对应的格莱圈305，两侧夹具通过两端的夹具孔伸到硅油槽主体303内指定位置，安装格莱圈305保证两端绝缘夹具体沿着轴线方向在硅油槽主体303内相对运动时起到了良好的密封效果。硅油槽主体303前端面铣出相应尺寸的凹槽，在硅油槽主体303和硅油槽前门306之间安装起密封作用的硅油槽前硅胶垫307；硅油槽前门306上镶嵌光学玻璃，与硅油槽主体303之间通过快换螺钉连接，通过这种结构既可以实现快速更换被测材料样品601、调整硅油槽内相关传感器布置，又方便光学显微镜等原位观测设备对被测材料样品601的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及物理性能演化进行实时动态的原位监测。在硅油槽上盖309与硅油槽主体303下端面上分别开磁头孔于对应尺寸的凹槽并安装对应尺寸的O形圈304，可控电磁铁401的两端磁头通过磁头孔伸到硅油槽主体303指定位置，通过安装O形圈保证可控电磁铁两端磁头沿磁头轴线方向的相对运动时起良好的密封作用。在硅油槽上盖309以及硅油槽主体303下端面分别开螺纹孔，通过螺纹连接安装硅油槽管接头302，上端的管接头在对硅油加热时作为放气孔使用；下端的管接头可作为放油孔使用，在不必放油时用油塞将管接头密封。在硅油槽上盖309分别开螺纹孔，电阻式加热块310以及热电偶311用过螺纹与硅油槽上盖309连接，并可以通过电阻式加热块310和热电偶311各自结构上的螺纹杆调整在硅油槽主体303内的相对位置；硅油槽上盖309通过螺钉与硅油槽主体303连接，两者之间用对应尺寸的硅油槽上硅胶垫308密封压紧；在硅油槽主体303后侧面打孔，霍尔探头312通过此孔定位到两磁头气隙之间，此孔间隙用密封脂密封；所述硅油槽支柱301通过螺纹与硅油槽主体303的下端面连接，硅油槽支柱301长度可调，为硅油槽主体303提供基本的支撑作用。
参见图1及图5所示，所述的可控电磁铁401为双调单轭型结构，两端磁头均可以通过两端的旋转螺母调整磁头间气隙的距离；电磁铁支撑座402为可控电磁铁401提供支撑与定位作用，并通过螺钉固定安装于基座501的下底板上。
本发明的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试方法，通过将被测材料样品试件601放在两端夹具之间，并通过电机219带动丝杠螺母副使得活动端底座204沿轴向相对运动，从而实现对被测材料样品试件601施加压缩载荷，通过力传感器105等相关仪器读取力载荷变化情况，通过应变片、应变分析仪等相关仪器220可以读取在压缩试验过程中的应变变化情况，从而可以得到反映材料压缩力学性能的应力—应变曲线，通过曲线可以参数化的得到材料抗压强度等一系列力学参量。通过两端夹具上的电极连接高压放大器可对被测材料样品601施加高压电场，硅油槽里的硅油介质有效的防止了电极间的放电击穿现象。通过可控电磁铁401可以对被测材料样品601施加磁场，通过相关仪器控制施加的电场、磁场强度，配合应变片602以及相关仪器，可以有效的测量被测材料样品601电滞回线，电致伸缩曲线，磁致伸缩曲线，从而可以反映出被测材料样品试样601的一系列物理性能参数。通过加热块310给硅油槽中的硅油介质加热，从而实现热场的施加，通过热电偶311监测槽内油温，从而可以得到硅油槽内温度场信息，通过配合使用电控系统可以实现闭环温度控制。硅油槽前门306上的光学玻璃，具有高透光度高耐热性的特点，显微镜等一系列原位观测仪器均可以透过此窗对被测材料样品试样601的动态损伤、失效形式、微观变形、微观组织结构变化以及物理性能演化进行实时动态的原位监测。本发明能够实现的所有多物理场耦合的模式如下：
压缩力学加载、电场加载、磁场加载、热场加载、压缩—电场复合加载、压缩—磁场复合加载、压缩—热场复合加载、电场—磁场复合加载、电场—热场复合加载、磁场—热场复合加载、压缩—电场—磁场复合加载，压缩—电场—热场复合加载、压缩—磁场—热场复合加载、电场—磁场—热场复合加载、压缩—电场—磁场—热场复合加载。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，其特征在于：包括由固定端装配组件（1）、活动端装配组件（2）组成的轴向力加载平台（5），硅油槽装配组件（3），以及可控电磁铁组件（4），所述轴向力加载平台（5）由固定端装配组件（1）和活动端装配组件（2）组成，共同装配在基板（502）上，固定端装配组件（1）与基板（502）通过螺钉固定连接，活动端装配组件（2）通过活动端导轨（201）和活动端滑块（202）与基板（502）连接；硅油槽装配组件（3）通过两端绝缘夹具、可控电磁铁组件（4）的可控电磁铁（401）的两端磁头以及硅油槽支柱（301）固定支撑在轴向力加载平台（5）之上；可控电磁铁组件（4）的电磁铁支撑座（402）为控电磁铁（401）提供支撑作用，并通过螺钉与基座（501）固定连接。
2.根据权利要求1的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的固定端装配组件（1）通过螺钉固定连接在基板（502）上，固定端底座（101）和固定端底板（103）间通过定位键（102）定位，由螺钉固定连接；固定端底板（103）下端面设有对应尺寸的定位键槽通过螺钉安装定位键（102），固定端底座（101）上端面设有通槽，力传感器（105）通过螺钉与固定端背板（104）连接，固定端背板（104）通过螺钉固定于固定端底板（103）上，连接法兰（106）一侧通过螺钉与力传感器（105）连接，另一侧通过螺钉与固定端主轴（107）连接；固定端轴承座（113）通过螺钉与固定端底板（103）固定连接，固定端轴承座（113）以及安装在固定端轴承座（113）内的两个固定端圆柱滚子轴承（110）为固定端主轴（107）提供支撑；固定端轴套（109）以松配合的方式安装在固定端主轴的相应轴段，其端面靠紧轴承内圈的端面，固定端圆螺母（108）通过主轴上的螺纹靠紧固定端轴套（109）；力传感器（105）实时测量施加在被测材料样品（601）上的压缩力值；固定端夹具体（114）通过螺钉与固定端主轴（107）前端相连，固定端夹具体（114）上安装夹具体立式电极（603）和夹具体卧式电极（604），夹具体立式电极（603）上连接电源导线，配合高压放大器为被测材料样品（601）提供高压电场加载。
3.根据权利要求1的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的活动端装配组件（2）是：活动端导轨（201）通过螺钉与基板（502）连接，活动端滑块（202）通过螺钉与活动端底座（204）连接，活动端导轨（201）与活动端滑块（202）配合使用，实现活动端底座（204）以及装配在活动端底座（204）上的组件可以沿主轴轴线方向的相对运动；活动端螺母（203）通过螺钉安装在活动端底座（204）的下端面，与安装在活动端螺母座（215）上的活动端丝杠（214）组成丝杠螺母副，将电机（219）的旋转运动转化为活动端底座（204）的直线运动；活动端螺母座（215）通过螺钉安装在基板（502）上，其另一侧与联轴器（216）相连，联轴器（216）通过电机连接键（217）与电机（219）相连；电机支架（218）通过螺钉安装在基板（502）的侧面，活动端背板（213）与活动端底座（204）通过螺钉连接，活动端主轴（206）与活动端背板（213）连接；活动端轴承座（209）通过螺钉与活动端底座（204）固定连接，活动端轴承座（209）以及安装在其内的一个活动端圆柱滚子轴承（208）为活动端主轴（206）提供支撑；
活动端轴套（211）以松配合安装在活动端主轴（206）的相应轴段，端面靠紧轴承内圈，活动端圆螺母（212）通过活动端主轴（206）上的螺纹靠紧活动端轴套（211），保证活动端轴承（208）的轴向定位；活动端夹具体（205）通过螺钉与活动端主轴（206）连接，活动端夹具体（205）上安装夹具体立式电极（603）和夹具体卧式电极（604），夹具体立式电极上连接电源导线，配合高压放大器为被测材料样品（601）提供高压电场加载。
4.根据权利要求3的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的活动端圆柱滚子轴承（208）由活动端轴承内圈（207）、轴承保持架、滚动体以及轴承外圈四部分组成，活动端轴承内圈（207）实现与圆柱滚子轴承组件的灵活拆装；活动端主轴（206）上的轴承段安装了四个活动端轴承内圈（207）且为紧配合，但轴承保持架以及轴承外圈仅有一组，因此当活动端底座（204）带动活动端主轴（206）在施加力学载荷沿主轴轴线相对运动时，活动端轴承内圈（207）与安装在活动端轴承座（209）内的轴承组件之间实现相对运动，从而既可以实现对活动端主轴（206）的支撑，又保证了对被测材料样品（601）的力学加载。
5.根据权利要求1的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的硅油槽装配组件（3）中硅油槽主体（303）两侧面开夹具孔与相应尺寸的凹槽，在凹槽中安装与两端绝缘夹具尺寸相对应的格莱圈（305），两侧夹具通过两端的夹具孔伸到硅油槽主体（303）内，硅油槽主体（303）前端面铣出相应尺寸的凹槽，在凹槽中安装硅油槽前硅胶垫（307）；硅油槽前门（306）上镶嵌光学玻璃，与硅油槽主体（303）之间通过快换螺钉连接，在硅油槽上盖（309）与硅油槽主体（303）下端面上分别开磁头孔于对应尺寸的凹槽并安装对应尺寸的O形圈（304），可控电磁铁（401）的两端磁头通过磁头孔伸到硅油槽主体（303）指定位置，在硅油槽上盖（309）以及硅油槽主体（303）下端面分别开螺纹孔，通过螺纹连接安装硅油槽管接头（302），在硅油槽上盖（309）分别开螺纹孔，电阻式加热块（310）以及热电偶（311）通过各自结构上的螺纹杆与硅油槽上盖（309）连接，借此可以调节各自在硅油槽主体（303）内的相对位置；硅油槽上盖（309）通过螺钉与硅油槽主体（303）连接，两者之间用对应尺寸的硅油槽上硅胶垫（308）密封压紧；在硅油槽主体（303）后侧面打孔，霍尔探头（312）通过此孔定位到两磁头气隙之间，此孔间隙用密封脂密封；硅油槽支柱（301）通过螺纹与硅油槽主体（303）的下端面连接，硅油槽支柱（301）长度可调，为硅油槽主体（303）提供基本的支撑作用。
6.根据权利要求1的力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器，其特征在于：所述的可控电磁铁（401）为双调单轭型结构，两端磁头均可以通过两端的旋转螺母调整磁头间气隙的距离；电磁铁支撑座（402）为可控电磁铁（401）提供支撑与定位作用，并通过螺钉固定安装于基座（501）的下底板上。
7.一种力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试方法，其特征在于：将被测材料样品（601）放在两端夹具之间，并通过电机（219）带动丝杠螺母副使得活动端底座（204）沿轴向相对运动，从而实现对被测材料样品（601）施加压缩载荷，通过力传感器（105）读取力载荷变化情况，通过应变片、应变分析仪读取在压缩试验过程中的应变变化情况，从而可以得到材料压缩力学性能的应力—应变曲线，通过曲线可以参数化的反映出材料抗压强度力学参量；
绝缘夹具上的电极通过高压放大器可为被测材料样品（601）提供电场加载，配合使用应变片（602）、应变分析仪以及模拟量采集卡可测量被测材料样品（601）的电滞回线，电致伸缩曲线；可控电磁铁（401）为被测材料样品提供垂直磁场加载，霍尔探头（312）检测测试过程中磁场强度的大小，配合使用应变片（602）测量被测材料样品（601）的磁致伸缩曲线；电阻式加热块（310）为硅油槽内的硅油加热，提供可调控温度场环境；热电偶（311）用于检测硅油槽内油温，配合电控系统实现了温度闭环控制；显微镜透过硅油槽前门（306）对被测材料样品（601）的微观变形、损伤机制、微观结构变化以及材料物理性能演化进行实时动态的监测。
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|---|---|---|---|
| CN201710042882.1A CN106610358A (zh) | 2017-01-21 | 2017-01-21 | 力电热垂直磁场耦合条件下材料性能原位测试仪器及方法 |
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