CN109827838A - 一种多功能超导材料力学实验加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能超导材料力学实验加载装置，包括支座、主梁、可滚动的导轮、1形竖杆、L形竖杆、绝缘材料制成的夹持连接板、紫铜材料制成的带材夹持和通电部件、铰链、固定块、铰连接、链条或绳索、低温容器、液氮和电流引线，所述主梁由两块金属板用螺栓紧固组成，1形竖杆中部通过铰链连接于主梁左侧，带材通过螺栓夹持在两个铜构件竖直面之间；夹持连接板分别连接在1形竖杆下端和L形竖杆下端与带材夹持和通电部件之间。本发明超导带材力学加载装置，可非常方便地实现超导带材在恒定拉力、恒定预拉伸等多种力学状态下的加载要求，并可提供有效的低温环境让高温超导材料处于零电阻状态，从而提供稳定的超导态实验环境。
Description
技术领域
本发明属于超导材料力学实验技术领域，特别涉及一种多功能超导材料力学实验加载装置。
背景技术
自1911年发现超导现象以来，超导温度由水银的4.2K得到一步步提高，1987年钇钡铜氧系材料的出现使得临界温度达到90K，超导临界温度逐渐升高，拉开超导技术走向大规模应用的序幕。
超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上，超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗。ITER(国际热核聚变反应堆计划)是规模仅次于国际空间站的一项重大的多边大科学国际合作计划，也是我国有史以来有机会、有能力、以平等伙伴身份参加的规模最大的国际科技合作项目，是未来人来获取无穷能源最理想的形式。ITER托卡马克装置中超导磁体是其核心部件之一，用于产生复杂的强磁场来约束上亿度高温的等离子体，结构复杂，造价昂贵。未来十年我国超导市场的规模约为1300-1600亿元人民币，预计到2020年，该产值将达到750亿美元。由于超导技术壁垒高，虽然各类超导材料企业以及电线电缆类生产企业相继进入超导产业市场，但全球仅少数研究机构掌握相关技术，且尚未有企业实现大规模商业化生产，市场呈现垄断格局，因此市场的最先进入者将因丰富的运行经验占据明显的优势地位，成为市场的领导者。
超导态的形成与外部环境直接相关，存在临界温度Tc、临界电流Ic、临界磁场Hc，超过某一阈值超导特性随即消失，变成常导体(即“失超”)，最新研究表明其内部应力状态也会影响超导态的形成。实际上超导结构的力学分析，就是极端低温、强电磁场、强应力场相互耦合作用的问题。在大载流和高磁场作用下，高强度的电磁力作用会使超导电缆的超导临界电流和温度发生显著的退化，甚至发生超导纤丝的断裂和破坏。电磁场的突变形成的涡流，随即发热导致冷却剂蒸发，结构压力过大，可能导致临界电流退化、失超，引起事故。
超导材料与结构在真实的极端运行环境下的多场性能分析，对其极端复杂环境(极低温、高电流、强磁场)下的力学性能表征方法与基础实验测试手段更是极为匮乏。研究超导材料极端多场下的电磁学、传热学和力学特性，以及它们之间相互耦合效应和非线性效应等基础力学问题，是保证超导结构安全运行的关键，已成为国内外超导磁体技术研究的热点和难点，迫切需要完善极端多场环境下力学性能表征的方法与实验监测手段。
发明内容
为了解决现有技术存在的以上技术问题，本发明提供一种多功能超导材料力学实验加载装置，包括支座、主梁、可滚动的导轮、1形竖杆、L形竖杆、绝缘材料制成的夹持连接板、紫铜材料制成的带材夹持和通电部件、铰链、固定块、铰连接、链条或绳索、低温容器、液氮和电流引线，所述主梁由两块金属板用螺栓紧固组成，两端位于支座上面，可滚动的导轮通过转轴设于主梁右侧向上伸出的支撑臂上端，1形竖杆中部通过铰链连接于主梁左侧，L形竖杆上部通过两个铰链与主梁固定连接在一起；带材夹持和通电部件，分为两组，每组由两个“L形”铜构件组成，两个“L形”铜构件相背设置，带材通过螺栓夹持在两个铜构件竖直面之间，“L形”构件水平底面设有螺栓孔用于接入导线实现电流的施加，“L形”紫铜构件的水平底面浸于液氮中；所述链条或绳索连接在1形竖杆的上端，所述固定块设于导轮下方的主梁上用于固定通过导轮的链条或绳索；夹持连接板分别连接在1形竖杆下端和L形竖杆下端与带材夹持和通电部件之间；所述低温容器用于盛放液氮，电流引线与高温超导带材相连。
优选地，还设有绳索收紧器、力学传感器、热触发装置，所述力学传感器通过链条或绳索经过导轮与绳索收紧器相连接。
优选地，固定块下方与链条或绳索相连设有配重砝码。
优选地，所述支座位于支撑架上面。
优选地，所述超导带材的中部设有热触发装置。
优选地，所述热触发装置为设于超导带材的中部的电热片，通过设置通入的电流量大小实现热量的控制。
优选地，所述高温超导带材上设有温度传感器、应变传感器、电压传感器。
优选地，所述夹持连接板为两组，每组为两块，上端分别夹持固定在1形竖杆下端和L形竖杆下端，下端与“L形”紫铜构件通过铰连接活动连接。
本发明超导带材力学加载装置，可非常方便地实现超导带材在恒定拉力、恒定预拉伸等多种力学状态下的加载要求，并可提供有效的低温环境让高温超导材料处于零电阻状态，从而提供稳定的超导态实验环境。配合本专利相关的测试系统，可方便实现带材多种物理量测量。如：超导带材自由状态下临界电流测量；恒定轴向外力条件下临界电流测量；给定初始预应变条件下失超传播特性；恒定轴向外力条件下失超传播特性；失超传播速度测量；失超传播过程中热源热点的监测；失超过程中电压监测等。并且可在此基础上方便地加入背景磁场，实现多场环境下超导材料力学实验。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1是本发明多功能超导材料力学实验加载装置的主机械部件三维图。
图2是给定初始应变加载方法实验中主机械部件沿着对称面切开的剖视图。
图3是恒定外力加载方案实验中主机械部件沿着对称面切开的剖视图。
图4是“L形”铜构件的结构示意图。
具体实施方式
本专利介绍的这一装置主要分为力学机械加载部分、超导材料夹持部分、电流加载和绝缘绝热部分、超导材料热触发失超、实验传感部分、背景磁场部分以及其他功能扩展。
1.1力学机械加载部分：
根据不同的实验，本专利所介绍的装置能够实现两种特殊情况下的力学加载要求。主要部件为如图1、2、3所示的机械结构。
1为支座，将1用固定支架托起一定高度即可将整个装置放置稳妥。
2为主梁，由两块金属板用螺栓紧固组成，与两支座1实现对其他部件的支撑作用。
3为可滚动的导轮，用于绳索的转向和支撑。
4为1形竖杆，作为等臂杠杆使用，可将绳索的拉力等量转移到6，实现上部加载力与下部实验部分力的传递。
5为L形竖杆，通过上部两个铰链将6固定，与主梁2形成一刚体。
6为绝缘材料制成的夹持连接板，将5和7形成电绝缘连接，同时与7形成可转动的较链，实现测试材料在力学荷载施加过程中保持荷载方向始终为拉伸。
7为紫铜材料制成的带材夹持和通电部件，分为两组，每组由两个“L形”铜构件组成。可实现三个主要功能：通过螺栓将带材夹持在两个铜构件竖直面之间，形成对带材的夹持。通过“L形”构件水平底面的螺栓孔接入导线实现电流的施加。同时“L形”紫铜构件的水平底面要浸入液氮中，形成热沉，冷却电流引线。
8为铰链，零件装配处实现转动，也作为两块主梁板2的固定件。
9为力学传感器12固定块。
10为6和7形成的铰连接。
11为绳索收紧器，可将绳索拉紧，即施加预应变的拉伸。
12为力学传感器，可测量施加在绳索上的力值。
13为刚度较大，柔性好的链条或绳索。
14为支撑架。
15为低温容器，用于盛放液氮并保持超导材料的温度环境的稳定。
16为液氮，保持液面低于实验样品，高于夹具7水平底板。
17为高温超导带材。
18为电流引线。
19为热触发装置。
20为超导带材传感器放置区域，如温度传感器、电压引线、光纤传感器、霍尔探头等。
21为配重砝码，利用砝码自重实现力学加载。
实现给定预拉伸量的实验方法。如图2所示，通过调整绳索收紧器11可提供给超导带材17预定的拉伸量，从而使17处于内部拉伸状态。整个实验过程中由于带材处于不同的发热状态，会导致局部热胀冷缩，所以整个过程中力传感器12的测量值是会发生变化的。
实验过程中实现恒定轴向拉力的方法。如图3所示，绳索13左端牵引竖板4的顶端绕过定滑轮4后竖直向下，底部悬挂砝码，利用砝码的重力实现加载。整个实验过程中由于砝码21所受重力不变，该力会一直传递到实验带材上，实现整个过程中的恒定力加载。
1.2超导材料夹持部分
如图4所示，紫铜“L形”构件7对扣并用螺栓加固后，可以对带材实现有效的夹持。中部设置有与绝缘板6组成铰接的圆柱形轴托。将带材放置于中心并夹紧后能够保证带材安装后施加荷载形成轴向拉伸，避免弯矩的存在。
另外可通过调节“L形”竖杆5实现两组7之间的距离，实现不同规格带材长度的测试。
1.3电流加载和绝缘绝热部分
电流通过线缆18与7连接后直接输入超导带材，实现电流的引入。同时连接板6是绝缘材料同时也是热的不良导体，绝缘的同时也避免了外界热量带入7中，影响超导带材的导电性。
1.4超导带材热触发失超部分
在超导带材17的中部设置一个电热片，设置通入的电流量大小实现热量的控制，由于热量的产生使得局部出现温度上升，从而失超，形成常导体，带材载流的焦耳效应形成热源并得到扩展。
1.5实验传感部分
超导带材热源19两侧20为设置传感器的位置，可以加入单点式、准分布式、分布式的温度、应变、电压传感器，实现对失超传播特性的研究。
1.6背景磁场
本装置提供的试验段空间较大，可以在低温容器外部或内部加入电磁铁，形成横向磁场。机械部分大多为铝或紫铜、黄铜材质，可有效避免磁性材料对背景磁场的干扰。
1.7超导带材低温恒温环境的形成
实现气态环境冷却和传导冷却环境。液氮容器15采用绝热良好的材质，控制液氮挥发量在较低水平，同时保持液氮液面没过紫铜件7的下部，并保证液氮不与超导材料接触，留有适量气态间隙。使得超导带材通过液面附近的氮气冷却，同时夹具7也可将液氮的冷量传导至带材，实现气体环境冷却和铜块传导冷却，充分达到实验对冷却的要求。
若需要完全液氮浸泡式的冷却环境，只需加入液氮超过带材上表面即可。
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 (8)
1.一种多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：包括支座、主梁、可滚动的导轮、1形竖杆、L形竖杆、绝缘材料制成的夹持连接板、紫铜材料制成的带材夹持和通电部件、铰链、固定块、铰连接、链条或绳索、低温容器、液氮和电流引线，所述主梁由两块金属板用螺栓紧固组成，两端位于支座上面，可滚动的导轮通过转轴设于主梁右侧向上伸出的支撑臂上端，1形竖杆中部通过铰链连接于主梁左侧，L形竖杆上部通过两个铰链与主梁固定连接在一起；带材夹持和通电部件，分为两组，每组由两个“L形”铜构件组成，两个“L形”铜构件相背设置，带材通过螺栓夹持在两个铜构件竖直面之间，“L形”构件水平底面设有螺栓孔用于接入导线实现电流的施加，“L形”紫铜构件的水平底面浸于液氮中；所述链条或绳索连接在1形竖杆的上端，所述固定块设于导轮下方的主梁上用于固定通过导轮的链条或绳索；夹持连接板分别连接在1形竖杆下端和L形竖杆下端与带材夹持和通电部件之间；所述低温容器用于盛放液氮，电流引线与高温超导带材相连。
2.根据权利要求1所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：还设有绳索收紧器、力学传感器、热触发装置，所述力学传感器通过链条或绳索经过导轮与绳索收紧器相连接。
3.根据权利要求1所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：固定块下方与链条或绳索相连设有配重砝码。
4.根据权利要求1所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：所述支座位于支撑架上面。
5.根据权利要求1所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：所述超导带材的中部设有热触发装置。
6.根据权利要求5所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：所述热触发装置为设于超导带材的中部的电热片，通过设置通入的电流量大小实现热量的控制。
7.根据权利要求1所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：所述高温超导带材上设有温度传感器、应变传感器、电压传感器。
8.根据权利要求1所述的多功能超导材料力学实验加载装置，其特征在于：所述夹持连接板为两组，每组为两块，上端分别夹持固定在1形竖杆下端和L形竖杆下端，下端与“L形”紫铜构件通过铰连接活动连接。
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