CN112129691B - 极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，包括真空箱、液氮片、加热装置、辐射装置、样品台、电磁铁和取样装置等部分。真空箱是极端环境下固体绝缘材料老化实验装置的箱体，整个箱体处于超真空、高温差、超低温、强辐射的环境下。利用真空泵抽掉箱体内的空气实现超真空环境，采用液氮片实现超低温环境，红外加热灯定向照射使材料两侧实现超温差，高能射线发射器实现超辐射环境。取样时通过电磁铁控制器给电磁铁断电，取得某个时段的样品。本发明利用了现有技术创造了极端环境，使得固体绝缘材料在更加恶劣的环境下实现老化取样实验，顺应了固体绝缘材料耐热、抗强辐射、耐高温差的发展要求。

Description

极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法

技术领域

本发明涉及一种极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，属于固体绝缘材料老化技术领域。

背景技术

空间太阳能电站是指在太空中将太阳能转化为电能，通过无线能量传输方式传输到地面，或是直接将太阳光反射到地面、在地面进行发电的系统。目前美国、俄罗斯、日本等国都在开展研究。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)提议，未来25年，日本计划建造太空太阳能电站，该机构详细描述了这一计划，从太空太阳能电站创建一个年发电量10亿瓦的商业系统，这相当于一座核电站每年发电量。我国航天五院“钱学森空间技术实验室”团队已开展太阳能电站具体研究工作，目前正处于研究试验阶段。所采用的电池阵电压等级为500V，主母线高压电缆电压等级为5kV。太空中由于没有空气对流传热，电缆向阳的一面吸收太阳的辐射热，温度可达100多摄氏度，而背阳的一面由于处于太空中低至零下100多摄氏度，这便形成了极高的温度梯度，高温度梯度势必会加剧固体绝缘材料的老化。同时在太空中存在着大量的高能放射离子，这些粒子在高速运动中不断轰击绝缘材料表面，也会造成绝缘材料的老化。绝缘材料老化可能导致沿面放电现象，严重威胁空间太阳能电站的可靠运行。因此有必要针对固体绝缘材料在超真空、高温差、超低温、强辐射的环境下的老化开展研究工作，搭建实验平台，模拟其老化过程。

目前，对于固体绝缘材料老化问题上主要是针对在正常环境下发生的老化，也有学者开展了对于改性材料和电子辐射下的研究，有部分涉及到真空环境，但是对于高温度梯度下并无发现相关研究。对于展开对固体绝缘材料在超真空、高温差、超低温、强辐射的极端环境下老化的研究十分有建设意义。

发明内容

本发明提出一种极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，该实验装置可以同时实现超真空、高温差、超低温、强辐射的极端环境中模拟固体绝缘材料老化过程，并且可以在不破坏密封条件下实现取样，实验条件更贴近太空中实际的运行环境，具有密封、坚固和方便操作的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，其特征在于：包括真空箱、液氮片、加热装置、辐射装置、样品台、电磁铁和取样装置等部分组成。真空箱是极端环境下固体绝缘材料老化实验装置的箱体，采用不锈钢制作，外接真空泵抽掉箱体内的空气实现超真空环境；液氮片内充满液氮，用于制造低温环境；加热装置由红外加热灯和红外测温仪组成，红外加热灯设置六组，在箱体顶端定向照射样品，红外测温仪实时监测箱体内温度；辐射装置采用高能射线发射器，同样设置六组，与红外加热灯并排，定向照射样品，实现超辐射环境；样品台采用六边形结构分为六组，每组采用三角形板搭载样品，三角形板顶部嵌有不锈钢板，并与电磁铁相吸附；样品设置六组，放置于样品台上，形状为10cm左右的立方体；电磁铁分为六组，均与真空箱体内中间支柱相连，老化时电磁铁通电，吸住三角形板顶端金属，使得样品能够在样品台上放置进行老化，取样时电磁铁断电，在重力的而作用下三角形板打开，样品掉落至真空箱底部取样瓶；取样装置由真空室和取样瓶组成，真空室上端接真空箱底部，两者之间接一个薄型阀门，下端接取样瓶，真空室与取样瓶之间通过加有密封圈的螺纹连接，真空室外接真空泵，始终保持真空箱内的超真空环境。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，真空箱采用不锈钢制作，内表面铺设真空隔热板，保持箱内温度稳定，真空箱上盖要留有铜导体出口、加热装置和辐射装置引线出口，真空箱底部设置斜坡，斜坡角度需在30°至45°之间，便于样品掉落后滚入取样室，真空箱下方需开设抽气口，外接真空泵。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，液氮片采用不锈钢制成，环绕箱体内部一周，内部充满液氮，使得真空箱体内温度在-70℃至-90℃之间。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，红外加热灯采用定向照射样品上表面，控制样品上表面温度在100℃左右。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，高能射线发射器定向照射样品上表面，发射出γ射线和x射线粒子。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，三角形板由聚四氟乙烯制成，三角形板顶端嵌有不锈钢板，由电磁铁吸附，三角形板底端穿过旋转轴，当电磁铁断电时，三角形板能够打开使样品掉落。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，电磁铁接线从支柱内部通过连接至真空箱外部电磁铁控制器，控制电磁铁通断。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，真空室由聚四氟乙烯制成，取样瓶由石英玻璃制成，两者直径均能够使样品顺利落下。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，真空室与真空箱之间的薄型阀门大小需使得样品能够顺利通过。

所述极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，老化时电磁铁通电，吸住三角形板顶端不锈钢板，使得样品能够在样品台上放置进行老化，取样时通过电磁铁控制装置令电磁铁断电，在重力的而作用下三角形板打开，样品掉落至真空箱底部并顺着底部斜坡滑入取样瓶，关闭薄型阀门后，既可以取走取样瓶里的样品，又可以保证真空箱内处于超真空状态。

本发明的有益效果为：实验装置可以实现超真空、高温差、超低温、强辐射的老化环境，更加贴近于太空中的实际环境，同时可以实现在不同的老化时间内进行实时取样，且不破坏实验环境，可以满足固体绝缘材料在极端环境下的老化实验的要求。

附图说明

图1为极端环境下固体绝缘材料老化实验装置正视结构图。

图2为极端环境下固体绝缘材料老化实验装置俯视结构图。

图3为固体绝缘材料老化和取样方法图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种极端环境下固体绝缘材料老化实验装置与取样方法，其特征在于：包括真空箱、液氮片、加热装置、辐射装置、样品台、电磁铁和取样装置等部分组成，如图1所示。真空箱是极端环境下固体绝缘材料老化实验装置的箱体，采用不锈钢制作，外接真空泵抽掉箱体内的空气实现超真空环境；液氮片内充满液氮，用于制造低温环境；加热装置由红外加热灯和红外测温仪组成，红外加热灯设置六组，在箱体顶端定向照射样品，红外测温仪实时监测箱体内温度；辐射装置采用高能射线发射器，同样设置六组，与红外加热灯并排，实现超辐射环境；样品台采用六边形结构分为六组，如图2所示，每组采用三角形板搭载样品，三角形板顶部嵌有不锈钢板，并与电磁铁相吸附；电磁铁分为六组，均与真空箱体内中间支柱相连，老化时电磁铁通电，吸住三角形板顶端金属，使得样品能够在样品台上放置进行老化，取样时电磁铁断电，在重力的而作用下三角形板打开，样品掉落至真空箱底部取样瓶；取样装置由真空室和取样瓶组成，真空室上端接真空箱底部，两者之间接一个薄型阀门，下端接取样瓶，真空室与取样瓶之间通过加有密封圈的螺纹连接，真空室外接真空泵，始终保持真空箱内的超真空环境。

真空箱采用不锈钢制成，箱体成圆柱体形状，完全处于密封条件。真空箱上方采用密封盖，密封盖可以打开以便放置样品，真空箱上盖要留有铜导体出口、加热装置和辐射装置引线出口。真空箱下方设有开口连接真空泵，通过真空泵抽取箱内空气，使得箱体内处于超真空环境。液氮片环绕箱体内一周，如图2所示，液氮片由不锈钢制成，内部充满液氮，通过控制液氮的流通营造超低温环境，控制箱体内温度在-70℃至-90℃之间。真空箱内表面铺设真空隔热板，保证箱体内温度在一个稳定范围之内。在真空箱顶部设置6组红外照射灯，如图2，采用定向照射样品，使得样品上表面温度在100℃左右，这样样品上表面与下表面之间形成了高温差。在箱体顶部布置红外测温仪，实时监测样品周围温度。同时在红外照射灯旁边布置高能射线发射器，发生γ射线和x射线，采用定向照射样品，令样品处于超辐射环境。综上所述，真空箱内形成了一个超真空、超低温、高温差、强辐射的环境。

样品老化时放置于样品台，样品台采用六边形结构分为六组，如图2所示，每组采用三角形板搭载样品，三角形板顶部嵌有不锈钢板，并与电磁铁相吸附，电磁铁同样分为六组，均与真空箱体内中间支柱相连，吸住三角形板顶端金属板。老化时，使用真空泵抽取箱内空气，向液氮片内通入液氮，当箱内温度达到-70℃至-90℃之间，开启红外照射灯和高能射线发射器，同时开始计时进行老化，达到预计时间后开始进行取样。

取样时，通过电磁铁控制器给电磁铁断电，三角形板失去电磁铁的引力，在重力的作用下瞬间打开，同时样品在重力的作用下掉落，如图3所示。样品掉落至真空箱下方斜坡，经斜坡作用滑落或滚落至取样瓶内。关闭薄型阀门，保持箱内超真空环境，拿走取样瓶对样品进行测试分析，更换取样瓶连接至真空室，开启真空室连接的真空泵，使得真空室和取样瓶内处于真空环境，打开薄型阀门，连通真空箱和取样瓶，准备进行下一次取样。

综上所述，实验装置可以实现超真空、高温差、超低温、强辐射的极端老化环境，模拟太空中的实际环境，同时可以实现在不同的老化时间内进行实时取样。装置整体密封性强，可灵活控制温度、辐射等环境参数，方便取样与观察，此实验平台可以满足固体绝缘材料在极端环境下的老化实验的要求。

Claims (2)

1.一种极端环境下固体绝缘材料老化实验装置，其特征在于：包括真空箱、液氮片、加热装置、辐射装置、样品台、电磁铁和取样装置；

真空箱是极端环境下固体绝缘材料老化实验装置的箱体，采用不锈钢制作，外接真空泵抽掉箱体内的空气实现超真空环境；

液氮片内充满液氮，用于制造低温环境；液氮片采用不锈钢制成，环绕箱体内部一周，内部充满液氮，使得真空箱体内温度在-70℃至-90℃之间；

加热装置由红外加热灯和红外测温仪组成，红外加热灯设置六组，在箱体顶端定向照射样品上表面，控制样品上表面温度在100℃，创造了样品局部高温差的老化环境，红外测温仪实时监测箱体内温度；

辐射装置采用高能射线发射器，同样设置六组，与红外加热灯并排，定向照射样品上表面，发出γ射线和x射线粒子，实现超辐射环境；样品台采用六边形结构，分为六组，每组采用三角形板搭载样品，三角形板顶部嵌有不锈钢板，并与电磁铁相吸附；

样品设置六组，放置于样品台上，形状为10cm左右的立方体；电磁铁分为六组，均与真空箱体内中间支柱相连，老化时电磁铁通电，吸住三角形板顶端金属，使得样品能够在样品台上放置进行不同时间的老化，到达设定的老化时间后依次取样，取样时电磁铁断电，在重力的作用下三角形板翻转，样品掉落至真空箱底部的斜坡进而滑落至取样瓶；

真空室上端接真空箱底部，两者之间接一个薄型阀门，薄型阀门的大小需使得样品能够顺利通过，真空室下端接取样瓶，真空室与取样瓶之间通过加有密封圈的螺纹连接，真空室外接真空泵，始终保持真空箱内的超真空环境；

真空箱采用不锈钢制作，内表面铺设真空隔热板，保持箱内温度稳定，真空箱上盖要留有铜导体出口、加热装置和辐射装置引线出口，真空箱底部设置斜坡，斜坡角度在30°至45°之间，便于样品掉落后滚入取样瓶，真空箱下方需开设抽气口，外接真空泵；

三角形板由聚四氟乙烯制成，三角形板顶端嵌有不锈钢板，由电磁铁吸附，三角形板底端穿过旋转轴，当电磁铁断电时，三角形板能够打开使样品掉落；

电磁铁接线从支柱内部通过连接至真空箱外部电磁铁控制器，控制电磁铁通断。

2.一种极端环境下固体绝缘材料老化取样方法，其特征在于，它使用权利要求1所述的极端环境下固体绝缘材料老化实验装置，老化时电磁铁通电，吸住三角形板顶端不锈钢板，使得6组样品能够在样品台上放置进行老化，所述6组样品根据需求设置相同或者各自不同的老化时间，到达设定的老化时间后分别对6组样品进行取样，取样时通过电磁铁控制装置令电磁铁断电，在重力的作用下三角形板翻转，样品掉落至真空箱底部并顺着底部斜坡滑入取样瓶，先关闭薄型阀门，维持真空箱内部的真空条件后，取下取样瓶，以此达到实时取样并且不破坏实验环境的效果，从取样瓶取样完成后，连接取样瓶与真空室，然后将真空室和取样瓶的空气抽走，再将薄型阀门打开，保持三者联通空间的真空状态不变，等到下一次取样时间到达后重复以上操作过程，这样在一次试验过程中完成了6组样品在相同的环境条件下进行不同时间的老化，并且在不破坏实验环境的基础上实现了实时取样。

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