CN113640133B - 一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，包括：固定座，其可拆卸设置在显微镜的工作台上；所述固定座上可拆卸设置有快插拔结构；所述快插拔机构左端通过进气管连接充气装置，右端连接可变接头；所述可变接头端部粘贴有封口薄膜；所述封口薄膜与显微镜的观测端垂直对应。本发明可直接测量封口薄膜在不同厚度、不同直径条件下的耐压情况，为相关柱腔充气靶充填气体压力设计提供直接的测试数据。除此之外，还可以通过记录薄膜的扩胀程度和充入气体压力之间的关系，建立薄膜的应力‑应变曲线，从而获得薄膜的弹性模量、断裂伸长率、拉伸强度等信息，为新靶型的设计和薄膜材料选择提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及激光聚变相关装置领域，具体为一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置。
背景技术
激光与等离子体相互作用(LPI)是激光惯性约束聚变分解实验的一项重要研究内容，柱腔充气靶/气袋靶是研究LPI的主要靶型。柱腔充气靶/气袋靶的靶件主要由支撑环(柱腔充气靶为柱腔)、封口薄膜和充气管等部分组成。在柱腔充气靶设计中，靶内气体的填充压力和压力保持程度是物理实验关心的技术指标之一。而柱腔封口薄膜的厚度、力学性能与充气靶内气体填充的压力和压力保持密切相关。
目前对薄膜的力学性能测试已开发出多种测量手段进行研究，但相比较而言，传统的力学测量技术以及相关的设备仪器主要用于三维大尺寸样品的宏观力学性能测量，而对物理实验所关心的薄膜耐压状况无法进行直接的表征。因此，我们需要设计一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，从而实现对不同厚度、柱腔半径条件下封口薄膜的耐压情况的直接测量，并通过薄膜的膨胀尺度对其相关的力学性能进行一定的表征。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，包括：固定座，其可拆卸设置在显微镜的工作台上；所述固定座上可拆卸设置有快插拔结构；所述快插拔机构左端通过进气管连接充气装置，右端连接可变接头；所述可变接头端部粘贴有封口薄膜；所述封口薄膜与显微镜的观测端垂直对应。
优选的是，其中，所述固定座上端设置有两个支撑板Ⅰ；其中一个所述支撑板Ⅰ上端通过铰链座可转动设置有一个压板；所述压板上设置有限位块；另外一个所述支撑板Ⅰ上端设置有用于嵌合所述限位块的凹槽；两个所述支撑板Ⅰ之间设置有用于嵌合安装所述快插拔机构的限位座；所述限位座上设置有缓冲海绵。
优选的是，其中，两个所述支撑板Ⅰ之间一体设置有支撑板Ⅱ；所述支撑板Ⅱ位于所述限位座一侧；所述支撑板Ⅱ上开设有供所述进气管穿过的通孔。
优选的是，其中，所述固定座中设置有收纳腔；所述收纳腔中固定设置有两根支撑轴；两根所述支撑轴上分别缠绕设置有可弹性收卷的拉伸带；所述收纳腔两侧设置有开口；两条所述拉伸带的拉伸端互为相反方向且在同一直线上；两条所述拉伸带的拉伸端分别从两个所述开口中拉出后连接有固定扣；所述固定扣上设置有用于卡合扣紧显微镜工作台侧边的限位槽；两个所述开口上分别横向固定设置有与所述限位槽相匹配的限位杆。
优选的是，其中，所述固定座上固定设置有支撑筒；所述支撑筒上端设置有通孔；所述支撑筒两侧设置有条形滑孔；所述支撑筒中滑动穿设有T型伸缩杆；所述T型伸缩杆上端从所述通孔中伸出后固定连接一个缓冲板；所述缓冲板紧密抵靠在所述可变接头下端；所述T型伸缩杆下端两侧一体设置有固定丝杆和连杆；所述固定丝杆从其中一个所述条形滑孔中伸出，且通过固定螺栓拧紧固定在所述支撑筒外壁之上；所述连杆从另外一个所述条形滑孔中伸出后固定连接有滑钮。
优选的是，其中，所述快插拔结构为一个气动快速接头；所述进气管为一根1/8不锈钢气路管。
优选的是，其中，所述可变接头为一个可被配置为不同口径的通气短管；所述封口薄膜与所述通气短管的粘结部均匀覆盖了所述通气短管端部的整个圆环面。
优选的是，其中，所述充气装置包括一个储气罐；所述储气罐进气端通过两个流量计控制器分别与两个气瓶连接；所述储气罐出气端依次通过一个压力传感器和一个压力控制器后与所述进气管外端连接。
优选的是，其中，所述显微镜为3D数字显微镜。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明可直接测量封口薄膜在不同厚度、不同直径条件下的耐压情况，为相关柱腔充气靶充填气体压力设计提供直接的测试数据。除此之外，还可以通过记录薄膜的扩胀程度和充入气体压力之间的关系，建立薄膜的应力-应变曲线，从而获得薄膜的弹性模量、断裂伸长率、拉伸强度等信息，为新靶型的设计和薄膜材料选择提供理论依据。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的总结构的平面图；
图2为本发明提供的固定座的俯视截面图；
图3为本发明提供的支撑筒及其连接结构的前视截面图；
图4为本发明提供的充气装置的平面图；
图5为本发明提供的不同厚度的封口薄膜在不同压力和半径下的膨胀尺度的示意图；
图6为本发明提供的封口薄膜的应力与压力的关系图；
图7为本发明提供的封口薄膜的模量与应变的关系图；
图8为本发明提供的显微镜观测封口薄膜的测量截图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
图1-8示出了本发明的一种实现形式，包括：
固定座1，其可拆卸设置在显微镜的工作台上；所述固定座1上可拆卸设置有快插拔结构2；所述快插拔机构2左端通过进气管3连接充气装置，右端连接可变接头5；所述可变接头5端部粘贴有封口薄膜6；所述封口薄膜6与显微镜的观测端垂直对应。
工作原理：
在使用本发明时，使用充气装置经进气管3对安装在快插拔结构2上的可变接头5内腔不断充气，不停调整充气装置的输气气压来改变可变接头5内腔的气压，然后便可通过显微镜观察粘结在可变接头5端部的封口薄膜6的膨胀情况，通过改变可变接头5的口径和封口薄膜6的厚度来进行更替测试，便可得到不同情况的实验数据，从而满足了封口薄膜6力学性能测试的实际需要。
在这种技术方案中，由于我们的实验目的是要在不同的“柱形腔”中去检测不同厚度封口薄膜6的膨胀情况，而可变口径的可变接头5就可直接模拟出不同大小的“柱形腔”结构，在贴好封口薄膜6加上气压后就可直接实现对封口薄膜6的膨胀，结构稳定，膨胀效果好，作业效率高，可控性强；进气管3方便了快插拔机构2和外部充气装置的对接；快插拔机构2实现了对可变接头5的快速带压装卸，方便交替测试，提升检测效率；固定座1实现了各个装配部件集成和稳定，让显微镜的观测端与封口薄膜6的膨胀端面保持垂直，可以准确的测量出封口薄膜6的膨胀尺寸，显著提升了检测精度。
在上述技术方案中，所述固定座1上端设置有两个支撑板Ⅰ101；其中一个所述支撑板Ⅰ101上端通过铰链座102可转动设置有一个压板103；所述压板103上设置有限位块104；另外一个所述支撑板Ⅰ101上端设置有用于嵌合所述限位块104的凹槽105；两个所述支撑板Ⅰ101之间设置有用于嵌合安装所述快插拔机构2的限位座106；所述限位座106上设置有缓冲海绵107。这样设置的好处是，两个支撑板Ⅰ101为限位座106提供了安装空间和一定的支撑性，方便后续各部件的集成安装；整个快插拔机构2可直接安装在限位座106中，连接稳定，装卸方便，实现了可拆卸连接；同时通过转动压板103就可直接将快插拔机构2进行压紧，同时将限位块104与凹槽105相扣合后，可进一步对快插拔机构2实现稳定限位；缓冲海绵107可对快插拔机构2进行缓冲保护，防止快插拔机构2多次装卸后出现磨损。
在上述技术方案中，两个所述支撑板Ⅰ101之间一体设置有支撑板Ⅱ111；所述支撑板Ⅱ111位于所述限位座106一侧；所述支撑板Ⅱ111上开设有供所述进气管3穿过的通孔。这样设置的好处是，快插拔机构2与进气管3连接部可直接嵌入在支撑板Ⅱ111的通孔中，起到一定保护作用；同时也方便了进气管3从通孔穿出后与充气装置的对接，使得整个固定座1集成度更高，让各个部件连接更加紧密。
在上述技术方案中，所述固定座1中设置有收纳腔121；所述收纳腔121中固定设置有两根支撑轴122；两根所述支撑轴122上分别缠绕设置有可弹性收卷的拉伸带123；所述收纳腔121两侧设置有开口124；两条所述拉伸带123的拉伸端互为相反方向且在同一直线上；两条所述拉伸带123的拉伸端分别从两个所述开口124中拉出后连接有固定扣125；所述固定扣125上设置有用于卡合扣紧显微镜工作台侧边的限位槽126；两个所述开口124上分别横向固定设置有与所述限位槽126相匹配的限位杆127。这样设置的好处是，在安装固定座1时，可直接将固定座1两侧的拉伸带123从两个开口124中拉出，再将两个固定扣125挂接到显微镜工作台的侧边上，即可将固定座1稳定固定在显微镜工作台上等待作业，操作容易，安装方便；作业完成需要拆卸时，直接将两个固定扣125与显微镜工作台的侧边分离，两根拉伸带123随即弹性回收，两个固定扣125直接嵌入到两根限位杆127上完成收纳，从而实现了稳定的可拆卸连接；限位槽126可与显微镜工作台的侧边的实现更加稳定的嵌合，保证固定座1安装后的稳定性；两根可弹性延伸拉伸带123可适配固定不同规格大小的显微镜的工作台，显著提升了装置的适用性；从而使得整个固定座1在显微镜的工作台上装卸非常方便快捷，无需使用额外的螺栓或固定板，节约准备时间，提升工作效率。
在上述所述技术方案中，所述固定座1上固定设置有支撑筒131；所述支撑筒131上端设置有通孔132；所述支撑筒131两侧设置有条形滑孔133；所述支撑筒131中滑动穿设有T型伸缩杆134；所述T型伸缩杆134上端从所述通孔132中伸出后固定连接一个缓冲板135；所述缓冲板135紧密抵靠在所述可变接头5下端；所述T型伸缩杆134下端两侧一体设置有固定丝杆135和连杆136；所述固定丝杆135从其中一个所述条形滑孔133中伸出，且通过固定螺栓137拧紧固定在所述支撑筒131外壁之上；所述连杆136从另外一个所述条形滑孔133中伸出后固定连接有滑钮138。这样设置的好处是，在对可变接头5上的封口薄膜6进行观测作业时，由于可变接头5内腔会导入较高的气压，可能导致可变接头5出现微小的偏移，进而导致封口薄膜6与显微镜的观测端无法精确的垂直对应，影响了检测精度；那么通过T型伸缩杆134上端的缓冲板135就可对可变接头5起到一个稳定支撑限位的作用，可防止可变接头5出现偏移从而影响精度；通过手控滑钮138在条形滑孔133中上下滑动，从而实现了对T型伸缩杆134的上下调距，以适配支撑不同大小和口径的可变接头5，提升了装置适用性。固定丝杆135配合固定螺栓137可将T型伸缩杆134稳定固定在支撑筒131上，拆卸方便，调整灵活。
在上述技术方案中，所述快插拔结构2为一个气动快速接头；所述进气管3为一根1/8不锈钢气路管。这样设置的好处是，气动快速接头可实现可变接头5在带压状态的快速更替装卸，显著提升检测效率；由于可变接头5与充气装置之间的管路直径和长度对可变接头5内腔气压影响很大，一但封口薄膜6与可变接头5端部的粘接密封性不好，则可变接头5的内腔气压很难达到稳定状态,且与充气装置上的气压显示存在差异，所以我们通过使用一根1/8不锈钢气路管，加大了可变接头5与充气装置之间管路的直径，减小了管路的长度，尽可能的降低了管路的气阻，把压力误差降到了最低。
在上述技术方案中，所述可变接头5为一个可被配置为不同口径的通气短管；所述封口薄膜6与所述通气短管的粘结部均匀覆盖了所述通气短管端部的整个圆环面；这样设置的好处是，通过使用不同口径的通气短管便可直接模拟出我们实验所需的大小不同的“柱形腔”，方便交替装卸测试；在更换不同厚度封口薄膜6在同一通气短管中进行吹气膨胀测试时，如果封口薄膜6和通气短管端部的圆环面粘接面积不是完全均匀，而是存在差异的话，那么可变接头5的内腔充气后，端部封口薄膜6的膨胀尺寸也会有差异，为了确保测量数据的有效性，在可变接头5端部与封口薄膜6的粘接部就必须要保证粘接胶斑大小的一致性，也就是胶水必须均匀的铺满通气短管端部的整个圆环面。
在上述技术方案中，所述充气装置包括一个储气罐41；所述储气罐41进气端通过两个流量计控制器42分别与两个气瓶43连接；所述储气罐41出气端依次通过一个压力传感器44和一个压力控制器45后与所述进气管3外端连接。这样设置的好处是，配备的两个气瓶43可根据实验需求充入两种气体，两个流量控制器42实现了气体在储气罐41的导入和输出，压力传感器44可实时显示压力参数，压力控制器可直接通过进气管3控制可变接头5内腔中的气体压力，提升了充气作业的效率。
在上述技术方案中，所述显微镜为3D数字显微镜。这样设置的好处是，3D数字显微镜是集观察、记录、测量等功能的一体化装置，放大倍数为20～200倍，与传统光学显微镜相比，在同倍率下可实现10倍以上的大景深观察，所以能够准确的测量出封口薄膜6的膨胀尺度。
实施例1：
如图5所示，我们选用两种厚度的封口薄膜6(500nm和750nm)分别在1～4mm半径的可变接头5上做耐压实验。得出实验结论如下：
1、可变接头5半径相同时，封口薄膜6厚度和耐压强度为正比关系；
2、可变接头5半径及充气压力相同时，封口薄膜6厚度与封口薄膜6膨胀尺度为反比关系；
该结论为相关柱腔充气靶充填气体压力设计提供了直接的测试数据。
实施例2：
如图6所示，我们选用同种厚度的封口薄膜6，分别在1～4mm半径的可变接头5上做耐压实验。得出实验结论如下：
1、封口薄膜6厚度相同时，可变接头5半径与封口薄膜6耐压强度为反比关系；
2、封口薄膜6厚度及充气压力相同时，可变接头5半径与封口薄膜6膨胀尺度为正比关系。
该结论为相关柱腔充气靶充填气体压力设计提供了直接的测试数据。
实施例3：
如图7所示，我们根据下列三组公式：
式中：P为压力；a为封口薄膜6半径；th为封口薄膜6的厚度；h为封口薄膜6膨胀的最大高度。
通过计算得出封口薄膜6的应力和应变关系曲线，该曲线体现了可变接头5腔内气体的压力、封口薄膜6的半径和厚度，封口薄膜6弹性模量，膨胀尺度的相互关系，提供了封口薄膜6力学性能相关的参数，从而为物理实验设计提供相应的参考。
由于在激光打靶时，封口薄膜6的厚度对激光打靶时设计的烧膜脉冲功率等有很大影响，太厚的封口薄膜6对激光的损耗很大。那么根据实施例1、实施例2、实施例3得到的各种封口薄膜6的关键力学数据，可以在设计高气压的充气靶物理实验时，为相应气压所需要封口薄膜6的最小厚度提供充足的参考依据。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，包括：
固定座，其可拆卸设置在显微镜的工作台上；所述固定座上可拆卸设置有快插拔结构；所述快插拔机构左端通过进气管连接充气装置，右端连接可变接头；所述可变接头端部粘贴有封口薄膜；所述封口薄膜与显微镜的观测端垂直对应；所述固定座上端设置有两个支撑板Ⅰ；其中一个所述支撑板Ⅰ上端通过铰链座可转动设置有一个压板；所述压板上设置有限位块；另外一个所述支撑板Ⅰ上端设置有用于嵌合所述限位块的凹槽；两个所述支撑板Ⅰ之间设置有用于嵌合安装所述快插拔机构的限位座；所述限位座上设置有缓冲海绵。
2.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，两个所述支撑板Ⅰ之间一体设置有支撑板Ⅱ；所述支撑板Ⅱ位于所述限位座一侧；所述支撑板Ⅱ上开设有供所述进气管穿过的通孔。
3.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，所述固定座中设置有收纳腔；所述收纳腔中固定设置有两根支撑轴；两根所述支撑轴上分别缠绕设置有可弹性收卷的拉伸带；所述收纳腔两侧设置有开口；两条所述拉伸带的拉伸端互为相反方向且在同一直线上；两条所述拉伸带的拉伸端分别从两个所述开口中拉出后连接有固定扣；所述固定扣上设置有用于卡合扣紧显微镜工作台侧边的限位槽；两个所述开口上分别横向固定设置有与所述限位槽相匹配的限位杆。
4.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，所述固定座上固定设置有支撑筒；所述支撑筒上端设置有通孔；所述支撑筒两侧设置有条形滑孔；所述支撑筒中滑动穿设有T型伸缩杆；所述T型伸缩杆上端从所述通孔中伸出后固定连接一个缓冲板；所述缓冲板紧密抵靠在所述可变接头下端；所述T型伸缩杆下端两侧一体设置有固定丝杆和连杆；所述固定丝杆从其中一个所述条形滑孔中伸出，且通过固定螺栓拧紧固定在所述支撑筒外壁之上；所述连杆从另外一个所述条形滑孔中伸出后固定连接有滑钮。
5.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，所述快插拔结构为一个气动快速接头；所述进气管为一根1/8不锈钢气路管。
6.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，所述可变接头为一个可被配置为不同口径的通气短管；所述封口薄膜与所述通气短管的粘结部均匀覆盖了所述通气短管端部的整个圆环面。
7.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，所述充气装置包括一个储气罐；所述储气罐进气端通过两个流量计控制器分别与两个气瓶连接；所述储气罐出气端依次通过一个压力传感器和一个压力控制器后与所述进气管外端连接。
8.如权利要求1所述的一种基于扩胀法的封口薄膜力学性能测试装置，其特征在于，所述显微镜为3D数字显微镜。
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