CN113820199A - 一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高静水压下软材料的力学性能测试技术领域，具体涉及一种可模拟超高静水压环境的磁控软材料性能检测装置。本发明的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置包括X、Y、Z方向磁发生装置、高压环境舱和观察装置。本发明利用三组用于产生不同方向磁场的磁发生装置用于产生磁场强度大小与方向可控的磁场，以满足对软材料样条的磁化端施加载荷的目的，并利用显微观察装置对高压环境内软材料在磁场力作用下的力学行为进行观察与记录，以此来对其材料特性进行反推和求解。

Description

一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置
技术领域
本发明涉及高静水压下软材料的力学性能测试技术领域，具体涉及一种可模拟超高静水压环境的磁控软材料性能检测装置。
背景技术
随着人类对海洋的探索不断加深，面向多种需求的水下无人机、水下机器人技术不断革新。近年来，水下软体机器人由于其无噪声，仿生性与环境亲和性好，隐蔽性极佳的特点，成为了水下机器人领域的研究热点之一。
水下软体机器人使用功能软材料构成驱动机构，常见的功能软材料包括IPMC，SMA，DE等。这些功能软材料本身刚度不大，在不考虑水压的时能够正常的利用其驱动原理为机器人提供动力。但随着深度增加，功能软材料的工作特性随着外界压力的增大出现了巨大的变化，在过去的科研试验中出现了不能正常工作的情况，因此需要在实验室中对高压水环境进行模拟，通过实验测试得到高水压下的材料性能。
对于一般的软材料，可以通过拉伸机等设备，根据超弹性材料模型对试验测试数据进行拟合，得到相关的材料性能，但不能得到高压下材料的特性。现有的模拟高压环境的装置，例如金刚石对顶砧，可以最高得到1TPa的压强，但不能模拟水环境，只能通过光谱的方式得到样品的性能；中科院的液体环境高温高压极端条件实验子系统，可以模拟最大0.5GPa水压，但仪器设备昂贵，而且不能对样品条进行操控。
中国专利公开号CN204773698U公布了一种微型超高压设备，但该装置不能提供观察腔室，而是用来进行压缩加工。因此，要在高压环境下通过磁控手段探究软体材料的特性，需要设计一种可以承受超高静水压的观察装置以及磁操控配套装备。中国专利公开号CN110216667公布了一种磁控软体机器人的可控磁化系统，但该装置目的在于控制软体机器人磁化，并在外部磁场的控制下按轨迹运动，其设计与工装没有进行高压环境的模拟，不适用于解决软体材料在高压环境下下发生磁控变形的场景。
发明内容
基于此，本发明给出一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，该装置可以在实验室等常压环境下，利用高压环境舱模拟超高压环境，并利用磁场对高压环境舱中的软材料样条进行加载，通过观测其变形、表面裂纹等现象，得到超高压下功能软材料的材料特性，并预测在超高压环境中材料的行为。
为解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案概述如下：
一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，包括，下托盘支架1、下托盘2、安装平台3、Z方向磁发生装置4、上托盘5、Y方向磁发生装置6、X方向磁发生装置8、观察平台9、高压环境舱10和上托盘支架11，所述下托盘支架1固接在安装平台3下方，所述下托盘2固接在下托盘支架1下端，所述上托盘支架11固接在所述安装平台3上方，所述上托盘5固接在所述上托盘支架11上端，所述Z方向磁发生装置4包括上端Z方向磁发生装置和下端Z方向磁发生装置，所述上端Z方向磁发生装置设置在所述上托盘5中，所述下端Z方向磁发生装置设置在所述下托盘2中，所述安装平台3上端中部设置有凹槽，所述观察平台9设置在所述凹槽中，在凹槽两侧对称设置有挡板一和挡板二，所述Y方向磁发生装置6包括前Y方向磁发生装置和后Y方向磁发生装置，所述前Y方向磁发生装置固接在所述挡板一上，所述后Y方向磁发生装置固接在所述挡板二上，所述高压环境舱10和所述X方向磁发生装置均设置在所述观察平台9上，所述X方向磁发生装置包括左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置，所述左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置对称设置在所述高压环境舱10的两侧。
进一步的，本发明的一种模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置还包括观察装置7，所述观察装置7位于所述上Z方向磁发生装置上方，所述观察装置7与上位机相连。
进一步的，本发明的所述上托盘支架11的数量为多个，优选为2-4个，多个所述上托盘支架11围绕所述观察平台9间隔设置。
进一步的，本发明的所述下托盘支架1的数量为多个，优选为2-4个，多个所述下托盘支架1围绕所述观察平台9间隔设置。
进一步的，本发明的所述上托盘5和下托盘2的结构均呈环形。
进一步的，本发明的所述凹槽的截面形状呈矩形，所述观察平台9的截面形状呈倒T形，呈倒T形结构的观察平台9的水平部固接在所述凹槽内部，所述高压环境舱10设置在所述观察平台9的竖直部的上端。
进一步的，本发明的所述左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置对称设置在所述观察平台9的竖直部的两侧。
进一步的，本发明的所述高压环境舱10包括加压通道10-1、高压环境舱壳体10-2、高压环境舱盖体10-3、观察孔、观察孔镜片10-4、高压腔室10-6、通光孔和通光孔镜片10-7；所述加压通道10-1设置在所述高压环境舱壳体10-2的左侧，所述高压环境舱壳体10-2的中部设置有凹口，所述高压环境舱盖体10-3设置在所述凹口内，所述观察孔贯穿设置在所述高压环境舱盖体10-3的中部，在所述高压环境舱盖体10-3下端面的中部设置有观察孔镜片安装槽，所述观察孔镜片安装槽与所述观察孔连通，所述观察孔镜片10-4设置在所述观察孔镜片安装槽内；所述高压腔室10-6设置在所述高压环境舱壳体10-2的内部，所述高压腔室10-6与所述加压通道10-1相连通；所述高压腔室10-6下方设置一通光孔镜片安装槽，所述通光孔镜片安装槽下方设置所述通光孔，所述通光孔贯穿所述高压环境壳体10-2并与所述通光孔镜片安装槽相连通。
进一步的，本发明的所述高压环境舱10还包括超高压密封圈10-5，所述高压环境舱盖体10-3下端面设置有环绕所述观察孔镜片安装槽的环形密封槽，所述超高压密封圈10-5设置在所述环形密封槽内。
进一步的，本发明的所述观察孔的截面结构呈锥台形，从高压环境舱盖体10-3的上端至下端的方向，所述观察孔的直径从大至小变化。
进一步的，本发明的所述通光孔的截面结构呈锥台形，从高压环境舱壳体10-2的下端至上端的方向，所述通光孔的直径从大至小变化。
本发明的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，主体部分是一由特殊耐压材料制作的高压环境舱，可承受200MPa以上的高压，长宽尺寸小于100mmx100mm，高度尺寸小于80mm。
本发明将预先制备的一端混有已被磁化的磁性颗粒的软材料样条被固定于高压环境舱内后，利用外置加压设备对高压环境舱的内环境进行加压，待压力稳定后，将高压环境舱固定于观察平台通光孔上方进行观察。
本发明利用三组用于产生不同方向磁场的磁发生装置用支撑结构固定在高压环境舱周围，用于产生磁场强度大小与方向可控的磁场，以满足对软材料样条的磁化端施加载荷的目的。本发明可对用于产生磁场的线圈进行控制，在空间中产生目标磁场，磁场对软材料样条施加磁场力，利用显微观察装置对高压环境内软材料在磁场力作用下的力学行为进行观察与记录，以此来对其材料特性进行反推和求解。
本发明所取得的有益技术效果：
1.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，可模拟极端深海等高水压环境，在200MPa的静水压下保证密封性能，并提供观察窗口。
2.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，可以简单地在高压环境下完成加载，模拟预定的加载过程。
3.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，通过改变磁性样品条的制作方法，可模拟不同构型下待测软材料的在高压环境中的行为。
4.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，通过改变磁场的施加形式和改变磁性样品条内磁性颗粒分布的方式，可任意对样条施加载荷，模拟实际应用中的多种载荷情况。
本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，结构可靠，模块化集成度高，填补了在深海环境下柔性材料特性研究方面的空白。
附图说明
为了获得本发明的上述和其他优点及特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述；在附图中：
图1是为本发明的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置的结构示意图；
图2是本发明的为高压环境舱的示意图；
图3是本发明的高压环境舱的内部结构示意图；
图4是本发明的为本发明的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置实施例1的工作示意图；
附图中：1、下托盘支架；2、下托盘；3、安装平台；4、Z方向磁发生装置；5、上托盘；6、Y方向磁发生装置；7、观察装置；8、X方向磁发生装置；9、观察平台；10、高压环境舱；11、上托盘支架；10-1、加压通道；10-2、高压环境舱壳体；10-3、高压环境舱盖体；10-4、观察孔镜片；10-5、超高压密封圈；10-6、高压腔室；10-7、通光孔镜片。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。以下描述中的“前”、“后”、“左”、“右”等方向性术语并不解释为对本发明的限制。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
下面结合附图对本发明提供的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置的结构作进一步的详细说明：
如图1-3所示，本发明提供的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，包括，下托盘支架1、下托盘2、安装平台3、Z方向磁发生装置4、上托盘5、Y方向磁发生装置6、X方向磁发生装置8、观察平台9、高压环境舱10和上托盘支架11，所述下托盘支架1固接在安装平台3下方，所述下托盘2固接在下托盘支架1下端，所述上托盘支架11固接在所述安装平台3上方，所述上托盘5固接在所述上托盘支架11上端，所述Z方向磁发生装置4包括上端Z方向磁发生装置和下端Z方向磁发生装置，所述上端Z方向磁发生装置设置在所述上托盘5中，所述下端Z方向磁发生装置设置在所述下托盘2中，所述安装平台3上端中部设置有凹槽，所述观察平台9设置在所述凹槽中，在凹槽两侧对称设置有挡板一和挡板二，所述Y方向磁发生装置6包括前Y方向磁发生装置和后Y方向磁发生装置，所述前Y方向磁发生装置固接在所述挡板一上，所述后Y方向磁发生装置固接在所述挡板二上，所述高压环境舱10和所述X方向磁发生装置均设置在所述观察平台9上，所述X方向磁发生装置包括左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置，所述左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置对称设置在所述高压环境舱10的两侧。
本发明的一种模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置还包括观察装置7，所述观察装置7位于所述上Z方向磁发生装置上方，所述观察装置7与上位机相连。
本发明的所述上托盘支架11的数量为多个，优选为2-4个，多个所述上托盘支架11围绕所述观察平台9间隔设置。
本发明的所述下托盘支架1的数量为多个，优选为2-4个，多个所述下托盘支架1围绕所述观察平台9间隔设置。
本发明的所述上托盘5和下托盘2的结构均呈环形。
本发明的所述凹槽的截面形状呈矩形，所述观察平台9的截面形状呈倒T形，呈倒T形结构的观察平台9的水平部固接在所述凹槽内部，所述高压环境舱10设置在所述观察平台9的竖直部的上端。
本发明的所述左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置对称设置在所述观察平台9的竖直部的两侧。
本发明的所述高压环境舱10包括加压通道10-1、高压环境舱壳体10-2、高压环境舱盖体10-3、观察孔、观察孔镜片10-4、高压腔室10-6、通光孔和通光孔镜片10-7；所述加压通道10-1设置在所述高压环境舱壳体10-2的左侧，所述高压环境舱壳体10-2的中部设置有凹口，所述高压环境舱盖体10-3设置在所述凹口内，所述观察孔贯穿设置在所述高压环境舱盖体10-3的中部，在所述高压环境舱盖体10-3下端面的中部设置有观察孔镜片安装槽，所述观察孔镜片安装槽与所述观察孔连通，所述观察孔镜片10-4设置在所述观察孔镜片安装槽内；所述高压腔室10-6设置在所述高压环境舱壳体10-2的内部，所述高压腔室10-6与所述加压通道10-1相连通；所述高压腔室10-6下方设置一通光孔镜片安装槽，所述通光孔镜片安装槽下方设置所述通光孔，所述通光孔贯穿所述高压环境壳体10-2并与所述通光孔镜片安装槽相连通。
本发明的所述高压环境舱10还包括超高压密封圈10-5，所述高压环境舱盖体10-3下端面设置有环绕所述观察孔镜片安装槽的环形密封槽，所述超高压密封圈10-5设置在所述环形密封槽内。
本发明的所述观察孔的截面结构呈锥台形，从高压环境舱盖体10-3的上端至下端的方向，所述观察孔的直径从大至小变化。
本发明的所述通光孔的截面结构呈锥台形，从高压环境舱壳体10-2的下端至上端的方向，所述通光孔的直径从大至小变化。
本发明的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，主体部分是一由特殊耐压材料制作的高压环境舱，可承受200MPa以上的高压，长宽尺寸小于100mmx100mm，高度尺寸小于80mm。
本发明的预先制备的一端混有已被磁化的磁性颗粒的软材料样条被固定于高压环境舱内后，利用外置加压设备对高压环境舱的内环境进行加压，待压力稳定后，将高压环境舱固定于观察平台通光孔上方进行观察。
本发明利用三组用于产生不同方向磁场的磁发生装置用支撑结构固定在高压环境舱周围，用于产生磁场强度大小与方向可控的磁场，以满足对软材料样条的磁化端施加载荷的目的。本发明可对用于产生磁场的线圈进行控制，在空间中产生目标磁场，磁场对软材料样条施加磁场力，利用显微观察装置对高压环境内软材料在磁场力作用下的力学行为进行观察与记录，以此来对其材料特性进行反推和求解。
如图1所示，一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，主要包括下托盘支架1，下托盘2，安装平台3，Z方向磁发生装置4，上托盘5,Y方向磁发生装置6,观察装置7,X方向磁发生装置8，观察平台9，高压环境舱10,上托盘支架11。下托盘支架1用以连接下托盘与安装平台；下托盘2用以支撑Z方向磁发生装置4的一部分；安装平台3用以安装上下托盘支架，中央所挖的槽与挡板可以固定Y方向磁发生装置6；z方向磁发生装置4用以产生Z方向的磁场；上托盘5用以支撑Z方向磁发生装置的一部分；Y方向磁发生装置6用以产生Y方向的磁场；观察装置7连接上位机，用以观察高压环境舱中软材料样条的行为并进行记录；X方向磁发生装置8用以产生X方向的磁场；观察平台9用以固定高压环境舱10和X方向磁发生装置8，下方有通光孔，使得观察视场中的亮度可调；高压环境舱10装有用以进行力学测试的软材料样品，并且能够保持腔内200MPa的压强；上托盘支架11用以连接上托盘与安装平台。
如图2-3所示，高压环境舱的结构，包括加压通道10-1；高压环境舱壳体10-2；高压环境舱盖体10-3；观察孔镜片10-4；超高压密封圈10-5；高压腔室10-6；通光孔镜片10-7。将软材料样条固定于高压环境舱壳体10-2内壁，加压通道10-1与外部加压设备管道相连，并将安装通光孔镜片10-7。进一步地，通过管道注水，使水充满高压腔室10-6。进一步地，安装高压环境舱盖体10-3与观察孔镜片10-4。安装完成后，通过外部加压设备进行加压。
在高压环境舱安装完成后，通过控制x、y、z向磁场发生装置，设定高压环境舱处的初始磁场强度。高压环境舱中的软材料样条将根据磁场的强弱、方向，以及制作样条时磁性颗粒的分布、密度产生不同的行为。通过物镜的观测与记录，可以看到软材料的变形、表面裂纹等力学特征，从而测定软材料在高压液体环境下的相关性能。
实施例1
如图4所示，为观察装置视场中的图像。装置开始工作，产生如图方向的磁场。由于软材料制成的梁形状样条一端混有预先经过磁化的磁性粒子，因此会受到沿磁场方向的力。在受横力弯曲的情况下，利用观察装置测量并记录末端位移w，并绘制末端力-位移曲线。将得到的结果与在空气中样条受相同载荷大小得到的力-位移曲线进行比较，就可以对高压对材料性质的影响以及对构型的影响进行比较探究。
本发明所取得的有益技术效果：
1.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，可模拟极端深海等高水压环境，在200MPa的静水压下保证密封性能，并提供观察窗口。
2.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，可以简单地在高压环境下完成加载，模拟预定的加载过程。
3.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，通过改变磁性样品条的制作方法，可模拟不同构型下待测软材料的在高压环境中的行为。
4.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，通过改变磁场的施加形式和改变磁性样品条内磁性颗粒分布的方式，可任意对样条施加载荷，模拟实际应用中的多种载荷情况。
5.本发明所述的可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，结构可靠，模块化集成度高，填补了在深海环境下柔性材料特性研究方面的空白。
上述实施例为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，包括，下托盘支架、下托盘、安装平台、Z方向磁发生装置、上托盘、Y方向磁发生装置、X方向磁发生装置、观察平台、高压环境舱和上托盘支架，所述下托盘支架固接在安装平台下方，所述下托盘固接在下托盘支架下端，所述上托盘支架固接在所述安装平台上方，所述上托盘固接在所述上托盘支架上端，所述Z方向磁发生装置包括上端Z方向磁发生装置和下端Z方向磁发生装置，所述上端Z方向磁发生装置设置在所述上托盘中，所述下端Z方向磁发生装置设置在所述下托盘中，所述安装平台上端中部设置有凹槽，所述观察平台设置在所述凹槽中，在凹槽两侧对称设置有挡板一和挡板二，所述Y方向磁发生装置包括前Y方向磁发生装置和后Y方向磁发生装置，所述前Y方向磁发生装置固接在所述挡板一上，所述后Y方向磁发生装置固接在所述挡板二上，所述高压环境舱和所述X方向磁发生装置均设置在所述观察平台上，所述X方向磁发生装置包括左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置，所述左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置对称设置在所述高压环境舱的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，还包括观察装置，所述观察装置位于所述上Z方向磁发生装置上方，所述观察装置与上位机相连。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述上托盘支架的数量为多个，优选为2-4个，多个所述上托盘支架围绕所述观察平台间隔设置，所述上托盘的截面形状呈环形。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述下托盘支架的数量为多个，优选为2-4个，多个所述下托盘支架围绕所述观察平台间隔设置，所述下托盘的截面形状呈环形。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述凹槽的截面形状呈矩形，所述观察平台的截面形状呈倒T形，呈倒T形结构的观察平台的水平部固接在所述凹槽内部，所述高压环境舱设置在所述观察平台的竖直部的上端。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述左X方向磁发生装置和右X方向磁发生装置对称设置在所述观察平台的竖直部的两侧。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述高压环境舱包括加压通道、高压环境舱壳体、高压环境舱盖体、观察孔、观察孔镜片、高压腔室、通光孔和通光孔镜片；所述加压通道设置在所述高压环境舱壳体的左侧，所述高压环境舱壳体的中部设置有凹口，所述高压环境舱盖体设置在所述凹口内，所述观察孔贯穿设置在所述高压环境舱盖体的中部，在所述高压环境舱盖体下端面的中部设置有观察孔镜片安装槽，所述观察孔镜片安装槽与所述观察孔连通，所述观察孔镜片设置在所述观察孔镜片安装槽内；所述高压腔室设置在所述高压环境舱壳体的内部，所述高压腔室与所述加压通道相连通；所述高压腔室下方设置一通光孔镜片安装槽，所述通光孔镜片安装槽下方设置所述通光孔，所述通光孔贯穿所述高压环境壳体并与所述通光孔镜片安装槽相连通。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述高压环境舱还包括超高压密封圈，所述高压环境舱盖体下端面设置有环绕所述观察孔镜片安装槽的环形密封槽，所述超高压密封圈设置在所述环形密封槽内。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述观察孔的截面形状呈锥台形，从高压环境舱盖体的上端至下端的方向，所述观察孔的直径从大至小变化。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种可模拟超高压环境的磁控软材料性能检测装置，其特征在于，所述通光孔的截面形状呈锥台形，从高压环境舱壳体的下端至上端的方向，所述通光孔的直径从大至小变化。
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