CN114002627B - 一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，通过设计特定的夹持装置将磁致伸缩材料放置在原位拉伸测量系统和钳形电磁铁中，利用倒置显微镜对磁致伸缩材料的微位移变化进行观察和测量。在强磁场和力场同时作用下，可用于观测磁致伸缩材料的微位移变化以及测量磁致伸缩材料的形变场和‑应力分布，建立强磁场对磁致伸缩材料弹性模量变化的调控机制，实现磁致伸缩材料的微观原位表征。

Description

一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统

技术领域

本发明涉及一种应用于磁致伸缩材料性能测试的测量系统，可以在强磁场和力场同时作用下，观测磁致伸缩材料的微位移变化以及测量磁致伸缩材料的形变并获得应力分布，用于研究强磁场对磁致伸缩材料弹性模量变化的调控机制，实现磁致伸缩材料的微观原位表征。

背景技术

随着现代电子技术的发展，磁致伸缩材料在航空航天、国防工业以及与民用相关的磁测量领域显示出了巨大的发展潜力，其典型应用包括磁传感器、驱动器、换能器等等。但是器件的性能参数受限于磁致伸缩材料的磁化特性，因此磁致伸缩材料的性能表征是研究磁致伸缩机制拓展和优化材料设计的关键技术手段。

目前磁致伸缩材料的性能测试还只是在单一物理场中对材料性能进行表征。一般采用表贴应变片来测量磁致伸缩材料的输出应变量，此方法受限于应变片与磁致伸缩材料间的耦合，而且受磁场、温度等影响会导致较大的测量误差。另外磁致伸缩材料磁化性能的测试，大多利用亥姆赫兹线圈作为激励线圈，并且提供激励磁场的均匀度和强度不高，缺乏在强磁场和力场同时作用下对磁致伸缩材料的磁化性能表征。

基于此，本发明的申请人提供一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，通过设计特定的夹持装置将磁致伸缩材料放置在原位拉伸测量系统和钳形电磁铁中，利用倒置显微镜对磁致伸缩材料的微位移变化进行观察和测量，实现磁场和力场作用下对磁致伸缩材料的微观原位表征。

发明内容

本发明针对现有磁致伸缩材料的性能测试系统的不足，提出强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，可以实时表征磁致伸缩材料在强磁场和力场作用下的微观性能变化，设计有可针对不同形状磁致伸缩材料的专用夹具，满足性能测试的需求，为微观状态下磁致伸缩材料的性能测试提供了可靠的解决方案。

本发明一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，包括磁致伸缩材料固定夹具，原位拉伸装置、位置调节支架、钳形电磁铁、倒置金相显微镜。

所述位置调节支架用于将原位拉伸装置架设于倒置金相显微镜的载物台正上方。位置调节支架高度可调节，顶面安装原位拉伸装置。原位拉伸装置具有相对位置可调节的两个定位支撑，用于磁致伸缩材料固定夹具。

所述磁致伸缩材料固定夹具，包括夹紧机构A与夹紧机构B，两者结构相同，均包括伸长臂、螺栓安装台、紧固螺栓、夹紧块与夹紧底座。

其中，伸长臂顶端用于与定位支撑配合固定；伸长臂底部设计由夹紧机构对磁致伸缩材料一端进行加持固定；通过夹紧机构A与夹紧机构B分别对磁致伸缩材料两端进行夹紧固定后，将两个夹紧机构伸长臂顶端分别于两个定位支撑配合定位，实现磁致伸缩材料的吊装。吊装后的磁致伸缩材料位于钳形电磁铁的磁轭中心位置，同时确保磁致伸缩材料的伸长方向与磁场方向保持一致，由钳形电磁铁产生匀强磁场；同时被测磁致伸缩材料位于倒置金相显微镜物镜的正上方。

本发明的优点在于：

(1)本发明微观原位测量系统中选择采用钳形电磁铁作为激励磁场的发生装置，相比于其他类型的电磁铁，钳形电磁铁在保证激励磁场的强度和均匀度的同时其尺寸明显降低，为磁致伸缩材料的性能测试提供了稳定的磁场环境。

(2)本发明微观原位测量系统中设计的磁致伸缩材料的固定夹具和固定支架选用高锰钢制作，高锰钢材料的磁导率低，不会对激励磁场产生干扰，而且其良好的力学性能和易加工性能也便于制作和使用。

(3)本发明围观原为测量系统中所采用的原位测量装置可以实现微纳米尺度下对试件材料进行的力学性能测试,且装置体积较小，便于集成到系统中，实现与磁场的结合，可适用于小试样以及微小力值的性能测试，并且在测试过程中可以保持试样的中心位置不变，便于观察试样在一固定区域的微观变化。

(4)本发明微观原位测量系统，实现了强磁场和力场作用下磁致伸缩材料的性能表征，可研究强磁场作用下磁致伸缩材料弹性模量的变化。另外本发明可观测强磁场和力场作用下磁致伸缩材料微观结构的变化，从微观到宏观表征磁致伸缩材料的性能变化。

附图说明

图1为本发明微观原位测量系统结构示意图。

图2为本发明微观原位测量系统的位置调节支架结构示意图。

图3为本发明微观原位测量系统部件原位拉伸装置示意图。

图4为本发明微观原位测量系统部件固定夹具示意图。

图5为磁致伸缩材料位移与钳式电磁铁线圈中电流和预紧力关系图。

图6为磁致伸缩原位观测形变示意图。

图中：

1-磁致伸缩材料固定夹具 2-原位拉伸装置 3-位置调节支架

4-钳形电磁铁 5-倒置金相显微镜 101-定位配合结构

102-伸长臂 103-螺栓安装台 104-紧固螺栓

105-夹紧块 106-夹紧底座 107-转接头

201-固定块 202-滑动块 203-丝杠轴

204-驱动电机 205-定位支撑 206-底板

207-支撑台 208-半球形凹进 209-卡槽

301-水平支撑板 302-外层固定腿 303-内层伸缩腿

304-底座

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，如图1所示，包括磁致伸缩材料固定夹具1，原位拉伸装置2、位置调节支架3、钳形电磁铁4、倒置金相显微镜5。

所述位置调节支架3用于将原位拉伸装置2架设于倒置金相显微镜5的载物台正上方。如图2所示，该位置调节支架3具有水平支撑板301以及左右两侧各两条垂直于水平支撑板301的支腿，形成龙门架结构，内部用于设置倒置金相显微镜5。每条支腿均采用可伸缩设计，具有外层固定腿302与内层伸缩腿303。其中,外层固定腿302顶端与位置调节支架3侧部相接为一体，且外层固定腿302为内部中空的筒状结构；内层伸缩腿303插接于外层固定腿302内，可在外层固定腿302内沿垂直方向滑动，实现水平支撑板301的高度调节；且外层固定腿302底端安装有底座304，增加外层固定腿302与其放置平面间的接触面积，实现对原位拉伸装置2的稳定支撑。上述外层固定腿302外壁沿垂直方向等间隔设计有外连接孔，同时在内层伸缩腿302轴向上等间隔设计有内连接孔；当水平支撑板301高度调节到合适高度范围内，通过螺栓穿过内层伸缩腿303与外层固定腿302上相对应的连接孔后，由螺母拧紧将两者固定，实现水平支撑板301高度调节后的固定。

所述原位拉伸装置2固定安装于前述位置调节支架3的水平支撑板301上表面，包括固定块201、滑动块202、丝杠轴203、驱动电机204、定位支撑205与底板206。其中，底板206上表面具有左右相对设置的固定块201与滑动块202；固定块201与底板206间为固定连接；滑动块202与底板301件为滑动连接，具有左右方向的移动副；且滑动块通过螺纹配合安装于平行于底板301设置的丝杠轴203上。丝杠轴203前部通过轴承安装于固定块201中与滑动块202相对的侧面上开设的轴承孔内；丝杠轴203后部穿过底板206上表面右侧端部设计的支撑台207，并与支撑台207间通过轴承相连。丝杠轴203的旋转运动由驱动电机204结合传动皮带实现。驱动电机204其输出轴轴线平行于丝杠轴203设置，机体端固定安装于支撑台207上的开孔内。驱动电机204的输出轴与丝杠轴203末端间固定安装有传动轮，之间通过传动皮带套接；且驱动电机204的输出轴与丝杠轴203末端端部安装有挡板208，防止传动皮带脱落。由此，通过驱动电机204输出动力，经传动皮带带动丝杠轴203转动，最终带动滑动块202沿丝杠轴203轴向移动，实现滑动块202与固定块201相对侧面上相对位置设计的定位支撑205间距的调节。上述滑动块202与固定块201上的定位支撑205相对一端处设计有与底板206平行的支撑平面，支撑平面上设计有半球形凹进208。同时在支撑平面上，位于两个半球形凹进208相对位置设计有将半球形凹进208与外部连通卡槽209，该卡槽209底面为弧面，两侧为垂直于底板206的平面。上述结构的原位拉伸装置2通过底板206中部周向设计的四个螺孔分别与水平支撑板301中部四个螺孔配合，穿过螺栓与螺母配合拧紧，实现原位拉伸装置2与水平支撑板301间的固定。该原位拉伸装置2可以实现微纳米尺度下对试件材料进行的力学性能测试,且装置体积较小，便于集成到系统中，实现与磁场的结合，可适用于小试样以及微小力值的性能测试，并且在测试过程中可以保持试样的中心位置不变，便于观察试样在一固定区域的微观变化。所述磁致伸缩材料固定夹具1，如图4所示，包括夹紧机构A与夹紧机构B，分别用来对磁致伸缩材料相对两端进行夹持固定。夹紧机构A与夹紧机构B结构相同，均包括定位配合结构101、伸长臂102、螺栓安装台103、紧固螺栓104、夹紧块105与夹紧底座106。其中，伸长臂102顶端侧方通过拉杆107连接定位配合结构101；该定位配合结构101为半球形，半径与前述原位拉伸装置2中定位支撑205上的半球形凹进208半径相等，使半球形的定位配合结构101可嵌入于半球形凹进208内，同时使拉杆107嵌入于与半球形凹进208连通卡槽209内，实现磁致伸缩材料固定夹具1与原位拉伸装置2间的安装；同时，设计上述拉杆107底部为弧形面，两侧为相互平行的平面，分别与卡槽209底面与两侧平面配合，实现磁致伸缩材料固定夹具1安装后的稳定性，且限制磁致伸缩材料固定夹具1的旋转运动，保证伸长臂102始终垂直于水平面。

上述伸长臂102底部由上至下设计有螺栓安装台103与夹紧底座106。螺栓安装台103上开有螺纹孔，螺纹孔内螺纹安装有紧固螺栓104。紧固螺栓104轴向平行于伸长臂102设置，底端螺纹连接有夹紧块105，该夹紧块105底面与夹紧底座106顶面相对，侧壁与伸长臂102贴合；夹紧块105底面与夹紧底座106顶面之间用于设置磁致伸缩材料。由此可将磁致伸缩材料相对两端分别设置于夹紧机构A与夹紧机构B的夹紧块105与夹紧底座106顶面之间，进一步通过旋转紧固螺栓104由紧固螺栓104推动夹紧块105下移，通过夹紧块105与夹紧底座106顶面间配合，将磁致伸缩材料夹紧于两个伸长臂102之间位置。在完成材料的安装后，通过改变原位拉伸装置2中两个定位支撑205间距，使支撑平面上的半球形凹进208间距与夹紧机构A和夹紧机构B的定位配合结构101间距一致，随后将夹紧机构A与夹紧机构B分别通过定位配合结构101嵌入安装于原位拉伸装置2中定位支撑205的支撑平面上半圆形凹进207内，实现磁致伸缩材料的吊装。

上述磁致伸缩材料的固定夹具1和位置调节支架3均选用高锰钢制作，高锰钢材料的磁导率低，不会对激励磁场产生干扰，而且其良好的力学性能和易加工性能也便于制作和使用。

经上述磁致伸缩材料固定夹具1加持固定后的磁致伸缩材料，通过位置调节支架3对其高度进行调节，使磁致伸缩材料位于钳形电磁铁4的磁轭中心位置，同时确保磁致伸缩材料的伸长方向与磁场方向保持一致，由钳形电磁铁4产生匀强磁场。进一步在位置调节支架3内部设置倒置金相显微镜5，使被测磁致伸缩材料位于倒置金相显微镜1物镜的正上方，至此整个微观原位测量系统搭建完毕。

本发明中采用工控机监视磁致伸缩材料的微结构变化外，以及对原位拉伸装置2进行控制；在上述整个微观原位测量系统搭建完毕后，需通过微调倒置金相显微镜1的位置使工控机中能够明显观察到磁致伸缩材料的微结构。整个强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统通过外部电路进行供电。

针对上述强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统的测量方法，具体步骤如下：

步骤1：将原位拉伸装置2安装在位置调节支架3上，并调整位置调节支架3的位置，使原位拉伸装置2上两个定位支撑205的卡槽209中心轴线与钳形电磁铁的磁轭位于同一垂直面内，使夹具安装后可让磁致伸缩材料处于磁轭的中心。

步骤2：将待测试的磁致伸缩材料安装于磁致伸缩材料固定夹具1上；此时夹紧机构A与夹紧机构B间距即固定；根据此间距调节原位拉伸装置2中两个定位支撑205间距，使定位支撑205上两个半球形凹进208中心间距与夹紧机构A和夹紧机构B中两个半球形定位配合结构101中心间距相等，此时通过夹紧机构A和夹紧机构B的半球形定位配合结构101与两个定位支撑205上的半球形凹进208配合，将磁致伸缩材料固定夹具1安装在原位拉伸装置2上。安装完毕后可微调位置调节支架3的高度，使磁致伸缩材料处于钳形电磁铁磁轭的中心位置，保证磁致伸缩材料所处的磁场与材料伸缩方向一致。

步骤3：调节倒置金相显微镜5，使工控机上能清晰观察到磁致伸缩材料的微观结构。

步骤4：利用工控机控制原位拉伸装置2给磁致伸缩材料施加一定的预应力，同时记录下施加预应力的大小和此应力作用下的材料的微位移变化。

步骤5：驱动外部电路给钳形电磁铁4供电，由于钳形电磁铁4独特的设计可在其磁轭间产生匀强磁场，通过改变驱动电流的大小实现磁场强度的调节。同时可以利用倒置金相显微镜观察强磁场作用下磁致伸缩材料的微结构变化，从而实现在预应力作用下，表征磁场强度的变化对磁致伸缩材料的弹性模量的调控作用。

采用本发明方法进行微观原位测量过程中，如图5所示，为磁致伸缩材料位移与钳式电磁铁线圈中电流和预紧力关系图，图中可发现当钳式电磁铁线圈电流改变时，磁致伸缩材料位移形变量增加，这是由于当线圈电流增大时，钳式电磁铁所产生的磁场发生变化，从而导致磁致伸缩材料位移的改变。此外当施加在磁致伸缩材料上的预紧力发生改变时也会导致材料的位移形变量的变化。如图6所示为磁致伸缩原位观测形变示意图，图中可以发现，当磁致伸缩材料在磁场和力场同时作用下，材料微观结构的形变，箭头代表磁致伸缩材料各个部位的形变方向。综上可证明本发明不仅能够在强磁场和力场作用下实现对磁致伸缩材料的微观原位表征，并且可以探究预紧力对磁致伸缩性能的调控，从而为磁致伸缩材料的器件开发奠定坚实的基础。

Claims (6)

1.一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，其特征在于：包括磁致伸缩材料固定夹具，原位拉伸装置、位置调节支架、钳形电磁铁、倒置金相显微镜；

所述位置调节支架用于将原位拉伸装置架设于倒置金相显微镜的载物台正上方；位置调节支架高度可调节，顶面安装原位拉伸装置；原位拉伸装置具有相对位置可调节的两个定位支撑，用于磁致伸缩材料固定夹具的安装；

所述磁致伸缩材料固定夹具，包括夹紧机构A与夹紧机构B，两者结构相同，均包括伸长臂、螺栓安装台、紧固螺栓、夹紧块与夹紧底座；其中，伸长臂顶端用于与定位支撑配合固定；伸长臂底部设计由夹紧机构对磁致伸缩材料一端进行加持固定；通过夹紧机构A与夹紧机构B分别对磁致伸缩材料两端进行夹紧固定后，将两个夹紧机构伸长臂顶端分别与两个定位支撑配合定位，实现磁致伸缩材料的吊装；吊装后的磁致伸缩材料位于钳形电磁铁的磁轭中心位置，同时确保磁致伸缩材料的伸长方向与磁场方向保持一致，由钳形电磁铁产生匀强磁场；同时被测磁致伸缩材料位于倒置金相显微镜物镜的正上方。

2.如权利要求1所述一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，其特征在于：位置调节支架为龙门架结构，两侧各具有两条支腿，每条支腿均采用可伸缩设计。

3.如权利要求1所述一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，其特征在于：原位拉伸装置包括固定块、滑动块、丝杠轴、驱动电机、定位支撑与底板；其中，滑动块与底板间为滑动连接；滑动块通过螺纹配合安装于平行于底板设置的丝杠轴上；丝杠轴一端通过轴承与滑动块对侧的固定块相连；丝杠轴另一端由支撑台支撑并通过轴承连接；丝杠轴的旋转运动由驱动电机结合传动皮带实现，通过驱动电机输出动力，经传动皮带带动丝杠轴转动，带动滑动块沿丝杠轴轴向移动，实现滑动块与固定块相对侧面上相对位置设计的定位支撑间距的调节。

4.如权利要求3所述一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，其特征在于：原位拉伸装置中的定位支撑与磁致伸缩材料固定夹具间的安装方式为：

原位拉伸装置中的定位支撑上设计有与底板平行的支撑平面，支撑平面上设计有半球形凹进；同时在支撑平面上，位于两个半球形凹进相对位置设计有将半球形凹进与外部连通卡槽，该卡槽底面为弧面，两侧为垂直于底板的平面；

磁致伸缩材料固定夹具中的伸长臂顶端侧方通过拉杆连接定位配合结构；设计定位配合结构为半球形，半径与定位支撑上的半球形凹进半径相等，使半球形的定位配合结构可嵌入于半球形凹进内，同时使拉杆嵌入于与半球形凹进连通卡槽内，同时，设计上述拉杆底部为弧形面，两侧为相互平行的平面，分别与卡槽底面与两侧平面配合，实现磁致伸缩材料固定夹具与原位拉伸装置间定位。

5.如权利要求1所述一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，其特征在于：夹紧机构设计为：

伸长臂底端由上至下设计有螺栓安装台与夹紧底座；螺栓安装台上开有螺纹孔，螺纹孔内螺纹安装有紧固螺栓；紧固螺栓轴向平行于伸长臂设置，底端螺纹连接有夹紧块，夹紧块底面与夹紧底座顶面相对，侧壁与伸长臂贴合；夹紧块底面与夹紧底座顶面之间用于设置磁致伸缩材料；由此可将磁质伸缩材料相对两端分别设置于夹紧机构A与夹紧机构B的夹紧块与夹紧底座顶面之间，进一步通过旋转紧固螺栓由紧固螺栓推动夹紧块下移，通过夹紧块与夹紧底座顶面间配合，实现磁致伸缩材料的夹紧。

6.如权利要求1所述一种强磁场下磁致伸缩材料的微观原位测量系统，其特征在于：进行微观原位测量的方法如下：

步骤1：将原位拉伸装置安装在位置调节支架上，并调整固定支架的位置使原位拉伸装置与夹具定位位置同钳形电磁铁的磁轭位于同一垂直面内；

步骤2：将待测试的磁致伸缩材料安装于磁致伸缩材料固定夹具上；此时夹紧机构A与夹紧机构B间距即固定；根据此间距调节原位拉伸装置中两个定位支撑间距，使夹紧机构A和夹紧机构B中伸长臂与两个定位支撑配合定位，将磁致伸缩材料固定夹具安装在原位拉伸装置上；安装完毕后微调位置调节支架的高度，使磁致伸缩材料处于钳形电磁铁磁轭的中心位置，保证磁致伸缩材料所处的磁场与材料伸缩方向一致；

步骤3：调节倒置金相显微镜，使工控机上能清晰观察到磁致伸缩材料的微观结构；

步骤4：利用工控机控制原位拉伸装置给磁致伸缩材料施加一定的预应力，同时记录下施加预应力的大小和此应力作用下的材料的微位移变化；

步骤5：驱动外部电路给钳形电磁铁供电，钳形电磁铁在磁轭间产生匀强磁场，通过改变驱动电流的大小实现磁场强度的调节；同时利用倒置金相显微镜观察强磁场作用下磁致伸缩材料的微结构变化，实现在预应力作用下，表征磁场强度的变化对磁致伸缩材料的弹性模量的调控作用。