CN115200975A - 一种材料样本暴露实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种材料样本暴露实验平台，包括：支撑板、多个具有相对支撑板进行升降的移动式应力加载机构、多个相对支撑板静止的固定式应力加载机构，多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构均安装在所述支撑板上，多个所述移动式应力加载机构与多个所述固定式应力加载机构环绕所述支撑板的中部相互间隔设置，多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构中分别安装有样品试验设备。实现空间环境和动态应力加载作用下的材料高通量样本暴露及其应力加载，解决空间暴露环境下材料动态应力加载试验及高通量样本的问题。

Description

一种材料样本暴露实验平台
技术领域
本发明涉及空间轨道环境下应力材料样品测试技术领域，尤其涉及一种材料样本暴露实验平台。
背景技术
不同于地面，空间环境效应例如原子氧、等离子体等是影响长期在轨运行航天器的可靠性的重要因素。大多数材料在这种空间环境效应下的使役行为、失效形式等会与地面有明显的不同。同时，我国的各类航天器逐渐从“试验型”向“应用型”转变，对航天器运动机构的可靠性、寿命提出了更高的要求，材料的空间暴露也是最能指导实际应用的空间科学技术实验之一。因此，开发满足航天器性能要求且对空间环境适应性和耐久性好的材料已成为一个紧迫课题。国际空间站材料实验(MISSE)已经成功开展了8次MISSE任务实验，获得了相当数量的实验数据。与国外相比，我国处于材料暴露实验起步阶段，固体润滑材料空间试验是我国首次、也是唯一一次航天器舱外材料暴露试验。近年来，随着中国载人航天任务圆满完成，中国载人航天工程迈入“空间站时代”，为材料空间环境试验提供了契机。建设空间材料测试平台，必将推动新型高性能空间材料的发展，对提高空间环境材料可靠性及长寿命使用具有重要意义。
国际空间站材料实验(MISSE，Material International Space StationExperiment)是在国际空间站进行的材料暴露实验，目前已经成功开展了8次MISSE任务实验(MISSE-1～MISSE-8)，获得了相当数量的实验数据，其中MISSE-FF至今仍在执行暴露任务。在MISSE多次任务中，其主要的空间环境实验是将材料样品模块完全暴露于空间环境下，其材料样品模块包括有拉伸与弯曲应力加载模块、固体润滑材料模块、形状记忆材料模块、3D打印材料模块等。
MISSE材料暴露实验中的应力加载模块均为预加载模式，即在地面加载应力后再进入空间环境暴露，该模式只能得到处于无应力或位移控制的恒应变加载下的材料暴露数据。而且，该暴露实验主要暴露平面以外表面为主，暴露面积有限，并未充分利用暴露平台内部空间。
飞船开展了部分的空间材料试验项目，大多数试验在航天器舱内关注微重力对材料生长机理的影响。其中航天器舱外的固体润滑材料空间暴露试验，共进行了11种、80个固体润滑材料的暴露实验，着重研究了原子氧对固体润滑材料的影响。目前仅对固体润滑材料进行了空间暴露试验，且暴露数量很少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种材料样本暴露实验平台。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种材料样本暴露实验平台，其包括：支撑板、多个具有相对支撑板进行升降的移动式应力加载机构、多个相对支撑板静止的固定式应力加载机构，多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构均安装在所述支撑板上，多个所述移动式应力加载机构与多个所述固定式应力加载机构环绕所述支撑板的中部相互间隔设置，多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构中分别安装有样品试验设备。
采用本发明技术方案的有益效果是：固定式应力加载机构具有自身应力加载的轴向位移功能，移动式应力加载机构除去自身应力加载的轴向位移外，还可将其内部的整体样品试验设备进行整体升降扩展。应力加载机构分区且可进行升降扩展，实现材料样品的高通量暴露，增大暴露面积。平台可以在空间环境下同时进行不同材料不同动态应力加载模式的暴露实验；样品试验设备容量大。实现空间环境和动态应力加载作用下的材料高通量样本暴露及其应力加载，解决空间暴露环境下材料动态应力加载试验及高通量样本的问题。
进一步地，所述移动式应力加载机构包括：第一下底板、第一应力加载升降轴、至少一个第一中部连接板、第一上顶板，所述第一下底板位于所述第一上顶板的下方，所述第一应力加载升降轴的底端贯穿所述第一下底板并安装在所述支撑板上，所述第一应力加载升降轴的顶端与所述第一上顶板连接，所述第一中部连接板安装在所述第一应力加载升降轴的中部，所述样品试验设备安装在所述第一下底板和所述第一中部连接板之间以及所述第一中部连接板和所述第一上顶板之间，位于所述第一下底板和所述第一中部连接板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第一下底板以及所述第一中部连接板抵接，位于所述第一中部连接板和所述第一上顶板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第一下底板以及所述第一中部连接板抵接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：样品试验设备分别均匀安装于下底板、中部连接板和中部连接板、上顶板中间，通过应力加载升降轴改变下底板和上顶板的距离，来对内部样品试验设备进行应力加载，以此实现应力的动态加载。在移动式应力加载机构升起扩展后，可通过应力加载升降轴分别进行不同的应力加载。平台可以实现各应力加载机构子区域整体式加载，各样品试验设备可进行独立的应力加载，加载应力可随时间变化控制。平台实现在空间舱外暴露环境下进行低频动态的应力加载，有效模拟材料在轨服役的复杂边界条件。
进一步地，所述移动式应力加载机构还包括：第一应力传导轴，所述第一应力传导轴以及所述第一应力加载升降轴均竖直设置，所述第一应力传导轴的两端一一对应与所述第一下底板以及所述第一上顶板连接，所述第一应力传导轴的中部与所述第一中部连接板连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过中部连接板和应力传导轴，来使不同层间的样品试验设备所受应力加载一致，以此实现应力的动态加载。
进一步地，所述固定式应力加载机构包括：第二下底板、第二应力加载升降轴、至少一个第二中部连接板、第二上顶板，所述第二下底板位于所述第二上顶板的下方，所述第二应力加载升降轴的底端安装在所述支撑板上，所述第二应力加载升降轴的顶端与所述第二上顶板连接，所述第二中部连接板安装在所述第二应力加载升降轴的中部，所述样品试验设备安装在所述第二下底板和所述第二中部连接板之间以及所述第二中部连接板和所述第二上顶板之间，位于所述第二下底板和所述第二中部连接板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第二下底板以及所述第二中部连接板抵接，位于所述第二中部连接板和所述第二上顶板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第二下底板以及所述第二中部连接板抵接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：样品试验设备分别均匀安装于下底板、中部连接板和中部连接板、上顶板中间，通过应力加载升降轴改变下底板和上顶板的距离，来对内部样品试验设备进行应力加载，以此实现应力的动态加载。在移动式应力加载机构升起扩展后，可通过应力加载升降轴分别进行不同的应力加载。平台可以实现各应力加载机构子区域整体式加载，各样品试验设备可进行独立的应力加载，加载应力可随时间变化控制。平台实现在空间舱外暴露环境下进行低频动态的应力加载，有效模拟材料在轨服役的复杂边界条件。
进一步地，所述固定式应力加载机构还包括：第二应力传导轴，所述第二应力传导轴以及所述第二应力加载升降轴均竖直设置，所述第二应力传导轴的两端一一对应与所述第二下底板以及所述第二上顶板连接，所述第二应力传导轴的中部与所述第二中部连接板连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过中部连接板和应力传导轴，来使不同层间的样品试验设备所受应力加载一致，以此实现应力的动态加载。
进一步地，所述样品试验设备为单向拉伸加载部件、单向压缩加载部件、三点弯曲线性应力加载部件、扭转线性应力加载部件、螺线多轴应力加载部件、密封循环应力加载部件以及涂层摩擦多点触碰加载部件中的一种或多种。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：平台可实现在空间环境下同时进行不同材料、不同应力加载模式，包含拉伸、压缩、弯曲、扭转、多轴耦合应力状态、多点触碰摩擦模块等的舱外暴露实验，满足多种材料尺寸、属性，不同应力加载模式等需求。样品试验设备内部按照顺序进行样品阵列，其内部并非完全密封，可使处于内部的样品(即试验件)也暴露于舱外，增大了有效暴露样品数量，实现了材料(即试验件)高通量暴露；可定制化设计应力加载样品的尺寸、应力加载幅值、模式等。
进一步地，所述单向拉伸加载部件包括：单向拉伸试验件以及一对拉伸试验件固定件，一对所述拉伸试验件固定件一一对应安装在所述单向拉伸试验件的两端，一对所述拉伸试验件固定件对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接；
所述单向压缩加载部件包括：单向压缩试验件以及一对压缩试验件固定件，一对所述压缩试验件固定件一一对应安装在所述单向压缩试验件的两端，一对所述压缩试验件固定件对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接；
所述螺线多轴应力加载部件包括：螺线试验件以及一对螺线试验件固定板，一对所述螺线试验件固定板一一对应安装在所述螺线试验件的两端，一对所述螺线试验件固定板对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接；
所述密封循环应力加载部件包括：密封循环应力试验件以及密封循环应力加载固定板，一对所述密封循环应力加载固定板一一对应安装在所述密封循环应力试验件的两端，一对所述密封循环应力加载固定板对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移(即平台轴向位移)，对单向拉伸试验件进行应力加载、对单向压缩试验件进行应力加载、对螺线试验件进行应力加载以及对密封循环应力试验件进行循环应力加载。单向拉伸与压缩部件可直接通过平台轴向位移来进行应力加载实验。渐进螺线多轴应力加载部件可直接通过平台轴向位移架来进行应力加载实验。密封循环应力加载部件可直接通过平台轴向循环往复运动来进行循环应力加载。
进一步地，三点弯曲线性应力加载部件包括：至少一个三点弯曲试验件、三点弯曲底座、至少一对固定弹簧、三点弯曲应力加载中心块以及至少一个三点弯曲应力加载轴，所述三点弯曲应力加载中心块上下滑动安装在所述三点弯曲底座中，所述三点弯曲应力加载中心块的底部侧壁设有圆弧凸起，所述三点弯曲应力加载轴为圆柱体结构，所述三点弯曲应力加载轴横向且与所述圆弧凸起相邻设置，所述三点弯曲应力加载轴的侧壁一一对应通过一对所述固定弹簧与所述三点弯曲底座的顶部以及底部连接，所述三点弯曲试验件的两端一一对应与所述三点弯曲底座的顶部和底部连接，所述三点弯曲试验件的中部与所述三点弯曲应力加载轴抵接，所述三点弯曲底座以及所述三点弯曲应力加载中心块对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移，使得三点弯曲应力加载中心块向上位移，来推动三点弯曲应力加载轴向外侧推出，将三点弯曲试验件实现三点弯曲线性应力加载。三点弯曲底座可设计为多边形结构，使得该加载部件可同时进行多组三点弯曲线性应力加载。三点弯曲线性应力加载部件可通过平台轴向位移加载转换为侧向推力来加载三点弯曲线性应力。
进一步地，所述扭转线性应力加载部件包括：扭转线性应力加载框架、扭转线性应力加载齿条、多个扭转线性应力加载齿轮、多个扭转试验件，所述扭转线性应力加载齿条上下滑动安装在所述扭转线性应力加载框架中，多个所述扭转线性应力加载齿轮转动安装在所述扭转线性应力加载框架中，多个所述扭转线性应力加载齿轮对应位于所述扭转线性应力加载齿条的两侧，多个所述扭转试验件的一端一一对应与多个所述扭转线性应力加载齿轮连接，多个所述扭转试验件的另一端与所述扭转线性应力加载框架连接，所述扭转线性应力加载框架以及所述扭转线性应力加载齿条对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：将移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移加载至扭转线性应力加载齿条与扭转线性应力加载齿轮，将轴向位移转化为扭转运动，来对扭转试验件进行扭转线性应力加载。通过设计扭转线性应力加载齿条两侧的扭转线性应力加载齿轮数量，该加载部件可同时进行多组扭转试验。扭转线性应力加载部件可通过齿轮齿条将平台轴向位移转化为扭转应力加载。
进一步地，所述涂层摩擦多点触碰加载部件包括：摩擦模块框架、涂层摩擦多点触碰加载轴、多个涂层摩擦头以及多个涂层摩擦试验件，所述涂层摩擦多点触碰加载轴上下滑动安装在所述摩擦模块框架中，多个所述涂层摩擦头环绕所述涂层摩擦多点触碰加载轴的外侧壁设置，多个所述涂层摩擦试验件安装在所述摩擦模块框架的内壁上，多个所述涂层摩擦头与多个所述涂层摩擦试验件相邻设置。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移，来移动涂层摩擦多点触碰加载轴，使得涂层摩擦头与涂层摩擦试验件之间来回进行摩擦实验，根据实际需要设计涂层摩擦头以及涂层摩擦试验件的数量，可同时进行多组不同材料的涂层摩擦实验。涂层摩擦多点碰触加载部件可通过平台轴向往复运动来进行摩擦实验。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的材料样本暴露实验平台的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的材料样本暴露实验平台的结构示意图之二。
图3为本发明实施例提供的移动式应力加载机构的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的固定式应力加载机构的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之一。
图6为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之二。
图7为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之三。
图8为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之四。
图9为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之五。
图10为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之六。
图11为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之七。
图12为本发明实施例提供的样品试验设备的结构示意图之八。
附图标号说明：1、支撑板；2、移动式应力加载机构；3、固定式应力加载机构；4、样品试验设备；5、第一下底板；6、第一应力加载升降轴；7、第一中部连接板；8、第一上顶板；9、第一应力传导轴；10、第二下底板；11、第二应力加载升降轴；12、第二中部连接板；13、第二上顶板；14、第二应力传导轴；15、单向拉伸试验件；16、拉伸试验件固定件；17、单向压缩试验件；18、压缩试验件固定件；19、螺线试验件；20、螺线试验件固定板；21、密封循环应力试验件；22、密封循环应力加载固定板；23、三点弯曲试验件；24、三点弯曲底座；25、固定弹簧；26、三点弯曲应力加载中心块；27、三点弯曲应力加载轴；28、圆弧凸起；29、扭转线性应力加载框架；30、扭转线性应力加载齿条；31、扭转线性应力加载齿轮；32、扭转试验件；33、摩擦模块框架；34、涂层摩擦多点触碰加载轴；35、涂层摩擦头；36、涂层摩擦试验件；37、空间站舱外安装基座；38、机械臂抓取基座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种材料样本暴露实验平台，其包括：支撑板1、多个具有相对支撑板1进行升降的移动式应力加载机构2、多个相对支撑板1静止的固定式应力加载机构3，多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3均安装在所述支撑板1上，多个所述移动式应力加载机构2与多个所述固定式应力加载机构3环绕所述支撑板1的中部相互间隔设置，多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3中分别安装有样品试验设备4。
采用本发明技术方案的有益效果是：固定式应力加载机构具有自身应力加载的轴向位移功能，移动式应力加载机构除去自身应力加载的轴向位移外，还可将其内部的整体样品试验设备进行整体升降扩展。应力加载机构分区且可进行升降扩展，实现材料样品的高通量暴露，增大暴露面积。平台可以在空间环境下同时进行不同材料不同动态应力加载模式的暴露实验；样品试验设备容量大。实现空间环境和动态应力加载作用下的材料高通量样本暴露及其应力加载，解决空间暴露环境下材料动态应力加载试验及高通量样本的问题。
如图1至图4所示，进一步地，所述移动式应力加载机构2包括：第一下底板5、第一应力加载升降轴6、至少一个第一中部连接板7、第一上顶板8，所述第一下底板5位于所述第一上顶板8的下方，所述第一应力加载升降轴6的底端贯穿所述第一下底板5并安装在所述支撑板1上，所述第一应力加载升降轴6的顶端与所述第一上顶板8连接，所述第一中部连接板7安装在所述第一应力加载升降轴6的中部，所述样品试验设备4安装在所述第一下底板5和所述第一中部连接板7之间以及所述第一中部连接板7和所述第一上顶板8之间，位于所述第一下底板5和所述第一中部连接板7之间的样品试验设备4的两端一一对应与所述第一下底板5以及所述第一中部连接板7抵接，位于所述第一中部连接板7和所述第一上顶板8之间的样品试验设备4的两端一一对应与所述第一下底板5以及所述第一中部连接板7抵接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：样品试验设备分别均匀安装于下底板、中部连接板和中部连接板、上顶板中间，通过应力加载升降轴改变下底板和上顶板的距离，来对内部样品试验设备进行应力加载，以此实现应力的动态加载。在移动式应力加载机构升起扩展后，可通过应力加载升降轴分别进行不同的应力加载。平台可以实现各应力加载机构子区域整体式加载，各样品试验设备可进行独立的应力加载，加载应力可随时间变化控制。平台实现在空间舱外暴露环境下进行低频动态的应力加载，有效模拟材料在轨服役的复杂边界条件。
其中，应力加载升降轴类似液压轴，分为上下两段，上段与上顶板固定连接，下段与下底板固定连接，通过上下两段的相对滑动位移来使得应力加载升降轴的伸长与缩短，进而使得下底板和上底板之间的距离增大或减小；其中应力加载升降轴的动力可以由电机来提供，来使得应力加载升降轴上下段产生相对滑动，可使用丝杠滑轨等结构来实现两段的相对位移。
第一应力加载升降轴除去上述的上下两段进行轴向位移加载外，内部还包含丝杠滑轨等结构，使得单个整体模块上升(即移动式应力加载机构相对于支撑板上升)；总结来说第一应力加载升降轴，总共分为三部分，可产生两段轴向位移，一段位移使得单个整体模块升起，一段位移来做应力加载。包含第一应力加载升降轴的样品模块为样品模块一、三、五、七，共四个，每个样品模块所包含的样品不同，所以可以进行不同的应力加载。
如图1至图4所示，进一步地，所述移动式应力加载机构2还包括：第一应力传导轴9，所述第一应力传导轴9以及所述第一应力加载升降轴6均竖直设置，所述第一应力传导轴9的两端一一对应与所述第一下底板5以及所述第一上顶板8连接，所述第一应力传导轴9的中部与所述第一中部连接板7连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过中部连接板和应力传导轴，来使不同层间的样品试验设备所受应力加载一致，以此实现应力的动态加载。
其中，应力传导轴上部与下部分别与上顶板与下顶板固定连接；应力传导轴为可产生弹性应变的材料轴，当下顶板与上顶板距离增大时，应力传导轴在长度范围上产生均匀的弹性伸长应变；中部连接板处于应力传导轴二分之一中点处(若分为两层)，由于应力传导轴均匀伸长，所以保证上下层应力加载一致。
如图1至图4所示，进一步地，所述固定式应力加载机构3包括：第二下底板10、第二应力加载升降轴11、至少一个第二中部连接板12、第二上顶板13，所述第二下底板10位于所述第二上顶板13的下方，所述第二应力加载升降轴11的底端安装在所述支撑板1上，所述第二应力加载升降轴11的顶端与所述第二上顶板13连接，所述第二中部连接板12安装在所述第二应力加载升降轴11的中部，所述样品试验设备4安装在所述第二下底板10和所述第二中部连接板12之间以及所述第二中部连接板12和所述第二上顶板13之间，位于所述第二下底板10和所述第二中部连接板12之间的样品试验设备4的两端一一对应与所述第二下底板10以及所述第二中部连接板12抵接，位于所述第二中部连接板12和所述第二上顶板13之间的样品试验设备4的两端一一对应与所述第二下底板10以及所述第二中部连接板12抵接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：样品试验设备分别均匀安装于下底板、中部连接板和中部连接板、上顶板中间，通过应力加载升降轴改变下底板和上顶板的距离，来对内部样品试验设备进行应力加载，以此实现应力的动态加载。在移动式应力加载机构升起扩展后，可通过应力加载升降轴分别进行不同的应力加载。平台可以实现各应力加载机构子区域整体式加载，各样品试验设备可进行独立的应力加载，加载应力可随时间变化控制。平台实现在空间舱外暴露环境下进行低频动态的应力加载，有效模拟材料在轨服役的复杂边界条件。
其中，第二应力加载升降轴所处样品模块二、四、六、八不需升起，故只与第二上顶板和第二下顶板做固定连接；第一应力加载升降轴所处样品模块一、三、五、七需升起，故除去与第一上顶板和第一下顶板固定连接外，内部下端还需要与安装底座(支撑板)固定连接，来使得该模块整体升起。
层数调整就是中部连接板的数量，例如两层只需一个中部连接板，三层需要两个中部连接板，以此类推。
应力加载样品(即样品试验设备)安装在下底板、中部连接板与上顶板之间，即连接在层间，上下固定连接。
如图1至图4所示，进一步地，所述固定式应力加载机构3还包括：第二应力传导轴14，所述第二应力传导轴14以及所述第二应力加载升降轴11均竖直设置，所述第二应力传导轴14的两端一一对应与所述第二下底板10以及所述第二上顶板13连接，所述第二应力传导轴14的中部与所述第二中部连接板12连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过中部连接板和应力传导轴，来使不同层间的样品试验设备所受应力加载一致，以此实现应力的动态加载。
如图5至图12所示，进一步地，所述样品试验设备4为单向拉伸加载部件、单向压缩加载部件、三点弯曲线性应力加载部件、扭转线性应力加载部件、螺线多轴应力加载部件、密封循环应力加载部件以及涂层摩擦多点触碰加载部件中的一种或多种。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：平台可实现在空间环境下同时进行不同材料、不同应力加载模式，包含拉伸、压缩、弯曲、扭转、多轴耦合应力状态、多点触碰摩擦模块等的舱外暴露实验，满足多种材料尺寸、属性，不同应力加载模式等需求。样品试验设备内部按照顺序进行样品阵列，其内部并非完全密封，可使处于内部的样品(即试验件)也暴露于舱外，增大了有效暴露样品数量，实现了材料(即试验件)高通量暴露；可定制化设计应力加载样品的尺寸、应力加载幅值、模式等。
其中，单向拉伸应力加载部件主要为各种承受拉、压应力材料进行空间环境暴露试验的棒状样品。
单向拉伸试验件为待测试的材料样品，其上下段均有固定件，并固定连接至下底板或中部连接板或上顶板，即固定连接于每层中间。
单向拉伸应力加载部件主要为各种承受拉、压应力材料进行空间环境暴露试验的棒状样品。
三点弯曲线性应力加载部件主要为各种薄膜材料进行空间环境暴露试验的模块，主要用以研究空间环境对在不同拉张应变条件下薄膜材料的形貌、材料结构和力学特性的影响。三点弯曲底座与三点弯曲应力加载中心块分别与下底板或中部连接板或上顶板固定连接。
三点弯曲是将样本放在有一定距离的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向样本施加载荷，标本的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，样本将于中点处发生断裂。
扭转线性应力加载部件主要为各种承扭应力材料进行空间环境暴露试验的模块。扭转线性应力加载框架与扭转线性应力加载齿条固定连接于下底板或中部连接板或上顶板上。扭转线性应力加载齿条同时与4个扭转线性应力加载齿轮啮合，每个扭转线性应力加载齿轮对应一组单一实验的扭转应力加载样品，图中视角可看到两组，另外两组在背面。
螺线多轴应力加载部件可以为渐进螺线多轴应力加载部件，渐进螺线多轴应力加载部件主要为各种渐进螺线应力材料进行空间环境暴露试验的模块。渐进螺线试验件固定板固定连接于下底板或中部连接板或上顶板。图中为双螺旋，可根据实际需求来做修改。
密封循环应力加载部件主要为各种密封结构材料进行空间环境暴露试验的模块。密封循环应力加载固定板固定连接于下底板或中部连接板或上顶板。
涂层摩擦多点触碰加载部件主要为各种涂层摩擦材料进行空间环境暴露试验的模块。涂层摩擦多点触碰加载轴与摩擦模块框架固定连接于下底板或中部连接板或上顶板。涂层摩擦多点触碰加载轴上有多个涂层摩擦头，每个涂层摩擦头对应涂层摩擦试验件上的每个试验件，故进行实验时，同时可有多组摩擦实验同步进行。
如图5至图12所示，进一步地，所述单向拉伸加载部件包括：单向拉伸试验件15以及一对拉伸试验件固定件16，一对所述拉伸试验件固定件16一一对应安装在所述单向拉伸试验件15的两端，一对所述拉伸试验件固定件16对应与多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3连接；
所述单向压缩加载部件包括：单向压缩试验件17以及一对压缩试验件固定件18，一对所述压缩试验件固定件18一一对应安装在所述单向压缩试验件17的两端，一对所述压缩试验件固定件18对应与多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3连接；
所述螺线多轴应力加载部件包括：螺线试验件19以及一对螺线试验件固定板20，一对所述螺线试验件固定板20一一对应安装在所述螺线试验件19的两端，一对所述螺线试验件固定板20对应与多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3连接；
所述密封循环应力加载部件包括：密封循环应力试验件21以及密封循环应力加载固定板22，一对所述密封循环应力加载固定板22一一对应安装在所述密封循环应力试验件21的两端，一对所述密封循环应力加载固定板22对应与多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移(即平台轴向位移)，对单向拉伸试验件进行应力加载、对单向压缩试验件进行应力加载、对螺线试验件进行应力加载以及对密封循环应力试验件进行循环应力加载。单向拉伸与压缩部件可直接通过平台轴向位移来进行应力加载实验。渐进螺线多轴应力加载部件可直接通过平台轴向位移架来进行应力加载实验。密封循环应力加载部件可直接通过平台轴向循环往复运动来进行循环应力加载。
如图5至图12所示，进一步地，三点弯曲线性应力加载部件包括：至少一个三点弯曲试验件23、三点弯曲底座24、至少一对固定弹簧25、三点弯曲应力加载中心块26以及至少一个三点弯曲应力加载轴27，所述三点弯曲应力加载中心块26上下滑动安装在所述三点弯曲底座24中，所述三点弯曲应力加载中心块26的底部侧壁设有圆弧凸起28，所述三点弯曲应力加载轴27为圆柱体结构，所述三点弯曲应力加载轴27横向且与所述圆弧凸起28相邻设置，所述三点弯曲应力加载轴27的侧壁一一对应通过一对所述固定弹簧25与所述三点弯曲底座24的顶部以及底部连接，所述三点弯曲试验件23的两端一一对应与所述三点弯曲底座24的顶部和底部连接，所述三点弯曲试验件23的中部与所述三点弯曲应力加载轴27抵接，所述三点弯曲底座24以及所述三点弯曲应力加载中心块26对应与多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移，使得三点弯曲应力加载中心块向上位移，来推动三点弯曲应力加载轴向外侧推出，将三点弯曲试验件实现三点弯曲线性应力加载。三点弯曲底座可设计为多边形结构，使得该加载部件可同时进行多组三点弯曲线性应力加载。三点弯曲线性应力加载部件可通过平台轴向位移加载转换为侧向推力来加载三点弯曲线性应力。
如图5至图12所示，进一步地，所述扭转线性应力加载部件包括：扭转线性应力加载框架29、扭转线性应力加载齿条30、多个扭转线性应力加载齿轮31、多个扭转试验件32，所述扭转线性应力加载齿条30上下滑动安装在所述扭转线性应力加载框架29中，多个所述扭转线性应力加载齿轮31转动安装在所述扭转线性应力加载框架29中，多个所述扭转线性应力加载齿轮31对应位于所述扭转线性应力加载齿条30的两侧，多个所述扭转试验件32的一端一一对应与多个所述扭转线性应力加载齿轮30连接，多个所述扭转试验件32的另一端与所述扭转线性应力加载框架29连接，所述扭转线性应力加载框架29以及所述扭转线性应力加载齿条30对应与多个所述移动式应力加载机构2以及多个所述固定式应力加载机构3连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：将移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移加载至扭转线性应力加载齿条与扭转线性应力加载齿轮，将轴向位移转化为扭转运动，来对扭转试验件进行扭转线性应力加载。通过设计扭转线性应力加载齿条两侧的扭转线性应力加载齿轮数量，该加载部件可同时进行多组扭转试验。扭转线性应力加载部件可通过齿轮齿条将平台轴向位移转化为扭转应力加载。
如图5至图12所示，进一步地，所述涂层摩擦多点触碰加载部件包括：摩擦模块框架33、涂层摩擦多点触碰加载轴34、多个涂层摩擦头35以及多个涂层摩擦试验件36，所述涂层摩擦多点触碰加载轴34上下滑动安装在所述摩擦模块框架33中，多个所述涂层摩擦头35环绕所述涂层摩擦多点触碰加载轴34的外侧壁设置，多个所述涂层摩擦试验件36安装在所述摩擦模块框架33的内壁上，多个所述涂层摩擦头35与多个所述涂层摩擦试验件36相邻设置。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过移动式应力加载机构或者固定式应力加载机构内部的轴向位移，来移动涂层摩擦多点触碰加载轴，使得涂层摩擦头与涂层摩擦试验件之间来回进行摩擦实验，根据实际需要设计涂层摩擦头以及涂层摩擦试验件的数量，可同时进行多组不同材料的涂层摩擦实验。涂层摩擦多点碰触加载部件可通过平台轴向往复运动来进行摩擦实验。
本发明设计了一种材料样本暴露实验平台，该平台为空间环境和动态应力加载作用下的材料高通量样本暴露平台及其应力加载部件，以解决空间暴露环境下材料动态应力加载试验及高通量样本的问题。
材料样本暴露实验平台由空间站舱外安装基座37、机械臂抓取基座38、样品模块一、样品模块二、样品模块三、样品模块四、样品模块五、样品模块六、样品模块七、样品模块八和应力加载样品组成。其中，整个平台中的样品模块被分为8份，每份中有各自独立的样品。机械臂抓取基座安装在材料样本暴露实验平台的顶部，机械臂抓取基座用于在空间中使用空间机械臂将整体平台安装于空间站舱外安装基座上，空间站舱外安装基座与支撑板连接。其中，样品模块一、样品模块三、样品模块五、样品模块七为移动式应力加载机构，样品模块二、样品模块四、样品模块六、样品模块八为固定式应力加载机构。
样品模块一中包含下底板(第一下底板)、应力加载升降轴(第一应力加载升降轴)、应力传导轴(第一应力传导轴)、下层样品(样品试验设备)、中部连接板(第一中部连接板)、上层样品(样品试验设备)和上顶板(第一上顶板)组成。其中，下层样品和上层样品中的材料暴露实验样品分别均匀安装于下底板、中部连接板和中部连接板、上顶板中间，通过应力加载升降轴改变下底板和上顶板的距离，来对内部整体样品进行应力加载，并通过中部连接板和应力传导轴，来使下层样品与上层样品所受应力加载一致，以此实现应力的动态加载。
样品模块八中包含下底板(第二下底板)、应力加载轴(第二应力加载升降轴)、应力传导轴(第二应力传导轴)、下层样品(样品试验设备)、中部连接板(第二中部连接板)、上层样品(样品试验设备)和上顶板(第二上顶板)组成。其中，下层样品和上层样品中的材料暴露实验样品分别均匀安装于下底板、中部连接板和中部连接板、上顶板中间，通过应力加载轴改变下底板和上顶板的距离，来对内部整体样品进行应力加载，并通过中部连接板和应力传导轴，来使下层样品与上层样品所受应力加载一致，以此实现应力的动态加载。这里的样品就是下面的加载模块，样品试验设备，只是先用其中一种整体展示，对于排列形式、结构和加载模块种类，是可以根据实际材料加载需求任意组合的。样品模块一、三、五、七与样品模块二、四、六、八的区别是样品模块一、三、五、七分别可整体上升，其他内部加载方式没有分别。
样品暴露平台可以包含共8个样品模块，其中按照样品模块一、三、五、七与样品模块二、四、六、八分为两组，其中样品模块一、三、五、七中的第一应力加载升降轴除去自身应力加载的轴向位移外，还可将样品模块进行整体升降扩展。在样品模块一、三、五、七升起扩展后，可通过第一应力加载升降轴分别进行不同的应力加载；样品模块二、四、六、八可通过第二应力加载升降轴分别进行不同的应力加载。
下层样品和上层样品都属于应力加载样品中，且可根据实际样品尺寸、应力加载模式等调整样品模块内部层数，例如样品模块八为两层，而样品模块七为四层。
此外，做出以下不同的应力加载样品(即样品试验设备的组合)来适应此暴露平台的动态应力加载特性，其中包含单向拉伸/压缩加载部件、三点弯曲线性应力加载部件、扭转线性应力加载部件、渐进螺线多轴应力加载部件、密封循环应力加载部件及涂层摩擦多点触碰加载部件。螺线多轴应力加载部件可以为渐进螺线多轴应力加载部件。
单向拉伸加载部件包含单向拉伸试验件和拉伸试验件固定件。单向压缩加载部件包含单向压缩试验件和压缩试验件固定件。
三点弯曲线性应力加载部件包含三点弯曲试验件、三点弯曲底座、固定弹簧、三点弯曲应力加载中心块和三点弯曲应力加载轴。通过平台轴向位移(即第一应力加载升降轴或第二应力加载升降轴带动上顶板和下顶板在竖直方向上的位移)使得三点弯曲应力加载中心块向上位移，来推动三点弯曲应力加载轴向外侧推出，将三点弯曲试验件实现三点弯曲线性应力加载。三点弯曲底座可以为五边形结构，该加载部件可同时进行五组三点弯曲线性应力加载。
平台轴向位移即通过第一应力加载升降轴或第一应力加载升降轴产生的轴向位移应力加载。
扭转线性应力加载部件中包含扭转线性应力加载框架、扭转线性应力加载齿条、扭转线性应力加载齿轮和扭转试验件。其中将平台轴向位移加载至扭转线性应力加载齿条与扭转线性应力加载齿轮，将轴向位移转化为扭转运动，来对扭转试验件进行扭转线性应力加载。可以在齿条的两侧分别设置一对齿轮，该加载部件可同时进行4组扭转试验。
渐进螺线多轴应力加载部件中包含渐进螺线试验件和渐进螺线试验件固定板。其中渐进螺线试验件中为双螺旋或多螺旋件，通过平台轴向位移来对渐进螺线试验件进行应力加载。
密封循环应力加载部件中包含密封循环应力试验件和密封循环应力加载固定板。其中平台轴向位移来对密封循环应力试验件进行循环应力加载。
涂层摩擦多点触碰加载部件中包含摩擦模块框架、涂层摩擦多点触碰加载轴、涂层摩擦头和涂层摩擦试验件。通过平台轴向往复位移来移动涂层摩擦多点触碰加载轴，使得涂层摩擦头与涂层摩擦试验件之间来回进行摩擦实验，且可同时进行多组不同材料的涂层摩擦实验。
平台可以在空间环境下同时进行不同材料不同动态应力加载模式的暴露实验；样品模块分区扩展，样品容量大，暴露面积大，实现了材料高通量暴露；实现了多种材料尺寸、属性，不同应力加载模式等需求。这里的材料可以为：原子氧标定材料、基础材料(金属、聚合物、无机非金属)、功能材料(固体润滑薄膜/涂层、硬质薄膜、镜面反射膜、热控涂层、金属膜系材料、航天员织物材料)和新材料(超晶格材料、形状记忆材料、新型纳米材料、非晶/纳米晶材料等)。动态应力加载模式为根据不同材料的需求来使用不同的应力加载模式。高通量即为在有效的面积和体积下可暴露的样品种类和数量很多，在国内外研究中，大部分都是很小的暴露，而本发明的材料样本暴露实验平台外表面的暴露面积就已经可达3平方米左右。
平台样品模块(即应力加载机构)可进行升降扩展，实现三维立体架构的高通量暴露，相比于现有国内外暴露平台的二维展示型设计概念，有效增大了暴露面积；平台可以实现各子区域整体式加载，各模块可进行独立的应力加载，加载应力可随时间变化控制；平台可实现在空间环境下同时进行不同材料、不同应力加载模式(包含拉伸、压缩、弯曲、扭转、多轴耦合应力状态、多点触碰摩擦模块等)的舱外暴露实验；平台可实现在空间舱外暴露环境下进行低频动态的应力加载，可以有效模拟材料在轨服役的复杂边界条件；样品模块内部按照顺序进行样品阵列，其内部并非完全密封，可使处于内部的样品也暴露于舱外，增大了有效暴露样品数量，实现了材料高通量暴露。三维立体架构是指，以往的暴露平台都只是在平台的外表面放置一些样品来进行暴露，所以只能以面积为单位做暴露计算，但本发明中样品并非只是在外表面，其处于平台内部的样品也可暴露在外。加载应力可随时间变化控制是根据加载需求来的，例如如果只是做一次断裂实验，那就只是拉伸一次即可，如果是做循环疲劳实验，那就要根据材料需求来定制循环次数、时间等参数。阵列的方式、密度、位置等可按照实际需求更改。
单向拉伸与压缩部件可直接通过平台轴向位移来进行应力加载实验；三点弯曲线性应力加载部件可通过平台轴向位移加载转换为侧向推力来加载三点弯曲线性应力；扭转线性应力加载部件可通过齿轮齿条将平台轴向位移转化为扭转应力加载；渐进螺线多轴应力加载部件可直接通过平台轴向位移架来进行应力加载实验；密封循环应力加载部件可直接通过平台轴向循环往复运动来进行循环应力加载；涂层摩擦多点碰触加载部件可通过平台轴向往复运动来进行摩擦实验；可定制化设计应力加载样品的尺寸、应力加载幅值、模式等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，包括：支撑板、多个具有相对支撑板进行升降的移动式应力加载机构、多个相对支撑板静止的固定式应力加载机构，多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构均安装在所述支撑板上，多个所述移动式应力加载机构与多个所述固定式应力加载机构环绕所述支撑板的中部相互间隔设置，多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构中分别安装有样品试验设备。
2.根据权利要求1所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述移动式应力加载机构包括：第一下底板、第一应力加载升降轴、至少一个第一中部连接板、第一上顶板，所述第一下底板位于所述第一上顶板的下方，所述第一应力加载升降轴的底端贯穿所述第一下底板并安装在所述支撑板上，所述第一应力加载升降轴的顶端与所述第一上顶板连接，所述第一中部连接板安装在所述第一应力加载升降轴的中部，所述样品试验设备安装在所述第一下底板和所述第一中部连接板之间以及所述第一中部连接板和所述第一上顶板之间，位于所述第一下底板和所述第一中部连接板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第一下底板以及所述第一中部连接板抵接，位于所述第一中部连接板和所述第一上顶板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第一下底板以及所述第一中部连接板抵接。
3.根据权利要求2所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述移动式应力加载机构还包括：第一应力传导轴，所述第一应力传导轴以及所述第一应力加载升降轴均竖直设置，所述第一应力传导轴的两端一一对应与所述第一下底板以及所述第一上顶板连接，所述第一应力传导轴的中部与所述第一中部连接板连接。
4.根据权利要求1所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述固定式应力加载机构包括：第二下底板、第二应力加载升降轴、至少一个第二中部连接板、第二上顶板，所述第二下底板位于所述第二上顶板的下方，所述第二应力加载升降轴的底端安装在所述支撑板上，所述第二应力加载升降轴的顶端与所述第二上顶板连接，所述第二中部连接板安装在所述第二应力加载升降轴的中部，所述样品试验设备安装在所述第二下底板和所述第二中部连接板之间以及所述第二中部连接板和所述第二上顶板之间，位于所述第二下底板和所述第二中部连接板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第二下底板以及所述第二中部连接板抵接，位于所述第二中部连接板和所述第二上顶板之间的样品试验设备的两端一一对应与所述第二下底板以及所述第二中部连接板抵接。
5.根据权利要求4所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述固定式应力加载机构还包括：第二应力传导轴，所述第二应力传导轴以及所述第二应力加载升降轴均竖直设置，所述第二应力传导轴的两端一一对应与所述第二下底板以及所述第二上顶板连接，所述第二应力传导轴的中部与所述第二中部连接板连接。
6.根据权利要求1所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述样品试验设备为单向拉伸加载部件、单向压缩加载部件、三点弯曲线性应力加载部件、扭转线性应力加载部件、螺线多轴应力加载部件、密封循环应力加载部件以及涂层摩擦多点触碰加载部件中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述单向拉伸加载部件包括：单向拉伸试验件以及一对拉伸试验件固定件，一对所述拉伸试验件固定件一一对应安装在所述单向拉伸试验件的两端，一对所述拉伸试验件固定件对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接；
所述单向压缩加载部件包括：单向压缩试验件以及一对压缩试验件固定件，一对所述压缩试验件固定件一一对应安装在所述单向压缩试验件的两端，一对所述压缩试验件固定件对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接；
所述螺线多轴应力加载部件包括：螺线试验件以及一对螺线试验件固定板，一对所述螺线试验件固定板一一对应安装在所述螺线试验件的两端，一对所述螺线试验件固定板对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接；
所述密封循环应力加载部件包括：密封循环应力试验件以及密封循环应力加载固定板，一对所述密封循环应力加载固定板一一对应安装在所述密封循环应力试验件的两端，一对所述密封循环应力加载固定板对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接。
8.根据权利要求6所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，三点弯曲线性应力加载部件包括：至少一个三点弯曲试验件、三点弯曲底座、至少一对固定弹簧、三点弯曲应力加载中心块以及至少一个三点弯曲应力加载轴，所述三点弯曲应力加载中心块上下滑动安装在所述三点弯曲底座中，所述三点弯曲应力加载中心块的底部侧壁设有圆弧凸起，所述三点弯曲应力加载轴为圆柱体结构，所述三点弯曲应力加载轴横向且与所述圆弧凸起相邻设置，所述三点弯曲应力加载轴的侧壁一一对应通过一对所述固定弹簧与所述三点弯曲底座的顶部以及底部连接，所述三点弯曲试验件的两端一一对应与所述三点弯曲底座的顶部和底部连接，所述三点弯曲试验件的中部与所述三点弯曲应力加载轴抵接，所述三点弯曲底座以及所述三点弯曲应力加载中心块对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接。
9.根据权利要求6所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述扭转线性应力加载部件包括：扭转线性应力加载框架、扭转线性应力加载齿条、多个扭转线性应力加载齿轮、多个扭转试验件，所述扭转线性应力加载齿条上下滑动安装在所述扭转线性应力加载框架中，多个所述扭转线性应力加载齿轮转动安装在所述扭转线性应力加载框架中，多个所述扭转线性应力加载齿轮对应位于所述扭转线性应力加载齿条的两侧，多个所述扭转试验件的一端一一对应与多个所述扭转线性应力加载齿轮连接，多个所述扭转试验件的另一端与所述扭转线性应力加载框架连接，所述扭转线性应力加载框架以及所述扭转线性应力加载齿条对应与多个所述移动式应力加载机构以及多个所述固定式应力加载机构连接。
10.根据权利要求6所述的一种材料样本暴露实验平台，其特征在于，所述涂层摩擦多点触碰加载部件包括：摩擦模块框架、涂层摩擦多点触碰加载轴、多个涂层摩擦头以及多个涂层摩擦试验件，所述涂层摩擦多点触碰加载轴上下滑动安装在所述摩擦模块框架中，多个所述涂层摩擦头环绕所述涂层摩擦多点触碰加载轴的外侧壁设置，多个所述涂层摩擦试验件安装在所述摩擦模块框架的内壁上，多个所述涂层摩擦头与多个所述涂层摩擦试验件相邻设置。
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