【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于液氦超低溫沖擊力學性能測試設備，具體涉及一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統及其使用方法。
技術介紹
1、材料在低環境溫度下運行的安全性是當前面臨的問題和挑戰，特別是?4.2k-77k溫區的材料動力學特性是深空探測結構安全防護的一個基礎性問題，也是探測器沖擊防護工程研究的重難點之一。低溫環境在提高材料強度的同時會降低其斷裂韌性，進而導致裂紋的快速擴張。這種脆斷的發生往往是毫無征兆的，?這對低溫下材料的安全防護將是災難性的。
2、一般而言，金屬材料的強韌化要求其具有高彈性模量、低層錯能以及相穩定性。然而，關于超低溫下金屬的韌化特性的研究主要集中在靜態加載，對于復雜應力狀態下沖擊加載的研究欠缺，其動態強韌化的微細觀作用機理尚不明確。基于此，本專利技術創建超低溫(4.2k~77k)且復雜應力狀態下的材料動態力學實驗裝置，結合多尺度實驗方法研究纖維金屬復合材料在超低溫度下的動態力學特性，探討低溫動態加載下纖維金屬復合材料的變形與失效演化規律，明確其超低溫動韌化的微細觀力學機理，進而闡明超低溫與高應變率以及應力狀態之間關聯與競爭的機制。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是為了在材料進行復雜應力狀態下沖擊加載的同時，對材料行超低溫冷卻，提供了一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統及其使用方法。本專利技術基于分離式霍普金森壓桿技術，結合超低溫真空實驗腔體為樣品提供超低溫環境，可以測量從4k到77k時的樣品的力學性能。超低溫真空實驗腔體中既可通過液氦降溫也可通過液氮降溫；樣品
2、本專利技術為了實現上述的專利技術目的，采用如下的技術方案：
3、一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，所述基于真空下的液氦超低溫沖擊系統包括超低溫真空實驗腔體、真空機組、供液氦裝置、沖擊裝置和應變采集裝置；
4、所述超低溫真空實驗腔體包括觀察窗、沖擊裝置接入口、液氦傳輸入口、液氦回流出口、抽真空接口、固定器、樣品架、液氦溫度傳感器、液氮溫度傳感器、銦片和載物臺；所述腔體兩側相對設置沖擊裝置接入口，供沖擊裝置的入射桿和透射桿伸入，所述超腔體側面設置有觀察窗、液氦傳輸入口、液氦回流出口和抽真空接口；所述腔體內部設置載物臺，載物臺上設置銦片，銦片上設置樣品架，設置樣品架的垂直上方設置固定器，固定器與樣品架之間用于放置樣品，使樣品的位置位于沖擊裝置的入射桿、透射桿之間；
5、所述真空機組包括抽氣泵和控制器，所述抽氣泵通過波紋管與所述抽真空接口連接，所述控制器用于控制抽氣泵；
6、所述供液氦裝置包括液氦罐、氦氣泵、液氦傳輸管、氦氣傳輸管和溫控儀；所述液氦罐通過氦氣傳輸管與氦氣泵連接，所述液氦罐通過液氦傳輸管與所述液氦傳輸入口連接，所述溫控儀用于對所述超低溫真空實驗腔體的內部環境進行測溫；
7、所述沖擊裝置包括氣炮、沖擊桿、入射桿、透射桿、吸收桿和動量阱；所述氣炮、沖擊桿、入射桿、透射桿、吸收桿和動量阱沿直線方向依次設置，所述氣炮、沖擊桿、入射桿設置于所述超低溫真空實驗腔體的一側，所述透射桿、吸收桿和動量阱設置于所述超低溫真空實驗腔體的另一側；
8、所述應變采集裝置包括應變片、應變儀和示波器，所述應變片設置于入射桿和透射桿上，所述應變片連接至應變儀，所述應變儀與示波器連接。
9、在上述技術方案中，所述超低溫真空實驗腔體還包括底座，所述底座設置于腔體的底部。
10、在上述技術方案中，所述沖擊裝置還包括支撐平臺，所述支撐平臺設置于所述入射桿、透射桿的下方用于固定。
11、在上述技術方案中，所述樣品架具有不同尺寸和規格，為可更換的。
12、在上述技術方案中，所述觀察窗為透明的，由玻璃制成。
13、一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統的使用方法，包括如下步驟：
14、步驟一、根據試樣的尺寸選擇合適的樣品架，將樣品從觀察窗中放置在樣品架上，并用入射桿和透射桿接觸夾持，將固定器擰緊蓋好。
15、步驟二、分子泵控制器通過金屬波紋管與抽真空接口連接，對超低溫真空實驗腔體進行抽真空。
16、步驟三、打開氦氣泵通過氦氣傳輸管虹吸將液氦罐中的液氦通過液氦傳輸管壓入超低溫真空實驗腔體中的液氦傳輸入口，在超低溫真空實驗腔體中回流，通過液氦回流出口流出，給腔體提供持續的超低溫環境，再通過溫控儀實時測溫監測。
17、步驟四、進行分離式霍普金森桿實驗，入射桿和透射桿由支撐平臺支撐，使其水平向和豎直向對齊，通過氣炮中高壓氣體使沖擊桿撞擊入射桿，產生壓應力脈沖并沿著入射桿向試樣方向傳播。當應力波傳到入射桿與試樣的界面時，一部分反射回入射桿，另一部分對試樣加載并傳向透射桿，最終由吸收桿和動量阱吸收能量。通過貼在入射桿與透射桿上的?應變片記錄入射脈沖、反射脈沖以及透射脈沖。
18、在上述技術方案中，在步驟四中，根據一維應力波理論確定試樣上的應力、應變率、應變，由此作出應力-應變曲線和應變-應變率曲線：
19、；
20、；
21、；
22、式中，e，c，a為壓桿的彈性模量，波速及橫截面積，，為試樣的初始橫截面積和初始長度。
23、有益效果：
24、（1）裝置結構清晰、原理簡單；
25、（2）超低溫真空實驗腔體中既可通過液氦降溫也可通過液氮降溫；
26、（3）樣品架的尺寸可以選擇，可對不同直徑、不同厚度的材料進行力學性能測試；
27、（4）樣品架底部采用銦片，銦片具有良好的導熱性能，使得溫度傳感器測量的樣品溫度更加準確；
28、（5）腔體正前方有透明觀察窗，可以清晰的觀測到材料的結構演化和破壞過程。
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1.一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述基于真空下的液氦超低溫沖擊系統包括超低溫真空實驗腔體、真空機組、供液氦裝置、沖擊裝置和應變采集裝置；
2.根據權利要求1所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述超低溫真空實驗腔體還包括底座，所述底座設置于腔體的底部。
3.根據權利要求1所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述沖擊裝置還包括支撐平臺，所述支撐平臺設置于所述入射桿、透射桿的下方用于固定。
4.根據權利要求1所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述樣品架具有不同尺寸和規格，為可更換的。
5.根據權利要求1所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述觀察窗為透明的，由玻璃制成。
6.一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：
7.根據權利要求6所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統的使用方法，其特征在于：在步驟四中，根據一維應力波理論確定試樣上的應力、應變率、應變，作出應力-應變曲線和應變-應變率
...【技術特征摘要】
1.一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述基于真空下的液氦超低溫沖擊系統包括超低溫真空實驗腔體、真空機組、供液氦裝置、沖擊裝置和應變采集裝置；
2.根據權利要求1所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述超低溫真空實驗腔體還包括底座，所述底座設置于腔體的底部。
3.根據權利要求1所述的一種基于真空下的液氦超低溫沖擊系統，其特征在于：所述沖擊裝置還包括支撐平臺，所述支撐平臺設置于所述入射桿、透射桿的下方用于固定。
4.根據權利要求1...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王鵬飛，黃婷婷，武揚帆，徐松林，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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