本发明专利技术涉及一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置与测试方法，装置安装在无液氦变温超导磁体系统的样品杆末端后插入到样品腔中，通过自主定制的无液氦变温超导磁体系统为样品腔提供一个稳定可调的极低温强磁场环境，压痕测试过程中，控制加载平台精密驱动，带动被测试样进行压入操作，通过激光探头分别测量压头与加载平台的位移，即可根据本发明专利技术提出的测试方法得到压痕过程中的P
【技术实现步骤摘要】
一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置及测试方法
[0001]本专利技术涉及一种材料力学性能测试领域，具体涉及使用光机电热磁一体化的精密仪器测试，特别涉及一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置及测试方法。
技术介绍
[0002]为适应机械装备集成化和轻量化的要求，材料的外形尺寸也越来越小，随之而来的便是如何对其进行力学性能参数测量的问题。纳米压痕测试技术相较于传统硬度测试方法具有压入深度精确、测量精度高、测得的力学性能参数丰富等上述诸多优势，其在超导材料、半导体材料和薄膜材料等领域具有广阔的应用。
[0003]在不同服役条件下，材料的力学性能参数会存在很大不同。随着航空航天、深海与极地探测技术的发展，低温环境的研究逐渐成为近些年来研究中难以回避的难点与热点。
[0004]与此同时，对于超导材料来说，伴随着极低温的是更为严苛的强磁场环境。受控核聚变反应堆、超级高铁、强子对撞机、超高压输电设备、超导电机、超导潜艇、电磁弹射器和超能电磁炮等高新技术装备均需在极低温
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强磁场耦合环境下保持正常的工作状态，否则将会对人类社会造成难以估量的损失。
[0005]因此亟需一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置及测试方法，其对极端环境下材料使役性能测试具有重要意义。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置，适用于无液氦变温超导磁体系统，实现极低温强磁场环境下对被测试样开展硬度、弹性模量等基本力学参量的测试分析，为极端环境下材料使役性能测试与极低温强磁场下新物性、新现象、新规律研究提供新颖的手段工具。
[0007]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0008]一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置，所述的测试装置安装无液氦变温超导磁体系统的样品腔18内，所述的底座支架1的上端固定连接有探头支架7，所述的探头支架7上固定连接有第一激光探头5和第二激光探头6，所述的第一激光探头5正下方有固定梁8，所述的固定梁8的两端固定连接在底座支架1上，固定梁8的上方固定连接有第一反射镜4，固定梁8的下方固定连接有压头9；底座支架1的底部上固定连接有换点平台15，换点平台15上固定连接预接触平台13，带动预接触平台12移动，预接触平台12上固定连接有加载平台11，加载平台11上固定连接有试样台10，试样台10上固定有被测试样10；所述的加载平台12侧面固定连接有位移测量板3，所述的位移测量板3上固定连接有第二反射镜2，所述的第二反射镜2位于第二激光探头6的正下方，所述的探头支架7固定连接在样品杆16的末端后插入到无液氦变温超导磁体系统的样品腔18中。
[0009]作为本专利技术更优的技术方案，所述的无液氦变温超导磁体系统为单台制冷机作为冷源，制冷机的冷头22安装在系统的真空外壳19上方；冷屏25和超导磁体16分别和冷头的
一级冷台24、二级冷台26相连接；样品腔18底部插入到超导磁体16中，并且和超导磁体16同心；为样品提供变温的氦气循环气路从真空腔顶部的氦气进口23进入到腔体内，并和内部的一级冷台24、二级冷台26进行热交换，使氦气充分冷却，冷却后的氦气通过一个可以手动调节的针阀后进行节流降温，降温后更冷的氦气喷射在样品腔18的外壁，对样品腔18进行降温，样品腔18内为静态氦气氛围，和样品腔热交换后的氦气沿样品腔18外部的夹层上升，回到真空腔顶部后，再从氦气出口20泵出。
[0010]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的测试装置整体尺寸40mm
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34mm
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128mm。
[0011]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的换点平台15上固定连接有转接板14，转接板14上固定连接有预接触平台13。
[0012]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的加载平台11、预接触平台13和换点平台15均采用压电驱动。
[0013]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的底座支架1、位移测量板3、探头支架7、样品台11和转接板14的材质为7075Al铝合金。
[0014]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的两端固定梁8由TC4钛合金制成。
[0015]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的压头9由无磁不锈钢柄和金刚石尖端制成。
[0016]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的第一反射镜4、第二反射镜4由单晶硅片制成，加载平台12、预接触平台13、换点平台15的主体部分均为无磁钛合金制成。
[0017]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的加载平台11、预接触平台13之间，预接触平台13和转接板14之间均通过六角螺钉连接，所述的螺钉采用无磁不锈钢和钛合金制成。
[0018]作为本专利技术的更优的技术方案，所述的加载平台12、预接触平台13、换点平台15的供电导线均由纯铜制成，所述的温度传感器导线由磷青铜制成，第一激光探头5、第二激光探头6引线由真空光纤制成，分别通过样品杆16顶部的航空插头及真空法兰引入引出。
[0019]上述7075Al铝合金、TC4钛合金、无磁不锈钢、金刚石、无磁钛合金、单晶硅均不受强磁场影响，且在低温下形变量较小。
[0020]本专利技术还提供一种极低温强磁场环境下的压痕测试方法，所述的测试方法基于上述测试装置实现，所述的测试装置安装于无液氦变温超导磁体系统的样品腔18，所述的无液氦变温超导磁体系统为所述的测试方法提供极低温强磁场环境，样品腔18位于超导磁体16之间，超导磁体16为其提供强磁场，冷却氦气喷射在样品腔18外壁为其提供极低温，具体步骤如下：压头9刚接触到被测试样10时，第一激光探头5和第二激光探头6的位移清零；压头9压入被测试样10时，压头9位移通过第一激光探头5测得，加载平台12位移由第二激光探头6测得，压痕位移等于加载平台12位移减去压头9位移，压痕载荷等于两端固定梁8的刚度乘以压痕位移，进而得到压入过程的荷载
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深度曲线。
[0021]有益效果如下：
[0022]本专利技术提供了一种适合放置在无液氦变温超导磁体系统的样品腔内的测试装置及其测试方法，准确性高、无干扰，实现在极低温(10
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300K)和强磁场(9T)环境下对被测试样开展硬度、弹性模量等基本力学参量的测试分析，将为极端环境下材料使役性能测试与极低温、强磁场下新物性、新现象、新规律研究提供新颖的手段工具。
附图说明
[0023]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0024]图1为本专利技术测试装置整体结构示意图；
[0025]图2为本专利技术测试装置安装在无液氦变温超导磁体系统上的结构示意图(虚线框内为测试装置整体)；
[0026]图3为本专利技术测试方法原理图：(a)压头刚接触到被测试样时；(b)压头压入被测试样时；
[0027]图4为变温磁场作用下的压痕测试原理图。
[00本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置，其特征在于：包括提供极低温强磁场环境的无液氦变温超导磁体系统，所述的测试装置安装在无液氦变温超导磁体系统的样品腔(18)内，所述的底座支架(1)的上端固定连接有探头支架(7)，所述的探头支架(7)上固定连接有第一激光探头(5)和第二激光探头(6)，所述的第一激光探头(5)正下方有固定梁(8)，所述的固定梁(8)的两端固定连接在底座支架(1)上，固定梁(8)的上方固定连接有第一反射镜(4)，固定梁(8)的下方固定连接有压头(9)；底座支架(1)的底部上固定连接有换点平台(15)，换点平台(15)上固定连接预接触平台(13)，带动预接触平台(12)移动，预接触平台(12)上固定连接有加载平台(11)，加载平台(11)上固定连接有试样台(10)，试样台(10)上固定有被测试样(10)；所述的加载平台(12)侧面固定连接有位移测量板(3)，所述的位移测量板(3)上固定连接有第二反射镜(2)，所述的第二反射镜(2)位于第二激光探头(6)的正下方，所述的探头支架(7)固定连接在样品杆(17)的末端后插入到无液氦变温超导磁体系统的样品腔(18)中。2.如权利要求1所述的极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的无液氦变温超导磁体系统的冷源为单台制冷机，制冷机的冷头(22)安装在系统的真空外壳(19)上方；冷屏(25)和超导磁体(16)分别和冷头的一级冷台(24)、二级冷台(26)相连接；样品腔(18)底部插入到超导磁体(16)中和超导磁体(16)同心；氦气循环气路从真空外壳(19)顶部的氦气进口(23)进入到壳体内，并和内部的一级冷台(24)、二级冷台(26)进行热交换，冷却后的氦气通过针阀后进行节流降温，降温后更冷的氦气喷射在样品腔(18)的外壁，样品腔(18)内为静态氦气氛围，和样品腔热交换后的氦气沿样品腔(18)外部的夹层上升，回到真空腔顶部后，再从氦气出口(20)泵出。3.如权利要求1所述的极低温强磁场环境下的微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的测试装置整体尺寸40mm
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34mm
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128mm。4.如权利要求1所述的极低温强磁场环境下的微纳米...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，宗翔宇，王顺博，王赵鑫，李聪，赵泽睿，李义强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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