一种X射线显微镜用高温原位加载实验装置

摘要

本发明公开了一种X射线显微镜用高温原位加载实验装置，涉及检测领域。该装置由拉伸模块，半导体制冷，支撑框架，电极与隔热夹具和外壳五部分构成。本发明X射线显微镜高温原位加载装置可以再高温环境下服役材料的性能退化和失效过程，对于高温结构部件的寿命和失效预测，提高了部件的服役安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及检测领域，具体涉及一种X射线显微镜用高温原位加载实验装置。

背景技术

X射线显微镜，也叫X射线CT，是一种可以无损对物质内部微结构进行分析的仪器。其原理是用一束X射线照射待测物质，物质内部不同的微结构对X射线吸收不同，当X射线穿过物质后，会在探测器上形成强度不同的吸收衬度像，通过旋转物质或X光源，获得不同角度的吸收衬度像，通过一定的算法就可以实现内部微结构的3D重构。X射线显微镜广泛应用于考古、古生物、地质和材料等领域，是一种用途广泛的科学仪器。通过一些原位实验附件的开发，可以利用X射线显微镜原位实时研究材料在环境作用下的使役行为，更加准确的理解和洞悉材料的特性，为材料的合理使用和新材料的开发提供更多的依据。

在核电、化工、航空发动机、燃气轮机等工业装备上，大量关键核心部件的材料在高温环境下服役，一旦失效将引发灾难性后果。研究这些高温环境下服役材料的性能退化和失效过程，对于高温结构部件的寿命和失效预测，提高部件的服役安全性及新型高温结构材料的研发具有重要的意义。

发明内容

本发明是针对上述问题提供一种适用于X射线显微镜的高温原位加载装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种X射线显微镜用高温原位加载实验装置，该装置包括拉伸模块，支撑框架，电极与隔热夹具和外壳；

所述的拉伸模块包括电机、减速机、传动带、双丝杠、传感器、承力横梁和拉力杆，所述的电机和减速机通过传动带相连，所述的传动带通过传动机构与两组双丝杠相连，所述的两组双丝杠的中部设有承力横梁，拉力杆竖直位于承力横梁中部且与之相连；所述的拉伸模块位于外壳的内腔中；

拉力杆的上部穿出外壳位于支撑框架下部，拉力杆的顶端与下夹具下部相连，下夹具下部的上方设有下夹具上部，所述的下夹具下部和下夹具上部固定连接，下夹具上部上方设有上夹具，试样位于下夹具上部和上夹具之间。

本发明技术方案中：上夹具的上方设有第三隔热陶瓷。

本发明技术方案中：下夹具下部和下夹具上部之间设有第二隔热陶瓷。

本发明技术方案中：下夹具下部以及下夹具上部通过连接螺栓固定连接，且连接螺栓与下夹具下部以及下夹具上部之间设有第一隔热陶瓷。

本发明技术方案中：上电极与上夹具相连，下夹具上部与下电极相连。

本发明技术方案中：该装置还包括半导体制冷装置，所述的半导体制冷装置位于电机的上方且半导体制冷装置和电机之间设有外壳。

本发明技术方案中：拉力杆的下部还设有传感器，且拉力杆前端为中空结构。

本发明技术方案中：支撑框架上部和试样等高布置，且支撑框架上部是由氧化铍材料制成。

本发明技术方案中：支撑框架下部是由铜合金制成。

本发明技术方案中：测温电偶布置于下夹具上部接近试样部位。

本发明的有益效果：

本发明X射线显微镜高温原位加载装置可以再高温环境下服役材料的性能退化和失效过程，对于高温结构部件的寿命和失效预测，提高了部件的服役安全性。

附图说明

图1为X射线显微镜高温原位加载装置示意图。

图2为拉伸系统结构的主视图。

图3为拉伸系统结构的左视图。

图4为电极与隔热夹具分解图。

其中：1为拉伸系统，2为半导体制冷，3为支撑框架，4为电极与隔热夹具，5为外壳，6为电极，7为减速机，8为传动带，9为承力横梁，10为传感器，11为拉力杆，12为支撑框架上部，13为下电极，14为上电极，15为第一隔热陶瓷，16为第二隔热陶瓷，17为第三隔热陶瓷，18为上夹具，19为下夹具下部，20为下夹具上部，21为测温电偶，22为试样，23为连接螺栓，24为支撑框架下部，25丝杆。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

如图1～4，一种X射线显微镜用高温原位加载实验装置，该装置包括拉伸模块1，支撑框架3，电极与隔热夹具4和外壳5；

所述的拉伸模块1包括电机6、减速机7、传动带8、双丝杠25、传感器10、承力横梁9和拉力杆11，所述的电机6和减速机7通过传动带8相连，所述的传动带8通过传动机构与两组双丝杠25相连，所述的两组双丝杠25的中部设有承力横梁9，拉力杆11竖直位于承力横梁9中部且与之相连；所述的拉伸模块1位于外壳5的内腔中；

拉力杆11的上部穿出外壳5位于支撑框架下部24，拉力杆11的顶端与下夹具下部19相连，下夹具下部19的上方设有下夹具上部20，所述的下夹具下部19和下夹具上部20固定连接，下夹具上部20上方设有上夹具18，试样22位于下夹具上部20和上夹具18之间。

上夹具18的上方设有第三隔热陶瓷17。下夹具下部19和下夹具上部20之间设有第二隔热陶瓷16。下夹具下部19以及下夹具上部20通过连接螺栓23固定连接，且连接螺栓与下夹具下部19以及下夹具上部20之间设有第一隔热陶瓷15。

上电极14与上夹具18相连，下夹具上部20与下电极13相连。

该装置还包括半导体制冷装置2，所述的半导体制冷装置2位于电机6的上方且半导体制冷装置2和电机6之间设有外壳5。拉力杆11的下部还设有传感器10。

支撑框架上部12和试样22等高布置，且支撑框架上部12是由氧化铍材料制成。支撑框架下部24是由铜合金制成。

测温电偶21布置于下夹具上部20接近试样部位。

整个装置的原理和各部分功能如下所述：

1.拉伸模块：作用是给待测试样实现预定载荷的加载。

2.半导体制冷：作用是对整个装置实现冷却，由半导体制冷片、风扇、热管和散热片构成。

3.支撑框架：作用是承受试样传递的压力，支撑上隔热夹具。其下部材料是热导率高的铜合金，除了支撑作用外，还能将电极和隔热夹具辐射的热量迅速传导至外壳，保持低温状态，避免其辐射的热量对X光源和探测器造成损害。支撑框架上部和试样等高的部位是由氧化铍材料制成，作用是保证高的X射线透过率，同时氧化铍也有很高的热导率，高温试样辐射到其表面的热量会快速传导离开，使其保持低温状态。

4.电极与隔热夹具：作用是夹持试样、与电源相连接实现电流对试样的自加热和隔热。

5.外壳：支持和连接整个装置。

图2是拉伸模块的结构图。电极、减速带和减速机共同构成了装置的动力源，提供实验所需的拉力。电机经过传动带以及传动装置带动双丝杆反向旋转，承力横梁带动拉力杆沿丝杆轴向运动，承力横梁和拉力杆之间安装拉力传感器，测量拉力杆对试样的拉力，并反馈至控制系统，由控制系统调整电机的状态，直到拉力达到设定载荷。拉力杆前端为中空结构，增加热阻，减少热量由电极和隔热夹具向拉伸系统传递。

图4为电极与隔热夹具部分结构细节分解图。电流通过电源正极→下电极→下夹具上部→试样→上夹具→上电极→电源负极，构成电流通路，利用电流加热效应实现自试样加热，上夹具和下夹具下部用耐高温电阻率低的钨铜合金制成，保证夹具的高温强度和低发热。下夹具下部和下夹具上部之间用隔热陶瓷2分隔，降低热传导，用连接螺栓连接下夹具上下部，连接螺栓和夹具之间用隔热陶瓷1分隔，进一步降低下夹具上部对下夹具下部的热传导。测温电偶布置于下夹具上部接近试样部位，减小测温电偶与试样之间的温差。隔热陶瓷3作用是避免实验人员被上夹具高温烫伤。

案例2：采用本发明研究高温钢在高温下的氧化行为，当加热电流为200A时，高温钢的试样温度达800℃，在实验过程中，试验台稳定可靠工作，原位拉伸台达到设计目标。

案例3：采用本发明研究TiAl合金在高温下拉伸载荷下缺陷的演化过程，当加热电流为150A时，TiAl合金试样温度可达900℃，在实验过程中，试验台稳定可靠工作，原位拉伸台可以实验实验目标。