[发明专利]一种超低温环境下原位加载微CT表征系统及其表征方法

说明书

本发明公开了一种超低温环境下原位加载微CT表征系统及其表征方法。本发明在力学试验机上设置实验环境箱体，一对夹具的末端固定在力学试验机的横梁上，头端伸入至实验环境箱体内夹持试样，并通过制冷装置和加热装置控制实验环境箱体内的环境温度，通过测温元件实时反馈，并配合导流结构加速实验环境箱体内热量的传递，实现温度快速精确的负反馈控制，力学试验机通过夹具对试样进行力学加载，同时微焦点X射线源通过防雾霜射线窗口对试样进行微CT扫描，重构超低温环境下试样原位受载时内部的微观结构和损伤形貌，为超低温环境下材料失效机理和损伤演化规律的研究奠定基础；通过防雾霜射线窗口，避免外侧窗口薄片出现起雾和结霜的现象。

技术领域

本发明涉及材料微观结构表征领域，具体涉及一种超低温环境下原位加载微CT表征系统及其表征方法。

背景技术

在超低温环境下，材料的失效机理和损伤演化规律与常温环境下相比，往往表现出显著的差异。而研究材料的失效机理和损伤演化规律，需要观察超低温环境下材料原位受载时的内部微观结构和损伤形貌。因此，为更好的评价材料的可靠性，通过微CT重构超低温环境下材料原位受载时内部的微观结构和损伤形貌具有重大的意义。

现有的对材料失效机理和损伤演化规律的研究，都是采用“离位分步”的研究方法，即先将材料置于实验设定的超低温环境下，待材料内部温度稳定后，将其取出装夹在力学试验机上，在室温环境下对材料加载的同时，通过X射线微CT对材料受载时内部的微观结构和损伤形貌进行重构。由于微CT扫描用时较久，一次扫描就得持续一个小时以上，因此在实验过程中，材料的温度发生了显著的变化，甚至实验结束前材料的温度就已经恢复到室温。这种“离位分步”的研究方法无法得到材料在某一确定温度下的内部微观结构和损伤形貌，并且得到的数据也存在着较大的误差。

利用液氮可以快速营造实验所需的超低温环境，并且根据测温元件测得的箱体内温度负反馈调节进液速率来精确调节实验环境箱体内的温度，当箱体内温度高于设定温度时，提高进液速率，但当箱体内温度低于设定温度时，需慢慢等待箱体内温度升高至设定温度，这一过程大大增加了控制的响应时间，从而导致温度出现较大波动。

发明内容

为了实现超低温环境下原位加载及微CT扫描并且温度控制稳定的表征系统，本发明提出了一种超低温环境下原位加载微CT表征系统及其表征方法。

本发明的一个目的在于提出一种超低温环境下原位加载微CT表征系统。

本发明的超低温环境下原位加载微CT表征系统包括：力学试验机、夹具、排气阀、实验环境箱体、导流结构、循环风机、制冷装置、固定架、控制单元、测温元件、防雾霜射线窗口、加热装置、微焦点X射线源和探测器；其中，在力学试验机的下横梁上设置固定架；在固定架上设置实验环境箱体；在实验环境箱体内设置导流结构，导流结构将实验环境箱体内部空间分成两个相对独立的空间，分别为试样腔和制冷腔；一对夹具的末端分别固定在力学试验机的上横梁和下横梁上，一对夹具的头端分别穿过实验环境箱体的顶壁和底壁密封伸入至实验环境箱体内的试样腔，一对夹具完全相同，并且位于同一条竖直的直线上，关于中心水平面上下对称；在实验环境箱体内的制冷腔内设置循环风机；在实验环境箱体的试样腔内设置加热装置；位于实验环境箱体外的制冷装置将制冷液体输送至实验环境箱体内的制冷腔；在实验环境箱体内设置有测温元件；在实验环境箱体的顶壁上设置有排气阀；在实验环境箱体的一对相对的侧壁上分别设置防雾霜射线窗口；微焦点X射线源和探测器分别正对着防雾霜射线窗口；

夹具包括夹具底座、缓温水路、夹具隔热段、固定连接件、夹具连接段和夹具头；夹具的末端为夹具底座，在夹具底座内开设有缓温水路，缓温水路通过水管连接至水泵；在夹具底座上设置夹具隔热段，夹具隔热段为热传导系数低的材料；在夹具隔热段上设置夹具连接段；夹具连接段的末端与夹具底座、夹具隔热段通过固定连接件固定连接；在夹具连接段的头端设置夹具头；夹具底座、夹具隔热段、夹具连接段和夹具头共轴；