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申请/专利权人：西安交通大学

摘要：本发明公开了一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，包括机械加载台、电加热装置、水冷循环装置和数据采集装置；其中，机械加载台包括机械台底板，设置在机械台底板一端的电镜固定板，另一端的齿轮箱，以及设置在机械台底板中部的齿轮箱、电机、夹具组、压缩试件、滑块、滑轨和丝杆等；电加热装置包括加热头以及与加热头连接的电加热装置接口；水冷循环装置包括水冷管道及水冷循环接口，且设置在机械加载台的上方；数据采集装置包括位移传感器和力传感器；试验时，试件安装在夹具，机械加载台将电机的转动运动通过丝杆转化为夹具组的直线运动，通过夹具组的相互挤压或者背离完成对试件的加载或卸载。

主权项：1.一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，包括机械加载台、电加热装置、水冷循环装置和数据采集装置；其中，机械加载台包括机械台底板8，设置在机械台底板8一端的电镜固定板，另一端的齿轮箱9，以及设置在机械台底板8中部的电机10、滑块15、滑轨16、丝杆17和夹具组；电机10的输出轴与齿轮箱9的输入轴相连，齿轮箱9的输出轴与丝杆17的一端相连，丝杆17的另一端与设置在机械台底板8上的丝杆挡板活动连接，丝杆17两边的螺纹旋向相反；丝杆17的两侧平行设置有两个滑轨16，滑轨16上设置有两个滑块15，且两个滑块15均与丝杆17螺纹连接；夹具组包括试件以及安装试件的夹具，该夹具包括可拆卸的两部分，分别设置在两个滑块15上；电加热装置包括加热头7以及与加热头7连接的电加热装置接口4，加热头7用于对试件进行加热；水冷循环装置包括水冷管道6及水冷循环接口5，且设置在机械加载台的上方，用于对整个机械加载台冷却；数据采集装置包括位移传感器11和力传感器14，位移传感器11和力传感器14分别设置在夹具的两个部分上，位移传感器可动轴与力传感器14接触，用于测量夹具的相对位移；试验时，试件安装在夹具，机械加载台将电机10的转动运动通过丝杆17转化为夹具组的直线运动，通过夹具组的相互挤压或者背离完成对试件的加载或卸载。

全文数据：一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台技术领域本发明涉及一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，适用于SEM电镜内的微型热力耦合加载试验，采用电阻加热方式，通过改变加载温度与力加载方式，实现在不同加温加载下微观变化的观察与测量。背景技术近数十年来，高超声速飞行器越来越成为备受世界上主要强国青睐的先进致命武器，从美国的X-37B到X-47和X-51，高超声速飞行器的速度愈加提高，同时我国也开展了一系列相关的研究。当高超声速飞行器在高速飞行时，由于气动加热现象，其机体表面要承受极大的热载荷。同时，气动力也分布于高超声速飞行器机体表面。所以，高超声速飞行器机体表面材料一直遭受着力载荷与热载荷的双重作用。因为高超声速飞行器飞行试验成本极高，所以在地面进行热力耦合实验来验证机体表面材料的热力学性能是非常有必要的。而扫描电镜SEM是介于透射电镜与光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用物质表面材料的物质性能进行微观成像。通过扫描电镜SEM对热力耦合环境下机体表面材料进行观测是非常有效的手段。为了满足在SEM电镜下观测机体表面材料在热力耦合环境下的微观结构变化，将热力耦合加载装置微型化，并集成到SEM电镜腔中，实现对加载状态下试件的表面的微观变化的实时观测，对于了解物质材料本身性能有极大的帮助。而且通过热力耦合实验可以获得结构的热强度、刚度等力学性能，同时在微观尺度下观测结构在热力耦合环境下的破坏机理效果显著。现在广泛使用的热力耦合微型加载台一般只能达到1000摄氏度的温度，而且加载载荷有限。发明内容为了解决上述问题，本发明提供了一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其具有结构尺寸小、可实现热力耦合加载、实时原位观测等的特点，可满足高超声速飞行器机体表面材料实验加载需求。本发明所涉及的基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台可以实现1400摄氏度的高温加载。本发明采用如下技术方案实现：一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，包括机械加载台、电加热装置、水冷循环装置和数据采集装置；其中，机械加载台包括机械台底板，设置在机械台底板一端的电镜固定板，另一端的齿轮箱，以及设置在机械台底板中部的电机、滑块、滑轨、丝杆和夹具组；电机的输出轴与齿轮箱的输入轴相连，齿轮箱的输出轴与丝杆的一端相连，丝杆的另一端与设置在机械台底板上的丝杆挡板活动连接，丝杆两边的螺纹旋向相反；丝杆的两侧平行设置有两个滑轨，滑轨上设置有两个滑块，且两个滑块均与丝杆螺纹连接；夹具组包括试件以及安装试件的夹具，该夹具包括可拆卸的两部分，分别设置在两个滑块上；电加热装置包括加热头以及与加热头连接的电加热装置接口，加热头用于对试件进行加热；水冷循环装置包括水冷管道及水冷循环接口，且设置在机械加载台的上方，用于对整个机械加载台冷却；数据采集装置包括位移传感器和力传感器，位移传感器和力传感器分别设置在夹具的两个部分上，位移传感器可动轴与力传感器接触，用于测量夹具的相对位移；试验时，试件安装在夹具，机械加载台将电机的转动运动通过丝杆转化为夹具组的直线运动，通过夹具组的相互挤压或者背离完成对试件的加载或卸载。本发明进一步的改进在于，数据采集装置还包括温度传感器，用于测量试件表面的温度，并反馈给电加热装置。本发明进一步的改进在于，该加载台还包括外罩板，机械加载台、电加热装置、水冷循环装置和数据采集装置均包裹在外罩板内，包括底罩板、侧罩板和顶罩板，顶罩板上设有通孔，扫描电镜提供观察视野，电加热装置接口和水冷循环接口分别从侧罩板引出。本发明进一步的改进在于，夹具组为压缩夹具组，包括压缩夹具和压缩试件。本发明进一步的改进在于，压缩试件为标准平面试件或者立方体试件。本发明进一步的改进在于，夹具组为压缩夹具组，包括压缩夹具和压缩试件。本发明进一步的改进在于，拉伸试件为设定尺寸狗骨样试件。本发明具有如下有益的技术效果：1、热力耦合加载，本发明提供的加载台通过电阻加热和轴向加载的方式实现对试件的热力耦合加载，结构与加载方式简单有效，可实现高温与大载荷加载，最大加载温度可达1400℃，最大加载力可达1000N。2、良好的电镜观测效果，本装置的密集的水冷冷却管道与外罩板提供的热屏蔽效果使得本装置在高温下仍有良好的电镜观测效果，不会出现视野模糊、成像不清晰等的特点。3、实时原位观测，对于本装置来说，加载时选取加载试件中间位置进行观测，则在压缩和拉伸加载方式下，电镜观测位置一直保持不变，即可实现对于试件的实时原位观测。附图说明图1为本发明的整体视图。图2为去除外罩板的整体视图。图3为图2基础上去除水冷管道的整体视图。图4为压缩夹具组加热示意图。图5为拉伸夹具组加热示意图。附图标记说明：1为底罩板，2为侧罩板，3为顶罩板，4为电加热装置接口，5为水冷循环接口，6为水冷管道，7为加热头，8为机械台底板，9为齿轮箱，10为电机，11为位移传感器，12为压缩夹具，13为压缩试件，14为力传感器，15为滑块，16为滑轨，17为丝杆。其中，夹具组有两种，分别是：拉伸夹具组和压缩夹具组。压缩夹具组：12为压缩夹具，13为压缩试件；拉伸夹具组：18为拉伸夹具，19为拉伸试件。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1至图5所示，本发明提供的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，包括底罩板1、侧罩板2、顶罩板3、电加热装置接口4、水冷循环接口5、水冷管道6、加热头7、机械台底板8、齿轮箱9、电机10、位移传感器11、压缩夹具12、压缩试件13、力传感器14、滑块15、滑轨16、丝杆17、拉伸夹具18和拉伸试件19。试验台总共由机械加载台、电加热装置、水冷循环装置、数据采集装置和外罩板五部分组成。其中，机械加载台由机械台底板8、齿轮箱9、电机10、压缩夹具12、压缩试件13、滑块15、滑轨16、丝杆17、拉伸夹具18和拉伸试件19组成、机械台各部件间以M3螺丝固定。丝杆17两边的螺纹旋向相反，机械加载台将电机10的转动运动通过丝杆17转化为夹具组的直线运动，通过夹具组的相互挤压或者背离完成对试件的加载或卸载。其中，夹具组有两种，分别是压缩夹具组和拉伸夹具组。压缩夹具组包含压缩夹具12和压缩试件13；拉伸夹具组包含拉伸夹具18和拉伸试件19。压缩试件13为标准平面试件或者立方体试件，拉伸试件19为设定尺寸狗骨样试件。机械加载台主体采用6061铝板加工而成。压缩夹具12和拉伸夹具18均采用绝缘高温陶瓷加工而成。电加热装置由电加热装置接口4和加热头7组成。加热头7内有两条加热丝，加热丝分别与试件的两端相连，通过电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热试件。电加热装置通过控制功率达到控制加热温度的目的。水冷循环装置由水冷管道6和水冷循环接口5组成。水冷管道6固定于顶罩板3和侧罩板2上，水冷循环接口5固定于侧罩板2上。水冷循环装置内流通高压高速的冷却水，以达到对整个机械加载台，尤其是加热试件周围部件的冷却效果。试验台的数据采集模块包含位移传感器11、力传感器14以及额外配置的温度传感器。位移传感器11固定于夹具组的一端，可测量两个夹具之间的相对位移。力传感器14固定夹具组的另一端，力传感器14测力的原理为四个构成惠斯通电桥的电阻应变片的应变与加载的力成正比。通过位移传感器11和力传感器14，可以得到压缩试件13或拉伸试件19的载荷与位移的关系，并根据实测数据进行加载载荷大小和加载速度的调节。温度传感器为非接触式温度传感器，可测量试件表面的温度，通过温度传感器数据，电加热装置可以进行相应的功率调整，满足加热温度要求。外罩板由底罩板1、侧罩板2和顶罩板3组成。外罩板主要提供热屏蔽效果，减少加载台热量向外传导和辐射，以保护SEM电镜腔。同时，顶罩板3上设有小孔，为扫描电镜提供观察视野，并减少热量向外辐射导致的扫描电镜观察图像不清晰等现象。本发明的使用方法如下：步骤一、目视检查试验台各部件是否完好，手动检查各部件固定是否松动，电气线路是否完整，有无短路、断路现象。若无问题，完成设备安全性检查。步骤二、接通水冷循环系统，观察水冷管道是否有漏液、渗液现象。若无问题，保持水冷循环流通。步骤三、将试验台电源接通，启动电机，观察电机运行状况是否良好，夹具组位移是否线性。若完好，则装配上对应的夹具组，控制电机转动，使加载台达到待加载状态。步骤四、对控制软件进行清零，将试件置于夹具组内，控制电机，使夹具夹紧试件。然后将试验台置于SEM电镜腔中，完成实验台的放置。步骤五、开始试验，通过控制软件对试件进行加载与卸载还有加热温度的控制，并通过电镜观察试件微观变化。步骤镠、完成试验后，打开电镜腔，取出加载台，控制电机进行卸载，取下试件。等加载台温度恢复至室温，停止水冷循环，最后检查并确保水冷管道内没有冷却水残留，将试验台归位。

权利要求：1.一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，包括机械加载台、电加热装置、水冷循环装置和数据采集装置；其中，机械加载台包括机械台底板8，设置在机械台底板8一端的电镜固定板，另一端的齿轮箱9，以及设置在机械台底板8中部的电机10、滑块15、滑轨16、丝杆17和夹具组；电机10的输出轴与齿轮箱9的输入轴相连，齿轮箱9的输出轴与丝杆17的一端相连，丝杆17的另一端与设置在机械台底板8上的丝杆挡板活动连接，丝杆17两边的螺纹旋向相反；丝杆17的两侧平行设置有两个滑轨16，滑轨16上设置有两个滑块15，且两个滑块15均与丝杆17螺纹连接；夹具组包括试件以及安装试件的夹具，该夹具包括可拆卸的两部分，分别设置在两个滑块15上；电加热装置包括加热头7以及与加热头7连接的电加热装置接口4，加热头7用于对试件进行加热；水冷循环装置包括水冷管道6及水冷循环接口5，且设置在机械加载台的上方，用于对整个机械加载台冷却；数据采集装置包括位移传感器11和力传感器14，位移传感器11和力传感器14分别设置在夹具的两个部分上，位移传感器可动轴与力传感器14接触，用于测量夹具的相对位移；试验时，试件安装在夹具，机械加载台将电机10的转动运动通过丝杆17转化为夹具组的直线运动，通过夹具组的相互挤压或者背离完成对试件的加载或卸载。2.根据权利要求1所述的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，数据采集装置还包括温度传感器，用于测量试件表面的温度，并反馈给电加热装置。3.根据权利要求1所述的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，该加载台还包括外罩板，机械加载台、电加热装置、水冷循环装置和数据采集装置均包裹在外罩板内，包括底罩板1、侧罩板2和顶罩板3，顶罩板3上设有通孔，扫描电镜提供观察视野，电加热装置接口4和水冷循环接口5分别从侧罩板2引出。4.根据权利要求1所述的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，夹具组为压缩夹具组，包括压缩夹具12和压缩试件13。5.根据权利要求4所述的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，压缩试件13为标准平面试件或者立方体试件。6.根据权利要求1所述的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，夹具组为压缩夹具组，包括压缩夹具12和压缩试件13。7.根据权利要求6所述的一种基于SEM电镜的微型热力耦合原位加载台，其特征在于，拉伸试件19为设定尺寸狗骨样试件。

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