一種用于中子小角散射的原位壓力加載裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于中子小角散射應(yīng)用中的環(huán)境加載技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于中子小角散射的原位壓力加載裝置。本發(fā)明配合中子小角散射譜儀使用，能夠?qū)Ρ∑瑯悠吩诹W(xué)使役環(huán)境下的微觀變形、損失和破壞過程進(jìn)行在線檢測(cè)，有助于進(jìn)行材料的力學(xué)特性和損失機(jī)制研宄。
【背景技術(shù)】
[0002]中子小角散射技術(shù)具有無損檢測(cè)和深穿透特性，是研宄金屬的析出相、高分子及生物分子的構(gòu)型、材料內(nèi)部摻雜物等材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)信息的有效方法。利用中子小角散射技術(shù)研宄材料的力學(xué)特性過程為首先使用原位力學(xué)加載裝置來模擬材料的力學(xué)使役環(huán)境，再利用中子小角散射譜儀對(duì)材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)中子散(衍)射技術(shù)正處于起步階段，原位環(huán)境設(shè)備的設(shè)計(jì)也較少。名稱為《一種用于中子衍射技術(shù)的原位應(yīng)力-溫度加載裝置》的中國(guó)專利(專利號(hào):201310032334)公開了一種用于中子衍射技術(shù)的原位應(yīng)力-溫度加載裝置，該裝置的力學(xué)加載方向垂直于中子光路。鑒于中子小角散射技術(shù)與中子衍射技術(shù)原理不同，中子小角散射測(cè)量中要求中子束直穿過樣品，因此樣品在中子束流方向的厚度尺寸比較小，大多為薄片狀，因此力學(xué)加載方向垂直于中子光路的加載裝置不適用于中子小角散射測(cè)量應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中力學(xué)加載方向垂直于中子光路的加載裝置不適用于中子小角散射測(cè)量應(yīng)用的不足，本發(fā)明提供一種用于中子小角散射的原位壓力加載裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力與中子束流同向的壓力加載。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明的用于中子小角散射的原位壓力加載裝置，其特點(diǎn)是，所述的裝置包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件、傳動(dòng)齒輪組件、滾珠絲杠組件、高精度測(cè)量組件、夾具組件、固定機(jī)架基座組件和屏蔽層。
[0005]所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件包括伺服電機(jī)、編碼器、減速機(jī)；所述傳動(dòng)齒輪組件包括主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪；所述滾珠絲杠組件包括固定螺母、螺旋絲杠；所述高精度測(cè)量組件包括圓環(huán)狀的力學(xué)傳感器、非接觸式位移傳感器；所述夾具組件包括夾具、夾具支撐桿、樣品包殼，其中夾具包括移動(dòng)端夾具、固定端夾具；所述固定機(jī)架基座組件包括基座、左側(cè)支撐板、右側(cè)支撐板。
[0006]其連接關(guān)系是，所述的左側(cè)支撐板、右側(cè)支撐板固定在基座兩側(cè)，右側(cè)支撐板開設(shè)有中子通孔以及伺服電機(jī)的固定安裝孔。所述的編碼器、減速機(jī)安裝在伺服電機(jī)的輸出軸上，伺服電機(jī)、減速機(jī)分別固定在右側(cè)支撐板、左側(cè)支撐板上。所述的主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪依次安裝在左側(cè)支撐板上，主動(dòng)齒輪與減速機(jī)的輸出軸相連，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪通過輪齒咬合連接。所述的固定螺母與從動(dòng)齒輪固定連接，螺旋絲杠通過螺紋與固定螺母連接，螺旋絲杠中心軸線上開設(shè)有中子通孔。所述的力學(xué)傳感器的一端與螺旋絲杠固定連接，另一端與夾具支撐桿的一端固定連接，夾具支撐桿的另一端與移動(dòng)端夾具固定連接，所述夾具支撐桿的中心軸線上設(shè)置有中心通孔。非接觸式位移傳感器的測(cè)量端安裝在移動(dòng)端夾具的接觸樣品的側(cè)面上。固定端夾具與移動(dòng)端夾具對(duì)應(yīng)設(shè)置，固定端夾具與右側(cè)支撐板固定連接，移動(dòng)端夾具、固定端夾具的中心位置上分別開設(shè)有與樣品尺寸匹配的樣品凹槽，圓筒狀的樣品包殼套在移動(dòng)端夾具上。在螺旋絲杠、力學(xué)傳感器、夾具支撐桿、右側(cè)支撐板的中子通孔內(nèi)壁均設(shè)置有屏蔽層。所述的基座底部設(shè)置有螺孔，用于與中子小角散射譜儀的樣品臺(tái)的固定。所述中子通孔的內(nèi)徑大于中子束斑尺寸。
[0007]所述的主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪的傳動(dòng)速比為1:1。
[0008]所述的非接觸式位移傳感器采用電容式位移傳感器或撓度計(jì)，電容式位移傳感器包括第一電容板和第二電容板，第一電容板安裝在移動(dòng)端夾具上，第二電容板安裝在固定端夾具上；撓度計(jì)的測(cè)量探針安裝在移動(dòng)端夾具上。
[0009]所述的力學(xué)傳感器的空心尺寸大于中子束斑尺寸，螺旋絲杠、夾具支撐桿上均開設(shè)力學(xué)傳感器安裝螺紋孔。
[0010]所述的移動(dòng)端夾具、固定端夾具為直徑相同的圓柱形，直徑尺寸為中子束斑直徑的3.5倍；樣品包殼為圓筒結(jié)構(gòu)，樣品包殼內(nèi)徑尺寸與移動(dòng)端夾具的外徑尺寸匹配，能夠使得樣品包殼在移動(dòng)端夾具、固定端夾具外環(huán)左右移動(dòng)，樣品包殼的寬度尺寸比樣品厚度尺寸大兩公分。
[0011]所述的樣品包殼、基座、左側(cè)支撐板、右側(cè)支撐板采用高強(qiáng)度合金材料。
[0012]所述的移動(dòng)端夾具、固定端夾具采用藍(lán)寶石材料制作。
[0013]所述屏蔽層的制作材料采用中子吸收材料硼粉、鎘、釓中的一種。
[0014]本發(fā)明中的伺服電機(jī)、編碼器、減速機(jī)提供具有負(fù)載能力、速度可調(diào)的高分辨率轉(zhuǎn)動(dòng)角位移輸出；主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件的輸出力從伺服電機(jī)軸線上傳送到夾具軸線上；固定螺母、空心結(jié)構(gòu)的螺旋絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)方式，帶動(dòng)夾具左右平移運(yùn)動(dòng)；空心結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳感器、非接觸式位移傳感器分別對(duì)裝置加載壓力、樣品形變量進(jìn)行檢測(cè)；移動(dòng)端夾具、固定端夾具是樣品提供施加壓力的物理載體；夾具支撐桿用于連接力學(xué)傳感器和移動(dòng)端夾具，并對(duì)夾具起一定的保護(hù)作用；樣品包殼套在移動(dòng)端夾具、固定端夾具的外環(huán)使用，壓力加載實(shí)驗(yàn)前將樣品包殼移動(dòng)到樣品外環(huán)，其功能為保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員的人身安全，防止樣品受到較大壓力后發(fā)生破裂、碎片外濺等狀況發(fā)生；基座、左側(cè)支撐板和右側(cè)支撐板為裝置其他組件提供固定點(diǎn)或支撐。
[0015]本發(fā)明的特點(diǎn)是伺服電機(jī)和減速機(jī)置于上方，通過傳動(dòng)齒輪組件將加載力傳輸?shù)街糜谙路降臐L珠絲杠組件和夾具組件上，螺旋絲杠、夾具支撐桿、右側(cè)支撐板均設(shè)有中子通孔，力學(xué)傳感器采用空心結(jié)構(gòu)形式，中子通孔、傳感器空心尺寸均均大于中子束斑尺寸，采用這種將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件置于中子束流外的結(jié)構(gòu)和多個(gè)組件的空心設(shè)計(jì)使得本發(fā)明的裝置允許中子束直接通過，避免了對(duì)中子束流的遮擋。所述的移動(dòng)端夾具、固定端夾具采用中子透過率高的藍(lán)寶石材料，使得測(cè)量中子基本無損失的到達(dá)被測(cè)樣品上。螺旋絲杠、夾具支撐桿、右側(cè)支撐板、力學(xué)傳感器的空心內(nèi)壁設(shè)有吸收中子材料的屏蔽層，用于吸收少量發(fā)散中子，以降低人員、設(shè)備輻射。
[0016]本發(fā)明的工作過程為:動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件提供裝置的驅(qū)動(dòng)力來源，減速機(jī)選用大減速比型號(hào)，以實(shí)現(xiàn)輸出具有負(fù)載能力的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)齒輪組件隨驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步將角位移輸出到連接的滾珠絲杠組件上，滾珠絲杠組件將旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)移動(dòng)端夾具進(jìn)行壓縮方向運(yùn)動(dòng)，最終將加載壓力施加到樣品上。壓力實(shí)施過程中，力學(xué)傳感器和非接觸式位移傳感器檢測(cè)樣品受力狀態(tài)和樣品受力后的變形量，并將受力狀態(tài)和變形量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào)，配合控制器能夠?qū)崿F(xiàn)恒應(yīng)力控制、恒應(yīng)變控制。本發(fā)明的裝置將樣品的應(yīng)力或應(yīng)變控制到一定狀態(tài)后，便可利用中子小角散射譜儀對(duì)材料該狀態(tài)下的微觀特性進(jìn)行測(cè)量。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明的一種用于中子小角散射的原位壓力加載裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。本發(fā)明采用將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件置于中子束流外的結(jié)構(gòu)和多個(gè)組件的空心設(shè)計(jì)允許中子束直接通過，同時(shí)移動(dòng)端夾具和固定端夾具采用中子透過率高的藍(lán)寶石材料，實(shí)現(xiàn)了滿足中子小角散射需求的中子束流方向上的壓力加載。同時(shí)高精度的非接觸式位移傳感器的選擇避免了引伸計(jì)等常規(guī)位移傳感器在薄片樣品測(cè)量中無法安裝或精度低的問題。本發(fā)明適用于各種厚度在毫米級(jí)的特征尺寸的薄片樣品，能夠滿足材料利用小角散射技術(shù)進(jìn)行力學(xué)特性微觀測(cè)量的原位壓力加載需求，從而揭示樣品材料的力學(xué)特性和損傷、斷裂機(jī)制，具有較高的科研價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的用于中子小角散射的原位壓力加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明用于中子小角散射的原位壓力加載裝置的左視圖；
圖3為本發(fā)明中的移動(dòng)端夾具的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明中的固定端夾具的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明中的樣品包殼的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，11.伺服電機(jī) 12.編碼器 13.減速機(jī) 21.主動(dòng)齒輪 22.從動(dòng)齒輪 31.固定螺母 32.螺旋絲杠 41.力學(xué)傳感器 42.非接觸式位移傳感器 511.移動(dòng)端夾具 512.固定端夾具 52.夾具支撐桿 53.樣品包殼61.基座 62.左側(cè)支撐板 63.右側(cè)支撐板。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0020]實(shí)施例1
圖1為本發(fā)明的用于中子小角散射的原位壓力加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明用于中子小角散射的原位壓力加載裝置的左視圖，圖3為本發(fā)明中的移動(dòng)端夾具的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為本發(fā)明中的固定端夾具的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為本發(fā)明中的樣品包殼的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1至圖5中，本發(fā)明的用于中子小角散射的原位壓力加載裝置包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件、傳動(dòng)齒輪組件、滾珠絲杠組件、高精度測(cè)量組件、夾具組件、固定機(jī)架基座組件和屏蔽層。
[0021]所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)組件包括伺服電機(jī)11、編碼器12、減速機(jī)13。所述傳動(dòng)齒輪組件包括主動(dòng)齒輪21、從動(dòng)齒輪22。所述滾珠絲杠組件包括固定螺母31、螺旋絲杠32。所述高精度測(cè)量組件包括圓環(huán)狀的力學(xué)傳感器41、非接觸式位移傳感器42。所述夾具組件包括夾具、夾具支撐桿52、樣品包殼53，其中夾具包括移動(dòng)端夾具511、固定端夾具512。