单台G-M 制冷机为冷源力学性能测试系统研究

2022-03-30谢世永赵春宇张连万刘辉明赵亚林吴姗姗李来风

低温工程 2022年1期

关键词：制冷机力学力学性能

谢世永赵春宇张连万徐冬刘辉明赵亚林吴姗姗李来风

（1 中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京 100190）

（2 中国科学院大学北京 100049）

（3 航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100190）

（4 北京宇航系统工程研究所北京 100076）

（5 深低温技术研究北京市重点实验室北京 100076）

1 引言

在低温工程领域中,如大型超导磁体、航天火箭系统、低温系统设备等,以及新型材料等领域的研究中,都需要对所涉及材料的力学性能有较为准确的了解。与室温条件相比,低温条件下材料的力学性能会有很大的差别。如低温工程中常用的316LN 不锈钢材料,在低温条件下会产生马氏体相变,从而使其拉伸强度显著提高[1];在低温工程中常用作低温胶粘、绝缘以及复合材料树脂基体的环氧树脂,由于固化后交联密度高,内应力大,在低温下更易发生开裂等不利情况[2-3]。因此,低温条件下各种材料力学性能的研究是满足工程实际需求不可或缺的重要环节之一。

对材料低温下力学性能的了解,可以从各种手册中查到相关数据,但是对于所查询到手册上数据的可靠程度,手册中查询不到的材料或温度区间,以及新材料研究中无法从手册获得的仍需要使用各种装置进行实际测量。对于材料低温力学性能测试装置的研究,目前应用最为广泛的方式是用低温液体浸泡将待测样品冷却,或采用低温液体浸泡再配合制冷机再液化的方式[4-5]。一般实验室常用的低温液体是液氮和液氦,很少使用易燃易爆的液氢、液氧和液氖等低温液体,因而这些方法往往只能对特定温度点（如77 K、4.2 K）的力学性能进行测试,这对于现在的低温工程应用远远不够,无法全面了解材料力学性能随温度变化的规律。因此需要进行材料在不同温区内的力学测量装置的研究与设计。

随着小型低温制冷机技术的逐步成熟,采用制冷机直接冷却的冷却技术得到进一步发展[6]。G-M制冷机因其结构简单、操作方便,且可覆盖液氦及以上的全部温区而被广泛用作各类物性测试的冷源[7-8]。本研究采用单台G-M 制冷机为冷源,研究设计了一套可满足8—300 K 温区内任意温度点的稳定连续可控的材料力学测试系统,通过更换不同形式的夹具,可满足对材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能的测试要求。该系统测试不使用低温液体,测试过程中只使用少量氦气作为导热介质,测试结果误差小,精度高。

2 力学测试系统

本系统是以单台G-M 制冷机为冷源的力学测试系统。系统的主要部件包括:通用力学测试机、低温力学测试系统、冷却系统、控温系统。系统总设计图如图1 所示。待测试样品装于低温力学测试系统中,通用力学测试机为样品提供机械负载,冷却系统为样品提供低温环境,控温系统控制样品环境温度稳定在预设温度。

图1 系统总设计图1.通用力学测试机;2.低温力学测试系统;3.控温系统;4 冷却系统。Fig.1 Scheme of cryogenic mechanical property testing system

2.1 低温力学测试系统

低温力学测试系统与通用力学测试机配合完成相应的力学测试。低温力学测试系统包括样品腔、绝热腔和G-M 制冷机冷头3 部分,其结构图如图2 所示。G-M 制冷机二级冷头与样品腔壁用导热热桥连接。样品腔外均匀贴敷加热膜,以供控温系统准确控温使用,且保证样品腔内温度均匀。该系统采用高真空绝热的方式,以减少气体传热;制冷机一级冷头连接冷屏,在真空室室温侧与低温侧中间插入低温冷屏,以减少辐射传热,样品腔外壁、制冷机二级冷头及导热热桥、冷屏均包裹铝箔多层,以进一步减少辐射漏热。

图2 低温力学测试系统结构图1.仪表阀门操作区;2.真空室;3.样品腔;4.样品夹具及支架等;5.导热热桥;6.G-M 制冷机二级冷头;7.冷屏;8.G-M 制冷机;9.通用力学测试机连接杆。Fig.2 Construction of cryogenic mechanical property testing system

2.2 冷却系统

冷却系统为样品提供低温环境。该系统只采用一台G-M 制冷机。制冷机一级冷头冷却冷屏。制冷机二级冷头冷却样品腔体,从而冷却样品腔内氦气,冷氦气对样品、夹具及支架等部件进行降温。在系统降温的过程中,样品腔内不断补充氦气,保持样品腔内压力为0.02 MPa。

2.3 控温系统

控温系统负责整个系统温度控制的数据采集、处理及显示,文件读写等功能。本控温系统为模块化设计,可以实现系统温度的稳定连续可控。控温系统共包括4 个部分:（1）传感器和执行器,传感器主要包括各类温度传感器,用于测量系统内各测点的温度;执行器为加热膜,用于控制样品的温度。（2）标准精密输入、输出设备及转换开关,用于将采集到的温度信号进行信号转换输入,自主研发的控温仪对各温度信号进行采集并进行高精度PID 控制,并最终将控制信号转化成电压信号输出以控制执行器工作。（3）工控机,对输入信号进行采集、处理并实时显示,对数据文件写入保存,并输出温度数据参数。（4）数据采集卡及数据采集线路,对前3 部分进行连接集成,各设备仪表均采用GPIB 接口线缆与数据采集卡进行连接,实现与工控机的通信。

3 漏热分析

该系统使用单台G-M 制冷机作为冷源,故对系统的整体漏热要求较高,漏热直接关系着可供样品进行力学测试的温度区间,在满足力学测试强度的要求下,需尽可能减少系统漏热。本测试系统的漏热主要包括真空室的剩余气体传热漏热以及辐射漏热,样品腔等连接结构的固体导热漏热。

3.1 剩余气体传热漏热

该系统真空室可保持较高真空度,一般不低于10-3Pa,此时气体分子平均自由程远大于两壁面间距,此时的气体传热属于剩余气体传热。剩余气体传热漏热量Qgas可由式（1）估算:

式中:α为适应系数,对于一般固体表面,空气可取1 进行估算;C为换热系数,在式中其它物理量均采用国际单位制时,对于空气可取1.2;P为真空室真空度,Pa;A为冷端表面积,m2;T2为热端温度,K;T1为冷端温度,K。

3.2 辐射漏热

该系统的真空腔壁、冷屏、样品腔和制冷机二级冷头的温度均不相同,故存在辐射漏热。两温度不同的物体间的辐射漏热Qrad可由式（2）—（3）计算:

式中:σ为斯特潘-玻尔兹曼常数,取值为5.67×10-8W/（m2·K4）;ε为有效发射系数;ε1和ε2为冷端和热端的表面发射系数;A1和A2为冷端和热端的表面积,m2;Tl和Th为冷端和热端的平均温度,K;ψ为辐射传热角系数,当全包裹时取值为1。

由式（2）,辐射漏热量很强地依赖于热端温度,故在室温端与低温腔体间增加铜制冷屏。使冷屏温度维持在液氮温度以下,可有效减小来自室温的辐射漏热。当在两物体间插入n个中间屏时,可以认为两物体间的辐射漏热约减小至未加屏前的1/（n+1）,故在样品腔、二级冷头、冷屏等相关部件上包裹20 层以上的铝箔。所有零部件表面抛光处理并进行酸洗钝化,以降低物体表面发射率,从而减小辐射漏热。

3.3 固体传导漏热

固体导热漏热由傅里叶公式计算,故固体导热漏热由式（4）计算:

式中:A为导热物体的横截面积,m2;L为导热物体长度,m;λ（T）为材料随温度变化的导热系数,W/（m·K）。该系统设计固体导热材料为不锈钢304 和铜,由NIST 库中获得材料的导热系数-温度曲线。由于系统中的传感器导线已做热沉,故在漏热估算中暂且忽略此部分引入的微小漏热。

综上,该系统的漏热计算结果见表1。该系统所选G-M 制冷机二级冷头的额定冷量为1.5 W@4.2 K,一级冷头的额定冷量为35 W@50 K,由漏热计算可知,根据G-M 制冷机冷头冷量曲线估算,单台G-M 制冷机可以使样品温度最低大约降至7 K,可以很好的满足整个系统的温度需求。

表1 系统漏热计算Table 1 System heat leakage calculation

4 系统实验及结果分析

4.1 系统降温及控温实验

安装5a06 铝合金样品,使系统带负载降温。图3a 为系统降温曲线。结果显示,样品最低温度可至7.94 K,制冷机二级冷头温度为6.89 K,冷屏温度为37.91 K,由室温降至最低温度时间为14 小时。对系统进行控温,在8—300 K 温区内选取20 K、50 K、80 K、110 K、150 K、190 K、230 K、270 K 为控温点。图3b 为系统控温曲线。结果表明,该系统可满足样品温度8—300 K 稳定连续可控的要求。

图3 系统温度曲线Fig.3 System temperature curves

4.2 样品测试

为测试该冷却系统的准确性及可靠性,本测试选取5a06 铝合金样品,在77 K 下的拉伸力学性能进行测试研究。将该系统的测试结果与国内通过国家级CMA、CNAS 和DILAC 资质认证的专业从事材料低温物性测试的实验室—中国科学院理化技术研究所低温物性测试平台的同批样品的测试结果进行对比,标样实验室的测试方法为将试样直接浸泡于液氮中。所使用的通用力学试验机和引伸计均已经过精确性校准。测试结果如图4 所示,主要性能参数见表2,结果表明,经由不同冷却方法得到的特征参数差异不大,所有结果均符合ASTM A370 标准的要求。