[发明专利]基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台

说明书

本发明涉及材料力学测试技术领域，旨在提供一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台。包括万能试验机、真空绝热杜瓦腔、冷媒循环系统和低温制冷系统；冷媒循环系统包括喷嘴、二级冷端换热器、二级对流式换热器、一级冷端换热器、一级对流式换热器，以及设于万能试验机外部的高压储气罐、循环泵、低压储气罐与氦气瓶，通过管路形成闭合循环回路，并以氦气作为冷媒。本发明能实现液氢温度至室温大温度范围内材料等温拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳以及断裂韧性等多种力学性能的测试，拓展材料力学测试的温度范围，提升温控精度和稳定性，同时避免了氦气的大量浪费，极大地降低了测试成本，杜绝了液氢的使用以提高系统的安全性。

技术领域

本发明涉及材料力学测试技术领域，特别涉及一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台。该平台能在液氢温度(-253℃)至常温(20℃)环境下测量结构材料进行拉伸、疲劳、弯曲、断裂韧性等准静态力学性能的测试。

背景技术

氢能作为高效清洁的能源，是当前能源问题重要的长期解决方案之一。如何安全有效地储存和运输是氢能大规模应用的关键技术挑战。随着深冷、绝热及真空技术的日益成熟，低温液氢的储运方式具有更高的存储密度和更低的运行压力，减少了单位质量输运的能耗和空间成本，有望成为氢气长距离运输和大规模存储的有效方式。

液氢储运的特殊工作温度无疑对其储运所需的压力容器及管道的选材和设计提出了特殊的要求。为了实现液氢储运装备的轻量化，保证产品的安全和寿命，需要充足、可靠的材料液氢温区力学性能数据做支撑。液氢温区力学测试平台是测试材料低温力学性能的基本实验设备。

传统的低温力学性能测试装置采用液氦、液氮等低温冷冻液体作为冷源和冷媒对试样进行冷却。而要实现液氢温区的测试，液氦和液氢唯一可选择的低温冷冻液体。但是液氦价格昂贵(约150元/L)，每次试验需要至少上百升的液氦对试样进行冷却，这对于没有液氦循环制备系统的使用者来说，无法对使用后的氦进行回收利用将使得测试成本非常高昂；液氢单位体积汽化潜热低(仅为3.18×10⁴kJ/m³，约为液化天然气的1/7)因此极易汽化造成系统压力迅速上升，氢气点火能量低(0.017mJ)可燃范围大(4-75％)爆轰范围大(18.3-59％)，因此极易燃易爆，氢气分子尺寸小密度小，极易泄漏并扩散，而且氢气还容易致材料氢脆，因此使用液氢需要非常昂贵的安全防护设备和严格的操作规程。此外，采用液氦或液氢浸泡试样，通过沸腾换热的方式可以获得对应沸点温度下(液氦沸点-269℃；液氢沸点-253℃)较为精确和稳定的温度控制；但若要实现液氦或液氢沸点温度以上的测试，则需要将试样悬置在液氦或液氢液面以上，利用闪蒸的氦(或液氢)蒸汽通过自然对流换热的方式对试样进行冷却，这种换热方式换热系数有限，难以实现较小的换热温差和较高的温度控制精度和稳定性，即无法进行有效的等温力学性能测试。

因此，现有的材料力学性能测试系统为了实现液氢温度的测试必须采用液氦或者液氢作为冷源和冷媒，存在测试运营成本高昂、操作复杂、安全性差的技术问题，而且难以进行液氦或液氢温度以上温区的等温力学性能测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台，包括由底座、机架、作动器、上主轴、下主轴和试样夹具组成的万能试验机；其中，机架设于底座上，作动器安装在机架的横梁上；上主轴的上端通过力学传感器与作动器相连，其下端固定安装试样夹具的上半部分；下主轴的下端固定在底座上，其上端固定安装试样夹具的下半部分；该测试平台还包括真空绝热杜瓦腔、冷媒循环系统和低温制冷系统；