多卡效应测试装置

本发明涉及固体制冷技术领域，特别是涉及一种多卡效应测试装置。

背景技术：

气体压缩制冷技术是现有制冷设备的主要工作方式，然而这种制冷技术目前存在两个明显的弊端：一方面压缩机的制冷效率仍然比较低，另一方面所采用的以氟利昂为代表的制冷剂的使用会导致大气污染等问题。因此，寻找绿色环保、高效节能的新型制冷技术以替代传统气体压缩式制冷技术变得尤为迫切；随着社会不断发展，固体制冷技术应运而生，被认为是极具潜力的一类制冷技术。

固体制冷的基本原理是在固体材料上施加或去除外场时会产生热效应，利用在这一过程中热量的吸收和释放来达成制冷的目的。例如，弹卡效应是指对固体材料施加单轴应力时，材料会在外力的驱动下发生相变，在这个过程会吸收或者释放出一定热量。具体而言，我们可以将固体制冷技术分为弹卡效应、磁卡效应、电卡效应和压卡效应，分别对应不同的外部驱动场单轴应力、磁场、电场和等静压力。

尽管以上基于单一驱动外场的固体制冷技术已经展现巨大的发展前景，但是离固体制冷设备的产业化仍然还有一定的差距，这主要归因于在单一驱动场下固体制冷的功率和效率仍然需要改善，实施难度仍然需要降低。最近，在一些固体材料发现其可以响应多种外部场产生热效应，我们将这种同时具有多种热效应的现象称之为“多卡效应”。例如在一些具有磁结构耦合的材料中，如la(fe，si)、hesusler合金以及ferh合金，它们可以同时响应磁场和机械场(单轴应力和等静压力)。在这些材料上通过同时施加或者连续施加不同外场时，可以获得相对应的多种热效应，并且我们可以控制外部场的施加顺序，将多种热效应有效地结合来提高制冷效率。因此，多卡效应可以进一步提高固体制冷的效率以及实用性，从而有望加快气体压缩制冷技术的替代，解决目前制冷所面临的困局。

然而，多卡效应的研究目前没有可商业化的测试设备，这限制了多卡效应的研究和发展。虽然目前存在一些自主搭建的表征设置能够施加多种外部场，但是施加外场范围有限，无法完全使固体材料响应多个外场，从而将多种热效应有效结合，因此导致制冷效率仍然较低、稳定性不高及实用性不强等问题；特别是在低温、高磁场下直接测量多卡效应仍然面临巨大的挑战。

技术实现要素：

有鉴于此，针对上述技术问题，有必要提供一种能够给固体材料施加多种外场、测量范围广并精确、结构简单且功能更全面的多卡效应测试装置。

为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

本申请提供一种多卡效应测试装置，用于测试样品的多卡效应；包括应力控制组件、超导磁体、样品室、温度控制组件以及数据采集组件；所述应力控制组件包括万能试验机、传动单元及固定横梁；所述万能试验机包括基座及移动平台；所述超导磁体设于所述基座上，所述移动平台滑动地安装于所述基座；所述固定横梁一端与所述移动平台连接，另一端与所述样品室连接，且所述样品室能够随所述移动平台的滑动伸入或者退出所述超导磁体；所述传动单元设于所述移动平台上，且所述传动单元能够穿设所述固定横梁并伸入所述样品室内；

所述样品室包括支撑组件、第一压头、第二压头以及真空套筒；所述支撑组件与所述固定横梁连接，所述第一压头安装于所述支撑组件，并能够承载所述样品；所述第二压头与所述传动单元连接，所述传动单元能够带动所述第二压头靠近或远离所述第一压头；所述真空套筒能够套设于所述支撑组件、所述第一压头及所述第二压头外，并能够与所述固定横梁连接，以使所述样品室内部处于密闭状态；

所述温度控制组件用于控制所述第一压头及所述第二压头的温度，所述数据采集组件用于监测所述样品的温度及应力变化。

在本申请中，通过超导磁体、应力控制组件、温度控制组件及数据采集组件的配合使用，能够实现对样品室内的样品的各种应力场、磁场以及温度的配置，并通过数据采集组件对样品进行数据采集及监控，从而测试样品的多卡效应；同时，真空套筒的设置使得样品室处于密闭状态，且能够给样品室提供高真空的测试环境；在高真空的测试环境下，当测试样品的热效应时，不会发生样品与空气之间的对流传热，能够减少温度测试误差；此外，在高真空的测试环境下能够进行低温测试，当进行低温测试时，不会受到外界环境温度的影响，如产生冷凝水等；如此设置能够使得多卡效应的测量结果更加准确；并且，所采用的超导磁体能够产生强磁场，温度控制组件也可以使得测试环境处于较低温度，万能试验机可以提供更大的应力，从而使测量范围更广且能够将多种热效应有效结合。

在其中一个实施例中，所述支撑组件包括承力杆以及固定平台，所述承力杆一端与所述固定横梁连接，另一端与所述固定平台连接，所述第一压头安装于所述固定平台上；所述传动单元包括电机以及传动杆，所述电机设于所述移动平台上，所述传动杆穿设所述固定横梁并伸入所述样品室内，所述传动杆与所述第二压头连接，且所述传动杆能够在所述电机的驱动下，带动所述第二压头朝靠近或者远离所述第一压头的方向运动。

如此设置，使得该多卡效应测试装置形成双驱动工作模式，万能试验机的移动平台能够带动样品室伸入超导磁体，使得超导磁体对样品施加高强度磁场；并且，电机能够驱动传动杆，使得传动杆带动第二压头朝靠近第一压头的方向移动，以提供加载时所需的力。

在其中一个实施例中，所述温度控制组件包括供温单元以及控温单元，所述供温单元分别与所述第一压头、所述第二压头连接，以为所述第一压头和所述第二压头提供所需热量或者冷量；

所述控温单元与所述供温单元信号连接，并能够根据所述第一压头和所述第二压头的温度信息，控制所述供温单元提供热量或者冷量的流量大小。

如此设置，通过第一压头与第二压头上的供温单元控制第一压头与第二压头的温度，进而通过第一压头与第二压头热传导控制样品的温度；同时，控温单元能够通过反馈的温度信息，进而控制供温单元的热量或者冷量的流量大小，从而对样品的温度进行调节。

在其中一个实施例中，所述供温单元包括液氮罐、供氮管以及至少两个加热棒，所述液氮罐通过所述供氮管分别与所述第一压头、所述第二压头连接；至少两个所述加热棒分别与所述第一压头、所述第二压头连接。

如此设置，通过液氮罐提供冷源，加热棒提供热源，供温单元能够通过液氮罐和加热棒对第一压头、第二压头提供热量或者冷量，进而通过第一压头与第二压头传导给样品提供热量或者冷量。

在其中一个实施例中，所述控温单元包括控制柜以及至少两个第一温度传感器；至少两个所述第一温度传感器分别与所述第一压头、所述第二压头连接，以将所述第一压头与所述第二压头的温度信息反馈至所述控制柜，所述控制柜根据温度信息能够调节所述液氮罐中液氮的流量以及所述加热棒电流的大小。

如此设置，控制柜能够通过第一温度传感器的反馈主动控制液氮的流量和加热棒电流的大小；以使样品的降温通过控制液氮在液氮管中流量，并经过第一压头与第二压头传导到样品上，从而通过控制柜控制液氮流量的大小控制冷却功率；样品的升温通过控制柜控制加热棒的电流来控制加热功率，从而通过第一压头与第二压头的热传导控制样品的温度。

在其中一个实施例中，所述数据采集组件包括第二温度传感器以及温度采集单元，所述第二温度传感器贴附于所述样品，用于检测所述样品的温度信息，并将所述样品的温度信息反馈至所述温度采集单元，所述温度采集单元能够监测所述样品的温度变化。

如此设置，第二温度传感器能够将所检测的样品的温度信息传给配套的温度采集单元，以对数据信息进行采集、监控以及存储。

在其中一个实施例中，所述数据采集组件还包括应变计以及应变采集单元，所述应变计分别与所述第一压头、所述第二压头连接，用于测量所述样品的应变变化，并将所述样品的应变变化信息反馈至所述应变采集单元，所述应变采集单元能够监测所述样品的应变变化。

如此设置，应变计能够将测量过程中样品的应变变化信息传给配套的应变采集单元，以对样品的应变变化信息进行采集、监控以及存储。

在其中一个实施例中，所述多卡效应测试装置还包括真空泵以及连接管，所述连接管的一端与所述真空泵连接，另一端与所述样品室连通。

如此设置，能够使得样品室处于高真空的测试环境，从而减小样品与空气之间的传热等，从而增强测量的准确性。

在其中一个实施例中，所述多卡效应测试装置还包括滑轨，所述滑轨与所述基座连接，所述超导磁体位于所述滑轨上，并能够在所述滑轨上移动；

当所述超导磁体移动至所述样品室下方，且所述超导磁体的轴线与所述真空套筒的轴线重合时，所述样品室能够伸入所述超导磁体内，以使所述超导磁体为所述样品施加磁场。

如此设置，能够将样品室平稳精准的伸入超导磁体内部，超导磁体会产生高强度磁场，以实现对样品施加高强度磁场。

在其中一个实施例中，所述真空套筒、所述第一压头、所述第二压头以及所述支撑组件均为无磁材质。

如此设置，采用无磁材质能够避免对磁场的方向、大小产生干扰。

与现有技术相比，本申请提供的一种多卡效应测试装置，通过超导磁体、应力控制组件、温度控制组件及数据采集组件的配合使用，能够实现对样品室内的样品的各种应力场、磁场以及温度的配置，并通过数据采集组件对样品进行数据采集及监控，从而测试样品的多卡效应；同时，真空套筒的设置使得样品室处于密闭状态，且能够给样品室提供高真空的测试环境；在高真空的测试环境下，当测试样品的热效应时，不会发生样品与空气之间的对流传热，能够减少温度测试误差；此外，在高真空的测试环境下能够进行低温测试，当进行低温测试时，不会受到外界环境温度的影响，如产生冷凝水等；如此设置能够使得多卡效应的测量结果更加准确；并且，所采用的超导磁体能够产生强磁场，温度控制组件也可以使得测试环境处于较低温度，万能试验机可以提供更大的应力，从而使测量范围更广且能够将多种热效应有效结合。

附图说明

图1为本发明提供的多卡效应测试装置的结构示意图。

图2为图1中超导磁体、固定横梁及样品室内部的示意图。

图中，100、多卡效应测试装置；10、应力控制组件；11、万能试验机；111、基座；112、移动平台；12、传动单元；121、电机；122、传动杆；13、固定横梁；14、样品；20、超导磁体；30、样品室；31、支撑组件；311、承力杆；312、固定平台；32、第一压头；33、第二压头；34、真空套筒；35、真空泵；36、连接管；40、温度控制组件；41、供温单元；411、液氮罐；412、供氮管；413、加热棒；42、控温单元；421、控制柜；422、第一温度传感器；50、数据采集组件；51、第二温度传感器；52、应变计；60、滑轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本申请提供一种多卡效应测试装置100，用于研究固体材料的多卡效应；固体材料响应不同的外场而产生热效应，这种同时具有多种热效应的现象称之为“多卡效应”，多卡效应将多种热效应有效结合，并进一步提高固体材料制冷的效率、稳定性与实用性。

目前所使用的主要制冷方式是气体压缩制冷技术，但现在气体压缩制冷技术面临制冷效率低、能耗消耗过大且液体制冷剂导致温室效应等问题；并且，制冷剂的选择十分有限，许多潜在的制冷剂存在效率低、易燃易爆、高毒性等弊端；因此，固态制冷技术有望取代目前的气体压缩制冷技术。

传统固体制冷技术如磁卡效应、弹卡效应、电卡效应，均是施加单一外场使材料产生热效应；例如基于弹卡效应的弹卡制冷技术是指对固体材料施加一个单轴应力，材料会在应力作用下发生内部结构的转变，该转变会吸收或者放出一定的热量，从而利用这一现象实现制冷的目的。

但，固体材料的单一热效应来实现制冷目的，其效率较低，稳定性不高；且有些固体制冷技术只能施加单一外场，导致固体材料无法具有多种热效应；而有些固体制冷技术虽能提供多个外场，但是施加外场范围有限，无法完全使固体材料响应多个外场并具有多种热效应，无法使固体材料达到最佳状态，便不能将多种热效应有效结合，从而导致制冷效率低、稳定性不高及实用性不强等问题。

请参阅1图及图2，为本申请提供的用于测试样品14多卡效应的多卡效应测试装置100，该多卡效应测试装置100包括应力控制组件10、超导磁体20、样品室30、温度控制组件40以及数据采集组件50；应力控制组件10用于提供加载时所需的力，应力控制组件10包括万能试验机11、传动单元12及固定横梁13；万能试验机11包括基座111及移动平台112；超导磁体20设于基座111上，移动平台112滑动地安装于基座111；固定横梁13一端与移动平台112连接，另一端与样品室30连接，且样品室30能够随移动平台112的滑动伸入或者退出超导磁体20；传动单元12设于移动平台112上，且传动单元12能够穿设固定横梁13并伸入样品室30内；在本申请中，多卡效应测试装置100采用双驱动工作模式，万能试验机11的移动平台112能够带动样品室30伸入超导磁体20内部，并且，传送单元能够伸入样品室30内部以对样品14提供加载时所需的力。

在本申请中，采用超导磁体20具有更高的临界磁场，使测量范围更广且能够将多种热效应有效结合；本申请中超导磁体20的磁场强度能够在0-5t范围内进行调节，比现有利用永磁体来给样品14施加磁场的方式，加强了能够调节的磁场强度范围，有利于样品14的多卡效应测试。当然，在其他实施例中，也可以通过更换其他型号的超导磁体，从而达到更高的磁场，例如更换其他型号的超导磁体后，能够使磁场强度达到9t等，且需要说明的是，样品室30能够随移动平台112的滑动伸入或者退出超导磁体20，即样品室30能够随移动平台112的滑动伸入或者退出超导磁体20的磁腔。

进一步地，样品室30包括支撑组件31、第一压头32、第二压头33以及真空套筒34；支撑组件31与固定横梁13连接，第一压头32安装于支撑组件31，并能够承载样品14；第二压头33与传动单元12连接，传动单元12能够带动第二压头33靠近或远离第一压头32；真空套筒34能够套设于支撑组件31、第一压头32及第二压头33外，并能够通过螺栓(图未示)与固定横梁13进行连接，以使样品室30内部处于密闭状态；温度控制组件40用于控制第一压头32及第二压头33的温度，数据采集组件50用于监测样品14的温度及应力变化。

具体地，多卡效应测试装置100还包括真空泵35以及连接管36，连接管36的一端与真空泵35连接，另一端与样品室30连通；能够使得样品室30处于高真空的测试环境，从而减小样品14与空气之间的传热等，从而增强测量的准确性，且在本申请中，真空度可达8×10^-4pa。

通过超导磁体20、应力控制组件10、温度控制组件40及数据采集组件50的配合使用，能够实现对样品室30内的样品14的各种应力场、磁场以及温度的配置，并通过数据采集组件50对样品14进行数据采集及监控，从而测试样品14的多卡效应；同时，真空套筒34的设置使得样品室30处于密闭状态，且能够给样品室30提供高真空的测试环境；在高真空的测试环境下，当测试样品14的热效应时，不会发生样品14与空气之间的对流传热，能够减少温度测试误差；此外，在高真空的测试环境下能够进行低温测试，当进行低温测试时，不会受到外界环境温度的影响，如产生冷凝水等；如此设置能够使得多卡效应的测量结果更加准确；并且，所采用的超导磁体20能够产生强磁场，温度控制组件40也可以使得测试环境处于较低温度，万能试验机11可以提供更大的应力，从而使测量范围更广且能够将多种热效应有效结合。

请参阅图2，支撑组件31包括承力杆311以及固定平台312，承力杆311一端与固定横梁13连接，另一端与固定平台312连接，第一压头32安装于固定平台312上；传动单元12包括电机121以及传动杆122，电机121设于移动平台112上，传动杆122穿设固定横梁13并伸入样品室30内，传动杆122与第二压头33连接，且传动杆122能够在电机121的驱动下，带动第二压头33朝靠近或者远离第一压头32的方向运动，该多卡效应测试装置100在双驱动工作模式下，万能试验机11的移动平台112能够带动样品室30伸入超导磁体20，使得超导磁体20对样品14施加高强度磁场；电机121能够驱动传动杆122，使得传动杆122带动第二压头33朝靠近第一压头32的方向移动，以提供加载时所需的力。

请参阅图1及图2，温度控制组件40包括供温单元41以及控温单元42，供温单元41分别与第一压头32、第二压头33连接，以为第一压头32和第二压头33提供所需热量或者冷量；控温单元42与供温单元41信号连接，并能够根据第一压头32和第二压头33的温度信息，控制供温单元41提供热量或者冷量的流量大小；在工作时，通过第一压头32与第二压头33上的供温单元41控制第一压头32与第二压头33的温度，进而通过第一压头32与第二压头33热传导控制样品14的温度；同时，控温单元42能够通过反馈的温度信息，进而控制供温单元41的热量或者冷量的流量大小，从而对样品14的温度进行调节。

进一步地，供温单元41包括液氮罐411、供氮管412以及至少两个加热棒413，液氮罐411通过供氮管412分别与第一压头32、第二压头33连接；至少两个加热棒413分别与第一压头32、第二压头33连接；通过液氮罐411提供冷源，加热棒413提供热源，供温单元41能够通过液氮罐411和加热棒413对第一压头32、第二压头33提供热量或者冷量，进而通过第一压头32与第二压头33传导给样品14提供热量或者冷量；在本申请中，加热棒413的个数为两个，分别与第一压头32、第二压头33连接；当然，在其他实施例中，为了增大加热速度及效率，加热棒413也可以为其他数量，例如加热棒413的个数为四根、六根或者八根。

进一步地，控温单元42包括控制柜421以及至少两个第一温度传感器422；至少两个第一温度传感器422分别与第一压头32、第二压头33连接，以将第一压头32与第二压头33的温度信息反馈至控制柜421，控制柜421根据温度信息能够调节液氮罐411中液氮的流量以及加热棒413电流的大小；控制柜421能够通过第一温度传感器422的反馈主动控制液氮的流量和加热棒413电流的大小；以使样品14的降温通过控制液氮在供氮管412中流量，并经过第一压头32与第二压头33传导到样品14上，从而通过控制柜421控制液氮流量的大小控制冷却功率；样品14的升温通过控制柜421控制加热棒413的电流来控制加热功率，从而通过第一压头32与第二压头33的热传导控制样品14的温度；在本申请中，第一温度传感器422的数量为两个，分别与第一压头32、第二压头33连接，当然，在其他实施例中，第一温度传感器422的数量也可以为多个，如三个、四个或者五个。

请参阅图2，数据采集组件50包括第二温度传感器51以及温度采集单元(图未示)，第二温度传感器51贴附于样品14，用于检测样品14的温度信息，并将样品14的温度信息反馈至温度采集单元，温度采集单元能够监测样品14的温度变化；第二温度传感器51能够将所检测的样品14的温度信息传给配套的温度采集单元，以对数据信息进行采集、监控以及存储。

在本申请中，第二温度传感器51为半导体温度传感器，且样品14的温度能够通过控温单元42控制在-173℃至400℃；当不用加磁场时，可以通过更换其他型号的半导体温度传感器，在更高的温度下进行测试，同时也取决于所采用的半导体温度传感器的测试范围。

进一步地，数据采集组件50还包括应变计52以及应变采集单元(图未示)，应变计52分别与第一压头32、第二压头33连接，用于测量样品14的应变变化，并将样品14的应变变化信息反馈至应变采集单元，应变采集单元能够监测样品14的应变变化；应变计52能够将测量过程中样品14的应变变化信息传给配套的应变采集单元，以对样品14的应变变化信息进行采集、监控以及存储。

在本申请中，温度采集单元及应变采集单元均由计算机及软件系统等构成，以对样品14信息进行采集。

请参阅图1，多卡效应测试装置100还包括滑轨60，滑轨60与基座111连接，超导磁体20位于滑轨60上，并能够在滑轨60上移动；当超导磁体20移动至样品室30下方，且超导磁体20的轴线与真空套筒34的轴线重合时，样品室30能够伸入超导磁体20内，以使超导磁体20为样品14施加磁场；如此，能够将样品室30平稳精准的伸入超导磁体20内部，超导磁体20会产生高强度磁场，以实现对样品14施加高强度磁场。

在本申请中，真空套筒34、第一压头32、第二压头33以及支撑组件31均为无磁材质，采用无磁材质能够避免对磁场的方向、大小产生干扰，从而使测试的结果更加精准；且，在本申请中，应变计52、第一温度传感器422以及第二温度传感器51均能够在低温及高磁场下工作。

本申请提供的多卡效应测试装置100能够对样品14单独或者同时附加应力场、高磁场等，并利用不同的应力应变加载速率，在不同温度下进行测试，并通过存储监控样品14在该过程中的温度的变化以及力学参数变化，从而研究多物理场下样品14的多卡效应，实现多场变温测试的目的。

在本申请中，在样品14需要进行测试时，电机121驱动传动杆122，使传动杆122带动第二压头33朝远离第一压头32的方向运动，从而将样品14放置于第一压头32；万能试验机11的移动平台112能够通过万能试验机11本身的驱动系统带动移动平台112滑动，从而移动平台112能够带动整个样品室30朝远离滑轨60的方向移动，以使超导磁体20通过滑轨60移动至与样品室30同轴的状态；此时，万能试验机11的移动平台112能够带动样品室30伸入超导磁体20内部，这里需要说明的是，样品室30伸入超导磁体20内部即样品室30伸入超导磁体20的磁腔；并且，加载力需要调节时，电机121能够驱动传动杆122，带动第二压头33朝第一压头32的方向运动，从而为样品14提供加载力；同时，配合温度控制组件40及数据采集组件50的设置，研究多物理场下样品14的多卡效应。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。