【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热物性测量，具体为一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置及方法。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、在量子计算、超导材料以及深空探测等前沿领域的研究与应用中，超低温环境(尤其是液氦温区)成为实现技术突破的关键条件。这些技术广泛应用于量子比特操控、超导传感器制造和低温热管理系统开发等领域。然而，在这些低温场景下，材料的热导率呈现出与室温截然不同的变化趋势，其在热性能优化与系统设计中起着至关重要的作用。然而，在液氦温区(4.2k)以下，现有技术在准确测量材料热导率方面仍存在诸多难点：
3、温度波动影响：测量期间，低温制冷系统产生的温度波动难以控制，其温度振幅(>100mk)与待测材料两端温差相当，严重影响材料热导率测量的准确性和稳定性；
4、机械振动干扰：测量期间，制冷系统的振动(振幅>20um)通过结构传递到样品，影响材料样品厚度(～10um)维持和测量的稳定性；
5、漏热量控制：增加位移传动和支撑结构会影响设备漏热量，影响测试区域最低温度极限；
6、样品尺寸测量精度不足：样品厚度是测量材料热导率的关键参数，例如在热界面材料热导率测试过程中，需在液氦温度下实时调整材料厚度，现有装置无法精确测量并控制液氦温区下材料在上下热流计之间的填充厚度。
7、样品压力控制精度不足：在液氦温区的实验中，施加在样品上的压力需要精确可控，以确保界面接触状态或样品厚度的稳定性。然而，现有技术中压
技术实现思路
1、为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供了一种高精度的液氦温区热材料热导率测量装置及方法，通过特定的结构，有效减少系统漏热，提高温度和压力测量的稳定性和精度，解决现有技术中的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术的第一个方面提供一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，包括：
4、低温制冷模块，用于产生设定温度范围的超低温测量环境；
5、真空绝热模块，包括依次布置在样品及热流计外侧空间的防辐射二级冷屏、多层绝热一级冷屏和真空腔体，低温制冷模块产生的超低温通过铜编织热桥以热传导的方式传递至样品及热流计冷端；
6、承压样品台模块，用于承载并固定热流计及样品，包括用于固定下热流计的无氧铜夹具，无氧铜夹具内设有热阻尼片，热阻尼片与冷头温度调节加热器抵接，冷头温度调节加热器位于承压冷盘上表面并被防辐射二级冷屏容纳，承压冷盘下底面通过实心环氧树脂支撑杆与实心聚四氟乙烯支撑杆连接，实心聚四氟乙烯支撑杆下底面连接在不锈钢支撑杆上；
7、厚度测量与控制模块，利用伺服直线电机和传动杆，控制和测量样品界面间的厚度；
8、温度测量与控制模块，用于获取热流计的温度，包括插入热流计内部的测温探针，测温探针与温度传感器连接。
9、进一步的，低温制冷模块包括冷水机、压缩机和制冷机，冷水机与压缩机通过冷却水回路相连，压缩机与制冷机通过高压氦气回路相连，制冷机通过波纹管连接在制冷机支架上，形成减震柔性连接。
10、进一步的，真空腔体被真空腔体支架承托，真空腔体为设定厚度的金属腔体，真空腔体内的多层绝热一级冷屏通过多层铝箔缠绕在无氧铜片上并具有设定厚度，防辐射二级冷屏通过具有设定厚度的无氧铜片制成。
11、进一步的，实心环氧树脂支撑杆位于防辐射二级冷屏和多层绝热一级冷屏之间的空间，实心聚四氟乙烯支撑杆和不锈钢支撑杆位于多层绝热一级冷屏和真空腔体之间的空间。
12、进一步的，承压冷盘的下底面依次连接实心环氧树脂支撑杆、实心聚四氟乙烯支撑杆和不锈钢支撑杆；其中，实心聚四氟乙烯支撑杆的顶端与多层绝热一级冷屏接触，不锈钢支撑杆固定在真空腔体的内壁底面。
13、进一步的，厚度测量与控制模块包括直线式伺服压机，直线式伺服压机驱动位移传动杆竖直往复运动，实现压力、位移的控制，利用固定在位移传动杆底端的压力传感器和固定在位移传动杆顶端的接触式位移传感器实现压力和位移的测量。
14、进一步的，位移传动杆在真空腔体外侧与波纹管密封端通过螺纹连接，空心不锈钢管拉杆固定在波纹管的密封端内侧，直线式伺服压机驱动位移传动杆沿竖直方向运动，位移传动杆连接波纹管向真空腔体内传递位移，位移依次通过实心聚四氟乙烯拉杆、实心环氧树脂拉杆和热端加热器向接触样品的热流计末端传递。
15、进一步的，实心聚四氟乙烯拉杆的圆周外侧设有限位板，限位板利用多组限位螺杆固定。
16、进一步的，温度测量与控制模块还具有热端加热器，热端加热器与样品及热流计的顶端通过螺纹连接。
17、进一步的，无氧铜夹具与制冷机的冷头通过铜柔性编织绳相连，形成冷端，无氧铜夹具夹持冷端的热流计，热端加热器与无氧铜夹具在热流计上产生轴向热流并产生温度梯度。
18、本专利技术的第二个方面提供一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置的工作方法，包括以下步骤：
19、调零并填充样品，获取初始样品厚度；
20、利用低温制冷模块为下热流计始端提供超低温冷量，待温度稳定后，打开热端加热器加热上热流计始端，在轴向高低温差作用下，热量在热流计及样品内沿轴向传导，形成稳定的温度场和轴向热流；
21、获得上下热流计的温度梯度，计算出样品与上、下热流计接触界面的温差以及轴向热流；
22、通过重复实验测量不同厚度样品，获得当前样品厚度和对应的上、下热流计接触界面的温差以及轴向热流；
23、根据傅里叶热传导定律，计算待测材料的热导率。
24、与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
25、1、低机械振动：制冷机工作过程存在振幅约为±20um的机械振动，而低温传热领域中的热界面材料厚度为10um级别，本装置提出的制冷机与样品台垂直布置、制冷机与真空腔体通过波纹管软连接、制冷机冷头与样品台通过铜编织网/带软连接的方法，可以最大限度地削弱制冷机机械振动对热界面材料厚度测量准确性的影响。
26、2、低温度波动：制冷机工作过程存在振幅>100mk的温度振荡，而待测材料上下界面温差约为10mk级别，本装置采用的多片金属/聚合物波片叠加、在低温样品台与下热流计之间形成热阻尼的方法，可以将冷头温度振荡降低至5mk以内，最大限度地削弱制冷机温度振荡对测温稳定性和精度的影响。
27、3、低漏热的位移传动：由于样品台与外界环境温度相差较大，直接连接将产生较大漏热，影响可测温区下限，本装置采用分级传动、承载样品的拉杆和支撑杆设计，根据部件工作温区，采用不同热导率、截面直径的拉杆和支撑杆，在保证设备机械强度的基础上，最大限度地增加热传导热阻、降低漏热量。
28、4、高精度的温度测量：设计的测温探针可以通过热流计表面本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述低温制冷模块包括冷水机、压缩机和制冷机，冷水机与压缩机通过冷却水回路相连，压缩机与制冷机通过高压氦气回路相连，制冷机通过波纹管连接在制冷机支架上，形成减震柔性连接。
3.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述真空腔体被真空腔体支架承托，真空腔体为设定厚度的金属腔体，真空腔体内的多层绝热一级冷屏通过多层铝箔缠绕在无氧铜片上并具有设定厚度，防辐射二级冷屏通过具有设定厚度的无氧铜片制成。
4.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述实心环氧树脂支撑杆位于防辐射二级冷屏和多层绝热一级冷屏之间的空间，实心聚四氟乙烯支撑杆和不锈钢支撑杆位于多层绝热一级冷屏和真空腔体之间的空间。
5.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述承压冷盘的下底面依次连接实心环氧树脂支撑杆、实心聚四氟乙烯支撑杆和不锈钢支撑杆；其
6.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述厚度测量与控制模块包括直线式伺服压机，直线式伺服压机驱动位移传动杆竖直往复运动，实现压力、位移的控制，利用固定在位移传动杆底端的压力传感器和固定在位移传动杆顶端的接触式位移传感器实现压力和位移的测量。
7.如权利要求6所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述位移传动杆在真空腔体外侧与波纹管密封端通过螺纹连接，空心不锈钢管拉杆固定在波纹管的密封端内侧，直线式伺服压机驱动位移传动杆沿竖直方向运动，位移传动杆连接波纹管向真空腔体内传递位移，位移依次通过实心聚四氟乙烯拉杆、实心环氧树脂拉杆和热端加热器向接触样品的热流计末端传递。
8.如权利要求7所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述实心聚四氟乙烯拉杆的圆周外侧设有限位板，限位板利用多组限位螺杆固定。
9.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述无氧铜夹具与制冷机的冷头通过铜柔性编织绳相连，形成冷端，无氧铜夹具夹持冷端的热流计，热端加热器与无氧铜夹具在热流计上产生轴向热流并产生温度梯度。
10.基于如权利要求1-9任一项所述高精度的液氦温区材料热导率测量装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述低温制冷模块包括冷水机、压缩机和制冷机，冷水机与压缩机通过冷却水回路相连，压缩机与制冷机通过高压氦气回路相连，制冷机通过波纹管连接在制冷机支架上，形成减震柔性连接。
3.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述真空腔体被真空腔体支架承托，真空腔体为设定厚度的金属腔体，真空腔体内的多层绝热一级冷屏通过多层铝箔缠绕在无氧铜片上并具有设定厚度，防辐射二级冷屏通过具有设定厚度的无氧铜片制成。
4.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述实心环氧树脂支撑杆位于防辐射二级冷屏和多层绝热一级冷屏之间的空间，实心聚四氟乙烯支撑杆和不锈钢支撑杆位于多层绝热一级冷屏和真空腔体之间的空间。
5.如权利要求1所述的一种高精度的液氦温区材料热导率测量装置，其特征在于，所述承压冷盘的下底面依次连接实心环氧树脂支撑杆、实心聚四氟乙烯支撑杆和不锈钢支撑杆；其中，实心聚四氟乙烯支撑杆的顶端与多层绝热一级冷屏接触，不锈钢支撑杆固定在真空腔体的内壁底面。
6.如权利要求1所述的一种高...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑卫东，娄佳慧，邵成，崔峥，
申请(专利权)人：山东高等技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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