本發明屬于精密儀器領域，尤其涉及溫度控制，具體為一種半開放氛圍式高低溫變溫加載裝置。
背景技術：
1、材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，材料服役性能是評價材料及其制成品可靠性的重要因素。在航空航天領域、極地地區、極端冰雪天氣等情況下，材料均面臨著高低溫服役工況，特殊的環境對材料提出了更為苛刻的要求，傳統的常溫下力學性能測試手段無法滿足變溫工況下材料服役性能評估的需要，因此推動能夠提供不同溫度的材料性能測試裝置發展十分必要。
2、現有的商業化溫度加載裝置比較成熟，常見的包括液氮制冷腔、高溫試驗爐、高低溫環境箱等，但是此類裝置拓展性較差，難以集成力學測試所需的載荷加載設備，難以構建惰性氣體氛圍環境，部分測試裝置雖然構建了惰性氣體氛圍，但惰性氣體在密閉空間中，取放試樣、壓頭等部件需要在此狹小、受限的密閉空間中進行，操作不便且復雜，需要專業人員經過培訓才能熟練操作，增加了試驗的成本和難度，雖然增大密閉空間可以便于操作，但惰性氣氛圍空間增大會導致惰性氣耗量增多、冷卻/加熱負荷增大等一系列問題，增加實驗成本。
技術實現思路
1、為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種半開放氛圍式高低溫變溫環境加載裝置。本發明的加載裝置采用循環冷氮氣強制對流換熱與電熱絲加熱的方式構建不同溫度環境，并通過熱電偶實現溫度實時監測，通過氣泵實現氮氣循環與溫度控制；同時，通過拼接方式構建氛圍環境腔室，便于快速拆卸、組裝密閉空間，這一方面可以縮小密閉空間降低惰性氣消耗，另一方面可以便于取放設備部件，降低操作難度。
2、為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：
3、一種半開放氛圍式高低溫變溫加載裝置，包括：
4、氛圍環境腔室，由左右兩個呈開口盒狀的半腔體結構滑動嵌合而成，兩個半腔體結構的開口正對且能夠沿y軸相對移動實現密封腔狀態與敞口狀態的切換；
5、壓頭單元和試樣單元，兩者分別設置在兩個半腔體結構上且兩者的中心線與y軸平行，壓頭單元和試樣單元中均設有電熱絲，用于分別對壓頭和試樣進行加熱；同時，壓頭單元能夠沿y軸自由移動；
6、與氛圍環境腔室連通的氛圍氣體單元，用于向氛圍環境腔室補充惰性氣體，使得氛圍環境腔室保持惰性氣體條件且為微正壓，從而避免氛圍環境腔室外部的氣體進入氛圍環境腔室內破壞惰性氣體環境；
7、以氣泵為動力的制冷氣體循環單元，該單元中，氣泵驅動惰性氣體循環降溫后分為兩路，并獨立對氛圍環境腔室中的壓頭單元與試樣單元供給低溫冷卻介質；
8、監測控制單元，用于至少監控試樣和壓頭的溫度。
9、作為本發明的一種具體實施方式，兩個半腔體結構中，一個半腔體結構能夠嵌入另一個半腔體結構中，將能夠容納被嵌入半腔體結構的部分稱大半腔體結構，被嵌入的半腔體結構稱小半腔體結構，加載裝置還包括：
10、沿y軸布置的第一y軸導軌滑塊機構，氛圍環境腔室的兩個半腔體結構分別與第一y軸導軌滑塊機構的導軌和滑塊固定連接，從而限定兩個半腔體結構僅能沿y軸方向移動；
11、大半腔體結構沿y軸方向延伸的一個側壁設有板狀且能夠打開的腔門，當腔門打開且小半腔體結構嵌入大半腔體結構時，小半腔體結構能夠沿y軸方向移動,當腔門關閉后，腔門抵接兩個半腔體結構的外壁，形成密閉空間且鎖止兩個半腔體結構，從而固定兩者的相對位置。
12、作為本發明的一種具體實施方式，兩個半腔體結構中，一個半腔體結構能夠嵌入另一個半腔體結構中，將能夠容納被嵌入半腔體結構的部分稱大半腔體結構，被嵌入的半腔體結構稱小半腔體結構，加載裝置還包括：
13、兩個半腔體結構既能沿x軸方向相對移動也能沿y軸方向相對移動，且沿x軸反向移動至極限位置后再沿y軸移動時兩個半腔體結構處于完全分離狀態；
14、大半腔體結構沿y軸方向延伸的一個側壁設有板狀且能夠打開的腔門，當腔門打開且小半腔體結構嵌入大半腔體結構時，小半腔體結構能夠沿y軸和x軸方向移動,當腔門關閉后，腔門抵接兩個半腔體結構的外壁，形成密閉空間且鎖止兩個半腔體結構，從而固定兩者的相對位置。
15、如此，可以將兩個半腔體結構先沿x軸相對移動，如此，后期兩者沿y軸移動時在水平面（xy平面）錯開（兩個半腔體結構不相互接觸），不會對密封圈造成磨損而且移動阻力小，最后再將兩個半腔體結構沿x軸相對移動使其嵌合。
16、進一步，兩個半腔體結構既能沿x軸方向相對移動也能沿y軸方向相對移動的具體結構包括：
17、沿y軸布置的第二y軸導軌滑塊機構，第二y軸導軌滑塊機構的導軌與大半腔體結構固定連接；
18、沿x軸布置的第一x軸導軌滑塊機構；
19、第一底座，其與第一x軸導軌滑塊機構的導軌固定連接，與第二y導軌滑塊機構的滑塊固定連接，使得第一底座僅能沿y軸滑動；
20、第二底座，其與第一x軸導軌滑塊機構的滑塊固定連接，使得第二底座能夠沿y軸滑動；
21、其中，小半腔體結構背對大半腔體結構的一端經支撐柱與第二底座固定連接，連接后，第二底座與小半腔體結構的底面平行且間隔一定距離，且間隔的距離大于大半腔體結構底板的厚度，如此，大半腔體結構的底板能夠插入第二底座與小半腔體結構底面之間的縫隙中。
22、作為本發明的一種具體實施方式，鎖止兩個半腔體結構包括如下結構：
23、位于腔門上的多個第一對中孔；
24、位于兩個半腔體結構上的第二對中孔；
25、其中，兩個半腔體結構上各設有一個第二對中孔，當兩個半腔體結構達到目標位置后，將兩個第二對中孔各與一個第一對中孔對中，并通過螺栓進行鎖緊固定，從而形成封閉體。
26、作為本發明的一種具體實施方式，對于與試樣單元連接的半腔體結構，還包括如下配置：將其正對開口部位的側板布置為活動擋板，同時，設置沿x軸布置的第二x軸導軌滑塊機構、沿z軸布置的z軸導軌滑塊機構和活動框，其中，活動框中部設有中通孔，活動框的內側壁通過第二x軸導軌滑塊機構與半腔體結構的外壁滑動連接，且移動過程中，中通孔的邊緣與半腔體結構的外壁抵接密封，活動擋板通過z軸導軌滑塊機構與活動框的外側壁滑動連接，且移動過程中，中通孔的邊緣與活動框抵接密封；活動框的內壁和外壁均設有橡膠層，同時活動框采用磁性材料制備而成，并與活動擋板和半腔體結構產生磁吸作用。
27、作為本發明的一種具體實施方式，試樣單元包括依次同軸剛性串聯的力傳感器、隔熱件、熱沉和試樣臺；壓頭單元包括依次同軸剛性串聯的壓頭底座、熱沉和隔熱件；兩個熱沉分別纏繞有電熱絲以實現對精準控溫及高溫加載；在熱沉部位的外壁套設制冷環，且制冷環與熱沉外壁形成換熱夾套結構，氣泵的出入口分別與制冷環連通，從而將冷卻介質引入制冷環內對熱沉部分降溫，進而熱沉部分通過熱傳遞對接觸部件降溫，最終達到降低試樣或壓頭溫度的目的；在制冷環的氣體出入口均設置熱電偶，電熱絲與制冷環中循環氣體接觸，從而可以通過兩者（電熱絲和循環氣體）協同控制溫度，使得試樣和壓頭在目標控制溫度處溫度波動更小，尤其是當循環氣流量低的時候，可以通過提供一定熱負荷來增大所需的循環氣量，如此，可以增大制冷環中循環氣量，使其溫度分配更加均勻。
28、作為本發明的一種具體實施方式，制冷環為中空夾套結構，其兩端與熱沉密封連接；制冷環為三層流道結構，三層流道沿熱沉軸向分布，其中，中間層為排氣通道，兩端為進氣流道，每層流道均環形陣列布置多個氣孔，相鄰兩層流道的氣孔夾角為60°，實現對熱沉均勻制冷。
29、作為本發明的一種具體實施方式，監測控制單元包括溫控儀、驅動器和數據采集卡；溫控儀連接熱電偶，實時監測壓頭與試樣的溫度信息，同時控制直流電源向電熱絲通電進行溫度精調；驅動器連接氣泵控制氣體循環；數據采集卡連接力傳感器和壓電促動器，壓電促動器用于測量壓頭和試樣的位移信息。
30、與現有技術相比，本發明的至少一個具體實施例具有以下優點：
31、（1）本發明為半開放氛圍式高低溫變溫加載裝置，其氛圍環境腔室采用分體式設計，兩個半腔體結構通過滑動嵌合的方式密封連接，拼接成密閉空間，作為惰性氣體氛圍空間，這使得惰性氣體空間尺寸可以根據需要調整，以適應不同尺寸試樣，試樣沿y軸長度越小，則可以同步縮小該密閉空間尺寸，降低惰性氣消耗以及能耗（加熱/冷卻的負荷），兩個半腔體結構分拆后形成敞口狀態，可以極大地提高更換試樣等部件的便利性，避免了空間受限帶來的操作不便。
32、（2）本發明既可以通過電熱絲進行加熱，也可以通過循環氣體降溫，從而實現高低溫變溫加載，同時，本發明還可以通過電熱絲和循環氣體協同調整試樣和壓頭的溫度，實現精調，穩定其溫度。
33、（3）本發明設置導軌滑塊機構引導兩個半腔體結構相對移動，通過腔門的配合可以降低移動過程中的阻力，同時確保測試時兩者固定牢固，尤其是當兩個半腔體結構能夠沿x軸和y軸雙向相對移動后，可以進一步降低降低移動阻力和對密封件的磨損。
34、（4）本發明可以通過活動擋板和活動框的移動在氛圍環境腔室的密封環境中調整試樣與壓頭的相對位置，避免破壞氛圍環境腔室的惰性氣體環境，節省操作時間，降低惰性氣體消耗。