本发明涉及航空航天材料领域，具体涉及一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置。
背景技术：
航空航天用薄膜材料需要经受空间环境的严格考验，以太阳帆为例：太阳帆的帆面采用超轻薄的薄膜材料，而帆面材料长期暴露在空间环境，受到空间粒子辐射的影响，其性能会发生退化，影响在空间环境的应用。
随着航空航天器的发展，对航空航天材料的要求也更多、更高、更新，在新型薄膜材料的研发过程中，需要对其进行一系列研究测试，研究空间粒子与薄膜相互作用的机理、空间粒子辐照后薄膜材料性能的变化等，以检测是否能满足空间环境的要求。
薄膜材料的性能测试主要包括力学性能、介电性能、耐高低温性能、抗辐照性能等，目前研究人员对复合薄膜材料在辐照条件下的性能改变做了大量研究工作，主要测试方法是给予薄膜材料一定剂量的辐照后检测其性能变化，部分研究人员采用的方法是辐照与应力耦合处理，即在给薄膜材料施加一个方向的拉力的条件下对其进行辐照处理，然后测试辐照后薄膜材料性能的改变。
然而，在航空航天器(如太阳帆)的展开过程中，表面的薄膜材料并不是只受到单一方向上的力，不同位置的薄膜可能受到不同大小、不同方向的外力。目前的测试方法是对平面拉伸的结果进行测试，计算公式为p＝f/s，其中，f为平面方向上受到的拉力大小，s为受到拉伸薄膜横截面的面积，p为单位横截面积受到的拉力。现有预应力加载辐照试验装置主要存在以下3方面局限性：(1)应力加载装置体积较大，而往往辐照试验装置内部空间有限，无法满足试验要求；(2)辐照过程中，薄膜材料往往会发生变形，受力情况会发生变化，甚至处于松弛不受力状态，无法很好的模拟持续受力的使用场景；(3)应力加载形式较为单一，主要以拉应力为主，与实际复杂的使用场景有较大差距。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有薄膜材料预应力辐照耦合试验装置的不足，提供一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于，至少包括：
框架，所述框架包括立方体结构的整体框架、压板、底部的支撑螺丝和固定螺丝，所述框架的顶部设置有螺丝孔，顶部螺丝与所述压板配合，所述立方体结构的整体框架是中空结构；
支撑块，所述支撑块设置于所述框架内部，尺寸与所述框架内部尺寸配合，调整所述支撑螺丝可使其在所述框架内部上下移动而不发生偏移；
顶砧，所述顶砧包括顶砧一、顶砧二、顶砧三，顶砧设置于所述支撑块上方，所述顶砧的圆柱部分与所述支撑块的放置孔相互配合，可在所述框架内部上下移动而不发生偏移；其中，所述顶砧一的施力部分为球形，可对薄膜施加来自球面上不同方向的力，所述顶砧二在薄膜被固定后，可提供水平方向上的张力，所述顶砧三的施力部分为半圆柱，可提供来自圆柱侧面方向的力，三个顶砧提供了不同角度、不同方向的外力，且力的大小可通过调整所述支撑螺丝来调节；
压力计，所述压力计为圆柱形结构，设置于所述支撑块下方，所述支撑块的放置孔与所述压力计配合，调节所述支撑螺丝可使其在所述框架内部上下移动；
进一步地，所述顶砧的圆柱部分与所述支撑块上部设置的放置孔配合，所述顶砧圆柱部分设置有放置孔，其中设置一个圆柱螺旋弹簧，所述圆柱螺旋弹簧同时位于所述支撑块的放置孔内，作为缓冲和储能元件，可在薄膜受到应力发生形变产生位移时对顶砧起到支撑作用，使薄膜持续受到应力；
进一步地，所述支撑块下部设置有三个凹槽，分别与所述压力计和所述支撑螺丝配合，所述凹槽使所述压力计不会发生水平方向的偏移；
进一步地，所述框架底部设置有螺丝孔，通过调节所述固定螺丝可调整所述框架离操作台面的高度，通过调节所述支撑螺丝可调整所述支撑块在所述框架内部的位置；
进一步地，所述框架底部设置有螺丝孔，通过调节所述支撑块的位置可调整所述顶砧施加力的大小。
采用了上述方案后，本发明具有以下有益效果：
本发明中一个具体的实施例应用所述顶砧一、顶砧二、顶砧三，具有不同的施力面，可给薄膜提供不同大小、不同方向的作用力，该力的大小通过所述压力计测量、通过调整所述支撑螺丝的位置进行调节，通过上述方法，待测薄膜材料上施加的外力复杂可改变且可检测。
本发明中一个具体的实施例应用中，所述一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置与现有应力加载装置相比，具有以下优点：(1)体积小，特别适用于辐照试验装置狭小空间的辐照试验；(2)操作简单，克服了已有装置利用砝码加载外力，不方便移动、难以固、调解繁琐等不足；(3)利用所述框架、所述支撑块和所述螺丝之间的配合，避免了顶帧砧在被辐照的过程中发生偏移导致施加外力改变和薄膜材料的松弛，保持持久稳定预应力；(4)通过更换不同顶砧，可加载不同形式的预应力。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是图1的a部放大示意图。
图3是顶砧一的结构示意图。
图4是顶砧一的剖面图。
图5是顶砧二的结构示意图。
图6是顶砧二的剖面图。
图7是顶砧三的结构示意图。
图8是顶砧三的剖面图。
图9是支撑块的结构示意图。
图10是支撑块的剖面图。
图11是薄膜预应力加载和辐照试验示意图
图12是顶帧一施加预应力经不同剂量辐照后，薄膜力学性能数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明实施例提供一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，用于如图1所示的薄膜的复杂外力的施加，包括框架1，支撑块2，顶砧3，压力计4。
所述框架包括立方体结构的整体框架11，用于固定待测薄膜材料的压板12和整体框架底部的固定螺丝组13；所述支撑块2，设置于所述框架11内部，由所述的支撑螺丝13支撑，可在所述框架11内部上下移动；所述顶砧3，包括顶砧一31、顶砧二32、顶砧三33，在本实施例中选取顶砧一31设置于所述支撑块上部的放置孔21中，调整所述支撑螺丝13可使所述顶砧一31在所述框架11内部上下移动而不发生偏移；所述压力计4，被所述支撑螺丝62固定所述支撑块2下部的凹槽22中使其不发生偏移，以测量待测试薄膜材料5上加载力的大小。
所述框架11和所述压板12之间设置待测薄膜材料5，所述顶砧一31作为施力部件设置于所述薄膜5下方，所述顶砧一31下部的圆柱部分311内设置放置孔312用于放置螺旋弹簧63，所述支撑块2上部设置放置孔21用于与所述顶砧一31的圆柱部分311配合以防止其在水平方向上偏移而影响所述顶砧一31施加外力。
所述框架11底部设置有螺丝孔，通过调节所述固定螺丝组13可调整所述框架11离操作台面的高度，调节所述支撑螺丝61可调整所述支撑块2的位置，调整所述支撑块2的位置可改变所述顶砧一31的位置，进而改变所述顶砧一31作用于所述待测薄膜材料5上外力的大小。
本发明实施例可提供不同大小的应力，本实施例中提供应力的计算公式为
其中，f1、f2、f3分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三作用时，单位面积薄膜受到的力；f0、f0′、f0″分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三作用时，压力计显示的读数；g1、g1′、g1″分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三的质量；g2、g2′、g2″分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三对应支撑块的质量；g3、g3′、g3″分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三对应螺旋弹簧的质量；α、β、γ分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三作用于薄膜时，薄膜与水平方向的夹角；s1、s2、s3分别为顶砧一、顶砧二、顶砧三作用时对应薄膜受力部分的横截面积。
所述顶砧一31持续对所述待测薄膜材料5施加外力的过程中，所述待测薄膜材料5会发生一定量的形变，所述螺旋弹簧63在所述待测薄膜材料5发生形变时支撑所述顶砧一31持续不断的给所述待测薄膜材料5施加外力。
图12是顶帧一施加预应力经不同剂量辐照后，薄膜力学性能的变化情况。结果表明，持续预应力加载和辐照情况下，薄膜的断裂强度有明显变化，与辐照剂量密切相关。
1.一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于：至少包括框架，支撑块、顶砧、压力计；
所述框架，包括立方体结构的整体框架，压板和底部的支撑螺丝；
所述支撑块，设置于所述框架内部，由所述的支撑螺丝支撑，可在所述框架内部上下移动；
所述顶砧，包括顶砧一、顶砧二、顶砧三，设置于所述支撑块上方，由所述支撑块支撑，可在所述框架内部上下移动；
所述压力计，设置于所述支撑块下方，可在所述框架内部上下移动。
2.如权利要求1所述的一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于，在所述框架上，由所述压板固定待测薄膜材料。
3.如权利要求1所述的一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于，所述顶砧设置有放置孔；
所述支撑块上部设置有放置孔，与所述顶砧的放置孔卡合，可在所述框架内上下移动而不发生偏移；
所述顶砧放置孔和所述支撑块放置孔的卡合处设置有一个圆柱螺旋弹簧，作为缓冲和储能元件，可在薄膜受到应力发生形变产生位移时对顶砧起到支撑作用，使薄膜持续受到应力而不会松弛。
4.如权利要求1所述的一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于，所述支撑块下部设置有凹槽，与所述压力计和所述螺丝卡合。
5.如权利要求1所述的一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于，所述框架底部设置有螺丝孔，通过调节螺丝可调整框架离操作台面的高度和所述支撑块的位置。
6.如权利要求5所述的一种用于薄膜预应力加载和辐照试验装置，其特征在于，所述顶砧施加力的大小可通过调节所述支撑块的位置来改变。
技术总结