制冷机做冷源的液氦到室温宽温区固体材料热物性测量装置研制

材料低温热物性表征是低温物理基础研究和航空航天、应用超导技术所必须的。然而，自2006年美国核定氦气为战略物资以后，全球氦气价格大涨，我国液氦价格上涨到目前150元/每升。昂贵的液氦价格，使得我国材料低温物性研究工作受到影响。为摆脱液氦短缺和使用昂贵的困境，本项目拟开展以自主研制的4K脉冲管制冷机做冷源的液氦到室温宽温区固体材料热物性测量装置研究。该装置采用闭式循环液氦温度制冷机作冷源，无需液氦，从根本上解决低温热物性测试对液氦的依赖，使具有一般水电条件的实验室可方便地进行固体材料热导、热膨胀和比热等热物性测量，测试精度优于±3％，可实现采集、控制、记录、存储等功能。本装置的研制不仅将对我国国防技术和高科技涉及的制冷、低温工程、应用超导起到支撑作用，同时对低温物理基础研究有帮助，从而促进我国材料、物理及空间科学等领域的发展。

比热、热导率、热膨胀系数、电阻率、热电势等材料的热物性，不仅是进行工程设计、分析计算的关键依据，而且是物理及材料学科领域重要的表征参数。传统低温热物性测量装置大部分是基于低温液体作为冷源的，这类测量装置操作复杂、运行成本高，而且随着液氦供应的越来越紧张，该类装置运行将变得越来越困难。本项目基于制冷机直接冷却技术，开展了制冷机做冷源的低温热物性测量装置的研究。首先项目组结合多年4K GM制冷机和脉冲管制冷机研究经验，开展了4K脉冲管制冷机的研制。通过采用多项改进创新技术，获得了制冷机最低温度2.8K，并在4.2K具有522mW的制冷量。然后进行了制冷机直接冷却式物性测量装置结构的设计。通过采用独特的具有独立预抽真空样品测量腔和多功能样品架等结构设计，成功研制了液氦温区多功能热物性快速测量装置。该装置可进行比热、热导率、电阻率、线膨胀系数、热电势等多种热物性测量，测量精度优于±3％。该装置软硬件综合集成，具有完整系统的自动控制及数据采集平台，操作简单方便。本装置的研制不仅将对我国国防技术和高科技涉及的制冷、低温工程、应用超导起到支撑作用，同时对低温物理基础研究有帮助，从而促进我国材料、物理及空间科学等领域的发展。