CN108398350A - 一种用于陶瓷材料升/降温热冲击试验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于陶瓷材料高效升/降温热冲击试验装置及测试方法，属于高温陶瓷材料的试验设备。它包括两个从上至下重叠的第一环境模块(2)和第二环境模块(8)，第一环境模块(2)顶部装有试件框导向架(10)，侧面装有气动拉杆(12)，批量试件(9)固定在试件框(11)中，试件框(11)***试件框导向架(10)中，试件框(11)底部与伸出的气动拉杆(12)接触，第二环境模块(8)底部装有缓冲装置(14)。本发明的优点是：在陶瓷材料的升/降温抗热冲击性能测试中，热冲击初始温度及目标温度跨度大(室温到3000℃)且都能精确控制，一次试验可对批量试件同时进行热冲击测试，试验环境稳定且试验效率高，试验结果的可靠性高、精度高。

Description

一种用于陶瓷材料升/降温热冲击试验装置及测试方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料抗热冲击性能测试研究领域，具体涉及一种用于陶瓷材料在大跨度初始温度及目标温度下的高效率升/降温热冲击试验装置及测试方法。

技术背景

陶瓷材料因其高温下保持较高的强度、密度低且具有很好的物理化学稳定性等优点常被用在高温结构领域，例如高超音速飞行器的热防护***及发动机热端。高超声速飞行器跨大气层机动飞行时，经历上升-巡航-下降以及突防等过程，气动加热严重，致使面临升温热冲击和降温热冲击等过程，并且热冲击初始温度及目标温度变化幅度大。作为高温结构材料的陶瓷材料，在服役历程中往往遭受大跨度温度范围的急剧升/降温热冲击过程而发生破坏。因此，研究陶瓷材料的抗热冲击性能显得尤为重要。然而，目前还没有既能实现升温热冲击也能实现降温热冲击的试验装置和测试方法。并且，针对目前国内外能够实现升温热冲击的设备，其热冲击初始温度只能是室温；针对目前的降温热冲击设备，热冲击初始温度最高为仅为2000℃，很难满足当前对飞行器在实际服役过程中材料遭受大跨度初始温度及目标温度下的抗热冲击性能研究的需求，因此急需研制能更好实现高温陶瓷材料升/降温抗热冲击性能测试的试验装置及测试方法。

中国专利文献CN104483224A于2015年1月14日公开了“一种用于陶瓷材料升温热冲击的试验箱”，该装置包括密封炉和加热炉，加热炉由加热炉底座支撑在密封炉内底面上，密封炉顶部装有气缸，与气缸活塞连接的气缸活动杆伸入密封炉顶部中心孔内连接试件夹持机构，密封炉内顶面装有竖直向下的导向丝，导向丝下端穿过加热炉顶孔系在加热炉内的支架上，支架上面安放有缓冲垫，加热炉顶孔中塞有隔热的碳毡片。该专利申请实现了陶瓷试件的表面加热均匀，能精确地控制热冲击的目标温度。但是该实验箱存在以下问题：

1、能够营造的最高温度为2000℃，远远达不到高温结构材料在实际服役时遭受的升温热冲击目标温度；

2、只能实现陶瓷材料的升温热冲击试验，无法完成降温热冲击试验；

3、热冲击初始温度只能为室温，不能实现不同初始温度条件下的升温热冲击试验；

4、在进行热冲击试验前没有设计专门的腔室存放试件，且夹持试件距离加热炉比较近，初始温度容易受加热炉的高温辐射；

5、一次试验只能夹持一个试件，且耗费时间长久，试验效率低。

以上问题使此实验箱只能实现较小温差条件下的升温热冲击试验，且热冲击初始温度只局限在室温不能调节、目标温度局限在2000℃以下，导致试验结果难以表征陶瓷材料在大跨度温度下的抗热冲击性能，严重影响了此类材料的研制与应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种用于大跨度初始温度及目标温度下的既能实现陶瓷材料升温热冲击又能实现降温热冲击的试验装置和测试方法，它能够实现从室温到3000℃大跨度温度范围内的升/降温热冲击试验，热冲击初始温度及目标温度都能够准确控制，且都可在室温到3000℃区间任意选择，同时一次试验可对批量试件进行热冲击，保证了同批试件热冲击试验环境的一致性，增加了测试精度并且大大提高了试验效率。

本发明所要解决的关键技术是通过这样的技术方案实现的，它包括两个从上至下重叠的第一环境模块和第二环境模块，第一环境模块和第二环境模块之间由可开合的密封隔热舱门隔离。两个环境模块内部分别设置有第一加热炉和第二加热炉，第一加热炉由第一环境模块中的底座支撑，第二加热炉由第二环境模块中的底座支撑。第一环境模块顶部装有试件框导向架，侧面装有气动拉杆，批量试件装在试件框中，试件框***试件框导向架中，并由伸出的气动拉杆支撑试件框，第二环境模块底部装有缓冲装置。

由于第一环境模块和第二环境模块预先升温至预设的热冲击初始温度和目标温度，且两个环境模块的温度精确可控、可调范围大(室温至3000℃)，试件通过试件框中的卡槽和挡板固定，试件跟随试件框从第一个环境模块落入到第二个环境模块中形成热冲击；当第一环境模块的温度高于第二环境模块的温度则形成降温热冲击过程；第一环境模块的温度低于第二环境模块的温度则形成升温热冲击过程。由于批量试件同时经历相同的热冲击环境，保证了试件试验环境的一致性，提高了试验结果的可靠性和精度。

本发明的技术效果是：

1、在陶瓷材料升/降温抗热冲击性能测试中，能精确控制热冲击初始温度及目标温度，并且温度都可在室温到3000℃大跨度内任意可调；

2、既可对陶瓷试件进行升温热冲击试验，又可进行降温热冲击试验；

3、一次试验可同时对批量试件进行测试，试验效率高，试验结果的可靠性高、精度高；

4、可以同时测试不同尺寸的试件在经历相同热冲击环境后的抗热冲击性能，以评价试件尺寸对抗热冲击性能的影响。

与现有技术相比，本发明的优点是：可实现相同尺寸或不同尺寸的批量试件同时经历大跨度初始温度及目标温度下的高效率升温热冲击试验或降温热冲击试验，试验温度可在室温到3000℃范围内精确可调，试验效率高，试验结果的可靠性高、精度高。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构图；

图2为试件框的外形图；

图3为本发明外观结构框图。

图中：1、控制柜，2、第一环境模块，3、第一加热炉，4、第一环境过渡模块，5、密封隔热舱门，6、第二环境过渡模块，7、第二加热炉，8、第二环境模块，9、试件，10、试件框导向架，11、试件框，12、气动拉杆，13、第一加热炉底座，14、缓冲装置，15、第二加热炉底座，16、挡片，17、卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括两个从上至下重叠的第一环境模块2和第二环境模块8，两个环境模块之间由可开合的密封隔热舱门5隔离；两个环境模块内部分别对应设置第一加热炉3和第二加热炉7，第一加热炉3由底座13支撑，第二加热炉7由底座15支撑。密封隔热舱门5上下分别设有第一环境过渡模块4和第二环境过渡模块6。第一环境模块2顶部装有试件框导向架10，第一环境模块2侧面装有气动拉杆12。如图2所示，试件框11上开有卡槽17并配备石墨挡片16，可固定不同尺寸的批量试件9，同时试件框11底部开有凹槽，试件框11***试件框导向架10中，由伸出的气动拉杆12支撑，第二环境模块8底部装有缓冲装置14，减小试件框11和试件9下落时受到的机械冲击。

第一环境模块2和第二环境模块8均可实现从室温至3000℃的温度环境。打开封隔热舱门5，同时退出气动拉杆12，拉杆向右滑动，试件框11在重力作用下向下竖直掉落，同时试件9随着试件框11一起掉落，最终卡在第二环境模块8中的缓冲装置14中。当第一环境模块2的温度高于第二环境模块8的温度时形成降温热冲击，当第一环境模块2的温度低于第二环境模块8的温度时形成升温热冲击。

第一加热炉3和第二加热炉7采用电感式发热体感应加热，发热体为圆筒形陶瓷基复合材料，圆筒表面缠绕导电铜丝。试件框11由石墨制成，缓冲装置14的材料为碳毡。

本发明装置的使用过程是：

首先关闭密封隔热舱门5，将试件9通过试件框11上的卡槽17和石墨挡片16固定在试件框11中，挡片16的位置根据试件的尺寸确定，试件数量根据试验要求而定；然后将试件框11***试件框导向架10中，伸出气动拉杆12，此时拉杆处于左伸状态，用于支撑试件框11；启动加热***，分别对第一加热炉3和第二加热炉7开始加热，设置好两个加热炉的炉膛温度，当第一加热炉3和第二加热炉7的温度分别达到热冲击初始温度和目标温度后，进行保温，保温时间根据试验要求而定；采用气缸驱动打开密封隔热舱门5，同时退出气动拉杆12，拉杆12向右收缩，试件跟随试件框11在重力作用下立即向下竖直掉落，从第一加热炉3切换到第二加热炉7的中部实现热冲击过程，最终试件框11卡在第二环境模块8中的缓冲装置14中。最后，停止加热，待加热炉冷却后取出试件进行后续力学性能测试。

此外，如图3所示，本发明的***连接有加热***、气压***、水冷***、温度监控***和计算机总控***。加热***控制第一加热炉3和第二加热炉7的温度，温度监控***由带陶瓷保护管的钨铼式热电偶和比色高温计共同组成，温度低于1800℃采用钨铼式热电偶测温，温度高于1800℃采用比色高温计测温。水冷***连接水冷机，对设备进行水冷。气压***用于控制第一环境模块2和第二环境模块8的真空度，根据试验需求分别对两个环境模块进行抽气或者充入惰性气体，环境模块内最低真空度可达10^-2Pa。气压***配备了机械泵和扩散泵用于炉内抽气，同时还配备储气罐，可为两个环境模块中充入氮气、氩气等惰性气体。

本发明装置及测试方法可实现大跨度初始温度及目标温度下的高效升/降温热冲击试验，热冲击目标温度和初始温度能够精准控制，且变化范围幅度大：室温到3000℃，一次试验可同时对相同尺寸或不同尺寸的批量试件在相同热冲击环境中完成热冲击过程，大大提高了试验效率且保证了试件经历的温度环境一样；热环境条件包括惰性气氛以及真空环境，由此解决了目前升/降温热冲击温差区域小、热冲击初始温度及目标温度变化幅度狭窄且难以精确控制以及测试效率低等难题，为新型高温材料的研发和应用提供了试验手段。

Claims (4)

1.一种用于陶瓷材料升/降温热冲击试验装置及测试方法，包括两个从上至下重叠的第一环境模块(2)和第二环境模块(8)，两个环境模块内部分别对应设置第一加热炉(3)和第二加热炉(7)，第一加热炉(3)由第一加热炉底座(13)支撑，第二加热炉(7)由第二加热炉底座(15)支撑，其特征是：第一环境模块(2)和第二环境模块(8)之间由可开合的密封隔热舱门(5)隔离。第一环境模块(2)顶部装有试件框导向架(10)，第一环境模块(2)侧面装有气动拉杆(12)，批量试件(9)装在试件框(11)中，由试件框(11)的卡槽(17)和挡片固定(16)，试件框(11)***试件框导向架(10)中，试件框(11)下端与伸出的气动拉杆(12)接触，第二环境模块(8)底部装有缓冲装置(14)。

2.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷材料升/降温热冲击试验装置及测试方法，其特征是：所述的第一加热炉(3)和第二加热炉(7)采用感应加热，发热体为圆筒形陶瓷基复合材料，圆筒表面缠绕导电铜丝。

3.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷材料升/降温热冲击试验装置及测试方法，其特征是：所述的试件框(11)选用石墨，并且试件框(11)上开有卡槽(17)并配备石墨挡片(16)。

4.根据权利要求1所述的一种用于陶瓷材料升/降温热冲击试验装置及测试方法，其特征是：所述的缓冲装置(14)选用碳毡。