CN115127901A - 非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置及*** - Google Patents
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Abstract
本说明书涉及力学性能测试技术领域，特别涉及一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置及***，在对试件进行力学性能测试时，加热线圈在通电时对第二加载组件的压头进行加热，使得试件的底端至顶端存在温度梯度，在试件底端的温度达到目标温度后保持预设时间，这样在加载过程中就可以获得准确的单轴高温压缩力学性能。因此，上述技术方案相比利用辐射加热的方式对试件整体进行加热，可以测试非导体材料在具有温度梯度条件下的单轴高温压缩力学性能。
Description
技术领域
本说明书实施例涉及力学性能测试技术领域，特别涉及一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置及***。
背景技术
目前，材料的常温条件下的单轴压缩性能的测试装置及其测试方法已非常成熟，对于非导体类材料，例如纤维增强树脂基复合材料，在我国已形成了统一的国标，《纤维增强塑料压缩性能试验方法》(国标号：GB/T 1448-2005)。在防热材料中，大部分均为非导体类材料，且这类材料在高温场景中应用十分广泛。例如高超声速飞行器，其在大气中高速飞行时，外层的防热材料需要经受极端的气动热和气动力载荷，防热材料在高温下的力学性能表现是高超声速飞行器设计的重要参考指标，而通过地面的高温试验机模拟材料在经受同向的热载荷和力学载荷的试验方法是非常有效且必要的。因此，研究与设计该类材料在高温下的力学性能试验装置是十分必要的。
目前，通常是利用辐射加热的方式对试件整体进行加热，这无法测试非导体材料在具有温度梯度条件下的单轴高温压缩力学性能。
因此，目前亟待需要一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置及***来解决上述技术问题。
发明内容
为了能够测试非导体材料在具有温度梯度条件下的单轴高温压缩力学性能，本说明书实施例提供了一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置及***。
第一方面，本说明书实施例提供了一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置，包括电子万能试验机、壳体、加热线圈、供电组件、变形测试组件和温度监测组件，所述电子万能试验机包括位于上方的第一加载组件和位于下方的第二加载组件，所述第一加载组件的压头、所述加热线圈和所述第二加载组件的压头设置于所述壳体内，所述加热线圈套设于所述第二加载组件的压头的外部，所述第二加载组件上用于放置采用非导体材料制成的试件，所述加热线圈用于对所述第二加载组件的压头进行加热，以使所述压头产生的热量传导至所述试件的底端，所述供电组件与所述加热线圈连接，所述供电组件用于向所述加热线圈供电，所述变形测试组件用于测试所述试件的变形量，所述温度监测组件用于测试所述试件的表面温度；
在对所述试件进行力学性能测试时，所述加热线圈在通电时对所述第二加载组件的压头进行加热，使得所述试件的底端至顶端存在温度梯度，在所述试件底端的温度达到目标温度后保持预设时间。
第二方面，本说明书实施例还提供了一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试***，包括环境控制装置、力学性能测试装置和水冷装置，所述力学性能测试装置为如上述任一项实施例所述的装置，所述环境控制装置用于使所述壳体内处于真空环境或惰性氛围环境，所述水冷装置用于对所述第一加载组件和所述第二加载组件进行降温。
本说明书实施例提供了一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置及***，在对试件进行力学性能测试时，加热线圈在通电时对第二加载组件的压头进行加热，使得试件的底端至顶端存在温度梯度，在试件底端的温度达到目标温度后保持预设时间，这样在加载过程中就可以获得准确的单轴高温压缩力学性能。因此，上述技术方案相比利用辐射加热的方式对试件整体进行加热，可以测试非导体材料在具有温度梯度条件下的单轴高温压缩力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本说明书一实施例提供的力学性能测试装置的结构示意图；
图2是本说明书另一实施例提供的力学性能测试装置的结构示意图；
图3是图2所示实施例提供的压缩试件单面加热高温试验应变及温度测量光路的结构示意图；
图4是本说明书一实施例提供的1400℃压缩试验中SiC-SiC试件不同部位温度响应的示意图。
附图标记：
10-试件；
3-力学性能测试装置；
31-电子万能试验机；
311-第一加载组件；
311a-第一垫块；
311b-隔热毡；
311c-止脱片；
311d-防辐射挡片；
312-第二加载组件；
312a-加载轴；
312c-压头；
312d-第二垫块；
312e-水冷套；
312f-第一水冷管路；
312g-第二水冷管路；
32-壳体；
321-第一可视窗口；
322-第二可视窗口；
33-加热线圈；
34-供电组件；
35-变形测试组件；
351-高温引伸计；
352-DIC镜头；
353-补光灯；
36-温度监测组件；
361-比色高温计；
362-红外热像仪。
具体实施方式
为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书保护的范围。
如图1至图3所示，该力学性能测试装置包括电子万能试验机31、壳体32、加热线圈33、供电组件34、变形测试组件35和温度监测组件36，电子万能试验机31包括位于上方的第一加载组件311和位于下方的第二加载组件312，第一加载组件311的压头312c、加热线圈33和第二加载组件312的压头312c设置于壳体32内，加热线圈33套设于第二加载组件312的压头312c的外部，第二加载组件312上用于放置采用非导体材料制成的试件10，加热线圈33用于对第二加载组件312的压头312c进行加热，以使压头312c产生的热量传导至试件10的底端，供电组件34与加热线圈33连接，供电组件34用于向加热线圈33供电，变形测试组件35用于测试试件10的变形量，温度监测组件36用于测试试件10的表面温度；
在对试件10进行力学性能测试时，加热线圈33在通电时对第二加载组件312的压头312c进行加热，使得试件10的底端至顶端存在温度梯度，在试件10底端的温度达到目标温度后保持预设时间。
在本实施例中，在对试件10进行力学性能测试时，加热线圈33在通电时对第二加载组件312的压头312c进行加热，使得试件10的底端至顶端存在温度梯度，在试件10底端的温度达到目标温度后保持预设时间，这样在加载过程中就可以获得准确的单轴高温压缩力学性能。因此，上述技术方案相比利用辐射加热的方式对试件整体进行加热，可以测试非导体材料在具有温度梯度条件下的单轴高温压缩力学性能。
由于非导体类材料不能直接被感应线圈加热，因此采用高强度导体材料作为加热端夹具，高频交变电流通过感应线圈时产生涡流，使热端夹具产生焦耳效应从而使其迅速升温，通过热传导使试件与热端夹具接触面升温，并使试件产生温度梯度；另一端采用高强度非导体类材料作为冷端夹具，实现试件在单面接触传热条件下的高温压缩力学性能测试。
供电组件35在为加热线圈33供电时，可根据计算机预先设定的升温程序来执行，温度控制稳定，特别是对于热解类材料，由于材料在高温下产生热解碳化并吸收热量，因此材料整体温度将产生波动且在刚到达保温温度时尤为剧烈，该供电组件35采用负反馈控制抑制热解类材料高温温度波动，保障试验在固定温度点顺利进行。
需要说明的是，该***由两套供电电源(即供电组件34)组成，主供电电源为大功率稳定电源，为整个试验***进行供电；在试件10加热阶段需开启高频交变电源为感应加热线圈33供电，且材料升温过程中根据计算机***设定的升温程序进行供电控制，升温速率高且根据程序温度控制稳定，能够经受长时间高功率感应加热带来的大电力负载。此外，温度监测组件36采用了具有3个测温探头的光电比色高温计361，三个测温探头从上到下分别测试了试件中段、试件热端和热端夹具边缘的侧壁温度，并通过这三个温度数据与试验***预设的升温曲线对感应加热的电流进行控制。
在本说明书一个实施例中，加热线圈33采用铜材料制成，加热线圈33的外部套设有第二水冷管路312g，第二水冷管路312g用于对加热线圈33进行降温。
在本实施例中，加热线圈33由空心铜管制成，通电的同时能够进行水循环冷却，降低加热线圈33工作温度。同时根据所测试件的实际形状尺寸及不同的加热需求，加热线圈33缠绕方式(线圈匝数、线圈直径或盘绕形状)可进行大幅度调整；供电组件34通过电极片与加热线圈33连接，且根据温度反馈控制，供电组件34可迅速准确地进行加热电流响应，高温区控温延迟≯1s。
在本说明书一个实施例中，第一加载组件311还包括第一垫块311a、隔热毡311b和止脱片311c，第一垫块311a用于与试件10的顶端接触，第一加载组件311的压头312c内设置有用于容纳第一垫块311a的第一腔体，止脱片311c位于第一垫块311a的下方，用于防止第一垫块311a从第一腔体内脱离，隔热毡311b包覆于第一加载组件311的压头312c的外壁面。
在本实施例中，试件上端接触的为冷端垫块，通过设置止脱片311c固定在冷端夹具内以提高试验效率。通过在试验机加载与固定轴上设置高导热水冷套使试验机能够在超高温下正常工作，且轴体温度≯50℃。同时，为防止高温红热的夹具与试件的热辐射对水冷套的冷却效率产生影响，在试验机轴体上安装了防辐射挡片；在冷端夹具上套上了一层隔热毡，同样起到了对夹具的防隔热作用。
在本说明书一个实施例中，第一垫块311a采用高强陶瓷材料(即高强度非导体类材料)制成。
在本说明书一个实施例中，第二加载组件312还包括第二垫块312d，第二垫块312d用于与试件10的底端接触，第二加载组件312的压头312c内设置有用于容纳第二垫块312d的第二腔体。
在本说明书一个实施例中，第二垫块312d在氧化性氛围下可用钼镧合金制成，在非氧化性氛围下采用高强石墨或碳/碳复合材料制成。
在本实施例中，采用高强度导体材料作为加热端夹具，高频交变电流通过感应线圈时产生涡流，使热端夹具产生焦耳效应从而使其迅速升温，通过热传导使试件与热端夹具接触面升温，并使试件产生温度梯度。即，使压头312c尽量不产生焦耳效应，而希望第二垫块312d尽量产生更多的焦耳效应。
在本说明书一个实施例中，第二垫块312d包括两个分体结构，位于上方的分体结构和位于下方的分体结构的接触面为弧面，试件10所在的直线经过弧面的弧心。
在本实施例中，与试件下端接触且被感应线圈围绕的是热端夹具，由于试验机下端为固定轴，因此试件加载时为防止试件装配不齐导致的偏载，将热端垫块设计为带有滑动垫块座的分体式结构。
需要说明的是，上述方案是通过感应加热热端夹具及垫块的方式对非导体类测试材料产生接触传热并使其温度升高同时在力学载荷加载方向上产生温度梯度。在氧化性气氛下，热端夹具与垫块的及测试材料热端接触面侧壁的温度范围为RT(室温)-1400℃；若在本装置***套用真空环境仓，且真空度低于0.05Pa时材料热端最高温度可达2000℃。
综上，试验时通过高温计测量材料侧壁温度反馈调节感应线圈电流实现试件所需升温历程。通过冷却水循环***控制感应线圈与两端夹具的温度，使测试装置能够正常工作，并将本装置的热端温度上限提升至2000℃。该试验装置对非导体类材料单面加热时升温速率快，测试温度范围广，升温历程稳定可控，适用于非导体类材料具有温度梯度时的单轴高温压缩力学性能测试。
本发明构建了能够在室温至2000℃温度范围内采用感应加热夹具与垫块并与非导体类材料试件接触传热的单侧加热条件下的高温压缩力学性能试验装置与测试方法，能够监测试件与夹具垫块特定部位温度响应，升温迅速准确，能够获得测试试件在不同温度分布条件下的高温压缩强度，解决了力学载荷与热载荷同轴加载且具有一定梯度时非导体类材料高温压缩力学性能测试的难题。
此外，本说明书实施例还提供了一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试***，包括环境控制装置(图中未示出)、力学性能测试装置3和水冷装置(图中未示出)，力学性能测试装置3为上述任一项实施例提及的装置，环境控制装置用于使壳体32内处于真空环境或惰性氛围环境，水冷装置用于对第一加载组件311和第二加载组件312进行降温。
下面以实际应用实施例对测试***的具体步骤进行说明，对SiC-SiC试件的高温单轴压缩强度进行测试。
(1)测量试件的截面尺寸，采用游标卡尺分别测量标距段两端与中间的长度与宽度，分别取三者平均值，通过长宽平均值计算材料横截面积。
(2)根据陶瓷尺寸对感应加热线圈进行缠绕方式调整。
(3)将试件放置于热端垫块中心位置，降下冷端压头，保证试件两端面与上下两垫块的完全接触，同时施加20N预紧力。
(4)打开光电比色高温计，调节测温探头与试样间的距离，并通过对准激光使3个探头分别正面对准试件中段、试件热端和热端夹具边缘的侧壁，其中后两个探头对准位置为试件与热端垫块接触面上下分别2mm位置。
(5)打开水冷***，保证冷却水正常循环。
(6)打开高频感应加热***电源，设置材料热端根部温度稳定在1400℃，持续30s。
(7)采用加载速率为0.5mm/min进行压缩测试，直至试样掉载50％时自动停止试验，停止试验机加载并将加载轴回复到原位，同时停止感应线圈供电。
(8)保存试验机的载荷-位移曲线数据及光电比色高温计的温度数据。
依照上述步骤，对SiC-SiC材料进行了高温压缩性能测试，比色高温计测得的试件不同部位的温度响应曲线如图4所示。
根据公式
计算材料的压缩强度值，试验结果如表1所示。
表1SiC-SiC试件参数与单面受热条件下的高温压缩力学性能
在本说明书一个实施例中，水冷装置包括依次连接的室外水冷机、室内水冷机和分水箱，分水箱用于通过第一水冷管路312f对第一加载组件311和第二加载组件312进行降温。
在本实施例中，水冷管路(即第一水冷管路312f和第二水冷管路312g)将分水箱后流量不同的冷却水通入试验***的高温部分，随后回流到室内水冷机和室外水冷机散热。由于感应加热效率很高，即使在长时加热试验时采用上述水冷***仍能保证测试***正常工作。考虑到长时试验时***将产生大量热量及有限室内空间下的散热问题，设置了较大的室外水冷机以提高水冷散热效率；考虑到试验机所在地的天气原因及冷却水缓冲问题，设置了较小的室内水冷机；由于不同部位的发热及水冷需求不一，水冷管路与分水箱相连，控制试验机发热并保证其正常工作，因此通过设有流量计的分水箱将室内水冷机提供的冷却水分为流量不同的多路冷却水以保证***正常工作。
在本说明书一个实施例中，变形测试组件35包括高温引伸计351、DIC镜头352和补光灯353，高温引伸计351设置于壳体32内，高温引伸计351的测量端与试件10的表面接触，壳体32设置有第一可视窗口321，DIC镜头352和补光灯353设置于第一可视窗口321的外侧。
在本实施例中，***由高温引伸计和DIC(Digital Image Correlation，数字图像相关法)测试***(即包括DIC镜头352和补光灯353)组成。高温引伸计在环境舱侧面有单独的小舱，该舱室与主环境舱直接相连，但采用防热材料保证引伸计正常工作。引伸计固定在小舱内两条固定滑轨上，由伺服电机控制其伸缩，可在试验开始前将测量端头与试件保持接触并在测量结束后缩回，减少升降温过程对变形测量的干扰并保护仪器。DIC测试***的摄像头与高温补光光源架设在主环境舱正面的观察窗处(即第一可视窗口321)，补光光源可根据摄像头镜头曝光情况进行调节。
在本说明书一个实施例中，温度监测组件36包括比色高温计361和红外热像仪362，比色高温计361用于测量试件10底端的温度，壳体32设置有第二可视窗口322，红外热像仪362设置于第二可视窗口322的外侧，红外热像仪362用于监测试件10除底端外的整体温度场分布。
在本实施例中，光电比色高温计361架在主环境舱后观察窗处(即第二可视窗口322)，具有两个测量探头。其中一个对准热端压头根部侧面，监测压头温度变化情况；另一个对准试件与热端压头接触面根部侧面，监测试件根部温度变化情况，并分别根据这两点的温度值变化反馈控制供电***，使材料按照预设温度曲线升温。红外热像仪362紧邻光电比色高温计361架设，以监测除热端根部外的整个试件温度场分布。
在本说明书一个实施例中，环境控制装置包括真空单元和惰性气体供给单元，真空单元用于对壳体32进行抽真空，惰性气体供给单元用于向壳体32供给惰性气体。
在本说明书一个实施例中，真空单元包括机械式真空泵和扩散式真空泵。
在本实施例中，真空单元由机械式真空泵和扩散式真空泵构成，惰性气体供给单元通过气瓶向壳体32内注入高纯保护气，通过压力表控制气体在舱室内的压强。
若试验的真空度要求较低，仅使用机械式真空泵，真空度可达5Pa；若真空度要求较高，同时使用扩散式真空泵，则真空度最低可达0.025Pa；若试验需要通入保护性气氛，则舱内最大压力可达0.2Mpa。
综上，上述方案可用于测试非导体材料的单轴压缩、弯曲和剪切强度，解决了这类材料在高温力学测试中升温速率慢、单面加热不均匀、温度场和应变场分布难以测量等问题。具体地，采用感应加热原理加热第二加载组件312的压头312c，并通过热传导对与压头312c接触的试件10端面进行加热，提供试件10端面最高温度达2000℃的高温环境；测试***采用真空环境舱使得常温绝对真空度可达0.025Pa，并可根据需要通入定量的保护性气氛；通过对加热线圈33通入高频交变电流使置于线圈中的压头312c(采用导体材料制成)快速升温至预设温度，采用比色高温计测量第二加载组件312的压头312c的平均温度和试件10的加热端面根部温度，使材料沿着力学载荷施加方向产生一定温度梯度，特别是对航天用烧蚀热解防热材料，可使其在高温下热解从而形成特定的复合结构，在保温一定时间后进行加载至破坏并获得材料的高温模量和强度。本发明具有材料升温速率高、端面温度均匀可控及复合结构温度场与应变场测量精度高等优点，特别是可模拟航天器或固体火箭发动机烧蚀防热材料在高温极端载荷作用下生成复合结构后的高温力学响应
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本说明书的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本说明书进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本说明书各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试装置，其特征在于，包括电子万能试验机(31)、壳体(32)、加热线圈(33)、供电组件(34)、变形测试组件(35)和温度监测组件(36)，所述电子万能试验机(31)包括位于上方的第一加载组件(311)和位于下方的第二加载组件(312)，所述第一加载组件(311)的压头(312c)、所述加热线圈(33)和所述第二加载组件(312)的压头(312c)设置于所述壳体(32)内，所述加热线圈(33)套设于所述第二加载组件(312)的压头(312c)的外部，所述第二加载组件(312)上用于放置采用非导体材料制成的试件(10)，所述加热线圈(33)用于对所述第二加载组件(312)的压头(312c)进行加热，以使所述压头(312c)产生的热量传导至所述试件(10)的底端，所述供电组件(34)与所述加热线圈(33)连接，所述供电组件(34)用于向所述加热线圈(33)供电，所述变形测试组件(35)用于测试所述试件(10)的变形量，所述温度监测组件(36)用于测试所述试件(10)的表面温度；
在对所述试件(10)进行力学性能测试时，所述加热线圈(33)在通电时对所述第二加载组件(312)的压头(312c)进行加热，使得所述试件(10)的底端至顶端存在温度梯度，在所述试件(10)底端的温度达到目标温度后保持预设时间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热线圈(33)采用铜材料制成，所述加热线圈(33)的外部套设有第二水冷管路(312g)，所述第二水冷管路(312g)用于对所述加热线圈(33)进行降温。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一加载组件(311)还包括第一垫块(311a)、隔热毡(311b)和止脱片(311c)，所述第一垫块(311a)用于与所述试件(10)的顶端接触，所述第一加载组件(311)的压头(312c)内设置有用于容纳所述第一垫块(311a)的第一腔体，所述止脱片(311c)位于所述第一垫块(311a)的下方，用于防止所述第一垫块(311a)从所述第一腔体内脱离，所述隔热毡(311b)包覆于所述第一加载组件(311)的压头(312c)的外壁面。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一垫块(311a)采用高强陶瓷材料制成。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二加载组件(312)还包括第二垫块(312d)，所述第二垫块(312d)用于与所述试件(10)的底端接触，所述第二加载组件(312)的压头(312c)内设置有用于容纳所述第二垫块(312d)的第二腔体。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二垫块(312d)在氧化性氛围下可用钼镧合金制成，在非氧化性氛围下采用高强石墨或碳/碳复合材料制成。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二垫块(312d)包括两个分体结构，位于上方的分体结构和位于下方的分体结构的接触面为弧面，所述试件(10)所在的直线经过所述弧面的弧心。
8.一种非导体材料在单面受热条件下的力学性能测试***，其特征在于，包括环境控制装置、力学性能测试装置和水冷装置，所述力学性能测试装置为如权利要求1-7中任一项所述的装置，所述环境控制装置用于使所述壳体(32)内处于真空环境或惰性氛围环境，所述水冷装置用于对所述第一加载组件(311)和所述第二加载组件(312)进行降温。
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