CN115791865A - 一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，装置包括一个高温炉、一个铂金筒、一个电磁感应加热线圈、一个红外温度传感器和一个移动式机架。其中电磁感应加热线圈与铂金筒实现对弱导电性复合材料试件的间接超高温加载。移动式机架与高温炉组成模块化超高温加载装置，使得该装置可以与常规疲劳试验机组合成为热机疲劳试验***，扩展常规疲劳试验机的超高温环境热机疲劳试验功能。本发明提供的超高温加载装置，能够以相对较低的成本和简单的原理实现了对于弱导电性复合材料的间接超高温加载，并扩展了常规疲劳试验机在超高温环境的热机疲劳实验能力，对热机疲劳实验技术的发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及疲劳试验技术领域，特指一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置。
背景技术
服役于超高温工作环境下的弱导电性复合材料通常承受超高温载荷，如高超声速飞行器热防护结构等。在超高温载荷下，弱导电性复合材料构件会产生热机疲劳损伤，所以超高温环境下弱导电性复合材料构件的结构可靠性设计工作非常重要。因此，需要针对超高温工作环境下弱导电性复合材料试件开展符合实际工况的热机疲劳试验，用以探明材料在超高温环境的损伤机制，为超高温工作环境下弱导电性复合材料结构设计提供理论指导。
高温炉是一种常用模拟超高温环境的设备，但是，常规高温炉的直接感应加热对弱导电性复合材料的超高温加载效果不佳，如绝缘性较强的氧化铝陶瓷材料以及具有半导体性质的碳化硅陶瓷材料。
当前检测材料疲劳性能的主要手段是疲劳试验机，但常规疲劳试验机(如国产疲劳试验机)检测超高温环境下材料热机疲劳性能的能力不足。
因此，有必要设计一种能够模拟超高温环境的热机疲劳试验模块化装置来拓展常规疲劳试验机的超高温度加载功能。该设备至少要能实现两个目标：
(1)确保弱导电性复合材料试件能够被间接超高温加载。
(2)确保该设备可以拓展常规疲劳试验机的超高温环境热机疲劳试验功能。
常规高温加载设备不具备间接超高温加载能力，无法实现对弱导电性复合材料进行超高温加载以贴合实际服役环境的功能；并且，常规疲劳试验机不具备超高温环境热机疲劳试验功能，具体表现在：
(1)常规高温加载设备对弱导电性复合材料的超高温加载效果不好。
(2)常规疲劳试验机只能在常温条件下测试材料疲劳性能，超高温环境热机疲劳试验功能不足。
发明内容
针对在背景技术描述中热机疲劳试验技术的不足，本发明提供一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置。本发明所指超高温为2000℃。
本发明采取如下技术方案：
一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置。该装置包括一个高温炉(1)、一个铂金筒(2)、一个电磁感应加热线圈(3)、一个红外温度传感器(4)以及一个移动式机架(5)。所述电磁线圈(4)为设置在高温炉(1)内的螺旋线圈；所述红外温度传感器(5)为穿过所述高温炉(1)的温度检测装置。所述铂金筒(2)和所述电磁感应加热线圈(3)为所述高温炉(1)的间接超高温加载装置，保证弱导电性复合材料在所述高温炉(1)中得以被加热。所述高温炉(1)设置在所述可动式机架(5)上，保证所述超高温度加载装置得以模块化，作为一个模块与疲劳试验机配合使用，构成超高温疲劳试验***。
高温炉(1)包括上炉壳(1.1)与下炉壳(1.2)，所述上炉壳(1.1)与下炉壳(1.2)为高温炉(1)的高温炉壳；高温炉(1)还包括设置在上炉壳(1.1)和下炉壳(1.2)内的挡盖(1.3)，设置在上炉壳(1.1)和下炉壳(1.2)上的挡焰板(1.4)，设置在高温炉壳内的大型隔热筒(1.5)以及设置在高温炉壳内的小型隔热筒(1.6)。所述上炉壳(1.1)与下炉壳(1.2)均为底面为正方形的棱柱体。上炉壳(1.1)顶部设置有两道平行的直角薄壁卡钩(1.7)，两道直角薄壁卡钩(1.7)关于上炉壳(1.1)圆形截面的轴线对称，工作时用于固定挡焰板(1.4)，两道直角薄壁卡钩(1.7)中央设置有一个矩形开口(1.8)，使弱导电性复合材料试件通过炉壳进入高温炉(1)。下炉壳(1.2)底部设置有与顶部卡钩(1.7)形状相同的两道直角薄壁卡钩(1.9)，并在其中央设置有与顶部开口(1.8)形状相同的矩形开口(1.10)，其功能与顶部开口(1.8)相同。下炉壳(1.2)侧壁底部，沿直径设置有一个固定架(1.11)，将高温炉(1)与移动式机架(5)固连，固定架(1.11)的正上方，在下炉壳(1.2)侧壁设置有两个U形开口(1.12)用于容纳电磁感应加热线圈(3)与外部电源连接的部分，两U形开口(1.12)关于固定架(1.11)的轴线对称布置。
在高温炉(1)内部设置有圆柱壳形的大型隔热筒(1.5)和小型隔热筒(1.6)。大型隔热筒(1.5)外径低于下炉壳(1.2)内径，大型隔热筒(1.5)用以确保在高温炉(1)工作时，高温炉(1)炉壳不受炉内高温破坏。小型隔热筒(1.6)外径小于电磁感应加热线圈(3)的直径，小型隔热筒(1.6)用以确保在高温炉(1)工作时，电磁感应加热线圈(3)不受高温破坏。
电磁感应加热线圈(3)为螺旋线结构，工作时线圈与外部电源相连接，产生磁场。铂金筒(2)设置在小型隔热筒(1.6)内部，工作时，弱导电性复合材料试件通过上述高温炉开口(1.8、1.10)进入铂金筒(2)中。铂金筒(2)对通电的电磁感应加热线圈(3)产生感应发热效应，从而可以实现对弱导电性复合材料试件的间接超高温加载。
红外温度传感器(4)为棒状结构，在高温炉(1)工作时，红外温度传感器(4)以高精度实时测定炉内温度，使得热机疲劳试验***可以调整电磁感应加热线圈(3)的加热温度。
移动式机架(5)包含一个棱柱体结构的机架(5.1)，四组螺栓(5.2)、四组螺母(5.3)，以及在机架(5.1)底部设置的四个万向轮(5.4)。其作用是：与高温炉(1)组合成为一个超高温加载装置，作为模块化超高温加载装置与常规疲劳试验机组合使用，拓展常规疲劳试验机的超高温环境热机疲劳试验功能。
本发明结构简单，能以相对较少的成本拓展普通疲劳试验设备的超高温环境热机疲劳试验能力，与现有结构相比，本发明具有如下收益：
1、超高温加载装置包含一个铂金筒，铂金筒为导体。在电磁感应加热线圈工作时，铂金筒被感应加热。通过铂金筒将热量传递给弱导电性复合材料试件，可有效解决弱导电性复合材料难以被直接超高温加载的问题。
2、本发明所述超高温加载装置可以对弱导电性复合材料进行超高温加载。
附图说明：
图1为超高温加载装置炉体部分***图。
图2为超高温加载装置炉体部分正视图。
图3为超高温加载装置炉体部分侧视图。
图4为超高温加载装置炉体部分上视图。
图5为超高温加载装置炉体部分下视图。
图6为高温加载装置移动式机架***图。
图7为弱导电性复合材料示意图。
图8为本装置的整体实施示意图。
具体实施方式
为了将本发明的具体实施方案及细节阐述更加清晰，下面以C/SiC复合材料试件(7)的超高温加载过程为例，结合附图说明本发明的具体实施方式。使用本发明的超高温加载装置进行间接超高温加载，步骤如下：
1.移动超高温加载装置，使得设置于高温炉(1)上的两个矩形开口(1.8、1.10)能够对准常规疲劳试验机的夹具，与常规疲劳试验机组成热机疲劳试验***。
2.打开电磁感应加热线圈(3)的外部电源，使线圈通电。
3.打开红外温度传感器(4)，使其正常工作。
4.将C/SiC复合材料试件(6)穿过高温炉矩形开口(1.8、1.10)通入设置在高温炉(1)内的铂金筒(2)中并用夹具固定。
5.打开电磁感应加热线圈(3)的加热功能，设定加热功率，对铂金筒进行超高温感应加热。设置于铂金筒(2)与电磁感应加热线圈(3)之间的小型隔热筒(1.6)将隔绝铂金筒(2)与电磁感应加热线圈(3)之间的热量传递，保护线圈。
6.铂金筒(2)被加热后，对C/SiC复合材料试件(6)释放热量，从而实现对试件的间接超高温加载。
7.红外温度传感器(4)在工作期间实时测定铂金筒(2)之内的温度，使得热机疲劳试验***可以调整电磁感应加热线圈(3)的加热温度。
Claims (6)
1.一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，其特征在于，包括一个高温炉(1)、一个铂金筒(2)、一个电磁感应加热线圈(3)、一个红外温度传感器(4)以及一个移动式机架(5)；所述电磁线圈(4)为设置在高温炉(1)内的螺旋线圈；所述红外温度传感器(5)为穿过所述高温炉(1)的温度检测装置；所述铂金筒(2)和所述电磁感应加热线圈(3)为所述高温炉(1)的间接超高温加载装置，保证弱导电性复合材料在所述高温炉(1)中得以被加热；所述高温炉(1)设置在所述可动式机架(5)上，保证所述超高温度加载装置得以模块化，作为一个模块与疲劳试验机配合使用，构成超高温疲劳试验***。
2.根据权利要求1所述的一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，其特征在于，高温炉(1)包括上炉壳(1.1)与下炉壳(1.2)，所述上炉壳(1.1)与下炉壳(1.2)为高温炉(1)的高温炉壳；高温炉(1)还包括设置在上炉壳(1.1)和下炉壳(1.2)内的挡盖(1.3)，设置在上炉壳(1.1)和下炉壳(1.2)上的挡焰板(1.4)，设置在高温炉壳内的大型隔热筒(1.5)以及设置在高温炉壳内的小型隔热筒(1.6)；所述上炉壳(1.1)与下炉壳(1.2)均为底面为正方形的棱柱体；上炉壳(1.1)顶部设置有两道平行的直角薄壁卡钩(1.7)，两道直角薄壁卡钩(1.7)关于上炉壳(1.1)圆形截面的轴线对称，工作时用于固定挡焰板(1.4)，两道直角薄壁卡钩(1.7)中央设置有一个矩形开口(1.8)，使弱导电性复合材料试件通过炉壳进入高温炉(1)；下炉壳(1.2)底部设置有与顶部卡钩(1.7)形状相同的两道直角薄壁卡钩(1.9)，并在其中央设置有与顶部开口(1.8)形状相同的矩形开口(1.10)，其功能与顶部开口(1.8)相同；下炉壳(1.2)侧壁底部，沿直径设置有一个固定架(1.11)，将高温炉(1)与移动式机架(5)固连，固定架(1.11)的正上方，在下炉壳(1.2)侧壁设置有两个U形开口(1.12)用于容纳电磁感应加热线圈(3)与外部电源连接的部分，两U形开口(1.12)关于固定架(1.11)的轴线对称布置。
3.根据权利要求1所述的一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，其特征在于，在高温炉(1)内部设置有圆柱壳形的大型隔热筒(1.5)和小型隔热筒(1.6)；大型隔热筒(1.5)外径低于下炉壳(1.2)内径，大型隔热筒(1.5)用以确保在高温炉(1)工作时，高温炉(1)炉壳不受炉内高温破坏；小型隔热筒(1.6)外径小于电磁感应加热线圈(3)的直径，小型隔热筒(1.6)用以确保在高温炉(1)工作时，电磁感应加热线圈(3)不受高温破坏。
4.根据权利要求1所述的一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，其特征在于，电磁感应加热线圈(3)为螺旋线结构，工作时线圈与外部电源相连接，产生磁场；铂金筒(2)设置在小型隔热筒(1.6)内部，工作时，弱导电性复合材料试件通过上述高温炉开口(1.8、1.10)进入铂金筒(2)中；铂金筒(2)对通电的电磁感应加热线圈(3)产生感应发热效应，从而实现对弱导电性复合材料试件的间接超高温加载。
5.根据权利要求1所述的一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，其特征在于，红外温度传感器(4)为棒状结构，在高温炉(1)工作时，红外温度传感器(4)以高精度实时测定炉内温度，使得热机疲劳试验***调整电磁感应加热线圈(3)的加热温度。
6.根据权利要求1所述的一种针对弱导电性复合材料热机疲劳试验的超高温加载装置，其特征在于，移动式机架(5)包含一个棱柱体结构的机架(5.1)、四组螺栓(5.2)、四组螺母(5.3)，以及在机架(5.1)底部设置的四个万向轮(5.4)；移动式机架(5)与高温炉(1)组合成为一个超高温加载装置，作为模块化超高温加载装置与疲劳试验机组合使用，拓展疲劳试验机的超高温环境热机疲劳试验功能。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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