[發明專利]用于超高溫氧化環境下的力學性能測試裝置和方法

有效

• 申請號: 201210500311.5
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN102944466A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 方岱寧;張如炳;程相孟;裴永茂;曲兆亮;韋凱;莊慶偉;王戈
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/18;G01N3/20;G01N3/24
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 蘇愛華

技術領域

本發明涉及材料在室溫到1800度氧化環境下的力學性能測試裝置。具體地說，是一種新型超高溫陶瓷加熱體受熱加載來進行材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、壓痕、疲勞、蠕變等力學性能測試裝置。

背景技術

鑒于高新技術領域和國防裝備建設的中高溫材料與結構需要承受復雜的熱/力/氧化耦合或復雜燃燒環境，以及關鍵超高溫材料（諸如微燒蝕C/C復合材料、非燒蝕超高溫陶瓷、高溫合金、C/SiC復合材料）性能的復雜性。在對用于極端環境下的超高溫部件的設計進行服役安全性評價時，必須了解材料在超高溫氧化環境下的強度和模量等基本力學性能參數。目前，國內外對于1650度以上的氧化環境下的超高溫力學評價還沒有有效的方法，也沒有相關的儀器設備。這主要是由于在1650度以上的氧化環境下，現有設備的發熱體、夾具以及應變傳感儀器難以承受。但是，目前高新技術和國防裝備建設的發展迫切需要超高溫氧化環境下力學性能測試裝置。因此，開發超高溫環境下熱/力/氧化等多參量實驗測試裝置，提升超高溫極端氧化環境下材料與結構實驗方法和技術的創新能力，建立和完善超高溫氧化環境下各項力學性能指標的測試、表征技術和評價標準，以滿足高新技術領域和國防裝備建設中的材料與結構在超高溫氧化極端環境下的力學性能測試手段的強烈需求。為航天航空等領域的材料與結構的優化設計、材料工藝選、服役可靠性等方面提供理論依據及指導，對保障火箭、導彈、可往返航天飛機和高超聲速飛行器等戰略裝備的可靠性評價和穩定性設計具有重大的意義。

盡管中國建筑材料研究院的包亦望等人已經開發出氧乙炔熱源局部加熱的超高溫力學性能測試，但目前尚沒有直接在穩態的超高溫氧化熱環境下直接測量材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、壓痕、疲勞、蠕變等力學性能的裝置。究其原因，主要有以下三點：第一，試驗溫度測試不準確，溫度場不均勻，實驗的可重復性較差，很難獲得均勻穩定的1650度以上的氧化環境；第二，現有的試驗夾具和壓頭難以承受1650度以上的氧化環境；第三，在大于1650℃以上的高溫氧化測試環境下，高溫接觸傳感引伸儀不穩定；全場非接觸變形測試技術缺乏。因此，急需解決超高溫加載與控制，溫度、載荷、位移、變形等多參量實驗信息的精確提取，以及新型溫度傳感器、位移傳感器、力傳感器、非接觸圖像分析與超高溫氧化環境的匹配性，達到超高溫性能測試技術的要求，才能夠確保超高溫環境下材料力學性能測試儀器的順利研制。

發明內容

本發明的目的是提供一種可用于1800度氧化環境下的力學性能測試裝置，能夠實現在常溫到1800度溫度范圍的超高溫氧化氣氛下測試高溫材料的拉伸、壓縮、彎曲、斷裂韌性、剪切強度和變形等力學基本參量。本發明的裝置測試精度高，可測試的基本力學參量多，測試的可靠性和可重復性強，還能夠實現測量和數據分析的自動化。

本發明提供的技術方案如下：

一種用于超高溫氧化環境下的力學性能測試裝置（圖1），其特征是，所述裝置包括電子萬能試驗機、爐體、加載儀、發熱體、超高溫夾具、引伸儀、測溫系統、控制電柜和顯示分析系統，其中：

電子萬能試驗機為框板結構的支架，為試驗過程中完成加載運動，并為固定的部件提供支撐和操作空間；

爐體安裝在電子萬能試驗機的下支架上，高溫試驗時通過支架導軌來使其移至電子萬能試驗機的中心，爐體上留有小孔（用于安裝加熱體、加載桿、測溫熱電偶、引伸儀）和水冷裝置，爐體直接和控制電柜相連，通過爐體中間排布的多根超高溫陶瓷發熱體實現溫度的均勻加載；

發熱體為超高溫陶瓷管，從爐體內小孔穿過，發熱體上下端通過串聯的導電金屬箔和絲分別連接到爐體的上下端的電極上；

超高溫夾具用于固定待測試樣，通過差分變壓器連接后安裝在電子萬能試驗機框架上或放置在爐體內；

引伸儀通過爐邊的小孔插入爐內，與試樣的標距段相接觸；

測溫系統由帶陶瓷保護套的B型鉑銠熱電偶和紅外熱溫儀配合組成，在1600度以下，將熱電偶通過爐體的小孔插入爐體內測溫；高于1600度后，退出熱電偶，啟用紅外測溫儀，通過爐體中心的測溫孔對準試樣的中心位置來測溫；

控制電柜為加熱和水冷操作系統，具有溫控顯示器；通過開關可啟動或停止加熱和水冷系統，通過溫控系統可調節加熱速率；

加載儀具有施加拉伸、壓縮、彎曲和剪切載荷的基本功能，配合壓力感器形成加載系統；

顯示分析系統為計算機系統，其中裝載運算式；加載儀與顯示分析系統信號線連接，顯示分析系統接收加載儀傳輸的信號依據運算式計算出各測量項的數值并顯示結構。