[實用新型]測試環境溫度可調的材料力學性能原位三點彎曲測試平臺

有效

• 申請號: 201320484036.2
• 申請日: 2013-08-09
• 公開（公告）號: CN203405385U
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 趙宏偉;程虹丙;邵明坤;張鵬;馬志超;董曉龍;魯帥;韓磊;高景;佟達
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20;G01N3/02
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

技術領域

本實用新型涉及原位力學性能測試領域，測試環境溫度可調的材料力學性能原位三點彎曲測試平臺。在不同溫度場中通過高倍數固態CCD工業成像系統可對測試材料的微觀組織形貌、晶格變化、裂紋的萌生、擴展與斷裂進行動態實時觀測。該力學性能測試裝置為材料基于溫度場的力學性能檢測提供了一種嶄新的手段。

背景技術

原位力學性能測試是指在微/納米尺度下對試件材料進行力學性能測試的過程中，可以通過原子力顯微鏡、電子顯微鏡以及光學顯微鏡等顯微成像系統對各種載荷作用下材料發生的微觀變形、組織形貌和裂紋損傷等進行實時在線觀察的一種力學測試方法。該技術可以從微觀層面上對各類材料及其制品在各種載荷作用下的力學行為、損傷破壞機理。在諸多微納米力學性能測試的范疇中，彈性模量、切變模量、硬度、屈服極限、斷裂極限等參數是微構件力學特性測試中最主要的測試對象，針對這些力學參數產生了多種測試方法，如拉伸/壓縮法、彎曲法、剪切法、扭轉法、納米壓痕/劃痕和鼓膜法等。其中原位三點彎曲測試方法能較全面地反映材料或制品在彎曲條件下的力學特性，在各類材料測試過程當中占有重要的地位。其主要表現在加載裝置比較簡單，對彎曲試件的加工工藝要求較低，不存在苛刻的對中夾緊等問題，同時在較小的載荷作用下會產生較大的變形，有助于測試過程獲得較為直觀的變形效果。

隨著近代航空航天工業的快速發展，航空火箭、航空導彈、航空飛機等新型高科技產品的迅速崛起，新型高溫復合材料的研制、開發與測試技術越來越受到科研領域和工業制造領域的重視。基于航天工業對高溫的迫切需求，未來新材料探索之一是：利用多粒子束物理氣相沉積或多粒子蒸鍍技術將具有高韌性、抗高溫氧化腐蝕材料與具有高強度的金屬材料按不同層厚比制成多層材料,以獲得兼有兩種或兩種以上材料性能的復合微層板。這種典型的高溫金屬間化合物等微層板復合材料兼有金屬韌性和陶瓷的強度和化學穩定性，可用以替代等高溫合金作為空天飛行器防熱蓋板。近年來，美國在高溫合金蜂窩復合結構和軟合金多層壁結構兩種防熱材料的研究方面取得了很大進展，目前已能制造出大尺寸的平面與曲面瓦，并解決了金屬瓦與機身的連接問題。我國在相關領域也進行了大量的研究，因此開展基于溫度場的材料力學性能測試新技術具有廣闊的前景。

目前比較成熟的三點彎曲試驗一般是依靠大型彎曲試驗機對材料試件進行離位測試。彎曲加載過程按照相關標準以均勻速率對樣品進行加載，通過相應的載荷位移傳感單元將力信號與位移送入到計算機中繪制載荷-撓度曲線，結合材料截面屬性進而得到在載荷作用下應力-應變曲線。但是傳統彎曲試驗機針對的大都是在常溫下的大尺度試件，未涉及樣品微納米尺度范疇的力學性能研究，也沒有考慮溫度場對材料性能的影響，而且大多屬于離位測試，未涉及到相應的顯微成像系統的原位觀測。目前開發原位測試裝置主要存在有以下特點：（1）從測試裝置與成像系統的兼容性問題來說，由于掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡等的腔體空間非常有限，以至于目前的多數研究都集中在以微/納機電系統原理為基礎，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構進行單純原位納米拉伸測試上，缺少對特征尺寸厘米級以上宏觀試樣的原位微/納米力學性能測試的深入研究；（2）從測試精度上來說，主要集中于微驅動系統的可靠性與穩定性的研發，載荷位移信號的精確測量手段以及試樣加工、夾持、對中等問題。

鑒于我國對于復合微層板和熱障涂層等材料的機械性能的研究還相對落后。因此，開發高溫環境下材料力學性能的測試方法具有重要的意義。通過測試微層板中各組份層材料的力學性能，為微層板性能的預估、變形及破壞機理的研究奠定基礎。基于此在宏觀的拉伸、彎曲與扭轉等材料力學性能測試手段的基礎之上，結合溫度場與原位測試理念，將傳統的測試裝置向小型化、精確化和多功能化方向發展已成為一種趨勢。本實用新型正是迎合以上的材料力學性能測試的發展需求，開發了一種可以基于溫度場的材料原位三點彎曲實驗裝置。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種測試環境溫度可調的材料力學性能原位三點彎曲測試平臺，解決了現有技術存在的上述問題。本實用新型不但可以滿足標準的材料機械性能測試過程，而且在原位力學測試中為材料力學性能的溫度場響應提供了技術手段。對于推進高性能材料在高溫環境下的性能原位測試技術具有舉足輕重的作用。

本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：