[發(fā)明專利]一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法

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• 申請日: 2014-07-03
• 公開（公告）號: CN104034601A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐德昇;許承海;王偉;孟松鶴;杜善義
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/20;G01N3/06
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于試驗(yàn)測定材料參數(shù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種防熱材料在高溫條件下材料力學(xué)性能試驗(yàn)參數(shù)的測定方法。

背景技術(shù)

超高溫陶瓷、C/C復(fù)合材料等防熱材料廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、現(xiàn)代空間技術(shù)等領(lǐng)域，以滿足其對高溫條件下隔熱系統(tǒng)的需求。在高溫條件下，不僅需要滿足一定的熱學(xué)性能，而且對材料的力學(xué)性能也提出了更高的要求。這是由于材料在從常溫到達(dá)高溫，時(shí)間短暫，會對材料造成很強(qiáng)的熱沖擊，產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，有效模擬這種熱沖擊并表征材料在高溫條件下的力學(xué)性能，成了防熱材料應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

高溫力學(xué)性能測試系統(tǒng)在真空（充氣）條件下采用快速通電加熱技術(shù)來模擬材料從常溫到高溫條件，并使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，以表征材料在高溫條件下的力學(xué)性能，滿足高超聲速飛行器及熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研究中對材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的需求。以往材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的獲得是通過在高溫、真空或充氣等環(huán)境下進(jìn)行高溫拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，并使用高溫引伸計(jì)（拉伸和壓縮）和耐高溫差動(dòng)變壓器（彎曲）獲得變形數(shù)據(jù)來完成的。但高溫引伸計(jì)和耐高溫差動(dòng)變壓器安裝較復(fù)雜，精度較差，測量的為試樣在標(biāo)距段內(nèi)的平均變形，不能反映材料整體真實(shí)變形情況，同時(shí)高溫引伸計(jì)和耐高溫差動(dòng)變壓器在測量過程中需要壓頭緊緊壓住試樣，以滿足跟材料一起變形的需要，這無疑對材料的變形產(chǎn)生了一定的影響，而且無法獲得材料的橫向變形系數(shù)（泊松比），這些因素的綜合作用使得現(xiàn)有技術(shù)對表征材料的力學(xué)性能帶來一定的困難。

光學(xué)非接觸式變形測量系統(tǒng)采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，之后再對比變形后的散斑與變形前的參考散斑，這相當(dāng)于在試樣表面貼上了若干個(gè)虛擬應(yīng)變片，從而實(shí)現(xiàn)變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測量，具有便攜，速度快，精度高，易操作等特點(diǎn)。但在高溫條件下，材料本身會發(fā)熱、發(fā)亮，產(chǎn)生紅光，對散斑觀測產(chǎn)生較大影響，甚至可能觀測不到散斑。更關(guān)鍵的是，散斑在高溫條件下會逐漸從試樣表面脫落，導(dǎo)致無法獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。???

發(fā)明內(nèi)容

針對防熱材料高溫、真空（充氣）條件下的力學(xué)性能的測試與表征，本發(fā)明提出了一種用于精確測定參數(shù)的方法，即：使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，包括如下步驟：

一、將高溫下附著力強(qiáng)、常溫下容易分散的白色粉末，如鋁基陶瓷粉末，與水的質(zhì)量比在2.5~4.5：1范圍內(nèi)均可，兩者混合并充分?jǐn)嚢枰孕纬蓱覞嵋海缓笫褂妹⒕鶆驀姙R到試樣標(biāo)距段內(nèi)的表面上，同時(shí)保證表面上白色粉末斑點(diǎn)清晰可見、分布大致均勻，以形成形狀、大小等特征各不相同的散斑；

二、將帶有散斑的試樣在80~120℃的恒溫箱內(nèi)下烘烤18~36小時(shí)，使粉末內(nèi)的水分揮發(fā)，同時(shí)恒溫烘烤處理后散斑與試樣附著力將會變得更強(qiáng)，在試驗(yàn)中散斑不易脫落；

三、在高溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的真空爐外部觀察窗附近架設(shè)兩個(gè)DIC數(shù)字光學(xué)攝像機(jī)，攝像機(jī)與用于數(shù)字圖像采集并處理的計(jì)算機(jī)連接，并使用藍(lán)光光源對真空爐內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)光，在DIC數(shù)字光學(xué)攝像機(jī)鏡頭前加藍(lán)光濾光片，試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，使用一個(gè)隨機(jī)分布有黑色斑點(diǎn)的3cm×3cm白板對DIC數(shù)字光學(xué)攝像機(jī)的數(shù)字光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和初始化，調(diào)節(jié)鏡頭的光圈和曝光，使攝像機(jī)捕捉到的白板上的黑點(diǎn)圖像在DIC數(shù)字光學(xué)攝像機(jī)最高的曝光頻率下仍然能夠清晰辨別出來；

四、在高溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上對防熱材料進(jìn)行1000℃以上、2000℃以下的范圍內(nèi)某一溫度下的高溫拉伸、壓縮或三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中使用攝像機(jī)對試樣表面的散斑實(shí)時(shí)拍照采集，直至試樣破壞結(jié)束；

五、DIC將獲得材料標(biāo)距段內(nèi)的全場坐標(biāo)、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)獲得的載荷、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，處理后得到防熱材料在拉伸、壓縮或三點(diǎn)彎曲條件下的高溫力學(xué)性能參數(shù)。

本發(fā)明基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲得材料在試驗(yàn)過程中的變形情況，結(jié)合高溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)提供的載荷、溫度數(shù)據(jù)，確定材料在真空（充氣）、某特定溫度下的力學(xué)性能參數(shù)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用藍(lán)光進(jìn)行補(bǔ)光，在DIC光學(xué)測量鏡頭前加藍(lán)光濾光片，并采用對噴濺到試樣上的散斑進(jìn)行烘烤，來滿足高溫下DIC的正確使用。