[發明專利]一種超高溫材料連續熱沖擊試驗裝置

在審

• 申請號: 201810061814.4
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108254278A
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 李衛國;麻建坐;寇海波;邵家興;張先賀;陶勇;鄧勇;李瑩;張續耀;張欣;徐念東;董攀;方岱寧
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N3/02
• 代理公司: 重慶大學專利中心 50201
• 代理人: 唐開平

本發明公開了一種超高溫材料連續熱沖擊試驗裝置，屬于超高溫材料的試驗設備，它包括三個從上至下重疊的第一環境模塊（2）、第二環境模塊（6）和第三環境模塊（10），第一環境模塊（2）的頂面上裝有導線輪（14）和定滑輪（17），第一環境模塊（2）的底面上裝有放線盤（22），導向絲（17）由放線盤（22）伸出，繞過導線輪（14）和定滑輪（17），導向絲（17）穿過第一加熱爐（3）的引出端掛接有拉線質量塊（21），在第一加熱爐（3）內的一段導向絲（17）上通過試件固定套環（18）懸掛一列試件（19）。本發明的優點是：避免了試件的機械沖擊和單件測試的分散性，在常溫至3000℃的試驗溫度范圍內，提高了測試的準確性和可靠性。

技術領域

本發明屬于超高溫材料的試驗設備，具體涉及一種超高溫材料連續熱沖擊試驗裝置，特別是在復現高超聲速飛行器的氣動加熱環境時，能夠模擬大跨度初始溫度下的連續升/降溫熱沖擊過程，為研制新型高速高機動載人航天、深空探測飛行器、彈箭等戰略裝備提供必要的材料抗熱沖擊性能實驗手段。

背景技術

對用于載人航天、深空探測飛行器、彈箭等高超聲速飛行器熱防護系統及發動機熱端部件的超高溫材料，在其使役歷程中常常面臨著復雜多樣的熱環境。以高超聲速飛行器的熱防護超高溫陶瓷材料體系為例，在其整個使役歷程中所面臨的空域不同、氧氛圍不同、不同階段的速度不同，溫度變化幅度大，不同部位熱環境差異大，致使其在使役歷程中經受多樣性復雜的熱沖擊環境。大量研究發現：對于跨大氣層高超聲速飛行環境，熱沖擊損傷和本征脆性是熱防護超高溫陶瓷材料的主要失效原因。高超聲速飛行器要實現跨大氣層以及在大氣層內長時間、超高速機動飛行，其熱防護材料常經受復雜多樣的嚴酷熱沖擊歷程，主要特點為：大跨度初始溫度升/降溫熱沖擊，多環境連續升/降溫熱沖擊，不同稀薄程度、不同氧分壓和不同溫度氣體介質熱沖擊等。

高超聲速飛行器為了獲得高機動性和良好的氣動特性一般采用尖銳形鼻錐與翼前緣結構，并要求在超高溫和中低熱流長時間加熱下飛行器外形保持不變，其鼻錐與翼前緣服役溫度達到2300℃以上，飛行器的大面積迎風面溫度達到1200℃以上，且在使役歷程中往往遭受復雜多樣的高溫及氧化環境，溫度變化幅度大，常常伴隨急劇的升、降溫熱沖擊過程，尤其對高超聲速飛行器的熱防護材料及結構的抗熱沖擊性能提出了嚴峻的挑戰。鑒于超高溫熱防護材料在高超聲速飛行器鼻錐、翼前緣、發動機熱端部件等方面應用的迫切需求，而目前對這類材料在復雜使役環境下的抗熱沖擊性能缺乏全面的認識和合理的實驗表征手段，嚴重影響了此類材料的研制與應用進程。

對于作為熱防護材料的超高溫材料，在其使役歷程中遭受極其復雜的熱環境，其熱沖擊過程往往是一個不同熱沖擊初始溫度下的連續熱沖擊過程，熱沖擊初始環境溫度及熱沖擊溫度的變化幅度很大。大量研究表明：超高溫材料的熱物理性能參數對溫度的敏感性及材料微結構的演化都會顯著地影響材料在不同使役溫度下的力學行為，致使其在不同熱沖擊環境下表現出不同的熱沖擊行為及失效機理。因此在表征超高溫材料抗熱沖擊性能時必須具有熱沖擊的考察指標。而目前的試驗正是缺乏測試該類材料熱沖擊指標的技術手段，致使已有實驗儀器設備及方法不能實現對空天飛行器熱防護材料在服役過程中熱沖擊行為的認識及合理表征，制約了材料在高溫領域的應用，急需研制能更好地實現對材料熱沖擊實驗研究及表征的實驗裝置。

中國專利文獻CN 104483224 A于2015年1月14日公開了“一種用于陶瓷材料升溫熱沖擊的試驗箱”，它主要包括密封爐、加熱爐、氣缸、試件夾持機構、導向絲、緩沖墊、隔熱碳毯片等。該發明使陶瓷材料在抗熱沖擊性能測試中，試件的表面加熱均勻，熱沖擊的目標溫度可控性強。然而，使用該裝置進行熱沖擊實驗時存在以下問題：

1、采用自由落體的方式使試件進入加熱爐內直接掉到緩沖墊上，對試件存在機械沖擊；

2、采用彈簧夾夾持試件，一次實驗只能夾持一個試件，由于材料本征脆性使得熱沖擊試驗結果分散性大，而一次實驗只能做一個試件，在進行下一個試件的實驗時需要重新加載試驗環境，不能保證試驗環境的一致性從而消除試驗環境差異帶來的影響，使得表征結果精度較低、可靠性差。