[發明專利]用高能X射線進行原位成像的電控壓縮試驗機及試驗方法

在審

• 申請號: 202010320992.1
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111398320A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 吳圣川;謝成;吳正凱;胡雅楠;康國政;張海鷗;王桂蘭;趙晉津;張博;李瑋潔;葛敬冉;楊紹普;梁軍;黃海明
• 申請（專利權）人: 西南交通大學;華中科技大學;石家莊鐵道大學;北京交通大學;北京理工大學
• 主分類號: G01N23/046
• 分類號: G01N23/046;G01N3/08;G01N3/06;G01N3/04;G01N15/08
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 舒啟龍

本發明公開了一種用高能X射線進行原位成像的電控壓縮試驗機及試驗方法，采用高精度伺服電機作動，利用二級蝸輪蝸桿減速器將電機的旋轉運動轉化為下夾具的上下直線運動，試樣通過上、下夾具固定，通過下夾具的位移控制對試樣施加壓縮應力，采用微型動態力傳感器及激光振動計實時采集試驗過程中試樣所受載荷及位移，通過控制單元實現試驗機的閉環控制。本發明的試驗機是一種具有高精度、較大載荷、體積小、質量輕、能夠實現單調壓縮等特性的原位壓縮材料試驗裝置，可以實現與同步輻射光源試驗平臺的良好兼容，滿足樣品平臺對重量、尺寸的要求，能夠對各單調加載應力水平下材料的內部結構、典型缺陷進行實時監測。

技術領域

本發明屬于原位成像控制試驗設備領域，具體涉及一種用高能X射線進行原位成像的電控壓縮試驗機及試驗方法。

背景技術

高能X射線計算機斷層掃描技術具備亞微米空間和微秒時間分辨率及百keV級的卓越探測能力，較常規工業X光機的試驗水平高出幾個數量級，使得在微米和亞微米分辨率下觀測材料內部孔隙結構演變成為可能，給金屬材料、復合材料等細觀力學性能研究帶來前所未有的機遇。目前，國內在利用高能X射線計算機斷層掃描技術對金屬材料及復合材料內部孔隙結構破壞過程的研究比較少，急需開展基于高能X射線源的金屬材料、復合材料、多孔材料等原位力學性能試驗，揭示內部孔隙演化規律及破壞機理。

作為冷卻劑通過的載體，陶瓷、碳纖維等復合材料的孔隙率往往都比較低，這樣才能保證冷卻劑在一定的壓力下實現定量滲出。在發汗冷卻的實際應用中，復合材料的內部孔隙結構完整性對熱防護效率有著決定性的影響。而在冷卻劑的壓力下，材料內部孔隙結構有可能會受到破壞，進而堵塞開孔通道，冷卻劑不能及時、均勻、高效地滲出材料表面。由于陶瓷、碳纖維等復合材料失效時大多由內部孔隙結構的破壞引起，并且直接決定著冷卻劑的滲流情況，因此有必要研究其在外加滲流劑情況下，內部結構的液體滲透性能及其破壞過程。而內部結構破壞過程很難通過簡便的試驗確定，需要通過原位力學性能實驗對材料內部孔隙結構的演變過程進行深入研究，揭示其破壞規律，為材料的工程應用與評價提供理論基礎。

國內外學者在材料內部結構及典型缺陷的數理模型、材料缺陷在外部載荷作用下的演化機制、含缺陷材料性能數值預報模型方面的研究還比較有限。在基于高能X射線三維成像數字重構、有限元高效建模、材料性能及壽命預測一體化的工作方面，還處于起步階段。為了實現精確、高效預測材料在不同服役條件下性能預測，急需建立材料內部孔隙結構破壞模型，建立基于復雜環境下原位同步輻射三維成像力學加載系統，并開展基于高能X射線三維成像圖像大數據重構的孔隙結構演化規律的材料性能研究。

微型的原位單調壓縮材料試驗機與先進X射線成像相結合使得科學家能夠深入到材料內部，高精度、高亮度、高準直、高效率、非破壞性和原位實時地探測到材料在單調壓縮載荷下損傷和斷裂過程及其內部力學性能；同時本發明能夠在外接滲流裝置的條件下，探索材料在壓縮載荷下內部孔隙結構的液體滲透性能及其結構的破壞過程，這對于材料的工程應用與力學性能評價具有無可替代的科學意義。目前市場上及其他專利中所述試驗機結構都無法配合高能X射線進行精確的單調加載試驗。其一，標準單調加載試驗機的尺寸及質量都超過了同步輻射光源設備的承載范圍，無法實現單調加載試驗的原位觀測；其二，目前基于先進光源的原位試驗機無法通過數據采集與控制單元實現單調加載試驗的閉環控制；其三，目前基于先進光源的原位試驗機僅能夠進行單調拉伸試驗，不具有單調壓縮性能；其四，目前基于先進光源的原位試驗機無法準確測量單調加載試驗過程中試樣的位移；其五，目前基于先進光源的原位試驗機單調載荷較小，無法實現較高載荷下的單調加載試驗；其六，目前基于先進光源的原位試驗機無法在進行單調加載試驗的過程中同步進行材料的液體滲透試驗。

發明內容

考慮到以上的問題，本發明提供了一種用高能X射線進行原位成像的電控壓縮試驗機及試驗方法。

本發明的一種用高能X射線進行原位成像的電控壓縮試驗機結構為：