CN102607952B

CN102607952B - 一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法

Info

Publication number: CN102607952B
Application number: CN 201210064215
Authority: CN
Inventors: 李云凯; 万明明; 李树奎; 孙川; 姜全振; 刘晓东; 王云飞
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: CN102607952A

Abstract

本发明公开了一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法，属于材料力学性能测试领域。所述装置包括底座、第一支撑板、第二支撑板、挡板B、加载组件一、加载组件二，外围设备为测力计；在底座中心对称固定有第一支撑板和第二支撑板，在第一支撑板左侧设有加载组件一，第二支撑板右侧设有加载组件二，其中加载组件一包括把手A、中空螺栓A、固定板A、弹簧A、金属杆A、挡板A；加载组件二包括把手A’、中空螺栓A’、固定板A’、弹簧A’、金属杆A’、挡板A’；本发明所述实验装置及方法通过对陶瓷材料两侧施加预应力，研究约束力对陶瓷抗弯强度的影响，为提高陶瓷材料的使用性能提供了一种研究思路。

Description

一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法，属于材料力学性能测试领域。

背景技术

陶瓷材料的致命弱点是脆性、低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的广泛应用，材料的脆性主要表现为断裂韧性低。目前，陶瓷材料的增韧主要是从材料本身的角度出发，通过改变成分、组织、结构等提高韧性，比如纤维/晶须增韧、相变增韧、纳米增韧等，这些增韧措施虽然取得了一定的成就，但效果仍不显著。另外，先进陶瓷材料因具有高抗压强度、高硬度、低密度等突出特性而越来越广泛地应用于抗弹防护领域，但纯陶瓷靶板在弹体的冲击作用下会发生破碎和飞溅，这将大幅度降低靶板的抗弹性能。现有的陶瓷力学性能（抗弯强度、断裂韧性）测试主要在万能材料试验机上进行。以抗弯强度测试为例，如图1所示，常规的三点弯曲试验是将标准试样放在有一定跨距的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向试样施加向下的载荷，试样的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，试样将于中点处发生断裂，记录试样断裂时的最大载荷，根据公式即可计算出抗弯强度。对于在预应力约束条件下，陶瓷材料的力学性能将发生什么样的变化，有关的研究较少，相应的对陶瓷材料施加预应力的实验装置还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法，所述装置及方法能够在约束条件下测试陶瓷的力学性能。

一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置，所述装置包括底座、第一支撑板、第二支撑板、挡板B、加载组件一、加载组件二，外围设备为测力计；

其中加载组件一包括把手A、中空螺栓A、固定板A、弹簧A、金属杆A、挡板A；加载组件二包括把手A’、中空螺栓A’、固定板A’、弹簧A’、金属杆A’、挡板A’；

其中底座为长方体结构，在底座上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；

在底座中心位置两侧对称固定有第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板高度相等；在第一支撑板左侧设有加载组件一，其中：

固定板A固定在底座最左端，中空螺栓A水平穿过固定板A，中空螺栓A和固定板A之间通过螺纹配合，把手A固定在中空螺栓A外侧；

挡板A位于第一支撑板左侧，金属杆A一端与挡板A抵触连接，另一端套装在中空螺栓A内部；

弹簧A套装在金属杆A上，弹簧A位于中空螺栓A和挡板A之间；

第二支撑板右侧设有加载组件二，以底座中心为对称点，加载组件一与加载组件二对称位于底座的左右两侧；

在第一支撑板和挡板A之间设有挡板B，其中挡板A、挡板A’、挡板B的下部为燕尾形，与底座上表面的燕尾槽配合；挡板A、挡板A’、挡板B可沿底座中轴线滑动；

测力计包括压力传感器、信号传输线和力显示器，通过信号传输线将压力传感器和力显示器连接；测试时将压力传感器置于挡板A和挡板B之间，通过挡板A’和挡板B对陶瓷试样施加作用力，压力传感器接受到作用力后产生信号，将信号传给力显示器并显示力的大小；

一种对陶瓷材料施加预应力的实验方法，所述方法具体操作步骤如下：

步骤一、将所述对陶瓷材料施加预应力的实验装置的底座固定于万能材料试验机的底座上，将压力传感器置于挡板A和挡板B之间；

步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板和第二支撑板上方，通过旋转把手A、把手A’，分别带动中空螺栓A、A’对弹簧A、A’进行压缩，使挡板A’和挡板B对陶瓷试样的两端面施加约束力，同时挡板A和挡板B挤压压力传感器，通过力显示器读出约束力的大小；

步骤三、开启万能材料试验机，使万能材料试验机的压头以设定速度向下运动，对陶瓷试样施加压力，至陶瓷试样断裂为止；

其中，在步骤三中，保证陶瓷试样的中心和万能材料试验机的压头中轴线在同一直线上。

在步骤三中，优选所述万能材料试验机压头的设定速度为0.5mm/min。

通过对陶瓷试样两端施加大小不同的约束力，测试其抗弯强度，从而研究约束力对陶瓷抗弯强度的影响。

有益效果

1.本发明所述实验装置，利用刚性材料对陶瓷材料施加压应力，压应力的施加方式多样且大小可变；通过施加的压应力可以抵消或减轻裂纹尖端的张应力，从而阻止陶瓷材料内部裂纹扩展，起到改善陶瓷脆性的作用。

2.本发明所述实验方法，通过实验装置对陶瓷材料施加预应力，从而大幅度改善陶瓷材料的脆性，获得较高的断裂韧性，从而扩大陶瓷的应用范围。这种方法提供了一种研究思路，可以从陶瓷材料外部出发，通过对其施加压应力，提高陶瓷材料的使用性能。

附图说明

图1为常规三点弯曲试验示意图；

图2为本发明所述的对陶瓷材料施加预应力的实验装置的正视图；

图3为本发明所述的对陶瓷材料施加预应力的实验装置的俯视图；

图4为本发明所述的对陶瓷材料施加预应力的实验装置的侧视图；

其中，1-底座、2-把手A、3-中空螺栓A、4-固定板A、5-弹簧A、6-金属杆A、7-挡板A、8-挡板B、9-第一支撑板、10-第二支撑板、11-挡板A’、12-弹簧A’、13-金属杆A’、14-固定板A’、15-中空螺栓A’、16-把手A’。

具体实施方式

下面通过具体实施例来详细描述本发明：

实施例

如图2～4所示的对陶瓷材料施加预应力的实验装置，所述装置包括底座1、第一支撑板9、第二支撑板10、挡板B8、加载组件一、加载组件二，以及外围设备测力计；

其中加载组件一包括把手A2、中空螺栓A3、固定板A4、弹簧A5、金属杆A6、挡板A7；加载组件二包括把手A’16、中空螺栓A’15、固定板A’14、弹簧A’12、金属杆A’13、挡板A’11；

其中底座1为长方体结构，在底座1上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；

在底座1中心位置两侧对称固定有第一支撑板9和第二支撑板10，第一支撑板9和第二支撑板10高度相等；在第一支撑板9左侧设有加载组件一，其中：

固定板A4固定在底座1最左端，中空螺栓A3水平穿过固定板A4，中空螺栓A3和固定板A4之间通过螺纹配合，把手A2固定在中空螺栓A3外侧；

挡板A7位于第一支撑板9左侧，在挡板A7左侧端面上开有圆形凹槽，凹槽中设有内螺纹；金属杆A6一端通过外螺纹固定在挡板A7中心的圆形凹槽上，与挡板A7抵触连接，金属杆A6的另一端套装在中空螺栓A3内部；

弹簧A5套装在金属杆A6上，弹簧A5位于中空螺栓A3和挡板A7之间；

第二支撑板10右侧设有加载组件二，以底座1中心为对称点，加载组件一与加载组件二对称位于底座1的左右两侧；

在第一支撑板9和挡板A7之间设有挡板B8，其中挡板A7、挡板A’11、挡板B8的下部为燕尾形，与底座上表面的燕尾槽配合；挡板A7、挡板A’11、挡板B8可沿底座中轴线滑动；

测力计包括压力传感器、信号传输线和力显示器，通过信号传输线将压力传感器和力显示器连接；测试时将压力传感器置于挡板A7和挡板B8之间，通过挡板A’11和挡板B8对陶瓷试样施加作用力，压力传感器接受到作用力后产生信号，将信号传给力显示器并显示力的大小，测力计的量程为0～1000MPa；

其中第一支撑板9、第二支撑板10高度为37.5mm，固定板A4、固定板A’14、挡板A7、挡板A’11、挡板B8高度均为60mm；挡板A7、挡板A’11中心的圆形凹槽的直径为10mm；中空螺栓A3、中空螺栓A’15外径为12mm，内径为9mm；金属杆A6、金属杆A’13直径为10mm；弹簧A5、弹簧A’12内径为11mm；

一种对陶瓷材料施加预应力的实验方法，所述方法基于三点弯曲试验，具体操作步骤如下：

步骤一、将所述对陶瓷材料施加预应力的实验装置的底座1固定于万能材料试验机的底座上，将压力传感器置于挡板A7和挡板B8之间；

步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板9和第二支撑板10上方，通过旋转把手A2、把手A’16，分别带动中空螺栓A3、A’15对弹簧A5、A’12进行压缩，使挡板A’11和挡板B8对陶瓷试样的两端面施加约束力，保证陶瓷试样的中心和万能材料试验机的压头中轴线在同一直线上；同时挡板A7和挡板B8挤压压力传感器，通过力显示器读出约束力的大小；

步骤三、开启万能材料试验机，使万能材料试验机的压头以0.5mm/min的设定速度向下运动，对陶瓷试样施加压力，至陶瓷试样断裂为止；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置，其特征在于：所述装置包括底座（1）、第一支撑板（9）、第二支撑板（10）、挡板B（8）、加载组件一和加载组件二，外围设备为测力计；

其中加载组件一包括把手A（2）、中空螺栓A（3）、固定板A（4）、弹簧A（5）、金属杆A（6）、挡板A（7）；加载组件二包括把手A’（16）、中空螺栓A’（15）、固定板A’（14）、弹簧A’（12）、金属杆A’（13）、挡板A’（11）；

其中底座（1）为长方体结构，在底座（1）上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；

在底座（1）中心位置两侧对称固定有第一支撑板（9）和第二支撑板（10），第一支撑板（9）和第二支撑板（10）高度相等；在第一支撑板（9）左侧设有加载组件一，其中：

固定板A（4）固定在底座（1）最左端，中空螺栓A（3）水平穿过固定板A（4），中空螺栓A（3）和固定板A（4）之间通过螺纹配合，把手A（2）固定在中空螺栓A（3）外侧；

挡板A（7）位于第一支撑板（9）左侧，金属杆A（6）一端与挡板A（7）抵触连接，另一端套装在中空螺栓A（3）内部；

弹簧A（5）套装在金属杆A（6）上，弹簧A（5）位于中空螺栓A（3）和挡板A（7）之间；

第二支撑板（10）右侧设有加载组件二，以底座（1）中心为对称点，加载组件一与加载组件二对称位于底座（1）的左右两侧；

在第一支撑板（9）和挡板A（7）之间设有挡板B（8），其中挡板A（7）、挡板A’（11）、挡板B（8）的下部为燕尾形，与底座上表面的燕尾槽配合；

测力计包括压力传感器、信号传输线和力显示器，通过信号传输线将压力传感器和力显示器连接，压力传感器位于挡板A（7）和挡板B（8）之间。

2.一种对陶瓷材料施加预应力的实验方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求1所述的对陶瓷材料施加预应力的实验装置，具体操作步骤如下：

步骤一、将所述对陶瓷材料施加预应力的实验装置的底座固定于万能材料试验机的底座上，将压力传感器置于挡板A（7）和挡板B（8）之间；

步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板（9）和第二支撑板（10）上方，通过旋转把手A（2）、把手A’（16），分别带动中空螺栓A（3）、中空螺栓A’（15）对弹簧A（5）、弹簧A’（12）进行压缩，使挡板A’（11）和挡板B（8）对陶瓷试样的两端面施加约束力，同时挡板A（7）和挡板B（8）挤压压力传感器，通过力显示器读出约束力的大小；

3.根据权利要求2所述的一种对陶瓷材料施加预应力的实验方法，其特征在于：步骤三中所述万能材料试验机压头的设定速度为0.5mm/min。