CN102944464A - 一种可视超低温力学试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视超低温力学试验装置，该装置包括密闭的真空腔体、夹持臂连杆、动密封法兰等部件，密闭的真空腔体上有五个法兰接口，分别与力学试验机夹持臂、制冷剂容器密封拆分驱动杆、制冷剂导入管路和观测窗口密闭连接；真空腔的底部中间位置安装有制冷剂容器滑动导轨，可拆分的杯状制冷剂容器的两个半圆筒部分通过制冷剂容器密封拆分驱动杆的外力驱动在制冷剂容器滑动导轨上移动。本发明的有益效果是通过改变制冷液的种类，实现对较大的试样进行超低温环境下试样的力学性能试验测试。观察窗口的真空法兰与腔体进行密封，通过与抽真空技术相结合，可以实现腔内试验过程的可视化。

Description

一种可视超低温力学试验装置

技术领域

本发明涉及一种可视型的超低温力学试验装置，本发明还可以用于观测超低温环境下材料的形变、分层及裂纹扩展等行为。

背景技术

随着复合材料的发展，传统的液态燃料金属贮箱逐渐由轻质高强的树脂基复合材料贮箱所代替，由于燃料贮箱主要储存超低温液态燃料，如液氮LN₂（-196℃）、液氧LO₂（-183℃）、液氦LHe（-269℃）、液氢LH₂（-253℃）等，在这样的超低温环境下，树脂基复合材料的各种性能（力学性能、疲劳性能、损伤性能等）与常温环境下有本质的区别，随着温度的降低，材料性能的变化规律也会产生差异，因此，承装液态燃料的贮箱发展主要依赖于对树脂基复合材料超低温性能的研究。

树脂基复合材料的低温力学性能已经受到国内外学者高度的重视，相关研究也较多，但大多集中于在自然低温环境（不低于-50℃）下进行研究，最低也不低于-150℃，而对超低温材料性能的研究较少，主要是因为超低温的试验环境较难获得。因此，用于材料超低温性能研究的试验环境的建立非常重要。

目前，常用的低温环境多采用压缩机制冷和液氮制冷的方法产生。针对压缩机制冷，由于受到压缩机的功率、尺寸及经济成本等因素的限制，一般的低温试验机很难达到超低的温度，即使花费了很大成本达到这样的温度也只能测试极小的样品，而用于力学性能测试的材料样品尺寸一般相对较大，因此很难通过压缩机制冷进行材料超低温性能测试；针对液氮制冷，常通过将材料试样浸泡在液氮中进行测试，但这一方法可能导致以下问题：一是由于液氮蒸汽影响而难以观测材料测试的变化过程，如形变、分层、损伤扩展等，二是浸泡测试的过程复杂而且具有危险性。

针对上述技术的缺陷及局限性，本发明提供一种能方便获得可视超低温环境、并可适用于较大尺寸试样的超低温材料性能测试与观测的试验装置。

发明内容

本发明针对超低温环境下的材料力学性能测试及材料在外力作用下的形变、分层及裂纹扩展等行为的观测，提出了一种将真空隔热技术与传统液氮制冷技术相结合的测试及观察方法，并基于此方法设计了超低温材料性能测试与观测的试验装置。本发明可以用于超低温环境下材料力学性能的评价、超低温环境下材料损伤过程的研究、以及超低温环境下材料工艺的优化控制等。

本发明的技术方案如下：

首先制作一个可用真空法兰密封的腔体，在该腔体内固定放置一个可闭合拆分的不锈钢容器，在腔体打开的情况下，将需要测试的材料试样和力学试验机的夹持臂一起放置在该不锈钢容器内，随后将该不锈钢容器闭合，并将腔体用装有观察窗口的真空法兰密封，然后再通过流体导入管路将制冷剂注入到密闭腔体内的可拆分不锈钢容器内，直至淹没整个试样并使之降温到所需温度（或根据所需的温度，采用相应的制冷液以获得所需的低温环境）。待试样温度稳定后，采用真空泵将该密闭腔体内的空气抽空，并将制冷剂气化产生的蒸气不断抽出，使腔内的气压降低，此时再利用传动装置将腔体内的闭合制冷剂容器打开，使制冷剂流出，并将试样暴露在腔体内，此时可以通过真空法兰的观察窗口观察到试样。试样夹持臂的传动杆经动密封结构安装在力学试验机上，可以实现拉伸、压缩、剪切、弯曲等多种测试，通过观察窗口还可以观测到材料在超低温环境下受力作用所产生的变形、分层、损伤等行为。在试验过程中，真空泵保持持续抽真空，以将腔体内的制冷剂蒸气及残留的空气抽出，使密闭腔体内的真空度维持在较高水平，以减小试样与外界的热交换，从而保证试样能够较长时间地处在超低温试验环境中。

本发明所涉及的低温力学试验装置包括密闭的真空腔体、夹持臂连杆、动密封法兰、可拆分的杯状制冷剂容器、制冷剂容器密封拆分驱动杆、制冷剂容器滑动导轨、制冷剂导入管路、观测窗口、真空泵及真空抽气管路，密闭的真空腔体上有五个法兰接口，分别是前法兰、后法兰、左侧法兰、右侧法兰和上方法兰；其中上方法兰接口接一个带有中心孔的法兰，中心孔与力学试验机夹持臂的圆柱形光滑连杆采用动密封方式连接，使力学试验机的夹持臂可以在真空腔体内上下移动，以实现对试样施加拉伸、压缩、剪切、弯曲等载荷。杯状制冷剂容器由两个半圆筒形部分组成，每部分底部都有一个三角型的滑动槽，真空腔的底部中间位置安装有固定滑轨，杯状制冷剂容器的两个组成部分都可以在驱动杆的外力驱动作用下一维移动，实现容器的闭合与张开功能。驱动杆由一个直线导入器实现，该直线导入器安装在真空腔的侧面法兰上，并与法兰采用动密封方式，直线导入器的连杆与杯状制冷剂容器的一个部分的外壁相连，通过支线导入器的旋入及旋出，带动制冷剂容器的一个部分在导轨上前后移动，实现制冷剂容器的闭合与张开。

真空腔的正面，与直线导入器安装方向的垂直方向安装一个透明的观察窗口，并将CCD相机安装在该观察窗口的外侧，当制冷剂容器打开的情况下，可以通过观察窗观察并记录试样在力学试验机的拉伸、压缩、弯曲、剪切等载荷作用下的形变、分层及损伤过程；真空腔的背面及侧面都采用法兰密封，可以为安装或取出试样提供足够的操作空间。

本发明的有益效果是：

1. 通过改变制冷液的种类，使试样处于不同的超低温环境下，如采用液氮LN₂、液氧LO₂、液氦LH_e、液氢LH₂等做制冷剂，可以实现在不同的超低温环境下的试验。

2. 可以实现对较大的试样进行冷却到超低温，通过与力学试验及相结合，能够完成超低温环境下试样的力学性能试验，包括拉伸、压缩、剪切、弯曲等多种测试。

3. 将真空隔热技术与传统液氮制冷技术相结合，通过持续不断地抽真空，能够将超低温度保持一定的时间，以确保各种测试试验的实施温度。

4. 将装有观察窗口的真空法兰与腔体进行密封，通过与抽真空技术相结合，可以实现腔内试验过程的可视化，能够观测试样在各种测试试验中的变形、分层、损伤等行为。

附图说明

附图为本发明涉及的低温力学试验装置结构示意图。

图中：1.密闭的真空腔体；2.夹持臂连杆；3.动密封法兰；4.观测窗口；

5. 制冷剂导入管路；6.制冷剂导入管固定法兰；7.直线导入器；

8.直线导入器固定法兰9. 可拆分的杯状制冷剂容器

10. 制冷剂容器滑动导轨11.真空抽气管路；

12. 制冷剂容器密封拆分驱动杆；13.热电偶。

具体实施方式

将本发明装置与力学试验机底座结合到一起，打开可开合式杯形制冷剂容器，并将力学测试试验机的下机械臂固定在其中，将试验机上机械臂通过动密封法兰固定在本装置内部上侧，将前后可视法兰盘打开，以便拆装相应的夹具和式样，并将真空泵通过抽气管路连接到本装置上。

实施例1：复合材料超低温拉伸性能测试试验

通过打开的前后可视法兰盘，将拉伸试验夹具安装到力学试验机的上下机械臂上，把待测试样夹紧在夹具上，关闭并旋紧前后可视法兰盘，将CCD相机固定在前可视法兰盘外侧。通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器闭合，通过制冷剂导入管路将制冷剂导入其中，直至将拉伸试样完全浸泡在制冷剂中，利用真空泵通过抽气管路将本装置腔内的制冷剂蒸气及空气抽出，直至抽成真空状态，以减少腔内与腔外的热交换，并使腔内没有妨碍观测的制冷剂蒸气。与此同时，为了使试样温度降到所需温度，要不停向可开合式杯形制冷剂容器内通入制冷剂，通过热电偶测试获得试验温度的变化情况，当温度稳定在所需要的测试温度时，停止通入制冷剂，并通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器打开，使剩余制冷剂流出容器，并由真空泵将气化的制冷剂抽出腔体。启动力学试验机进行拉伸试验，通过数据采集系统记录并分析试验数据，同时由CCD相机对试验过程进行观测记录。试样破坏后停止力学试验机和真空泵，打开真空阀，使本装置腔内恢复气压，将前后任一带观察窗的法兰盘打开，将试样取出，清理试验设备，完成本次超低温拉伸试验。

实施例2：复合材料超低温弯曲性能测试试验

通过打开的前后可视法兰盘，将弯曲试验夹具安装到力学试验机的上下机械臂上，把待测试样夹紧在夹具上，关闭并旋紧前后可视法兰盘，将CCD相机固定在前可视法兰盘外侧。通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器闭合，通过制冷剂导入管路将制冷剂导入其中，直至将弯曲试样完全浸泡在制冷剂中，利用真空泵通过抽气管路将本装置腔内的制冷剂蒸气及空气抽出，直至抽成真空状态，以减少腔内与腔外的热交换，并使腔内没有妨碍观测的制冷剂蒸气。与此同时，为了使试样温度降到所需温度，要不停向可开合式杯形制冷剂容器内通入制冷剂，通过热电偶测试获得试验温度的变化情况，当温度稳定在所需要的测试温度时，停止通入制冷剂，并通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器打开，使剩余制冷剂流出容器，并由真空泵将气化的制冷剂抽出腔体。启动力学试验机进行弯曲试验，通过数据采集系统记录并分析试验数据，同时由CCD相机对试验过程进行观测记录。试样破坏后停止力学试验机和真空泵，打开真空阀，使本装置腔内恢复气压，将前后任一带观察窗的法兰盘打开，将试样取出，清理试验设备，完成本次超低温弯曲试验。

实施例3：复合材料超低温压缩性能测试试验

通过打开的前后可视法兰盘，将压缩试验夹具安装到力学试验机的上下机械臂上，把待测试样夹紧在夹具上，关闭并旋紧前后可视法兰盘，将CCD相机固定在前可视法兰盘外侧。通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器闭合，通过制冷剂导入管路将制冷剂导入其中，直至将压缩试样完全浸泡在制冷剂中，利用真空泵通过抽气管路将本装置腔内的制冷剂蒸气及空气抽出，直至抽成真空状态，以减少腔内与腔外的热交换，并使腔内没有妨碍观测的制冷剂蒸气。与此同时，为了使试样温度降到所需温度，要不停向可开合式杯形制冷剂容器内通入制冷剂，通过热电偶测试获得试验温度的变化情况，当温度稳定在所需要的测试温度时，停止通入制冷剂，并通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器打开，使剩余制冷剂流出容器，并由真空泵将气化的制冷剂抽出腔体。启动力学试验机进行压缩试验，通过数据采集系统记录并分析试验数据，同时由CCD相机对试验过程进行观测记录。试样破坏后停止力学试验机和真空泵，打开真空阀，使本装置腔内恢复气压，将前后任一带观察窗的法兰盘打开，将试样取出，清理试验设备，完成本次超低温压缩性能试验。

实施例4：复合材料超低温剪切性能测试试验

通过打开的前后可视法兰盘，将剪切试验夹具安装到力学试验机的上下机械臂上，把待测试样夹紧在夹具上，关闭并旋紧前后可视法兰盘，将CCD相机固定在前可视法兰盘外侧。通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器闭合，通过制冷剂导入管路将制冷剂导入其中，直至将剪切试样完全浸泡在制冷剂中，利用真空泵通过抽气管路将本装置腔内的制冷剂蒸气及空气抽出，直至抽成真空状态，以减少腔内与腔外的热交换，并使腔内没有妨碍观测的制冷剂蒸气。与此同时，为了使试样温度降到所需温度，要不停向可开合式杯形制冷剂容器内通入制冷剂，通过热电偶测试获得试验温度的变化情况，当温度稳定在所需要的测试温度时，停止通入制冷剂，并通过连接在本装置侧面的机械臂将可开合式杯形制冷剂容器打开，使剩余制冷剂流出容器，并由真空泵将气化的制冷剂抽出腔体。启动力学试验机进行剪切试验，通过数据采集系统记录并分析试验数据，同时由CCD相机对试验过程进行观测记录。试样破坏后停止力学试验机和真空泵，打开真空阀，使本装置腔内恢复气压，将前后任一带观察窗的法兰盘打开，将试样取出，清理试验设备，完成本次超低温剪切试验。

实施例5：复合材料超低温拉-拉疲劳性能测试试验

与拉伸试验不同的是，将施加的载荷设定为疲劳载荷，在试验过程中，按热电偶显示温度，多次闭合可开合式杯形制冷剂容器，同时注入制冷剂以确保试验温度，并保证对试验过程的观测。

Claims (4)

1.一种可视超低温力学试验装置，包括密闭的真空腔体(1)、夹持臂连杆(2)、动密封法兰(3)、可拆分的杯状制冷剂容器(9)、制冷剂容器密封拆分驱动杆(12)、制冷剂容器滑动导轨(10)、制冷剂导入管路(5)、观测窗口(4)、真空泵及真空抽气管路(11)，其特征在于：密闭的真空腔体(1)上有五个法兰接口，分别是前法兰、后法兰、左侧法兰、右侧法兰和上方法兰；其中，上方法兰接口连接一个带有中心孔的动密封法兰(3)，力学试验机夹持臂通过该中心孔与夹持臂连杆采用动密封方式连接；右侧法兰接口连接的动密封法兰上配有制冷剂容器密封拆分驱动杆(12)，左侧法兰接口连接的密封法兰上配有制冷剂导入管路(5)，前法兰和后法兰的接口与观测窗口(4)密闭连接；可拆分的杯状制冷剂容器(9)由两个半圆筒部分组成，每个半圆筒部分底部都有一个三角型的滑动槽，真空腔的底部中间位置安装有制冷剂容器滑动导轨(10)，可拆分的杯状制冷剂容器(9)的两个半圆筒部分通过制冷剂容器密封拆分驱动杆(12)的外力驱动在制冷剂容器滑动导轨(10)上移动；真空抽气管路(11)两端分别与密闭的真空腔体(1)和真空泵相连。

2.根据权利要求1所述的可视超低温力学试验装置，其特征还在于：真空腔体前后壁上的观测窗口由抽真空的两层蓝宝石玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的可视超低温力学试验装置，其特征还在于：密闭的真空腔体(1)内设有测定实际试验温度的热电偶(13)。

4.根据权利要求1所述的可视超低温力学试验装置，其特征还在于：制冷剂容器密封拆分驱动杆(12)由一个直线导入器实现。

Images