CN103575599A - 小型超高温力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种小型超高温力学性能测试装置，包括电极组（1）、主固定支座（2）、副固定支座（3）、滑动支座（4）、加载滑动轴（5）、上底板（6）和下底板（7），加载滑动轴（5）依次连接主固定支座（2）、滑动支座（4）和副固定支座（3），主固定支座（2）和副固定支座（3）固定在底板两端，滑动支座（4）位于中间，可自由滑动，电极组（1）通过电极固定轴（11）固定在主固定支座（2）和滑动支座（4）上，通过预紧螺丝夹紧，驱动接头（10）固定在滑动支座（4）上，驱动滑动支座（4）实现加载。本发明将电加热引入超高温陶瓷材料的力学测试中，对试件直接通电加热达到超高温度，装置体型小巧，实施成本低廉，便于实验室应用。

Description

小型超高温力学性能测试装置

技术领域

本发明属于超高温陶瓷材料力学性能测试技术领域，特别涉及一种针对超高温陶瓷材料的单轴拉压力学性能测试装置。

背景技术

超高温陶瓷材料具有极高的熔点、高的热导率、抗腐蚀等优良的理化性质，应用于高速飞行器的燃料喷管，近空间飞行器和洲际导弹的热防护等系统中以保障它们在极端环境下服役的安全性，因而具有很高的研究价值。在实验研究方面，开展针对超高温度影响的测试方法与技术的研究对全面和完整地研究超高温陶瓷材料的超高温力学性能、寿命和可靠性，揭示其服役过程中材料成分、热力环境和约束条件等因素的影响具有重要的意义和价值。进而可为超高温陶瓷材料结构的优化设计，系统最佳约束方式的选取，可能的安全使用措施的制定，服役过程中可靠性的提高等方面提供依据及指导。

由于测试条件的限制，超高温条件下力学性能的测试十分困难，实验温度远未达到实际应用过程中材料所要求承受的极端温度。开展超高温度下材料力学性能的测试方法与技术的研究是深刻认识、表征和评价极端条件下材料特性，最大限度地发挥材料潜力和开发适合在极端条件下服役的新材料的必要手段。当前，材料超高温力学性能测试手段很难满足科学研究的需求，国内自主研发的材料高温或超高温力学性能测试装置的工作温度一般不超过2200℃，工作温度能达到2200℃以上的材料超高温力学性能测试系统几近空白。目前国内的高温或超高温力学性能测试系统多采用大型的高温炉加热，一般进行三点或四点弯曲试验，该方法主要有以下缺点：（1）加热温度达到2200℃以上十分困难；（2）实验周期长，能源消耗严重；（3）实验过程对炉体损害严重；（4）夹具耐高温性能要求高，制造困难，成本高，寿命低；（5）冷却系统要求高。

发明内容

本发明的目的就是为克服上述背景技术的缺点，而提供一种针对超高温陶瓷材料的单轴拉压力学性能测试装置。

本发明所涉及的小型超高温力学性能测试装置，包括电极组、主固定支座、副固定支座、滑动支座、加载滑动轴、上底板和下底板，其中，电极组集成了导电、夹持和冷却的作用，电极组包括四块完全相同的电极，四块电极分为两对，分别通过过渡垫片与片状超高温陶瓷试件的两个夹持端紧密接触，过渡垫片选用耐高温的导电材质制得，起到保护电极的作用，其中一对电极通过主固定支座固定，另一对电极通过滑动支座固定，固定方式相同，即利用电极固定轴穿过支座和电极上对应的装配孔，电极固定轴选取四根，每根固定轴两端套有陶瓷轴套，电极固定轴和陶瓷轴套一起装配入主固定支座和滑动支座中，以保证电极与支座间绝缘；主固定支座呈方形或长方形的对称框型结构，四角开有固定加载滑动轴的固定轴孔，其大小与加载滑动轴相匹配，四根加载滑动轴保证加载的稳定性，电极位于主固定支座框型结构的中空部位，通过旋动在支座两端的预紧螺丝施加预紧力达到固定效果，电极的试件夹持端突出于框型支座之外，提供观察试件更好的视野，同时有利与散热，主固定支座侧面开有轴套通孔，轴套通孔的大小保证与电极固定轴两端的陶瓷轴套相匹配，主固定支座侧面还开有一个与陶瓷塞柱相匹配的塞柱通孔，陶瓷塞柱作为过渡构件，位于塞柱通孔内部，在预紧螺丝和电极之间起到绝缘和传递预紧力的作用，主固定支座侧面还开有两个安装夹块固定螺丝的螺纹孔，夹块作为紧固构件固定于主固定支座侧面，夹块上开有装配预紧螺丝的螺纹通孔，夹块起到约束电极固定轴的轴向自由度和保证预紧螺丝装配的作用，预紧螺丝起到调节电极对于试件的夹紧程度的作用，另外，主固定支座的侧面和上下底面还开有若干其它通孔和螺纹孔，起到引出导电线和安装支座固定螺丝等作用，主固定支座的中间部分开有凹槽，提供布置冷却水通路的空间，同时减少对电极的包裹有助于散热，主固定支座及其附属构件所组成的结构整体上左右对称；滑动支座及其附属构件所组成的结构与主固定支座及其附属构件除两点不同之外，其余部分完全相同，不同点在于，滑动支座与加载滑动轴之间装配有直线轴承，四角的装配孔大小与相应的直线轴承相匹配，另外，滑动支座背部的中间部位安装有加载触动接头；副固定支座长度和高度与主固定支座完全相同，厚度保持相同也可适当减小，四角开有大小与加载滑动轴相匹配的固定轴孔，没有附属构件及对应的各种装配孔；整体上，四根加载滑动轴依次连接主固定支座、滑动支座和副固定支座，主固定支座、副固定支座分别固定在上底板和下底板的两端，滑动支座位于主固定支座和副固定支座之间，上下底板中部的铣底下沉部分提供滑动支座自由滑动的空间。

本发明利用一般的超高温陶瓷材料，如ZrB₂，HfB₂等，具备优良的导电性这一性质，将电阻加热原理引入超高温陶瓷材料的力学测试中，对实验试件直接通电加热达到超高温度。本发明突破了传统高温炉加热方法无法或很难达到超高温度，实验周期长，能源消耗严重，对夹具和冷却系统要求高，设备寿命低等一系列缺点。与之相比，本发明有如下优点：

(1)利用本发明能够进行超高温度环境下，尤其是2200℃以上极端温度环境下的拉压力学性能测试；

(2)利用本发明对实验试件进行加热，试件能够快速升温达到超高温度，且在理论上没有温度上限，能加热到材料熔点；

(3)本发明为小型测试装置，实验设备能源消耗少，一般的电源即可保证设备正常工作；

(4)利用本发明进行实验，整个实验过程可以控制在较短的时间之内，几分钟即可完成升温过程，实验周期短，效率高；

(5)本发明在实验过程中对设备保护程度较好，实验过程对电极、支座等部件基本无损害。

(6)本发明结构简单，体型小巧，实施成本低廉，便于实验室应用。

附图说明

图1为本发明所述装置整体结构示意图；

图2为本发明所述装置未装配上底板时的俯视图；

图3为本发明所述装置主固定支座及其附属构件示意图；

上述图中：1.电极组；2.主固定支座；3.副固定支座；4.滑动支座；5.加载滑动轴；6.下底板；7.上底板；8.压块；9.直线轴承；10.驱动接头；11.电极固定轴；12.陶瓷轴套；13.陶瓷塞柱。

具体实施方式

下面通过附图与实施例对本发明进一步说明。

实施例

本实施例所涉及的一种小型超高温力学性能测试装置如图1所示，该装置包括电极组1，主固定支座2，副固定支座3，滑动支座4，加载滑动轴5、上底板6和下底板7，水平方向上，四根加载滑动轴5依次连接主固定支座2、滑动支座4和副固定支座3，主固定支座2和副固定支座3分别固定在上底板6和下底板7的两端，滑动支座4位于主固定支座2和副固定支座3之间，上底板6和下底板7中部的铣底下沉部分提供滑动支座4自由滑动的空间，加载滑动轴5一端固定在主固定支座1上的滑动轴孔内，另一端固定在副固定支座4上的滑动轴孔内，加载滑动轴5与滑动支座3之间装配有直线轴承9，直线轴承9保证滑动支座3在滑动过程中摩擦力的可控性；电极组1与支座之间的装配关系如图2所示，电极组1包括四块完全相同的钨铜材质的电极，电极组1集成了导电、夹持和冷却的作用，四块电极分为两对，分别通过很薄的钨制过渡垫片与片状超高温陶瓷试件的两个夹持端紧密接触，过渡垫片起到保护电极的作用，其中，一对电极通过主固定支座2固定，另一对电极通过滑动支座4固定，固定方式相同，以主固定支座2为例说明，如图3所示，一对电极位于主固定支座2的中空部位，四根不锈钢材质的电极固定轴11穿过电极上的装配孔和主固定支座2上的通孔，约束每块电极除试件夹紧方向以外的其它方向上的自由度，每根电极固定轴11两端套有陶瓷轴套12，陶瓷轴套12装配在主固定支座2侧面的轴套通孔中，陶瓷轴套12起到保证电极与支座间绝缘的作用，主固定支座2两侧面还各开有一个与陶瓷塞柱13相匹配的塞柱通孔，陶瓷塞柱13作为过渡构件，位于塞柱通孔内部，在预紧螺丝和电极之间起到绝缘和传递预紧力的作用，预紧螺丝起到调节电极对于试件的夹紧程度的作用，主固定支座1两侧面还各开有两个安装夹块固定螺丝的螺纹孔，夹块8通过螺丝固定于主固定支座1侧面，夹块8上开有装配预紧螺丝的螺纹通孔，夹块8起到装配预紧螺丝和约束电极固定轴11的轴向自由度的作用，另外，主固定支座2的侧面和上下底面还开有若干其它通孔和螺纹孔，起到引出导电线和安装支座固定螺丝等作用，主固定支座2的中间部分开有凹槽，提供布置冷却水通路的空间，同时减少对电极的包裹有助于散热，主固定支座2及其附属构件所组成的结构整体上左右对称；另一对电极与滑动支座4之间的装配关系与主固定支座2相同；最后，滑动支座4背部的中间部位安装有驱动接头10，起到加载的作用。

本发明使用时，先利用四根加载滑动轴11串联主固定支座2、滑动支座4和副固定支座3，滑动支座4置于中间，再将主固定支座2和副固定支座3分别固定在下底板6的两端，之后将两对电极分别置于主固定支座2和滑动支座4的中空部位，装配电极固定轴11约束电极在除夹紧方向以外的其它方向上的自由度，,装配陶瓷轴套12保证绝缘，再封装夹块8；在电极与试件与之间垫一层钨制过渡垫片并调整试件居中后，旋动主固定支座2和滑动支座4两侧的预紧螺丝将电极与试件夹紧，再将驱动接头10固定在滑动支座4上，最后装配上底板7，开启电源对试件通电加热，即实现装置的快速加温功能，开启驱动装置带动滑动支座滑动即实现装置拉伸或压缩的加载功能。

具体实施时，电极材质优先选用钨铜材质，这种材质兼具强度高、导电和耐高温的优良性质，也可以采用其它具有类似性质的材料，例如结构石墨等，属于等同变换而仍然归入本发明保护范围内；具体实施时，优先选用四根电极固定轴，电极固定轴的数量和分布方式也可以根据具体实验设备中电极大小的需要而调整，应属于等同变换而仍然归入本发明保护范围内；具体实施时，为更好地保持加载的稳定性，优先选用四根加载滑动轴，位于四角，加载滑动轴的数量和分布方式也可以根据实验设备的具体情况而调整，属于等同变换而应归入本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种小型超高温力学性能测试装置，其特征是：该装置包括电极组（1）、主固定支座（2）、副固定支座（3）、滑动支座（4）、加载滑动轴（5）、上底板（6）和下底板（7），其中电极组（1）集成了导电、夹持和冷却的作用，电极组（1）包括四块完全相同的电极，四块电极分为两对，分别通过钨制过渡垫片与片状超高温陶瓷试件的两个夹持端紧密接触，起到保护电极的作用，其中一对电极通过主固定支座（2）固定，另一对电极通过滑动支座（4）固定，固定方式相同，即利用电极固定轴（11）穿过支座和电极上对应的装配孔，电极固定轴（11）为四根，电极固定轴（11）两端套有陶瓷轴套（12），电极固定轴（11）和陶瓷轴套（12）一起装配入主固定支座（2）和滑动支座（4）中，以保证电极与支座间绝缘；主固定支座（2）呈方形或长方形的对称框型结构，四角开有固定加载滑动轴（5）的固定轴孔，电极位于主固定支座（2）框型结构的中空部位，通过旋动在支座两端的预紧螺丝施加预紧力达到固定效果，电极的试件夹持端突出于框型支座之外，提供观察试件更好的视野，同时有利于散热，主固定支座（2）侧面开有轴套通孔，主固定支座（2）侧面还开有一个与陶瓷塞柱（13）相匹配的塞柱通孔，陶瓷塞柱（13）作为过渡构件，位于塞柱通孔内部，在预紧螺丝和电极之间起到绝缘和传递预紧力的作用，主固定支座（2）侧面还开有两个安装夹块固定螺丝的螺纹孔，夹块（8）作为紧固构件固定于主固定支座（2）侧面，夹块（8）上开有装配预紧螺丝的螺纹通孔，夹块（8）起到约束电极固定轴（11）的轴向自由度和保证预紧螺丝装配的作用，预紧螺丝起到调节电极对于试件的夹紧程度的作用，另外，主固定支座（2）的侧面和上下底面还开有若干其它通孔和螺纹孔，起到引出导电线和安装支座固定螺丝等作用，主固定支座（2）的中间部分开有凹槽，提供布置冷却水通路的空间，同时减少对电极的包裹有助于散热，主固定支座（2）及其附属构件所组成的结构整体上左右对称；滑动支座（4）及其附属构件所组成的结构与主固定支座（2）及其附属构件除两点不同之外，其余部分完全相同，不同点在于，滑动支座（4）与加载滑动轴（5）之间装配有直线轴承（9），四角的装配孔大小与相应的直线轴承（9）相匹配，另外，滑动支座（4）背部的中间部位安装有加载触动接头（10）；副固定支座（3）长度和高度与主固定支座（2）完全相同，厚度适当减小，四角开有大小与加载滑动轴（5）相匹配的固定轴孔，没有附属构件及对应的各种装配孔；整体上，四根加载滑动轴（5）依次连接主固定支座（2）、滑动支座（4）和副固定支座（3），主固定支座（2）、副固定支座（3）分别固定在上底板（6）和下底板（7）的两端，滑动支座（4）位于主固定支座（2）和副固定支座（3）之间，底板中部的铣底下沉部分提供滑动支座（4）自由滑动的空间。

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