CN106053247A - 一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统及方法，实现高温条件下的力学性能测试在位加热能模拟材料在服役环境中突然出现火灾时的承载情况。包括激光器、材料试验机、红外热像仪、数据采集仪、2D/3D DIC系统、内置有数据分析软件的上位机；利用激光器对试样材料进行远距离辐照加热，同时对试样材料进行预设载荷的同步加载，并使用CCD相机对试验过程进行采样拍照；利用红外热像仪对试验的环境温度和试样的全场温度进行实时测量，利用数据采集仪对试样材料的局部点温度进行实时测量，利用2D/3D DIC系统对试样材料背面的变形和破坏过程进行检测和测量，将测得的数据传送给上位机进行试样材料的力学性能分析。

Description

一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统及方法。
背景技术
由于材料的制备温度与服役温度的差异性，会使材料对不同的温度，表现不同的热物理-机械性能。尤其高温条件下，材料的热-机械性能与常温环境相比极大不同。因此，研究材料在高温条件下的力学性能具有重要意义。然而，常规的热-力学性能试验中加热方式多采用电热丝或电热管(盘)作为加热源，空气作为冷却源，通过控制电热丝或电热管(盘)的电压来控制被加热件的温度上升。
这些加热方式存在明显的不利因素，由于加热过程存在明显的热传递，电热管的温度明显高于被加热件的温度，存在明显的温度梯度而导致额外的热惯量，进而导致在温度交替试验中存在明显的温度过冲，所以这种加热方式存在加热速率慢、加热温度相对不太高、加热温度不准确等弊端。另外，在试验的过程中，这种加热方式一样对试样大小有限制，而且很难实现在位加热等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统及方法，该试验系统和方法能够实现材料在高温条件下的力学性能测试试验，在位加热，还可以模拟材料在服役环境中突然出现火灾时的承载情况。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统，包括：激光器、材料试验机、红外热像仪、数据采集仪、2D/3D DIC系统、内置有数据分析软件的上位机；
所述激光器和所述材料试验机间隔预设试验距离设置，所述红外热像仪、数据采集仪以及2D/3D DIC系统的数据采集输入端均与所述材料试验机相连，其输出端均与所述上位机相连；
所述材料试验机上设有拉伸系统、压缩系统、辅助夹具以及用于观测和激光束穿过的观察窗。
进一步地，所述激光器为功率为2000W的连续、高功率光纤激光器。
进一步地，所述材料试验机为电子万能试验机，并配设有CCD相机。
本发明还提供了使用所述基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统进行高温材料力学性能试验的方法，包括以下步骤：
1)利用所述激光器对设在所述材料试验机上的试样材料进行远距离辐照加热，光斑斑点位于试样材料中部，同时对所述试样材料进行预设载荷的同步加载，并使用CCD相机对试验过程进行采样拍照；
2)利用所述红外热像仪对试验的环境温度和试样的全场温度进行实时测量，利用所述数据采集仪对所述试样材料的局部点温度进行实时测量，其中局部点温度可以设定为光斑中心温度、光斑边缘温度和光斑外缘温度等，主要是由于光斑中心温度反映了加热区域的最高温度，光斑边缘的温度可以反映光斑辐照区域内激光能量的分布，理论上YLS光纤激光器辐照能量为均匀分布，但实际上由于激光器的使用寿命和校正周期等原因会使辐照能量的边缘分布偏低，光斑外缘分布可以很好的说明激光加热能够实现快速、高温加热。
利用所述2D/3D DIC系统对试样材料背面的变形和破坏过程进行检测和测量，其中2D/3D DIC系统可以设定图片采集的频率、采集时间甚至图片的像素大小等，进而记录在加热过程中试样背面的变形和破坏过程。
3)将测得的所述环境温度的数据、局部点温度的数据以及2D/3D DIC系统检测和测量数据均传送给所述上位机，通过所述上位机中的数据分析软件进行试样材料的力学性能分析。
进一步地，步骤1)中，所述CCD相机的采样频率为每秒2帧。
本发明提供的一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统及方法，通过激光非接触式加热对材料进行力高温力学性能的测试，如拉伸、压缩试验等，对材料在高温条件下的力学性能开展系统性研究，实现材料在高温条件下(>1000℃)的力学性能测试试验。同时，激光辐照加热是一种非接触式加热，而且力学性能的测试试验和激光出光控制操作都是由电脑远程操作，只需保证激光的出光光路无阻碍和辐照范围不影响电子万能试验机或者其他设备等，即可实现电子万能试验机和激光加热的同时运行，也就是本发明中的在位加热，这可以模拟材料在服役环境中突然出现火灾时的承载情况。并通过多种高速、高分辨率的测试设备的协同与协调，对材料在高温条件下的试验过程进行较全面的测试和检测。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统示意图；
图2为案例试样CCF300/BA9916的层合板的铺层方式图；
图3为利用本发明提供的试验方法，检测不同激光功率密度下复合材料的失效载荷-位移曲线图；
图4-图9为不同激光功率密度下复合材料表面损伤效果图；
图10为利用本发明提供的试验方法，检测试样材料背表面中心最高温度随激光功率密度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统，包括：激光器、材料试验机、红外热像仪、数据采集仪、2D/3D DIC(Digital Image CorrelationTechnique)系统、内置有数据分析软件的上位机；
所述激光器和所述材料试验机间隔预设试验距离设置，所述红外热像仪、数据采集仪以及2D/3D DIC系统的数据采集输入端均与所述材料试验机相连，其输出端均与所述上位机相连；
所述材料试验机上设有拉伸系统、压缩系统、辅助夹具以及用于观测和激光束穿过的观察窗。
其中的材料试验机优选为电子万能试验机，对试样材料进行拉伸、压缩等力学性能试验，配设的CCD相机通过对试样材料上激光斑点的追踪和拍摄，记录试样材料在被加载载荷时的破坏情况。
实验例：
使用2D-DIC系统和电子万能试验机，对试样材料进行加载试验。试样材料有两种：碳纤维增强复合材料层合板，T700/BA9916和CCF300/BA9916，铺层方式为[45°/0°/-45°/90°]2S；表面损伤效果和曲线图中所针对的材料试样为CCF300/BA9916；由于试样T700/BA9916的实验结果与CCF300/BA9916类似，故不一一列举。
斑点在试样材料的中部，激光器对试样材料进行远距离、非接触式加热，电子万能试验机上的拉伸系统对试样材料依次进行拉伸载荷分别为14.5kN，12.2kN，11.3kN的加载，并使用CCD相机进行照相采样，采样频率为每秒2帧。同时红外热像仪、数据采集仪分别监测获得的环境温度数据、局部点温度以及试样材料背面的变形和破坏过程的相关数据均上传至上位机，由上位机中的数据分析软件进行该试样材料的力学性能分析。
实验案例：CCF300/BA9916，单层厚度是0.125毫米，总厚度为2.00mm.铺层方式见图2。试验机采用位移加载，加载速率设定为拉神2mm/分钟，激光光斑为10mm。此外，非接触测量2D-DIC系统的基测全场变形和数据采集仪(热电偶测量局部点温度)。
图3为不同激光功率密度下复合材料的载荷-位移曲线，并且与常温条件(无激光加热)的实验结果比较，结果发现随着入射激光功率密度的增加，材料的力学性能显著降低。
图4-图9为不同激光功率密度下复合材料表面损伤效果图，如图4至图9所示，为不同激光功率密度下复合材料CCF300/BA9916表面损伤效果对比，当入射激光功率密度为1.0MW/m2时，对复合材料几乎无损伤，而当入射激光功率密度增加为1.5MW/m2时，即能够观察到对复合材料有一定的损伤，而当入射激光功率密度逐渐增加至12.7MW/m2时，损伤已经相当严重。而且，能够看出，随着入射激光功率密度的增加，对复合材料表面的损伤就越严重。
图10为试样材料CCF300/BA9916背表面中心最高温度随激光功率密度变化曲线图，横坐标为入射激光功率密度轴，纵坐标为温度轴。
如图10所示，当入射激光功率密度从0增加至3MW/m2时，试样材料背面的表面中心的最高温度从20摄氏度急速升高至150摄氏度，而当入射激光功率密度继续增加至13MW/m2时，试样材料背面的表面中心的最高温度的上升速度明显减缓，并且上升幅度下降。
以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (5)

1.一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统，其特征在于，包括：激光器、材料试验机、红外热像仪、数据采集仪、2D/3D DIC系统、内置有数据分析软件的上位机；
所述激光器和所述材料试验机间隔预设试验距离设置，所述红外热像仪、数据采集仪以及2D/3D DIC系统的数据采集输入端均与所述材料试验机相连，其输出端均与所述上位机相连；
所述材料试验机上设有拉伸系统、压缩系统、辅助夹具以及用于观测和激光束穿过的观察窗。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统，其特征在于，所述激光器为功率为2000W的连续、高功率光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统，其特征在于，所述材料试验机为电子万能试验机，并配设有CCD相机服务于DIC系统。
4.使用权利要求1-3任一项所述的一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验系统进行高温材料力学性能试验的方法，包括以下步骤：
1)利用所述激光器对设在所述材料试验机上的试样材料进行远距离辐照加热，光斑斑点位于试样材料中部，同时对所述试样材料进行预设载荷的同步加载，并使用CCD相机对试验过程进行采样拍照；
2)利用所述红外热像仪对试验的环境温度和试样的全场温度进行实时测量，利用所述数据采集仪对所述试样材料的局部点温度进行实时测量；利用所述2D/3D DIC系统对试样材料背面的变形和破坏过程进行检测和测量；
3)将测得的所述环境温度的数据、局部点温度的数据以及2D/3D DIC系统检测和测量的数据均传送给所述上位机，通过所述上位机中的数据分 析软件进行试样材料的力学性能分析。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光辐照加热的材料高温力学性能试验方法，步骤1)中，所述CCD相机的采样频率为每秒2帧。
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