CN108132190B - 高温多载荷加载原位测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温多载荷加载原位测试装置，属于材料力学性能测试领域。包括高温加载模块、多载荷加载模块、原位观测模块、支撑模块，所述多载荷加载模块与高温加载模块耦合，在高温环境下对防热复合材在的多种载荷加载方式下力学性能进行测定。高温加载模块由加热炉实现最高2500℃的温度加载，与之耦合的多载荷加载模块由电动缸和液压缸提供加载动力，通过传动机构将动力传递给测试试件；原位观测模块由数字散斑和高速相机组成，实现试验过程实时动态原位观测。优点在于：结构紧凑，设计合理，载荷加载测试方法多样化，可实现防热复合材料在真空或惰性气体环境下多种载荷加载类型试验。为材料高温力学行为和服役提供了有效的测试手段。

Description

高温多载荷加载原位测试装置
技术领域
本发明涉及材料原位力学性能测试领域，特别涉及一种防热复合材料在高温环境多种载荷加载测试方式下力学性能测试方法与装置，尤指一种高温多载荷加载原位测试装置。用于对防热复合材料在高温环境各种载荷应力作用下的力学性能参数进行测定，探究防热复合材料在力热耦合作用下的破坏失效机理，建立失效模型。
背景技术
随着科学技术的迅速发展，材料的使用也趋向于多元化。同时，材料的使用条件日益苛刻，像航天飞行器热防护罩航空器零部件材料需要承受高温、高压、高热流等复杂的空间环境，需要特别的热防护材料设计。基于上述需求，防热复合材料应运而生，如碳/碳复合材料、碳/碳化硅复合材料等，以其耐高温、低密度、高比模、高比强、抗热震、耐腐蚀、摩擦性能好、吸振性好，热膨胀系数小等优异性能，能耐受3000℃及以上的高温环境，在抗烧蚀、耐摩擦、热防护结构、抗核辐射、高温热结构等领域得到了广泛的应用。
随着温度的变化，耐高温材料的力学性能会发生非线性变化，研究耐高温材料对掌握其在高温环境下的性能变化规律异常重要。世界各国对用于防热保护的耐高温材料的研究极度重视。许多国家上世纪就都建立了相关高温研究机构，对材料在高温环境下的力学性能进行系统的研究。耐高温材料的力学性能指标评价技术的欠缺制约着我国耐高温材料的发展，极大地阻碍了我国耐高温材料力学指标评价体系的建立，我国迫切需要对高温环境下耐高温材料力学性能进行研究。掌握耐高温材料在高温环境各种载荷作用下的性能指标数据，建立耐高温材料结构的失效模型，探索失效机理，为耐高温材料的设计应用提供理论依据，保证耐高温材料应用的可靠性。对耐高温材料在极端高温环境中复杂载荷作用下的力学性能参数进行测定，获得耐高温材料在高温、复杂载荷作用下的失效模式和机理，为我国当代航空航天、国防建设的发展提供理论支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温多载荷加载原位测试装置，解决了现有技术存在的上述问题，填补我国相关领域的技术空白。本发明集高温加载模块、多载荷加载模块、原位观测模块、支撑模块于一体，其中多载荷加载模块包括双轴拉伸压缩测试模块、单轴拉伸压缩测试模块、单轴扭转测试模块、单轴拉伸扭转测试模块等，各模块可与高温加载模块耦合，在高温环境下对防热复合材在的多种载荷加载方式下力学性能进行测定。本发明对加快我国对防热复合材料的研究具有推动作用。本发明以防热复合材料为研究对象，提出的高温多载荷加载原位测试装置为防热复合材料在高温多种载荷作用下的力学参数测定提供支撑，对相关产业的发展、填补我国相关领域的技术空白具有重要意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
高温多载荷加载原位测试装置，包括高温加载模块、多载荷加载模块、原位观测模块、支撑模块。高温加载模块通过密封腔支撑架12、密封腔支撑筒13固定在支撑模块上，与多载荷加载模块之间通过O型密封圈连接，保证试验过程中高温加载模块的密封性；多载荷加载模块与支撑模块之间法兰连接，将多载荷加载模块的加载力和自身重力等卸载在支撑模块上；原位观测模块固定在隔震台1上，透过高温加载模块的耐高温玻璃5对试验过程实时动态原位观测。
所述高温加载模块是：通过安装在装置中间的加热炉实现最高2500℃温度加载，加热炉通过感应线圈44对石墨发热体38感应加热，继而对放置在加热炉炉体内部的测试试件加热，通过控制感应线圈44的加热功率使测试试件达到指定温度；所述测试试件为十字形试件33或板形试件45；
所述多载荷加载模块包括高温双轴拉伸压缩测试机构、高温单轴拉伸压缩测试机构、高温单轴扭转测试机构、高温单轴拉伸扭转测试机构，分别与高温加载模块耦合，在高温环境下对防热复合材在的多种载荷加载方式下力学性能进行测定。
高温双轴拉伸压缩测试机构由电动缸3和液压缸10共同提供加载动力，通过主轴27及其传动部件将驱动源的加载载荷传递给十字形试件33，耦合高温加载模块实现高温双轴拉伸压缩测试；高温单轴拉伸压缩测试机构由两个液压缸10或电动缸3加载驱动，对板形试件45进行拉伸压缩加载，耦合高温加载模块实现高温单轴拉伸压缩测试；高温单轴扭转测试机构由两个伺服电机6通过蜗轮蜗杆传动，将伺服电机6的旋转运动转化为液压缸主轴方向的旋转运动，带动测试试件实现扭转加载，耦合高温加载模块实现高温单轴扭转测试。
所述的高温双轴拉伸压缩测试机构是：双轴相对布置两个电动缸3和两个液压缸10提供双轴加载动力，电动缸3、液压缸10的拉伸轴直接与主轴27螺纹连接，将加载动力通过主轴27、隔热板35、拉压力传感器36、主轴水冷系统传递给十字形试件33，实现双轴加载，配合高温加载模块，使十字形试件33处于真空高温氛围，实现高温双轴拉伸压缩测试试验。
所述的高温单轴拉伸压缩测试机构是：装置的四个驱动源中的两个电动缸3或两个液压缸10工作，测试试件为板形试件45，配合高温加载模块，实现高温单轴拉伸压缩测试试验。
所述的高温单轴扭转测试机构是：伺服电机6通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ7、8与蜗杆轴34相连，蜗轮26通过花键与液压缸10的主轴27连接，带动花键轴25旋转运动，继而实现测试试件的扭转加载，配合高温加载模块，实现高温单轴扭转测试试验。
所述的高温单轴拉伸扭转测试机构是：液压缸10通过花键轴25与主轴27连接，带动主轴实现推拉运动；花键轴25通过花键与蜗轮26连接，将蜗轮26的旋转运动传递给主轴，实现扭转运动；伺服电机6和液压缸10同时工作，对试件进行拉伸扭转加载，配合高温加载模块，实现高温单轴拉伸扭转测试试验。
所述的高温单轴拉伸压缩测试机构、高温单轴拉伸扭转测试机构、高温加载模块同时工作，耦合实现高温单轴拉伸扭转加载测试试验。
所述的高温加载模块和多载荷加载模块的配合通过密封圈动密封实现，主轴水冷系统中的夹具水冷套筒28和密封腔外层11凸起孔装有两个用于密封的O型密封圈，高温多载荷加载测试过程中保证密封腔体内部的真空度，防止氧化。
本发明的有益效果在于：结构紧凑，设计合理，载荷加载测试多样化，可完成多种材料在真空或惰性气体环境下的多载荷加载试验。配合感应式高温加热炉和多载荷加载装置，实现防热复合材料在高温环境多种载荷应力作用下的材料力学性能测试，为材料的力学行为和服役行为提供有效的测试手段。本发明在材料科学、机械装备、国防军工和航空航天等领域具有重要的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构俯视图；
图3为本发明的多载荷加载模块结构示意图；
图4为本发明的高温加载模块结构示意图；
图5为本发明的十字形试件结构图；
图6为本发明的板形试件结构图。
图中：1、隔震台；2、支撑块；3、电动缸；4、电动缸法兰；5、耐高温玻璃；6、伺服电机；7、弹性联轴器Ⅰ；8、弹性联轴器Ⅱ；9、液压缸法兰；10、液压缸；11、密封腔外层；12、密封腔支撑架；13、密封腔支撑筒；14、密封腔门；15、双比色红外测温仪；16、测温仪支撑杆；17、测温仪底座；18、测温仪基座；19、测温仪导轨滑块；20、散斑导轨滑块；21、数字散斑；22、散斑支撑杆；23、散斑底座；24、散斑基座；25、花键轴；26、蜗轮；27、主轴；28、夹具水冷套筒；29、下夹具体；30、上夹具体；31、冷却水进水口；32、冷却水出水口；33、十字形试件；34、蜗杆轴；35、隔热板；36、拉压力传感器；37、保温石墨毡；38、石墨发热体；39、屏蔽层；40、真空压力规；41、感应电极端盖；42、密封腔内层；43、陶瓷绝缘层；44、感应线圈；45、板形试件。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的高温多载荷加载原位测试装置，包括高温加载模块、多载荷加载模块、原位观测模块、支撑模块。高温加载模块通过密封腔支撑架12、密封腔支撑筒13固定在支撑模块上，与多载荷加载模块之间通过O型密封圈连接，保证试验过程中高温加载模块的密封性；多载荷加载模块与支撑模块之间法兰连接，将多载荷加载模块的加载力和自身重力等卸载在支撑模块上；原位观测模块固定在隔震台1上，透过高温加载模块的耐高温玻璃5对试验过程实时动态原位观测。本发明结构紧凑，设计合理，载荷加载测试方法多样化，可实现防热复合材料在真空或惰性气体环境下多种载荷加载类型试验。为材料高温力学行为和服役提供了有效的测试手段。
所述高温加载模块是：通过安装在装置中间的加热炉实现最高2500℃温度加载，加热炉通过感应线圈44对石墨发热体38感应加热，继而对放置在加热炉炉体内部的测试试件加热，通过控制感应线圈44的加热功率使测试试件达到指定温度；所述测试试件为十字形试件33或板形试件45；
所述多载荷加载模块包括高温双轴拉伸压缩测试机构、高温单轴拉伸压缩测试机构、高温单轴扭转测试机构、高温单轴拉伸扭转测试机构，分别与高温加载模块耦合，在高温环境下对防热复合材在的多种载荷加载方式下力学性能进行测定。
高温双轴拉伸压缩测试机构由电动缸3和液压缸10共同提供加载动力，通过主轴27及其传动部件将驱动源的加载载荷传递给十字形试件33，耦合高温加载模块实现高温双轴拉伸压缩测试；高温单轴拉伸压缩测试机构由两个液压缸10或电动缸3加载驱动，对板形试件45进行拉伸压缩加载，耦合高温加载模块实现高温单轴拉伸压缩测试；高温单轴扭转测试机构由两个伺服电机6通过蜗轮蜗杆传动，将伺服电机6的旋转运动转化为液压缸主轴方向的旋转运动，带动测试试件实现扭转加载，耦合高温加载模块实现高温单轴扭转测试。
所述的原位观测模块由数字散斑21和高速相机组成，在高温多载荷加载测试试验过程中对测试试样微观组织结构变化、试件变形和试件损伤机制实时动态原位观测。
所述的支撑模块的主体为支撑块2，多载荷加载模块和高温加载模块均装配在支撑块2上；支撑块2、测温仪导轨滑块19以及散斑导轨滑块20固定在隔震台1上，起到减震的作用。
参见图1及图4所示，本发明中高温加载模块主要由加热炉和炉外真空密封腔两部分组成。其中，加热炉的加热元件为石墨发热体38，其外部包裹一定厚度的保温石墨毡37，减少加热体加热过程中热量外散。感应线圈44缠绕在保温石墨毡37外部，两者之间安装陶瓷绝缘层43，防止感应线圈通电时对内部保温石墨毡的干扰。加热炉通过感应线圈44对石墨发热体38感应加热，继而对放置在炉体内部的试件加热，试件温度通过安装在测温仪基座18上的双比色红外测温仪15进行测量，继而反馈回控制部分，与之形成PID闭环控制回路，控制感应线圈44的热功率使试件达到指定温度。感应线圈通过安装在密封腔外层11上的感应电极端盖41与电源相连，实现加热炉的高温加载。
为避免高温环境加热体及试件等发生氧化，加热炉外部设计真空密封腔体，保证试件高温加载时处于真空或惰性气体氛围下。真空密封腔由密封腔外层11、密封腔内层42、屏蔽层39、真空压力规40以及腔体水冷系统等组成。密封腔外层11和密封腔内层42之间为腔体水冷系统，对真空密封腔进行冷却，屏蔽层39安装在加热炉与真空密封腔之间，屏蔽加热炉高温加载过程中的热辐射。真空密封腔前后设置密封腔门14，门上留有观测窗口，双比色红外测温仪15和数字散斑21通过窗口上的耐高温玻璃5对试验过程中试件标距区的温度和应变进行测量。
参见图1及图2及图3所示，所述的高温双轴拉伸压缩测试机构是：双轴相对布置两个电动缸3和两个液压缸10提供双轴加载动力，电动缸3、液压缸10的拉伸轴直接与主轴27螺纹连接，将加载动力通过主轴27、隔热板35、拉压力传感器36、主轴水冷系统传递给十字形试件33，实现双轴加载。电动缸3和液压缸10分别通过电动缸法兰4和液压缸法兰9固定在支撑块2上，将装置进行试验时试件的反作用力卸载在支撑块2上，避免对主轴造成影响。配合高温加载模块同时工作，保证十字形试件33中心标距区处于高温真空氛围，实现高温双轴拉伸压缩测试试验。
所述的高温单轴拉伸压缩测试机构是：装置的四个驱动源中的两个电动缸3或两个液压缸10工作，将十字形试件33替换为板型试件45，配合高温加载模块，实现本发明的高温单轴拉伸压缩测试试验。
所述的高温单轴扭转测试机构是：伺服电机6通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ7、8与蜗杆轴34相连，蜗轮26通过花键与液压缸10的主轴27连接，带动花键轴25旋转运动，继而实现测试试件的扭转加载，配合高温加载模块，实现本发明的高温单轴扭转测试试验。
所述的高温单轴拉伸扭转测试机构是：液压缸10通过花键轴25与主轴27连接，带动主轴实现推拉运动；花键轴25通过花键与蜗轮26连接，将蜗轮26的旋转运动传递给主轴，实现扭转运动；伺服电机6和液压缸10同时工作，对试件进行拉伸扭转加载，配合高温加载模块，实现高温单轴拉伸扭转测试试验。
装置中高温单轴拉伸压缩测试机构、高温单轴拉伸扭转测试机构、高温加载模块同时工作，耦合实现高温单轴拉伸扭转加载测试试验。
为了避免上述高温加载对多载荷加载装置中的上下夹具体、主轴27及其上安装的拉压力传感器36等关键零部件造成损坏，本发明设计了主轴水冷系统，主要由夹具水冷套筒28及其内部水冷管路，夹具水冷套筒28上的冷却水进水口31、冷却水出水口32，与夹具水冷套筒28相连的下夹具体29、上夹具体30等组成，在高温加载过程中对主轴27进行冷却。同时，隔热板35在主轴水冷系统中起到减弱热量传递的作用，使各个主轴部件在温度允许范围内工作，尤其是保证对温度要求极高的拉压力传感器36正常工作。
所述的高温加载模块和多载荷加载模块的配合通过密封圈动密封实现，主轴水冷系统中的夹具水冷套筒28和密封腔外层11凸起孔装有两个用于密封的O型密封圈，高温多载荷加载测试过程中保证密封腔体内部的真空度，防止高温环境使试件夹具、主轴等关键零部件发生氧化。
参见图1及图2所示，所述的支撑模块主要分为测温仪支撑机构、支撑体支撑机构、散斑支撑机构三部分。其中测温仪支撑机构是：双比色红外测温仪15安装在测温仪支撑杆16上，通过测温仪底座17与测温仪基座18相连，测温仪基座18可随测温仪导轨滑块19一起滑动，调节双比色测温仪15与测试试件之间的距离。所述散斑支撑机构是：数字散斑21安装在散斑支撑杆22上，通过散斑底座23与散斑基座24相连，散斑基座23可随散斑导轨滑块20一起滑动，调节数字散斑21与测试试件之间的距离。所述支撑体支撑机构是：支撑块2安装在隔震台1上，多载荷加载模块通过法兰内嵌在支撑块2上；高温加载模块安装在密封腔支撑筒13内，通过密封腔支撑架12固定在支撑体2的内孔侧壁上，从而实现本发明的高温多载荷加载原位测试装置的支撑固定。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：包括高温加载模块、多载荷加载模块、原位观测模块、支撑模块，所述高温加载模块通过密封腔支撑架（12）、密封腔支撑筒（13）固定在支撑模块上，与多载荷加载模块之间通过O型密封圈连接，保证试验过程中高温加载模块的密封性；多载荷加载模块与支撑模块之间通过法兰连接，将多载荷加载模块的加载力和自身重力卸载在支撑模块上；原位观测模块固定在隔震台（1）上，透过高温加载模块的耐高温玻璃（5）对试验过程实时动态原位观测；
所述高温加载模块是：通过安装在装置中间的加热炉实现最高2500℃温度加载，加热炉通过感应线圈（44）对石墨发热体（38）感应加热，继而对放置在加热炉炉体内部的测试试件加热，通过控制感应线圈（44）的加热功率使测试试件达到指定温度；所述测试试件为十字形试件（33）或板形试件（45）；
所述多载荷加载模块包括高温双轴拉伸压缩测试机构、高温单轴拉伸压缩测试机构、高温单轴扭转测试机构、高温单轴拉伸扭转测试机构，分别与高温加载模块耦合，在高温环境下对防热复合材在的多种载荷加载方式下力学性能进行测定；
高温双轴拉伸压缩测试机构由电动缸（3）和液压缸（10）共同提供加载动力，通过主轴（27）及其传动部件将驱动源的加载载荷传递给十字形试件（33），耦合高温加载模块实现高温双轴拉伸压缩测试；高温单轴拉伸压缩测试机构由两个液压缸（10）或电动缸（3）加载驱动，对板形试件（45）进行拉伸压缩加载，耦合高温加载模块实现高温单轴拉伸压缩测试；高温单轴扭转测试机构由两个伺服电机（6）通过蜗轮蜗杆传动，将伺服电机（6）的旋转运动转化为液压缸主轴方向的旋转运动，带动测试试件实现扭转加载，耦合高温加载模块实现高温单轴扭转测试。
2.根据权利要求1所述的高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：所述的高温双轴拉伸压缩测试机构是：双轴相对布置两个电动缸（3）和两个液压缸（10）提供双轴加载动力，电动缸（3）、液压缸（10）的拉伸轴直接与主轴（27）螺纹连接，将加载动力通过主轴（27）、隔热板（35）、拉压力传感器（36）、主轴水冷系统传递给十字形试件（33），实现双轴加载，配合高温加载模块，使十字形试件（33）处于真空高温氛围，实现高温双轴拉伸压缩测试试验。
3.根据权利要求1所述的高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：所述的高温单轴拉伸压缩测试机构是：装置的四个驱动源中的两个电动缸（3）或两个液压缸（10）工作，测试试件为板形试件（45），配合高温加载模块，实现高温单轴拉伸压缩测试试验。
4.根据权利要求1所述的高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：所述的高温单轴扭转测试机构是：伺服电机（6）通过弹性联轴器Ⅰ、Ⅱ（7、8）与蜗杆轴（34）相连，蜗轮（26）通过花键与液压缸（10）的主轴（27）连接，带动花键轴（25）旋转运动，继而实现测试试件的扭转加载，配合高温加载模块，实现高温单轴扭转测试试验。
5.根据权利要求1所述的高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：所述的高温单轴拉伸扭转测试机构是：液压缸（10）通过花键轴（25）与主轴（27）连接，带动主轴实现推拉运动；花键轴（25）通过花键与蜗轮（26）连接，将蜗轮（26）的旋转运动传递给主轴，实现扭转运动；伺服电机（6）和液压缸（10）同时工作，对试件进行拉伸扭转加载，配合高温加载模块，实现高温单轴拉伸扭转测试试验。
6.根据权利要求1所述的高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：所述的高温单轴拉伸压缩测试机构、高温单轴拉伸扭转测试机构、高温加载模块同时工作，耦合实现高温单轴拉伸扭转加载测试试验。
7.根据权利要求1所述的高温多载荷加载原位测试装置，其特征在于：所述的高温加载模块和多载荷加载模块的配合通过密封圈动密封实现，主轴水冷系统中的夹具水冷套筒（28）和密封腔外层（11）凸起孔装有两个用于密封的O型密封圈，高温多载荷加载测试过程中保证密封腔体内部的真空度，防止氧化。
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