CN108132198B - 一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置 - Google Patents

一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，属于超高温陶瓷材料的试验设备，它包括上下两个环境模块，第一环境模块(1)与第二环境模块(2)之间由的密封隔热舱门隔离(16)，第一环境模块(1)内设有电机(3)、加热腔(4)，第二环境模块(2)内设有加热腔(15)或液态介质腔(20)。电机(3)与电动控制装置(17)和速度反馈采集装置(18)连接，内部设有抱闸(19)，外部设有隔热层(13)，电机(3)通过承重绳(11)连接曳引轮(12)与导向轮(10)，并连接缓速装置(5)和装有批量试件的支架(6)。本发明的优点是实现了批量试件以可控的速度和姿势在不同环境模块间的往复热冲击过程，能消除抗热冲击性能测试时机械冲击的影响；能保证批量试件抗热冲击试验环境一致性、提高试验结果可靠性。

Description

一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置
技术领域
本发明涉及超高温陶瓷热冲击试验领域，具体涉及一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置。
背景技术
高超声速飞行器是航空航天科技向新的飞行极限进行探索的重要领域。它将对空天一体化的实现产生巨大的推动作用，是航空先进国家近年发展的热门领域。随着空天飞行器机动性和突防能力要求的增加，近年来世界各国都相继开展了高超声速飞行器的研究。而超高温陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高导热率、良好的抗氧化性和抗热震性、中等的热膨胀系数等优良的性能，因此非常适合做超声速航天飞行器高温结构材料的使用。但是因陶瓷材料固有的脆性，致使其抗热冲击性能较差，热冲击破坏是造成陶瓷材料破坏的重要原因。以高超声速飞行器的热防护超高温陶瓷材料体系为例，在其整个使役历程中所面临的空域不同、氧氛围不同、不同阶段的速度不同，温度变化幅度大，不同部位热环境差异大，致使其在使役历程中经受多次复杂的热冲击环境。因此，研究超高温陶瓷材料的多次连续热冲击下的抗热冲击性能就显得十分重要和必要。
中国专利文献CN104897503A于2015年9月9日公开了“一种陶瓷材料升温热冲击试验箱的试件导入机构”，该装置包括有导向筒，所述导向筒上部侧边设有安放试件的导向筒开口，导向筒开口的下端设有固定导向筒的连接凸耳，连接凸耳下方侧面有两个正对的转轴支座，两个转轴支座上贯穿有转轴，转轴两端伸出两个转轴支座的外侧，在两个转轴支座之间的转轴上装有挡片，挡片从导向筒侧壁槽口伸入导向筒内，靠近连接凸耳侧的转轴伸出端装有配重吊杆，配重吊杆悬端设置有配重，与配重吊杆相对的转轴另一伸出端装有拨片，导向筒顶端设有悬丝。该专利申请实现了能构建与加热炉隔离的常温腔室，避免试件受到高温辐射；还能使试件避免机械冲击，且能同时进行多个试件的抗升温热冲击性能实验。但是，采用上述试件导入机构进行热冲击试验时存在以下问题：
1、由于该导入机构需要与试验箱的炉壁一起构成试件初始环境，而炉壁有主动冷却系统，保持温度为常温，因此试件的初始环境为室温，仅能进入一个高温环境热冲击完成单次升温热冲击，实现的热冲击环境单一。
2、试件进入加热炉内是采用自由落体的方式下落，不能有效控制试件的速度，无法考虑不同进入速度对陶瓷材料热冲击的影响，且自由落体试件无法控制试件以各种不同姿势切换，从而得不到不同姿势对陶瓷材料热冲击的影响。
3、虽然能同时进行多个试件的实验，但是由于导入机构结构复杂，且加热炉腔室空间有限，能一次容纳试件数目仍有限，完成一次实验需要多次重新加载试验环境，不能保证试验环境的一致性从而消除试验环境差异带来的影响，使得表征结果精度较低。
所以该专利实现的热冲击环境单一，在试验过程中会引入一些不可控的影响因素，导致热冲击实验结果不能准确地表征陶瓷材料的抗热冲击性能。
技术术语：
超高温陶瓷(UHTCs：Ultra High Temperature Ceramics)是指能在1800℃以上温度下使用的陶瓷材料。
高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器，具有突防成功率高的特点。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，它能避免试件的机械冲击和试件速度和姿势的不可调，可通过试件在不同环境间往复运动完成多次热冲击，提高抗热冲击性能测试的准确性和可靠性。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括从上至下重叠的第一环境模块和第二环境模块两个环境腔，第一环境模块与第二环境模块之间由可开合的密封隔热舱门隔离，第一环境模块设有电机，电机与电动控制装置和速度反馈采集装置连接，电机内部设有抱闸，外部连接曳引轮，曳引轮通过承重绳与导向轮连接，通过导向轮的承重绳依次连接缓速装置和试件支架，在电机周围设置隔热层以避免密封腔内高温环境对电机的干扰，第二环境模块内部设计有加热腔或液态介质腔。
本发明的技术效果是：
1、在超高温陶瓷材料的抗热冲击性能的测试中，实现试件在不同速度和不同姿势下的热冲击过程，能保证被测试件在遭受热冲击过程中初始温度和目标温度范围跨度大且精确可控，且无机械冲击影响。
2、实现试件的多次往复升/降温热冲击过程。
3、能进行批量试件的抗热冲击性能测试，效率高。
4、同批试件的热冲击试验环境一致性好、试验结果可靠性高。
与现有技术相比，本发明的优点是：实现试件的多次往复升/降温热冲击过程，避免试件的机械冲击和试件速度和姿势的不可控，提高抗热冲击性能测试的准确性和可靠性。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中试件支架的结构示意图；
图3为本发明的热冲击试件切换的控制方法及控制系统工作原理示意图；
图4为图1中第二环境模块的结构示意图。
图中：1、第一环境模块，电动控制装置，2、第二环境模块，3、电机，4、第一加热腔，5、缓速装置，6、试件支架，7、纵向环形切换试件支架，8、陶瓷试件，9、横向矩形切换试件支架，10、导向轮，11、承重绳，12、曳引轮，13、隔热层，14、密封腔，15、第二加热腔，16、密封隔热舱门，17、电动控制装置，18、速度反馈采集装置，19抱闸，20液态介质腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、2、3所示，本发明包括两个环境腔，第一环境模块1与第二环境模块2之间由可开合的密封隔热舱门隔离16，上面第一环境模块1内设计有电机3与第一加热腔4，电机3与电动控制装置1和速度反馈采集装置2连接，电机3内部设有抱闸4，外部连接曳引轮12，曳引轮12通过承重绳11与导向轮10连接，通过导向轮10的承重绳11依次连接缓速装置5和试件支架6，在电机3周围设置隔热层13以避免密封腔14内高温环境对电机3的干扰。
上述第二环境模块2内部可设计有第二加热腔15或液态介质腔16，如图4所示；
上述试件支架6可以设计为不同的结构以适应不同试件切换姿势需求，如图2所示；
上述试件支架6和导向轮10由高温合金制成；
上述承重绳11由耐高温的钨丝或钼丝制成；
上述隔热层13由隔热碳毡制成。
如图1所示，本发明为具有两个可实现不同温度的串联的材料抗热冲击性能环境模块内，实现批量试件的切换。该热冲击试验装置包括上下两个环境模块，两个环境模块包括密封腔14和第一加热腔4，第一加热腔4安装在密封腔14内底部，电机3和导向轮置于第一环境模块的顶部边缘。在使用时，将陶瓷试件8置于试件支架6上，试件支架6根据试验需求可使用纵向环形切换试件支架7或横向矩形切换试件支架9，用电机3将承重绳11收到预定位置，用承重绳11下端系好试件支架6，使得支架6正好位于加热腔15中部的温度稳定区域。在电动控制装置17上将电机3速度给定设置为零，得出转矩附加值。打开抱闸19，试件支架处于静止状态。分别对上下两个环境模块的密封腔14抽真空，然后将第一加热腔4和第二加热腔15分别加热到预定的温度，并保温。打开两个环境模块间的密封隔热舱门16。根据预定的试件下落速度，控制电机3所需转速，在速度反馈采集装置18调节下得出补偿转矩，电动控制装置17得出输出转矩，电机运行至设定的试件下落速度。试件支架6以预定的速度和姿势进入第二环境模块的加热腔15，到达既定位置后电机抱闸4制动，关闭密封隔热舱门16，试件8在第二环境模块的加热腔15中保温，实现对试件的一次热冲击过程，同时根据试验要求改变第一环境模块1中加热腔4的温度。打开密封隔热舱门16，试件支架6以预定的速度和姿势上升进入第一环境模块1的加热腔4中保温，再次完成对试件的热冲击过程。最后停止加热，冷却后取出试件8进行后续研究。
本发明实现了批量试件以可控的速度和姿势在不同环境模块间的多次往复热冲击过程。使用本发明进行试验，能保证批量试件抗热冲击性能测试时热冲击试验环境一致性好、试验结果可靠性高；能消除抗热冲击性能测试时机械冲击的影响。

Claims (6)

1.一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，包括两个从上至下重叠的第一环境模块(1)和第二环境模块(2)，第一环境模块(1)内设有电机(3)、第一加热腔(4)，所述第二环境模块(2)内设有第二加热腔（15）；电机(3)与电动控制装置(17)和速度反馈采集装置(18)连接，电机(3)内部设有抱闸(19)，外部连接曳引轮(12)，曳引轮(12)通过承重绳(11)与导向轮(10)连接，通过导向轮(10)的承重绳(11)依次连接缓速装置(5)和试件支架(6)，通过控制所述电机（3）转速，并在速度反馈采集装置（18）调节下得出补偿转矩，通过电动控制装置（17）得出输出转矩来控制电机（3）运行，以便电机（3）带动所述试件支架（6）以预定速度进入所述第二加热腔（15），并位于所述第二加热腔（15）中保温；在电机(3)周围设置隔热层(13)以避免密封腔(14)内高温环境对电机(3)的干扰，第一环境模块(1)与第二环境模块(2)之间由可开合的密封隔热舱门(16)隔离。
2.根据权利要求1所述的一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，其特征是：所述第二环境模块(2)实现方式可以根据不同要求采用感应加热炉腔(15)或液态介质腔(20)。
3.根据权利要求1所述的一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，其特征是：所述的试件支架(6)可以设计为纵向环形、横向矩形结构以适应不同试件切换姿势需求。
4.根据权利要求1所述的一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，其特征是：所述的试件支架(6)和导向轮(10)由高温合金或高强石墨制成。
5.根据权利要求1所述的一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，其特征是：所述的承重绳(11)由耐高温的钨丝或钼丝制成。
6.根据权利要求1所述的一种不同环境模块间的超高温陶瓷往复热冲击试验装置，其特征是：所述的隔热层(13)由隔热碳毡制成。
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