CN108333038A - 一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法 - Google Patents

一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法，它包括有上高温腔，中高温腔和下高温腔，腔中分别置有发热体可营造不同温度的高温环境，三个高温腔竖直串联，腔体间有密封隔热舱门。下高温腔体中有储气腔，可储存不同压强的气体，储气腔上有气源管道。中高温腔中有试件保持架，保持架内侧中间在圆周方向上有试件槽，可嵌入试件，试件上下端有试件固定块可固定试件。上高温腔中有导流圆筒。本发明的技术效果是：可实现陶瓷材料气体冲刷热冲击环境下的单面升降温热冲击实验，且升降温热冲击的初始温度和目标温度范围广，且可以营造不同的气氛；在实验过程中，一次冲刷热冲击过程可对多个试件进行实验，大大提高实验效率。

Description

一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料抗热冲击性能测试研究领域，具体涉及一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法。
背景技术
高温陶瓷材料因其良好的物理和化学稳定性，在高温、有氧等苛刻环境条件下仍能正常使用。目前的研究表明，高温陶瓷材料是最有可能满足高超声速飞行器热防护性能需求的材料体系之一。但是因为高温陶瓷材料固有的脆性，抗热冲击性能较差，热冲击是造成陶瓷材料破坏的主要原因之一。因此，抗热冲击性能是陶瓷材料性能的重要评价指标。目前关于陶瓷材料抗热冲击性能的研究工作大多以实验为主，且淬火剩余强度是确定其抗热冲击性能最为常见的试验方法。但是，在陶瓷材料作为高超声速飞行器热防护材料的实际使役历程中，遭受热冲击的主要模式为气体冲刷热冲击。且陶瓷材料覆盖飞行器表面，只有材料的外侧面遭受热冲击。此外，在高超声速飞行器长时间跨大气层机动飞行过程中，经历上升-巡航-下降、突防等过程，气动加热严重，常常会从一个高温突然变化到更高或者较低的温度遭遇升温热冲击或者降温热冲击，升/降温热冲击的初始温度和目标温度范围广。但是目前对于材料在此类热冲击环境下抗热冲击性能的研究还十分匮乏。因此，研究更符合实际使役历程的陶瓷材料抗热冲击性能十分重要且必要。此外，在传统超高温材料抗热冲击性能试验中，营造目标高温温度场环境需要的时间很长(实现1600℃以上环境通常>3h)，而且一般一次只能对一个试件进行试验，效率低，不能满足我国当前对超高温材料抗热冲击性能的研究和评价要求。
发明内容
针对现有技术中存在的实验表征方法不足和不符合陶瓷材料实际使役历程的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法，它能实现陶瓷材料的单面气体冲刷升降温热冲击试验，以便研究更接近陶瓷材料实际使役历程的热冲击行为。
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，它包括有上高温腔，中高温腔和下高温腔，腔中分别置有发热体可营造不同温度的高温环境，三个高温腔竖直串联，腔体之间有密封隔热舱门。下高温腔体中有储气腔，可储存不同压强的气体，储气腔上有气源管道。中高温腔上有泄压管道，内有试件保持架，保持架内侧中间在圆周方向上有试件槽，可嵌入试件，试件上下端有试件固定块可固定试件。上高温腔中有导流圆筒。
本发明的技术效果是：可实现陶瓷试件气体冲刷热冲击环境下的单面升降温热冲击实验，可实现的升降温热冲击初始温度和目标温度范围广，且可以营造不同的气体气氛；在实验过程中，一次冲刷热冲击过程可对多个试件进行实验，大大提高实验效率。此外，导流圆筒的设计可以使热冲击目标温度更加精确，热冲击效果更好。
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为本发明的外围结构框图。
图中：1、上高温腔，2、中高温腔，3、下高温腔，4、炉壁，5、发热体，6、导流圆筒外壁，7、密封隔热舱门，8、导流圆筒，9、试件，10、试件固定块，11、泄压管道，12、试件保持架，13、密封隔热舱门，14、舱门外罩，15、储气腔，16、气源管道。
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所示，本发明包括有上高温腔1，中高温腔2和下高温腔3，腔中分别置有发热体5可营造不同温度的高温环境，三个高温腔竖直串联，腔体之间有密封隔热舱门7和13。下高温腔体中有储气腔15，可储存不同压强的气体，储气腔上有气源管道16。中高温腔2上有泄压管道11，内有试件保持架12，保持架内侧中间在圆周方向上有试件槽，可嵌入试件9，试件上下端有试件固定块10可固定试件。上高温腔1中有导流圆筒8。
上述发热体5采用石墨电阻发热体；所述导流圆筒8采用储热性能较好的材料；试件固定块10采用石墨碳毡；试件保持架12采用高强石墨材料；储气腔15的材质为高温陶瓷。
如图1所示，本发明的上高温腔1，中高温腔2和下高温腔3在竖直方向上串联，高温腔之间有密封隔热舱门7和13，实现高温腔体的密封并隔绝腔体之间热环境的干扰。使用本专利时，先将导流圆筒8置于上高温腔1中，并关闭密封隔热舱门7。之后将试件9放置在试件保持架12内侧中间圆周方向上的试件槽中，并用试件固定块10将试件固定好，然后将试件保持架12固定在中高温腔2的底部中间。再打开密封隔热舱门13，进行洗气：通过气源管道16向储气腔15中充入气体(气体的种类根据不同的实验要求而定)，将储气腔15中残留的空气通过密封隔热舱门13中间通道和泄压管道11排出。将储气腔15中的空气排出后，关闭密封隔热舱门13，根据实验需求向储气腔15中充入一定压强的气体，之后密闭气源管道16。
启动外围的抽真空系统和气源系统，营造高温腔体的真空或惰性环境。根据实验需求，将上高温腔1和下高温腔3升温至热冲击目标温度，两个高温腔的环境温度相同。将中高温腔2的温度升温至热冲击初始温度。若热冲击目标温度高于热冲击初始温度，则可开展对材料的升温热冲击；若热冲击初始温度高于热冲击目标温度，则可开展对材料的降温热冲击。根据实验要求保温一定的时间，使试件的温度场均匀稳定。之后打开密封隔热舱门7，使导流圆筒8落下至试件保持架12的中部。同时，马上打开密封隔热舱门13，使储气腔15中的高温气体放出，经过试件9的外表面，完成对试件的冲刷热冲击过程。其中导流圆筒8采用储热性能较好的材料，其初始温度和高温气体的温度相同，避免因导流圆筒8造成高温气体热量的流失，进而避免了热冲击目标温度的降低和不确定性，可以使热冲击目标温度更加精确。此外，导流圆筒8的底部为圆锥形，且其外径略小于试件保持架的内径，可以对高温气体进行导流，使高温气体与试件充分接触，对试件进行热冲击。中高温腔2上有泄压管道，可以对中高温腔2进行泄压，使储气腔15中的大部分气体流出，充分对试件9进行冲刷热冲击。待热冲击过程完成之后，关闭加热系统，使系统冷却至室温，将试件取出进行材料抗热冲击性能表征。

Claims (3)

1.一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法，其特征是：包括有上高温腔(1)，中高温腔(2)和下高温腔(3)，腔中分别置有发热体(5)可营造不同温度的高温环境，三个高温腔竖直串联，腔体之间有密封隔热舱门(7)和(13)。下高温腔体中有储气腔(15)，可储存不同压强的气体，储气腔上有气源管道(16)。中高温腔(2)上有泄压管道(11)，内有试件保持架(12)，保持架内侧中间在圆周方向上有试件槽，可嵌入试件(9)，试件上下端有试件固定块(10)可固定试件。上高温腔(1)中有导流圆筒(8)。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法，其特征是：所述的发热体(5)采用石墨电阻发热体。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷材料单面气体冲刷升降温热冲击试验装置及方法，其特征是：所述的导流圆筒(8)采用储热性能较好的材料。
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