CN108387476A - 大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置 - Google Patents

大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置 Download PDF

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李卫国
李莹
麻建坐
寇海波
陶勇
邵家兴
张先贺
邓勇
张续耀
董攀
张欣
徐念东
方岱宁
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N3/60—Investigating resistance of materials, e.g. refractory materials, to rapid heat changes

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置，它包括有放置大尺寸试件/结构件的试件放置腔(2)，其中放置有试件保持架(3)，它由高强石墨支架(9)，隔热碳毡(10)，石墨纸(11)，大尺寸试件(13)组成。试件保持架(3)放置于试件放置腔(2)与可实现多样性复杂热环境的环境状态控制腔(7)间密封隔热舱门(4)之上。通过实现环境状态控制腔(7)内不同热环境，再打开两个腔间的密封隔热舱门(4)，可实现环境模块空间的快速扩展，对处于扩展空间的大尺寸试件(13)实现热冲击。本发明的优点是：针对一定大尺寸试件/结构件的热冲击试验，可提高实验效率，且无机械冲击影响；在遭受热冲击过程中表面加热均匀，能准确控制热冲击试件的目标温度。

Description

大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置
技术领域
本发明涉及抗热冲击性能试验领域，具体涉及一种大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置。
背景技术
近年来，我国航空航天事业不断取得重大突破，国防与军事力量逐渐强大，这些都离不开高温材料研发与表征手段的迅猛发展。对用于载人航天、深空探测飞行器、弹箭等高超音速飞行器热防护系统及发动机热端部件的超高温材料，在其使役历程中常常面临着复杂多样的热环境。以作为高超声速飞行器热防护材料的超高温陶瓷为例，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，且作为结构的一部分受到结构其它部分的约束作用，致使其在使役历程中经受多样性复杂的热冲击环境。由高温透波陶瓷材料制成的红外窗口是保护导弹等高超声速飞行器在恶劣环境下通讯、遥测、制导等系统正常工作的必要部件。各类高超声速飞行器的红外窗口材料板(目前常见约200*200*16mm)在实际使役历程中也常面临复杂多样的热冲击环境。但是，高温陶瓷材料因为本身的脆性，在其面临的多样性复杂热环境中，抗热冲击性能较差，且热冲击破坏是高温陶瓷材料的主要失效形式。因此，如何表征及提高诸如红外窗口材料板等相关大尺寸试件/结构件等超高温陶瓷材料抗热冲击性能一直是超高温陶瓷领域研究的重点和热点，且其抗热冲击性能的实验测试与表征，对于各类高超声速飞行器的设计、制造和服役可靠性等都具有十分重要的意义。
在目前，对于常规陶瓷材料试件的抗热冲击性能的测试方法主要包括氢氧喷射加热、电弧喷射加热、电加热、氧乙炔火焰加热、激光加热及电弧风洞等。其中，氢氧喷射加热、电弧喷射加热、电加热、氧乙炔火焰加热因成本低且易操作等优点而被广泛应用。激光加热因其加热面积较小而常不被使用。电弧风洞因其成本极高和结构复杂限制了其应用。并且，利用上述常用技术方法进行陶瓷材料试件的热冲击试验时会存在以下问题：
1、试件表面加热不均匀：加热过程中，试件表面几何中心部位先急剧升温，导致试件表面温度分布极不均匀。由于试件表面温度分布不均匀，难以直接确定试件表面温度；
2、热冲击目标温度难以控制；
3、可实现的热冲击环境十分有限，实际使役历程中存在的诸多重要因素还无法考虑。
以上问题在采用上述热冲击试验方法进行大尺寸试件/结构件的热冲击试验时尤其显著，相关热冲击试验较为困难，甚至是难以开展。这也使得试验过程中实验数据会出现很大的分散性及误差，导致实验结果难以合理表征大尺寸试件/结构件的抗热冲击性能。因此，目前还没有一种实用、可靠的大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置。
发明内容
鉴于现有技术方法中存在的技术问题，本发明所要提供的是一种用于大尺寸试件/结构件的抗热冲击性能测试装置。针对一定尺寸试件/结构件运动难以控制的问题，设计结构件静止而环境模块空间快速扩展的方式实现热冲击过程，可提高实验效率，同时可有效克服常规抗热冲击性能试验方法存在的能实现的特定热冲击目标温度范围有限及加热不均匀等缺点。本发明测试装置能够实施不同温度、不同稀薄程度、不同氧分压、保护气等多样性复杂热环境下大尺寸试件/结构件的热冲击试验，且大尺寸试件/结构件在遭受热冲击过程中表面加热均匀，能准确控制热冲击试件的目标温度。
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，它包括温控及检测系统，试件放置腔，试件放置腔内有试件保持架，试件保持架由位于外沿的高强石墨支架，内层的隔热碳毡，底面的石墨纸组成，钼丝呈十字形交叉置于试件保持架的端口，大尺寸试件放置于钼丝所成网格上。试件保持架的下方安装有密封隔热舱门，密封隔热舱门下面放置环境状态控制腔，环境状态控制腔内设置有加热炉，加热炉内有储气腔，在环境状态控制腔下方安装有气源控制系统。环境状态控制腔为高温加热模块，可实现最高温度高达3000℃的温度环境，并且配有独立的加热设备、测温设备、测压设备、充气设备，可分别实现不同温度、不同稀薄程度、不同氧分压、保护气等多样性复杂热环境。环境状态控制腔可为大尺寸试件/结构件实现不同的热冲击目标温度。通过实现环境状态控制腔内不同的热环境，再打开两腔间的密封隔热舱门，可实现环境模块空间的快速扩展，对处于扩展空间内的大尺寸试件/结构件实现热冲击。
本发明的技术效果是：针对一定大尺寸试件/结构件的热冲击试验，设计结构件静止而环境模块空间快速扩展的方式实现热冲击过程，可提高实验效率，且无机械冲击影响。该热冲击实现技术能够实施不同温度、不同稀薄程度、不同氧分压、保护气等多样性复杂热环境下大尺寸试件/结构件的热冲击试验，且大尺寸试件/结构件在遭受热冲击过程中表面加热均匀，能准确控制热冲击试件的目标温度。
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为试件保持架的局部放大图；
图中：1、温控及检测系统，2、试件放置腔，3、试件保持架，4、密封隔热舱门，5、储气腔，6、加热炉，7、环境状态控制腔，8、气源控制系统，9、高强石墨支架，10、隔热碳毡，11、石墨纸，12、钼丝，13、大尺寸试件。
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和图2所示，本发明包括温控及检测系统1，试件放置腔2，试件放置腔2内有试件保持架3，试件保持架3由位于外沿的高强石墨支架9，内层的隔热碳毡10，底面的石墨纸11组成，钼丝12呈十字形交叉置于试件保持架3的端口，大尺寸试件13放置于钼丝12所成网格上。试件保持架3的下方安装有密封隔热舱门4，密封隔热舱门4下面放置环境状态控制腔7，环境状态控制腔7内设置有加热炉6，加热炉6内有储气腔5，在环境状态控制腔7下方安装有气源控制系统8。
如图1和图2所示，使用本发明技术时：
1、先将大尺寸试件13放置于试件保持架3中钼丝12所成的十字形网格上，此过程需将大尺寸试件稳定的放置于钼丝网上，以避免大尺寸试件在试验过程中的扰动对试验结果的影响。然后将放置大尺寸试件13的试件保持架3置于上部的试件放置腔2内的底座上，该底座中间有适当大小的圆孔以保证环境状态控制腔7内的环境介质充分地流动进入到试件放置腔2内。
2、启动加热系统，温控及检测系统1，气源控制系统8，加热炉6开始加热，待气源控制系统8及加热系统对环境状态控制腔内营造出试验所需热环境后，进行保温，保温时间根据实验要求而定。
3、打开密封隔热舱门4，环境状态控制腔7营造的热环境通过试件放置腔2底座上的圆孔快速扩展到试件放置腔2。且试件放置腔2与环境状态控制腔7相比较小，可使环境介质通过空间快速扩展充满整个试件放置腔2，在环境介质充分充满试件放置腔2后，保温一段时间，具体保温时间根据实验要求而定，最后停止加热。大尺寸试件的热冲击完成后，将试件取出进行后续抗热冲击性能表征等力学实验。

Claims (1)

1.一种大尺寸试件/结构件抗热冲击性能测试装置，包括温控及检测系统(1)，试件放置腔(2)，试件放置腔(2)内有试件保持架(3)，试件保持架(3)由位于外沿的高强石墨支架(9)，内层的隔热碳毡(10)，底面的石墨纸(11)组成，钼丝(12)呈十字形交叉置于试件保持架(3)的端口，大尺寸试件(13)放置于钼丝(12)所成网格上。试件保持架(3)的下方安装有密封隔热舱门(4)，密封隔热舱门(4)下面放置环境状态控制腔(7)，环境状态控制腔(7)内设置有加热炉(6)，加热炉(6)内有储气腔(5)，在环境状态控制腔(7)下方安装有气源控制系统(8)。
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