CN110031327A - 复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料高温力学性能‑升温率相关性参数测试系统及方法。本发明基于激光双面辐照加热的方式，克服了现有的测试系统存在的升温速率慢、升温速率不恒定、测试温度范围小等缺陷。该系统包括激光器、微透镜阵列、准直透镜、光阑、全反射镜、测温装置、温控伺服系统和万能试验机；采用激光双面辐照对试件进行加热，用测温装置测试试件表面的温度，温度数据以电流信号的方式输出给温控伺服系统，温控伺服系统经过计算控制激光器的电流增大或减小，实现对激光器输出功率的调节。

Description

复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统及方法
技术领域
本发明属于力学测试领域，涉及一种复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统及方法。
背景技术
复合材料以其极好的比强度、比刚度在航空航天领域得到了广泛应用。这类材料经常工作在高温、高温升速率的极端环境下，例如高超声速飞行器上的复合材料在执行任务时会被瞬间加热到1200℃。因此，复合材料在高升温率下的高温力学性能得到了研究人员的广泛关注。
目前，针对绝缘的复合材料高温力学性能测试一般采用加热炉加热的方式进行，但是这种加热方式虽然可以实现某温度下的力学性能测试，但是其最高升温率一般只有为20℃/min，不能模拟极端环境下材料的高温力学性能测试。
另外还有基于激光加热的力学测试系统，虽然升温速率比较高，但是升温率一直在变化，不能实现某个确定升温率下的高温力学性能测试。
因此迫切需要研制一种针对复合材料在确定升温率下的高温力学性能测试系统。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统及方法，其基于激光双面辐照加热的方式，克服了现有的测试系统存在的升温速率慢、升温速率不恒定、测试温度范围小等缺陷。
本发明解决上述问题的基本原理是：
采用激光双面辐照对试件进行加热，用测温装置测试试件表面的温度，温度数据以电流信号的方式输出给温控伺服系统，温控伺服系统经过计算控制激光器的电流增大或减小，实现对激光器输出功率的调节。具体调节过程为：当温升速率较高时，降低激光功率密度；当温升速率较低时，提高激光功率密度。当温度达到设定温度值时，调节激光器功率，使试件的力学测试区域处于热平衡状态，同时万能试验机施加载荷，实现对试件高温力学性能的测试。
本发明解决上述问题的技术方案是：
本发明提供了一种复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统包括：激光器、微透镜阵列、准直透镜、光阑、全反射镜、测温装置、温控伺服系统和万能试验机；
万能试验机上安装试件；
激光器发射的辐照激光光路上依次设置微透镜阵列、准直透镜以及光阑；辐照激光通过光阑的通光口后，一半的激光光斑直接辐照到试件的前表面，另一半被经全反射镜镜反射到试件的后表面；
测温装置用于探测试件在辐照激光作用下的温升，其包括一个高温双色测温计和一个低温双色测温计；
温控伺服系统分别与所述测温装置、激光器电连接。
进一步地，上述微透镜阵列的数量为两个。
进一步地，上述两个微透镜阵列规格相同，形状为正方形，微透镜阵列的各单元为方形小透镜，方形小透镜曲率半径范围为50mm～120mm。
进一步地，上述低温双色测温计测试常温至400℃区域内的温度，高温双色测温计测试400℃～1800℃区域内的温度。
进一步地，上述半导体激光器的功率范围为100W～3000W且连续可调。
进一步地，上述温控伺服系统采用计算机或微处理器。
同时，本发明基于上述系统还提供了一种针对复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试方法，包括以下步骤：
1)双面加热；
对激光器发出的辐照激光先经过微透镜阵列进行匀化，然后再经准直透镜整形为均匀的准直光，辐照激光通过光阑的通光口准直后，一半的激光光斑直接辐照到试件的前表面，另一半被经全反射镜镜反射到试件的后表面，从而实现对试件的双面加热；
2)测量温升；
利用低温双色测温计和高温双色测温计分别监测试件在辐照激光下的温升，并将温升数据上传至温控伺服系统；
3)调节激光器输出功率，以固定升温率升温；
温控伺服系统通过对温升数据的计算处理后，输出控制信号给激光器，调节激光器工作电流，进而调节激光器输出功率，实现试件以固定的升温率升温；
4)调节激光器输出功率，保持试件温度恒定；
当试件温度达到设定温度后，低温双色测温计和高温双色测温计继续探测试件的温度，温度信号输出给温控伺服系统；温控伺服系统通过对温度信号计算处理后，输出控制信号给激光器，调节激光器工作电流，进而调节激光器输出功率，保证试件的力学性能测试区域的温度保持恒定；
5)启动万能试验机对试件进行力学加载，从而对试件在准确温度下的拉伸、压缩测试，实现在固定的升温率下对试件力学参数的测试；所述力学参数包括材料强度、弹性模量、泊松比。
进一步地，步骤1中辐照激光通过光阑的通光口准直后其半发散角小于0.1mrad。
本发明的有益效果是：
本发明基于激光双面辐照加热，以及结合温控伺服系统、测温装置和激光器构成的闭环调节方式对复合材料的力学性能进行测试，不仅升温速度快，且试件温度均匀性好，同时实现了高升温率下的材料力学性能测试，并且升温过程中升温率恒定且升温率可调。
附图说明
图1是本发明测试系统的结构简图。
附图标记如下：
1、激光器；2、测温装置；201、低温双色测温计；202、高温双色测温计；3、微透镜阵列；301、第一微透镜阵列；302、第二微透镜阵列；4、准直透镜；5、光阑；6、万能试验机；7、全反射镜；8、试件；9、温控伺服系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明提供一种复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统的具体示例，该系统包括激光器1、测温装置2、微透镜阵列3、准直透镜4、光阑5、万能试验机6、全反射镜7以及温控伺服系统9；
在本实施例中，优选的，
激光器1采用半导体激光器，其激光出光功率与电流成正相关。功率范围为100W～1000W且功率连续可调。激光器1的输出功率受温控伺服系统的控制。
测温装置2的数量为两个，分为低温双色测量计201和高温双色测量计202，其中，低温双色测温计201测试常温至400℃区域内的温度，高温双色测温计202测试400℃～1800℃区域内的温度。低温双色测量计201和高温双色测量计202测量的温度信号输出至温控伺服系统，温控伺服系统控制激光器1的输出功率，保证试件温度按照设定升温率升高到指定温度。
微透镜阵列3的数量为两个，分为第一微透镜阵列301和第二微透镜阵列302；第一微透镜阵列301与第二微透镜阵列302规格相同，且均为正方形，边长尺寸为10mm×10mm，第一微透镜阵列301与第二微透镜阵列302的阵列单元均采用尺寸为1015mm的方形小透镜，方形小透镜曲率半径范围为50mm～120mm，推荐使用70mm。
准直透镜4直径范围20mm～200mm，焦距范围0.2m～5m。
全反射镜7直径范围20mm～200mm，全反射镜7的反射率不低于0.995。
试件8为复合材料，形状为长条状，试件8的长150mm—250mm，宽1—15mm，厚0.1mm～1mm。
温控伺服系统9采用计算机。
激光器1用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列301、第二微透镜阵列302、准直透镜4和光阑5，从光阑5通光孔出来的辐照激光光束一半直接辐照到试件8的前表面，另一半被全反射镜7反射到试件8的后表面。测温装置2探测的温度数据以电流信号的方式输出给温控伺服系统9，温控伺服系统9经过计算控制激光器1的电流增大或减小，实现对激光器1输出功率的调节。具体调节过程为：当温升速率较高时，降低激光功率密度；当温升速率较低时，提高激光功率密度。当温度达到设定温度值时，调节激光器功率，使试件的力学测试区域处于热平衡状态，同时万能试验机施加载荷，实现对试件高温力学性能的测试。
基于上述复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统一种实施例的结构描述，现对采用该系统进行测试的方法进行介绍，主要包括以下步骤：
1)对激光器1发出的激光光束先经过微透镜阵列3进行匀化，然后再经z准直透镜4整形为均匀的准直光，要求准直光束的半发散角小于0.1mrad，再利用光阑5对准直光进行限定，限定后的准直光宽度为试件8宽度的两倍；被光阑5限定的激光光束再经过全反射镜7反射到试件8的后表面；形成前后表面同时、均匀辐照；
2)利用低温双色测温计201和高温双色测温计202分别监测试件8表面在激光辐照下的温升，温升信号输出给温控伺服系统9；温控伺服系统9通过对温升信号计算处理后，输出控制信号给激光器1，调节激光器1工作电流，进而调节激光器输出功率，实现试件8以某个固定的升温率升温；
3)当试件温度达到设定温度后，低温双色测温计201和高温双色测温计202继续监测试件8的温度，温度信号输出给温控伺服系统9；温控伺服系统9通过对温度信号计算处理后，输出控制信号给激光器，调节激光器工作电流，进而调节激光器输出功率，保证试件的力学性能测试区域的温度保持恒定；
4)试件8温度达到恒定后，利用万能试验机6对试件8进行力学加载，可以实现对复合材料在准确温度下的拉伸、压缩测试，实现在某个固定的升温率下对材料强度、弹性模量、泊松比等力学参数的测试。

Claims (8)

1.一种复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统，其特征在于：包括激光器、微透镜阵列、准直透镜、光阑、全反射镜、测温装置、温控伺服系统和万能试验机；
万能试验机上安装试件；
激光器发射的辐照激光光路上依次设置微透镜阵列、准直透镜以及光阑；辐照激光通过光阑的通光口后，一半的激光光斑直接辐照到试件的前表面，另一半被经全反射镜反射到试件的后表面；
测温装置用于探测试件在辐照激光作用下的温升，其包括一个高温双色测温计和一个低温双色测温计；
温控伺服系统分别与所述测温装置、激光器电连接。
2.根据权利要求1所述的复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统，其特征在于：所述微透镜阵列的数量为两个。
3.根据权利要求2所述的复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统，其特征在于：两个微透镜阵列规格相同，形状为正方形，微透镜阵列的各单元为方形小透镜，方形小透镜曲率半径范围为50mm～120mm。
4.根据权利要求1所述的复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统，其特征在于：所述低温双色测温计测试常温至400℃区域内的温度，高温双色测温计测试400℃～1800℃区域内的温度。
5.根据权利要求1所述的复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统，其特征在于：所述激光器的功率范围为100W～3000W且连续可调。
6.根据权利要求1所述的复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试系统，其特征在于：所述温控伺服系统采用计算机或微处理器。
7.一种复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的测试系统，具体通过以下步骤实现测试：
1)双面加热；
对激光器发出的辐照激光先经过微透镜阵列进行匀化，然后再经准直透镜整形为均匀的准直光，辐照激光通过光阑的通光口准直后，一半的激光光斑直接辐照到试件的前表面，另一半被经全反射镜反射到试件的后表面，从而实现对试件进行双面加热；
2)测量温升；
利用低温双色测温计和高温双色测温计分别监测试件在辐照激光下的温升，并将温升数据上传至温控伺服系统；
3)调节激光器输出功率，以固定升温率升温；
温控伺服系统通过对温升数据的计算处理后，输出控制信号给激光器，调节激光器工作电流，进而调节激光器输出功率，实现试件以固定的升温率升温；
4)调节激光器输出功率，保持试件温度恒定；
当试件温度达到设定温度后，低温双色测温计和高温双色测温计继续探测试件的温度，温度信号输出给温控伺服系统；温控伺服系统通过对温度信号计算处理后，输出控制信号给激光器，调节激光器工作电流，进而调节激光器输出功率，保证试件的力学性能测试区域的温度保持恒定；
5)启动万能试验机对试件进行力学加载，从而对试件在准确温度下的拉伸、压缩测试，实现在固定的升温率下对试件力学参数的测试；所述力学参数包括材料强度、弹性模量、泊松比。
8.根据权利要求7所述的复合材料高温力学性能-升温率相关性参数测试方法，其特征在于：所述步骤1)中辐照激光通过光阑的通光口准直后其半发散角小于0.1mrad。
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