CN110702551A - 一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，包括石墨烯涂层加热模块、线性往复高温摩擦试验机构、以及真空密封箱体，其中线性往复高温摩擦试验机构包括上试样试验台和下试样试验台，上试样试验台用于夹持小球，下试样试验台用于夹持与小球构成运动副的摩擦试样，石墨烯涂层加热模块安装于摩擦试样的正下方，石墨烯涂层加热模块具有加热腔体，加热腔体中设有石墨烯涂层，用于直接快速加热摩擦试样至设定温度。本发明利用石墨烯薄膜高效的导热和导电性能，将通电后的石墨烯薄膜硅板作为发热源，并置于下试样夹具台下方，通过下试样夹具台对下试样进行局部加热，而无需加热整个密封箱体，具有加热快、效率高的特点。

Description

一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机

技术领域

本发明涉及摩擦试验设备领域，具体涉及一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机。

背景技术

试样的摩擦磨损试验是通过针对工件或制备试样的实际面，对摩擦的部位进行加速的摩擦磨损测试，以便在短时间内测试其摩擦系数和磨损率曲线，这对试样的应用研究起到较为关键的作用。

摩擦磨损试验在实际操作时，将待测试的两块试样放置在试验机上，并且两块试样的待测试面贴合，利用加压设备实施对其中一块试样进行加压，并且来回拉动试样，从而实现两个试样的来回摩擦，在设定的时间以及设定的压力下，记录试样摩擦系数与磨损量，从而来判断试样的摩擦学性能。

高温摩擦磨损试验机专门用于测试试样在高温苛刻工况下的摩擦磨损性能，试验过程中需要对摩擦试样进行加热，现有技术高温摩擦磨损试验机一般使用通电金属棒/丝作为高温加热炉的电阻发热源，对试验使用的密封箱体进行整体加热，这种加热方式存在加热速度慢、能耗大、效率低、加热时间长等缺点。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其将石墨烯涂层快速加热方式与常温线性往复摩擦试验机相结合，组成一种低成本、快速高效的高温摩擦试验机。

为此，本发明提出了一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，包括石墨烯涂层加热模块、线性往复高温摩擦试验机构、以及真空密封箱体，其中所述线性往复高温摩擦试验机构包括上试样试验台和下试样试验台，所述上试样试验台用于夹持小球，所述下试样试验台用于夹持与小球构成运动副的摩擦试样，所述石墨烯涂层加热模块安装于摩擦试样的正下方，所述石墨烯涂层加热模块具有加热腔体，所述加热腔体中设有石墨烯涂层，用于直接快速加热摩擦试样至设定温度。

进一步地，所述石墨烯涂层加热模块包括加热底座，所述加热底座中设有凹腔、在凹腔底部设置的石墨烯涂层硅板和分布在所述石墨烯涂层硅板相对两侧的电极片、用于沿凹腔四周压紧所述电极片和石墨烯涂层硅板的石英片、布置在所述石英片上的陶瓷纤维纸，其中，所述下试样夹具台的底面与所述陶瓷纤维纸压紧配合，所述加热底座上形成加热腔体。

进一步地，所述陶瓷纤维纸和所述石英片的厚度均为1mm，所述石墨烯涂层硅板与下试样夹具台底面之间距离小于2mm。

进一步地，所述凹腔为扁平的方形凹腔，所述石墨烯涂层硅板呈长方形，电极片为在长方形的两侧长边延伸的电极带。

进一步地，所述下试样夹具台上还设置有用于测量下试样上表面温度的电偶薄片温度传感器。

进一步地，所述加热底座为氧化铝陶瓷块。

进一步地，所述上样试验台包括上试样夹具和伺服加载机构，其中，所述伺服加载机构与所述上试样夹具之间设有三维力传感器，用于测试上试样试验过程中受的各向摩擦力，其中，所述伺服加载机构与所述上试样夹具连接，用于给下试样与上试样之间提供加载试验压力。

进一步地，所述下试样试验台包括下试样导热夹台、石墨烯涂层加热模块、以及线性往复机构，其中，所述线性往复机构一侧设有位移传感器，用于测量往复运动位移。

进一步地，所述下试样夹具台上还设置有用于测量摩擦试样上表面温度的电偶薄片温度传感器。

进一步地，所述密封箱体上设置有真空抽气阀和压力表。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)石墨烯涂层加热属于表面局部加热，期望只加热需要加热的部分-即摩擦运动副，设备大部分区域的温度较低；这样整个设备的设计难度显著降低，传统高温摩擦试验机整体加热对材料、密封、结构设计都要求很高；并且此种局部加热源可以很好地与外界隔热，因此设备的其他大部分区域温度仍然较低。

(2)石墨烯涂层加热效率高、速度快，显著提高实验效率，且节约能源；预期石墨烯涂层可以在5分钟之内加热到很高的温度(比如600度)，断电之后也会很快冷却下来，这样整个实验过程所需的时间大大缩短。

(3)传统高温摩擦试验机加热和冷却可能需要2-3小时，设计的石墨烯快速加热摩擦试验机预期只需20分钟以内。另外，传统高温摩擦机可能用几千瓦功率加热2-3小时，发明试验机则只需几百瓦加热20分钟，所以非常节省能源。

(4)热电偶薄片温度传感器置于摩擦试样的上表面，由热电偶薄片温度传感器对发热源功率形成反馈调节，可以实现仅对试样摩擦接触面形成预定温度的加热，而无需加热整个密封箱体，相比通过热辐射将整个密封箱体内温度都达到所需温度，具有局部加热、加热快、效率高的特点。

(5)密封箱体形成真空环境防止石墨烯涂层在高温下氧化，同时密闭真空环境减少核心加热部分对外散热，能够在较短时间内加热到高温。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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。在附图中：

图1为本发明的线性往复高温摩擦试验机中密封箱体的结构示意图一；

图2为本发明的线性往复高温摩擦试验机中密封箱体的结构示意图二；

图3为本发明的线性往复高温摩擦试验机中摩擦工作部分的结构示意图；

图4为本发明的线性往复高温摩擦试验机中位置调节机构的结构示意图；

图5为本发明的线性往复高温摩擦试验机中上试样夹具位置处的结构示意图；

图6为本发明的线性往复高温摩擦试验机中上试样夹具的内部结构示意图；

图7为本发明的线性往复高温摩擦试验机中石墨烯涂层加热模块和下试样夹具台的结构示意图；

图8为本发明的线性往复高温摩擦试验机中石墨烯涂层加热模块的结构示意图；

图9为本发明的线性往复高温摩擦试验机中石墨烯涂层加热模块和下试样夹具台的剖视图；以及

图10为本发明的线性往复高温摩擦试验机中线性往复机构的结构示意图。

附图标记说明

1、密封箱体；2、伺服加载机构；3、下试样夹具台；4、石墨烯涂层加热模块；5、线性往复机构；6、上试样夹具；7、薄片温度传感器；8、位移传感器；9、三维力传感器；100、摩擦试样；

11、上箱体；12、下箱体；13、底座；14、氮气出气阀；15、氮气进气口；16、压力表；17、真空抽气阀；

21、位置调节机构；22、伺服滑台；211、支撑板；212、定位螺钉；213、横梁；214、精密位移台；215、L型连接板；

41、石墨烯涂层硅板；42、电极片；43、加热底座；44、石英片；45、陶瓷纤维纸；46、隔热块；

51、伺服电机；52、联轴器；53、丝杠；54、往复滑移台；55、角度位移台；

61、弹性钢板；62、夹具体；63、夹紧销；64、夹具头。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1-图10示出了根据本发明的一些实施例。

结合图1～图10所示，本发明的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，包括密封箱体1、石墨烯涂层加热模块4、以及线性往复高温摩擦试验机构，该线性往复高温摩擦试验机构置于密封箱体1内，在真空环境下运行。

线性往复高温摩擦试验机构包括：主要由伺服加载机构2、上试样夹具6、三维力传感器9组成的上试样试验台，以及主要由下试样夹具台3、石墨烯涂层加热模块4、线性往复机构5、以及位移传感器8组成的下试样试验台。

其中，上试样夹具6用于装夹小球(上试样)，下试样夹具台3用于装夹与小球构成摩擦运动副的摩擦试样100(下试样)。

石墨烯涂层加热模块4安装于摩擦试样的正下方，形成加热腔体，加热腔体中设有能够表面局部加热的石墨烯涂层，用于直接快速加热摩擦试样100至设定温度。

其中，石墨烯涂层加热模块4、线性往复机构5依次设置在下试样夹具台3下侧，石墨烯涂层加热模块4产生的热量传导到下试样夹具台上，用于给下试样夹具台3上摩擦试样100加热，线性往复机构5设置在石墨烯涂层加热模块4底部，用于驱动摩擦试样100直线往复运动，实现上试样(小球)与下试样(摩擦试样)之间的摩擦。

其中，位移传感器8位于线性往复机构5一侧，用于测量往复运动位移数据，上试样夹具6用于装夹上试样，伺服加载机构2用于装夹上试样夹具6，所述伺服加载机构2与所述上试样夹具6之间设有三维力传感器9，用于测试上试样与下试样之间的摩擦力。其中，伺服电机通过控制导轨滑台的滑块上下移动，再通过三维力传感器9的反馈调节，实现实验所需加载。

具体地，如图7所示，下试样夹具台3上侧通过螺栓连接有压板，摩擦试样100放置在下试样夹具台3内，并通过压板固定，其中，下试样夹具台3上安装有电偶薄片温度传感器7，所述电偶薄片温度传感器7的前端紧贴摩擦试样100的上表面，在测试试验中可以精确的测量摩擦试样100上表面的温度。其中，下试样夹具台3材料为304不锈钢，导热性好且易加工，与石墨烯涂层存在一定的间隔，通过涂层的间隙导热和热辐射使其温度升高。

具体地，如图7、8、9所示，石墨烯涂层加热模块4包括加热底座43和安装在加热底座43凹腔内的石墨烯涂层硅板41，石墨烯涂层硅板41的涂层相对两侧连接有电极片42，并且引申至加热底座43，通电后石墨烯涂层硅板41产生热量，进而该凹腔构成加热腔体。其中，在石墨烯涂层硅板41上侧依次设置有石英片44和陶瓷纤维纸45，石英片44具有绝缘耐高温的特性，同时可以压紧电极片42；陶瓷纤维纸45具有柔韧耐高温的特性，可以消除结构材料热膨胀可能造成的影响。

其中，陶瓷纤维纸45和石英片44的厚度都为1mm，下试样夹具台3与陶瓷纤维纸45接触，陶瓷纤维纸45通过石英片44固定石墨烯涂层硅板41上，石墨烯涂层硅板41与下试样夹具台3底面之间距离小于2mm，通过热辐射加热下试样夹具台3。其中，加热底座43为氧化铝陶瓷材料，起绝缘和隔热作用。

具体地，如图1、2所示，密封箱体1由上箱体11、下箱体12和底座13组成，所述上箱体11与所述下箱体12铰接，且上箱体11或所述下箱体12上设置有密封圈，使密封箱体可以实现密封效果。

其中，在密封箱体1上设置了真空抽气阀17和压力表16，当石墨烯涂层加热模块对下试样加热时，密封箱体1会产生高温，高温容易引起爆炸，于是高温环境需要抽真空，真空抽气阀17可以有效降低密封箱体1内部压强，提高实验安全。其中，密封箱体上还设置了氮气进气口15和氮气出气阀14，摩擦实验结束需对密封箱体1内使用氮气冷却，使密封箱体1能够快速冷却。

具体地，如图3所示，伺服加载机构2包括伺服滑台22和位置调节机构21，伺服滑台22上安装上试样夹具6，伺服滑台22用于给装夹有上试样的上试样夹具6施加竖直方向的作用力，位置调节机构21用于调节上试样与下试样的接触位置。同时，上试样夹具6与伺服滑台22之间设置三维力传感器9，用于测试上试样与下试样之间的摩擦力。

在一实施例中，如图4所示，位置调节机构包括支撑板211、横梁213、精密位移台214、L型连接板215，两块支撑板211平行设置，支撑板211底部与底座13固定连接，支撑板211上端开设有燕尾槽，与横梁213底部安装的燕尾型滑块配合，实现横梁213在一定范围内的直线移动，为下试样夹具台操作提供一定的空间；其中，横梁213上还设置有定位螺钉212，支撑板211上设有若干定位槽，通过旋拧定位螺钉212定位横梁213。

其中，横梁213上安装有精密位移台214，精密位移台214实现x和y轴两个方向上小量程内的精确调节；所述精密位移台214上端安装有L型连接板，L型连接板用于将伺服滑台22固定安装在所述位置调节机构21上。

具体地，如图5所示，伺服滑台22包括伺服电机、导轨滑台，导轨滑台的导轨部分固定安装在所述L型连接板215上，导轨滑台的滑块部分与三维力传感器9连接，三维力传感器9再与上试样夹具6连接。

其中，如图6所示，上试样夹具6包括夹具体62、夹具头64、夹紧销63、以及弹性钢板61，其中，夹具体62通过弹性钢板61与三维力传感器9连接，夹具头64用于放置上试样，且夹具头64与夹具体62底部螺纹连接，夹紧销63位于夹具体62内，并与夹具体62螺纹连接，夹紧销63的底部顶住上试样球表面，起固定上试样的作用；在测试试验中只需旋拧下夹具头64即可换装上试样。

具体地，如图10所示，线性往复机构包括伺服电机51、联轴器52、丝杠53、往复滑移台54、以及方形滚轮导轨，伺服电机51通过联轴器52带动丝杠53转动，进而带动往复滑移台54在方形滚轮导轨上往复滑动，其中，方形滚轮导轨、伺服电机51均与底座固定连接。

在一些实施例中，如图1所示，为了减小密封箱体1内空间的占用，线性往复机构5往复运动的伺服电机51和测量往复运动位移的位移传感器8设置密封箱体1上。

在一些实施例中，往复滑移台54上端还设有角度位移台55，在安装下试样时，可使用简易水平仪检测试样上表面是否水平，适当调节角度位移台55，使摩擦试样100的上表面处于水平状态。

在一些实施例中，如图7所示，石墨烯涂层加热模块4底部还设置有隔热块46，隔热块46采用氧化铝陶瓷材料制成，用于减少石墨烯涂层加热模块4下侧传导，在减小石墨烯涂层加热模块4的能量损失的同时可以避免热量影响线性往复机构5的精度和使用寿命，此外，氧化铝陶瓷材料具有绝缘性，进一步使石墨烯涂层加热模块4与线性往复机构5产生绝缘效果，提高试验的安全性。

本发明的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机的工作过程如下：

首先，将上试样装夹在上试样夹具6上，将摩擦试样100装载在下试样夹具台3上，然后通过角度位移台55调节下试样夹具台3，使摩擦试样100的上表面处于水平状态，通过位置调节机构21调节上试样与下式样的接触的位置，通过伺服滑台22带动上试样夹具6上下移动给下试样施加压力，并通过三维力传感器9的反馈调节，使上试样与下试样能产生摩擦，实现实验所需加载。

然后，将上箱体11与下箱体12闭合上，并通过真空抽气阀17将密封箱体1内的气体抽到接近真空，再然后，将石墨烯涂层加热模块4上的电极片42与电源连接上，使石墨烯涂层硅板41产生热量，热量再辐射到摩擦试样100上，使下试样达到实验需要的温度，再打开线性往复机构5的伺服电机51的电源开关，使其带动下试样夹具台3上的下试样来回往复移动，与上试样产生摩擦；试验过程中，三维力传感器9用于检测并记录上试样的摩擦数据，位移传感器8用于测量线性往复机构5的往复移动数据，两个传感器将实验数据传输到电脑上，通过数据分析和计算，可以得出相关的摩擦数据。

最后，在试验数据测试完毕后，通过氮气进气口15向密封箱体内通入氮气，使密封箱体1快速降低常温状态，最后打开密封箱体1，将上试样、摩擦试样100取下完成，将各机构调整至原始状态，完成整个试验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，包括石墨烯涂层加热模块(4)、线性往复高温摩擦试验机构、以及真空密封箱体，其中

所述线性往复高温摩擦试验机构包括上试样试验台和下试样试验台，所述上试样试验台用于夹持小球，所述下试样试验台用于夹持与小球构成运动副的摩擦试样，

所述石墨烯涂层加热模块(4)安装于摩擦试样的正下方，所述石墨烯涂层加热模块(4)具有加热腔体，所述加热腔体中设有石墨烯涂层，用于直接快速加热摩擦试样至设定温度。

2.根据权利要求1所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述石墨烯涂层加热模块包括加热底座(43)，所述加热底座(43)中设有凹腔、在凹腔底部设置的石墨烯涂层硅板(41)和分布在所述石墨烯涂层硅板(41)相对两侧的电极片(42)、用于沿凹腔四周压紧所述电极片(42)和石墨烯涂层硅板(41)的石英片(44)、布置在所述石英片(44)上的陶瓷纤维纸(45)，其中，用于夹持摩擦试样的下试样夹具台(3)的底面与所述陶瓷纤维纸(45)压紧配合，所述加热底座(43)上形成加热腔体。

3.根据权利要求2所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述陶瓷纤维纸(45)和所述石英片(44)的厚度均为1mm，所述石墨烯涂层硅板(41)与下试样夹具台(3)底面之间距离小于2mm。

4.根据权利要求3所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述凹腔为扁平的方形凹腔，所述石墨烯涂层硅板(41)呈长方形，电极片为在长方形的两侧长边延伸的电极带。

5.根据权利要求2所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述下试样夹具台(3)上还设置有用于测量下试样(100)上表面温度的电偶薄片温度传感器(7)。

6.根据权利要求2所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述加热底座(43)为氧化铝陶瓷块。

7.根据权利要求1所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述上样试验台包括上试样夹具(6)和伺服加载机构(2)，其中，所述伺服加载机构(2)与所述上试样夹具(6)之间设有三维力传感器(9)，用于测试上试样试验过程中受的各向摩擦力，其中，所述伺服加载机构(2)与所述上试样夹具(6)连接，用于给下试样与上试样之间提供加载试验压力。

8.根据权利要求7所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述下试样试验台包括下试样导热夹台(3)、石墨烯涂层加热模块(4)、以及线性往复机构(5)，其中，所述线性往复机构(5)一侧设有位移传感器(8)，用于测量往复运动位移。

9.根据权利要求8所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述下试样夹具台(3)上还设置有用于测量摩擦试样上表面温度的电偶薄片温度传感器(7)。

10.根据权利要求1所述的石墨烯涂层快速加热的线性往复高温摩擦试验机，其特征在于，所述密封箱体(1)上设置有真空抽气阀(17)和压力表(16)。

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