CN110784947A - 一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置及加热方法 - Google Patents

一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置及加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及平板撞击实验技术领域，具体涉及一种加热装置及方法。一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置及加热方法，包括：导热托盘以及加热线圈；导热托盘沿轴心设有通孔；在导热托盘上还设有与通孔同轴的环形槽；加热线圈缠绕在环形槽内。加热线圈与温度调节电路相连，在进行平板撞击实验前通过加热线圈对样品区域进行加热。本装置能够有效加热样品并进行平板撞击实验，整体结构小、结构简单；在有效加热样品的同时，不影响平板撞击实验以及测速系统的使用。

Description

一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置及加热方法
技术领域
本发明涉及平板撞击实验技术领域，具体涉及一种加热装置及加热方法。
背景技术
含能材料的动态行为对于其点火过程和爆轰过程具有至关重要的影响。平板撞击实验广泛用于研究含能材料的动态力学响应和变形机制，而初始温度T0是研究含能单晶的重要参量。初始温度的差异会直接影响含能材料的动态力学响应和变形机制。因此，利用平板撞击实验研究含能材料在不同初始温度下的动态力学响应是十分重要的。
目前，常温下的平板撞击实验是通过轻气炮驱动飞片撞击靶板系统，靶板系统结构如图1所示，中部设有通孔的环氧树脂托盘固定在法兰上，样品的两侧分别通过胶水粘接在砧板和窗口上，砧板-样品-窗口侧向粘接在环氧树脂托盘的通孔内；飞片正面撞击砧板。
常温下的平板撞击实验缺少加热装置。试验时样品尺寸很小，有效加热区在样品边侧较近区域，运用类似于霍普金森压杆实验的加热炉装置在加热时加热面积过大，有效加热区域较小，热量损失严重，加热效率低，并且靶板室的配合法兰结构复杂导致加热炉内部结构复杂，不易设计制造，制造成本高。因此，加热炉装置无法实现在不影响平板撞击实验对样品的加热升温。
公开号为CN204882213U的中国专利申请公开了一种用于动态加载过程前样品升温的加载结构。该加载结构包括：限位框架，限位框架通过多个固定螺杆固定在电极板上，在限位框架上设置有悬挂在样品上方的限位杆，限位杆的底部末端设置有作用在样品上的限位垫圈，在限位垫圈与限位框架之间的限位杆外侧套装有加压弹簧。固定好样品后，通过给样品施加持续的压力，使得升温过程中，胶水溶化后，可以从夹层中挤出，而此时样品还保持原来的位置，由于持续的施加压力，样品与表面抛光平整的电极板之间、样品与表面抛光的Li-F窗口之间消除了间隙，避免了位移的发生，从而达到提高加载质量的目的。
对于上述限位式动态加载升温加热结构而言，由于飞片需要正面撞击砧板-样品-窗口，并且整个环氧树脂中间是贯通的，胶水溶化后，没有基座对电极板进行固定依然会滑动，故在平板撞击实验中上述限位式动态加载升温加热结构无法达到使用效果。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种用于平板撞击实验过程前对样品升温的加热装置。
本发明的技术方案是：一种用于平板撞击实验过程前对样品升温的加热装置，
平板撞击实验通过驱动飞片撞击靶板系统；所述靶板系统包括：法兰和样品组件，所述样品组件包括：样品以及设置在所述样品两相对侧的砧板和窗口；所述砧板所在侧正对所述飞片；
所述用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置包括：导热托盘以及加热线圈；
所述导热托盘中间设置有轴向通孔，所述样品组件固定在该轴向通孔内；在所述导热托盘上设有一个以上与所述轴向通孔同轴的环形槽，一个以上所述环形槽沿所述导热托盘的径向分布；所述加热线圈缠绕在所述环形槽内，用于加热所述样品。
进一步的，所述轴向通孔包括：圆孔段与锥形孔段，所述锥形孔段的小端与圆孔段相连；所述样品组件位于所述圆孔段内。
进一步的，所述导热托盘为一端设置有轴肩的柱形结构，所述轴肩端用于和所述靶板系统中的法兰连接。
进一步的，令所述导热托盘与所述飞片相对的一端为前端，另一端为后端；在所述导热托盘的后端面上设有一个以上与其轴向通孔同轴的环形槽，所述环形槽在导热托盘内部延伸至所述样品所在深度位置。
进一步的，在所述导热托盘的径向上离所述样品组件越近的环形槽内的加热线圈的缠绕密度越高。
进一步的，所述砧板通过耐热胶水环向胶粘于所述轴向通孔内，所述砧板的外侧端面与所述导热托盘端面平齐；所述砧板的内侧端面通过耐热胶水粘接样品；所述样品的另一侧通过耐热胶水粘接窗口，所述窗口通过耐热胶水环向胶粘于所述轴向通孔内。
进一步的，所述导热托盘的轴向通孔内对应所述样品的位置处设有热电偶键槽；所述热电偶键槽内设置有热电偶，所述热电偶的探头与所述样品接触，用于实时监测所述样品的温度。
此外，本发明提供一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热方法：
A.在所述导热托盘的环形槽内缠绕加热线圈；
B.将缠绕好加热线圈的导热托盘放置在水平基准台上，然后将样品组件安装在所述导热托盘的轴向通孔内，在导热托盘的热电偶键槽内放置热电偶使热电偶探头接触样品；将所述导热托盘安装在所述靶板系统的法兰上；
C.所述热电偶将检测的样品温度实时发送给温控仪，所述温控仪上设置有设定的试验温度；所述加热线圈对样品加热的过程中，所述热电偶实时反馈样品温度，所述温控仪依据热电偶所反馈的样品的温度控制加热线圈的电源模块：当热电偶所反馈的样品温度与设定的试验温度一致时，断开加热线圈的电源模块；当热电偶所反馈的样品温度低于设定的试验温度时，打开加热线圈的电源模块，同时调节所述电源模块的功率能够控制样品的温升速率。
有益效果：
(1)将该加热装置用在靶板系统上，能够有效加热样品并进行平板撞击实验，整体结构小、结构简单易于制造；在有效加热样品的同时，不影响平板撞击实验以及测速系统的使用；且整个加热结构能够很好的与靶板系统法兰相配合。
(2)该加热装置的托盘采用具有多凹槽的导热托盘，能够提高加热效率，多凹槽缠绕加热线圈保证加热功率；在结合传统的砧板-样品-窗口结构上设计，让加热电阻丝功率达到要求，并且尽量使内侧的加热线圈缠绕密度高，从而加热效率增高达到实验要求。
(3)导热托盘的轴向通孔设计为包括圆孔段与锥形孔段两部分，可以使内侧缠绕的加热线圈对样品有效加热，避免多缠绕加热线圈降低加热效率，同时能够使加热线圈离样品组件后方的测速系统等相关装置较远，并且不影响测速系统等相关装置使用。
(4)在进行平板撞击实验前通过加热线圈对样品区域进行加热，在温控仪上设置试验温度，温控仪利用热电偶监测样品温升情况并反馈到加热线圈的电源模块，调节电源模块的功率可控制温升速率，保证能够进行平板撞击实验的前提下，实现升温大小和速率可控。
附图说明
图1为背景技术中所述的靶板系统的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
其中：1-导热托盘、2-加热线圈、3-飞片、4-砧板、5-样品、6-热电偶键槽、7-窗口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，在实现对样品加热，改变样品初始温度的同时不影响平板撞击实验的进行。
考虑该加热装置的使用环境，要求加热装置必须结构简单，尺寸较小，能与靶板室法兰配合，满足所需的加热功率；而满足一定的加热功率需要缠绕一定的加热线圈，加热结构需要足够的截面长度。考虑样品的厚度较薄，有效加热区域小，以及测试系统装置与靶板室的法兰较近，加热结构不能妨碍到测试系统，故截面长度不能过长。因此，所设计的加热装置需要在满足上述条件下，不影响平板撞击实验以及测速系统的使用的前提下有效加热样品。
基于上述条件，所设计的加热装置如图2所示，包括：导热托盘1以及加热线圈2；
导热托盘1采用具备导热性能的材质，如铝；为使该装置能够很好的与轻气炮相配合，导热托盘1为一端设置有轴肩的柱形结构，其轴肩端能够方便与轻气炮中的法兰相连接；
导热托盘1中心设置有轴向通孔；令导热托盘1轴肩所在端为前端，另一端为后端；导热托盘1轴向通孔的前端为放置样品5的区域；在导热托盘1的后端面上设有一个以上与其轴向通孔同轴的环形槽(如图2所示的两个环形槽)，环形槽在导热托盘1内部延伸至样品5所在深度位置；加热线圈2缠绕在环形槽内。加热线圈2与温度调节电路相连，在进行平板撞击实验前通过加热线圈2对样品5进行加热。
样品5在导热托盘1轴向通孔内的固定方式为：砧板4通过耐热胶水环向胶粘于导热托盘1的轴向通孔内，砧板4的外侧端面与导热托盘1的前端端面平齐；砧板4的内侧端面通过耐热胶水粘接样品5；样品5的另一侧通过耐热胶水粘接窗口7。使用时，飞片3正面面对砧板4。耐热胶水应选用能够在200℃以下稳定使用的胶水，由此不会发生因胶水溶化导致材料发生错位的现象。
进一步的，上述导热托盘1的轴向通孔包括圆孔段与锥形孔段两部分；轴肩所在端为圆孔段，另一端为锥形孔段，锥形孔段的小端与圆孔段相连；砧板4-样品5-窗口7形成的整体位于圆孔段；锥形孔段使加热线圈2离导热托盘1内部没有样品的区域较远，不影响后续测速系统等相关装置的使用。
进一步的，在每个环形槽内可设计多层缠绕加热线圈2以保证加热功率，考虑到温度过高会使电阻丝烧断，故将每个环形槽设有内外两圈，缠绕线圈为两层，且内侧环形槽内加热线圈2的缠绕密度大于外侧环形槽内加热线圈的缠绕密度。
实施例2：
在实施例1的基础上，为有效加热样品5至设定的初始温度，导热托盘1的轴向通孔内对应样品5的位置处设有热电偶键槽6；热电偶键槽6内设置有热电偶，热电偶的探头与样品5接触，通过热电偶检测并反馈样品5温度。依据热电偶所反馈的样品5的温度控制加热线圈2的电源模块，当热电偶所反馈的样品5的温度与设定的初始温度一致时，断开加热线圈2的电源模块；当热电偶所反馈的样品5的温度低于设定的初始温度时，打开加热线圈2的电源模块，从而使样品5能够保持在恒定的初始温度。
由于实验时初始温度一般在200℃以下，耐热胶水应选用能够在200℃以下稳定使用的胶水，如道康宁184胶水；故上述方案中，具体的，砧板4通过道康宁184胶水胶粘于通孔内；样品5的内外侧通过道康宁184胶水与砧板4、窗口7粘接；热电偶通过道康宁184胶水胶粘于热电偶键槽6内。由此不会发生因胶水溶化导致材料发生错位的现象。
实施例3：
在实施例2的基础上，对加热装置的具体安装、工作过程加以说明：
A.在导热托盘1的环形槽内缠绕加热线圈2：将加热线圈2依次从内侧环形槽缠绕至外侧环形槽，考虑到温度过高会使加热线圈2烧断所以缠绕线圈为两层；
B.首先将缠绕好加热线圈2的导热托盘1放置在水平基准台上，然后将砧板4放入导热托盘1的圆孔段内，使用耐热胶水将砧板4侧向粘接在圆孔段内，在砧板4上用耐热胶水粘接样品5，在热电偶键槽6放置热电偶使热电偶探头接触样品5，并用耐热胶水固定热电偶，在样品5上再用耐热胶水粘接窗口7；
C.在窗口7上面放置重物压紧并静置5分钟，其作用是挤压耐热胶水，使砧板4、样品5以及窗口7之间充满胶水，并保证各个部件的接触面是平面接触。之后，取下重物，用胶水粘接窗口7和导热托盘1内侧；由此构成具有加热装置的靶板系统；
D.静置24小时，待耐热胶水固化后，将整个靶板系统安装在加载系统法兰上，在温控仪上设置试验温度，通过加热线圈2对样品区域加热，同时利用热电偶监测反馈样品5温度，为保证样品区域温度的均匀性，调节加热线圈2电源模块的功率使温升过程尽可能平缓；热电偶监测反馈温度上升情况，并控制加热线圈2电源模块的通断，温度上升回落在试验温度，从而达到可控升温目的。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，所述平板撞击实验通过驱动飞片(3)撞击靶板系统；所述靶板系统包括：法兰和样品组件，所述样品组件包括：样品(5)以及设置在所述样品(5)两相对侧的砧板(4)和窗口(7)；所述砧板(4)所在侧正对所述飞片(3)；
其特征在于，所述加热装置包括：导热托盘(1)以及加热线圈(2)；
所述导热托盘(1)中间设置有轴向通孔，所述样品组件固定在该轴向通孔内；在所述导热托盘(1)上设有一个以上与所述轴向通孔同轴的环形槽；一个以上所述环形槽沿所述导热托盘(1)的径向分布；所述环形槽内缠绕所述加热线圈(2)，用于加热所述样品(5)。
2.如权利要求1所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，所述导热托盘(1)的轴向通孔包括：圆孔段与锥形孔段，所述锥形孔段的小端与圆孔段相连；所述样品组件位于所述圆孔段内。
3.如权利要求1或2所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，所述导热托盘(1)为一端设置有轴肩的柱形结构，所述轴肩端用于和所述靶板系统中的法兰连接。
4.如权利要求1或2所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，令所述导热托盘(1)与所述飞片(3)相对的一端为前端，另一端为后端；在所述导热托盘(1)的后端面上设有一个以上与其轴向通孔同轴的环形槽，所述环形槽在导热托盘(1)内部延伸至所述样品(5)所在深度位置。
5.如权利要求1或2所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，在所述导热托盘(1)的径向上离所述样品组件越近的环形槽内的加热线圈(2)的缠绕密度越高。
6.如权利要求1或2所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，所述砧板(4)通过耐热胶水环向胶粘于所述导热托盘(1)的轴向通孔内，所述砧板(4)的一侧端面与所述导热托盘(1)端面平齐，另一侧端面通过耐热胶水粘接样品(5)；所述样品(5)的另一侧端面通过耐热胶水粘接窗口(7)，所述窗口(7)通过耐热胶水环向胶粘于所述轴向通孔内。
7.如权利要求1或2所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，在所述导热托盘(1)的轴向通孔内对应所述样品(5)的位置处设有热电偶键槽(6)；所述热电偶键槽(6)内设置热电偶，所述热电偶的探头与所述样品(5)接触，用于实时监测所述样品(5)的温度。
8.如权利要求7所述的用于平板撞击实验前对样品升温的加热装置，其特征在于，所述热电偶通过耐热胶水胶粘于所述热电偶键槽(6)内。
9.一种用于平板撞击实验前对样品升温的加热方法，其特征在于，采用上述权利要求7或8所述的加热装置；
A.在所述导热托盘(1)的环形槽内缠绕加热线圈(2)；
B.将缠绕好加热线圈(2)的导热托盘(1)放置在水平基准台上，然后将所述样品组件安装在所述导热托盘(1)的轴向通孔内，在导热托盘(1)的热电偶键槽(6)内放置热电偶，使热电偶探头接触样品(5)；将所述导热托盘(1)安装在所述靶板系统的法兰上；
C.所述热电偶将检测的样品温度实时发送给温控仪，所述温控仪上设置有设定的试验温度；所述加热线圈(2)对样品加热的过程中，所述热电偶实时反馈样品(5)温度，所述温控仪依据热电偶所反馈的样品(5)的温度控制加热线圈(2)电源模块的通断：当热电偶所反馈的样品(5)的温度与设定的试验温度一致时，断开加热线圈(2)的电源模块；当热电偶所反馈的样品(5)的温度低于设定的试验温度时，打开加热线圈(2)的电源模块。
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