CN111060549A - 一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置及方法 - Google Patents

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侯立平
任宁莉
丁晓浩
解红雨
郭宇
陈妮妮
张治宇
许可睿
侯兴科
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Abstract

本发明属于固体推进剂加速老化方法技术领域，特别涉及一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置及方法。一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，基于梯度温度场原理，包括本体，本体包括热源一、热源二、导热金属一、导热金属二、试样、隔热涂层、温度传感器；导热金属一和导热金属二并排设置，试样设置于导热金属一和导热金属二之间，热源一和热源二分别设置于导热金属一和导热金属二的两端；隔热涂层设于本体的外表面。本发明克服了现有恒温加速老化试验的不足，提供了一种梯度温度加载装置和方法，实现单次试验获得多个温度条件下的老化样品，大幅度提高加速老化试验的效率，降低材料高温加速老化占用的试验资源量。

Description

一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置及方法
技术领域
本发明属于固体推进剂加速老化方法技术领域，特别涉及一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置及方法。
背景技术
目前，对于橡胶类材料的加速老化试验的温度加载方式主要采用恒温加载，即对拟加速老化材料施加恒定的温度载荷，主要是通过将材料放置在恒温的环境试验箱中进行，进行不同温度的材料老化试验需要使用多个环境试验箱。一般取40℃、50℃、60℃及70℃共4个试验温度点，在每个老化试验温度下对应不同老化时间的取样次数不少于8次，一般以10次为准，为保证对应试验数据的准确性，每个老化时间下对应的样本数不少于4个，试验中以5 个为准，则总的试验样本量为200个。
现有的恒定温度下材料加速老化方法是一种成熟应用的方法，但是仍存在以下缺点：(1) 选用几个不同温度对材料进行温度加载，仅能获取选定温度下的材料老化试验件，进而仅能获取有限的材料老化数据；(2)恒温加速老化取得材料老化试样，一般通过单轴拉伸的方式进行力学性能测试，破坏性的拉伸试验导致消耗的原材料数量较多；(3)目前的恒定温度加载方式，需要对选定的多个温度载荷进行单独的试验，占用多个环境载荷试验箱，或采用单个环境试验箱依次进行多个温度载荷试验而导致试验周期过长，上述缺点不利于提高温度载荷下加速老化试验的效率；(4)试验用原材料数量大及试样箱数量多都将增加试验的经济成本。
发明内容
针对上述缺点，本发明的目的在于给出一种梯度温度载荷的加载方法，提出了两块不同温度的恒温热源、导热系数确定的金属材料、温度监控方法、真空试验环境、隔热涂层、板状试验件等确保材料内部形成稳定的梯度温度的措施。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，基于梯度温度场原理，包括本体，所述本体包括热源一、热源二、导热金属一、导热金属二、试样、隔热涂层、温度传感器；所述导热金属一和所述导热金属二并排设置，所述试样设置于所述导热金属一和所述导热金属二之间，所述热源一和所述热源二分别设置于所述导热金属一和所述导热金属二的两端；所述温度传感器为12个，分别对称设置于试样两端、1/3位置、2/3位置及所述热源一和热源二与所述导热金属一和所述导热金属二接触界面处；所述隔热涂层设于本体的外表面。
进一步地，所述试样为薄板状试样或标准哑铃型拉伸试样。
进一步地，所述热源一和所述热源二均为温度可调节的固体恒温热源，且两者的温度差大于40℃。
进一步地，所述导热金属一和所述导热金属二为导热系数确定的金属材料或热导体。
优选地，所述隔热涂层为硅橡胶基隔热涂层。
在一个实施例中，所述导热金属一和所述导热金属二设有尺寸与试样相匹配的槽，所述试样置于槽中，并与所述导热金属一和所述导热金属二的表面紧密贴合。
在另一实施例中，通过对所述导热金属一和所述导热金属二施加外力使所述导热金属一和所述导热金属二对所述试样施加应力载荷。
进一步地，所述本体设置于真空试验箱或环境试验箱内。
一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载方法，基于梯度温度场原理进行老化试验；其老化试验的装置采用如权利要求1-8所示的装置。
本发明的有益效果：与现有的恒定温度加载方式相比，本发明具有如下优点：
(1)通过两个不同温度的恒温热源对导热金属进行梯度温度加载，实现单次试验获得多个温度条件下的老化样品，大幅度提高加速老化试验的效率，降低材料高温加速老化占用的试验资源量；
(2)试验原材料使用量少，试验中使用试样数量少，预计原材料的使用量降低80％；试验周期短，一次试验施加原有方案的4组温度载荷；试验人员的投入量随之减少，总的试验成本降低。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为导热金属俯视图和侧视图；
图3为哑铃型试样温度加载示意图。
图中，1-热源一、2-热源二、3-导热金属一、4-导热金属二、5-试样、6-隔热涂层、7-温度传感器、8-真空试验箱、9-槽、10-哑铃型试样。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，基于梯度温度场原理，包括本体，所述本体包括热源一1、热源二2、导热金属一3、导热金属二4、试样5、隔热涂层6、温度传感器7；所述导热金属一3和所述导热金属二4并排设置，所述试样5设置于所述导热金属一3和所述导热金属二4之间，所述热源一1和所述热源二2分别设置于所述导热金属一3 和所述导热金属二4的两端，利用热源一1和热源二2之间的温差，在导热金属3、4内部形成梯度温度载荷，如图1所示；所述温度传感器7为12个，分别设置于试样5两端、1/3位置、2/3位置及所述热源一1和热源二2与所述导热金属一3和所述导热金属二4接触界面处；所述隔热涂层6设于本体的外表面。
试样5形状为薄板状，置于两块导热金属形成的空腔内。试样的厚度较小，其横截面的温度分布是准一维的，在试样长度方向(X方向)形成梯度温度载荷，在厚度方向(Y方向) 则是均为分布。。在两块导热金属的加热下，其厚度方向(Y方向)形成恒定的温度场，其长度方向(X方向)形成与导热金属一致的梯度温度场。
所述热源一1和所述热源二2均为温度可调节的固体恒温热源，且两者的温度差大于 40℃。通过导热金属一3和导热金属二4将热源一1和热源二2连接起来，导热金属一3和导热金属二4在两端热源的作用下，其内部会产生沿X方向的梯度温度场。
导热金属一3和导热金属二4设置有试样5放置槽9，如图2所示。试样5尺寸与试样放置9槽尺寸一致，将板状试样5放置于试样放置槽中，使得导热金属一3和导热金属二4 与试样5完全接触，确保了导热金属一3和导热金属二4的热量能够充分地传递到试样5。
优选地，所述隔热涂层6为硅橡胶基隔热涂层，使用硅橡胶基隔热材料涂覆于装置表面形成隔热涂层6，同时将整套加热系统放置到真空环境试验箱8中，确保加热系统的热量流失最小。
为了监控试样所处温度场，在梯度温度加载系统中布置多个温度传感器7，其中的8个温度传感器7分别对称设置于试样5的四个角、试样5沿X方向的1/3位置和2/3位置处，另4个温度传感器7对称设置于导热金属一3和导热金属二4与热源一1和热源二2相接触的界面处，共计12个温度传感器。
所述导热金属一3和所述导热金属二4为导热系数确定的金属材料，确保了温度的精确加载，确保了对不同导热系数的材料进行温度加载试验时，试样5的温度控制单元不用重新调整，确保了方法的通用性。
实施例2：
在其他条件不变的情况下，利用导热金属3、4对试样5进行应力加载，取消导热金属3、 4内的试样5放置槽9，直接将加速老化试样置于两块导热金属3、4之间，通过对导热金属 3、4施加外力，对加速老化试样5施加应力载荷。
实施例3：
在其他条件不变的情况下，使用标准哑铃型拉伸试样10替代薄板状试样5，哑铃型拉伸试件长度方向与Z轴一致，如图3所示。
在以上所有的实施例中，真空试验箱8可以更换为环境试验箱；装置本体表面涂覆的隔热涂层6可以选用其他热防护好的材料；导热金属一3和导热金属二4可以更换为其他导热系数确定的热导体。
一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载方法，基于梯度温度场原理进行老化试验；其老化试验的装置采用如权利要求1-8所示的装置。
本发明所述的方法同样适用于固体发动机推进剂等其他材料的温度老化试验。
以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，基于梯度温度场原理，包括本体，所述本体包括热源一(1)、热源二(2)、导热金属一(3)、导热金属二(4)、试样(5)、隔热涂层(6)、温度传感器(7)；所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)并排设置，所述试样(5)设置于所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)之间，所述热源一(1)和所述热源二(2)分别设置于所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)的两端；所述温度传感器(7)分别对称设置于试样(5)的四周及所述热源一(1)和热源二(2)与所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)接触界面处；所述隔热涂层(6)设于本体的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，所述试样(5)为薄板状试样或标准哑铃型拉伸试样(10)。
3.根据权利要求1所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，所述热源一(1)和所述热源二(2)均为温度可调节的固体恒温热源，且两者的温度差大于40℃；所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)为导热系数确定的金属材料或热导体。
4.根据权利要求1所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，所述温度传感器(7)为12个，分别对称设置于试样(5)的四个角、1/3位置、2/3位置及所述热源一(1)和热源二(2)与所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)接触界面处。
5.根据权利要求1所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，所述隔热涂层(6)为硅橡胶基隔热涂层。
6.根据权利要求2所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)设有尺寸与试样(5)相匹配的槽(9)，所述试样(5)置于槽(9)中，并与所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)的表面紧密贴合。
7.根据权利要求2所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，通过对所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)施加外力使所述导热金属一(3)和所述导热金属二(4)对所述试样(5)施加应力载荷。
8.根据权利要求1所述的一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载装置，其特征在于，所述本体设置于真空试验箱(8)或环境试验箱内。
9.一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载方法，其特征在于，基于梯度温度场原理进行老化试验。
10.一种用于材料加速老化的梯度温度载荷加载方法，其特征在于，老化试验的装置采用如权利要求1-8所示的装置。
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