CN111077014A - 一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro‑CT原位加载装置及试验方法，用于陶瓷基小复合材料细观变形及损伤演化研究。装置包括固定头、透X射线承力管、上延长杆、下延长杆、上夹头、下夹头、加强片、材料试样以及作动底座；透X射线承力管上端与固定头相连；透X射线承力管下端与作动底座相连；上延长杆上端与固定头相连；上延长杆下端与上夹头相连；下延长杆上端与下夹头相连；下延长杆下端与作动底座相连；材料试样的两端分别与加强片相连成为一个测试试件，并安装于上夹头及下夹头之间。本发明保证了扫描结果的清晰度，提高了整体试验效率，同时提高了装置的通用性，降低了试验成本，实施速度快，稳定性高，效果好。

Description

一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置及试验 方法

技术领域

本发明属于复合材料力学行为试验表征领域，具体涉及一种用于陶瓷基小复合材料细观变形及损伤演化研究的Micro-CT原位加载装置及试验方法。

背景技术

编织陶瓷基复合材料是高推比先进航空发动机的关键结构材料，其基本组成单元为陶瓷基小复合材料。因此研究陶瓷基小复合材料的细观变形及损伤演化规律，可以助力编织陶瓷基复合材料在航空发动机中的应用。

由于材料制备及成型工艺的影响，编织陶瓷基复合材料的细观变形与损伤演化在三维空间内均具有明显的不均匀性。扫描电镜、光学显微镜等常规表征手段仅能对材料表面以及失效断口数据进行分析，难以获取上述特征在三维空间范围内的分布以及变化过程，无法全面掌握陶瓷基复合材料的细观变形及损伤特性，限制了编织陶瓷基复合材料结构在先进航空发动机中的应用。

近年来随着X射线计算机断层扫描技术的发展，其三维空间分辨率已经可以达到亚微米级，因此利用该技术开展原位试验可得到材料细观变形及损伤的三维分布状态。现阶段同步辐射光源以及Micro-CT均可满足研究所需分辨率要求。其中同步辐射光源扫描速度极快，试验效果好，但同步辐射光源一般都承担了大量的基础科研任务，同时国内外同步辐射光源的数量相对较少，该型光源的使用门槛较高。实验室Micro-CT设备的获取相对容易，但不足的是要达到接近同步辐射光源的扫描效果时，其扫描时间较长，因此使用Micro-CT进行原位试验的过程中材料会出现明显的松弛效应，同时长时间扫描过程中温度的升高所导致的热变形也会对试验结果产生不利影响。而现有技术中的原位加载夹具以及试验方法均无法解决上述问题。进一步的，现有技术中的原位加载设备均配有控制线缆，但Micro-CT设备扫描腔体空间尺寸狭小，不便于外部线缆的安装排布。因此，使用线缆进行在线控制时，线缆会阻碍试验台的转动并会引起试验装置抖动，降低了扫描结果的清晰度。采用离线控制时需要频繁开启设备安全门进行加载以及数据读取，这样不仅降低了试验效率而且还会引起设备扫描腔内温度的波动。此外，现有技术只能实现单一载荷的加载，并且不具备试样快装及自动对中的能力，缺乏简单易施的试样变形测量能力。

因此，有必要提供一种能够在Micro-CT环境中开展陶瓷基小复合材料原位试验的装置及其试验方法，以实现陶瓷基小复合材料细观变形及损伤演化的测量与分析。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种能够自动化加载，加载过程中不妨碍试验台转动，具有变形测量能力并且能降低载荷松弛带来影响的原位加载装置及试验方法，以实现在Micro-CT环境下准确进行陶瓷基小复合材料的原位拉伸及压缩载荷下的细观变形及损伤演化研究。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，用于陶瓷基小复合材料细观变形及损伤演化研究，其特征在于，包括：固定头、透X射线承力管、上夹头、加强片、下夹头、材料试样、上延长杆、下延长杆和作动底座；所述透X射线承力管上端与固定头相连，透X射线承力管下端与作动底座相连；所述材料试样安装在透X射线承力管中，材料试样的两端分别与加强片相连成为一个测试试件，并安装在上夹头和下夹头之间；所述上延长杆连接在上夹头与固定头之间，所述下延长杆连接在下夹头与作动底座之间。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述透X射线承力管由亚克力材料制成，透X射线承力管的上部和下部分别设有四个间隔90°的螺纹通孔，透X射线承力管通过螺栓与固定头以及作动底座相连。

进一步地，所述固定头设有与透X射线承力管外径尺寸相匹配的圆柱形凹腔，凹腔侧面开设有四个间隔90°且与透X射线承力管的螺纹通孔相适配的通孔，凹腔底面中心设有一个通孔。

进一步地，所述上延长杆和下延长杆结构相同，均由若干延长杆组成；所述延长杆一端具有外螺纹，另一端为六边形棱柱，所述六边形棱柱中心设有与延长杆的外螺纹相适配的螺纹孔。

进一步地，所述上夹头和下夹头用于拉伸加载；上夹头包括上夹头主体，所述上夹头主体外轮廓为圆柱形，上夹头主体中设有中心螺纹孔，用于与上延长杆的外螺纹相连，上夹头主体的下端设有一对中心对称的L形固定臂，该对L形固定臂上设有一对V形对中槽；

下夹头包括下夹头主体、山字形试件锁定块和弹簧，所述下夹头主体外轮廓为圆柱形，下夹头主体中设有中心螺纹孔，用于与下延长杆的外螺纹相连，下夹头主体的上端设有一对中心对称的L形固定臂，下夹头主体的上端还开设有两个对称分布的圆孔；所述山字形试件锁定块的中部设有凸起的中间圆柱，所述中间圆柱两侧对称分布有两个凸起的圆柱，所述弹簧放置于下夹头主体的中心螺纹孔内，中间圆柱穿过弹簧，两侧的圆柱与两个圆孔相配合。

进一步地，所述加强片用于拉伸加载，加强片由T形加强片主体和一对V形对中突起组成，所述T形加强片主体中间设有与材料试样相配合的矩形长槽，使材料试样固定在两个T形加强片主体之间，T形加强片主体安装在各夹头主体的一对L形固定臂之间，T形加强片主体的两侧翼部下端与V形对中突起相连，所述V形对中突起与V形对中槽相配合，山字形试件锁定块通过弹簧抵紧T形加强片主体。

进一步地，所述上夹头和下夹头用于压缩加载；上夹头包括上夹头主体，下夹头包括下夹头主体，所述上夹头主体和下夹头主体的外轮廓为圆柱形，均由铁磁金属制成，上夹头主体上端和下夹头主体下端均设有中心螺纹孔，分别用于与上延长杆和下延长杆的外螺纹相连，上夹头主体下端和下夹头主体上端均设有长方体中心槽，所述长方体中心槽的左右两侧对称吸附有一对由磁钢制成的直角梯形定位对中片。

进一步地，所述加强片为中间设有与材料试样相配合的矩形长槽的等腰梯形，加强片的上底与长方体中心槽的盲端相配合。

进一步地，所述作动底座包括底座装置腔、底部盖板、控制器操作面板、数据传输端口、充电端口、指示灯、电池、步进电机驱动器、控制器、步进电机、变送器、力传感器、丝杆升降台以及精密行星齿轮减速机；所述电池、步进电机驱动器、控制器、步进电机、变送器、力传感器、丝杆升降台、精密行星齿轮减速机置于底座装置腔内部并由底部盖板密封，所述控制器操作面板、数据传输端口、充电端口、指示灯位于底座装置腔外部；充电端口与电池相连，电池与变送器、步进电机驱动器以及控制器相连，控制器与控制器操作面板、数据传输端口、指示灯、步进电机驱动器、变送器相连，步进电机与步进电机驱动器相连，步进电机与精密行星齿轮减速机相连，丝杆升降台与精密行星齿轮减速机以及力传感器相连，力传感器与变送器相连，力传感器与下延长杆相连。

此外，本发明还提出了一种采用如上所述的Micro-CT原位加载装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在加强片矩形长槽中刻出相互交叉的粗糙纹理；

步骤2：将材料试样加工到合适长度，在加强片矩形长槽内加入适量胶水，涂抹均匀使胶水充分填充步骤1所刻纹理中，然后将材料试样放到加强片的矩形长槽中，补充胶水使材料试样被完全覆盖，等待胶水固化；

步骤3：将二氧化钛粉末与胶水充分混合，并使用所得混合物在材料试样标距边界上绘制标记，等待混合物完全凝固，得到测试试件；

步骤4：将上述测试试件固定在下夹头上；

步骤5：使用螺栓将透X射线承力管与作动底座紧固连接；

步骤6：安装固定头、上延长杆以及上夹头并使上夹头与测试试件的上部加强片相连；

步骤7：使用螺栓将透X射线承力管与固定头紧固连接；

步骤8：通过作动底座调整测试试件位置，使其具有一定的预紧力；

步骤9：设定加载载荷并进行加载，当载荷达到设定值后开始计时，直到载荷基本不再下降后停止计时，得到载荷下降时间；

步骤10：多次执行步骤9，得到不同载荷下的最大载荷下降时间；

步骤11：更换新的用于开展原位试验的测试试件并重新执行步骤4～8；

步骤12：将步骤11所得试验装置放入Micro-CT试验机的试验台上，调整并选择合适的扫描参数；

步骤13：在控制器操作面板中设置所需加载载荷、延迟启动时间以及加载时间间隔，其中加载时间间隔等于加载所需时间加最大载荷下降时间加扫描时间；

步骤14：设置暖机扫描预热试验机及加载装置，其中暖机扫描时长等于加载所需时长加最大载荷下降时长；

步骤15：在步骤14的基础上设置试验机扫描参数；

步骤16：为每个载荷步复制扫描序列，其暖机扫描与原位加载扫描成对配置；

步骤17：关闭Micro-CT试验机防护门，等待延迟启动时间到指示灯亮起时，此时操作人员启动扫描序列，当载荷步执行结束后完成原位加载扫描数据的采集；

步骤18：对扫描数据进行重构，得到三维重构体数据和切片图；

步骤19：在三维重构体数据或切片图中寻找测试试件标距边界由二氧化钛和胶水混合物组成的亮白色区域；

步骤20：根据原位扫描分辨率对扫描结果进行标定，然后测量不同载荷数据中上下亮白色区域之间的相对位置，计算得到不同载荷下测试试件的变形以及全局平均应变；

步骤21：将步骤20所得变形数据以及作动底座所得载荷数据相结合得到材料的载荷-变形曲线；

步骤22：对切片图进行分析得到细观损伤的原位演化过程。

本发明的有益效果是：

1、本发明原位加载装置通过内部控制器程序化自动加载，装置外部没有控制线缆的束缚，因此试验台旋转过程中更加稳定顺畅，保证了扫描结果的清晰度；同时该过程无需频繁开启Micro-CT设备的安全门进行加载，一方面提高了整体试验效率，一方面减少了Micro-CT设备中环境的温度变化，降低了测试试件及装置的热变形不稳定程度，进一步提高了扫描结果的清晰度；

2、本发明的试验方法中对载荷松弛效应进行了实际测量及考虑，削弱了扫描过程中载荷随时间不断下降带来的影响，缓解了Mico-CT由于扫描时间过长载荷下降过于明显引起的试样变形，提高了成像质量；

3、本发明通过两套夹具与装置主体部分的组合实现了拉伸和压缩载荷的施加，同时拉伸和压缩两套夹具均设有可实现测试试样快速装夹以及自动对中的机构，简化了试验操作，提高了试验效率以及试验结果的准确度；

4、本发明通过不同数量延长杆以及不同长度透X射线承力管的组合，无需对装置主体进行改动即可实现不同尺寸试样、不同试样位置以及不同几何尺寸Micro-CT X射线源的广泛适配，提高了装置的通用性，降低了试验成本。本发明中透X射线承力管的热膨胀系数大于延长杆的热膨胀系数，通过两者热变形的不协调补偿了扫描过程中温度升高对试样及载荷带来的影响；

5、本发明利用二氧化钛对X射线的衰减特性，以二氧化钛作为材料变形的追踪标记，无需额外的变形测量机构便可实现试样变形量的测量，该方法实施速度快，稳定性高，效果好。

附图说明

图1是本发明加载装置用于拉伸加载时的装配结构示意图。

图2是本发明延长杆结构示意图。

图3是本发明用于拉伸试验的测试试样示意图。

图4是本发明用于拉伸加载的上夹头结构示意图。

图5是本发明用于拉伸加载的下夹头主体结构示意图。

图6是本发明用于拉伸加载的下夹头中山字形试件锁定块与弹簧的安装示意图。

图7是本发明拉伸加载时上夹头、下夹头以及测试试件安装关系示意图。

图8是本发明作动底座结构框图。

图9是本发明压缩加载时上夹头、下夹头以及测试试件安装关系示意图。

图10是本发明加载装置用于压缩加载时的装配结构示意图。

图11是本发明定位对中片结构示意图。

图12是本发明用于压缩试验的测试试样示意图。

附图标记如下：1-固定头、2-透X射线承力管、3-上夹头、3a-L形固定臂、3b-V形对中槽、301-上夹头主体、301a-中心螺纹孔、302-下夹头主体、302a-长方体中心槽、4-加强片、401-T形加强片主体、402-V形对中突起、5-下夹头、501-下夹头主体、501a-L形固定臂、501b-V形对中槽、501c-圆孔、502-山字形试件锁定块、502a-中间圆柱、502b-圆柱、503-弹簧、6-材料试样、7-延长杆、7a-外螺纹、7b-六边形棱柱、7c-螺纹孔、701-上延长杆、702-下延长杆、8-定位对中片、9-环氧树脂结构胶、10-作动底座、1001-底座装置腔、1002-底部盖板、1003-控制器操作面板、1004-数据传输端口、1005-充电端口、1006-指示灯、1007-电池、1008-步进电机驱动器、1009-控制器、1010-步进电机、1011-变送器、1012-力传感器、1013-丝杆升降台、1014-精密行星齿轮减速机、11-螺栓。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

第一实施例：

施加拉伸载荷时原位加载装置如图1所示，包括固定头1、透X射线承力管2、上延长杆701、下延长杆702、上夹头3、下夹头5、加强片4、陶瓷基小复合材料试样6以及作动底座10。透X射线承力管2为上部和下部均有四个间隔90°螺纹通孔的亚克力管；固定头1设有与透X射线承力管2外径相配合的圆柱形凹腔，凹腔侧面开有四个间隔90°的通孔，凹腔底面中心设有一个通孔；透X射线承力管2通过螺栓11分别与固定头1以及作动底座10相连。

如图2所示，延长杆7一端为外螺纹7a，一端为六边形棱柱7b，棱柱中心设有螺纹孔7c，螺纹孔7c尺寸与外螺纹7a相同；由三个延长杆7组成的上延长杆701的上端与固定头1通过螺栓11相连，下端与上夹头3相连；由三个延长杆7组成的下延长杆702上端与下夹头5相连，下端与作动底座10中力传感器1012的螺纹相连。

如图3所示，一对V形对中突起402粘在T形加强片主体401两侧构成加强片4；陶瓷基小复合材料试样6粘在T形加强片主体401的矩形长槽内形成测试试件。

如图4、图5所示，上夹头3和下夹头主体501的总体几何外形相同，其外轮廓为圆柱形，设有中心螺纹孔，分别用于与上延长杆701和下延长杆702的外螺纹7a相连；上夹头3和下夹头主体501分别设有成中心对称的L形固定臂3a和501a，并且L形固定臂3a和501a中间位置设有一对V形对中槽3b和501b。

如图6所示，下夹头5除下夹头主体501外还包含山字形试件锁定块502和弹簧503。弹簧503放于下夹头主体501中心螺纹孔内，山字形试件锁定块502中间圆柱502a穿过弹簧503，两侧的圆柱502b插入下夹头主体501的两个对称分布的圆孔501c中。测试试件安装于上夹头3和下夹头5之间，如图3所示，加强片4的V形对中突起402与夹头的V形对中槽501b和3b配合，山字形试件锁定块502通过弹簧503抵紧T形加强片主体401，如图7所示。

作动底座10由位于底座装置腔1001内的电池1007、步进电机驱动器1008、控制器1009、步进电机1010、变送器1011、力传感器1012、丝杆升降台1013、精密行星齿轮减速机1014以及位于底座装置腔1001的外部的控制器操作面板1003、数据传输端口1004、指示灯1006以及充电端口1005位于组成，底座装置腔1001由底部盖板1002密封。

如图8所示，充电端口1005与电池1007相连；电池1007与变送器1011、步进电机驱动器1008以及控制器1009相连；控制器1009与控制器操作面板1003、数据传输端口1004、指示灯1006、步进电机驱动器1008以及变送器1011相连；步进电机1010与步进电机驱动器1008相连；步进电机1010与精密行星齿轮减速机1014相连；与丝杆升降台1013与精密行星齿轮减速机1014以及力传感器1012相连；力传感器1012与变送器1011相连；力传感器1012与下延长杆1002相连。

利用上述装置对陶瓷基小复合材料开展原位试验，包括以下步骤：

步骤1：在T形加强片主体401的矩形长槽内中刻出相互交叉的粗糙纹理；

步骤2：将陶瓷基小复合材料试样6加工到合适长度，在T形加强片主体401的矩形长槽加入适量环氧树脂结构胶9，涂抹均匀使环氧树脂结构胶9充分填充步骤1所刻纹理中，然后将陶瓷基小复合材料试样6放到T形加强片主体401的矩形长槽中，补充环氧树脂结构胶9使陶瓷基小复合材料试样6被完全覆盖，等待环氧树脂结构胶9固化；

步骤3：将二氧化钛粉末与环氧树脂胶充分混合，并使用所得混合物在陶瓷基小复合材料试样6的标距边界上绘制标记，等待混合物完全凝固，得到测试试件；

步骤4：向下压缩山字形试件锁定块502，将图3所示测试试件固定在下夹头5上，安装过程中保证V形对中突起402与V形对中槽501b配合，然后释放山字形试件锁定块502抵紧测试试样；

步骤5：使用螺栓11将透X射线承力管2与作动底座10紧固连接；

步骤6：安装固定头1、上延长杆701以及上夹头3并使上夹头3的V形对中槽3b与上夹头3的V形对中突起402配合；

步骤7：使用螺栓11将透X射线承力管2与固定头1紧固连接；

步骤8：通过作动底座10调整测试试件位置，使其具有一定的预紧力；

步骤9：设定加载载荷并进行加载，当载荷达到设定值后开始计时，直到载荷基本不再下降后停止计时，得到载荷下降时间；

步骤10：多次执行步骤9，得到不同载荷下的最大载荷下降时间，在本实施例中最大载荷下降时间为40分钟；

步骤11：更换新的用于开展原位试验的测试试件并重新执行步骤4～8；

步骤12：将步骤11所得试验装置图1放入Micro-CT试验机的试验台上，调整并选择合适的扫描参数，本实施例中所选择的原位试验扫描参数为：电压80V、功率7W、曝光时间1.5s、分辨率0.89μm/pixel、投影数量1601、总扫描时长2小时；

步骤13：在控制器操作面板中设置所需加载载荷、延迟启动时间以及加载时间间隔，其中加载时间间隔等于加载所需时间加最大载荷下降时间加扫描时间。本实施例中，拉伸加载载荷为：0N、30N、130N以及200N，延迟启动时间为5分钟，加载时间间隔为2小时41分钟；

步骤14：设置暖机扫描预热试验机及加载装置，扫描参数只需保证暖机扫描时长等于41分钟即可；

步骤15：在步骤14的基础上设置扫描参数，参数按照步骤12所示要求进行设置；

步骤16：为每个载荷步复制扫描序列，其暖机扫描与原位加载扫描成对配置；

步骤17：关闭Micro-CT试验机防护门，等待延迟启动时间结束指示灯1006亮起，此时操作人员启动扫描序列，当载荷步执行结束后完成原位加载扫描数据的采集；

步骤18：对扫描数据进行重构，得到三维重构体数据和切片图；

步骤19：使用VG Studio在三维重构体数据或切片图中寻找测试试件标距边界由二氧化钛和胶水混合物组成的亮白色区域；

步骤20：根据原位扫描分辨率对扫描结果进行尺寸标定，然后测量不同载荷数据中上下亮白色区域之间的相对位置，计算得到不同载荷下测试试件的变形0N：0mm、50N：0.0072mm、130N：0.0165mm以及200N：0.0261mm，以及全局平均应变0N：0%，50N：0.24%,130N：0.55%,200N：0.87%；

步骤21：将步骤20所得变形数据以及作动底座所得载荷数据相结合可得到材料的载荷-变形曲线；

步骤22：对切片图进行分析得到细观损伤的原位演化过程。

第二实施例：

施加压缩载荷时将第一实施例中图7所示结构替换为图9所示结构，得到图10所示用于施加压缩载荷时的原位加载装置，即在第二实施例中为完全相同的圆柱形结构。上夹头主体301与下夹头主体302一端中心设有长方体中心槽302a，一端中心设有有螺纹孔301a；螺纹孔301a用于与延长杆7的外螺纹7a相连；上夹头主体301与下夹头主体302由铁磁金属制成。

如图11所示，定位对中片8为直角梯形，由磁钢制成，通过吸附安装于长方体中心槽302a内；定位对中片8的下底与长方体中心槽302a盲端配合，直角边与长方体中心槽302a侧边配合。如图12所示，在第二实施例加强片4为设有中心矩形长槽的等腰梯形，加强片4的上底与长方体中心槽302a的盲端配合。未述部分同第一实施例。

压缩载荷试验时将第一实施例中步骤1、2、4、6替换为：

步骤1：在加强片4的矩形长槽内中刻出相互交叉的粗糙纹理；

步骤2：将陶瓷基小复合材料试样6加工到合适长度，在加强片4的矩形长槽加入适量环氧树脂结构胶9，涂抹均匀使环氧树脂结构胶9充分填充步骤1所刻纹理中，然后将陶瓷基小复合材料试样6放到加强片4的矩形长槽中，补充环氧树脂结构胶9使陶瓷基小复合材料试样6被完全覆盖，等待环氧树脂结构胶9固化；

步骤4：将一对定位对中片8放入下夹头302的长方体中心槽302a中，然后将测试试件图11置入一对定位对中片8中间空隙；

步骤6：安装固定头1、上延长杆701以及上夹头301，按照步骤4将定位对中片8放入上夹头301。

在第二实施例中步骤10中的最大载荷下降时间为15分钟。

在第二实施例中步骤12中所选择的原位试验扫描参数为：电压80V、功率7W、曝光时间6s、分辨率0.92μm/pixel、投影数量3201、总扫描时长7小时。

在第二实施例中步骤13中压缩加载载荷为：0N、-200N、-400N以及-600N，延迟启动时间为5分钟，加载时间间隔为7小时16分钟。

在第二实施例中步骤22中计算得到不同载荷下测试试件的变形0N：-0mm、-200N：-0.001mm、-400N：-0.002mm以及-600N：-0.003mm，以及全局平均应变0N：0%,-200N：-0.1%,-400N：-0.2%以及-600N：-0.3%。

其它未述部分同第一实施例。

第二实施例对测试试样的夹持部分结构作出改进，在保证试样能够准确对中的前提下使结构能够施加压缩载荷。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，用于陶瓷基小复合材料细观变形及损伤演化研究，其特征在于，包括：固定头（1）、透X射线承力管（2）、上夹头（3）、加强片（4）、下夹头（5）、材料试样（6）、上延长杆（701）、下延长杆（702）和作动底座（10）；所述透X射线承力管（2）上端与固定头（1）相连，透X射线承力管（2）下端与作动底座（10）相连；所述材料试样（6）安装在透X射线承力管（2）中，材料试样（6）的两端分别与加强片（4）相连成为一个测试试件，并安装在上夹头（3）和下夹头（5）之间；所述上延长杆（701）连接在上夹头（3）与固定头（1）之间，所述下延长杆（702）连接在下夹头（5）与作动底座（10）之间。

2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述透X射线承力管（2）由亚克力材料制成，透X射线承力管（2）的上部和下部分别设有四个间隔90°的螺纹通孔，透X射线承力管（2）通过螺栓与固定头（1）以及作动底座（10）相连。

3.如权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述固定头（1）设有与透X射线承力管（2）外径尺寸相匹配的圆柱形凹腔，凹腔侧面开设有四个间隔90°且与透X射线承力管（2）的螺纹通孔相适配的通孔，凹腔底面中心设有一个通孔。

4.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述上延长杆（701）和下延长杆（702）结构相同，均由若干延长杆（7）组成；所述延长杆（7）一端具有外螺纹（7a），另一端为六边形棱柱（7b），所述六边形棱柱（7b）中心设有与延长杆（7）的外螺纹（7a）相适配的螺纹孔（7c）。

5.如权利要求4所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述上夹头（3）和下夹头（5）用于拉伸加载；上夹头（3）包括上夹头主体（301），所述上夹头主体（301）外轮廓为圆柱形，上夹头主体（301）中设有中心螺纹孔，用于与上延长杆（701）的外螺纹相连，上夹头主体（301）的下端设有一对中心对称的L形固定臂（3a），该对L形固定臂（3a）上设有一对V形对中槽（3b）；

下夹头（5）包括下夹头主体（501）、山字形试件锁定块（502）和弹簧（503），所述下夹头主体（501）外轮廓为圆柱形，下夹头主体（501）中设有中心螺纹孔，用于与下延长杆（702）的外螺纹相连，下夹头主体（501）的上端设有一对中心对称的L形固定臂（501a)，该对L形固定臂（501a)上设有一对V形对中槽（501b），下夹头主体（501）的上端还开设有两个对称分布的圆孔（501c）；所述山字形试件锁定块（502）的中部设有凸起的中间圆柱（502a），所述中间圆柱（502a）两侧对称分布有两个凸起的圆柱（502b），所述弹簧（503）放置于下夹头主体（501）的中心螺纹孔内，中间圆柱（502a）穿过弹簧（503），两侧的圆柱（502b）与两个圆孔（501c）相配合。

6.如权利要求5所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述加强片（4）用于拉伸加载，加强片（4）由T形加强片主体（401）和一对V形对中突起（402）组成，所述T形加强片主体（401）中间设有与材料试样（6）相配合的矩形长槽，使材料试样（6）固定在两个T形加强片主体（401）之间，T形加强片主体（401）安装在各夹头主体的一对L形固定臂（3a、501a）之间，T形加强片主体（401）的两侧翼部下端与V形对中突起（402）相连，所述V形对中突起（402）与V形对中槽（3b、501b）相配合，山字形试件锁定块（502）通过弹簧（503）抵紧T形加强片主体（401）。

7.如权利要求4所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述上夹头（3）和下夹头（5）用于压缩加载；上夹头（3）包括上夹头主体（301），下夹头（5）包括下夹头主体（302），所述上夹头主体（301）和下夹头主体（302）的外轮廓为圆柱形，均由铁磁金属制成，上夹头主体（301）上端和下夹头主体（302）下端均设有中心螺纹孔（301a），分别用于与上延长杆（701）和下延长杆（702）的外螺纹相连，上夹头主体（301）下端和下夹头主体（302）上端均设有长方体中心槽（302a），所述长方体中心槽（302a）的左右两侧对称吸附有一对由磁钢制成的直角梯形定位对中片（8）。

8.如权利要求7所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述加强片（4）为中间设有与材料试样（6）相配合的矩形长槽的等腰梯形，加强片（4）的上底与长方体中心槽（302a）的盲端相配合。

9.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置，其特征在于：所述作动底座（10）包括底座装置腔（1001）、底部盖板（1002）、控制器操作面板（1003）、数据传输端口（1004）、充电端口（1005）、指示灯（1006）、电池（1007）、步进电机驱动器（1008）、控制器（1009）、步进电机（1010）、变送器（1011）、力传感器（1012）、丝杆升降台（1013）以及精密行星齿轮减速机（1014）；所述电池（1007）、步进电机驱动器（1008）、控制器（1009）、步进电机（1010）、变送器（1011）、力传感器（1012）、丝杆升降台（1013）、精密行星齿轮减速机（1014）置于底座装置腔（1001）内部并由底部盖板（1002）密封，所述控制器操作面板（1003）、数据传输端口（1004）、充电端口（1005）、指示灯（1006）位于底座装置腔（1001）外部；充电端口（1005）与电池（1007）相连，电池（1007）与变送器（1011）、步进电机驱动器（1008）以及控制器（1009）相连，控制器（1009）与控制器操作面板（1003）、数据传输端口（1004）、指示灯（1006）、步进电机驱动器（1008）、变送器（1011）相连，步进电机（1010）与步进电机驱动器（1008）相连，步进电机（1010）与精密行星齿轮减速机（1014）相连，丝杆升降台（1013）与精密行星齿轮减速机（1014）以及力传感器（1012）相连，力传感器（1012）与变送器（1011）相连，力传感器（1012）与下延长杆（702）相连。

10.一种采用如权利要求1-9所述的陶瓷基复合材料细观损伤Micro-CT原位加载装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在加强片矩形长槽中刻出相互交叉的粗糙纹理；

步骤2：将材料试样加工到合适长度，在加强片矩形长槽内加入适量胶水，涂抹均匀使胶水充分填充步骤1所刻纹理中，然后将材料试样放到加强片的矩形长槽中，补充胶水使材料试样被完全覆盖，等待胶水固化；

步骤3：将二氧化钛粉末与胶水充分混合，并使用所得混合物在材料试样标距边界上绘制标记，等待混合物完全凝固，得到测试试件；

步骤4：将上述测试试件固定在下夹头上；

步骤5：使用螺栓将透X射线承力管与作动底座紧固连接；

步骤6：安装固定头、上延长杆以及上夹头并使上夹头与测试试件的上部加强片相连；

步骤7：使用螺栓将透X射线承力管与固定头紧固连接；

步骤8：通过作动底座调整测试试件位置，使其具有一定的预紧力；

步骤9：设定加载载荷并进行加载，当载荷达到设定值后开始计时，直到载荷基本不再下降后停止计时，得到载荷下降时间；

步骤10：多次执行步骤9，得到不同载荷下的最大载荷下降时间；

步骤11：更换新的用于开展原位试验的测试试件并重新执行步骤4～8；

步骤12：将步骤11所得试验装置放入Micro-CT试验机的试验台上，调整并选择合适的扫描参数；

步骤13：在控制器操作面板中设置所需加载载荷、延迟启动时间以及加载时间间隔，其中加载时间间隔等于加载所需时间加最大载荷下降时间加扫描时间；

步骤14：设置暖机扫描预热试验机及加载装置，其中暖机扫描时长等于加载所需时长加最大载荷下降时长；

步骤15：在步骤14的基础上设置试验机扫描参数；

步骤16：为每个载荷步复制扫描序列，其暖机扫描与原位加载扫描成对配置；

步骤17：关闭Micro-CT试验机防护门，等待延迟启动时间到指示灯亮起时，此时操作人员启动扫描序列，当载荷步执行结束后完成原位加载扫描数据的采集；

步骤18：对扫描数据进行重构，得到三维重构体数据和切片图；

步骤19：在三维重构体数据或切片图中寻找测试试件标距边界由二氧化钛和胶水混合物组成的亮白色区域；

步骤20：根据原位扫描分辨率对扫描结果进行标定，然后测量不同载荷数据中上下亮白色区域之间的相对位置，计算得到不同载荷下测试试件的变形以及全局平均应变；

步骤21：将步骤20所得变形数据以及作动底座所得载荷数据相结合得到材料的载荷-变形曲线；

步骤22：对切片图进行分析得到细观损伤的原位演化过程。

Images