CN111307611A - 一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，包括实验箱、温度控制模块、弯曲变形模块、测量模块、控制与显示模块。实验箱内安装推拉式快速夹钳和方形块，用于试样的夹紧和固定；温度控制模块包括空气加热管和风扇式冷却器，用于加热或冷却实验箱内部的空气；弯曲变形模块包括滚珠丝杠、曲柄滑块机构、固定在曲柄上的弹簧式弯臂及步进电机；测量模块包括温度传感器、接近开关、角位移传感器；控制与显示模块包括计算机、控制器、数据采集装置与计算模块。本发明操作方便，实现了热响应材料形状记忆性能的自动测试与显示，提高了测试的效率和精度，属于热响应材料形状记忆性能测试领域。

Description

一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置

技术领域

本发明属于热响应材料形状记忆性能测试领域，尤其涉及到一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置。

背景技术

随着新兴科学技术的高速发展，对智能材料的性能要求日益提高。作为目前应用最广泛的智能材料之一，热响应形状记忆材料(包括高分子材料和合金材料)的形状记忆性能早已得到了业内的广泛关注和研究。然而，迄今为止还没有普适性的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的自动、快速、精确测试装置和方法。现有的测试装置和方法大多是基于拉伸变形法测试热响应材料的形状固定率和形状回复率等形状记忆性能表征值，这种方法原理简单、容易测试、也便于读取数据，但其只实现了一维空间内的测试，相较之下，基于弯曲变形法的形状记忆性能测试能实现二维空间内的动态测试，可以更加全面地反映出材料的形状记忆性能。目前，也出现了基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置和方法，如中国实用新型专利CN201821242065.7中公开的一种形状记忆合金记忆性能及相变温度测试装置，该装置利用带有角度刻度的弯曲轨道来人工读出材料的弯曲角度。虽然原理简单，但测量精确度不够，并且没有涉及自动测量，实时显示，精确控制等方面，满足不了对材料的快速精确测试要求。中国专利申请CN201811157989.1中公开的一种对高分子材料形状记忆效果定量测量的测试装置及方法，该装置主要公开了一种基于拉伸变形法的一维空间变形装置，而基于弯曲变形法的二维空间变形装置，其需要实现特定形状(如“L”形)的弯曲功能、形状固定功能、形状记忆性能的测试功能，上述装置专利CN201811157989.1中未有涉及；同时，其利用影像测量仪即CCD相机，透过耐高温石英玻璃窗实时采集样品的形变图像，并通过数据处理软件将图像信息转换为数据信息，该装置虽然实现了自动测量，但装置成本较高，且光学系统分辨率为影响CCD测试精度的主要因素，不同厚度、纯度和透光性的耐高温石英玻璃对CCD测试分辨率将造成较大波动，需要进行误差调控，因此该装置不具有普适性，难以实现大规模应用，对采集的图像进行后处理，过程繁琐，降低了其测试的效率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题与不足，本发明的目的是：提供一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，该装置适用于二维空间形状变形回复，可实现热响应形状记忆材料特定形状，如“L”形的弯曲功能、形状固定功能、形状记忆性能精确自动测试功能。能处理与显示所测得数据，并且能有效控制测试装置的成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：包括实验箱(5)、温度控制模块、弯曲变形模块、测量模块、控制与显示模块，

实验箱内安装试样夹紧装置；

温度控制模块包括空气加热管和风扇式冷却器，分别用于加热、冷却实验箱内部的空气；

弯曲变形模块包括滚珠丝杠、曲柄滑块机构、弹簧式弯臂及步进电机；滚珠丝杠的丝杠由步进电机驱动；曲柄滑块机构的连杆的一端通过铰链连接于丝杠上的螺母块上，另一端通过铰链连接在曲柄的端部上；曲柄的另一端为固定端，和与其垂直的固定轴固定连接，所述轴可转动的装在夹紧装置附近；所述弹簧式弯臂包括活动端、滑块、弹簧、固定端，固定端固定在曲柄的下部，且与曲柄保持垂直；固定端的端部与活动端通过铰链连接，活动端侧面有供滑块移动的槽，滑块镶嵌在活动端侧面的槽内，弹簧一端安装在固定端内部，另一端安装在滑块上；当活动端与固定端为垂直状态时，在曲柄的带动下，活动端能够将夹持在夹紧装置上的试样弯曲；

测量模块包括温度传感器、接近开关、角位移传感器，角位移传感器上的转动轴与曲柄的固定轴通过微型联轴器联接，用于测量形状固定角、形状回复角；接近开关在跟随曲柄运动的过程中用来检测曲柄的侧面是否靠近了试样的自由端；温度传感器用于检测实验箱内的温度及热响应形状记忆合金的马氏体相变温度或热响应高分子形状记忆材料的玻璃化转变温度；

所述控制与显示模块包括计算机、控制器、数据采集装置与计算模块，所述数据采集装置用于采集实验箱内的温度、角位移传感器检测的角度、接近开关的信号；所述控制器根据所采集的实验箱内的温度控制空气加热管和风扇式冷却器的工作，根据接近开关的信号控制步进电机，所述计算模块根据角位移传感器检测的角度计算形状固定率(R_f)和形状回复率(R_r)。

进一步地，所测试的热响应材料为热响应形状记忆合金或热响应高分子形状记忆材料，且试样厚度为0.1mm-3mm。

进一步地，所述空气加热管安装在实验箱的上部，位于试样的正上方；所述风扇式冷却器装在实验箱侧壁上。

进一步地，所述夹紧装置包括推拉式快速夹钳和方形块，推拉式快速夹钳、方形块均安装在实验台上，推拉式快速夹钳将试样的一端固定夹紧在实验台上方形块的侧面。

进一步地，方形块的一个棱线处倒圆角，圆角半径为10mm；曲柄的固定轴的安装位置的中心与所述圆角的圆心重合，角位移传感器和微型联轴器安装在方形块内部。

进一步地，所述角位移传感器的测量角度范围为0°～360°，将测试初始位置设为零位，曲柄逆时针旋转时，角度值逐渐增加，工作温度范围为-55℃～+150℃。

进一步地，接近开关安装在曲柄下部的孔中，与曲柄保持垂直，并且感应面与曲柄靠近试样的侧面共面。

进一步地，接近开关采用电容式耐高温接近开关，动作距离为2mm，工作温度范围为-40℃～+150℃。

进一步地，温度传感器的温度检测端放置在实验台上。

本发明具有如下优点：

本发明所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，适用于基于弯曲变形法的二维空间形状变形回复，可实现热响应形状记忆材料特定形状，如“L”形的弯曲功能、形状固定功能、形状记忆性能自动精确测试功能。采用接近开关逼近的方式，将材料的形状固定角和形状回复角测量转化为角位移传感器相对于零位的转动角度值，解决了热响应形状记忆材料形状记忆性能难以快速、精确、自动测试的问题。不仅提高了测试的精度，测试精度可以达到0.1°；而且提高了测试的效率，避免了繁琐的图像后处理程序。降低了测试装置的成本，便于大规模应用，具有普适性；操作方便，只需控制曲柄的转动，即可实现材料弯曲和形状固定角与形状回复角测量两种功能。

附图说明

图1为本发明所述基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置移除前盖板和右盖板后将试样弯曲成“L”状态的轴测图。

图2是移除前盖板和右盖板后将试样弯曲成“L”状态的前视图，显示实验箱中热流的流向。

图3是移除前盖板、右盖板和上盖板后的俯视图。

图4是角位移传感器和接近开关在曲柄上的安装示意图。

图5是弹簧式弯臂的结构图。

图6是基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的原理图。

其中：1-步进电机，2-滚珠丝杠，3-曲柄滑块机构，4-弹簧式弯臂，5-实验箱，6-试样，7-方形块，8-推拉式快速夹钳，9-计算机，10-控制器，11-实验台，12-空气加热管，13-风扇式冷却器，14-螺母块，15-连杆，16-曲柄，17-温度传感器，18-接近开关，19-角位移传感器，20-微型联轴器，21-弹簧式弯臂活动端，22-小滑块，23-弹簧，24-弹簧式弯臂固定端。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，包括实验箱5、温度控制模块、弯曲变形模块、测量模块、控制与显示模块。

实验箱5内有一实验台11，实验台11上安装推拉式快速夹钳8及方形块7，作为固定试样6的夹紧装置，测试时，通过推拉式快速夹钳8将试样6的一端固定夹紧在方形块7的侧面上。测试过程中，试样6弯曲成“L”形紧贴方形块7的两个侧面，测试形状记忆效应的表征值——形状固定率和形状回复率。试样6弯曲成“L”形时与方形块7相邻的两个侧面之间的棱线处倒圆角，圆角半径为10mm。

温度控制模块包括空气加热管12和风扇式冷却器13。空气加热管12安放在实验箱5的上部，在试样6的正上方，保证试样6能均匀受热。风扇式冷却器13横向安装，通过风扇转动将热流排出实验箱5，如图2所示。

弯曲变形模块包括滚珠丝杠2、曲柄滑块机构3、固定在曲柄16上的弹簧式弯臂4及步进电机1。

步进电机1驱动滚珠丝杠2，螺母块14装在丝杠上，将丝杠的旋转运动转化为螺母块14的直线往复运动。曲柄滑块机构3的连杆15的一端通过铰链连接于丝杠上的螺母块14上，另一端通过铰链连接在曲柄16的端部上；曲柄16的另一端为固定端，和与其垂直的固定轴固定连接，所述固定轴可转动的装在方形块7上表面上，且所述固定轴的安装位置的中心与所述圆角的圆心重合。具体的，本实施例中曲柄16的固定轴与方形块7上表面的孔间隙配合。所述弹簧式弯臂4包括活动端21、滑块22、弹簧23、固定端24，固定端24固定在曲柄16的下部，且与曲柄16保持垂直。固定端24的端部与活动端21通过铰链连接，如图5所示，活动端21侧面有供滑块22移动的槽，滑块22镶嵌在活动端21侧面的槽内，弹簧23一端安装在固定端24内部，另一端安装在滑块22上。当活动端21与固定端24为垂直状态时，在曲柄16的带动下，活动端21能够将夹持在夹紧装置上的试样6弯曲。

在以螺母块14为主动件的对心曲柄滑块机构3中曲柄16为工作部件，具有带动试样6弯曲和测量试样6弯曲角度两种功能。固定在曲柄16上的弹簧式弯臂4实现曲柄16带动试样6弯曲的功能；弯曲前，弯曲变形模块4处于初始状态，螺母块14处于右极限位置，即靠近步进电机1的一侧；曲柄16、连杆15和丝杠共线且试样6的自由端与曲柄16侧面接触；弹簧式弯臂4的活动端21与固定端24处于共线展开状态，活动端21未对试样6的自由端施加作用。弯曲时，掰下弹簧式弯臂4的活动端21，弹簧23产生的回复力使弹簧式弯臂活动端21的侧面将试样6的自由端扣住在曲柄16的侧面，此时弹簧式弯臂活动端21与固定端24呈垂直状态；如图3所示，当步进电机1转动使螺母块14向远离步进电机1的方向移动时，曲柄16逆时针转动，试样6的自由端会被弹簧式弯臂4的活动端21推动，从而绕方形块7的圆角弯曲。当试样6弯曲成“L”形时，控制器10控制步进电机1停止工作曲柄16停止转动，此时曲柄16上弹簧式弯臂的活动端21将试样6的自由端扣住在方形块7的侧面上，试样6将保持“L”形不变，若曲柄16继续逆时针转动一定角度，弯臂活动端21由于受到了方形块7侧面的阻力，其内部的滑块22会逐渐移动到滑槽的极限位置，弹簧23绷紧，此时弯臂活动端21与固定端24呈共线展开状态并一直保持，试样6被松开。

测量模块包括温度传感器17、接近开关18、角位移传感器19。温度传感器17的温度检测端放置在实验台11上，用于检测实验箱内的温度及热响应形状记忆合金的马氏体相变温度或热响应高分子形状记忆材料的玻璃化转变温度。角位移传感器19上的转动轴与曲柄16的固定轴通过微型联轴器20联接，用于测量形状固定角、形状回复角，如图4所示。角位移传感器19和微型联轴器20安装在方形块7内部；由于曲柄16的固定轴安装位置的中心与方形块7圆角的圆心重合，曲柄16的固定轴带动角位移传感器19的转动轴绕该中心线定轴转动。接近开关18在跟随曲柄16运动的过程中用来检测曲柄16的侧面是否靠近了试样6的自由端。接近开关18安装在曲柄16下部的孔中，与曲柄16保持垂直，并且感应面与曲柄16靠近试样6的侧面共面。

安装在曲柄16上的接近开关18和与曲柄16固定轴联接的角位移传感器实现曲柄16测量试样6弯曲角度的功能。接近开关18采用电容式耐高温接近开关，探测的动作距离为2mm，工作温度范围为-40℃～+150℃。试样6停止变形时，曲柄16顺时针转动，逐渐靠近试样6，当接近开关18到达动作距离范围内，检测到试样6的存在时，信号会传给控制器10，控制器10控制步进电机1停止转动，曲柄16将停下，由于系统存在延迟，曲柄16停下时，接近开关18与试样6近似接触，即此时曲柄16与试样6近似平行，试样6的形状固定角或形状回复角可以近似看成此时曲柄16与其初始位置之间所夹的锐角，亦即此时角位移传感器19相对于零位所转过的角度值；角位移传感器19安装在方形块7内部，转轴通过微型联轴器20与曲柄16的转轴联接，实现曲柄16转动角度的测量，测量量程为0°～360°，且将测试的初始位置设为零位，随着曲柄16逆时针旋转，角度值逐渐增加。角位移传感器19的工作温度范围为-55℃～+150℃。温度传感器17监测实验箱5内温度，将温度数据传输给计算机9，计算机9处理数据并显示。

控制与显示模块包括控制计算机9、控制器10、数据采集与计算模块。所述数据采集装置用于采集实验箱内的温度、角位移传感器19检测的角度、接近开关18的信号；所述控制器10根据所采集的实验箱内的温度控制空气加热管12和风扇式冷却器13的工作，根据接近开关18的信号控制步进电机1，所述计算模块根据角位移传感器19检测的角度计算形状固定率R_f和形状回复率R_r

测试人员通过操作计算机9实现自动测试过程。计算机9实时显示角位移传感器19和温度传感器17传输的数据，记录试样6的形状固定角、形状回复角、热响应形状记忆合金的马氏体相变温度或热响应高分子形状记忆材料的玻璃化转变温度，并处理数据显示测试结果。

本实施例中，样品采用聚乳酸基形状记忆聚合物板条试样6，其尺寸为150mm×12mm×2mm，测试过程如图6所示。

首先，弯曲变形模块处于初始状态，将试样6的固定端紧贴在方形块7上与丝杠平行的侧面上，通过推拉式快速夹钳8夹紧固定，试样6的自由端被固定在曲柄16上的弹簧式弯臂4的活动端21扣住在曲柄16的侧面，安装完成。

接着，密闭实验箱5，操作计算机9，控制器10控制空气加热管12加热箱内空气，加热至82℃时停止加热，保持箱内温度恒定。弯曲时，控制器10控制步进电机1转动，步进电机1与滚珠丝杠2的端部通过联轴器联接，滚珠丝杠2将丝杠的旋转运动转化为螺母块14的直线前进运动，螺母块14带动连杆15，连杆15带动曲柄16作逆时针转动，这时，试样6将发生弯曲，并且角位移传感器19实时传输角度值给计算机9。当角位移传感器19检测到曲柄16转动角达到90°，即试样6的弯曲角达到90°，记为θ_max，将信号传输给控制器10，控制器10立即控制步进电机1停止运动。在保持弯曲完成状态几分钟后，控制器10控制风扇式冷却器13进行排热冷却至室温。

然后，曲柄16继续逆时针转动一定角度后，弹簧式弯臂活动端21由于受到了方形块7侧面的阻力，滑块22会逐渐移动到极限位置，弹簧23绷紧，此时弹簧式弯臂4的活动端21与固定端24呈共线展开状态，试样6被松开。

松开后，步进电机1停止工作，此时试样6会发生微小的形状变形，测量此时的试样6的形状固定角。测量时，曲柄16顺时针转动，接近开关18开始工作，逐渐靠近试样6，当接近开关18达到2mm的动作距离时，信号会传给控制器10，控制器10控制步进电机1停止转动，曲柄16停下，由于系统存在延迟，曲柄16停下时，接近开关18与试样6近似接触，即此时曲柄16与试样6近似平行，试样6的形状固定角θ_fix可以近似看成此时曲柄16与其初始位置之间所夹的锐角，计算机9会记录此时角位移传感器19的读数，记录的角度就是试样6的形状固定角。

接着试样6再次在高于聚乳酸基形状记忆聚合物的玻璃化转变温度(66.9℃)下加热时，形状逐渐回复，曲柄16继续顺时针转动，测量此时的形状回复角即此时曲柄16与其初始位置之间所夹的锐角θ_recover，计算机9再次记录此时角位移传感器19的读数，记录的角度就是试样6的形状回复角。

形状记忆性能由形状固定率R_f和形状回复率R_r表征。根据下列公式由计算机9计算R_f、R_r并显示在计算机9显示屏上。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：包括实验箱(5)、温度控制模块、弯曲变形模块、测量模块、控制与显示模块，

实验箱(5)内安装试样夹紧装置；

温度控制模块包括空气加热管(12)和风扇式冷却器(13)，分别用于加热、冷却实验箱(5)内部的空气；

弯曲变形模块包括滚珠丝杠(2)、曲柄滑块机构(3)、弹簧式弯臂(4)及步进电机(1)；滚珠丝杠(2)的丝杠由步进电机(1)驱动；曲柄滑块机构(3)的连杆(15)的一端通过铰链连接于丝杠上的螺母块(14)上，另一端通过铰链连接在曲柄(16)的端部上；曲柄(16)的另一端为固定端，和与其垂直的固定轴固定连接，所述固定轴可转动的装在夹紧装置附近；所述弹簧式弯臂(4)包括活动端(21)、滑块(22)、弹簧(23)、固定端(24)，固定端(24)固定在曲柄(16)的下部，且与曲柄(16)保持垂直；固定端(24)的端部与活动端(21)通过铰链连接，活动端(21)侧面有供滑块(22)移动的槽，滑块(22)镶嵌在活动端(21)侧面的槽内，弹簧(23)一端安装在固定端(24)内部，另一端安装在滑块(22)上；当活动端(21)与固定端(24)为垂直状态时，在曲柄(16)的带动下，活动端(21)能够将夹持在夹紧装置上的试样(6)弯曲；

测量模块包括温度传感器(17)、接近开关(18)、角位移传感器(19)，角位移传感器(19)上的转动轴与曲柄(16)的固定轴通过微型联轴器(20)联接，用于测量形状固定角、形状回复角；接近开关(18)在跟随曲柄(16)运动的过程中用来检测曲柄(16)的侧面是否靠近了试样(6)的自由端；温度传感器(17)用于监测实验箱内的温度及热响应形状记忆合金的马氏体相变温度或热响应高分子形状记忆材料的玻璃化转变温度；

所述控制与显示模块包括计算机(9)、控制器(10)、数据采集装置与计算模块，所述数据采集装置用于采集实验箱内的温度、角位移传感器(19)检测的角度、接近开关(18)的信号；所述控制器(10)根据所采集的实验箱内的温度控制空气加热管(12)和风扇式冷却器(13)的工作，根据接近开关(18)的信号控制步进电机(1)，所述计算模块根据角位移传感器(19)检测的角度计算形状固定率(R_f)和形状回复率(R_r)。

2.根据权利要求1所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：所测试的热响应材料为热响应形状记忆合金或热响应高分子形状记忆材料，且试样(6)厚度为0.1mm-3mm。

3.根据权利要求1所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：所述空气加热管(12)安装在实验箱(5)的上部，位于试样(6)的正上方；所述风扇式冷却器(13)装在实验箱(5)侧壁上，横向安装，通过风扇转动将热流排出实验箱(5)。

4.根据权利要求1所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：所述夹紧装置包括推拉式快速夹钳(8)和方形块(7)，用于试样(6)的夹紧和固定；推拉式快速夹钳(8)、方形块(7)均安装在实验台(11)上，推拉式快速夹钳(8)将试样(6)的一端固定夹紧在实验台(11)上方形块(7)的侧面。

5.根据权利要求4所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：方形块(7)的一个棱线处倒圆角，圆角半径为10mm；曲柄(16)的固定轴的安装位置的中心与所述圆角的圆心重合，角位移传感器(19)和微型联轴器(20)安装在方形块(7)内部。

6.根据权利要求5所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：所述角位移传感器(19)的测量角度范围为0°～360°，将测试初始位置设为零位，曲柄(16)逆时针旋转时，角度值逐渐增加，工作温度范围为-55℃～+150℃。

7.根据权利要求5所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：接近开关(18)安装在曲柄(16)下部的孔中，与曲柄(16)保持垂直，并且感应面与曲柄(16)靠近试样(6)的侧面共面。

8.根据权利要求7所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：接近开关(18)采用电容式耐高温接近开关，动作距离为2mm，工作温度范围为-40℃～+150℃。

9.根据权利要求1所述的基于弯曲变形法测试热响应材料形状记忆性能的装置，其特征在于：温度传感器(17)的温度检测端放置在实验台(11)上。

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