CN111505045B - 一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法和系统 - Google Patents

一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，包括：S1，制备小复合材料，所述小复合材料由纤维束、包裹在纤维束外侧的待测量膨胀系数的基体以及粘接在纤维束和基体之间可氧化消除的界面层组成；S2，对所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，在氩气氛围中测量小复合材料在不同温度下的应变，计算得到基体的热膨胀系数。本发明无需制备纯陶瓷基体，采用易于制备的小复合材料来测量基体的热膨胀系数；另外，通过非接触方法测量小复合材料在高温下的热变形，继而计算得到基体的热膨胀系数，成功解决了测量陶瓷基复合材料的基体热膨胀系数这一技术难题，且方法易于实现。

Description

一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法和系统
技术领域
本发明涉及复合材料力学性能测量技术领域，具体而言涉及一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法和系统。
背景技术
陶瓷基复合材料是由纤维、陶瓷基体以及纤维/基体间的界面层复合而成的一类材料。由于具有良好的高温性能以及高比强度、高比模量、低密度和对缺口不敏感等优点，陶瓷基复合材料是下一代航空发动机高温部件的理想材料。由于制备过程中包含了升温和降温过程，陶瓷基复合材料内部应力分布受基体热膨胀系数影响很大，基体的热膨胀系数是由组分性能预测陶瓷基复合材料宏观性能必不可少的参数。
对于树脂基和金属基复合材料，往往通过制备纯基体试样来测量基体的热膨胀系数[赫玉欣,张丽,姚大虎,等.热塑性塑料对环氧树脂热膨胀系数的影响研究.化工新型材料,2012(03):121-124.]。然而由于纯陶瓷基体难以制备，该方法并不适用于陶瓷基复合材料。
当前，如何测量陶瓷基复合材料的基体热膨胀系数是本技术领域重要而难以解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法和系统，该方法无需制备纯陶瓷基体，采用易于制备的小复合材料来测量基体的热膨胀系数；另外，通过非接触方法测量小复合材料在高温下的热变形，继而计算得到基体的热膨胀系数，成功解决了测量陶瓷基复合材料的基体热膨胀系数这一技术难题，且方法易于实现。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，所述测量方法包括：
S1，制备小复合材料，所述小复合材料由纤维束、包裹在纤维束外侧的待测量膨胀系数的基体以及粘接在纤维束和基体之间可氧化消除的界面层组成；
S2，对所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，在氩气氛围中测量小复合材料在不同温度下的应变，计算得到基体的热膨胀系数。
作为其中的一种优选例，所述界面层包括热解炭界面层。
作为其中的一种优选例，步骤S1中，所述制备小复合材料的过程包括以下步骤：
将纤维束放入高温炉中；
在纤维束表面沉积界面层；
在界面层表面沉积基体；
其中，沉积基体的工艺与待测量的陶瓷基复合材料完全等效，从而使制备得到的小复合材料和待测量的陶瓷基复合材料二者中的基体性能相同。
作为其中的一种优选例，步骤S2中，所述对所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，在氩气氛围中测量小复合材料在不同温度下的应变，计算得到基体的热膨胀系数的过程包括以下步骤：
S21，将小复合材料装夹在高温真空箱中，使小复合材料保持一端固定、一端自由的状态；
S22，保持高温真空箱与外部空气连通，使小复合材料处于空气氛围中，加热小复合材料使界面层完全氧化消失；
S23，将高温真空箱温度降至室温，对其抽真空后再通入氩气，最终使小复合材料处于氩气氛围中；
S24，将小复合材料先后加热至温度T1和T2，测量两个温度下小复合材料的应变ε1和ε2；
S25，计算基体在T1和T2间的热膨胀系数α；
作为其中的一种优选例，步骤S25中，采用下述公式计算得到基体的热膨胀系数：
Figure BDA0002457415360000021
作为其中的一种优选例，步骤S24中，采用非接触方法测量得到两个温度下小复合材料的应变ε1和ε2。
作为其中的一种优选例，步骤S24中，所述采用非接触方法测量得到两个温度下小复合材料的应变ε1和ε2的过程包括以下步骤：
采用工业相机采集不同温度下小复合材料的形变照片；
采用非接触测量算法对不同温度下的形变照片进行比对，计算得到小复合材料在不同温度下的应变。
作为其中的一种优选例，步骤S22中，所述加热小复合材料使界面层完全氧化消失是指，当界面层为热解炭界面层时，采用不低于800℃的温度持续氧化1小时以上。
基于前述方法，本发明提及一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量系统，所述测量系统包括：
(1)沉积设备，用于制备小复合材料，所述小复合材料由纤维束、包裹在纤维束外侧的待测量膨胀系数的基体以及粘接在纤维束和基体之间可氧化消除的界面层组成；
(2)高温真空箱，所述高温真空箱内设置有夹持机构、加热单元和真空单元，所述夹持机构用于将小复合材料装夹在高温真空箱中，使小复合材料保持一端固定、一端自由的状态，所述加热单元用于对高温真空箱内的空气进行加热，使所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，所述真空单元用于抽取高温真空箱内的空气，使消除界面层的小复合材料处于真空状态；
(3)氩气充入设备，与高温真空箱连接，用于向高温真空箱内充入氩气，使消除界面层的小复合材料处于氩气氛围下；
(4)工业相机，用于采集不同温度下小复合材料的形变照片；
(5)处理装置，用于采用非接触测量算法对不同温度下的形变照片进行比对，计算得到小复合材料在不同温度下的应变，继而计算基体的热膨胀系数。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
(1)无需制备纯陶瓷基体，采用易于制备的小复合材料来测量基体的热膨胀系数，易于实现。
(2)通过非接触方法测量小复合材料在高温下的热变形，继而计算得到基体的热膨胀系数。
(3)在制备小复合材料时采用的沉积基体的工艺与待测量的陶瓷基复合材料完全等效，从而使制备得到的小复合材料和待测量的陶瓷基复合材料二者中的基体性能相同，经实践证明，测量结果精度极高。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法的流程图。
图2是本发明的小复合材料示意图。
图3是本发明的测量基体热膨胀系数示意图。
图4是本发明的热解炭界面层氧化消失后的小复合材料示意图。
图中：1-纤维、2-基体、3-界面层、4-小复合材料、5-高温炉、6-真空箱、7-工业相机。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
结合图1，本发明提出一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，所述测量方法包括：
S1，制备小复合材料，所述小复合材料由纤维束、包裹在纤维束外侧的待测量膨胀系数的基体以及粘接在纤维束和基体之间可氧化消除的界面层组成。
S2，对所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，在氩气氛围中测量小复合材料在不同温度下的应变，计算得到基体的热膨胀系数。
在本发明所提及的测量方法中，无需制备纯陶瓷基体，而采用易于制备的小复合材料来测量基体的热膨胀系数。通过对小复合材料进行高温氧化，将纤维/基体间的界面层氧化消除，从而使小复合材料中的基体在高温下能自由膨胀。进而通过非接触方法测量小复合材料在高温下的热变形(由于此时基体可以自由膨胀，因此测量得到的也是基体的热变形)来计算得到基体的热膨胀系数。因此，本发明解决了测量陶瓷基复合材料的基体热膨胀系数这一技术难题，且方法易于实现。
本发明提供一种陶瓷基复合材料基体热膨胀系数测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：制备小复合材料。如图2所示，小复合材料由一束纤维1、包裹纤维的基体2以及纤维/基体间的界面层3组成。制备时将纤维束放入高温炉中，先沉积热解炭界面层，再沉积基体。其中小复合材料沉积基体的工艺与陶瓷基复合材料完全等效，从而使制备得到的小复合材料和陶瓷基复合材料二者中的基体性能相同。此外，考虑到热解炭容易氧化，本发明中小复合材料纤维/基体间的界面层采用热解炭界面层。
步骤2：如图3所示，将小复合材料4装夹在高温真空箱中，高温真空箱由真空箱6和箱内的高温炉5组成，使小复合材料4保持一端固定、一端自由的状态。
步骤3：保持真空箱6与外部空气连通，使小复合材4处于空气氛围中。加热高温炉5使小复合材料4的温度不低于800℃，并保持该温度不少于1小时，使纤维/基体间的热解炭界面层3完全氧化消失。如图4所示，界面层3氧化消失后，小复合材料内部纤维/基体间不再有相互作用，基体2可自由膨胀。
步骤4：将高温炉5温度降至室温，对真空箱6抽真空后再通入氩气，最终使小复合材料4处于氩气氛围中。
步骤5：加热高温炉5使小复合材料4先后加热至温度T1和T2，采用非接触方法测量两个温度下小复合材料4的应变ε1和ε2。如图3所示，通过工业相机7采集不同温度下小复合材料4的形变照片，再通过非接触测量算法对不同温度下的形变照片进行比对，即可以计算出小复合材料4不同温度下的应变。
步骤6：采用下式计算基体2在T1和T2间的热膨胀系数α。
Figure BDA0002457415360000041
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
S1，制备小复合材料，所述小复合材料由纤维束、包裹在纤维束外侧的待测量膨胀系数的基体以及粘接在纤维束和基体之间可氧化消除的界面层组成；
S2，对所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，在氩气氛围中测量小复合材料在不同温度下的应变，计算得到基体的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，所述界面层包括热解炭界面层。
3.根据权利要求1或者2所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，步骤S1中，所述制备小复合材料的过程包括以下步骤：
将纤维束放入高温炉中；
在纤维束表面沉积界面层；
在界面层表面沉积基体；
其中，沉积基体的工艺与待测量的陶瓷基复合材料完全等效，从而使制备得到的小复合材料和待测量的陶瓷基复合材料二者中的基体性能相同。
4.根据权利要求1或者2所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述对所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，在氩气氛围中测量小复合材料在不同温度下的应变，计算得到基体的热膨胀系数的过程包括以下步骤：
S21，将小复合材料装夹在高温真空箱中，使小复合材料保持一端固定、一端自由的状态；
S22，保持高温真空箱与外部空气连通，使小复合材料处于空气氛围中，加热小复合材料使界面层完全氧化消失；
S23，将高温真空箱温度降至室温，对其抽真空后再通入氩气，最终使小复合材料处于氩气氛围中；
S24，将小复合材料先后加热至温度T1和T2，测量两个温度下小复合材料的应变ε1和ε2；
S25，计算基体在T1和T2间的热膨胀系数α。
5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，步骤S25中，采用下述公式计算得到基体的热膨胀系数：
Figure FDA0002959087680000011
6.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，步骤S24中，采用非接触方法测量得到两个温度下小复合材料的应变ε1和ε2。
7.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，步骤S24中，采用非接触方法测量得到两个温度下小复合材料的应变ε1和ε2，测量过程包括以下步骤：
采用工业相机采集不同温度下小复合材料的形变照片；
采用非接触测量算法对不同温度下的形变照片进行比对，计算得到小复合材料在不同温度下的应变。
8.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量方法，其特征在于，步骤S22中，所述加热小复合材料使界面层完全氧化消失是指，当界面层为热解炭界面层时，采用不低于800℃的温度持续氧化1小时以上。
9.一种陶瓷基复合材料基体膨胀系数测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：
沉积设备，用于制备小复合材料，所述小复合材料由纤维束、包裹在纤维束外侧的待测量膨胀系数的基体以及粘接在纤维束和基体之间可氧化消除的界面层组成；
高温真空箱，所述高温真空箱内设置有夹持机构、加热单元和真空单元，所述夹持机构用于将小复合材料装夹在高温真空箱中，使小复合材料保持一端固定、一端自由的状态，所述加热单元用于对高温真空箱内的空气进行加热，使所述小复合材料进行高温氧化，消除界面层，所述真空单元用于抽取高温真空箱内的空气，使消除界面层的小复合材料处于真空状态；
氩气充入设备，与高温真空箱连接，用于向高温真空箱内充入氩气，使消除界面层的小复合材料处于氩气氛围下；
工业相机，用于采集不同温度下小复合材料的形变照片；
处理装置，用于采用非接触测量算法对不同温度下的形变照片进行比对，计算得到小复合材料在不同温度下的应变，继而计算基体的热膨胀系数。
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