CN111579381A - 一种测试形状记忆材料热响应速度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料热力学测试技术领域,具体涉及一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,包括机架、加热筒、上夹具、下夹具、负重砝码、位移传感器和可调稳压电源,上夹具固定安装于机架的顶部,用于夹持形状记忆材料的一端,形状记忆材料的另一端与下夹具夹持固定;加热筒安装于机架的中部,以将形状记忆材料围设于其内部;负重砝码吊装于下夹具,形状记忆材料、下夹具以及负重砝码在重力作用下处于悬空状态;位移传感器安装于负重砝码的下方,用于测量负重砝码的活动位移;可调稳压电源与加热筒电连接。本发明通过加热筒、上夹具、下夹具、负重砝码、位移传感器和可调稳压电源之间的安装结构设计,实现形状记忆材料热响应速度的测试。
Description
技术领域
本发明属于材料热力学测试技术领域,具体涉及一种测试形状记忆材料热响应速度的装置。
背景技术
形状记忆材料是一类在一定条件下,例如温度、光、磁、电和溶剂等,被赋予各种中间形态,再次接受外界刺激可恢复至初始形态的智能固体材料。根据响应方式的不同,形状记忆材料可分为热致形状记忆材料、光致形状记忆材料、磁致形状记忆材料、电致形状记忆材料等。其中,热致形状记忆材料凭借其独特的热力学特性可采集环境的热能转换为自身形态回复的动能。热致形状记忆材料被广泛应用于生物医疗、建筑工程、航空航天等多个领域。
现有的测试形状记忆材料动态热力学性质的实验仪器主要有动态力学分析仪(DMA)、静态机械分析仪(TMA)两种。但是,这两种实验仪器均不能直接反馈形状记忆材料及其不同负载下的热响应速度。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足,本发明提供一种测试形状记忆材料热响应速度的装置。
为了达到上述发明目的,本发明采用以下技术方案:
一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,包括机架、加热筒、上夹具、下夹具、负重砝码、位移传感器和可调稳压电源,上夹具固定安装于机架的顶部,用于夹持形状记忆材料的一端,形状记忆材料的另一端与下夹具夹持固定;加热筒安装于机架的中部,以将形状记忆材料围设于其内部;负重砝码吊装于下夹具,形状记忆材料、下夹具以及负重砝码在重力作用下处于悬空状态;位移传感器安装于负重砝码的下方,用于测量负重砝码的活动位移;可调稳压电源与加热筒电连接。
作为优选方案,所述加热筒包括外层石英管、内层石英管、电阻发热丝和温度传感器,所述内层石英管同轴套设于外层石英管之内,内层石英管与外层石英管之间均匀环绕有电阻发热丝,电阻发热丝的两端分别与可调稳压电源的正负极连接;温度传感器用于测量内层石英管内腔的温度。
作为优选方案,所述温度传感器为数显快速测温仪,其测温探头内置于内层石英管的内腔。
作为优选方案,所述加热筒的高度位置可调,以匹配处于不同高度的形状记忆材料。
作为优选方案,所述加热筒的高度位置通过升降机构调节,升降机构包括电机、联轴器、丝杆、升降座和水平连杆,水平连杆的一端与加热筒连接,另一端与升降座连接;升降座与丝杆螺纹配合连接,丝杆通过联轴器与电机的电机轴驱动连接。
作为优选方案,所述加热筒的两侧安装有竖直导轨,以导向加热筒沿高度方向活动。
作为优选方案,所述加热筒的两侧分别具有导条,相应地,竖直导轨具有与导条相配的导槽。
作为优选方案,所述位移传感器为激光位移传感器。
作为优选方案,所述负重砝码的重量种类包括1g、5g、20g、50g、100g、150g、200g、250g、300g、500g中的若干种。
作为优选方案,所述可调稳压电源是直流稳压电源,电压调节范围为0~30V,电流调节范围为0~10A。
本发明与现有技术相比,有益效果是:
(1)本发明通过加热筒、上夹具、下夹具、负重砝码、位移传感器和可调稳压电源之间的安装结构设计,实现形状记忆材料热响应速度的测试。
(2)本发明设计升降机构可调节加热筒的高度位置,便于测试样品的安装。
(3)本发明的可调稳压电源可根据实验条件不同调节电压、电流输出来控制测试环境的升温速率,可测量多条件下的形状记忆材料热响应速度。
(3)本发明可根据实验条件选择合适重量的负重砝码来为测试提供一个精确稳定的载荷。
(4)激光位移传感器可精确测试形状记忆材料在不同恒定外力作用下的位移在单位时间内的变化量。
附图说明
图1是本发明实施例一的测试形状记忆材料热响应速度的装置的结构示意图;
图2是本发明实施例一的测试形状记忆材料热响应速度的装置的半剖面图;
图3是本发明实施例一的测试形状记忆材料热响应速度的装置测试形状记忆环氧薄膜所得热响应位移与时间关系图;
图4是本发明实施例一的测试形状记忆材料热响应速度的装置测试形状记忆环氧薄膜所得热响应速度与时间关系图;
图5是本发明实施例一的测试形状记忆材料热响应速度的装置测试形状记忆环氧薄膜所得热响应位移与温度关系图;
图6是本发明实施例一的测试形状记忆材料热响应速度的装置测试形状记忆环氧薄膜所得热响应速度与温度关系图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例,下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图,并获得其他的实施方式。
实施例一:
如图1和2所示,本实施例的测试形状记忆材料热响应速度的装置,包括机架1、加热筒2、负重砝码4、位移传感器5、可调稳压电源7、升降机构8、上夹具9和下夹具10。
机架1为立式框架结构,包括底板、顶板以及位于底板、顶板之间的立柱。上夹具9固定安装在机架1的顶板上,上夹具9用于夹持固定测试样品3的顶端,测试样品3的底端与下夹具10夹持固定,负重砝码4吊装在下夹具10上,从而使得测试样品3、下夹具10以及负重砝码4在重力作用下处于悬空状态。其中,下夹具10优选为U型夹具,便于负重砝码的切换。负重砝码为M1不锈钢单钩砝码,按重量有1g、5g、20g、50g、100g、150g、200g、250g、300g、500g等10个种类中的若干种或全部,以供为实验测试提供精确稳定的外部载荷。
加热筒2位于机架1的中部。具体地,加热筒包括内层石英管18、外层石英管15、电阻发热丝16和温度传感器,内层石英管18同轴安装于外层石英管15之内,电阻发热丝16均匀环绕于内层石英管18、外层石英管15之间。内层石英管、外层石英管通过连接件首尾端固接,使得加热筒构成一个整体。电阻发热丝16的首、尾两端通过电线连接可调稳压电源7的正负极。其中,内层石英管的直径示例为30mm,管壁厚度示例为1mm;外层石英管的直径示例为34mm,管壁厚度示例为5mm。电阻发热丝16示例为镍铬发热丝,直径示例为2mm。另外,可调稳压电源7是直流稳压电源,电压调节范围为0~30V,电流调节范围0~10A,可调稳压电源7输出电流、电压,设置测试环境升温速率为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min、35℃/min、40℃/min、45℃/min、50℃/min中的任一种,以便测试不同温度环境下的形状记忆材料的热响应速度。
本实施例的温度传感器为数显快速测温仪,其温度探头17位于内层石英管18的内侧。
升降机构8固定安装在机架1的底板上。其中,升降机构8包括电机11、联轴器12、丝杆13、升降座14和水平连杆6,水平连杆6的一端与加热筒的外层石英管通过卡箍固定连接,另一端与升降座14通过螺栓固定连接;升降座14与丝杆13螺纹配合连接,丝杆13通过联轴器12与电机11的电机轴驱动连接。电机11的旋转带动丝杆13转动,驱动丝杆13上的升降座14沿丝杆13上下移动,进而升降座14带动水平连杆6及其连接的加热筒2移动,实现加热筒2的高度位置调节。
本实施例的机架1的底板上安装位移传感器5,位移传感器5和温度传感器的输出端通过USB数据线连接至数字显示屏,以显示温度和位移的变化数据。另外,可调稳压电源7的输出端也通过USB数据线连接至数字显示屏,以显示输出电压以及电流数据。其中,位移传感器5为激光位移传感器,以负重砝码的底面为发射面,从而精确获取形状记忆材料的变形位移。
本实施例以形状记忆环氧树脂薄膜为测试样品进行以下测试:
启动升降机构8,其升降座14带动安装水平连杆6的加热筒2向下移动一段距离,上夹具9夹住形状记忆环氧树脂薄膜的上端,升降机构8启动,其升降座14带动水平连杆6连接的加热筒2向上移动至初始位置,下夹具10夹住形状记忆环氧树脂薄膜的下端,选择质量为5g的单钩负重砝码4挂于下夹具10底端的圆环,形状记忆环氧树脂薄膜及负重砝码4受重力影响呈竖直向下。
开启激光位移传感器5,激光位移传感器5上的数值显示为0,记此点为位移初始点和速度零点,打开可调稳压电源7开关,转动旋钮设定输出电流2.50mA、输出电压9V,电阻发热丝16开始产热,热量通过内层石英管18传递至测试环境,测试环境温度开始上升,通过内层石英管18内的温度传感器可得测试环境的升温速率为20℃/min;当测试环境温度达到转化温度,形状记忆环氧树脂薄膜开始收缩,激光位移传感器5测定的数值发生跳动,连续采集并记录的数据点传递至数字显示屏的测试软件,测试完成后,取下形状记忆环氧树脂薄膜,即完成一组测试。
重复上述测试步骤并调节可调稳压电源的输出电压和输出电流,可得形状记忆环氧树脂薄膜位移-时间的实验曲线图(图3)以及形状记忆环氧树脂薄膜热响应位移-温度的实验曲线图(图5),通过位移对时间的求导可得到形状记忆环氧树脂薄膜热响应速度-时间的实验曲线图(图4)以及形状记忆环氧树脂薄膜热响应速度-温度的实验曲线图(图6)。由此可说明,本实施例的测试形状记忆材料热响应速度的装置用于测试形状记忆材料热响应速度的可行性。
实施例二:
本实施例的测试形状记忆材料热响应速度的装置与实施例一的不同之处在于:
本实施例的加热筒直接固定安装在机架的中部,可以省略升降机构的设置,也可以实现形状记忆材料热响应速度的测试,简化了装置的结构,成本更低。
其他结构可以参考实施例一。
实施例三:
本实施例的测试形状记忆材料热响应速度的装置与实施例一的不同之处在于:
为了防止丝杆在转动过程中联动加热筒摆动,在加热筒的两侧安装有竖直导轨,以导向加热筒沿高度方向活动。具体地,加热筒的两侧分别具有导条,相应地,竖直导轨具有与导条相配的导槽,实现加热筒稳定地上下活动,无需测试人员在加热筒偏离中心位置后需要手动调整的缺点。
其他结构可以参考实施例一。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明,对本领域的普通技术人员而言,依据本发明提供的思想,在具体实施方式上会有改变之处,而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,包括机架、加热筒、上夹具、下夹具、负重砝码、位移传感器和可调稳压电源,上夹具固定安装于机架的顶部,用于夹持形状记忆材料的一端,形状记忆材料的另一端与下夹具夹持固定;加热筒安装于机架的中部,以将形状记忆材料围设于其内部;负重砝码吊装于下夹具,形状记忆材料、下夹具以及负重砝码在重力作用下处于悬空状态;位移传感器安装于负重砝码的下方,用于测量负重砝码的活动位移;可调稳压电源与加热筒电连接。
2.根据权利要求1所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述加热筒包括外层石英管、内层石英管、电阻发热丝和温度传感器,所述内层石英管同轴套设于外层石英管之内,内层石英管与外层石英管之间均匀环绕有电阻发热丝,电阻发热丝的两端分别与可调稳压电源的正负极连接;温度传感器用于测量内层石英管内腔的温度。
3.根据权利要求2所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述温度传感器为数显快速测温仪,其测温探头内置于内层石英管的内腔。
4.根据权利要求1所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述加热筒的高度位置可调,以匹配处于不同高度的形状记忆材料。
5.根据权利要求4所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述加热筒的高度位置通过升降机构调节,升降机构包括电机、联轴器、丝杆、升降座和水平连杆,水平连杆的一端与加热筒连接,另一端与升降座连接;升降座与丝杆螺纹配合连接,丝杆通过联轴器与电机的电机轴驱动连接。
6.根据权利要求5所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述加热筒的两侧安装有竖直导轨,以导向加热筒沿高度方向活动。
7.根据权利要求6所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述加热筒的两侧分别具有导条,相应地,竖直导轨具有与导条相配的导槽。
8.根据权利要求1所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述位移传感器为激光位移传感器。
9.根据权利要求1所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述负重砝码的重量种类包括1g、5g、20g、50g、100g、150g、200g、250g、300g、500g中的若干种。
10.根据权利要求1所述的一种测试形状记忆材料热响应速度的装置,其特征在于,所述可调稳压电源是直流稳压电源,电压调节范围为0~30V,电流调节范围为0~10A。
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CN112986317A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-06-18 | 浙江理工大学 | 一种用于热驱动人工肌肉纤维的测试装置及其应用方法 |
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