CN111929168A - 一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置及方法，该装置包括支架，支架上安装有圆柱形的外筒，外筒的两端分别对称地安装有测试部和对照部，测试部和对照部均包括依次连接的端盖和缸套，缸套与外筒连接，缸套内设有可左右移动的活塞，缸套内部填充有润滑油，缸套上安装有流量传感器，端盖内部填充有纯净水，测试部的端盖内用于放置待测试件，对照部的端盖内用于放置金属试件，外筒内部安装有加热丝，加热丝与外部电源连接，外筒内部填充有液压油，外筒上安装有压力传感器。与现有技术相比，本发明通过加热液体使其受热膨胀，给试件施加体积应力，并通过测量液体的流量以间接测量试件的体积变化量，能够有效提高测量结果的准确性。

Description

一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置及方法

技术领域

本发明涉及高分子超弹性材料测试技术领域，尤其是涉及一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置及方法。

背景技术

橡胶和聚氨酯等高分子超弹性材料，具有强弹性、大变形、不易导电等特点，被广泛应用于工业和生活各方面，例如汽车轮胎、管道密封、精密仪器的隔振减振等。体积压缩性是超弹性材料的一个重要力学指标，一般用体积模量来描述，指的是物体所受的体积应力与体积应变之比，即：

其中，P是物体所受的体积应力，ΔV是物体的体积变化量，V₀是物体的原始体积。

对于高分子超弹性材料体积模量的测量，通常是将待测试件放置在金属筒中，其上放置一个钢板，通过钢板给试件施加体积应力。但是该方法存在诸多缺点：待测试件与金属筒之间可能存在极小的间隙，导致待测试件的体积变化量测量不准；试件与金属筒内壁存在摩擦，导致试件在各个位置受到的体积应力不一致，这些都会降低测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置及方法，以提高测量结果的准确性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，包括支架，所述支架上安装有圆柱形的外筒，所述外筒的两端分别对称地安装有测试部和对照部，所述测试部和对照部均包括依次连接的端盖和缸套，所述缸套与外筒连接，所述缸套内设有可左右移动的活塞，所述缸套内部填充有润滑油，所述缸套上安装有流量传感器，所述端盖内部填充有纯净水，所述测试部的端盖内用于放置待测试件，所述对照部的端盖内用于放置金属试件，所述外筒内部安装有加热丝，所述加热丝与外部电源连接，所述外筒内部填充有液压油，所述外筒上安装有压力传感器，当加热丝通电后产生热量，液压油受热膨胀，推动活塞往端盖移动，此时通过压力传感器检测液压油的压强、通过流量传感器检测润滑油流出的体积，以此推算得到待测试件的体积应力和体积变化量，从而得到待测试件的体积模量。

进一步地，所述端盖的圆周内壁上等间距地设置有多个顶针列，所述顶针列包括多个等间距排列的顶针，所述端盖的端部内壁上均匀地设置有多个顶针，通过设置顶针能够避免试件与端盖的内壁相碰触，使试件与液体充分接触。

进一步地，所述顶针的截面形状为矩形、圆形或三角形，所述顶针的截面积为0.5～1mm²，以减小顶针与试件表面的接触面积，且能避免顶针刺入试件内。

进一步地，所述活塞设有横截面积不同的小端和大端，所述大端能伸入到外筒内，所述小端能伸入到端盖内，所述大端的横截面积与小端的横截面积之间的比值大于5，其中，大端伸入到外筒内的液压油中，能够保证测试部和对照部两个活塞受到的轴向力完全一致，当活塞移动时，测试部和对照部端盖内的纯净水也将受到相同的压强。

进一步地，所述小端与缸套之间设有第一密封圈，所述大端与缸套之间设有第二密封圈，以防止活塞移动时发生液体泄漏。

进一步地，所述缸套的一端开设有用于安装第一密封圈的第一矩形槽，所述缸套的另一端开设有用于安装第二密封圈的第二矩形槽。

进一步地，所述缸套与端盖之间设有第一密封垫，所述缸套与外筒之间设有第二密封垫，以保证端盖内部、缸套内部以及外筒内部各自的密封性。

进一步地，所述待测试件和金属试件均为结构尺寸一致的空心圆柱体，以方便小端能够伸入至空心内，避免小端与试件发生碰撞。

进一步地，所述空心圆柱体的内径为其外径的30％～40％，所述空心圆柱体的外径为端盖内径的80％～90％。

一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的方法，包括以下步骤：

S1、记录待测试件的初始体积V₀，将结构尺寸一致的待测试件和金属试件分别装配入测试部和对照部的端盖内；

S2、分别在端盖内部、缸套内部、外筒内部填充满纯净水、润滑油和液压油；

S3、给外筒内部的加热丝通电，液压油受热膨胀、推动活塞分别往左右两侧移动，缸套内的润滑油从流量传感器流出，此时压力传感器测量得到液压油的压强P_油，流量传感器测量得到润滑油在测试部和对照部的流出体积分别为ΔV_L和ΔV_R；

S4、推算待测试件的体积应力和体积变化量，其中，待测试件的体积应力即为端盖内部纯净水的压强：

其中，S_S为活塞的小端横截面积，S_L为活塞的大端横截面积；

待测试件的体积变化量为：

S5、根据待测试件的体积应力和体积变化量，计算得到待测试件的体积模量为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过对外筒内部的液压油加热，以推动活塞对待测试件施加体积应力；通过检测缸套内润滑油的流量，以间接获得待测试件的体积变化量，并通过设置对照部，以消除测量误差，本发明在端盖内壁上设置顶针、将试件设置为空心圆柱体，能够有效避免试件与端盖内壁、活塞相碰触，使待测试件充分与端盖内的纯净水相接触，保证待测试件各位置受到均匀一致的体积应力，有效提高体积压缩性测量结果的准确性。

二、本发明将活塞设置为横截面积存在大小差异的大端和小端，利用大端横截面积与小端横截面积的比值，当活塞向端盖移动时，能够将端盖内纯净水的压强进行比例放大，即能够施加给待测试件更大的体积应力，也能够将缸套内流出液体的流量进行比例放大，从而能够更准确测量出待测试件的体积变化量，进一步保证体积压缩性测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为本发明的剖面结构示意图；

图3为本发明的外筒结构示意图；

图4为本发明的端盖结构示意图；

图5为本发明的缸套结构示意；

图6为本发明缸套的剖面结构示意图；

图7为本发明的活塞结构示意图；

图中标记说明：1、第一螺钉，2、纯净水，3、端盖，4、第一密封圈，5、第一密封垫，6、缸套，7、流量传感器，8、润滑油，9、第二螺钉，10、第二密封垫，11、第二密封圈，12、活塞，13、压力传感器，14、待测试件，15、液压油，16、外筒，17、加热丝，18、金属试件，19、通孔，20、顶针，21、第一螺纹孔，22、第一安装孔，23、第一矩形槽，24、第二矩形槽，25、第二安装孔，26、小端，27、大端，28、第三安装孔，29、第二螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，为左右相对称的设计，包括支架，支架上安装有外筒16(如图3所示)，外筒16的左右两端均依次连接有缸套6和端盖3，本实施例中，外筒16左端用于放置待测试件14，即实验组，外筒16右端用于放置金属试件18，即对照组，其目的是为了消除测量误差：虽然液体的体积模量远大于试件的体积模量，但是液体受压时，体积也会发生微小的变化；端盖3在受到较大的液压时，内部腔体的容积也会发生变化，这都会影响试件体积变化量的测量，此时通过设置对照组，能够消除液体体积变化和容器变形等因素对试件体积变化量测量的影响，从而提高待测试件体积变化量的测量精度。

具体的，端盖3、缸套6和外筒16通过螺钉组装在一起，且端盖3与缸套6之间设有第一密封垫5，缸套6与外筒16之前设有第二密封垫10，以此组成3个密闭空间，左右的端盖3内部分别用于防止待测试件14和金属试件18，端盖3、缸套6和外筒16的内部分别装有纯净水2、润滑油8和液压油15：端盖3中的液体不能与试件发生化学反应，因此选择纯净水；缸套6中的液体，是用来测量试件的体积变化量，可选择任意液体，本实施例选择润滑油；外筒16内部的液体为热膨胀系数大的液压油。

外筒16的内部安装有加热丝17，加热丝17与外部电源连接，给加热丝17通电时，液压油15会受热膨胀，外筒16上开设有第三安装孔28，压力传感器13装入其中，以测量液压油15的压强。缸套6内安装有活塞12，液压油15膨胀时，会推动活塞12往缸盖3移动。

如图3～图7所示，第一螺钉1穿过端盖3的通孔19，拧入缸套6的第一螺纹孔21中，第二螺钉9穿过缸套6的第二安装孔25，拧入外筒16的第二螺纹孔29中，活塞12设有小端26和大端27，小端26和大端27的横截面积分别为S_S和S_L，且S_L/S_S＞5，小端26伸入到端盖3内部，大端27与液压油15接触，缸套6内部开设有第一矩形槽23和第二矩形槽24，两者内部分别安装第一密封圈4和第二密封圈11，第一密封圈4位于小端26与缸套6之间，第二密封圈11位于大端27与缸套6之间，以防止活塞12移动时液体泄漏，缸套6的内壁和活塞12构成一个密闭空间，内部装有润滑油8，缸套6上开设有第一安装孔22，将流量传感器7装入其中，由于流量传感器7与外界相通，当活塞12往端盖3移动时，缸套6中的润滑油8会从流量传感器7流出，流量传感器7则能测出流出液体的体积。

端盖3的内壁与缸套6、小端26构成一个密闭空间，内部盛满纯净水2，当活塞12向端盖3的方向移动时，纯净水2的内部就会产生压力。将待测试件14放置在端盖3中，端盖3的端部内壁和圆周内壁均设置有顶针20，圆周内壁上具体为等间距地设置有多个顶针列，顶针列包括多个等间距排列的顶针20(本实施例中，相邻顶针20的间距为10mm)，端部内壁上则均匀地设置有多个顶针，通过设置顶针20能够避免试件与端盖3的内壁相碰触，使试件与液体充分接触，即保证试件的外表面都受到纯净水2的压力。顶针20的截面形状为矩形、圆形或三角形，顶针20的截面积为0.5～1mm²，以减小顶针20与试件表面的接触面积，且能避免顶针20刺入试件内。

此外，待测试件14和金属试件18的结构尺寸完全一致，均为空心圆柱体，该空心圆柱体的内径为其外径的30％～40％，空心圆柱体的外径为端盖3内径的80％～90％，当活塞12移动时，小端26会伸入到待测试件14和金属试件18的空心中，从而避免活塞和试件发生碰撞。金属试件18的体积不可压缩(金属的体积模量远大于待测试件，因此忽略金属试件的体积压缩性)，作为对照组。

将上述装置应用于实际，其具体工作过程为：

Step1:如图2所示，将端盖3、活塞12、缸套6、流量传感器7、压力传感器13、待测试件14和金属试件18等装配好，在端盖3、缸套6和外筒16的内部分别装满纯净水2、润滑油8和液压油15，注意排尽装置内部的空气，待测试件14和金属试件18的初始体积均为V₀，忽略重力和大气压的影响，装置内部液体的初始压力均为零。

Step2:给加热丝17的两端通电，外筒16内部的液压油15受热膨胀，推动左右两个活塞12分别向左右两侧移动，压力传感器13能测出液压油15内部的压强P_油；当活塞12往小端的方向移动时，左右两个缸套6中的润滑油8会从流量传感器7中流出，流出液体的体积分别为ΔV_L和ΔV_R。

Step3:计算待测试件14的体积应力和体积变化量：

(1)体积应力：由于活塞12两端的横截面积不同，且活塞12受力平衡，小端26处纯净水2的压强

即为待测试件14和金属试件18所受的体积应力，由此可知，由于活塞两端的横截面积不同，与外筒16内部液压油15的压强P_油相比，端盖3中纯净水2的压强P_水放大了

倍，从而能够给待测试件14施加更大的体积应力；

(2)体积变化量：缸套6内部的润滑油8通过流量传感器7与外界相通，当活塞12往端盖3的方向移动时，左右两个缸套6中的润滑油8会从流量传感器7中流出，流出液体的体积分别为ΔV_L(左侧实验组)和ΔV_R(右侧对照组)，ΔV_L主要包括待测试件14的体积变化量、纯净水2的体积变化量和端盖3的变形量；ΔV_R则主要包括纯净水2的体积变化量和端盖3的变形量(金属的体积模量远大于高分子材料，因此与待测试件14相比，金属试件18的体积变化量非常小，可以忽略)。综上分析，待测试件14的体积变化量为：

由此可知，由于活塞12两端的横截面积不同，与待测试件14的体积变化量ΔV相比，从缸套6流出的液体体积(ΔV_L-ΔV_R)放大了

倍，从而能够更准确测量出待测试件14的体积变化量ΔV。

Step4:计算待测试件14的体积模量：

综上所述，本发明所述技术方案，通过加热液体给待测试件施加体积应力，利用液压原理，保证试件表面各位置受到的体积应力处处相等；并且通过测量液体的流量，间接测量试件的体积变化量，并且增加了对照组，保证待测试件体积变化量的测量结果更准确，能有效避免传统方案的缺陷，在高分子超弹性材料的测试领域，具有较广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，包括支架，所述支架上安装有圆柱形的外筒(16)，所述外筒(16)的两端分别对称地安装有测试部和对照部，所述测试部和对照部均包括依次连接的端盖(3)和缸套(6)，所述缸套(6)与外筒(16)连接，所述缸套(6)内设有可左右移动的活塞(12)，所述缸套(6)内部填充有润滑油(8)，所述缸套(6)上安装有流量传感器(7)，所述端盖(3)内部填充有纯净水(2)，所述测试部的端盖(3)内用于放置待测试件(14)，所述对照部的端盖(3)内用于放置金属试件(18)，所述外筒(16)内部安装有加热丝(17)，所述加热丝(17)与外部电源连接，所述外筒(16)内部填充有液压油(15)，所述外筒(16)上安装有压力传感器(13)，当加热丝(17)通电后产生热量，液压油(15)受热膨胀，推动活塞(12)往端盖(3)移动，此时通过压力传感器(13)检测液压油(15)的压强、通过流量传感器(7)检测润滑油(8)流出的体积，以此推算得到待测试件(14)的体积应力和体积变化量，从而得到待测试件(14)的体积模量。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述端盖(3)的圆周内壁上等间距地设置有多个顶针(20)列，所述顶针(20)列包括多个等间距排列的顶针(20)，所述端盖(3)的端部内壁上均匀地设置有多个顶针(20)，通过设置顶针(20)能够避免试件与端盖(3)的内壁相碰触，使试件与液体充分接触。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述顶针(20)的截面形状为矩形、圆形或三角形，所述顶针(20)的截面积为0.5～1mm²，以减小顶针(20)与试件表面的接触面积，且能避免顶针(20)刺入试件内。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述活塞(12)设有横截面积不同的小端(26)和大端(27)，所述大端(27)能伸入到外筒(16)内，所述小端(26)能伸入到端盖(3)内，所述大端(27)的横截面积与小端(26)的横截面积之间的比值大于5。

5.根据权利要求4所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述小端(26)与缸套(6)之间设有第一密封圈(4)，所述大端(27)与缸套(6)之间设有第二密封圈(11)，以防止活塞(12)移动时发生液体泄漏。

6.根据权利要求5所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述缸套(6)的一端开设有用于安装第一密封圈(4)的第一矩形槽(23)，所述缸套(6)的另一端开设有用于安装第二密封圈(11)的第二矩形槽(24)。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述缸套(6)与端盖(3)之间设有第一密封垫(5)，所述缸套(6)与外筒(16)之间设有第二密封垫(10)，以保证端盖(3)内部、缸套(6)内部以及外筒(16)内部各自的密封性。

8.根据权利要求1所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述待测试件(14)和金属试件(18)均为结构尺寸一致的空心圆柱体，以方便小端(26)能够伸入至空心内，避免小端(26)与试件发生碰撞。

9.根据权利要求1所述的一种用于测量高分子超弹性材料体积压缩性的装置，其特征在于，所述空心圆柱体的内径为其外径的30％～40％，所述空心圆柱体的外径为端盖(3)内径的80％～90％。

10.一种应用权利要求4所述装置测量高分子超弹性材料体积压缩性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、记录待测试件(14)的初始体积V₀，将结构尺寸一致的待测试件(14)和金属试件(18)分别装配入测试部和对照部的端盖(3)内；

S2、分别在端盖(3)内部、缸套(6)内部、外筒(16)内部填充满纯净水(2)、润滑油(8)和液压油(15)；

S3、给外筒(16)内部的加热丝(17)通电，液压油(15)受热膨胀、推动活塞(12)分别往左右两侧移动，缸套(6)内的润滑油(8)从流量传感器(7)流出，此时压力传感器(13)测量得到液压油(15)的压强P_油，流量传感器(7)测量得到润滑油(8)在测试部和对照部的流出体积分别为ΔV_L和ΔV_R；

S4、推算待测试件(14)的体积应力和体积变化量，其中，待测试件(14)的体积应力即为端盖(3)内部纯净水(2)的压强：

其中，S_S为活塞(12)的小端(26)横截面积，S_L为活塞(12)的大端(27)横截面积；

待测试件(14)的体积变化量为：

S5、根据待测试件(14)的体积应力和体积变化量，计算得到待测试件(14)的体积模量为：

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