CN114279870A - 一种用于检测薄膜材料冲击性能的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于检测薄膜材料冲击性能的装置，包括工作模块和激光模块；所述工作模块包括壳体、振片、弹丸和透明玻璃；所述壳体内部设有工作空腔，所述工作空腔一端内安装振片，所述工作空腔另一端内安装待检测薄膜；所述振片上放置弹丸；所述工作空腔一端安装透明玻璃，且透明玻璃位于振片下方；所述激光模块用于产生激光束，所述激光束穿过透明玻璃冲击振片，使振片产生振动，用于为弹丸提供动能，获得动能的所述弹丸用于冲击待检测薄膜。本发明利用高能纳秒脉冲激光诱导冲击波作用振片，振片驱动弹丸对薄膜撞击，装置结构简单、可测范围大、可重复性好，而且能够检测任意形状弹丸冲击下薄膜的性能。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜材料冲击性能检测领域，特别涉及一种用于检测薄膜材料冲击性能的装置。
背景技术
薄膜材料在航天器的天线、太阳能聚光器和太阳帆上具有重要的应用。长期在轨运行的航天器暴露在太空环境中，表面的薄膜结构的会受到微流星体和轨道碎片的高速撞击，产生断裂损伤。因此，需要对薄膜材料在冲击加载引起的高应变率条件下力学性能进行检测。
薄膜的落锤式冲击试验是检测薄膜抗冲击性能的一种试验方法。落锤式冲击试验是将已知重量的重锤从已知高度垂直下落，冲击试样，测定试验材料的耐冲击性能。但落锤式冲击试验大都存在着重锤下落后不能及时固定，造成二次冲击的问题，同时还存在着速度较低、测量不够精准等问题。另一种用于薄膜冲击性能检测的方法是激光驱动飞片法，其利用激光烧蚀物质产生的高温高压等离子体推动微小飞片高速飞行。激光驱动飞片法能够检测的速度很高，但是存在飞片形状单一、飞片观测和控制困难的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于检测薄膜材料冲击性能的装置，利用高能纳秒脉冲激光诱导冲击波作用振片，振片驱动弹丸对薄膜撞击，装置结构简单、可测范围大、可重复性好，而且能够检测任意形状弹丸冲击下薄膜的性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于检测薄膜材料冲击性能的装置，包括工作模块和激光模块；所述工作模块包括壳体、振片、弹丸和透明玻璃；
所述壳体内部设有工作空腔，所述工作空腔一端内安装振片，所述工作空腔另一端内安装待检测薄膜；所述振片上放置弹丸；所述工作空腔一端安装透明玻璃，且透明玻璃位于振片下方；所述激光模块用于产生激光束，所述激光束穿过透明玻璃冲击振片，使振片产生振动，用于为弹丸提供动能，获得动能的所述弹丸用于冲击待检测薄膜。
进一步，所述工作空腔另一端内安装海绵，且所述海绵位于待检测薄膜后面，用于收集击穿待检测薄膜的弹丸。
进一步，所述壳体包括上盖、工作腔体和下盖；所述工作腔体两端分别安装上盖和下盖，所述工作空腔为上盖、工作腔体和下盖之间贯穿的中心孔。
进一步，所述待检测薄膜两端分别通过第一上垫片和第二上垫片安装在上盖的中心孔处；所述振片位于工作腔体和下盖之间，所述振片两端分别设有第一下垫片和第二下垫片；所述透明玻璃安装在第二下垫片下方，所述透明玻璃底部设有第三下垫片。
进一步，所述壳体为透明材料。
进一步，还包括高速摄影模块和控制模块，所述高速摄影模块包括高速相机，所述高速相机位于壳体外部，用于获取弹丸的运动图像，所述控制模块根据高速相机获取的图像分析得出弹丸的运动参数。
进一步，所述高速摄影模块还包括补光灯，所述高速相机的轴心线与补光灯的轴心线成120°角。
进一步，所述激光模块包括激光器，所述激光器为纳秒脉冲激光器，所述激光器产生的激光束的波长1064nm或532nm，所述激光束的光斑直径为1～3mm，所述激光束的脉冲宽度10～20ns，所述激光束的脉冲能量5～10J。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，通过改变激光脉冲能量即可实现弹丸速度的调整，弹丸速度可调区间大、操作简单。
2.本发明所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，使用的弹丸可以为任意形状，核心区域密闭，安全性好。
3.本发明所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，也适用于其他箔材的冲击性能检测。
附图说明
图1为本发明所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置结构示意图。
图2为本发明所述的工作模块的结构示意图；
图3为本发明所述的工作模块的三维示意图。
图4为本发明所述的工作模块的三维切面示意图。
图5为本发明所述的工作模块与高速摄影模块的相对位置关系图。
图中：
1-工作模块；2-补光灯；3-激光器；4-反射镜；5-激光束；6-计算机；7-高速相机；101-海绵；102-第一紧固螺钉；103-第一上垫片；104-上盖；105-工作腔体；106-下盖；107-第二紧固螺钉；108-第三下垫片；109-透明玻璃；110-第二下垫片；111-振片；112-第一下垫片；113-弹丸；114-第二上垫片；115-待检测薄膜。
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。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，包括工作模块1、激光模块、高速摄影模块和计算机6；
如图2、图3和图4所示，所述工作模块1包括壳体、振片111、弹丸113和透明玻璃109；
所述壳体内部设有工作空腔，所述工作空腔一端内安装振片111，所述工作空腔另一端内安装待检测薄膜115；所述振片111上放置弹丸113；所述工作空腔一端安装透明玻璃109，且透明玻璃109位于振片111下方，用于约束冲击波；所述激光模块用于产生激光束5，所述激光束穿过透明玻璃109冲击振片111，使振片111产生振动，用于为弹丸113提供动能，获得动能的所述弹丸113用于冲击待检测薄膜115。所述工作空腔另一端内安装海绵101，且所述海绵101位于待检测薄膜115后面，用于收集击穿待检测薄膜115的弹丸113。所述激光模块包括激光器3，所述激光器3为纳秒脉冲激光器，所述激光器3产生的激光束的波长1064nm或532nm，所述激光束的光斑直径为1～3mm，所述激光束的脉冲宽度10～20ns，所述激光束的脉冲能量5～10J。
所述壳体包括上盖104、工作腔体105和下盖106；所述工作腔体105一端通过第一紧固螺钉102与上盖104连接，所述工作腔体105另一端通过第二紧固螺钉107与下盖106连接，所述工作空腔为上盖104、工作腔体105和下盖106之间贯穿的中心孔。所述待检测薄膜115两端分别通过第一上垫片103和第二上垫片114安装在上盖104的中心孔处；所述振片111位于工作腔体105和下盖106之间，所述振片111两端分别设有第一下垫片112和第二下垫片110；所述透明玻璃109安装在第二下垫片110下方，所述透明玻璃109底部设有第三下垫片108。
所述第一上垫片103、第三下垫片108、第二下垫片110、第一下垫片112、第二上垫片114均为橡胶平垫圈；所述工作腔体105一侧端面固定有待检测薄膜115，材料为聚酰亚胺，另一侧端面为不锈钢振片111，正方体弹丸113放置于工作腔体105内的不锈钢振片111表面。所述第一上垫片103、上盖104、工作腔体105、下盖106的材料为透明亚克力玻璃。所述高速摄影模块包括高速相机7，所述高速相机7位于壳体外部，用于获取弹丸113的运动图像，所述计算机6根据高速相机7获取的图像分析得出弹丸113的运动参数。所述高速摄影模块还包括补光灯2，所述高速相机7的轴心线与补光灯2的轴心线成120°角，如图5所示。
工作过程：所述激光器3发出激光束5辐照不锈钢振片3下表面产生冲击波，冲击波在K9玻璃109的约束下使不锈钢振片3高速振动，不锈钢振片3驱动工作腔体105内的正方体弹丸108高速撞击聚酰亚胺薄膜115，正方体弹丸108穿透待检测薄膜115后被海绵101吸附；高速相机7实时记录整个过程中正方体弹丸108的位置信息。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，包括工作模块(1)和激光模块；
所述工作模块(1)包括壳体、振片(111)、弹丸(113)和透明玻璃(109)；
所述壳体内部设有工作空腔，所述工作空腔一端内安装振片(111)，所述工作空腔另一端内安装待检测薄膜(115)；所述振片(111)上放置弹丸(113)；所述工作空腔一端安装透明玻璃(109)，且透明玻璃(109)位于振片(111)下方；所述激光模块用于产生激光束，所述激光束穿过透明玻璃(109)冲击振片(111)，使振片(111)产生振动，用于为弹丸(113)提供动能，获得动能的所述弹丸(113)用于冲击待检测薄膜(115)。
2.根据权利要求1所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，所述工作空腔另一端内安装海绵(101)，且所述海绵(101)位于待检测薄膜(115)后面，用于收集击穿待检测薄膜(115)的弹丸(113)。
3.根据权利要求1所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，所述壳体包括上盖(104)、工作腔体(105)和下盖(106)；所述工作腔体(105)两端分别安装上盖(104)和下盖(106)，所述工作空腔为上盖(104)、工作腔体(105)和下盖(106)之间贯穿的中心孔。
4.根据权利要求3所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，所述待检测薄膜(115)两端分别通过第一上垫片(103)和第二上垫片(114)安装在上盖(104)的中心孔处；所述振片(111)位于工作腔体(105)和下盖(106)之间，所述振片(111)两端分别设有第一下垫片(112)和第二下垫片(110)；所述透明玻璃(109)安装在第二下垫片(110)下方，所述透明玻璃(109)底部设有第三下垫片(108)。
5.根据权利要求1所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，所述壳体为透明材料。
6.根据权利要求5所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，还包括高速摄影模块和控制模块，所述高速摄影模块包括高速相机(7)，所述高速相机(7)位于壳体外部，用于获取弹丸(113)的运动图像，所述控制模块根据高速相机(7)获取的图像分析得出弹丸(113)的运动参数。
7.根据权利要求6所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，所述高速摄影模块还包括补光灯(2)，所述高速相机(7)的轴心线与补光灯(2)的轴心线成120°角。
8.根据权利要求1所述的用于检测薄膜材料冲击性能的装置，其特征在于，所述激光模块包括激光器(3)，所述激光器(3)为纳秒脉冲激光器，所述激光器(3)产生的激光束的波长1064nm或532nm，所述激光束的光斑直径为1～3mm，所述激光束的脉冲宽度10～20ns，所述激光束的脉冲能量5～10J。
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