CN114280096B - 跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法，四个立柱置于减震台上，立柱上设有大理石平台，大理石平台的中心放置低温容器，并通过五维旋转位移台固定于减震台上；大理石平台上两两垂直的四条导轨上的石英棒夹持试样，试样的形变带动石英棒移位。本发明装置能够实现待测试样的实时观测和准确定位，满足极端低温至高温或高温至低温变化过程中材料在两个正交方向上热膨胀/收缩变形的同步精确测量。可进行跨温域双向测试，显著扩大了材料结构热膨胀/收缩变形的测量范围，应用性广；采用实时相机系统和五维旋转位移台，试样定位精度高；采用高精度LVDT位移传感器，可分辨微小位移，灵敏度高，测量精度高，使用操作简便。

Description

跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于材料热膨胀/收缩变形测试装置及其测试方法，涉及一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法。

背景技术

随着航天技术的深入应用和持续发展，航天器特殊的服役环境对其材料结构也提出了更高的性能要求。例如，卫星、探月车在轨运行或登陆服役过程中，可受到空间环境昼夜冷热交替巨大温差的显著影响月球表面最高温度为127℃，最低温度为-183℃，昼夜温差可达310℃，导致材料结构产生严重热膨胀/收缩变形，进而影响其使用性能。当前，不断涌现的新型材料和结构则为这些难题带来了有效的解决手段。例如，碳纤维增强轻质金属基复合材料不仅比强度、比模量高，同时还具有热膨胀系数低、尺寸稳定性良好等优点；此外，近年来出现的3D打印成形点阵结构也兼具轻质、吸振等优点，通过合理的结构设计，还可实现宽温域内的近零膨胀或不同方向热膨胀系数的定制设计。这些新型材料和结构，不仅有望实现航天装备的有效减重，还可保证其在低温至高温极端服役环境中的稳定使用。然而，为了实现上述新型材料和结构在航天装备中的实际应用，首先必须保证其在冷-热交替跨温域中的各向异性热膨胀/收缩变形的精确测量，以便更好地开展材料结构设计。

目前，对于不同材料和尺寸的试样，常用的热膨胀变形测试方法主要有顶杆法、光学测量法等。这些测试方法通常是以室温为初始温度对加热过程中的热膨胀变形进行测量，对试样外形尺寸也有所限制，且多为单方向测量。例如，在GBT4339-2008金属材料标准中，规定了测试样品的形状和尺寸，最小长度尺寸为25mm，横向尺寸为3mm～10mm,测量方向为单向。而纤维增强复合材料和3D打印点阵结构等轻质材料往往结构复杂，不易加工为所规定的形状和尺寸，其热膨胀系数通常还可表现出显著的各向异性，需要开展多方向测量；不仅如此，3D打印点阵结构因其工艺特点材料表面通常具有较高的孔隙率和表面粗糙度，试样定位的准确与否、石英棒接触位置的选择等因素均可显著影响测量精度。因此，测量前待测试样的准确定位至关重要。现有顶杆法尚未能实现复杂构型试样的准确定位及跨温域内各向异性热膨胀变形的同步测量。另一方面，文献“白晨等，双端激光位移法测量材料高温热膨胀系数[J].应用激光，2020.40(04)：751-756”中设计了一种激光位移法测量装置，利用激光位移传感器和高温程控炉，通过计算机控制设备，同时收集和处理数据，实时测量固体材料的热膨胀变化。该方法虽实现了室温至高温的单向热膨胀系数测定，但是，低温环境下冷却介质的蒸发和气体的冷凝等效应均会对激光测量产生极大的干扰。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法，该装置能够实现被测试样的实时观测和准确定位，满足极端低温至高温或高温至低温变化过程中材料在两个正交方向上热膨胀/收缩变形的同步精确测量。

技术方案

一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于包括减震台1、四个立柱2、大理石平台3、四条导轨4、6个V型块5，4根石英棒7，2个LVDT位移传感器8，水平位移台9、低温容器10、定位台11、加热板12和五维旋转位移台13；四个立柱2置于减震台1上，立柱2上设有大理石平台3，大理石平台3的中心为正方形通孔，放置低温容器10和加热板12，低温容器10放置于加热板12上，加热板12通过五维旋转位移台13固定于减震台1上；大理石平台3上设有两两垂直的四条导轨4，每条导轨上设有一根石英棒；四根石英棒7分别有四个方向穿过低温容器10后夹持试件；其中相对的两根石英棒一根为固定石英棒7-1，一根为移动石英棒7-2；所述固定石英棒7-1固定在第一V型块5-1上，并通过第一滑块6-1固定在第一导轨4-1上；所述移动石英棒7-2置于第二V型块5-2上，第二V型块5-2通过第二滑块6-2固定在第二导轨4-2上，同时第二滑块6-2上还固定一个水平位移台9，位移台9上设有LVDT位移传感器8，传感器8的测头触及移动石英棒7-2；所述相对方向的两根石英棒为同轴；加热板12正中间设有定位台11，为螺纹连接，用于放置被测试样15。

所述低温容器10为夹层结构，夹层中设有冷却介质，四周中部设有石英棒插入的凹孔。

所述凹孔的尺寸比石英棒尺寸大5mm。

所述冷却介质采用干冰或液氮。

所述加热板12与低温容器10组合连接，其尺寸小于大理石平台3中间方孔的尺寸。

在固定石英棒的一端，大理石平台3外侧设有相机14。

一种采用所述跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置进行热膨胀变形测量的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、试样15的定位与装夹：将试样15放置于定位台11上，采用相机14实时观察试样15的位置及角度，通过调节五维旋转位移台13，找正试样15的位置及角度，同时，使左右两侧石英棒7端面与待测试样15左右端面分别保持平行；调节滑块6-1在导轨上的位置，使试样15一端贴合固定石英棒7-1，固定滑块6-1；在试样15另一端，通过调节水平位移台9使LVDT位移传感器8沿试样15方向移动，推动石英棒7-2预紧试样15。在另一个正交方向重复此过程，确保LVDT位移传感器8、石英棒7、试样15间有可靠的接触；

步骤2、低温-室温阶段测量：在低温容器10中加入干冰或液氮等冷却介质，实现特定的稳定低温条件；将低温容器10放置于加热板12上，使试样15在目标低温状态下稳定一段时间，确保试样15完全降温至目标低温，随后开始测量。将保温盖处于半开状态，即干冰裸露且试样15处在封闭环境中，温度开始上升，升温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器8的数据；

步骤3、室温-高温阶段测量：当温度升至室温时，开启加热板12进行加热，设置升温程序，确定升温速率，使试样15温度从室温升高到目标高温，继续实时记录温度和位移数据，待试样15温度达到目标温度时，保温一段时间，对测试过程中所采集的LVDT位移数据进行整理，结合试样15升温曲线，计算出所测试样15双向热膨胀变形及热膨胀系数。如需测试不同位置的热膨胀变形，只需调节五轴旋转位移台13，改变测量位置，再进行上述操作过程，计算出所测试样15不同位置材料热膨胀变形。

一种采用所述跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置进行收缩变形测量的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、试样15的定位与装夹：将试样15放置于定位台11上，采用相机14实时观察试样15的位置及角度，通过调节五维旋转位移台13，找正试样15的位置及角度，同时，使左右两侧石英棒7端面与待测试样15左右端面分别保持平行。调节滑块6-1在导轨上的位置，使试样15一端贴合固定石英棒7-1，固定滑块6-1；在试样15另一端，通过调节水平位移台9使LVDT位移传感器8沿试样15方向移动，推动石英棒7-2预紧试样15。在另一个正交方向重复此过程，确保LVDT位移传感器8、石英棒7、试样15间有可靠的接触；

步骤2、高温-室温阶段测量：将低温容器10放置于加热板12上，低温容器10此时无添加干冰或液氮，起保温作用，开启加热板12进行加热，设置升温程序，确定升温速率，使试样15温度升高到目标高温，待试样15温度达到目标温度时，保温一段时间，记录此时LVDT位移传感器数据8，关闭加热板，开始降温测量。降温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器8的数据；

步骤3、低温-室温阶段测量：当温度降至室温时，在低温容器10中加入干冰或液氮等冷却介质，使试样15将至目标低温且稳定一段时间，确保试样15降温至目标低温，降温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器8的数据；对测试过程中所采集的LVDT位移数据进行整理，结合试样15降温曲线，计算出所测试样15双向收缩变形及热膨胀系数。如需测试不同位置的收缩变形，只需调节五轴旋转位移台13，改变测量位置，再进行上述操作过程，计算出所测试样15不同位置材料收缩变形。

有益效果

本发明提出的一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法，四个立柱置于减震台上，立柱上设有大理石平台，大理石平台的中心放置低温容器，并通过五维旋转位移台固定于减震台上；大理石平台上两两垂直的四条导轨上的石英棒夹持试样，试样的形变带动石英棒移位。

本发明装置能够实现待测试样的实时观测和准确定位，满足极端低温至高温或高温至低温变化过程中材料在两个正交方向上热膨胀/收缩变形的同步精确测量。本发明对待测试样的几何形状和尺寸限制少，可对试样不同点位进行测试，且可进行跨温域双向测试，显著扩大了材料结构热膨胀/收缩变形的测量范围，应用性广；采用实时相机系统和五维旋转位移台，试样定位精度高；采用高精度LVDT位移传感器，可分辨微小位移，灵敏度高，测量精度高，使用操作简便。

附图说明

图1为本发明提出的一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置结构示意图。

图2为跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置结构的试样定位预紧示意图；

图3为采用五维旋转位移台调节试样位置的示意图

图4为相机系统中的刻度线及试样所处位置示意图。

图5为低温容器装置示意图；

图6为低温-高温跨温域装置示意图；

图7为固定石英棒与导轨示意图

图8为移动石英棒与导轨示意图

1-减震台，2-立柱，3-大理石平台，4-导轨，4-1-第一导轨，4-2-5-V型块，5-1-第一V型块，5-2-第二V型块，6-1-第一滑块，6-2-第二滑块，7-石英棒，7-1-固定石英棒，7-2-移动石英棒，8-LVDT位移传感器，9-水平位移台，10-低温容器，11-定位台，12-加热板，13-五维旋转位移台，14-相机，15-被测试样。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供的跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置包括：减震台1，立柱2，大理石平台3，两根第一导轨4-1和两根第二导轨4-2；第一V型块5-1，第二V型块5-2，第一滑块6-1，第二滑块6-2，第一石英棒7-1，第二石英棒7-2，LVDT位移传感器8，水平位移台9，低温容器10，定位台11，加热板12，五维旋转位移台13，相机14，试样15。

大理石平台3通过四根立柱2固定于减震台1上，大理石平台3中间为正方形通孔，表面有螺纹孔，与两个垂直方向的四个导轨4进行螺纹连接；第一滑块6-1固定在第一导轨4-1上，第二滑块6-2固定在第二导轨4-2上，第一V型块5-1固定连接在第一滑块6-1上，第二V型块5-2固定连接在第二滑块6-2上，调节四根导轨的位置，确保第一V型块5-1和第二V型块5-2处于同一直线上，保证固定石英棒7-1和移动石英棒7-2的同轴度；固定石英棒通过第一V型块5-1固定，作为测试试样15的固定端；可移动石英棒7-2置于第二V型块5-2，用于传递试样15产生的变形；LVDT位移传感器8固定在水平位移台9上，水平位移台9固定在滑块6-2上，调节水平位移台9的位置可以夹紧不同尺寸的试样15，另一正交方向的特征与前述特征相同。

低温容器10采用干冰或液氮为冷却介质，实现低温环境，在装置四面底部中间设有可通过石英棒的凹口，其凹口的尺寸略大于石英棒尺寸，确保低温容器10在与加热板12组合时不触碰石英棒7，避免影响试样15的定位；加热板12与低温容器10组合连接，实现低温至高温或高温至低温连续变温过程，其尺寸小于大理石平台3中间方孔的尺寸，加热板12正中间设有定位台11，为螺纹连接，用于放置被测试样15；五维旋转位移台13具有三维移动、转动和俯仰五维调节功能，用于改变被测试样15的位置及角度，相机14用于实时观测试样15，相机系统中带有定位线及刻度线，用于检测试样15的当前的水平度及垂直度。

采用该装置测试-70℃—150℃温度范围内点阵结构试样15的双向热膨胀变形的实施例：

步骤1：试样15定位与装夹。将试样15放置于定位台11上，调节两侧四个方向的滑块，使得V型块上的石英棒两端面距离试样1510mm处，采用相机14实时观察试样15的位置及角度，调节五维旋转位移台13，按图5所示参考相机系统的水平和垂直刻度线找正试样15的位置及角度，同时，使左右两侧石英棒端面与待测试样15左右端面分别保持平行。调节两个第一滑块6-1使得固定石英棒7-1贴紧试样15，在试样15另一端，通过调节水平位移台9使LVDT位移传感器8沿试样15方向移动，推动二个移动石英棒7-2预紧试样15，并记录此时LVDT位移传感器8的数据，确保每次试验LVDT位移传感器8对试样15预紧时产生的力一致。在另一个正交方向重复此过程，确保该方向的LVDT位移传感器8、石英棒7、试样15间有可靠的接触。

步骤2：低温-室温阶段测量。试样15表面轻触热电偶，使其不影响试样15膨胀产生的移动，实时测量试样15的温度。将低温容器10放置于加热板12上，放置过程中确保低温容器10与石英棒7没有接触，在低温容器10中加入足量干冰，当试样15表面温度降至-70℃时，稳定试样15温度在-70℃状态下不低于半小时。为了防止石英棒7和试样15上产生结冰现象，在试样15周围放置少许干燥剂。试样15温度稳定为-70℃时开始测量，记录此时两个方向LVDT位移传感器8的数据，将保温盖处于半开状态，即干冰裸露且试样15处在封闭环境中，温度开始上升，升温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器8的测量数据。

步骤3：室温-高温阶段测量。当温度升至室温时，开启加热板12进行加热，设置升温程序，使温度从室温升高至150℃，升温速率3℃/min。实时记录热电偶和LVDT位移传感器8的测量数据，待试样15温度达到150℃时维持该温度一小时，停止加热。对测试过程中所采集的热电偶温度数据和LVDT位移数据进行整理，计算出所测试样15在两个正交方向热膨胀变形及热膨胀系数。如需要测试不同位置的热膨胀变形，只需调节五轴旋转位移台13，改变试样15被测位置，再重新进行上述操作步骤，计算出试样15不同位置所对应的材料热膨胀变形。

采用该装置测试150℃—-70℃温度范围内的点阵试样15双方向收缩变形的实施例：

本实施例与上一实施例的不同之处在与采用150℃至-70℃降温的方式进行收缩变形测量。

步骤1：与实施例一中的步骤1相同。

步骤2：高温-室温阶段测量。开启加热板12进行加热，设置升温程序，使温度从室温升高至150℃，待试样15温度达到150℃时维持该温度一小时，停止加热，开始测量。温度下降过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器8的测量数据。

步骤3：室温-低温阶段测量。待温度降至室温时，将装有干冰的低温容器10放置于加热板12上，放置过程中确保低温容器10与石英棒7没有接触，温度持续下降，当试样15表面温度降至-70℃时，稳定试样15温度在-70℃状态下不低于半小时，实时记录温度和LVDT位移传感器8的测量数据。对测试过程中所采集的热电偶温度数据和LVDT位移数据进行整理，计算出所测试样15在两个正交方向的收缩变形及热膨胀系数。

Claims (8)

1.一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于包括减震台(1)、四个立柱(2)、大理石平台(3)、四条导轨(4)、6个V型块(5),4根石英棒(7)，2个LVDT位移传感器(8)，水平位移台(9)、低温容器(10)、定位台(11)、加热板(12)和五维旋转位移台(13)；四个立柱(2)置于减震台(1)上，立柱(2)上设有大理石平台(3)，大理石平台(3)的中心为正方形通孔，放置低温容器(10)和加热板(12)，低温容器(10)放置于加热板(12)上，加热板(12)通过五维旋转位移台(13)固定于减震台(1)上；大理石平台(3)上设有两两垂直的四条导轨(4)，每条导轨上设有一根石英棒；四根石英棒(7)分别有四个方向穿过低温容器(10)后夹持试件；其中相对的两根石英棒一根为固定石英棒(7-1)，一根为移动石英棒(7-2)；所述固定石英棒(7-1)固定在第一V型块(5-1)上，并通过第一滑块(6-1)固定在第一导轨(4-1)上；所述移动石英棒(7-2)置于第二V型块(5-2)上，第二V型块(5-2)通过第二滑块(6-2)固定在第二导轨(4-2)上，同时第二滑块(6-2)上还固定一个水平位移台(9)，位移台(9)上设有LVDT位移传感器(8)，传感器(8)的测头触及移动石英棒(7-2)；所述相对方向的两根石英棒为同轴；加热板(12)正中间设有定位台(11)，为螺纹连接，用于放置被测试样(15)。

2.根据权利要求1所述的跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于：所述低温容器(10)为夹层结构，夹层中设有冷却介质，四周中部设有石英棒插入的凹孔。

3.根据权利要求2所述的跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于：所述凹孔的尺寸比石英棒尺寸大5mm。

4.根据权利要求2所述的跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于：所述冷却介质采用干冰或液氮。

5.根据权利要求1所述的跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于：所述加热板(12)与低温容器(10)组合连接，其尺寸小于大理石平台(3)中间方孔的尺寸。

6.根据权利要求1所述的跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置，其特征在于：在固定石英棒的一端，大理石平台(3)外侧设有相机(14)。

7.一种采用权利要求1～6任一项所述跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置进行热膨胀变形测量的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、试样(15)的定位与装夹：将试样(15)放置于定位台(11)上，采用相机(14)实时观察试样(15)的位置及角度，通过调节五维旋转位移台(13)，找正试样(15)的位置及角度，同时，使左右两侧石英棒(7)端面与待测试样(15)左右端面分别保持平行；调节滑块(6-1)在导轨上的位置，使试样(15)一端贴合固定石英棒(7-1)，固定滑块(6-1)；在试样(15)另一端，通过调节水平位移台(9)使LVDT位移传感器(8)沿试样(15)方向移动，推动石英棒(7-2)预紧试样(15)；在另一个正交方向重复此过程，确保LVDT位移传感器(8)、石英棒(7)、试样(15)间有可靠的接触；

步骤2、低温-室温阶段测量：在低温容器(10)中加入干冰或液氮等冷却介质，实现特定的稳定低温条件；将低温容器(10)放置于加热板(12)上，使试样(15)在目标低温状态下稳定一段时间，确保试样(15)完全降温至目标低温，随后开始测量；将保温盖处于半开状态，即干冰裸露且试样(15)处在封闭环境中，温度开始上升，升温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器(8)的数据；

步骤3、室温-高温阶段测量：当温度升至室温时，开启加热板(12)进行加热，设置升温程序，确定升温速率，使试样(15)温度从室温升高到目标高温，继续实时记录温度和位移数据，待试样(15)温度达到目标温度时，保温一段时间，对测试过程中所采集的LVDT位移数据进行整理，结合试样(15)升温曲线，计算出所测试样(15)双向热膨胀变形及热膨胀系数；如需测试不同位置的热膨胀变形，只需调节五轴旋转位移台(13)，改变测量位置，再进行上述操作过程，计算出所测试样(15)不同位置材料热膨胀变形。

8.一种采用权利要求1～6任一项所述跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置进行收缩变形测量的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、试样(15)的定位与装夹：将试样(15)放置于定位台(11)上，采用相机(14)实时观察试样(15)的位置及角度，通过调节五维旋转位移台(13)，找正试样(15)的位置及角度，同时，使左右两侧石英棒(7)端面与待测试样(15)左右端面分别保持平行；调节滑块(6-1)在导轨上的位置，使试样(15)一端贴合固定石英棒(7-1)，固定滑块(6-1)；在试样(15)另一端，通过调节水平位移台(9)使LVDT位移传感器(8)沿试样(15)方向移动，推动石英棒(7-2)预紧试样(15)；在另一个正交方向重复此过程，确保LVDT位移传感器(8)、石英棒(7)、试样(15)间有可靠的接触；

步骤2、高温-室温阶段测量：将低温容器(10)放置于加热板(12)上，低温容器(10)此时无添加干冰或液氮，起保温作用，开启加热板(12)进行加热，设置升温程序，确定升温速率，使试样(15)温度升高到目标高温，待试样(15)温度达到目标温度时，保温一段时间，记录此时LVDT位移传感器数据(8)，关闭加热板，开始降温测量；降温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器(8)的数据；

步骤3、低温-室温阶段测量：当温度降至室温时，在低温容器(10)中加入干冰或液氮等冷却介质，使试样(15)将至目标低温且稳定一段时间，确保试样(15)降温至目标低温，降温过程中，实时记录温度和LVDT位移传感器(8)的数据；对测试过程中所采集的LVDT位移数据进行整理，结合试样(15)降温曲线，计算出所测试样(15)双向收缩变形及热膨胀系数；如需测试不同位置的收缩变形，只需调节五轴旋转位移台(13)，改变测量位置，再进行上述操作过程，计算出所测试样(15)不同位置材料收缩变形。