CN114441326B - 一种多功能薄膜材料胀形测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料力学测试技术领域，公开了一种多功能薄膜材料胀形测试装置，包括胀形测试箱，测试箱壳体内设置有横置主管，横置主管上部设置有多个竖置支管，竖置支管顶部用于安装薄膜材料试样；竖置支管与横置主管密封连接构成气压腔室；横置主管一端连接有进气管路，另一端连接有气压表；进气管路与气缸连接，气缸通过音圈电机与位移控制系统连接；位移控制系统根据气压表的反馈对音圈电机的中心杆位移进行控制，从而通过气缸的排气量对气压腔室的气压进行定量调节。本发明能够使薄膜材料发生便捷可控的胀形变形，例如提供速率可控的持续加压条件、频率可控的循环卸压加压条件等，从而实现对薄膜材料的失效机理和耐久性进行更有效的表征评估。
Description
技术领域
本发明属于材料力学测试技术领域，具体的说，是涉及一种薄膜材料胀形测试装置。
背景技术
目前，针对薄膜材料的力学性能测试试验机大多是基于传统的平面单轴或者平面双轴所设计。但由于大多数薄膜材料应用场合的特殊性，例如燃料电池中的质子交换膜、户外电子设备中的防水透气膜等，并非仅承受平面载荷，而往往服役于复杂的三维多轴应力环境。传统力学性能测试试验机的测试条件与其实际工况相差较大，难以对其实际应用工况中的真实疲劳寿命及失效机理进行良好的表征与分析。
因而，针对于薄膜材料的新型表征手段——胀形测试应运而生，胀形测试即为使薄膜材料因受压差而产生鼓泡变形的测试方法，其可以使薄膜材料受力状态更贴近其服役环境，以弥补传统平面测试的不足。但目前已有的胀形测试装置存在着功能单一、胀形实现条件较为复杂及难以调控等缺点。例如：通过连接注射器和改装的世伟洛克接头从而使夹持的薄膜材料发生胀形变形，但该种方法仅能实现一次变形膨胀至爆破失效，不能实现可控的胀形疲劳测试，单个注射器的加压体积十分有限，而且存在着较大的人为操作误差；也有通过自制胀形夹具通过气管连接到储气罐实现胀形变形，并通过控制针阀、电磁阀实现对气压的控制，但该种方法线路设计复杂，需定期更换储气罐，且难以为薄膜材料添加对其力学性能影响较大的温湿度环境以及变形检测环境。因此，设计出一套结构简单、气压控制便捷、精度高、便于施加温湿度条件和变形检测条件的胀形测试装置十分必要。
发明内容
本发明旨在解决薄膜材料胀形测试的相关技术问题，而提供一种多功能薄膜材料胀形测试装置，能够使薄膜材料发生便捷可控的胀形变形，例如提供速率可控的持续加压条件、频率可控的循环卸压加压条件等，同时搭配可控的温湿度条件以及变形检测条件，从而实现对薄膜材料的失效机理和耐久性进行更有效的表征评估。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
本发明提供了一种多功能薄膜材料胀形测试装置，包括胀形测试箱，所述胀形测试箱包括测试箱壳体，所述测试箱壳体内设置有横置主管，所述横置主管上部设置有多个竖置支管，所述竖置支管顶部用于安装薄膜材料试样；所述竖置支管与所述横置主管密封连接，使所述横置主管和所述竖置支管内部连通构成气压腔室；所述横置主管一端连接有进气管路，用于向所述气压腔室通入气体；另一端连接有气压表，用于监测所述气压腔室的气压值；
所述进气管路与气缸的气口连接，所述气缸的活塞与所述音圈电机的中心杆连接，所述音圈电机的中心杆由位移控制系统控制；所述位移控制系统与所述气压表连接，用于根据所述气压表的反馈对所述音圈电机的中心杆位移进行控制，从而通过所述气缸的排气量对所述气压腔室的气压进行定量控制。
进一步地，所述竖置支管顶部通过环向均布的螺栓连接有空心端盖，所述空心端盖与所述竖置支管之间夹持所述薄膜材料试样。
进一步地，所述测试箱壳体内部设置有加热棒和温度传感器，所述加热棒和所述温度传感器均与温度控制器连接，所述温度控制器根据所述温度传感器的反馈，通过所述加热棒调节所述胀形测试箱内部温度。
更进一步地，所述温度传感器的安装位置与所述薄膜材料试样处于同一水平面。
进一步地，所述测试箱壳体内部设置有湿气管路和湿度传感器，所述湿气管路和所述湿度传感器均与湿度控制器连接，所述湿度控制器根据所述湿度传感器的的反馈，通过所述湿气管路调节所述胀形测试箱内部湿度。
更进一步地，所述湿度传感器的安装位置与所述薄膜材料试样处于同一水平面。
进一步地，所述测试箱壳体内部设置有风扇。
进一步地，所述测试箱壳体顶面装嵌有试样视窗。
进一步地，所述薄膜材料试样的应变由DIC系统实时监控。
本发明的有益效果是：
本发明的多功能薄膜材料胀形测试装置结构简单、功能齐全，可以通过控制音圈电机位移使薄膜材料处于多种应力状态，同时配备相应的温湿度环境条件以及应变测量系统，可以对薄膜材料在多场耦合工况下进行胀形测试试验。具体地：
(一)本发明采用横置主管和多个竖置支管既可以构成气体腔室，又能够同时测试多组薄膜材料试样，气体腔室密封加压环境实现方式简单，试样夹持与拆卸操作便捷可靠。
(二)本发明能够通过位移控制系统控制音圈电机带动气缸，进而实现对气压腔室环境内气压的多种控制，从而实现多功能胀形疲劳测试的简易方法，进而可以满足不同的测试需求。
(三)本发明通过外配的温度控制器、湿气控制器以及内置的加热棒、湿气管路、温度传感器、湿度传感器、风扇等组成温湿度环境控制部分，能够达到控制薄膜材料胀形测试实验环境的目的，不仅简化腔体内温湿度环境的实现方式，也使得温湿度环境控制更加精准稳定。
附图说明
图1是实施例提供的多功能薄膜材料胀形测试装置的结构示意图；
图2是实施例提供的多功能薄膜材料胀形测试装置中胀形测试箱的内部结构示意图。
上述图中：1：胀形测试箱；2：DIC系统；3：温度控制器；4：湿气控制器；5：气缸；6：音圈电机；7：位移控制系统；
101.测试箱壳体；102.温度传感器；103.风扇；104.视窗；105.薄膜材料试样；106.湿度传感器；107.湿气管路；108.气压表；109.竖置支管；110.横置主管；111.腔体支座；112.加热棒；113.地脚；114.进气管路。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供了一种多功能薄膜材料胀形测试装置，包括胀形测试箱1，DIC系统2，温度控制器3，湿气控制器4，气缸5，音圈电机6，位移控制系统7。
如图2所示，胀形测试箱1包括测试箱壳体101，温度传感器102，风扇103，视窗104，薄膜材料试样105，湿度传感器106，湿气管路107，气压表108，竖置支管109，横置主管110，腔体支座111，加热棒112，地脚113，进气管路114。
横置主管110和多个竖置支管109设置在测试箱壳体101内部，横置主管110优选由中空厚壁方形钢管制成，竖置支管109优选由中空厚壁圆形钢管制成，二次加工较为便捷且成本低。多个横置主管110间隔地设置在横置主管110上部，每个竖置支管109底部设置有外螺纹并与设置有内螺纹的横置主管110通过螺纹旋紧连接，同时在连接处安装有垫片以保证连接处的密封性。
横置主管110放置在腔体支座111的凹槽中，腔体支座111通过螺栓固定于测试箱壳体101的底面；腔体支座111用于固定横置主管110，防止由于腔体内气压波动变化引起整个腔体的振动。横置主管110两端分别安装有端盖，一端端盖通过配备气动接头连接进气管路114，实现横置主管110与竖置支管109所形成气体腔室的气压环境；另一端的端盖连接气压表108，气压表108设置在测试箱壳体101外部，用于实时输出横置主管110与竖置支管109所形成气体腔室的气压值。
竖置支管109顶部用于安装薄膜材料试样105，薄膜材料试样105由环向均布通孔的空心端盖通过螺栓连接于竖置支管109顶端进行夹持固定，使薄膜材料试样105可以受压发生自由膨胀变形。竖置支管109的数量根据试验情况进行选取，以便同时测试多组薄膜材料试样105，以节省测试时间成本。
综上，横置主管110配置多个竖置支管109既能够构成气体腔室，又能够夹持薄膜材料，具有结构简单、成本低、密封方便、胀形变形易于观测监控等优点。
胀形测试箱1的进气管路114通过导气管与气缸5的气口连接，气缸5的活塞与音圈电机6的中心杆连接。通过控制音圈电机6的中心杆可以带动气缸5活塞进行吸气排气运动，从而通过气缸5的气口导气至横置主管110与竖置支管109所形成的气体腔室内部，从而实现对气体腔室内施加气体压力。
音圈电机6和气压表108均与位移控制系统7连接，位移控制系统7能够对音圈电机6的中心杆位移进行控制，从而改变气缸5的排气量大小，并根据气压表108的反馈对横置主管110与竖置支管109所形成气体腔室的气压环境进行定量控制。位移控制系统7为现有技术中成熟器件。
由此，位移控制系统7通过控制音圈电机6中心杆位移可以实现对气体腔室内气压环境的多程控制，通过一次持续增加压力、恒定压力、循环压力等气压变化可以实现对薄膜材料的胀形蠕变测试与疲劳测试，这种控制方式可以在保持气压控制效果不变的前提下，使得整体控制结构更加简单，并且可以同时满足多种不同的测试需求。
加热棒112接线端加工有外螺纹，与开有内螺纹孔的测试箱壳体101之间通过螺纹连接固定，多根加热棒112均匀排布固定在由横置主管110和多个竖置支管109构成的气体腔室四周。加热棒112主要用来加热实验环境所需温度，采用加热棒112加热可以快速加热空气到指定温度。温度传感器102的安装位置优选为，与竖置支管109的顶端端面处于同一水平面，以确保薄膜材料试样105所在位置的温度更接近所控温度，用于实时监测测试箱壳体101内的温度。加热棒112和温度传感器102均与测试箱壳体101外部的温度控制器3相连接，温度控制器3根据温度传感器102的反馈，通过加热棒112调节试验环境所需温度条件。温度控制器3为现有技术中的已有成熟器件，例如本实施例选用罗卓尼克HF120-SB1X。
湿气管路107安装于测试箱壳体101并与其内部环境相连通，用于向测试箱壳体101内部通入湿气。湿度传感器106的安装位置优选为，与竖置支管109的顶端端面处于同一水平面，以确保薄膜材料试样105所在位置的湿度更接近所控湿度，用于实时监测测试箱壳体101内的湿度。湿气管路107与测试箱壳体101外部的湿气控制器4相连接，湿气控制器4根据湿气控制器4的反馈，通过湿气管路107调节试验环境所需湿度条件。湿气控制器4为现有技术中的已有成熟器件。
风扇103安装在测试箱壳体101内部，其作用主要是使测试箱壳体101的环境温湿度保持稳定均一。
通过对薄膜材料试样105试验环境的温湿度控制，可以实现薄膜材料实际应用工况的温湿度条件，从而便于阐释薄膜材料多场耦合作用下的寿命预测和失效机制。
此外，测试箱壳体101底部设置四个地脚113，顶面装嵌透明加热玻璃作为试样视窗104。
通过配备外部三维全场应变系统(DIC系统)可以对薄膜材料试样105胀形的应变变化进行实时监控。
使用时，将圆形的薄膜材料试样105在竖置支管109顶部夹持固定之后，打开温度控制器3和湿气控制器4按照设定温湿度进行调控，待温湿度环境稳定之后，通过位移控制系统7控制音圈电机6的中心杆位移变化对腔体内加压，从而对薄膜材料进行胀形测试实验。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，包括胀形测试箱，所述胀形测试箱包括测试箱壳体，所述测试箱壳体内设置有横置主管，所述横置主管为中空的方形管；所述横置主管上部间隔地设置有多个呈直线排布的竖置支管，所述竖置支管为中空的圆形管；所述竖置支管顶部通过环向均布的螺栓连接有空心端盖，所述空心端盖与所述竖置支管之间夹持所述薄膜材料试样；所述竖置支管与所述横置主管密封连接，使所述横置主管和所述竖置支管内部连通构成气压腔室；所述横置主管一端连接有进气管路，用于向所述气压腔室通入气体；另一端连接有气压表，用于监测所述气压腔室的气压值；
所述进气管路与气缸的气口连接，所述气缸的活塞与音圈电机的中心杆连接，所述音圈电机的中心杆由位移控制系统控制；所述位移控制系统与所述气压表连接，用于根据所述气压表的反馈对所述音圈电机的中心杆位移进行控制，从而通过所述气缸的排气量对所述气压腔室的气压进行定量控制。
2.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述测试箱壳体内部设置有加热棒和温度传感器，所述加热棒和所述温度传感器均与温度控制器连接，所述温度控制器根据所述温度传感器的反馈，通过所述加热棒调节所述胀形测试箱内部温度。
3.根据权利要求2所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述温度传感器的安装位置与所述薄膜材料试样处于同一水平面。
4.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述测试箱壳体内部设置有湿气管路和湿度传感器，所述湿气管路和所述湿度传感器均与湿度控制器连接，所述湿度控制器根据所述湿度传感器的的反馈，通过所述湿气管路调节所述胀形测试箱内部湿度。
5.根据权利要求4所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述湿度传感器的安装位置与所述薄膜材料试样处于同一水平面。
6.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述测试箱壳体内部设置有风扇。
7.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述测试箱壳体顶面装嵌有试样视窗。
8.根据权利要求1所述的一种多功能薄膜材料胀形测试装置，其特征在于，所述薄膜材料试样的应变由DIC系统实时监控。
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| CN114441326A (zh) | 2022-05-06 |
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