CN115979799A - 一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于力学测试技术领域，公开了一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，用于高通量蠕变试验机上蠕变试样的测量；包括非接触式视频引伸计和高温弧形反射屏，通过高温弧形反射屏将所有的蠕变试样全部等比例汇聚于非接触式视频引伸计的镜头视野中，实现非接触式视频引伸计同时进行多个蠕变试样的应变测量。本发明巧妙地通过高温反射屏形成独特的多个试样应变成像方式，相比于接触式引伸计测量，操作简便，流程简单，不仅节省成本同时也能提升测试效率。在此基础上，对高温反射屏的基体材料和反射膜制备技术进行优化，实现了高温环境下的反射屏制备，提升了反射屏基体的耐热变形能力，解决了高温下反射膜受热失效、变形的问题。

Description

一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置

技术领域

本发明属于力学测试技术领域，具体的说，是涉及一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置。

背景技术

高温蠕变试验（温度通常在30℃-1200℃）对于评估工程部件的结构完整性至关重要，大多数蠕变试验致力于获得材料的稳态蠕变响应，即使用单轴实验获得临界蠕变参数。根据美国材料与试验协会(ASTM)的规定，每项测试需要至少10个样品，并且这些测试中的每一个都可能持续很长时间(几个月~几年)。目前常规的高温蠕变试验仅能满足单个样品的测试需求，高昂的测试和时间成本使高温蠕变试验成为基于大数据分析的材料研究成为主要瓶颈。随着核能的快速发展，在辐射环境下的高温蠕变测试需求急剧增多，受限于辐射实验室的空间限制，高通量蠕变试验机的开发迫在眉睫。

高通量试验机可以通过独特的悬臂加载，实现单台试验机同时测试多个试样的多个“应力-应变率”曲线，但是存在的问题在于由于试样较多，间距较小，没有足够的空间配备多个非接触式视频引伸计，因此单个试样的应力应变曲线无法单独获得。目前常用的方案有两种：1、采用机械位移代替应变测量，这种方案测得的应变准确度不高，不适合小试样的测试；2、采用引伸计单独测量每个试样的应变数据，此方案需要给每个试样上配备接触式高温引伸计，成本较高，由于每个试验周期很长，导致测试设备的时间成本极为高昂。

发明内容

本发明旨在提供了一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，能够采用一套非接触式视频引伸计同时进行多个蠕变试样的应变测量，更准确快速得到高温下高通量蠕变试样的应变值，成本较低，操作方便。

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：

根据本发明的一个方面，提供了一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，用于高通量蠕变试验机上蠕变试样的测量；包括非接触式视频引伸计和高温弧形反射屏，通过所述高温弧形反射屏将所有的所述蠕变试样全部等比例汇聚于所述非接触式视频引伸计的镜头视野中，实现所述非接触式视频引伸计同时进行多个所述蠕变试样的应变测量；

所述高温弧形反射屏位于所述蠕变试样的后方，所述高温弧形反射屏与所述蠕变试样的标距段和所述非接触式视频引伸计的正中水平；所述高温弧形反射屏与所述蠕变试样的距离，以所述蠕变试样均容纳于所述非接触式视频引伸计的镜头视野中为准；

所述高温弧形反射屏包括基体，所述基体的弧形表面镀制有反光膜；所述基体采用石英玻璃-氧化铝梯度功能材料制备，所述反光膜采用ZrO₂和SiO₂交替沉积得到。

进一步地，所述非接触式视频引伸计按照其镜头的焦距固定在所述蠕变试样的前方，所述非接触式视频引伸计的镜头正中心与所述蠕变试样的标距段正中心水平。

优选地，位于最边侧的两个所述蠕变试样的竖中线均位于所述非接触式视频引伸计的镜头视野边线。

优选地，所述高温弧形反射屏的弧形表面直径设置为8~10L，其中L为所述非接触式视频引伸计的镜头焦距。

进一步地，所述石英玻璃-氧化铝梯度功能材料为石英玻璃和氧化铝成分连续梯度变化的复合材料；由所述高温弧形反射屏的边侧向中间位置，其基体中氧化铝的含量逐渐变低。

更为优选地，所述高温弧形反射屏的边缘位置按照石英玻璃与氧化铝的质量比为90：10制备所述基体，随着靠近中心位置根据所述高温弧形反射屏的基体尺寸切分出的薄层数量以等差的方式均匀减少氧化铝的含量，直至到所述高温弧形反射屏的中间位置按照石英玻璃与氧化铝的质量比为99：1制备所述基体。

进一步地，所述高温弧形反射屏的基体制作过程如下：

（1）利用软件生成所述基体的三维实体模型，并对三维实体模型进行等厚度分层；

（2）按照分层后得到每层形状制作多个分层模具，所述分层模具的内腔厚度不大于1mm；

（3）将配制好的不同比例的石英玻璃-氧化铝浆料注入各个所述分层模具内，根据每个所述分层模具位置的不同调整石英玻璃-氧化铝浆料的比例；

（4）将石英玻璃-氧化铝浆料滚压为浆料层，并通过粘结剂和耐热剂将各浆料层粘接并进行烧结。

优选地，所述粘结剂采用质量浓度为15%的聚乙烯醇水溶液，所述耐热剂采用质量浓度为4%的Na₂B₄O₇水溶液。

进一步地，所述高温弧形反射屏的反光膜制备过程如下：

（1）对所述基体进行超声清洁和化学去污；

（2）酒精对所述基体冲洗后，吹干，并进行常温干燥；

（3）采用双电子束热蒸发 PVD 镀膜工艺进行高温成膜，两台电子枪分别将ZrO₂ 和SiO₂ 交替地蒸发沉积在所述基体的弧形表面；

（4）利用离子源发出的离子束进行轰击，使膜层粒子获得能量进一步沉积在所述基体的弧形表面；

（5）重复步骤（3）-步骤（4）三至四次。

本发明的有益效果是：

本发明巧妙地通过高温反射屏形成独特的多个试样应变成像方式，实现采用一套非接触式视频引伸计同时进行多个蠕变试样的应变测量，相比于接触式引伸计测量，操作简便，流程简单，不仅节省成本同时也能提升测试效率。在此基础上，对高温反射屏的基体材料和反射膜制备技术进行优化，实现了高温环境下的反射屏制备，提升了反射屏基体的耐热变形能力，解决了高温下反射膜受热失效、变形的问题。

附图说明

图1本发明所提供的测量装置的立体示意图；

图2本发明所提供的测量装置的俯视图；

图3本发明所提供的测量装置的光学路径图。

上述图中：1：高通量蠕变试验机；2：蠕变试样；3：非接触式视频引伸计；4：高温弧形反射屏。

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：

常用的非接触式视频引伸计3的镜头焦距都较短，导致视场受到一定限制。为了能够接收到更大的视野，摄影中常采用广角镜头进行拍摄。但是在非接触式视频引伸计3的应用领域，对于镜头的畸变较为敏感，将会直接影响到应变测量的准确性，这就限制了非接触式视频引伸计3的应用中采用广角镜头进行测量，同时高温蠕变测试应变中非接触式视频引伸计3均采用长焦镜头。

如图1和图2所示，本发明提供了一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，主要采用非接触式视频引伸计3和高温弧形反射屏4组成，通过高温弧形反射屏4将十个蠕变试样2全部汇聚于非接触式视频引伸计3的镜头视野中，方便非接触式视频引伸计3进行采集。

试验时，十个蠕变试样2安装在高通量蠕变试验机1上进行测量，非接触式视频引伸计3采用支架按照焦距固定在蠕变试样2的前方，非接触式视频引伸计3的镜头正中心与蠕变试样2标距段（10mm）的正中心水平。高温弧形反射屏4固定在高通量蠕变试验机1后方的主机支架上，同样保持高温弧形反射屏4的正中位置与蠕变试样2标距段（10mm）、非接触式视频引伸计3的镜头正中水平。之后，调整高温弧形反射屏4与蠕变试样2的距离并将高温弧形反射屏4摆正，以将十个蠕变试样2都容纳于非接触式视频引伸计3的镜头视野中。

需要注意的是，如图3所示，以第一枚和第十枚蠕变试样2的竖中线恰好位于非接触式视频引伸计3的镜头视野边线上为佳，这样能保证所有蠕变试样2的标距段均位于镜头视野中的同时，使得所有蠕变试样2在画面中尽可能大，从而进一步提升应变测量的准确性。

高温弧形反射屏4能够将十个试样2通过光学原理等比例缩小并汇聚在一个较小的视场中。在实际测试过程中发现，对于非接触式视频引伸计3，其焦距为L的长焦镜头视野中刚好容纳全部蠕变试样2，则高温弧形反射屏4的弧形表面直径设置为8~10L较为合适。高温弧形反射屏4与蠕变试样2的距离调整到刚好视野中能容纳全部蠕变试样2为止，之后进行测试操作即可。

高温弧形反射屏4包括玻璃材质的基体，基体的弧形表面镀制有反光膜。由于高温环境箱的应用需求，高温弧形反射屏4的反光膜和基体前部需嵌入到高温环境箱中，又由于加工成型需求，高温弧形反射屏4的基体厚度较大，这样才能保证高温下的机械强度。同时，高温弧形反射屏4的反光膜会将大量的热量反射回去。距离热源的位置差和反射引起的温度差使得整个高温弧形反射屏4产生较大的热变形，极易导致其基体破裂。此外，高温弧形反射屏4的两边边侧与高温环境箱之间也需要较高的密封条件，而由于高温弧形反射屏4的热变形较大，也会对密封性产生影响。

为解决上述几种问题，高温弧形反射屏4的基体采用石英玻璃-氧化铝梯度功能材料制备，一方面使得基体的膨胀系数可达（5.8~150）×10^－7，耐高温性好；另一方面加强基体边侧的热变形能力，在抵消热变形的同时保证较高的密封性能。同时，高温弧形反射屏4的基体采用热压成型加工，不仅效率高、成本低，并且加工得到的弧形表面精度能够满足使用要求。

本发明中，石英玻璃-氧化铝梯度功能材料是指石英玻璃和氧化铝成分连续梯度变化的复合材料，由高温弧形反射屏4的边侧向高温弧形反射屏4的中间位置，其基体中氧化铝的含量逐渐变低。

作为一种优选的实施方式，高温弧形反射屏4的边缘位置按照石英玻璃与氧化铝的质量比为90：10制备基体，随着靠近中心位置逐步减少氧化铝的含量，直至到中间位置为石英玻璃与氧化铝的质量比为99：1制备基体。其中，逐步减少氧化铝的含量的具体方式可以是：根据高温弧形反射屏4的基体尺寸切分出的薄层数量均匀减少，即每相邻两个薄层中的氧化铝的含量均为等差；使高温弧形反射屏4的边缘位置的基体中石英玻璃与氧化铝的质量比为90：10，高温弧形反射屏4的中间位置的基体中石英玻璃与氧化铝的质量比为99：1。

作为一种优选的实施方式，高温弧形反射屏4的基体制作过程如下：

首先生成需要制作的基体的三维实体模型，然后用分层软件对三维实体模型进行分层，切分面为垂直于蠕变试样2排列方向的纵向面；分层后得到厚度均一的一系列薄层，并得到每个薄层的形状后，按照该形状制作多个分层模具。每个薄层的厚度应不大于1mm，其中优选为0.5mm，这样能够兼具精细度和平整度。

将配制好的不同比例的石英玻璃-氧化铝浆料注入制作好的分层模具内，注意根据每层位置的不同调整石英玻璃-氧化铝浆料的比例，用圆形滚轴将石英玻璃-氧化铝浆料滚压成厚度为0.5mm的浆料层。通过锥形移液管在浆料层的预先刻画缝隙中注入用于层与层连接的粘结剂，并在该层上喷洒用于提高透明度和耐热性能的耐热剂，之后快速干燥；重复以上操作后，得到各浆料层粘接并进行烧结即可。

作为一种优选的实施方式，粘结剂选用质量浓度为15%的聚乙烯醇水溶液，耐热剂选用质量浓度为4%的Na₂B₄O₇水溶液。

高温弧形反射屏4的反光膜采用高折射率的ZrO₂和低折射率膜料 SiO₂交替沉积得到。通过在基体的弧形表面交替沉积两种高低不同折射率材料，产生所需要的干涉效果；这种反光膜能够更好地适应高温下的测试，同时保证较高的反射率。

高温弧形反射屏4的反光膜制备过程如下：

（1）对基体进行清洁，在超声清洗室中采用超声波清洗基体的弧形表面，并结合洗剂的化学去污，使基体的弧形表面达到与水的接触角不大于10°的高洁净度要求。

（2）采用酒精对基体进行冲洗，并用风速低于0.2m/s的微风吹干，采用低于0.2mm/s的速率提拉起来，并进行常温干燥。

（3）采用双电子束热蒸发 PVD 镀膜工艺进行高温成膜，两台电子枪分别将高折射率膜料 ZrO₂ 和低折射率膜料 SiO₂ 交替地蒸发沉积在基体的弧形表面。

（4）利用离子源发出的离子束进行轰击，使膜层粒子获得较高的能量沉积在基体的弧形表面，从而提高膜层的沉积密度、牢固度和附着力。

重复三至四次步骤（3）-步骤（4），可以获得多层、高反射率的反射膜。

根据本发明的测量装置，巧妙地通过高温反射屏形成独特的多个试样应变成像方式，实现采用一套非接触式视频引伸计同时进行多个蠕变试样的应变测量。在此基础上，对高温反射屏的基体材料和反射膜制备技术进行优化，使高温反射屏更好地适应高温下的测试，保证较高的反射率、较强的抗变形能力、较好的密封性能。

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 (9)

1.一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，用于高通量蠕变试验机上蠕变试样的测量；其特征在于，包括非接触式视频引伸计和高温弧形反射屏，通过所述高温弧形反射屏将所有的所述蠕变试样全部等比例汇聚于所述非接触式视频引伸计的镜头视野中，实现所述非接触式视频引伸计同时进行多个所述蠕变试样的应变测量；

所述高温弧形反射屏位于所述蠕变试样的后方，所述高温弧形反射屏与所述蠕变试样的标距段和所述非接触式视频引伸计的正中水平；所述高温弧形反射屏与所述蠕变试样的距离，以所述蠕变试样均容纳于所述非接触式视频引伸计的镜头视野中为准；

所述高温弧形反射屏包括基体，所述基体的弧形表面镀制有反光膜；所述基体采用石英玻璃-氧化铝梯度功能材料制备，所述反光膜采用ZrO₂和SiO₂交替沉积得到。

2.根据权利要求1所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述非接触式视频引伸计按照其镜头的焦距固定在所述蠕变试样的前方，所述非接触式视频引伸计的镜头正中心与所述蠕变试样的标距段正中心水平。

3.根据权利要求1所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，位于最边侧的两个所述蠕变试样的竖中线均位于所述非接触式视频引伸计的镜头视野边线。

4.根据权利要求1所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述高温弧形反射屏的弧形表面直径设置为8~10L，其中L为所述非接触式视频引伸计的镜头焦距。

5.根据权利要求1所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述石英玻璃-氧化铝梯度功能材料为石英玻璃和氧化铝成分连续梯度变化的复合材料；由所述高温弧形反射屏的边侧向中间位置，其基体中氧化铝的含量逐渐变低。

6.根据权利要求5所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述高温弧形反射屏的边缘位置按照石英玻璃与氧化铝的质量比为90：10制备所述基体，随着靠近中心位置根据所述高温弧形反射屏的基体尺寸切分出的薄层数量以等差的方式均匀减少氧化铝的含量，直至到所述高温弧形反射屏的中间位置按照石英玻璃与氧化铝的质量比为99：1制备所述基体。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述高温弧形反射屏的基体制作过程如下：

（1）利用软件生成所述基体的三维实体模型，并对三维实体模型进行等厚度分层；

（2）按照分层后得到每层形状制作多个分层模具，所述分层模具的内腔厚度不大于1mm；

（3）将配制好的不同比例的石英玻璃-氧化铝浆料注入各个所述分层模具内，根据每个所述分层模具位置的不同调整石英玻璃-氧化铝浆料的比例；

（4）将石英玻璃-氧化铝浆料滚压为浆料层，并通过粘结剂和耐热剂将各浆料层粘接并进行烧结。

8.根据权利要求7所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述粘结剂采用质量浓度为15%的聚乙烯醇水溶液，所述耐热剂采用质量浓度为4%的Na₂B₄O₇水溶液。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的一种高通量高温蠕变测试应变的测量装置，其特征在于，所述高温弧形反射屏的反光膜制备过程如下：

（1）对所述基体进行超声清洁和化学去污；

（2）酒精对所述基体冲洗后，吹干，并进行常温干燥；

（3）采用双电子束热蒸发 PVD 镀膜工艺进行高温成膜，两台电子枪分别将ZrO₂ 和SiO₂ 交替地蒸发沉积在所述基体的弧形表面；

（4）利用离子源发出的离子束进行轰击，使膜层粒子获得能量进一步沉积在所述基体的弧形表面；

（5）重复步骤（3）-步骤（4）三至四次。

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