CN116148087A - 一种纤维单丝高温高通量测试装置 - Google Patents

一种纤维单丝高温高通量测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，包括分载盘和若干测量单元；测量单元包括固定组件、驱动加载组件和加热组件；固定组件包括下夹具、下连杆和力传感器；下夹具固定在下连杆的上端，下连杆的下端通过力传感器固定在分载盘上；驱动加载组件包括上夹具和上连杆；上夹具固定在上连杆的下端，上连杆可上下移动，带动上夹具随之上下移动；加热组件包括两组金属板和导电金属带；两个金属板分别被夹在上夹具和下夹具上；两个导电金属带分别通过耐高温导电胶粘接在金属板上；试验件的两端通过耐高温导电胶分别粘接在两个金属板上。本发明装置结构简单，操作方便，能够显著提升纤维单丝高温力学性能的测试效率。

Description

一种纤维单丝高温高通量测试装置
技术领域
本发明属于检测装置领域，涉及一种纤维单丝测试装置，尤其涉及一种纤维单丝高温高通量测试装置。
背景技术
纤维因具有良好的性能，被广泛应用于航空航天等领域。对于它的力学性能，尤其受到相关从业人员的关注，因此对于纤维力学性能的研究的方法和装备的要求也不断提高。
现有技术中的高温试验机存在如下弊端：一方面，现有的高温试验多是加装高温炉，高温炉壁较厚，需要配合很长的高温引伸杆(熊峻江,满孜郁,杜屹森.一种高温蠕变疲劳试验系统.)，长引伸杆在高温下自身变形较大，刀口容易在试样表面打滑，造成模量测试成功率低，数据分散性较大。另一方面，热夹持每一次测试，高温炉需先升到目标温度，然后保温再进行测试，测试完降温，然后才能更换试样，导致试验周期相对较长(鞠晓蓉.考虑纤维蠕变的CMCs高温蠕变细观力学模型研究[D].南京航空航天大学,2019.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000239.)，现有的试验机试验时为一次一件，所以试验效率低，而且在加热时热能利用率低。
因此，有必要开发一种高温高通量的测试装置，能够在高温环境下高效且准确地对多个试验件进行测试，同时还能降低能耗与成本。
发明内容
本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，具有这样的特征：包括分载盘和若干测量单元；所述测量单元包括固定组件、驱动加载组件和加热组件；固定组件包括下夹具、下连杆和力传感器；下夹具固定在下连杆的上端，下连杆的下端通过力传感器固定在分载盘上；驱动加载组件包括上夹具和上连杆；上夹具位于下夹具的上方；上夹具固定在上连杆的下端，上连杆可上下移动，带动上夹具随之上下移动；加热组件包括两组金属板和导电金属带；两个金属板分别被夹在上夹具和下夹具上；两个导电金属带分别通过耐高温导电胶粘接在金属板上；试验件的两端通过耐高温导电胶分别粘接在两个金属板上；加热组件还包括若干电源和导线；若干电源与若干测量单元数量相等并一一对应，每个电源通过导线与相应测量单元的两个导电金属带连接。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：还包括冷却单元；冷却单元包括水冷机和若干水冷管；所述测量单元的上夹具和下夹具均为中空结构；水冷机的出口及若干测量单元的上夹具通过水冷管依次串联连通，末位的测量单元的上夹具通过水冷管与同一测量单元的下夹具连通，若干测量单元的下夹具及水冷机的进口通过水冷管依次串联连通，形成串联回路。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，每个所述测量单元中，上夹具和下夹具之间设有连通的水冷管，水冷管上设有止水夹。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，所述测量单元还包括位移监测器，位移监测器固定在所述分载盘上，监测该测量单元所测量的试验件的状态。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，所述加热组件还包括红外测温仪和温控仪；红外测温仪监测同一测量单元所测量的试验件的温度，并将温度数据传输至温控仪，温控仪根据温度数据控制同一测量单元的电源的输出。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，所述上夹具和金属板之间以及下夹具和金属板之间均垫有石棉垫片。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：还包括机架，机架位于各测量单元的上方；每个所述测量单元的驱动加载组件还包括丝杆和转动件；转动件设置在机架中，转动件可以转动；丝杆竖直设置在上连杆的上方；丝杆的下端与上连杆的上端转动连接，丝杆可相对于上连杆转动；转动件具有螺纹孔，丝杆的上部与转动件螺纹连接；转动件转动，丝杆随转动件的转动而上下移动，上连杆和上夹具随之上下移动。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，所述转动件为转动齿轮。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，每个所述测量单元的驱动加载组件还包括电机和主动齿轮；电机固定在机架上，主动齿轮固定套在电机的输出轴上，且主动齿轮与转动齿轮啮合；电机通过主动齿轮带动转动齿轮转动。
进一步，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，还可以具有这样的特征：其中，所述导线置于机架上。
本发明的有益效果在于：
一、本发明装置可用于小试样的力学性能测试。
二、本发明装置在原有的单轴纤维单丝拉伸试验机的基础上进行改装，通过设置多个测量单元，实现对多个试验件的同时测试，提高试验效率。
三、本发明装置中每个测量单元均有独立的载荷监测与补偿装置，通过闭环控制，精准地对每个试验件的载荷进行加载与补偿。
四、本发明装置采用电流加热，对于微小试验件来说，电流加热的速度快，效率高，且能通过温控仪精准控制温度。
五、本发明装置冷却系统采用水冷进行冷却，相比于风冷等其他系统，水冷具有更小的体积，采用中空的夹具结构，可以对其快速冷却，不受高温夹头材料的限制，可实现高温1500℃以内的高温拉伸性能测试。
六、本发明装置结构简单，没有采用传统的高温炉而采用电流加热，设备安装更为灵活，占用体积小，对驱动加载组件的影响较小。
附图说明
图1是纤维单丝高温高通量测试装置的结构示意图；
图2是测量单元中固定组件和驱动加载组件的结构示意图；
图3是测量单元中部分加热组件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种纤维单丝高温高通量测试装置，包括分载盘1、六个测量单元2、冷却单元3和机架4。
测量单元2包括固定组件、驱动加载组件和加热组件。
固定组件包括下夹具211、下连杆212和力传感器213。下夹具211固定在下连杆212的上端，下连杆212的下端通过力传感器213固定在分载盘1上。力传感器213的量程为5N，时刻监测试验件的受力状况。
如图2所示，驱动加载组件包括上夹具221和上连杆222。上夹具221位于下夹具211的上方。上夹具221固定在上连杆222的下端，上连杆222可上下移动，从而带动上夹具221随之上下移动。通过上夹具221的上下移动将力值加载到试验件上，实现拉伸、压缩试验。
具体的，机架4位于各测量单元2的上方。每个测量单元2的驱动加载组件还包括丝杆223、转动齿轮224、电机和主动齿轮。转动齿轮224设置在机架4中，可以转动。电机固定在机架4上，主动齿轮固定套在电机的输出轴上，且主动齿轮与转动齿轮224啮合。电机通过主动齿轮带动转动齿轮224转动。丝杆223竖直设置在上连杆222的上方。丝杆223的下端与上连杆222的上端通过轴承转动连接，丝杆223可相对于上连杆222转动。转动齿轮224具有螺纹孔，丝杆223的上部与转动齿轮224螺纹连接。电机通过主动齿轮驱动转动齿轮224转动，丝杆223随转动齿轮224的转动而上下移动，上连杆222和上夹具221随之实现上下移动。
本实施例中，转动齿轮也可以为其他可以转动的转动件。
如图3所示，加热组件包括两组金属板231和导电金属带232。两个金属板231分别被上夹具221和下夹具211夹住。两个导电金属带232分别通过耐高温导电胶粘接在相应的金属板231上。耐高温导电胶为可耐测试加热温度的导电胶。
试验件A的两端通过耐高温导电胶分别粘接在两个金属板231上。
加热组件还包括六个电源233(图中仅画一个示意)和若干导线234。六个电源233与六个测量单元2一一对应，每个电源233通过导线234与相应测量单元2的两个导电金属带232连接。本装置采用电流加热方式，电源233打开时，试验件作为电阻，通过电流为其自身加热。具体的，在进行高温纤维单丝拉伸试验时，电源233输出电压，经过试验件形成电流回路，由于试验件的电阻率远大于导电金属带232，所以电源233输出的电压几乎都分配在试验件两端，因此试验件能被快速加热。而且试验件由于自身尺寸过小，其电阻是均匀的，因此每一处的电流都是相等的，保证了试验件加热的均匀性。
优选的，导线234置于机架4上，避免导线234自身重力对试验的影响。
加热组件还包括红外测温仪和温控仪。红外测温仪监测同一测量单元2所测量的试验件的温度，并将温度数据传输至温控仪，温控仪根据温度数据控制同一测量单元2的电源233的输出，进而实现对试验件加热温度的控制。
优选的，上夹具221和金属板231之间以及下夹具211和金属板231之间均垫有石棉垫片235，石棉垫片235可以隔热和绝缘。
测量单元2还包括位移监测器，位移监测器固定在分载盘1上，监测该测量单元2所测量的试验件的状态。
本实施例中，测量单元2也可以为其他数量。
冷却单元3包括水冷机31和若干水冷管32。测量单元2的上夹具221和下夹具211均为中空结构。水冷机31的出口及六个测量单元2的上夹具221通过水冷管32依次串联连通，末位的测量单元2的上夹具221通过水冷管32与同一测量单元2的下夹具211连通，六个测量单元2的下夹具211及水冷机31的进口通过水冷管32依次串联连通，形成串联回路。水冷管32携带水冷机31中的水通过各上夹具221和下夹具211，最后又回到水冷机31中，形成闭合循环回路，即通过水冷机31中冷水的循环实现对各上夹具221和下夹具211的冷却。
在一优选的实施例中，每个测量单元2中，上夹具221和下夹具211之间设有连通的水冷管32，水冷管32上设有止水夹33。当仅使用前侧的几个测量单元2时，可关闭后侧测量单元2的止水夹33，即可实现对前侧几个测量单元2的冷却。
使用本发明装置进行高通量拉伸试验时，由于纤维单丝试验件直径过小，在进行试验之前需要对试验件进行简单的处理。采用耐高温导电胶将试验件粘在两个金属板231上，并将导电金属带232粘在金属板231上。开展试验时，上夹具221和下夹具211在金属板231的两端对其进行夹持，并在两者之间加入石棉垫片235，用来绝缘与隔热。然后通过控制每个测试单元2的电机实现对其所测试的试验件进行拉伸或压缩试验。当出现一个或多个试验件发生断裂时，力传感器213接受信号，并及时反馈，实现精准补偿，避免试验件出现应力波动。使用高精度位移监测器对断裂位移精准测量。
本发明装置结构简单，操作方便，能够显著提升纤维单丝高温力学性能的测试效率，有望在实验室中推广使用。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
包括分载盘和若干测量单元；
所述测量单元包括固定组件、驱动加载组件和加热组件；
固定组件包括下夹具、下连杆和力传感器；下夹具固定在下连杆的上端，下连杆的下端通过力传感器固定在分载盘上；
驱动加载组件包括上夹具和上连杆；上夹具位于下夹具的上方；上夹具固定在上连杆的下端，上连杆可上下移动，带动上夹具随之上下移动；
加热组件包括两组金属板和导电金属带；两个金属板分别被夹在上夹具和下夹具上；两个导电金属带分别通过耐高温导电胶粘接在金属板上；
试验件的两端通过耐高温导电胶分别粘接在两个金属板上；
加热组件还包括若干电源和导线；若干电源与若干测量单元数量相等并一一对应，每个电源通过导线与相应测量单元的两个导电金属带连接。
2.根据权利要求1所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
还包括冷却单元；
冷却单元包括水冷机和若干水冷管；
所述测量单元的上夹具和下夹具均为中空结构；
水冷机的出口及若干测量单元的上夹具通过水冷管依次串联连通，末位的测量单元的上夹具通过水冷管与同一测量单元的下夹具连通，若干测量单元的下夹具及水冷机的进口通过水冷管依次串联连通，形成串联回路。
3.根据权利要求2所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，每个所述测量单元中，上夹具和下夹具之间设有连通的水冷管，水冷管上设有止水夹。
4.根据权利要求1所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，所述测量单元还包括位移监测器，位移监测器固定在所述分载盘上，监测该测量单元所测量的试验件的状态。
5.根据权利要求1所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，所述加热组件还包括红外测温仪和温控仪；
红外测温仪监测同一测量单元所测量的试验件的温度，并将温度数据传输至温控仪，温控仪根据温度数据控制同一测量单元的电源的输出。
6.根据权利要求1所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，所述上夹具和金属板之间以及下夹具和金属板之间均垫有石棉垫片。
7.根据权利要求1所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
还包括机架，机架位于各测量单元的上方；
每个所述测量单元的驱动加载组件还包括丝杆和转动件；
转动件设置在机架中，转动件可以转动；
丝杆竖直设置在上连杆的上方；丝杆的下端与上连杆的上端转动连接，丝杆可相对于上连杆转动；转动件具有螺纹孔，丝杆的上部与转动件螺纹连接；
转动件转动，丝杆随转动件的转动而上下移动，上连杆和上夹具随之上下移动。
8.根据权利要求7所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，所述转动件为转动齿轮。
9.根据权利要求8所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，每个所述测量单元的驱动加载组件还包括电机和主动齿轮；
电机固定在机架上，主动齿轮固定套在电机的输出轴上，且主动齿轮与转动齿轮啮合；电机通过主动齿轮带动转动齿轮转动。
10.根据权利要求7所述的纤维单丝高温高通量测试装置，其特征在于：
其中，所述导线置于机架上。
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