CN116930041B - 一种复合材料的渗漏性测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料渗透性测试技术领域，具体为一种复合材料的渗漏性测试系统及方法，通过液氮罐向螺旋形金属管中通入液氮，直至圆筒型复合材料测试样品的温度降至所需的超低温；通过氦气罐向圆筒型复合材料测试样品内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；通过上连接杆和下连接杆对圆筒型复合材料测试样品施加拉伸或压缩载荷；通过真空泵对圆筒型复合材料测试样品外部的真空袋抽真空，通过连接管中的吸枪探头结合氦检测仪测试圆筒型复合材料测试样品在不同条件下的渗漏性。解决现有技术中无法真实测试复合材料处于超低温环境且受到外载荷作用时的渗漏性的难题，有利于低温推进剂贮箱在极端工况下的可靠性的提升。
Description
技术领域
本发明涉及材料渗透性测试技术领域，具体为一种复合材料的渗漏性测试系统及方法，更具体的，涉及一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统及方法。
背景技术
随着星际旅行与深空探测概念的兴起，航天运载器结构效率的提升成为迫切需求。低温推进剂贮箱作为推进系统中重量和体积占比最大的部件，约占结构总重量的60%左右，其轻质化水平是衡量结构效率的核心因素，决定着运载火箭总体服役性能。
早在20世纪80年代，美国和苏联已经开始着手进行轻型低温推进剂贮箱的研制工作。早期国外航天运载器的低温推进剂贮箱材料均采用金属材料，随着各航天大国对新一代航天飞行器的性能提出的苛刻要求，金属材料已很难满足低温推进剂贮箱的减重要求。碳纤维增强环氧树脂基复合材料是一种极具潜力的结构材料，其比强度和比刚度远高于金属材料，且具有良好的抗疲劳性能和抗振性能。研究表明，若用复合材料替换金属材料可使贮箱结构减重20~40%，同时还可显著降低飞行器的发射成本。鉴于贮箱复合材料化的巨大优势，其已成为近年来国内外低温推进剂贮箱发展的主要趋势。2014年NASA在其官网上公布了其制造的直径5.5米的全复合材料低温推进剂贮箱，并将其评为“NASA 2014年重大科技成果”。2016年美国太空探索技术公司制备出直径12米的全复合材料低温推进剂贮箱。我国针对大直径复合材料低温推进剂贮箱的制造与应用也开展了深入的研究工作。
然而，低温推进剂贮箱工作环境严酷，复合材料既需承受液体推进剂的超低温环境(液氢(-253oC)/液氧(-183oC))，又要承受贮箱内部存在的内压（0.2~0.3 MPa）。由于碳纤维增强树脂基复合材料为多材料体系，在超低温及外载荷同时作用下复合材料内部易发生微裂纹萌生和扩展，最终导致低温推进剂的泄露而使运载火箭发生严重的安全性事故。因此，为了成功制造复合材料低温贮箱并确保其服役安全性，测试复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性尤为重要。
目前，测试塑料薄膜气体透过性的标准主要有GB/T 1038-2000、ASTM D1434和ISO2556等，而碳纤维增强树脂基复合材料的渗漏性一般也是参照上述标准进行测试。尽管上述标准可用于大部分气体的透过性测试，具有一定的普适性，但其无法测试复合材料在超低温环境下且受外载荷作用时的渗漏性。虽然本领域技术人员对上述测试方法进行改进后用于测试复合材料在低温下的渗漏性测试，但是，该方法仍无法测试复合材料在超低温环境下且受外载荷作用时的渗漏性，因此并不能真实反映复合材料在实际工作状态下的渗漏性。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统及方法，以解决现有测试技术中无法真实测试复合材料处于超低温环境且受到外载荷作用时的渗漏性的难题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，所述测试系统包括上盖板、下盖板、上连接杆、下连接杆、螺旋形金属管、温度传感器、测温仪、真空袋、吸枪探头、连接管、氦检测仪、真空泵、液氮罐、氦气罐、压力表；
所述上盖板设置有测温孔、测压孔和上连接杆，测试时，所述上盖板、下盖板分别与复合材料测试样品固定连接，并且固定连接处进行密封；温度传感器设置于复合材料测试样品内壁，温度传感器的连接线通过测温孔与测温仪相连，测压孔与压力表相连，所述螺旋形金属管与液氮罐相连，螺旋形金属管螺旋缠绕在复合材料测试样品外壁，螺旋形金属管内通入液氮实现复合材料测试样品降温，所述下盖板设置有进气管和下连接杆，进气管与氦气罐相连且进气管上设置有排气支管，所述真空袋将复合材料测试样品外围密封，所述连接管分别与真空袋和真空泵连接，吸枪探头置于连接管中且与氦检测仪相连。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：所述温度传感器分布式粘贴在复合材料测试样品内壁，且温度传感器的连接线与测温孔之间通过密封圈密封。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：测试时，将上连接杆和下连接杆分别与力学试验机测试夹头相连。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：所述真空袋与复合材料测试样品、螺旋形金属管和连接管接触的地方用密封胶进行密封。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：所述液氮罐设置为两个，分别与螺旋形金属管的两端连接，且连接处均设置有控制阀。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：所述上盖板和下盖板为圆形且直径大于圆筒型复合材料测试样品的横截面的外圆的直径。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：进气管以及排气支管上均设置有控制阀。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：连接管上设置有检测孔，吸枪探头的连接线通过检测孔与氦检测仪相连。
作为本发明所述的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统的优选方案，其中：吸枪探头的连接线与检测孔之间通过密封圈密封。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试方法，包括如下步骤：
S1.通过液氮罐向螺旋形金属管中通入液氮，通过温度传感器监测圆筒型复合材料测试样品内壁温度，直至圆筒型复合材料测试样品的温度降至所需的超低温；
S2.通过氦气罐向圆筒型复合材料测试样品内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；
S3.通过上连接杆和下连接杆对圆筒型复合材料测试样品施加拉伸或压缩载荷；
S4.通过真空泵对圆筒型复合材料测试样品外部的真空袋抽真空，通过连接管中的吸枪探头，并结合氦检测仪测试圆筒型复合材料测试样品的渗漏性；
S5.重复步骤S1~S4，改变超低温温度和/或内压压力和/或载荷，实现圆筒型复合材料测试样品在不同条件下的渗漏性测试。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统及方法，通过液氮罐向螺旋形金属管中通入液氮，直至圆筒型复合材料测试样品的温度降至所需的超低温；通过氦气罐向圆筒型复合材料测试样品内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；通过上连接杆和下连接杆对圆筒型复合材料测试样品施加拉伸或压缩载荷；通过真空泵对圆筒型复合材料测试样品外部的真空袋抽真空，通过连接管中的吸枪探头，并结合氦检测仪测试圆筒型复合材料测试样品在不同条件下的渗漏性。本发明能够解决现有测试技术中无法真实测试复合材料处于超低温环境且受到外载荷作用时的渗漏性的难题，有利于低温推进剂贮箱在极端工况下的可靠性的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明渗漏性测试系统示意图。
附图标号说明：
1-上盖板、2-下盖板、3-上连接杆、4-螺旋形金属管、5-复合材料测试样品、6-温度传感器、7-测温孔、8-测温仪、9-下连接杆、10-氦气罐、11-压力表、12-真空袋、13-连接管、14-吸枪探头、15-氦检测仪、16-真空泵、17-液氮罐。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统及方法，以解决现有测试技术中无法真实测试复合材料处于超低温环境且受到外载荷作用时的渗漏性的难题。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
如图1所示，本发明实施例的一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，所述测试系统包括上盖板1、下盖板2、上连接杆3、下连接杆9、螺旋形金属管4、温度传感器6、测温仪8、真空袋12、吸枪探头14、连接管13、氦检测仪15、真空泵16、液氮罐17、氦气罐10、压力表11；
所述上盖板1设置有测温孔7、测压孔和上连接杆3，测试时，所述上盖板1、下盖板2分别与复合材料测试样品5固定连接，并且固定连接处进行密封；温度传感器6设置于复合材料测试样品5内壁，温度传感器6的连接线通过测温孔7与测温仪8相连，测压孔与压力表11相连，所述螺旋形金属管4与液氮罐17相连，螺旋形金属管4螺旋缠绕在复合材料测试样品5外壁，螺旋形金属管4内通入液氮实现复合材料测试样品5降温，所述下盖板2设置有进气管和下连接杆9，进气管与氦气罐10相连且进气管上设置有排气支管，所述真空袋12将复合材料测试样品5外围密封，所述连接管13分别与真空袋12和真空泵16连接，吸枪探头14置于连接管13中且与氦检测仪15相连。螺旋形金属管4通液氮实现对复合材料测试样品5的降温；氦气罐10实现向复合材料测试样品5内加内压；上盖板1、下盖板2可实现对复合材料测试样品5施加拉伸和压缩外载荷，通过真空泵16对复合材料测试样品5外部的真空袋12抽真空，实现对复合材料测试样品5渗漏性的检测。
在该实施例中，所述温度传感器6分布式粘贴在复合材料测试样品5内壁，且温度传感器6的连接线与测温孔7之间通过密封圈密封。
在该实施例中，测试时，将上连接杆3和下连接杆9分别与力学试验机测试夹头相连。
在该实施例中，所述真空袋12与复合材料测试样品5、螺旋形金属管4和连接管13接触的地方用密封胶进行密封。
在该实施例中，所述液氮罐17可以设置为两个，分别与螺旋形金属管4的两端连接，且连接处均设置有控制阀。
在该实施例中，所述上盖板1和下盖板2为圆形且直径大于圆筒型复合材料测试样品5的横截面的外圆的直径。
在该实施例中，进气管以及排气支管上均设置有控制阀。
在该实施例中，连接管13上设置有检测孔，吸枪探头14的连接线通过检测孔与氦检测仪15相连。
在该实施例中，吸枪探头14的连接线与检测孔之间通过密封圈密封。
本发明实施例还提供了一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试方法，包括如下步骤：
S1.通过液氮罐17向螺旋形金属管4中通入液氮，通过温度传感器6监测圆筒型复合材料测试样品5内壁温度，直至圆筒型复合材料测试样品5的温度降至所需的超低温；
S2.通过氦气罐10向圆筒型复合材料测试样品5内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；
S3.通过上连接杆3和下连接杆9对圆筒型复合材料测试样品5施加拉伸或压缩载荷；
S4.通过真空泵16对圆筒型复合材料测试样品5外部的真空袋12抽真空，通过连接管13中的吸枪探头14，并结合氦检测仪15测试圆筒型复合材料测试样品5的渗漏性；
S5.重复步骤S1~S4，改变超低温温度和/或内压压力和/或载荷，实现圆筒型复合材料测试样品5在不同条件下的渗漏性测试。
本发明可以实现不同组合条件下的复合材料的渗漏性测试，解决现有测试技术中无法真实测试复合材料处于超低温环境且受到外载荷作用时的渗漏性的难题，有利于低温推进剂贮箱在极端工况下的可靠性的提升。
同时，采用本发明所述复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，还可以仅实现不同内压或不同载荷下的渗漏性测试，具体为：
不同内压下复合材料的渗漏性检测方法，包括：
通过液氮罐17向螺旋形金属管4中通入液氮，通过温度传感器6监测圆筒型复合材料测试样品5内壁温度，直至圆筒型复合材料测试样品5的温度降至所需的超低温；
通过氦气罐10向圆筒型复合材料测试样品5内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；
通过真空泵16对圆筒型复合材料测试样品5外部的真空袋12抽真空，通过连接管13中的吸枪探头14，并结合氦检测仪15测试圆筒型复合材料测试样品5在不同内压下的渗漏性。
不同载荷下复合材料的渗漏性检测方法，包括：
通过液氮罐17向螺旋形金属管4中通入液氮，通过温度传感器6监测圆筒型复合材料测试样品5内壁温度，直至圆筒型复合材料测试样品5的温度降至所需的超低温；
通过氦气罐10向圆筒型复合材料测试样品5内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力，维持压力不变；
通过上连接杆3和下连接杆9对圆筒型复合材料测试样品5施加拉伸或压缩载荷；
通过真空泵16对圆筒型复合材料测试样品5外部的真空袋12抽真空，通过连接管13中的吸枪探头14，并结合氦检测仪15测试圆筒型复合材料测试样品5在不同载荷下的渗漏性。
本发明通过液氮罐向螺旋形金属管中通入液氮，直至圆筒型复合材料测试样品的温度降至所需的超低温；通过氦气罐向圆筒型复合材料测试样品内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；通过上连接杆和下连接杆对圆筒型复合材料测试样品施加拉伸或压缩载荷；通过真空泵对圆筒型复合材料测试样品外部的真空袋抽真空，通过连接管中的吸枪探头，并结合氦检测仪测试圆筒型复合材料测试样品在不同条件下的渗漏性。本发明能够解决现有测试技术中无法真实测试复合材料处于超低温环境且受到外载荷作用时的渗漏性的难题，有利于低温推进剂贮箱在极端工况下的可靠性的提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，所述测试系统包括上盖板（1）、下盖板（2）、上连接杆（3）、下连接杆（9）、螺旋形金属管（4）、温度传感器（6）、测温仪（8）、真空袋（12）、吸枪探头（14）、连接管（13）、氦检测仪（15）、真空泵（16）、液氮罐（17）、氦气罐（10）、压力表（11）；
所述上盖板（1）设置有测温孔（7）、测压孔和上连接杆（3），测试时，所述上盖板（1）、下盖板（2）分别与复合材料测试样品（5）固定连接，温度传感器（6）分布式粘贴在复合材料测试样品（5）内壁，温度传感器（6）的连接线通过测温孔（7）与测温仪（8）相连，测压孔与压力表（11）相连，所述螺旋形金属管（4）与液氮罐（17）相连，螺旋形金属管（4）螺旋缠绕在复合材料测试样品（5）外壁，螺旋形金属管（4）内通入液氮实现复合材料测试样品（5）降温，所述下盖板（2）设置有进气管和下连接杆（9），进气管与氦气罐（10）相连且进气管上设置有排气支管，所述真空袋（12）将复合材料测试样品（5）外围密封，所述连接管（13）分别与真空袋（12）和真空泵（16）连接，吸枪探头（14）置于连接管（13）中且与氦检测仪（15）相连。
2.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，温度传感器（6）的连接线与测温孔（7）之间通过密封圈密封。
3.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，测试时，将上连接杆（3）和下连接杆（9）分别与力学试验机测试夹头相连。
4.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，所述真空袋（12）与复合材料测试样品（5）、螺旋形金属管（4）和连接管（13）接触的地方用密封胶进行密封。
5.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，所述液氮罐（17）设置为两个，分别与螺旋形金属管（4）的两端连接，且连接处均设置有控制阀。
6.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，所述上盖板（1）和下盖板（2）为圆形且直径大于圆筒型复合材料测试样品（5）的横截面的外圆的直径。
7.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，进气管以及排气支管上均设置有控制阀。
8.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，连接管（13）上设置有检测孔，吸枪探头（14）的连接线通过检测孔与氦检测仪（15）相连。
9.根据权利要求1所述的复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试系统，其特征在于，吸枪探头（14）的连接线与检测孔之间通过密封圈密封。
10.一种复合材料在超低温环境下受外载荷作用时的渗漏性测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的测试系统，包括如下步骤：
S1.通过液氮罐（17）向螺旋形金属管（4）中通入液氮，通过温度传感器（6）监测圆筒型复合材料测试样品（5）内壁温度，直至圆筒型复合材料测试样品（5）的温度降至所需的超低温；
S2.通过氦气罐（10）向圆筒型复合材料测试样品（5）内部充氦气，直至氦气压力充至所需的压力；
S3.通过上连接杆（3）和下连接杆（9）对圆筒型复合材料测试样品（5）施加拉伸或压缩载荷；
S4.通过真空泵（16）对圆筒型复合材料测试样品（5）外部的真空袋（12）抽真空，通过连接管（13）中的吸枪探头（14），并结合氦检测仪（15）测试圆筒型复合材料测试样品（5）的渗漏性；
S5.重复步骤S1~S4，改变超低温温度和/或内压压力和/或载荷，实现圆筒型复合材料测试样品（5）在不同条件下的渗漏性测试。
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