CN209979394U - 一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，试件的两端分别通过一个半圆台卡件连接一个夹具头，夹具头包括圆柱卡件，圆柱卡件的一个圆形端面连接有连接杆，另一个圆形端面上设置有圆台孔，圆柱卡件的圆柱圆弧面顶部自上而下设置有圆柱卡槽，圆台孔与圆柱卡槽相通，半圆台卡件的顶面上设置有梯形卡槽，梯形卡槽的侧壁与底面之间设置有滑槽，半圆台卡件置于圆柱卡槽内，半圆台卡件的小端面自圆台孔伸出，试件两端的端板分别自滑槽卡入梯形卡槽内；本实用新型结构简单，加工方便，经济性好，可靠性强，拉伸测试装置为单独整体，安装、拆卸简单。

Description

一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，特别涉及一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具。

背景技术

随着我国航空航天事业的飞速发展，对航空航天材料也提出越来越高的要求。航空发动机作为航空器的心脏，被誉为“工业之花”，对航空器的性能、可靠性及经济型有直接的影响，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。超高温、超高压、超高比重等已经成为了航空发动机的发展方向。陶瓷基复合材料具有耐高温，高强度和刚度，高比模，低密度，抗腐蚀，耐磨损等优点，已经成为航空航天领域不可替代的新型高温结构材料之一。由于陶瓷基复合材料主要应用于高温环境，因此在高温环境下对其力学性能的测试分析和试验研究尤为重要。

拉伸试验是将材料沿轴向拉伸，测量其拉伸性能指标。现有拉伸试验夹具多为合金材料加工而成，现阶段最好的耐高温合金材料在不采取冷却保护的情况下工作温度不超过1038℃，高温合金在1300℃时的比强度和比模量已经趋近为零，因此在1000℃以上的超高温环境下拉伸试验会出现屈服失效现象，对试验结果造成严重影响。在陶瓷基复合材料的拉伸试验中，试验机夹具如果设计不当则有可能使试件在夹持段断裂，因此合理的夹具结构设计也是陶瓷基复合材料拉伸试验的关键环节。

现有技术中，专利CN10807769A“一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具及其试验方法”采用可使试样在加热过程中自由膨胀的U形夹具以消除试样在加热过程中热应力的影响，U形夹具采用高强度高耐温材料，该装置可适用于低模量复合材料或者其他拉伸强度较弱的材料，也可适用于拉伸强度较弱的高温材料拉伸试验，但是该发明专利中的拉伸单元除夹具外都为普通高温合金，不能满足1000℃以上的超高温试验环境，该发明专利也不满足高模量材料的拉伸试验。专利CN205981877U“一种用于测试合金高温拉伸性能的夹具”相对传统拉伸装置加入了拉力传感器和水冷装置，水冷装置用于保证拉力传感器不受高温影响，从而获得准确的测试结果，但是加入拉力传感器和水冷装置使整体组合结构变得复杂，装卸麻烦，并且该发明只考虑了高温对拉力传感器的测量，忽略了在高温下拉伸装置拉伸单元受热失效变形的影响。专利CN206696083U“一种高温试验夹具”采用高温陶瓷复合材料或者钨钼合金制成夹具结合水冷连接件减少加热炉的热量对传感器的影响，但是整个组合结构过于复杂，加入水冷连接件对试验环境增加了约束，装置整体装卸比较复杂。专利CN103018101A“一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具”提供了一种T形的夹具结构，使试件夹持端受力均匀，避免了试件受拉时在夹持端的破坏，并且采用高强度耐高温材料作为主、副夹头的材料，但是该装置只能很好的应用于800℃以下的测量环境，不满足1000℃以上的超高温环境试验测量。

因此，有必要提供一种结构简单并可以同时满足超高温环境下对材料进行拉伸试验的装置，实现对材料拉伸力学性能参数的精确测量。

发明内容

本发明提供一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，试件4的两端分别通过一个半圆台卡件2连接一个夹具头1，所述夹具头1包括圆柱卡件12，所述圆柱卡件12的一个圆形端面123连接有连接杆11，另一个圆形端面上设置有圆台孔122，所述圆柱卡件12的圆柱圆弧面124顶部自上而下设置有圆柱卡槽121，所述圆台孔122与圆柱卡槽121相通，所述半圆台卡件2的顶面上设置有梯形卡槽21，所述梯形卡槽21的侧壁与底面之间设置有滑槽22，所述半圆台卡件2置于圆柱卡槽121内，半圆台卡件2的小端面24自圆台孔122伸出，所述试件4两端的端板41分别自滑槽22卡入梯形卡槽21内。

作为一个优选方式，所述夹具还包括垫片3，所述垫片3包括互相垂直连接的梯形板31和挡板32。

作为一个优选方式，所述垫片3的梯形板31可拆卸式插入端板41与梯形卡槽21之间的缝隙中。

作为一个优选方式，所述梯形板31的两侧插入在滑槽22内，所述挡板32抵住端板41的外端面。

作为一个优选方式，所述半圆台卡件2的一端为小端面24，另一端为大端面23，所述半圆台卡件2的顶部为梯形面25，所述半圆台卡件2的底部为半圆台圆弧面26。

作为一个优选方式，一个圆柱卡件12上的圆台孔122为半圆形，半圆形的弧形内壁与半圆台圆弧面26相契合，防止试验时半圆台卡件2转动，另一个圆柱卡件12上的圆台孔122为圆形。

作为一个优选方式，所述梯形卡槽21的深度大于半圆台卡件2的厚度，使半圆台卡件2能够放入梯形卡槽21内；所述圆台孔122的圆形和半圆形的直径均大于小端面24的直径，并小于大端面23的直径，使半圆台卡件2小端面24的一端能够从圆台孔122中被拉出，且半圆台卡件2大端面23一端能够被圆台孔122卡住；所述小端面24、大端面23所在圆的中心与圆台孔122的中心重合。

作为一个优选方式，所述梯形卡槽21为等腰梯形。

作为一个优选方式，所述连接杆11和圆柱卡件12为一体式。

作为一个优选方式，所述夹具头1的材质为高温合金，半圆台卡件2、垫片3、试件4的材质为陶瓷。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中的高温试验部分材料选用高强度耐高温材料，解决了超高温拉伸试验下试验夹具材料高温失效变形的问题；

本发明结构简单，加工方便，经济性好，可靠性强，拉伸测试装置为单独整体，安装、拆卸简单；

本发明简单易施，针对不同尺寸的测试试样进行微调即可实施；该夹具还可适用于其他高模量的高温材料拉伸试验。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明中试件的结构示意图；

图5是本发明中垫片的结构示意图；

图6是本发明中半圆台卡件的结构示意图；

图7是本发明中半圆台卡件的主视图；

图8是本发明中一种夹具头的结构示意图；

图9是本发明中另一种夹具头的结构示意图；

图10是本发明中夹具头的切面图；

其中：1-夹具头，11-连接杆，12-圆柱卡件，121-圆柱卡槽，122-圆台孔，123-圆形端面，124-圆柱圆弧面，2-半圆台卡件，21-梯形卡槽，22-滑槽，23-大端面，24-小端面，25-梯形面，26-半圆台圆弧面，3-垫片，31-梯形板，32-挡板，4-试件，41-端板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-10所示，一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，试件4的两端分别通过一个半圆台卡件2连接一个夹具头1，所述夹具头1包括圆柱卡件12，所述圆柱卡件12的一个圆形端面123连接有连接杆11，另一个圆形端面123上设置有圆台孔122，所述圆柱卡件12的圆柱圆弧面124顶部自上而下设置有圆柱卡槽121，所述圆台孔122与圆柱卡槽121相通，所述半圆台卡件2的顶面上设置有梯形卡槽21，所述梯形卡槽21的侧壁与底面之间设置有滑槽22，所述半圆台卡件2置于圆柱卡槽121内，半圆台卡件2的小端面24自圆台孔122伸出，所述试件4两端的端板41分别自滑槽22卡入梯形卡槽21内，优选的，梯形卡槽21为等腰梯形，两个半圆台卡件2的顶面上的梯形卡槽21，相邻的边为梯形较短的底边，背离的边为梯形较长的底边，即梯形卡槽21自圆台孔122伸出的一端向另一端逐渐增大。

所述夹具还包括垫片3，所述垫片3包括互相垂直连接的梯形板31和挡板32，所述垫片3的梯形板31可拆卸式插入端板41与梯形卡槽21之间的缝隙中，所述梯形板31的两侧插入在滑槽22内，所述挡板32抵住端板41的外端面。

所述半圆台卡件2的一端为小端面24，另一端为大端面23，所述半圆台卡件2的顶部为梯形面25，所述半圆台卡件2的底部为半圆台圆弧面26。

作为一个优选方案，一个圆柱卡件12上的圆台孔122为半圆形，半圆形的内壁与半圆台圆弧面26相契合，防止试验时半圆台卡件2转动，另一个圆柱卡件12上的圆台孔122为圆形。

所述梯形卡槽21的尺寸略大于半圆台卡件2的尺寸，尤其是，梯形卡槽21的厚度略大于半圆台卡件2的厚度，使半圆台卡件2能够放入梯形卡槽21内；所述圆台孔122的圆形和半圆形的直径均大于小端面24的直径，并小于大端面23的直径，使半圆台卡件2小端面24的一端能够从圆台孔122中被拉出，且半圆台卡件2大端面23一端能够被圆台孔122卡住；所述小端面24、大端面23所在圆的中心与圆台孔122的中心重合。

为了实现高温试验，所述夹具头1的材质为高温合金，半圆台卡件2、垫片3、试件4的材质为陶瓷。

本发明的使用方法，以单向碳纤维增强碳化硅复合材料为例，测试材料的高温1000℃下的拉伸强度。夹具头的材料为GH4169，半圆台卡件、垫片材料为氧化铝或氧化锆，具体方法包括以下步骤：

1、用试验机自带夹头夹持一个夹具头的连接杆，将该夹具头的圆柱卡件固定在试验机上；

2、将一个半圆台卡件放入一个圆柱卡件的圆柱卡槽中，并从半圆形的圆台孔中拉出至半圆台卡件被半圆形的圆台孔卡住；半圆台卡件的圆面中心与半圆形的圆台孔的圆面的中心重合；

3、将试件的一个端板放入半圆台卡件的梯形卡槽中，往外拉至端板被梯形凹槽卡住；

4、把一个垫片的梯形板卡入端板与梯形卡槽之间的缝隙中，挡板抵住端板的外端面，固定试件；

5、控制试验机升降，用试验机的自带夹头夹持另一个夹具头的连接杆11，固定圆柱卡件；

6、将另一个半圆台卡件放入另一个圆柱卡件12的圆柱卡槽121，并从圆形的圆台孔中拉出至半圆台卡件被圆形的圆台孔卡住，半圆台卡件的圆面中心与圆形的圆台孔的中心重合；

7、将试件的领一个端板放入半圆台卡件的梯形卡槽中，往外拉至端板被梯形凹槽卡住；

8、把另一个垫片的梯形板卡入端板与梯形卡槽之间的缝隙中，挡板抵住端板的外端面，固定试件。

经试验表明，本发明的拉伸夹具可以很好的应用于超高温环境1000℃的拉伸力学测量,在室温和高温环境下能够可靠、稳定、准确的测量陶瓷基复合材料的拉伸强度、弹性模量、断裂延伸率和应力应变曲线。夹具没有对试件的夹持段造成损伤,并且测试结果准确、可靠、重复性好,试件的断裂部位均在标距范围内,有效杜绝了夹持段先损坏而无法拉断试件的现象,表明本夹具设计较为合理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：试件（4）的两端分别通过一个半圆台卡件（2）连接一个夹具头（1），所述夹具头（1）包括圆柱卡件（12），所述圆柱卡件（12）的一个圆形端面（123）连接有连接杆（11），另一个圆形端面（123）上设置有圆台孔（122），所述圆柱卡件（12）的圆柱圆弧面（124）顶部自上而下设置有圆柱卡槽（121），所述圆台孔（122）与圆柱卡槽（121）相通，所述半圆台卡件（2）的顶面上设置有梯形卡槽（21），所述梯形卡槽（21）的侧壁与底面之间设置有滑槽（22），所述半圆台卡件（2）置于圆柱卡槽（121）内，半圆台卡件（2）的小端面（24）自圆台孔（122）伸出，所述试件（4）两端的端板（41）分别自滑槽（22）卡入梯形卡槽（21）内。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：还包括垫片（3），所述垫片（3）包括互相垂直连接的梯形板（31）和挡板（32）。

3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述垫片（3）的梯形板（31）可拆卸式插入端板（41）与梯形卡槽（21）之间的缝隙中。

4.根据权利要求2或3所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述梯形板（31）的两侧插入在滑槽（22）内，所述挡板（32）抵住端板（41）的外端面。

5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述半圆台卡件（2）的一端为小端面（24），另一端为大端面（23），所述半圆台卡件（2）的顶部为梯形面（25），所述半圆台卡件（2）的底部为半圆台圆弧面（26）。

6.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：一个圆柱卡件（12）上的圆台孔（122）为半圆形，半圆形的弧形内壁与半圆台圆弧面（26）相契合，另一个圆柱卡件（12）上的圆台孔（122）为圆形。

7.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述梯形卡槽（21）的深度大于半圆台卡件（2）的厚度。

8.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述圆台孔（122）的圆形和半圆形的直径均大于小端面（24）的直径，并小于大端面（23）的直径；所述小端面（24）、大端面（23）所在圆的中心与圆台孔（122）的中心重合。

9.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述梯形卡槽（21）为等腰梯形。

10.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料超高温拉伸组合夹具，其特征在于：所述连接杆（11）和圆柱卡件（12）为一体式。

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