在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置及应用的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及材料力学性能测试领域，具体地说是一种材料在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置及应用。该装置包括：电子万能试验机、加载控制系统、电源控制系统、感应加热器、应变测量系统、样品夹具、测温系统、压强控制系统、显示分析系统、真空系统，电子万能试验机中的真空腔体为全水冷设计，在真空腔体不同部位留有各个功能窗口：夹具与电子万能试验机的传感器连接口、测温系统的红外或热电偶温度测量口、压强控制系统的压强控制口、电源控制系统的感应电源引入口、应变测量系统的引伸计引入口、真空系统与真空腔体的连接口。本发明可以定量化研究热-力-环境耦合作用，具有测试的力学性能参量多，样品升温和降温速度快等优点。
【专利说明】在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料力学性能测试领域，具体地说是一种材料在室温到超高温下 热-力-环境耦合作用测试装置及应用，尤其是对于高温/超高温下热-力-氧耦合作用 测试，借助于电子万能实验机并结合电磁感应加热来实现材料超高温下拉伸、压缩、弯曲等 力学性能测试的方法及装置，同时该装置还能用于研究力学载荷对材料氧化性能的影响。
【背景技术】
[0002] 随着高超声速（速度大于5马赫）、高机动性为主要技术特征的近空间（30? 70km)飞行器的快速发展，高温材料及结构件在实际服役环境下需要承受极端复杂的热/ 力/氧耦合交互作用，特别是近年来在飞行器设计中大量使用的超高温材料（如：碳/碳复 合材料、低烧蚀碳/碳复合材料、抗氧化碳/碳复合材料、碳/碳化硅复合材料及超高温陶 瓷等）的超高温力学性能评价更是急需解决的关键问题。另外，对于用于极端环境下的超 高温部件的设计，了解材料服役条件下的强度和韧性等基本参数是保证结构件的服役安全 性必不可少的基本要求。
[0003] 目前，国内外对于1600°C以上的有氧环境下材料的超高温力学性能评价还没有相 关的设备及有效的测试方法，其主要原因是受加热元件的熔点和力学性能等限制，有氧环 境下设备的发热体及样品的夹具都难以承受1600°C以上的超高温。尽管，中国建筑材料科 学研究总院包亦望等人采用氧-乙炔局部受热加载测试材料在1500°C以上超高温氧化环 境下力学性能的检测方法及装置，该方法是采用乙炔或汽油增氧等喷火技术对样品进行局 部快速加热，使之局部温度达到1500°C以上，但这种局部加热方式使得材料的温度场不均 匀，试验的可重复性较差；另外，有关材料力学载荷对其高温/超高温氧化性能的影响国内 外也没有相关的报道及测试设备。
[0004] 针对超高温材料力学评价的迫切需求以及目前国内尚无有关超高温力学性能有 效测试方法的现状，开发超高温极端环境下材料在热-力-氧耦合作用下力学测试方法和 装置，提升超高温有氧环境下材料力学实验方法和技术的创新能力，建立和完善超高温条 件下各项力学性能测试指标、表征技术和评价标准，对满足高新【技术领域】和国防建设中对 材料超高温极端环境下测量力学性能测试的需求意义重大，同时可为航天等领域的材料与 结构的优化设计、材料制备工艺的优化选择、材料可靠性的评价等提供理论依据和指导。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种材料在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置 及应用，尤其可用于室温至超高温有氧环境的材料力学性能测试，能够在室温至280(TC范 围的有氧环境下获得材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能基本参数，同时该测试装置还可以 用于研究力学载荷对材料氧化性能的影响。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，该装置包括：电子万能试 验机、加载控制系统、电源控制系统、感应加热器、应变测量系统、样品夹具、测温系统、压强 控制系统、显示分析系统、真空系统，具体结构如下：
[0008] 电子万能试验机中的真空腔体为全水冷设计，在真空腔体不同部位留有各个功能 窗口 ：夹具与电子万能试验机的传感器连接口、测温系统的红外或热电偶温度测量口、压强 控制系统的压强控制口、电源控制系统的感应电源引入口、应变测量系统的引伸计引入口、 真空系统与真空腔体的连接口，压强控制系统和真空系统共同构成环境气氛控制系统；感 应加热器与电源控制系统的感应电源相连，通过设计与样品相匹配的不同感应加热器形状 和尺寸，与样品耦合；应变测量系统一端的引伸计与样品相连，应变测量系统的另一端与电 子万能试验机控制器上的显示分析系统相连；样品通过样品夹具固定于真空腔室内，夹具 与电子万能试验机的加载装置连接，加载控制系统分别与加载装置上的载荷传感器和显示 分析系统相连；测温系统的输入端与样品相对应，测温系统的输出端与显示分析系统连接。
[0009] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，环境气氛控制系统包 括罗茨泵和机械泵两级联动的真空系统以及充入气体进行压力和流量控制的压强控制系 统，压强控制系统采用薄膜硅和压强控制仪联合来实现真空腔体内气氛可控，通过薄膜硅 受到的压力获得气氛压强，并通过压强控制仪对气氛压力和流量进行控制；真空系统与压 强控制系统共同实现对真空腔室内气体压强和气体流速的精确控制，气氛压强控制范围 ： 10Pa?0· IMPa区间内任意压力精确控制，气体流量：1?1000mL/min。
[0010] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，感应加热器是通有冷 却水的中空薄壁紫铜螺线管结构的磁感应线圈，表面缠裹石英纤维布，铜螺线管为中空结 构，用于流通循环冷却水；通过优化感应加热器的尺寸及形状，利用感应加热原理将样品加 热至不同的目标温度；
[0011] 感应加热器采用电磁感应加热，电磁感应加热为中频电源和磁感应方式相结合进 行，中频电源输出功率为5?30kW，频率范围为10?40kHz ;感应加热瞬时加热和瞬时停止 加热，实现样品的快速升温和降温，样品在300°C以上时，升温速率为20?25°C /s，降温速 率为40?50°C /s ;
[0012] 当测试样品是导电性材料时，样品自身感应加热，导电性材料包括石墨基复合材 料、纯碳/碳复合材料、添加抗烧蚀剂的碳/碳复合材料、金属间化合物或导电陶瓷；当测试 样品是不导电性材料时，采用间接加热方式，采用导电的材料制成辅助加热体，靠感应辅助 加热体的热辐射和热传导效应对样品进行加热。
[0013] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，样品夹具为对开式样 品夹持方式设计，夹具材质为镍基单晶高温合金，样品上下分别通过夹具固定，位于上部的 夹具上端与电子万能试验机的加载装置连接，并在夹具内部通循环冷却水进行水冷降温； 用于三点弯曲和压缩的样品夹具，采用超高温陶瓷棒材料作为载荷加载传递介质。
[0014] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，测温系统由钼铑-钼 接触式热电偶和双比色红外高温计组成，在1000°c以下时使用钼铑-钼接触式热电偶与样 品接触测量样品表面的温度，当温度高于1000°c时采用双比色红外高温计非接触式测量样 品的表面温度。
[0015] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，应变测量系统的引伸 计为应变测量仪，引伸计通过真空腔室的引入口与样品的标距段接触。
[0016] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，显示分析系统为计算 机系统，作为电子万能试验机的控制系统及应变测量系统和测温系统的记录系统，对样品 施加不同的载荷，并记录有效标距段的位移变化；将电子万能试验机的载荷加载、应变测量 系统测得的应变和测温系统测得的温度集成显示，并根据不同测试设计加载程序，同时根 据力学强度公式计算各个测量参量的数值。
[0017] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置的应用，具体步骤如 下：
[0018] 1)将样品机械加工成符合力学性能测试要求的标准尺寸和所需形状，样品通过夹 具安装在测试装置中，将引伸计卡在样品的标距段内；
[0019] 2)将真空腔室用罗茨泵和机械泵抽真空至0. 05?0. 2Pa，调节感应电源的输出功 率，将样品加热到目标温度；依据要求调节环境气氛控制系统来实现测试的环境气氛，环境 气氛包括：真空环境、惰性气氛、不同氧分压或不同气体流速，依据实验目的在一定气氛环 境下样品氧化一定时间，研究氧化对材料力学性能影响；
[0020] 3)通过电子万能试验机对样品进行施力加载直至样品断裂，通过引伸计上的变形 传感器记录样品断裂时的变形量，通过加载装置上的载荷传感器记录样品断裂时的临界载 荷和变形量，并通过加载控制系统传输给显示分析系统，显示分析系统根据样品的尺寸和 临界载荷计算出各测量项的数值。
[0021] 所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置的应用，步骤3)中：
[0022] 1)对样品进行高温或超高温拉伸强度测试，所述样品垂直安装，样品加热到指定 温度后，加载装置对样品施加拉伸载荷，显示分析系统按公式（1)计算拉伸强度σ i :
[0023]
【权利要求】
1. 一种在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征在于，该装置包括： 电子万能试验机、加载控制系统、电源控制系统、感应加热器、应变测量系统、样品夹具、测 温系统、压强控制系统、显示分析系统、真空系统，具体结构如下： 电子万能试验机中的真空腔体为全水冷设计，在真空腔体不同部位留有各个功能窗 口 ：夹具与电子万能试验机的传感器连接口、测温系统的红外或热电偶温度测量口、压强控 制系统的压强控制口、电源控制系统的感应电源引入口、应变测量系统的引伸计引入口、真 空系统与真空腔体的连接口，压强控制系统和真空系统共同构成环境气氛控制系统；感应 加热器与电源控制系统的感应电源相连，通过设计与样品相匹配的不同感应加热器形状和 尺寸，与样品耦合；应变测量系统一端的引伸计与样品相连，应变测量系统的另一端与电子 万能试验机控制器上的显示分析系统相连；样品通过样品夹具固定于真空腔室内，夹具与 电子万能试验机的加载装置连接，加载控制系统分别与加载装置上的载荷传感器和显示分 析系统相连；测温系统的输入端与样品相对应，测温系统的输出端与显示分析系统连接。
2. 按照权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征 在于，环境气氛控制系统包括罗茨泵和机械泵两级联动的真空系统以及充入气体进行压力 和流量控制的压强控制系统，压强控制系统采用薄膜硅和压强控制仪联合来实现真空腔体 内气氛可控，通过薄膜硅受到的压力获得气氛压强，并通过压强控制仪对气氛压力和流量 进行控制；真空系统与压强控制系统共同实现对真空腔室内气体压强和气体流速的精确控 制，气氛压强控制范围：l〇Pa?0. IMPa区间内任意压力精确控制，气体流量：1?lOOOmL/ min〇
3. 按照权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征 在于，感应加热器是通有冷却水的中空薄壁紫铜螺线管结构的磁感应线圈，表面缠裹石英 纤维布，铜螺线管为中空结构，用于流通循环冷却水；通过优化感应加热器的尺寸及形状， 利用感应加热原理将样品加热至不同的目标温度； 感应加热器采用电磁感应加热，电磁感应加热为中频电源和磁感应方式相结合进行， 中频电源输出功率为5?30kW，频率范围为10?40kHz ;感应加热瞬时加热和瞬时停止加 热，实现样品的快速升温和降温，样品在300°C以上时，升温速率为20?25°C /s，降温速率 为 40 ?50°C /s ; 当测试样品是导电性材料时，样品自身感应加热，导电性材料包括石墨基复合材料、纯 碳/碳复合材料、添加抗烧蚀剂的碳/碳复合材料、金属间化合物或导电陶瓷；当测试样品 是不导电性材料时，采用间接加热方式，采用导电的材料制成辅助加热体，靠感应辅助加热 体的热辐射和热传导效应对样品进行加热。
4. 按照权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征 在于，样品夹具为对开式样品夹持方式设计，夹具材质为镍基单晶高温合金，样品上下分别 通过夹具固定，位于上部的夹具上端与电子万能试验机的加载装置连接，并在夹具内部通 循环冷却水进行水冷降温；用于三点弯曲和压缩的样品夹具，采用超高温陶瓷棒材料作为 载荷加载传递介质。
5. 按照权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征 在于，测温系统由钼铑-钼接触式热电偶和双比色红外高温计组成，在l〇〇〇°C以下时使用 钼铑-钼接触式热电偶与样品接触测量样品表面的温度，当温度高于l〇〇〇°C时采用双比色 红外高温计非接触式测量样品的表面温度。
6. 按照权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征 在于，应变测量系统的引伸计为应变测量仪，引伸计通过真空腔室的引入口与样品的标距 段接触。
7. 按照权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置，其特征 在于，显示分析系统为计算机系统，作为电子万能试验机的控制系统及应变测量系统和测 温系统的记录系统，对样品施加不同的载荷，并记录有效标距段的位移变化；将电子万能试 验机的载荷加载、应变测量系统测得的应变和测温系统测得的温度集成显示，并根据不同 测试设计加载程序，同时根据力学强度公式计算各个测量参量的数值。
8. -种权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置的应用， 其特征在于，具体步骤如下： 1) 将样品机械加工成符合力学性能测试要求的标准尺寸和所需形状，样品通过夹具安 装在测试装置中，将引伸计卡在样品的标距段内； 2) 将真空腔室用罗茨泵和机械泵抽真空至0. 05?0. 2Pa，调节感应电源的输出功率， 将样品加热到目标温度；依据要求调节环境气氛控制系统来实现测试的环境气氛，环境气 氛包括：真空环境、惰性气氛、不同氧分压或不同气体流速，依据实验目的在一定气氛环境 下样品氧化一定时间，研究氧化对材料力学性能影响； 3) 通过电子万能试验机对样品进行施力加载直至样品断裂，通过引伸计上的变形传感 器记录样品断裂时的变形量，通过加载装置上的载荷传感器记录样品断裂时的临界载荷和 变形量，并通过加载控制系统传输给显示分析系统，显示分析系统根据样品的尺寸和临界 载荷计算出各测量项的数值。
9. 按照权利要求8所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置的应用， 其特征在于，步骤3)中： 1) 对样品进行高温或超高温拉伸强度测试，所述样品垂直安装，样品加热到指定温度 后，加载装置对样品施加拉伸载荷，显示分析系统按公式（1)计算拉伸强度σ i :
(1) 其中，Pci为临界载荷（N)，b为样品宽度（mm)，h为样品厚度（mm); 2) 对样品进行高温或超高温压缩强度或者弯曲测试，所述样品垂直安装，样品加热到 指定温度后，加载装置对样品施加压缩载荷，显示分析系统按公式（2)计算压缩强度 〇2，按 公式（3)计算四点弯曲强度〇3:
C2) 其中，Pc2为临界载荷（N)，b为样品宽度（mm)，h为样品厚度（mm);
(3) 其中，Pc3为临界载荷（N), L为三点弯曲夹具的外跨距（mm), b为样品宽度（mm), h为 样品厚度（mm)。
10. -种权利要求1所述的在室温到超高温下热-力-环境耦合作用测试装置的应用， 其特征在于，具体步骤如下： 1) 将样品在电子天平上称重后通过安装在样品夹具上，记录样品质量为n^g); 2) 将真空腔室用罗茨泵和机械泵抽真空至0. 05?0. 2Pa，通过电子万能试验机对样 品施加载荷，载荷是拉伸、弯曲或者压缩，所施加的载荷是拉伸、弯曲或者压缩临界载荷的 5?60%，调节环境气氛控制系统使得真空腔室内达到指定的气氛环境：真空环境、惰性气 氛、不同氧分压或不同气体流速，调节感应电源的输出功率将样品加热到目标测试温度，在 一定温度和载荷下将样品进行氧化测试；依据实验目的在一定气氛环境下样品氧化一定时 间，研究氧化对材料力学性能影响； 3) 氧化后的样品在电子天平上称重，记录样品质量!^^)，依据公式（4)计算样品氧化 前后的质量变化率& ;
(4) 〇
【文档编号】G01N3/20GK104215521SQ201410462803
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】徐敬军, 李美栓, 王晓辉, 钱余海 申请人:中国科学院金属研究所