用于超高溫氧化環境下的力學性能測試裝置和方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種在常溫到1800度溫度范圍的超高溫氧化氣氛下測試高溫材料的拉伸、壓縮、彎曲、斷裂韌性、剪切強度和變形的力學性能測試裝置。實驗裝置由控制電柜、加載夾具、載荷控制與變形傳感測量系統、爐體、非接觸變形測量系統、顯示記錄系統等組裝而成。該方法是通過加熱體實現對爐內氧化環境進行均勻穩定加熱和保溫，使之能實現室溫到1800度的力學性能測試，利用接觸傳感和非接觸測量系統捕獲拉伸、壓縮、彎曲、剪切的強度和應變等力學性能參量。本發明專利技術的最大特點是測試參量多，數據測量精度高，實驗的可重復性強。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及材料在室溫到1800度氧化環境下的力學性能測試裝置。具體地說，是一種新型超高溫陶瓷加熱體受熱加載來進行材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、壓痕、疲勞、蠕變等力學性能測試裝置。
技術介紹
鑒于高新
和國防裝備建設的中高溫材料與結構需要承受復雜的熱/力/氧化耦合或復雜燃燒環境，以及關鍵超高溫材料(諸如微燒蝕C/C復合材料、非燒蝕超高溫陶瓷、高溫合金、C/SiC復合材料)性能的復雜性。在對用于極端環境下的超高溫部件的設計進行服役安全性評價時，必須了解材料在超高溫氧化環境下的強度和模量等基本力學性能參數。目前，國內外對于1650度以上的氧化環境下的超高溫力學評價還沒有有效的方法，也沒有相關的儀器設備。這主要是由于在1650度以上的氧化環境下，現有設備的發熱體、 夾具以及應變傳感儀器難以承受。但是，目前高新技術和國防裝備建設的發展迫切需要超高溫氧化環境下力學性能測試裝置。因此，開發超高溫環境下熱/力/氧化等多參量實驗測試裝置，提升超高溫極端氧化環境下材料與結構實驗方法和技術的創新能力，建立和完善超高溫氧化環境下各項力學性能指標的測試、表征技術和評價標準，以滿足高新
和國防裝備建設中的材料與結構在超高溫氧化極端環境下的力學性能測試手段的強烈需求。為航天航空等領域的材料與結構的優化設計、材料工藝選、服役可靠性等方面提供理論依據及指導，對保障火箭、導彈、可往返航天飛機和高超聲速飛行器等戰略裝備的可靠性評價和穩定性設計具有重大的意義。盡管中國建筑材料研究院的包亦望等人已經開發出氧乙炔熱源局部加熱的超高溫力學性能測試，但目前尚沒有直接在穩態的超高溫氧化熱環境下直接測量材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、壓痕、疲勞、蠕變等力學性能的裝置。究其原因，主要有以下三點第一，試驗溫度測試不準確，溫度場不均勻，實驗的可重復性較差，很難獲得均勻穩定的1650度以上的氧化環境；第二，現有的試驗夾具和壓頭難以承受1650度以上的氧化環境；第三，在大于1650°C以上的高溫氧化測試環境下，高溫接觸傳感引伸儀不穩定；全場非接觸變形測試技術缺乏。因此，急需解決超高溫加載與控制，溫度、載荷、位移、變形等多參量實驗信息的精確提取，以及新型溫度傳感器、位移傳感器、力傳感器、非接觸圖像分析與超高溫氧化環境的匹配性,達到超高溫性能測試技術的要求,才能夠確保超高溫環境下材料力學性能測試儀器的順利研制。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種可用于1800度氧化環境下的力學性能測試裝置，能夠實現在常溫到1800度溫度范圍的超高溫氧化氣氛下測試高溫材料的拉伸、壓縮、彎曲、斷裂韌性、剪切強度和變形等力學基本參量。本專利技術的裝置測試精度高，可測試的基本力學參量多，測試的可靠性和可重復性強，還能夠實現測量和數據分析的自動化。本專利技術提供的技術方案如下一種用于超高溫氧化環境下的力學性能測試裝置(圖I )，其特征是，所述裝置包括電子萬能試驗機、爐體、加載儀、發熱體、超高溫夾具、引伸儀、測溫系統、控制電柜和顯示分析系統，其中電子萬能試驗機為框板結構的支架，為試驗過程中完成加載運動，并為固定的部件提供支撐和操作空間；爐體安裝在電子萬能試驗機的下支架上，高溫試驗時通過支架導軌來使其移至電子萬能試驗機的中心，爐體上留有小孔(用于安裝加熱體、加載桿、測溫熱電偶、引伸儀)和水冷裝置，爐體直接和控制電柜相連，通過爐體中間排布的多根超高溫陶瓷發熱體實現溫度的均勻加載；發熱體為超高溫陶瓷管，從爐體內小孔穿過，發熱體上下端通過串聯的導電金屬箔和絲分別連接到爐體的上下端的電極上； 超高溫夾具用于固定待測試樣，通過差分變壓器連接后安裝在電子萬能試驗機框架上或放置在爐體內；引伸儀通過爐邊的小孔插入爐內，與試樣的標距段相接觸；測溫系統由帶陶瓷保護套的B型鉬銠熱電偶和紅外熱溫儀配合組成，在1600度以下，將熱電偶通過爐體的小孔插入爐體內測溫；高于1600度后，退出熱電偶，啟用紅外測溫儀，通過爐體中心的測溫孔對準試樣的中心位置來測溫；控制電柜為加熱和水冷操作系統，具有溫控顯示器；通過開關可啟動或停止加熱和水冷系統,通過溫控系統可調節加熱速率；加載儀具有施加拉伸、壓縮、彎曲和剪切載荷的基本功能，配合壓力感器形成加載系統；顯示分析系統為計算機系統，其中裝載運算式；加載儀與顯示分析系統信號線連接，顯示分析系統接收加載儀傳輸的信號依據運算式計算出各測量項的數值并顯示結構。所述的力學性能測試裝置，其特征是，所述發熱體的數量為6-24根。所述的力學性能測試裝置，其特征是，所述發熱體的制備方法為I)針對梯度空心管的各段成分不同，取不同配方量的粒徑為O. 8-2 μ m的硼化錯、粒徑為I. 0-1. 5 μ m的碳化娃和粒徑為10_30 μ m的石墨為配料,其中，按體積百分比，冷端材料配比硼化鋯40-75%、碳化硅10-30%、石墨15-30%，過渡段材料配比硼化鋯50-85 %、碳化硅10-30 %、石墨5-20 %，熱端材料配比硼化鋯70-90 %、碳化硅10-30 % ；以酒精為溶劑；放入裝有SiC陶瓷球的球磨罐，其中，陶瓷球配料酒精的體積比I :1 I. 5 :2 4 ;2)將球磨罐放在行星球磨機中進行球磨，球磨機的運行速度為150-250轉/分鐘，球磨時間為8-24小時；將混合料在旋轉蒸發器中烘干，其中，水浴溫度為60-85度，旋轉瓶轉速為15-60轉/分，烘干時間為1-5小時；烘干后的混合粉過30-100目篩；3)將過篩后不同梯度層的混合粉依次裝入成型模具，每裝入一層用壓桿預壓后再裝入下一層，然后進行冷等靜壓成型，成型壓力150-300MPa，保壓時間1_20分鐘，坯體的干燥溫度為50-90度,干燥時間為2-6小時；4)在惰性氣氛中進行無壓燒結，燒結溫度為1900-2100度，保溫時間為O. 5-3小時，升溫速度和降溫速度為10-25度/分鐘；冷卻至60度以下后打開爐門，取出試樣；冷卻后用砂紙打磨成為產品。所述的力學性能測試裝置，其特征是，所述導電金屬箔為銀箔或銅箔等，所述導電金屬絲為鋁絲或銀絲等。所述的力學性能測試裝置，其特征是，所述引伸儀為超高溫引伸儀。所述的力學性能測試裝置，其特征是，用于拉伸測試的內部結構組成為耐超高溫的陶瓷上夾具頭和下夾具頭連接至陶瓷上拉桿和下拉桿上；拉桿通過高溫合金銷軸分別連接于上連桿和下連桿上；下連桿通過不銹鋼螺母連接于電子萬能試驗機的底座上，而上連桿通過接頭與壓力傳感器連接，然后與端部連接件固定與電子萬能試驗機的上橫梁；另外，超高溫引伸儀從側面插入爐內試樣的標距上。所述的力學性能測試裝置，其特征是，用于三點彎曲和壓縮測試的內部結構組成為耐超高溫的陶瓷夾具分別與夾具底座和壓桿連接，底座直接放在高溫爐內腔底面上，壓桿通過高溫合金的連桿和壓桿固定件與壓力傳感器連接，然后通過端部連接件連接于電子萬能試驗機的移動橫梁上。本專利技術同時提供一種用于超高溫氧化環境下的力學性能測試方法，使用前面所述的裝置進行測試，包括以下步驟I)將待測試的試樣加工成符合力學性能測試標準的形狀，通過高溫氮化硅或碳化硅等陶瓷夾具安裝在實驗裝置中爐體中心區域；2)將引伸儀(如Epsilon3548HT型等，或者其他高溫引伸儀)插入爐內，卡在試樣的標距內；3)通過控制電柜上的操作面板控制發熱體的加熱速本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于超高溫氧化環境下的力學性能測試裝置，其特征是，所述裝置包括電子萬能試驗機（5）、爐體（6）、加載儀（7）、發熱體（9）、超高溫夾具（2）、引伸儀（1）、測溫系統（4）、控制電柜（10）和顯示分析系統（3），其中：電子萬能試驗機（5）為框板結構的支架，為試驗過程中完成加載運動，并為固定的部件提供支撐和操作空間；爐體（6）安裝在電子萬能試驗機（5）的下支架上，高溫試驗時通過支架導軌來使其移至電子萬能試驗機（5）的中心，爐體（6）上留有小孔和水冷裝置，爐體（6）直接和控制電柜（10）相連，通過爐體（10）中間排布的多根超高溫陶瓷發熱體（9）實現溫度的均勻加載；發熱體（9）為超高溫陶瓷管，從爐體內小孔穿過，發熱體上下端通過串聯的導電金屬箔和絲分別連接到爐體的上下端的電極上；超高溫夾具（2）用于固定待測試樣，通過差分變壓器連接后安裝在電子萬能試驗機（5）框架上或放置在爐體（6）內；引伸儀（1）通過爐邊的小孔插入爐內，與試樣的標距段相接觸；測溫系統（4）由帶陶瓷保護套的B型鉑銠熱電偶和紅外熱溫儀配合組成，在1600度以下，將熱電偶通過爐體的小孔插入爐體內測溫；高于1600度后，退出熱電偶，啟用紅外測溫儀，通過爐體中心的測溫孔對準試樣的中心位置來測溫；控制電柜（10）為加熱和水冷操作系統，具有溫控顯示器；通過開關可啟動或停止加熱和水冷系統，通過溫控系統可調節加熱速率；加載儀（7）具有施加拉伸、壓縮、彎曲和剪切載荷的基本功能，配合壓力感器形成加載系統；顯示分析系統（3）為計算機系統，其中裝載運算式；加載儀（7）與顯示分析系統（3）信號線連接，顯示分析系統（3）接收加載儀（7）傳輸的信號依據運算式計算出各測量項的數值并顯示結構。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：方岱寧，張如炳，程相孟，裴永茂，曲兆亮，韋凱，莊慶偉，王戈，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：