[发明专利]用于超高温氧化环境下的力学性能测试装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料在室温到1800度氧化环境下的力学性能测试装置。具体地说，是一种新型超高温陶瓷加热体受热加载来进行材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切、压痕、疲劳、蠕变等力学性能测试装置。

背景技术

鉴于高新技术领域和国防装备建设的中高温材料与结构需要承受复杂的热/力/氧化耦合或复杂燃烧环境，以及关键超高温材料（诸如微烧蚀C/C复合材料、非烧蚀超高温陶瓷、高温合金、C/SiC复合材料）性能的复杂性。在对用于极端环境下的超高温部件的设计进行服役安全性评价时，必须了解材料在超高温氧化环境下的强度和模量等基本力学性能参数。目前，国内外对于1650度以上的氧化环境下的超高温力学评价还没有有效的方法，也没有相关的仪器设备。这主要是由于在1650度以上的氧化环境下，现有设备的发热体、夹具以及应变传感仪器难以承受。但是，目前高新技术和国防装备建设的发展迫切需要超高温氧化环境下力学性能测试装置。因此，开发超高温环境下热/力/氧化等多参量实验测试装置，提升超高温极端氧化环境下材料与结构实验方法和技术的创新能力，建立和完善超高温氧化环境下各项力学性能指标的测试、表征技术和评价标准，以满足高新技术领域和国防装备建设中的材料与结构在超高温氧化极端环境下的力学性能测试手段的强烈需求。为航天航空等领域的材料与结构的优化设计、材料工艺选、服役可靠性等方面提供理论依据及指导，对保障火箭、导弹、可往返航天飞机和高超声速飞行器等战略装备的可靠性评价和稳定性设计具有重大的意义。

尽管中国建筑材料研究院的包亦望等人已经开发出氧乙炔热源局部加热的超高温力学性能测试，但目前尚没有直接在稳态的超高温氧化热环境下直接测量材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切、压痕、疲劳、蠕变等力学性能的装置。究其原因，主要有以下三点：第一，试验温度测试不准确，温度场不均匀，实验的可重复性较差，很难获得均匀稳定的1650度以上的氧化环境；第二，现有的试验夹具和压头难以承受1650度以上的氧化环境；第三，在大于1650℃以上的高温氧化测试环境下，高温接触传感引伸仪不稳定；全场非接触变形测试技术缺乏。因此，急需解决超高温加载与控制，温度、载荷、位移、变形等多参量实验信息的精确提取，以及新型温度传感器、位移传感器、力传感器、非接触图像分析与超高温氧化环境的匹配性，达到超高温性能测试技术的要求，才能够确保超高温环境下材料力学性能测试仪器的顺利研制。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于1800度氧化环境下的力学性能测试装置，能够实现在常温到1800度温度范围的超高温氧化气氛下测试高温材料的拉伸、压缩、弯曲、断裂韧性、剪切强度和变形等力学基本参量。本发明的装置测试精度高，可测试的基本力学参量多，测试的可靠性和可重复性强，还能够实现测量和数据分析的自动化。

本发明提供的技术方案如下：

一种用于超高温氧化环境下的力学性能测试装置（图1），其特征是，所述装置包括电子万能试验机、炉体、加载仪、发热体、超高温夹具、引伸仪、测温系统、控制电柜和显示分析系统，其中：

电子万能试验机为框板结构的支架，为试验过程中完成加载运动，并为固定的部件提供支撑和操作空间；

炉体安装在电子万能试验机的下支架上，高温试验时通过支架导轨来使其移至电子万能试验机的中心，炉体上留有小孔（用于安装加热体、加载杆、测温热电偶、引伸仪）和水冷装置，炉体直接和控制电柜相连，通过炉体中间排布的多根超高温陶瓷发热体实现温度的均匀加载；

发热体为超高温陶瓷管，从炉体内小孔穿过，发热体上下端通过串联的导电金属箔和丝分别连接到炉体的上下端的电极上；

超高温夹具用于固定待测试样，通过差分变压器连接后安装在电子万能试验机框架上或放置在炉体内；

引伸仪通过炉边的小孔插入炉内，与试样的标距段相接触；

测温系统由带陶瓷保护套的B型铂铑热电偶和红外热温仪配合组成，在1600度以下，将热电偶通过炉体的小孔插入炉体内测温；高于1600度后，退出热电偶，启用红外测温仪，通过炉体中心的测温孔对准试样的中心位置来测温；

控制电柜为加热和水冷操作系统，具有温控显示器；通过开关可启动或停止加热和水冷系统，通过温控系统可调节加热速率；

加载仪具有施加拉伸、压缩、弯曲和剪切载荷的基本功能，配合压力感器形成加载系统；

显示分析系统为计算机系统，其中装载运算式；加载仪与显示分析系统信号线连接，显示分析系统接收加载仪传输的信号依据运算式计算出各测量项的数值并显示结构。