[发明专利]断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置、系统及方法

说明书

本发明属于材料测试技术领域，提出了一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置、系统及方法，包括多场模拟机构，多场模拟机构上设置有外场加载机构、外力加载机构以及数据采集机构，外力加载机构与传动机构连接，多场模拟机构包括上下两个多场模拟炉盖，两个多场模拟炉盖之间形成密封的多场模拟炉腔，解决了现有技术不能在热‑力‑化学多场耦合环境中对热防护材料的力学性能进行实时在线表征的技术问题。

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置、系统及方法。

背景技术

空天飞行器是指能够飞行在临近空间或空间执行特定任务并能长时间驻留的飞行器，因其飞行速度一般均达到5倍音速以上，因而也被称为超高声速飞行器，是未来航天航空技术新的制高点。引其飞行速度达5马赫以上，飞行过程中飞行器表面温度急剧升高，其中头锥及翼前缘等关键部位温度达2000℃以上。因此，热防护系统成了研制和保障空天飞行器在极端环境下安全服役最为关键的技术之一。航天飞机使用的可重复使用热防护系统防热结构主要有薄壳式防热结构和陶瓷防热结构两大类。其中，薄壳材料主要包括C/C，C/Si，SiC/SiC 等复合材料，其使用温度高达1650℃。陶瓷热防护结构则分为刚性陶瓷隔热瓦和柔性隔热毡两大类，其中第三代陶瓷防热瓦为氧化硅纤维+氧化铝纤维+ 硼硅酸纤维型氧化铝增强热屏蔽隔热材料，其重复使用温度1530℃。这些优异的热防护材料一般都具有复杂的制造工艺及微观结构，如何对这类材料服役过程中的应力应变、微观结构演化、断裂损伤信息进行实时在线检测就成了航空航天工业中的技术重点、难点。

超高声速飞行器在飞行过程中还会受到气动载荷及振动等外部载荷作用，这对热防护材料高温环境下的力学性能也提出了一定的要求。同时，服役过程中的化学环境腐蚀及急剧升降温引起的热失配等都会引起材料微观结构的损伤，从而造成力学性能的衰退，甚至引起材料的破坏。因此，如何在热-力-化学多场耦合环境中对热防护材料的力学性能进行实时在线表征就成为一个亟需解决的问题。然而，由于温度的限制，目前能对材料高温力学性能进行测试的设备非常有限，而能够在实现宏观力学性能测试的同时进行微观结构演化观测的在线表征的方法更是少之又少。目前，最有代表性的高温力学性能实时表征方法就是高温数字图像相关法。然而该方法仅能获取试样表面的位移场，进而获取材料应变场，进一步通过本构关系转换为材料表面的应力场，无法获取材料内部的相关信息；而且在极端环境中对材料表面的散斑信息进行观测仍然存在较大难度，导致目前获取的位移应变信息存在较大误差。因此开发一种设备能够在高温环境中实时获取材料表面及内部的应力应变状态、断裂损伤信息等对航空航天工业就显得十分必要。基于以上技术需求背景，本发明提供了一种基于计算机断层扫描的材料多场耦合力学特性在线表征装置，实现了在热-力-化学多场耦合环境中对材料表面及内部应力应变状态、微观结构演化、损伤断裂信息等的实时精确在线检测，对于航空航天工业检测技术领域具有重大意义。

发明内容

本发明提出了一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置、系统及方法，解决了现有技术不能在热-力-化学多场耦合环境中对热防护材料的力学性能进行实时在线表征的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，包括：

多场模拟机构，所述多场模拟机构上设置有外场加载机构、外力加载机构以及数据采集机构，所述外力加载机构与传动机构连接，所述多场模拟机构包括上下两个多场模拟炉盖，两个所述多场模拟炉盖之间形成密封的多场模拟炉腔。

作为进一步技术方案，所述外场加载机构包括使射线透入所述多场模拟炉腔内的射线透过窗口，所述射线透过窗口设置在两个所述多场模拟炉盖的连接处，所述多场模拟炉盖上设置有模组挂载窗，所述模组挂载窗内壁上设置有聚焦到所述多场模拟炉腔几何中心处的石英灯。

作为进一步技术方案，所述外场加载机构还包括设置在所述多场模拟炉盖上的气体通道。