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CN106525632A - 热冲击‑力‑电耦合加载与测试系统 - Google Patents

热冲击‑力‑电耦合加载与测试系统 Download PDF

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CN106525632A
CN106525632A CN201610952565.9A CN201610952565A CN106525632A CN 106525632 A CN106525632 A CN 106525632A CN 201610952565 A CN201610952565 A CN 201610952565A CN 106525632 A CN106525632 A CN 106525632A
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王省哲
关明智
蒋萱
蒋一萱
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Lanzhou University
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Lanzhou University
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Abstract

本发明公开了一种热冲击‑力‑电耦合加载与测试系统，将常规的电子万能试验机加高、加宽后，内部装入快速升温炉，在快速升温炉周围布置多组大功率石英灯对本系统内的样品进行加热，并采用大功率电流\电压加载电源实现对测试样品的电学加载与控制，本发明能够实现热冲击环境下材料的力‑电耦合集成测量系统，可实现对铁电陶瓷等智能材料在超高温热冲击环境下的力‑电耦合相变特征、放电机制及其力‑电失效特性测试，并且加热速度快，效率高，均匀度高。

Description

热冲击-力-电耦合加载与测试系统
技术领域
本发明涉及一种材料的加载与测试系统，具体的说是热冲击-力-电耦合加载与测试系统。
背景技术
铁电陶瓷因其具有丰富的细微观结构特征及强力-电-热耦合效应，在压力、热冲击场、电场等外场诱导下极易发生结构相变并伴随着力学和电学等性能的显著变化。在不同外场作用下，特别是冲击载荷(热、电、力等)下铁电陶瓷极易发生瞬时相变，快速变形或快速释放束缚电荷而产生强的电流/电压输出。其在高功率爆电电源、军工和核技术等相关能量转换结构设计、高新技术装置与特殊装备领域有着极为重要的应用。
极化后的铁电陶瓷的相变与电荷释放可以是多因素诱发，热加载或者冲击压力、静水压，单轴压缩等均可使得材料释放束缚电荷放电，虽然加载方式不同，但均能导致材料铁电到反铁电相变从而放电。而且热冲击加载与冲击压力加载不同，不会损坏材料以及过程更容易控制，也更容易观测实验过程中的一些物理量的变化，更有利于实验材料的回收测试。因此，针对一类铁电材料的铁电到反铁电相变动力学过程以及压力、热加载下的力-热耦合作用下该类材料的放电机制及击穿失效等基础问题，我们开发了一套针对一类铁电材料的热冲击-力-电耦合加载与测试系统。该测试系统的主要特点是可以同时提供变速率热冲击、力学加载系统（拉、压、弯）、电信号的测量与采集等多场耦合环境下的铁电材料力-热-电耦合性能的测量。基于此测试系统的测试结果，有望揭示热冲击-力学耦合场下铁电材料的基本形变模式，力-电耦合相变特征、放电机制及其力-电失效等基本科学问题，同时，为基于此类铁电材料的结构研发、设计提供基础性实验数据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种热冲击-力-电耦合加载与测试系统，以获得极端变速率高温热冲击环境下材料的力学性能。
本发明的目的是这样实现的：热冲击-力-电耦合加载与测试系统，包括高温热冲击加载与控制单元、机械力学加载与控制单元、电加载与控制单元和PC端，所述PC端分别与所述高温热冲击加载与控制单元、所述机械力学加载与控制单元和所述电加载与控制单元连接，
所述机械力学加载与控制单元包括电子万能试验机和力学测量模块，所述力学测量模块分别与所述电子万能试验机和所述PC端连接，
所述高温热冲击加载与控制单元包括快速升温炉、温度传感器和温控模块，所述快速升温炉安装在电子万能试验机内，所述快速升温炉内布置有多组大功率石英灯用于对本系统进行加热，所述温度传感器安装在所述快速升温炉内，所述温控模块分别连接所述温度传感器和所述PC端，
所述电加载与控制单元包括加载电源、电流测量模块和高温电流线，所述高温电流线一端连接试样，另一端分别连接电流测量模块和加载电源，所述电流测量模块还连接所述PC端。
进一步，所述电子万能试验机采用无极变速的位移加载方式，所述电子万能试验机采用门式预应力结构。
进一步，所述力学测量模块包括高精度载荷传感器和位移传感器，所述高精度载荷传感器用于测量载荷，所述位移传感器用于测量夹头间的位移。
进一步，所述快速升温炉包括炉壳，所述炉壳上部和下部分别设置有上炉盖和下炉盖，所述炉壳内部周围布置有陶瓷纤维板，所述上炉盖和下炉盖上分别通过十字槽盘头螺钉固定有卤素加热管，所述炉壳左侧安装有高温炉内外折页，所述高温炉内外折页内部安装有左、右两个电极保护罩，电极固定在电极瓷座上并安装在所述左、右保护罩内，所述炉壳右侧安装有把手，把手通过两个把手架固定在所述炉壳上，所述把手上下两侧分别安装有搭扣，所述搭扣用于锁紧炉体，试验样品通过上高温拉杆与上连杆连接，所述上连杆另一端固定在炉体上部，试验样品通过下高温拉杆与下连杆连接，所述下连杆另一端固定在炉体下部。
进一步，所述温控模块包括K型热电偶、人机界面HMI和中央运算器，所述K型热电偶与试样连接，用于测量试样的温度和控制炉体的温度，所述中央运算器分别与所述K型热电偶和人机界面HMI连接。
进一步，所述电流测量模块采用多通道数字采集方式进行数据测量及存储，所述电流测量模块用于测试和采集试样的电流、电压、电阻和温度信号。
进一步，所述电流测量模块包括光纤电流互感器，所述光纤电流互感器用于测试试样在热冲击作用下分布式微电流变化行为。
优选的，温度传感器采用比色测温仪。
本发明的优点在于：本发明采用大功率石英灯加热法加热样品，速度快、效率高并且均匀度高，实现了铁电材料在超高温热冲击（200℃/s, 最高1200℃）环境下的力学特性测试；
实现了多场环境下的拉、压、弯等多功能力学加载以及加载过程的控制(0-200KN)；
实现了多场环境下的传感和非接触测量、多变量的信号补偿技术、数据的实时采集和处理；
实现了对铁电材料的充放电过程的加电速率和恒流电压的分段设置，具备对材料击穿失效的检测及保护功能、实现特殊情况下的快速放电等；
对于高温炉环境中的试样和相关辅助器件采用热导率高的导热材料以传导和辐照相结合形式实现高温热冲击的动态加载，可大批量重复实验。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的快速升温炉体的正视图;
图3位本发明的试样固定示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
附图1为本发明的热冲击-力-电耦合加载与测试系统的结构示意图，包括高温热冲击加载与控制单元、机械力学加载与控制单元、电加载与控制单元和PC端，PC端分别与高温热冲击加载与控制单元、电加载与控制单元和机械力学加载与控制单元连接，机械力学加载与控制单元包括电子万能试验机104和力学测量模块，力学测量模块分别与电子万能试验机104和PC端连接，高温热冲击加载与控制单元包括快速升温炉103、比色测温仪101和温控模块，快速升温炉103安装在电子万能试验机104内，快速升温炉103内布置有多组大功率石英灯用于对本系统进行加热，比色测温仪101安装在快速升温炉103内，温控模块分别连接温度传感101器和PC端，电加载与控制单元包括加载电源、电流测量模块和高温电流线，高温电流线一端连接试样，另一端分别连接电流测量模块和加载电源，电流测量模块还连接所述PC端，电流测量模块还包括高温、高精度光纤电流互感器，用于测试试样在热冲击作用下分布式微电流变化行为。
其中，电子万能试验机采用无极变速的位移加载方式，加载速度大幅范围内可控以提供不同的加载需求，采用门式预应力结构，配备以高温、抗热冲击夹具实现对测试样品拉伸、压缩、弯曲多种变形模式。
力学测量模块包括高精度载荷传感器和位移传感器，高精度载荷传感器用于测量载荷，位移传感器用于测量夹头间的位移，并采用非线性CCD与高温电阻引伸计相结合方法获得热冲击环境下试件表面的局部应变行为。
附图2为本系统的快速升温炉的正视图，快速升温炉包括炉壳201，炉壳上部和下部分别设置有上炉盖202和下炉盖203，炉壳内部周围布置有陶瓷纤维板204，上炉盖202和下炉盖上203分别通过十字槽盘头螺钉205固定有卤素加热管206，炉壳左侧安装有高温炉内外折页207，高温炉内外折页207内部安装有左、右两个电极保护罩209，电极210固定在电极瓷座211上并安装在左、右保护罩209内，炉壳右侧安装有把手212，把手212通过两个把手架213固定在炉壳上，把手212上下两侧还分别安装有搭扣214，搭扣214用于锁紧炉体，试验样品215通过上高温拉杆216与上连杆217连接，所述上连杆217另一端固定在炉体上部，试验样品215通过下高温拉杆218与下连杆219连接，所述下连杆219另一端固定在炉体下部，试样还通过高温电流线连接加载电源221。
温控模块包括K型热电偶220、人机界面HMI和中央运算器， K型热电偶220与试样连接，用于测量试样的温度和控制炉体的温度，中央运算器分别与K型热电偶220和人机界面HMI连接。
本发明适合研究极端热冲击-力-电加载多环境场下各物理和力学参量的表征系统以及相关的高精度、抗干扰测量技术。由于采用比色计进行高温热冲击下瞬态温度检测，采样频率和测量精度分别可达120Hz 和 0.5K；采用高精度载荷传感器和位移传感器分别测量载荷和夹头间的位移；采用非线性CCD与高温电阻引伸计相结合方法获得热冲击环境下试件表面的局部应变行为；温度范围可实现室温～1200℃、快速热冲击（200℃/s）的多温区范围的温度的可调与可控，配置有专用计算机接口进行温度及控制数据传递；能够测试和采集试样的电流、电压、电阻及温度信号，对铁电材料的充放电过程的加电速率和恒流电压可实现分段设置，具备对材料击穿失效的检测及保护功能、实现特殊情况下的快速放电等。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (8)

1.热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，包括高温热冲击加载与控制单元、机械力学加载与控制单元、电加载与控制单元和PC端，所述PC端分别与所述高温热冲击加载与控制单元、所述机械力学加载与控制单元和所述电加载与控制单元连接，
所述机械力学加载与控制单元包括电子万能试验机和力学测量模块，所述力学测量模块分别与所述电子万能试验机和所述PC端连接，
所述高温热冲击加载与控制单元包括快速升温炉、温度传感器和温控模块，所述快速升温炉安装在电子万能试验机内，所述快速升温炉内布置有多组大功率石英灯用于对本系统进行加热，所述温度传感器安装在所述快速升温炉内，所述温控模块分别连接所述温度传感器和所述PC端，
所述电加载与控制单元包括加载电源、电流测量模块和高温电流线，所述高温电流线一端连接试样，另一端分别连接电流测量模块和加载电源，所述电流测量模块还连接所述PC端。
2.根据权利要求1所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述电子万能试验机采用无极变速的位移加载方式，所述电子万能试验机采用门式预应力结构。
3.根据权利要求1所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述力学测量模块包括高精度载荷传感器和位移传感器，所述高精度载荷传感器用于测量载荷，所述位移传感器用于测量夹头间的位移。
4.根据权利要求1所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述快速升温炉包括炉壳，所述炉壳上部和下部分别设置有上炉盖和下炉盖，所述炉壳内部周围布置有陶瓷纤维板，所述上炉盖和下炉盖上分别通过十字槽盘头螺钉固定有卤素加热管，所述炉壳左侧安装有高温炉内外折页，所述高温炉内外折页内部安装有左、右两个电极保护罩，电极固定在电极瓷座上并安装在所述左、右保护罩内，所述炉壳右侧安装有把手，把手通过两个把手架固定在所述炉壳上，所述把手上下两侧分别安装有搭扣，所述搭扣用于锁紧炉体，试验样品通过上高温拉杆与上连杆连接，所述上连杆另一端固定在炉体上部，试验样品通过下高温拉杆与下连杆连接，所述下连杆另一端固定在炉体下部。
5.根据权利要求1所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述温控模块包括K型热电偶、人机界面HMI和中央运算器，所述K型热电偶与试样连接，用于测量试样的温度和控制炉体的温度，所述中央运算器分别与所述K型热电偶和人机界面HMI连接。
6.根据权利要求1或5所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述温度传感器为比色测温仪。
7.根据权利要求1所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述电流测量模块采用多通道数字采集方式进行数据测量及存储，所述电流测量模块用于测试和采集试样的电流、电压、电阻和温度信号。
8.根据权利要求1或7所述的热冲击-力-电耦合加载与测试系统，其特征在于，所述电流测量模块包括光纤电流互感器，所述光纤电流互感器用于测试试样在热冲击作用下分布式微电流变化行为。
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