本实用新型专利技术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及系统，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。
【技术实现步骤摘要】
基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置及系统
本技术属于材料测试
，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及系统。
技术介绍
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，本专利技术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
具有重大意义。
技术实现思路
本技术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及系统，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。本技术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。作为进一步技术方案，所述外力加载机构包括分别穿过上下两个所述多场模拟炉盖伸入至所述多场模拟炉腔几何中心处的的水冷却上夹具和水冷却下夹具，所述水冷却上夹具可上下移动。作为进一步技术方案，所述水冷却上夹具的顶部通过丝杠运动套筒与加载运动块连接，所述加载运动块设置在所述滚珠丝杠螺母上，所述滚珠丝杠螺母上下移动设置在传动丝杠上，所述传动丝杠的自由端伸入所述丝杠运动套筒内，所述多场模拟炉盖上位于所述传动丝杠的四周设置有直线导轨，所述加载运动块的端部通过直线轴承在所述直线导轨上上下滑动。作为进一步技术方案，所述传动机构包括与所述传动丝杠连接减速器，所述减速器与电机连接。作为进一步技术方案，所述多场模拟炉盖的两侧分别设置有冷却水进水口和冷却水出水口，所述冷却水进水口通过蛇形排布的冷却水管道与所述冷却水出水口连通。作为进一步技术方案，所述水冷却上夹具的两侧分别设置有夹具冷却水入口和夹具冷却水出口，所述夹具冷却水入口与竖直水流通道连通，所述竖直水流通道与一U型水流通道的底部连通，所述U型水流通道开口朝上且其底部靠近所述水冷却上夹具的自由端，所述U型水流通道的顶端通过一环形水流通道与所述夹具冷却水出口连通。作为进一步技术方案，所述数据采集机构包括设置在所述直线导轨和所述加载运动块之间的位移传感器，所述丝杠运动套筒上设置有加载力传感器。一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征系统，包括在线表征装置，所述在线表征装置设置在基座上，所述基座上位于所述在线表征装置的两侧分别设置有辐射源和图像重构数据采集屏。与现有技术相比，本技术工作原理和有益效果为：1、本技术中，采用模组挂载窗上的多个卤素灯点聚焦辐射加热的方式，实现了使用多个通用卤素灯小型灯具(灯具安装直径低于21cm，单个灯珠功率约30W～50W)，即可对目标聚焦点进行高速快速加热的特点。其理论上，在0.25cm2的加热焦点面上，热流密度最高达1.8×106J/m2·s，的加热温度上限为2100℃，有效模拟了材料在服役的高温服役环境；聚焦加热点被密封的空腔包围，构成实验腔，实验腔内可以通入化学气体，用于模拟化学气氛环境，当实验腔内的压力超过额定值时，其上设置的出气口的保压阀打开，释放部分气体，保证化学气氛的加载安全。有效模拟了材料在服役环境中的化学氛围。2、本技术中，该装置通过整合与设计使得装置具有在热化耦合场下对材料做单轴拉伸与压缩实验的能力，有效地模拟试验材料的加载状态；装置的试验段中射线透过窗口采用了对X射线具有高透过率的材料，构成了X射线透过窗口，使得设备能够在材料的试验过程中，能够通过工业基于计算机断层扫描的对材料进行在线表征，还原材料在试验过程中的损伤过程。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。图1为本技术中在线表征装置结构示意图；图2为本技术中外力加载机构结构示意图；图3为本技术中多场模拟机构结构示意图；图4为本技术中水冷却上夹具中冷却系统结构示意图；图5为本技术中多数据采集机构框线结构示意图；图6为本技术中冷却流量控制框线结构示意图；图7为本技术中在线表征系统结构示意图；图中：1-传动机构，11-减速器，12-电机，2-外力加载机构，21-水冷却上夹具，22-水冷却下夹具，23-丝杠运动套筒，24-加载运动块，25-滚珠丝杠螺母，26-传动丝杠，27-直线导轨，28-直线轴承，29金属隔热块，3-多场模拟机构，31-多场模拟炉盖，32-多场模拟炉腔，33-冷却水进水口，34-冷却水出水口，35-冷却水管道，36-夹具冷却水入口，37-夹具冷却水出口，38-竖直水流通道本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，包括多场模拟机构(3)，所述多场模拟机构(3)上设置有外场加载机构(5)、外力加载机构(2)以及数据采集机构(4)，所述外力加载机构(2)与传动机构(1)连接，所述多场模拟机构(3)包括上下两个多场模拟炉盖(31)，两个所述多场模拟炉盖(31)之间形成密封的多场模拟炉腔(32)。
【技术特征摘要】
1.一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，包括多场模拟机构(3)，所述多场模拟机构(3)上设置有外场加载机构(5)、外力加载机构(2)以及数据采集机构(4)，所述外力加载机构(2)与传动机构(1)连接，所述多场模拟机构(3)包括上下两个多场模拟炉盖(31)，两个所述多场模拟炉盖(31)之间形成密封的多场模拟炉腔(32)。2.根据权利要求1所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述外场加载机构(5)包括使射线透入所述多场模拟炉腔(32)内的射线透过窗口(51)，所述射线透过窗口(32)设置在两个所述多场模拟炉盖(31)的连接处，所述多场模拟炉盖(31)上设置有模组挂载窗(52)，所述模组挂载窗(52)内壁上设置有聚焦到所述多场模拟炉腔(32)几何中心处的石英灯(53)。3.根据权利要求2所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述外场加载机构(5)还包括设置在所述多场模拟炉盖(31)上的气体通道(54)。4.根据权利要求1所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述外力加载机构(2)包括分别穿过上下两个所述多场模拟炉盖(31)伸入至所述多场模拟炉腔(32)几何中心处的水冷却上夹具(21)和水冷却下夹具(22)，所述水冷却上夹具(21)可上下移动。5.根据权利要求4所述的一种基于断层扫描的材料多场耦合性能在线表征装置，其特征在于，所述水冷却上夹具(21)的顶部通过丝杠运动套筒(23)与加载运动块(24)连接，所述加载运动块(24)设置在滚珠丝杠螺母(25)上，所述滚珠丝杠螺母(25)上下移动设置在传动丝杠(26)上，所述传动丝杠(26)的自由端伸入所述丝杠运动套筒(23)内，所述多场模拟炉盖(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋浩南，
申请(专利权)人：西安特瑞昇航空材料技术有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西,61
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