高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置，所述装置包括：动态拉伸装置与温度控制装置；动态拉伸装置包括电阻式应变片(2)、高压气室(3)、套筒式子弹(4)、法兰(5)、吸收器(6)、压电传感器(7)、组合夹头(9)、试样卡(10)和入射杆(11)；温度控制装置包括温度控制器(1)和半槽形加热探头(8)，加热探头(8)与温度控制器(1)相连，半槽形加热探头(8)在动态拉伸装置的组合夹头(9)外围。所述装置设计原理简单，易于实现；槽形加热头的设计有别于普通的加温箱，升温速率快，体积更小，装配简易，易拆卸，适用与多种拉伸装置；使用压电传感器代替透射杆，测量精度高，干扰小。

【技术实现步骤摘要】
高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置
本专利技术属于纤维力学性能测试设备
，具体涉及一种高温下(常温～400℃)纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置。
技术介绍
纤维的力学性能是衡量其结构稳定性的重要指标，材料的拉伸力学响应与加载速率和环境温度关系很大。目前，测试纤维的准静态拉伸力学性能主要依靠材料试验机，而测试材料动态拉伸力学性能最常见的实验设备为霍普金森拉杆。高性能纤维(碳纤维、碳纳米管纤维等)在航空、航天、工业应用等领域已经获得了广泛的使用，极端复杂的运行环境使得纤维材料在高温高应变率下的本构关系与失效模式具有极强的研究意义，而研制高温环境下纤维单丝动态拉伸力学性能测试设备是能否推进这些研究的关键问题之一。常规霍普金森拉杆技术通过入射杆与透射杆上的应变片，测量入射波、透射波与反射波信号，根据三波法计算得到材料的应力-应变信息，试样的尺寸一般为毫米量级。当测试的纤维直径为微米量级时，由于纤维与杆之间的广义波阻抗有较大差距，透射波幅值较小且与噪声信号的幅值接近，无论是采用高精度的半导体应变片还是传统的电阻式应变片，透射信号都难以测量。同时，基于复杂条件下实验技术的限制，纤维在极端环境温度下动态力学行为的研究尚欠缺。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种高温下(常温～400℃)纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置。本专利技术基于应力波理论，结合温度效应和应变率效应加以研制，测量直径为微米量级纤维单丝在高温(常温～400℃)环境下动态拉伸力学性能的装置；其特点在于：温度控制器装卸简易，体积小，升温较快；铝箔和耐高温环氧树脂制作试样卡，不易燃且易于控制样品标距；用高精度压电传感器代替透射杆，从而解决透射杆上的应变片无法测得透射波信号的问题。本专利技术使用高精度的压电力传感器，设计了纤维单丝的动态力学性能测量设备。与此同时，该设备配备了槽形温度控制器，该温度控制器在传统的温度控制器的基础上，重新设计了加热探头，使槽形探头可与本专利技术设计的杆件系统自由装配，具有体积小，升温快，装卸简易等优点。基于此，本专利技术实现了对直径为微米量级的纤维单丝在高温环境下动态拉伸力学性能的测试。本专利技术为了实现上述的专利技术目的，采用如下的技术方案：一种高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置，所述高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置包括动态拉伸装置与温度控制装置；所述动态拉伸装置包括电阻式应变片2、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5、吸收器6、压电传感器7、组合夹头9、试样卡10和入射杆11；所述动态拉伸装置沿X主轴方向为拉杆，包括压电传感器7、入射杆11、高压气室3、套筒式子弹4、法兰5和吸收器6；组合夹头9包括两部分，分别左夹头和右夹头；压电传感器7一端使用支座安装在平台上，另外一端连接组合夹头9的左夹头；入射杆11为贯穿高压气室3的贯穿杆，入射杆11的一端与组合夹头9的右夹头连接，另外一端与法兰5连接；在高压气室3与组合夹头9的右夹头之间的入射杆11上安装有电阻式应变片2；压电传感器7与法兰5、吸收器6以及入射杆11定位在同轴心高度；在高压气室3和法兰5之间的入射杆11上并且紧挨着高压气室设置有套筒式子弹4；法兰5安装在吸收器6上；吸收器6固定安装在平台上；温度控制装置包括温度控制器1和半槽形加热探头8，加热探头8与温度控制器1相连，半槽形加热探头8在动态拉伸装置的组合夹头9外围。入射杆11采用直径为2mm～6mm、长度为1000mm～1500mm的杆。压电传感器7量程为-22N～+22N，测量精度为0.1mN，输出的电压、力转换关系为1V＝1N,响应时间为微秒量级。组合夹头9的左夹头和右夹头可以分开，所述左夹头和所述右夹头中间夹持试样卡10；待测试的纤维置于试样卡10中央。法兰5为圆柱形，外径为10mm～12mm。套筒式子弹为内径与入射杆11直径一致、外径与高压气室3内壁直径一致、长度为150mm～250mm的中空圆管，无缝套于入射杆11上，并无缝紧贴高压气室3的内壁上。发射前，套筒式子弹4存在于高压气室3内部，充气完成后，套筒式子弹4发射出去，与法兰5相撞。所述的吸收器6固定安装在平台上，与法兰5同轴心高度一致，内含弹性元件用以吸收能量。实验温度通过温度控制器1设定，加热探头8内含温度传感器与加热电阻丝。实验测试的纤维单丝的直径尺度为微米量级，压电传感器7直接采集纤维单丝上的受力信号。套筒式子弹4由高压气室3充气并发射，释放撞击法兰5，法兰5与入射杆11相连将拉伸波反射，吸收器6在入射杆11末端用于吸收撞击产生的压缩波，避免了从法兰5右端反射的拉伸波对入射杆11的多次加载。套筒式子弹4由高压气室3以一定的速度释放撞击法兰5，法兰5与入射杆11相连将拉伸波反射，吸收器6在入射杆11末端用于吸收撞击产生的压缩波。组合夹头9由左夹头与右夹头组成。左夹头连接压电力传感器7，右夹头与入射杆11相连，中间夹持试样卡10，电阻式应变片2位于入射杆11上。温度控制装置包括温度控制器1和半槽形加热探头8，加热探头8与温度控制器1用导线相连。实验温度通过温度控制器1设定，加热探头8内含温度传感器与加热电阻丝。加热探头8可以使用固定工具夹持在动态拉伸装置的样品夹9外围。实验测试的纤维单丝的直径的尺度为微米量级。具体工作原理如下：在实验开始前需要完成样品的制备，待测试的纤维置于铝箔制作的试样卡10中央，纤维样品的标距ls通过试样卡的卡槽尺寸控制，试样两端使用耐高温环氧树脂进行粘接。实验开始前，我们将样品夹持到杆件的夹具上，剪断试样卡10，保证在动态拉伸的过程中，样品纤维是唯一的受力物体。实验时样品的环境温度由本专利技术设计的槽形温度控制箱1设定，加热探头8可固定在杆件系统上。设定实验温度后，杆件系统与样品共同加热至环境温度稳定后进行测试。基于直接式霍普金森拉杆，本专利技术重新设计了动态拉伸杆件系统。由于测量的纤维直径一般为微米量级，纤维与杆之间的广义波阻抗有较大的差距，且透射波幅值过小，几乎被噪声覆盖。为了解决这个问题，本专利技术将透射杆替换成为精度高、响应速度快的压电传感器。高压气室3释放气压加速套筒式子弹4，子弹以速度v撞击法兰5后，拉伸波经法兰反射后沿着入射杆11向左传播至试样右端并对样品进行拉伸加载，入射杆11上的电阻式应变片2测得的电信号为U1，电信号与应变信号的转化系数为k1，测得的应变信号为同时，压电传感器直接测量了纤维的受力电信号为U2，电信号与力信号的转化系数为k2，测得纤维单丝上的力为纤维上的应力为(其中，As为样品的横截面积)。由于透射波信号极弱，在三波法的基础上，可以认为εt＝0，εr＝εi，εi、εt、εr分别为入射波信号、透射波信号与反射波信号。因此，根据一维应力波理论，入射杆上应力波波速为(E、ρ为入射杆的弹性模量与材料密度)，纤维单丝的加载速度为v＝C0ε＝C0(εi-εr-εt)＝2C0εi，纤维的应变率为(其中ls为样品的标距)，在动态加载的过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置，其特征在于，所述高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置包括动态拉伸装置与温度控制装置；/n所述动态拉伸装置包括电阻式应变片(2)、高压气室(3)、套筒式子弹(4)、法兰(5)、吸收器(6)、压电传感器(7)、组合夹头(9)、试样卡(10)和入射杆(11)；/n所述动态拉伸装置沿X主轴方向为拉杆，包括压电传感器(7)、入射杆(11)、高压气室(3)、套筒式子弹(4)、法兰(5)和吸收器(6)；组合夹头(9)包括两部分，分别为左夹头和右夹头；压电传感器(7)一端使用固定支座安装在平台上，另外一端连接组合夹头(9)的左夹头；入射杆(11)为贯穿高压气室(3)的贯穿杆，入射杆(11)的一端与组合夹头(9)的右夹头连接，另外一端与法兰(5)连接；在高压气室(3)与组合夹头(9)的右夹头之间的入射杆(11)上安装有电阻式应变片(2)；压电传感器(7)与法兰(5)、吸收器(6)以及入射杆(11)定位在同轴心高度；在高压气室(3)和法兰(5)之间的入射杆(11)上并且紧挨着高压气室设置有套筒式子弹(4)；法兰(5)安装在吸收器(6)上；吸收器(6)固定安装在平台上；/n温度控制装置包括温度控制器(1)和半槽形加热探头(8)，半槽形加热探头(8)与温度控制器(1)相连，半槽形加热探头(8)在动态拉伸装置的组合夹头(9)外围。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置，其特征在于，所述高温下纤维单丝动态拉伸力学性能测试装置包括动态拉伸装置与温度控制装置；
所述动态拉伸装置包括电阻式应变片(2)、高压气室(3)、套筒式子弹(4)、法兰(5)、吸收器(6)、压电传感器(7)、组合夹头(9)、试样卡(10)和入射杆(11)；
所述动态拉伸装置沿X主轴方向为拉杆，包括压电传感器(7)、入射杆(11)、高压气室(3)、套筒式子弹(4)、法兰(5)和吸收器(6)；组合夹头(9)包括两部分，分别为左夹头和右夹头；压电传感器(7)一端使用固定支座安装在平台上，另外一端连接组合夹头(9)的左夹头；入射杆(11)为贯穿高压气室(3)的贯穿杆，入射杆(11)的一端与组合夹头(9)的右夹头连接，另外一端与法兰(5)连接；在高压气室(3)与组合夹头(9)的右夹头之间的入射杆(11)上安装有电阻式应变片(2)；压电传感器(7)与法兰(5)、吸收器(6)以及入射杆(11)定位在同轴心高度；在高压气室(3)和法兰(5)之间的入射杆(11)上并且紧挨着高压气室设置有套筒式子弹(4)；法兰(5)安装在吸收器(6)上；吸收器(6)固定安装在平台上；
温度控制装置包括温度控制器(1)和半槽形加热探头(8)，半槽形加热探头(8)与温度控制器(1)相连，半槽形加热探头(8)在动态拉伸装置的组合夹头(9)外围。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，入射杆(11)采用直径为2mm～6mm、长度为1000mm～1500mm的杆。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，压电传感器(7)量程为-22N～+22N，测量精度为0.1mN，输出的电压、力转...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德雅，王鹏飞，单俊芳，徐松林，骆天治，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34