一种硅基材料收缩变形量在线测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种硅基材料收缩变形量在线测量装置及方法，其中，该装置包括：承载面板、第一隔热块、第二隔热块、第一金属工装、第二金属工装、辐射加热器、液压压头、第三温度传感器、第四温度传感器、第一位移传感器和第二位移传感器；其中，第一金属工装和第二金属工装并行排列；第一隔热块设置于第一金属工装的上表面，第二隔热块设置于第二金属工装的上表面；承载面板的一端设置于第一隔热块的上表面，承载面板的另一端设置于第二隔热块的上表面；辐射加热器放置于承载面板的下部；硅基材料试件设置于承载面板的上表面；液压压头压在硅基材料试件的上表面。本发明专利技术能够真实地获取硅基材料飞行过程中的收缩变形情况。硅基材料飞行过程中的收缩变形情况。硅基材料飞行过程中的收缩变形情况。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基材料收缩变形量在线测量装置及方法


[0001]本专利技术属于高速飞行器防热材料
，尤其涉及一种硅基材料收缩变形量在线测量装置及方法。

技术介绍

[0002]石英纤维增强树脂基材料(以下简称硅基材料)作为高速飞行器传统防热材料，目前仍有大规模应用。硅基材料在200℃～800℃环境下，其内部有机物(如树脂基体、有机纤维等)会发生热解碳化、体积收缩，当树脂的收缩力超过增强纤维的支撑力时，材料就会表现出宏观收缩，一般收缩率在千分之一到百分之一量级不等，一些低密度、低纤维体积比的硅基材料收缩量甚至可以达到十分之一量级规模的收缩。当飞行器还面临气动压力载荷时，在热解收缩和气压共同作用下，其材料的变形量将非常可观，甚至影响飞行器气动外形的保持。因此掌握硅基材料高温收缩特性对飞行器防热设计非常重要。传统的硅基材料收缩率测量手段一般为，将试件在高温炉里以固定温度充分碳化，取出冷却后再测量收缩率。这种方法的主要问题有：1)材料收缩是一种化学反应，和温度历程及时间都相关，长时间以固定温度碳化可能造成化学过于充分，造成收缩量偏大；2)高温条件下材料虽然在收缩，但也伴随着热膨胀，冷却后再测量收缩量无法考虑加热过程中的热膨胀，因此测量的收缩量也是相比真实飞行过程中偏大的；3)该方法无法施加气动压力载荷。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种硅基材料收缩变形量在线测量装置及方法，能够真实地获取硅基材料飞行过程中的收缩变形情况。
[0004]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种硅基材料收缩变形量在线测量装置，包括：承载面板、第一隔热块、第二隔热块、第一金属工装、第二金属工装、辐射加热器、液压压头、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一位移传感器和第二位移传感器；其中，所述第一金属工装和所述第二金属工装并行排列，其中，所述第一金属工装的长度方向和所述第二金属工装的长度方向平行；所述第一隔热块设置于所述第一金属工装的上表面，所述第二隔热块设置于所述第二金属工装的上表面；所述承载面板的一端设置于所述第一隔热块的上表面，所述承载面板的另一端设置于所述第二隔热块的上表面；所述辐射加热器放置于所述承载面板的下部，并且所述辐射加热器位于所述第一金属工装和所述第二金属工装之间；硅基材料试件设置于所述承载面板的上表面；所述液压压头压在所述硅基材料试件的上表面；所述第一温度传感器设置于所述承载面板的下表面；所述第二温度传感器设置于所述硅基材料试件的下表面；所述第三温度传感器设置于所述硅基材料试件的上表面；所述第四温度传感器设置于所述液压压头的上表面；所述第一位移传感器设置于所述承载面板的上表面；所述第二位移传感器设置于所述液压压头的上表面。
[0005]上述硅基材料收缩变形量在线测量装置中，所述辐射加热器用于对所述承载面板
的下表面加热。
[0006]上述硅基材料收缩变形量在线测量装置中，所述第一温度传感器用于测量所述承载面板的下表面的温度；所述第二温度传感器用于测量所述硅基材料试件的下表面的温度；所述第三温度传感器用于测量所述硅基材料试件的上表面的温度；所述第四温度传感器用于测量所述液压压头的上表面的温度；所述第一位移传感器用于测量所述承载面板的上表面的位移；所述第二位移传感器用于测量所述液压压头的上表面的位移。
[0007]上述硅基材料收缩变形量在线测量装置中，所述硅基材料试件的收缩变形量通过如下公式得到：
[0008]U
试验件_热变形
+U
试验件_压缩变形
＝W
B
‑
W
A
‑
(U
压头_热变形
+U
压头_压缩变形
)；
[0009]其中，U
试验件_热变形
为所述硅基材料试件的热变形量，U
试验件_压缩变形
为所述硅基材料试件的压缩变形量，W
B
为所述液压压头的上表面的位移，W
A
为所述承载面板的上表面的位移；U
压头_热变形
为所述液压压头的热变形量，U
压头_压缩变形
为所述液压压头的压缩变形量。
[0010]上述硅基材料收缩变形量在线测量装置中，所述液压压头的热变形量U
压头_热变形
通过如下公式得到：
[0011][0012]其中，T
C
为所述硅基材料试件的上表面的温度，T
D
为所述液压压头的上表面的温度，T0为开始加热前的初始温度，α为所述液压压头材料的线膨胀系数，d为所述液压压头的厚度。
[0013]上述硅基材料收缩变形量在线测量装置中，所述液压压头的压缩变形量U
压头_压缩变形
通过如下公式得到：
[0014][0015]其中，F为液压压头施加的载荷，E为液压压头材料的杨氏模量，S为液压压头与硅基材料试件的接触面积。
[0016]一种根据硅基材料收缩变形量在线测量装置进行硅基材料收缩变形量在线测量方法，包括：第一位移传感器测量得到承载面板的上表面的位移W
A
；第二位移传感器测量得到液压压头的上表面的位移W
B
；第三温度传感器测量得到硅基材料试件的上表面的温度T
C
；第四温度传感器测量得到液压压头的上表面的温度T
D
；根据硅基材料试件的上表面的温度T
C
、液压压头的上表面的温度T
D
、开始加热前的初始温度T0、液压压头材料的线膨胀系数和液压压头的厚度得到液压压头的热变形量U
压头_热变形
；根据液压压头施加的载荷、液压压头材料的杨氏模量和液压压头与硅基材料试件的接触面积得到液压压头的压缩变形量U
压头_压缩变形
；根据承载面板的上表面的位移W
A
、液压压头的上表面的位移W
B
、液压压头的热变形量U
压头_热变形
和液压压头的压缩变形量U
压头_压缩变形
得到硅基材料试件的收缩变形量。
[0017]上述硅基材料收缩变形量在线测量方法中，液压压头的热变形量U
压头_热变形
为：
[0018][0019]其中，T
C
为所述硅基材料试件的上表面的温度，T
D
为所述液压压头的上表面的温
度，T0为开始加热前的初始温度，α为所述液压压头材料的线膨胀系数，d为所述液压压头的厚度。
[0020]上述硅基材料收缩变形量在线测量方法中，液压压头的压缩变形量U
压头_压缩变形
为：
[0021][0022]其中，F为液压压头施加的载荷，E为液压压头材料的杨氏模量，S为液压压头与硅基材料试件的接触面积。
[0023]上述硅基材料收缩变形量在线测量方法中，硅基材料试件的收缩变形量通过如下公式得到：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基材料收缩变形量在线测量装置，其特征在于包括：承载面板(201)、第一隔热块(2021)、第二隔热块(2022)、第一金属工装(2031)、第二金属工装(2032)、辐射加热器(3)、液压压头(4)、第三温度传感器(503)、第四温度传感器(504)、第一位移传感器(601)和第二位移传感器(602)；其中，所述第一金属工装(2031)和所述第二金属工装(2032)并行排列，其中，所述第一金属工装(2031)的长度方向和所述第二金属工装(2032)的长度方向平行；所述第一隔热块(2021)设置于所述第一金属工装(2031)的上表面，所述第二隔热块(2022)设置于所述第二金属工装(2032)的上表面；所述承载面板(201)的一端设置于所述第一隔热块(2021)的上表面，所述承载面板(201)的另一端设置于所述第二隔热块(2022)的上表面；所述辐射加热器(3)放置于所述承载面板(201)的下部，并且所述辐射加热器(3)位于所述第一金属工装(2031)和所述第二金属工装(2032)之间；硅基材料试件(1)设置于所述承载面板(201)的上表面；所述液压压头(4)压在所述硅基材料试件(1)的上表面；所述第三温度传感器(503)设置于所述硅基材料试件(1)的上表面；所述第四温度传感器(504)设置于所述液压压头(4)的上表面；所述第一位移传感器(601)设置于所述承载面板(201)的上表面；所述第二位移传感器(602)设置于所述液压压头(4)的上表面。2.根据权利要求1所述的硅基材料收缩变形量在线测量装置，其特征在于：所述辐射加热器(3)用于对所述承载面板(201)的下表面加热。3.根据权利要求1所述的硅基材料收缩变形量在线测量装置，其特征在于：所述第三温度传感器(503)用于测量所述硅基材料试件(1)的上表面的温度；所述第四温度传感器(504)用于测量所述液压压头(4)的上表面的温度；所述第一位移传感器(601)用于测量所述承载面板(201)的上表面的位移；所述第二位移传感器(602)用于测量所述液压压头(4)的上表面的位移。4.根据权利要求1所述的硅基材料收缩变形量在线测量装置，其特征在于：所述硅基材料试件(1)的收缩变形量通过如下公式得到：U
试验件_热变形
+U
试验件_压缩变形
＝W
B
‑
W
A
‑
(U
压头_热变形
+U
压头_压缩变形
)；其中，U
试验件_热变形
为所述硅基材料试件(1)的热变形量，U
试验件_压缩变形
为所述硅基材料试件(1)的压缩变形量，W
B
为所述液压压头(4)的上表面的位移，W
A
为所述承载面板(201)的上表面的位移；U
压头_热变形
为所述液压压头(4)的热变形量，U
压头_压缩变形
为所述液压压头(4)的压缩变形量。5.根据权利要求4所述的硅基材料收缩变形量在线测量装置，其特征在于：所述液压压头(4)的热变形量U
压头_热变形
通过如下公式得到：其中，T
C
为所述硅基材料试件(1)的上表面的温度，T
D
为所述液压压头(4)的上表面的温度，T0为开始加热前的初始温度，α为所述液压压头(4)材料的线膨胀系数，d为所述液压压
头(4)的厚度。6.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：高扬，迟蓬涛，解向前，檀妹静，杨光，刘波，王丽燕，张亮，周禹，陈伟华，于明星，杨凌霄，
申请(专利权)人：北京临近空间飞行器系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：