专利名称：可同时测量陶瓷材料弹性模量与气密性的测量装置及方法
技术领域：
本发明属于核反应堆材料测量技术领域，涉及一种可同时测量陶瓷材料弹性模量与气密性的测量装置及方法。
背景技术：
高温气冷堆是我国最有发展前景的反应堆堆型之一，其高温工艺热应用于制氢时，需要一个中间热交换器将反应堆的热量引入工艺系统。当堆芯出口温度在1000°c左右时，热交换器虽可选择现有的耐高温合金材料，但考虑到堆芯出口超过1000°c，或者瞬时工况、事故工况时，则必须开发新型的耐高温碳化硅陶瓷材料。
由于这种换热器在运行中处于高温高压差环境下，所以需要考虑在高温高压工况下，换热器所用的材料是否能满足机械性能要求；另外，由于需要避免产品氢气受到氦气的污染(反应堆冷却剂氦气从热交换器的热侧渗透到冷侧)，则需要研究热交换器材料在高压差下的气密性。碳化硅陶瓷材料是制作高温换热器的有前景的备选材料，由于碳化硅陶瓷材料的固有脆性，承受较大形变时容易碎裂，所以需对材料进行杨氏模量的测定；而且碳化硅陶瓷材料的致密性差，应用于高温换热器时需覆涂层以减少氦气渗透，所以需要对覆涂层的材料进行气密性实验。对杨氏模量的测量，最传统的方法是静态法，该方法要求被测样品需要具备一定的韧性，但是碳化硅陶瓷材料的脆性使其不能够承受稍微大一点的形变，故静态法无法测出其弹性模量的值。目前能测这种脆性材料的弹性模量的方法主要有经过改进的静态法、声频法、压环法等，但这些方法测量过程过于复杂，或者代价过于高昂，而且这些方法在不能对材料的氦气渗透常数进行测量。传统的杨氏模量测量仪无法测定脆性材料的杨氏模量，且需额外实验测定高压氦气对其的渗透常数，而设计出一套既能够准确测定碳化硅陶瓷材料的杨氏模量，又能够准确测定高压下氦气对材料的渗透常数的实验装置，在工程领域，特别是核能制氢工艺中，有很高的应用价值。
发明内容
本发明针对脆性陶瓷材料的特点，提供一种可同时测量陶瓷材料弹性模量与气密性的测量装置及方法。本发明所采用的技术方案是该测量装置包括氦气瓶、高压软管、卡具及测量电路，卡具由上卡具和下卡具通过螺栓连接组成；下卡具的中心部位设置圆形通孔，其上表面设置与圆形通孔同心的圆形槽，并在圆形槽内设置与圆形通孔同心的环形槽；上卡具有两种结构形式
第一种上卡具的中心部位设置圆形通孔，其下表面设置与圆形通孔同心的圆形槽，并在圆形槽内设置与圆形通孔同心的环形槽；该圆形通孔的内径、圆形槽的内径及环形槽的内外径均分别与下卡具的圆形通孔内径、圆形槽的内径及环形槽的内外径相同；第二种上卡具的中心部位设置圆形通孔，其下表面设置与圆形通孔同心的圆形槽，并在圆形槽 内设置与圆形通孔同心的环形槽；该圆形槽的内径及环形槽的内外径均分别与下卡具的圆形槽的内径及环形槽的内外径相同，该圆形通孔的内径大于下卡具圆形通孔的内径，且小于环形槽的内径；氦气瓶通过高压软管与下卡具的圆形通孔连接；上卡具和下卡具的环形槽内分别放置0型环，试样放置于上卡具和下卡具间的圆形槽内；所述测量电路为惠斯通电桥电路，与第二种上卡具配合使用，具体结构为电阻R1' R2、R3、Rg依次连接构成电桥，R1与R2之间、R2与R3之间、R3与Rg之间、Rg与R1之间的连接点分别定义为A点、B点、C点和D点；在电桥的C点和D点间设置电压输出表Vtjut,电桥的A点和B点间设置电压输入表Vin，电桥的A点与电源负极连接，电桥的B点与滑动变阻器艮连接后与电源的正极连接；Rg为电阻应变片，粘贴于试样的上表面。所述高压软管上设置减压阀及气压表。所述第二种上卡具的圆形通孔的上部设置锥面的倒角。本发明还提供了一种基于所述装置的可同时测量陶瓷材料弹性与气密性的测量方法，具体有以下3种测量模式(I)对试样的气密性进行定性分析将下卡具与第二种上卡具组合并放入试样，不设置测量电路，各部件之间均为密封连接；在试样的上方加入水；高压氦气通过减压阀减压后进入下卡具的圆形通孔，通过观察试样上方的水是否冒出气泡或冒出气泡的多少，从宏观上分析一定压力下氦气对试样渗透率的高低，以决定是否要进行氦气渗透常数；(2)对试样氦气渗透常数的测量将下卡具与第一种上卡具组合并放入试样，各部件之间均为密封连接；在上卡具的圆形通孔内密封连接气体收集装置；高压氦气通过减压阀减压后进入下卡具的圆形通孔，从试样渗出后进入到气体收集装置，用排水法测量一定时间内收集到的气体的体积； 计算得到试样的氦气渗透率常数K为
权利要求
1.可同时测量陶瓷材料弹性模量与气密性的测量装置，包括氦气瓶、高压软管、卡具及测量电路，其特征在于，卡具由上卡具和下卡具通过螺栓连接组成； 下卡具的中心部位设置圆形通孔，其上表面设置与圆形通孔同心的圆形槽，并在圆形槽内设置与圆形通孔同心的环形槽； 上卡具有两种结构形式 第一种上卡具的中心部位设置圆形通孔，其下表面设置与圆形通孔同心的圆形槽，并在圆形槽内设置与圆形通孔同心的环形槽；该圆形通孔的内径、圆形槽的内径及环形槽的内外径均分别与下卡具的圆形通孔内径、圆形槽的内径及环形槽的内外径相同； 第二种上卡具的中心部位设置圆形通孔，其下表面设置与圆形通孔同心的圆形槽，并在圆形槽内设置与圆形通孔同心的环形槽；该圆形槽的内径及环形槽的内外径均分别与下卡具的圆形槽的内径及环形槽的内外径相同，该圆形通孔的内径大于下卡具圆形通孔的内径，且小于环形槽的内径； 氦气瓶通过高压软管与下卡具的圆形通孔连接；上卡具和下卡具的环形槽内分别放置O型环，试样放置于上卡具和下卡具间的圆形槽内； 所述测量电路为惠斯通电桥电路，与第二种上卡具配合使用，具体结构为电阻Rp R2、R3、Rg依次连接构成电桥，R1与R2之间、R2与R3之间、R3与Rg之间、Rg与R1之间的连接点分别定义为A点、B点、C点和D点；在电桥的C点和D点间设置电压输出表Vtjut,电桥的A点和B点间设置电压输入表Vin，电桥的A点与电源负极连接，电桥的B点与滑动变阻器艮连接后与电源的正极连接；Rg为电阻应变片，粘贴于试样的上表面。
2.根据权利要求I所述的可同时测量陶瓷材料弹性与气密性的测量装置，其特征在于，所述高压软管上设置减压阀及气压表。
3.根据权利要求I所述的可同时测量陶瓷材料弹性与气密性的测量装置，其特征在于，所述第二种上卡具的圆形通孔的上部设置锥面的倒角。
4.一种基于权利要求I所述装置的可同时测量陶瓷材料弹性与气密性的测量方法，其特征在于， (1)对试样的气密性进行定性分析 将下卡具与第二种上卡具组合并放入试样，不设置测量电路，各部件之间均为密封连接；在试样的上方加入水；高压氦气通过减压阀减压后进入下卡具的圆形通孔，通过观察试样上方的水是否冒出气泡或冒出气泡的多少，从宏观上分析一定压力下氦气对试样渗透率的高低，以决定是否要进行氦气渗透常数； (2)对试样氦气渗透常数的测量 将下卡具与第一种上卡具组合并放入试样，各部件之间均为密封连接；在上卡具的圆形通孔内密封连接气体收集装置；高压氦气通过减压阀减压后进入下卡具的圆形通孔，从试样渗出后进入到气体收集装置，用排水法测量一定时间内收集到的气体的体积； 计算得到试样的氦气渗透率常数K为:K上—，其中，V为收集到氦气的体积， ΔΡ · At为收集氦气所用的时间，h为试样的厚度，Λ P为压力差，A为氦气渗透面积； (3)对试样弹性模量的测量将下卡具与第二种上卡具组合并放入试样，在试样的中部设置电阻应变片并连接测量电路； 首先调节滑动变阻器Ry使Vin为一定值，记录在初始状态下输出的电压值Vtjutl ； 高压氦气通过减压阀减压后进入下卡具的圆形通孔，试样受到来自下方的压力，发生垂直于表面的微小形变，使电阻应变片的电阻发生变化；记录氦气压力AP，及该状态下输 出的电压值
全文摘要
本发明属于陶瓷材料测量技术领域，涉及一种可同时测量陶瓷材料弹性模量与气密性的测量装置及方法。该装置包括氦气瓶、高压软管、卡具及测量电路，卡具由上卡具和下卡具组成；上卡具有两种结构形式，测量电路为惠斯通电桥电路。通过下卡具与不同上卡具的组合，使试样在氦气的压力下发生渗透或变形，从而实现对试样氦气渗透率及弹性模量的测量。该装置成本低廉，结构简单，且适用于脆性陶瓷材料(如碳化硅)的弹性模量测量。
文档编号G01N15/08GK102954918SQ201210434008
公开日2013年3月6日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者牛风雷, 赵云淦, 卓卫乾, 齐厚博 申请人:华北电力大学