一种用于直径为纳微米尺度丝材的热冲击试验装置及方法与流程

本发明涉及丝线材料的高低温热冲击试验方法，特别是一种直径为纳微米尺度丝材的热冲击试验装置及方法，属于材料检测技术领域。

背景技术：

在各类军用、民用卫星以及其他航天、航空飞行器中，纳微米尺度丝材作为结构和功能产品的组成部分应用越来越广泛，如可展开式天线反射器金属网状编织结构用镀金丝材、电磁波屏蔽体编织结构用金属丝材、太阳帆板电接触摩擦副用合金丝材等，都以纳微米细丝作为关键材料。航天器舱外材料在轨服役过程中普遍受到空间高低温交替变化环境的影响，特别是对于近地轨道卫星，温度变化迅速，变温速率高达40～50℃/min。热冲击试验通过对材料进行高低温环境间的瞬间转换，得以在最短的时间内检测试样因热胀冷缩所引起的性能变化，评价材料在高低温变化环境中的可靠性。

目前，在热冲击试验箱的加热、冷却设备中，材料的热传导一般基于风机的空气对流效应，利用空气热交换对材料进行升、降温。若将纳微米尺度丝材放置在常规样品台上，在气流吹动下不容易固定，且极易产生碰撞或移位，细丝之间也容易相互摩擦受到损伤，影响高低温冲击试验对材料作用效果的判断。此外，一般高低温冲击试验箱低温端能够到达的最低温度为-180℃，而对于液氮温度下的热冲击试验扩展性较差。一般情况下，液氮温度到高温范围的热冲击试验常采用液氮罐与加热装置相配合的方式进行，利用人工进行转移，温度达到平衡的时间较长，对人员容易造成伤害且效率较低。

综上，目前市场上存在的热冲击试验设备对纳微米尺度丝材进行测试时，存在样品固定不牢、丝材在气流吹动下易碰撞磨损、热冲击试验效果不好以及低温装置拓展性不强的问题。

技术实现要素：

本发明专利解决的技术问题是：采用一种新型的热冲击试验装置，解决了纳微米尺度丝材在大温变条件下需要快速进行温度转移、较快地实现温度平衡以及保护细丝在热冲击过程中不受损伤的问题。

本发明专利的技术解决方案为：一种用于直径为纳微米尺度丝材的热冲击试验装置，包括加热装置、制冷装置、测温装置、温控装置、转移机构和丝材固定工装；

所述丝材固定工装用于固定待试验丝材；

所述丝材固定工装安装在转移机构上，由转移机构牵引，进出加热装置或制冷装置；

所述测温装置设于加热装置内，并与温控装置连接，用于实时检测加热装置内的温度；温控装置接收温度信号，并结合预设温度值对加热装置的温度进行控制。

进一步地，所述丝材固定工装包括支撑杆、保护丝套和丝材支架，所述支撑杆安装在转移机构上，所述丝材支架安装在支撑杆上，所述保护丝套螺旋缠绕在支撑杆上，且不与待试验丝材接触，待试验丝材以纺锤状丝束形态固定在丝材支架上。

进一步地，所述支撑杆两端设有固定套环，所述保护丝套和丝材支架固定于固定套环上。

进一步地，所述加热装置上部与下部分别设有供转移机构和丝材固定工装通过的通孔，上部通孔插入用玄武岩纤维布包裹的空心陶瓷套管，陶瓷套管上设有气凝胶隔热棉保温，下部通孔插入由玄武岩纤维布包裹的空心石英玻璃管(16)，加热装置固定于单边支撑的金属支架上。

进一步地，所述转移机构包括定滑轮和绳索；所述绳索一端连接丝材固定工装，另一端为控制丝材固定工装移动的控制端；所述定滑轮固定安装于试验场所，所述绳索与定滑轮配合，由控制端控制移动丝材固定工装。

一种用于直径为纳微米尺度丝材的热冲击试验方法，包括如下步骤：

试验前，将待试验丝材以纺锤状形态丝束固定安装在丝材支架上，将丝材支架固定安装在支撑杆上，将保护丝套螺旋缠绕在支撑杆上，且不与待试验丝材接触，组成丝材固定工装；

将丝材固定工装与转移机构连接；

将加热装置和制冷装置的温度调整到试验温度，并进行保温；

根据试验需求控制转移机构，使丝材固定工装在加热装置和制冷装置之间来回移动，实现对待试验丝材的热冲击。

进一步地，所述将待试验丝材以纺锤状形态丝束固定安装在丝材支架上的方法为：

将待试验丝材以拉直的形式粘贴于纸上，将纸弯折，使待试验丝材松弛，两端用耐温胶带缠绕成丝束；

将松弛的待试验丝束材用耐温胶带或金属丝固定在丝材支架上。

进一步地，对加热装置进行保温的方法为：在加热装置的上部通孔插入用玄武岩纤维布包裹的空心陶瓷套管，下部通孔插入用玄武岩纤维布包裹的空心石英玻璃管，上部通孔上方用横截面积为10cm×10cm的气凝胶隔热棉块加强隔热作用，气凝胶隔热棉块中部打孔使转移机构和丝材固定工装通过。

进一步地，将制冷装置的温度调整到试验温度的方法为：试验温度为室温23℃～-180℃时，在所述制冷装置内部通氮气进行降温；试验温度为-196℃时，将所述制冷装置更换为液氮箱。

进一步地，所述将丝材固定工装与转移机构连接，转移机构具体为：包括定滑轮和绳索；所述绳索一端连接丝材固定工装，另一端为控制丝材固定工装移动的控制端；所述定滑轮固定安装于试验场所，所述绳索与定滑轮配合，由控制端控制移动丝材固定工装。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用适用于纳微米尺度丝材的固定工装，通过丝材支架将丝材固定在两端的固定套环上，外部用螺旋状的保护丝套进行保护，有效减少了丝材在热冲击试验过程中产生碰撞、移位、摩擦、损伤的情况，有利于排除外界干扰因素，评价高低温冲击试验对丝材的作用效果。

(2)本发明采用适用于纳微米尺度丝材的长条形固定工装，固定后的丝束具有一定的松弛度，避免了丝材之间的摩擦损伤，与常规样品固定方式相比，丝材无需卷绕或折叠，对丝材的保护作用较好，且可以解决脆性基体以及表面涂覆镀层的纳微米尺度丝材热冲击试验固定问题。

(3)本发明中直径为纳微米尺度的丝材在加热装置与制冷装置中能够快速达到目标温度，加热装置使用均布于炉体中的电阻丝加热，对于展开的丝材无需风机辅助也能较快地达到温度平衡，减少了对丝材的吹动磨损。特定的保温设计包括玄武岩纤维布、气凝胶隔热棉块具有良好的隔热效果。

(4)本发明装置的高低温热冲击温度范围覆盖较广，试验成本低，可以较简便地实现纳微米尺度丝材从-196℃(液氮温度)到300℃以下高温以及-180℃～300℃温度范围内的热冲击试验，较快地进行温度间自动转移，热冲击效果好，整套装置的灵活性和可拓展性较强。

(5)本发明可满足直径为纳微米尺度丝状的金属、非金属、复合材料及其带镀层材料的热冲击试验使用要求。

附图说明

图1为一种直径为纳微米尺度丝材的热冲击试验装置示意图；

图2为热冲击试验加热装置及其保温设计结构的立体图；

图3为热冲击试验装置的丝材固定工装结构图。

图中：1、加热装置，2、制冷装置，3、测温装置，4、温控装置，5、转移机构，6、丝材固定工装，7、金属支架，8、玄武岩纤维布，9、陶瓷套管，10、气凝胶隔热棉块，11、电阻加热丝，12、支撑杆，13、固定套环，14、保护丝套，15、丝材支架，16、石英玻璃管。

具体实施方式

本发明专利中的热冲击试验装置包括一整套样品固定、加热、制冷、温控以及转移装置，适合于直径为纳微米尺度极细丝材的热冲击试验。本发明专利涉及的热冲击试验装置的测试温度范围较宽，覆盖液氮温度(-196℃)、-180℃～300℃的航天器服役温度范围。对纳微米尺度丝材样品采用螺旋状金属钢丝套保护的固定工装进行承载，丝材之间以松弛状态保持一定的距离，避免了材料的碰撞、摩擦与损伤，可以采用本方法进行热冲击试验的材料包括但不仅限于纳微米尺度丝状的金属、非金属、复合材料及其带镀层材料。

本发明装置由丝材固定工装、加热装置、制冷装置、温控装置、转移机构五部分构成，如图1、2和3。

适用于纳微米尺度丝材的固定工装，将平行的丝材松弛一定距离并以纺锤状丝束固定在丝材支架上，丝材用耐温胶带或金属丝与丝材支架连接，丝材支架与支撑杆两端的固定套环连接，支撑杆外部为螺旋状的保护丝套，有效避免了丝材在热冲击试验过程中发生碰撞、摩擦、损伤的情况。由于丝材固定工装选用长条型固定工装，与常规样品固定方式相比，丝材无需卷绕或折叠，也避免了丝材之间的摩擦损伤，对纳微米尺度丝材尤其是力学性能偏低的基体以及表面涂覆镀层的丝材具有较好的保护作用。

加热装置采用电阻加热箱，电阻丝均布于炉体壁上，无需风机辅助也能较快地达到温度平衡，并且减少了对丝材的气流吹动磨损，同时热电偶用于测温装置中的温度采集。加热装置固定于单边支撑的金属支架上。加热箱上部与下部分别设置一个通孔，上部通孔插入用6～8层玄武岩纤维布包裹的空心陶瓷套管保温，同时以气凝胶隔热棉块作为隔热材料，气凝胶隔热棉块中部打孔以允许转移机构的绳索通过。下部通孔插入由玄武岩纤维布包裹的空心石英玻璃管作为隔热组件且允许转移机构带动丝材固定工装通过，最高适用温度达到300℃。

加热装置控温系统采用测温装置和数据信号反馈控制方法，温度控制精度达到±2℃。测温装置利用热点偶对加热装置炉腔中的温度进行采集，利用温控装置调节炉腔内温度。

在试验系统其他试验装置不改变的情况，可灵活地选取两种冷却方法，室温23℃以下至-180℃采用低温环境箱制冷，内部通氮气降温；-196℃采用液氮浸泡法进行制冷。

转移机构采用定滑轮和绳索牵动丝材固定工装的方式，避免了测试人员对液氮的接触，保证了人员的安全。定滑轮固定安装于试验场所，绳索与定滑轮配合，由控制端控制移动丝材固定工装，实现快速温度转移。

本发明克服现有技术无法满足极细丝材的热冲击试验的技术问题，提供了一种用于直径为纳微米尺度丝材的热冲击试验方法。下面对本发明专利的实施方式进行详细说明。

(1)试验前，将直径为纳微米尺度的丝材进行固定，具体方法为在一个水平的平台上铺设一张洁净的纸张，将待试验丝材以单束或者多束平行的方式拉直粘贴于纸上，之后小心将纸弯折，使待试验丝材具有一定的松弛度，松弛程度根据丝材的柔韧性和表面处理状态进行设置，以减少纳微米尺寸丝材在热冲击过程中相互摩擦产生的力学损伤为目的；将纺锤状的待试验丝材两端用耐温胶带缠绕成丝束后用耐温胶带或金属丝固定于丝材支架15上；

(2)丝材固定工装6由支撑杆12、固定套环13、保护丝套14、丝材支架15共同组成。采用直线度较好且具有一定刚度的金属棒(直径2mm～6mm，长度≥50cm)作为丝材支撑杆12，使固定有待试验丝材的丝材支架15连接于支撑杆12两端的固定套环13上，之后用钢丝制成螺旋状的保护丝套14缠绕在支撑杆12外侧。转移机构5在控制端的控制下，使丝材固定工装6在加热装置1和制冷装置2之间来回移动，实现温度热冲击；

(3)对加热装置进行保温设计，加热箱1上部通孔插入用6～8层玄武岩纤维布8包裹的空心陶瓷套管9，玄武岩纤维布8本身具有较好的隔热作用，用于包裹陶瓷套管9，减少加热箱中的热量向外部扩散。加热箱1上部通孔外侧上方用横截面积为10cm×10cm的气凝胶隔热棉块10进一步增强隔热作用，气凝胶隔热棉块10中部打孔以允许转移机构5的绳索通过。加热装置1下部通孔插入用玄武岩纤维布8包裹的石英玻璃管16，允许丝材固定工装6在控制转移机构5的牵引作用下自由穿过；加热装置1利用电阻加热丝11进行加热，加热组件也可以为加热管、红外辐射半导体加热片等。整个加热装置固定于单边支撑的金属支架7上。

加热装置通过测温装置3中的热点偶对炉腔中的温度进行采集，利用温控装置4调节炉腔内温度。测温装置3设于加热装置1内，并与温控装置4连接，用于测量加热装置1内的温度，将温度信号发送至温控装置4。温控装置4接收温度信号，并根据试验需求控制加热装置1的温度，温控装置4上设置加热温度、升温速率与保温时间按钮，温度控制精度达到±2℃。

(4)热冲击试验的制冷装置2根据热冲击试验的低温保持温度选用两种试验方法进行制冷：室温23℃以下至-180℃采用低温环境箱制冷，箱体与液氮罐连接，打开电磁阀在压力作用下氮气进入低温环境箱，对箱体内部进行降温，低温环境箱上部通孔可缠绕玄武岩纤维布进行保温隔热；-196℃将制冷装置2改为液氮槽，采用液氮浸泡法制冷，丝材固定工装6在各种固定、保护结构设计下，使得纳微米丝材在沸腾的液氮槽中不易产生移动、易位、摩擦、损伤。

(5)转移机构5主要用于控制被试验样品的移动，利用绳索与两个定滑轮配合移动，定滑轮固定安装于试验场所的适合高度位置，绳索一端连接丝材固定工装6，另一端为控制丝材固定工装6移动的自动控制端，由控制端的控制电机控制丝材固定工装6在加热装置1与制冷装置2之间反复移动，模拟材料在高温与低温环境之间的瞬间变化。热冲击试验后可针对纳微米丝材的特定用途对其进行性能变化的试验，进而评价纳微米丝材的高低温空间环境服役可靠性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。需要理解的是，本发明并不限制于上述特定实施方式，本领域的技术人员可以在权利要求的范围内对本技术方案进行修改或者等同替换，这并不影响本发明的实质内容。