一种复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置制造方法
【专利摘要】一种复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，载荷传感器经连接头装于材料试验机的固定横梁上，材料试验机上有移动横梁，包括测试本体，测试本体内腔包括样品腔、测试腔、体积补偿腔、参考腔，样品腔与测试腔相连通，测试腔与体积补偿腔相连通；样品一端经连接杆与载荷传感器相连，样品另一端与移动拉杆一端相连，移动拉杆中部穿过测试腔，移动拉杆另一端与移动横梁相连，体积补偿腔上有体积补偿杆，体积补偿杆与移动横梁相连；体积校准系统与体积补偿腔相连；差压检测系统与参考腔、测试腔相连；增压系统一端与参考腔相连，另一端与测试腔或体积补偿腔相连。本实用新型可监测样品单向拉伸体积变形量，完善了复合材料样品力学性能的评价方法。
【专利说明】一种复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置。
【背景技术】
[0002] 20世纪前半叶，弹性体研究领域的研究人员发现颗粒填充弹性体在定应变速率条 件下单向拉伸应力应变曲线中应力与应变并不总是保持线性关系，随着应变的增加，应力 开始滞后应变。在复合材料本体内表现填料与粘合剂基体之间"脱粘"产生空洞和粘合剂 基体个别化学键在应力作用下发生断裂形成微隙，这种现象称为"脱湿"。"脱湿"发生的同 时材料本体会发生体积膨胀。在复合材料应用领域，要求材料在应力作用下，"应力滞后应 变"或"脱湿"现象出现得越晚越好，材料的"脱湿"现象出现得越晚，表示材料可在较为宽 松的应力条件下使用，表明该材料具有更好的应用前景。
[0003] 固体推进剂的力学性能在固体推进剂火箭发动机设计中占有相当重要的地位，固 体推进剂性能的优劣与固体发动机工作的稳定性息息相关。固体发动机设计人员除了要求 推进剂有较高的模量、抗拉强度、伸长率外，还要求推进剂具有较高的"脱湿"应力与应变。 对于长期贮存后的固体发动机，必须模拟相应的老化条件，对其贮存后的推进剂的力学性 能，包括"脱湿"应力与应变进行测试与评估，以保证贮存后的固体发动机工作稳定具备可 靠的包括"脱湿"应力与应变在内的各种力学性能。因此对推进剂的"脱湿"应力与应变的 测试具有十分重要的意义。
[0004] "脱湿"发生的同时材料本体会发生体积膨胀，因此测试材料本体的体积膨胀就可 准确判断"脱湿"开始产生的应力、应变，体积膨胀的大小与"脱湿"程度相关，体积膨胀越 大，"脱湿"越严重，表明材料在相应条件下的性能越差。测试材料在单向拉伸过程中的体积 膨胀成为衡量、评价材料在相应条件"脱湿"的一种重要手段。
[0005] 复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试是开展复合材料单向拉伸过程"脱湿" 研究、评估材料性能优劣的基础。目前国内尚没有固体推进剂等复合材料单向拉伸体积膨 胀测试的装置和标准，无法精确测试复合材料在单向拉伸时的"脱湿"应力、应变。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装 置，可实现固体推进剂等复合材料样品在温度范围为-70--80°C、压力范围为OMPa? 8. OMPa、拉伸速度范围为〇. 〇5mm/min?1000mm/min条件下单向拉伸体积膨胀测试，可以全 程监测样品不同压力、不同恒定应变速率下的样品单向拉伸体积变形量，完善了复合材料 样品力学性能的评价方法。
[0007] 本实用新型的技术方案是：载荷传感器经连接头装于电子万能材料试验机的固定 横梁上，万能材料试验机上设有移动横梁，其特征在于：包括一带内腔的测试本体，测试本 体内腔包括样品腔、测试腔、体积补偿腔、参考腔，所述样品腔与测试腔相连通，样品腔上开 有一进样窗，进样窗处经密封圈装有操作门，测试腔与体积补偿腔相连通；样品装于样品 腔，样品一端经连接杆与载荷传感器相连，样品另一端与移动拉杆一端相连，移动拉杆中部 穿过测试腔，移动拉杆另一端与移动横梁相连，体积补偿腔上设有体积补偿杆，体积补偿杆 与移动横梁相连；还包括体积校准系统、差压检测系统、增压系统；所述体积校准系统与体 积补偿腔相连；
[0008] 所述差压检测系统一端与参考腔相连，另一端与测试腔相连；所述增压系统一端 与参考腔相连，另一端与测试腔或体积补偿腔相连。
[0009] 所述体积补偿腔经连通器与测试腔相连通。
[0010] 所述样品腔的下方并排设置体积补偿腔、测试腔、参考腔；样品腔、体积补偿腔、测 试腔、参考腔内填充氮气。
[0011] 所述测试本体上装有用于密封内腔的端盖。
[0012] 所述端盖包括装于样品腔处的测试本体上的上端盖，装于体积补偿腔、测试腔、参 考腔处的测试本体上的下端盖。所述上端盖、下端盖经螺栓密封装于测试本体上。
[0013] 所述测试本体装于保温箱内。
[0014] 所述体积补偿杆包括补偿杆一、与补偿杆一相连的补偿杆二；补偿杆一的横截面 积为S1，补偿杆二的横截面积为S2,移动拉杆的横截面积为S，S= S1-S2。
[0015] 所述万能材料试验机上设有数据采集系统，数据采集系统分别与体积校准系统、 差压检测系统、增压系统相连。
[0016] 所述样品腔、参考腔上分别装有温度传感器，各温度传感器与数据采集系统相连。
[0017] 所述数据采集系统包括由温度传感器实时采集样品腔内样品所处区域和参考腔 内的气体温度的温度采集模块、由增压系统采集测试腔和参考腔实时压力数据的压力采集 模块、校准体积采集模块、由差压检测系统采集测试腔和参考腔实时差压数据的差压采集 模块和用于控制各采集模块数据采集的同步性、实时性和采集频率的采集控制器。数据采 集系统采集、存贮的温度、压力、差压、校准体积、样品原始尺寸等数据用作计算样品单向拉 伸体积膨胀的依据。
[0018]本测试装置安装在电子万能材料试验机(简称材料试验机）的温度控制箱内，由材 料试验机实现拉伸过程中的应力应变数据采集。在进行样品测试前，利用体积校准系统对 测试腔气体占有体积的绝对变化量与测试腔、参考腔之间差压的相关性进行校准。样品测 试时，采集不同应变时测试腔、参考腔的差压，从而计算出相应测试条件(压力、温度、应变 速率）下的复合材料(包括固体推进剂）的单向拉伸体积膨胀性。
[0019] 样品腔除了具有样品操作门外，其内孔形状要求与测试腔规格一致。操作门与样 品腔本体依靠密封圈螺栓连接。操作门要求大小合适，以便于夹持、拆卸样品为宜，同时要 能承受不低于 2〇MPa的气体压力。样品腔与测试腔依靠密封圈螺栓连接。样品腔、操作门 本体采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料。要求在样品腔内保证夹持样品的夹具能无阻力自由移 动。其容积宜控制在200?400 cm3范围内。
[0020] 补偿腔内部须具有适当的高度，保证补偿杆和移动拉杆有相同的移动位移。补偿 腔依靠连通器与测试腔连通。补偿腔本体采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料。补偿腔与补偿杆 之间具有压力气体动态密封性。腔体要能承受不低于 2〇MPa的气体压力。其容积宜控制在 100?300 cm 3范围内，内部空间高度应不低于200mm。
[0021] 测试腔本体采用lCrl8Ni9Ti不锈钢材料。测试腔与移动拉杆之间具有压力气体 动态密封性，测试腔与样品腔依靠密封圈螺栓连接。腔体要能承受不低于20MPa的气体压 力。其容积宜控制在100?300 cm 3范围内。
[0022] 参考腔本体采用lCrlSNiOTi不锈钢材料。参考腔是一个具有一定工作压力的密 闭腔体。腔体要能承受不低于2〇MPa的气体压力。
[0023]增压系统须与测试腔(或补偿腔)、参考腔相连，且具有良好的密封性，以保证良好 的气密性。增压系统用来给测试腔(含补偿腔、样品腔)、参考腔提供一定的工作压力，同时 具有压力检测的功能。增压系统主要含高压气源(氮气)、电磁阀、氮气减压器、截止阀、压力 调节阀（泄压阀）等组成。增压系统应能保证检测到的压力数据能被数据采集系统实时采 集。
[0024] 体积校准系统安装在补偿腔上，体积校准时用来对测试腔(含补偿腔）内气体占有 的体积变化量Δν进行精密控制与计量。其体积控制分辨率应不低于〇.〇3 mm3。体积校准 系统的体积测量装置须能承受8· OMPa的气体压力，且能正常工作。体积校准系统应能与数 据采集系统实现数据链接。
[0025] 体积补偿系统安装在补偿腔上，包括两根不同横截面积的补偿杆，补偿杆与补偿 腔之间具有压力气体动态密封性。较细的补偿杆一端在补偿腔内与较粗的补偿杆进行螺纹 锁紧连接，另一端与试验机的移动横梁之间通过左旋螺纹锁紧连接。两补偿杆的横截面积 差，与拉杆的横截面积相同，在相同的行程条件下，才能发挥体积补偿的作用。体积补偿系 统的作用是：夹具上不夹持样品，移动拉杆从测试腔内拉出时，始终保证测试腔(含补偿腔） 内的金属构件占有的体积不变。较细的补偿杆二在补偿腔内的最大移动量应不低于200mm， 是为了保证具有较高伸长率样品在装置中也能测试。移动横梁的移动同时牵引补偿杆和移 动拉杆同步移动。横梁的移动始终会保证较粗的补偿杆一、较细的补偿杆二、移动拉杆三根 杆具有相同的移动位移，因为三根杆的横截面积满足权利要求7的特征，因此始终会保证 测试腔(含补偿腔）内的金属构件占有的体积不变。
[0026]差压检测系统安装在测试腔和参考腔上。体积校准前或样品测试前，测试腔和参 考腔内的气压是相同的。差压检测系统用于体积校准时和样品测试时因测试腔(含补偿腔） 内气体占有体积发生变化(减小)而导致的测试腔和参考腔之间产生的差压。差压检测系统 与数据采集系统可实现数据链接。
[0027]温度传感器分别安装在样品腔和参考腔上，用于测试样品腔内样品区域和参考腔 内的气体温度，给操作人员提供判断两个腔体的气体温度是否一致及是否与温度箱内的温 度一致的依据。温度传感器检测的数据应能与数据采集系统实现数据链接。
[0028]数据采集系统应能保证测试腔(含样品腔、补偿腔）与参考腔内的工作压力数据及 二者的差压检测数据、对测试腔内气体体积绝对变化量进行校准时的校准数据(含体积绝 对变化量、差压等）以及温度传感器检测数据的实时采集与记录，并同时与数据转换模块之 间具有数据链接功能，数据经数据转换模块，最终计算出体积膨胀量。
[0029] 本实用新型具备两种形状、规格的测试样品制样模具，同时制备有相同形状、规格 的模拟样品，能对不同温度、压强、应变速率条件下的复合材料单向拉伸体积膨胀进行测 试，可提供固体推进剂等复合材料的力学性能优劣判断的依据，具有良好的应用前景。
[0030] 本实用新型属于复合材料技术测试领域，可以用本实用新型开展复合材料在单向 拉伸过程中的体积膨胀性测试，可评估材料在单向拉伸过程中的"脱湿，，特性、评价材料的 优劣，也可对各种(加速）老化处理后的材料的性能进行评判。
[0031] 本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：
[0032] (1)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置通过差压检测系统 采用高精度的微差压变送器(精度0.05级)实现不同温度、压力条件下体积校准时和样品测 试时因测试腔(含补偿腔）内气体占有体积发生变化(减小）而导致的测试腔和参考腔之间 产生的差压检测。差压数据由数据采集系统采集，并最终用于样品单向拉伸体积膨胀量(或 百分率）计算。
[0033] (2)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置通过增压系统(含 高压气源、减压阀、增压阀、安全阀、压力调节阀、截止阀、压力变送器等）实现测试腔、参考 腔的压力控制与调节。采用0. 5级、显示分辨率达0. 00IMPa的压力变送器能保证工作压力 测试条件的精确设置。因采用了增压系统，本实用新型不仅能测试常压下固体推进剂等复 合材料单向拉伸体积膨胀量(或百分率)，也能对8. OMPa以内的压力条件下的拉伸体积膨胀 量(或百分率）进行测试。
[0034] (3)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置通过体积校准系统 和模拟样品、增压系统、差压检测系统用来对测试腔(含补偿腔）内气体占有的体积变化量 Δ V进行精密控制与计量，从而实现Δ V与测试腔、参考腔两个腔体的差压之间相关性的精 确计量。其体积控制分辨率应不低于0.03 mm3。体积校准系统的体积测量装置须能承受最 高8. OMPa的气体压力。
[0035] (4)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置通过体积补偿系统 实现测试腔(含补偿腔)内的非样品固体物占有的体积不变。具体通过安装在补偿腔上的两 根不同横截面积的补偿杆和移动拉杆加以实现。只有两根补偿杆的横截面积之差与移动拉 杆的横截面积相等，才能起到体积补偿作用。本实用新型的体积补偿系统避免了因补偿杆 与移动拉杆连接刚性不足而导致的体积补偿存在偏差的现象，确保了体积补偿的准确性。 同时本实用新型的体积补偿系统的补偿杆设计确保了样品足够的拉伸应变，绝对伸长量达 200mm〇
[0036] (5)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置通过采用形状规则 的长方体或圆柱体样品，能保证装置测得的体积膨胀量完全是由受到应力应变作用的样品 产生的，从而避免非规则样品产生的体积膨胀与应变的不一致性，提高了体积膨胀测试结 果的代表性和真实性。
[0037] (6)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置采用了外置式的载 荷传感器，避免了温度对传感器载荷测试产生影响(传感器载荷输出都会有"温度漂移")， 确保了体积膨胀测试过程中单向拉伸应力测试的准确性。
[0038] (7)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置增压系统采用了附 加的安全装置，即安全阀和压力调节阀。本实用新型中的安全阀的安全工作压力可人为设 定，最大安全工作压力为8. OMPa，能确保体积膨胀计在工作过程中的人员安全。
[0039] (8)本实用新型复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置可用于研究、评价、 判断固体推进剂等复合材料在单向拉伸应力作用下的"脱湿"性能，依据该性能可以对固体 推进剂等复合材料或经(加速）老化处理后的固体推进剂等复合材料的力学性能优劣进行 定量判断，从而为固体推进剂等复合材料配方研制提供指导。在固体推进剂等复合材料领 域具有先进性，应用前景广阔，经济效益良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图1为本实用新型的结构示意图。
[0041] 图2为样品的结构示意图。
[0042]图3为图1中样品腔、样品所在区域横截面示意图。
[0043] 图4为本实用新型数据采集部分示意图。
[0044] 图5为模拟样品体积校准时体积?压差曲线图。
[0045] 图6为测试样品测试时的压差?应变曲线图。
[0046] 图7为测试样品测试时样品体积膨胀率?应变曲线图。
[0047] 图8为测试样品测试时样品体积膨胀率?应变、应力?应变曲线图。
【具体实施方式】
[0048] 图1中，测试本体包括样品腔（8)、体积补偿腔（12)、测试腔（13)、参考腔（14)、增 压系统（18)、体积校准系统（15)、差压检测系统（17)、数据采集系统（20)。测试本体置于材 料试验机配备的内部尺寸合适的温度箱（4)内，载荷传感器（2)通过连接头（1)与材料试验 机的固定横梁或底座连接，同时载荷传感器（2)通过连接杆（3)与样品腔（8)的上端盖（6) 连接。上端盖（6)通过螺栓（5)与样品腔（8)的上端口密封连接。其中样品腔（8)内装夹有 样品（9)，样品（9)两端经粘接头装于样品腔（8)内的夹具上，腔壁装配有温度传感器（10)， 用于测试样品腔（8)内样品区域的温度。测试腔（13)包括移动拉杆（21)、增压系统（18)、 差压检测系统（17)。移动拉杆（21)与下端盖（23)之间采取动态密封连接，移动拉杆（21) 与材料试验机的移动横梁（22)连接。测试腔（13)与补偿腔（12)通过连通器（16)连通。 [0049] 体积补偿腔（12 )包括体积补偿杆一（11 )、体积补偿杆二（19 )和连通器（16 )，其外 壁表面装配有体积校准系统（15)。体积补偿杆一（11)和体积补偿杆二（19)通过一体式连 接，连通器是保证补偿腔（12)与测试腔（13)之间不存在气压差。体积校准系统具有千分尺 的功能，在测量出活塞直径后，旋出不同活塞的长度，就可计算旋出活塞的体积，相当于活 塞挤压了体积补偿腔内的气体，测试腔内的气体占有体积得到相同体积的减小，气体压强 会增加，此时与参考腔之间会产生一个差压，该差压由差压检测系统（17 )进行检测，可见对 应于体积校准系统活塞一个旋出长度，会有一个相应的气体挤压体积，同时也会有一个相 应的差压。体积校准系统最大校准体积范围为1 cm 3?8 cm 3,体积校准分辨率0. 03 mm 3。 体积校准系统（15)与差压检测系统（17)共同实现测试腔（13)内气体空间体积变化量与两 个腔体(测试腔（13)与参考腔（14))之间差压数据相关性校准。体积校准系统（15)的数据 由数据采集系统（20)实现数据的采集、存贮与处理。校准数据作为样品测试时计算样品体 积膨胀的依据。
[0050] 体积补偿腔（12)上的体积补偿杆一（11)、体积补偿杆二（19)与移动拉杆（21)同 步移动，保证补偿腔（12)与测试腔（13)内的金属构件占有空间体积不变。三根杆的横截面 积须满足如下关系。测试腔、补偿腔与参考腔中均用氮气填充。
[0051]
【权利要求】
1. 一种复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，载荷传感器（2)经连接头（1) 装于电子万能材料试验机的固定横梁上，万能材料试验机上设有移动横梁（22)，其特征 在于：包括一带内腔的测试本体，测试本体内腔包括样品腔（8)、测试腔（13)、体积补偿腔 (12) 、参考腔（14)，所述样品腔（8)与测试腔（13)相连通，样品腔（8)上开有一进样窗，进样 窗处经密封圈（24)装有操作门（7)，测试腔与体积补偿腔（12)相连通；样品（9)装于样品 腔（8)，样品（9)一端经连接杆（3)与载荷传感器（2)相连，样品（9)另一端与移动拉杆（21) 一端相连，移动拉杆（21)中部穿过测试腔（13)，移动拉杆（21)另一端与移动横梁（22)相 连，体积补偿腔（12)上设有体积补偿杆，体积补偿杆与移动横梁（22)相连； 还包括体积校准系统（15)、差压检测系统（17)、增压系统（18); 所述体积校准系统（15)与体积补偿腔（12)相连； 所述差压检测系统（17) -端与参考腔（14)相连，另一端与测试腔（13)相连； 所述增压系统（18) -端与参考腔（14)相连，另一端与测试腔（13)或体积补偿腔（12) 相连。
2. 根据权利要求1所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述体积补偿腔（12)经连通器（16)与测试腔（13)相连通。
3. 根据权利要求1所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述样品腔（8)的下方并排设置体积补偿腔（12)、测试腔（13)、参考腔（14);样品腔 (8)、体积补偿腔（12)、测试腔（13)、参考腔（14)内填充氮气。
4. 根据权利要求1所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述测试本体上装有用于密封内腔的端盖。
5. 根据权利要求4所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述端盖包括装于样品腔（8)处的测试本体上的上端盖（6)，装于体积补偿腔（12)、测 试腔（13)、参考腔（14)处的测试本体上的下端盖（23)。
6. 根据权利要求1所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述测试本体装于保温箱（4)内。
7. 根据权利要求1所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述体积补偿杆包括补偿杆一（11)、与补偿杆一相连的补偿杆二（19);补偿杆一（11) 的横截面积为S1，补偿杆二的横截面积为S2,移动拉杆的横截面积为S，S= S1-S2。
8. 根据权利要求1所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述万能材料试验机上设有数据采集系统（20)，数据采集系统（20)分别与体积校准系 统（15)、差压检测系统（17)、增压系统（18)相连。
9. 根据权利要求8所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述样品腔（8)、参考腔（14)上分别装有温度传感器（10)，各温度传感器（10)与数据采 集系统（20)相连。
10. 根据权利要求9所述的复合材料静态力学单向拉伸体积膨胀测试装置，其特征在 于：所述数据采集系统包括由温度传感器（10)实时采集样品腔（8)内样品（9)所处区域 和参考腔（14)内的气体温度的温度采集模块、由增压系统（18)采集测试腔（13)和参考腔 (14)实时压力数据的压力采集模块、校准体积采集模块、由差压检测系统（17)采集测试腔 (13) 和参考腔（14)实时差压数据的差压采集模块和用于控制各采集模块数据采集的同步 性、实时性和采集频率的采集控制器。
【文档编号】G01N3/08GK204086016SQ201420544762
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】何铁山, 李磊, 杜芳, 吴世曦, 王金强, 王伟, 张文刚, 付晓梦, 王芳, 李伟 申请人:湖北航天化学技术研究所