基于Hopkinson杆的加热炉及试样夹具的制作方法

本发明涉及材料的超高温动态力学性能测试装置，具体说是一种基于Hopkinson杆的加热炉及其配套的试样夹具。

背景技术：

目前Hopkinson杆主要用于常温和较低温度下对试样力学性能的测量，而在实际应用中，尤其是航空航天领域，材料的的力学性能以及破坏过程一般都是处于超高温状态下，因此，认识材料在超高温条件下的力学响应特征就成为相关领域的研究热点。

目前，就Hopkinson超高温动态实验技术而言，主要有两个技术难题：

第一,Hopkinson杆上超高温环境的获得。要在Hopkinson杆上实现超高温环境，就必须有一套配套适用于Hopkinson杆的超高温加热系统。

第二，超高温下试样的夹持，由于要对试样进行超高温加热，而且要保证入射杆和透射杆不被加热造成破坏，因此要设计一个试样夹具来实现。

李玉龙等在实现高温动态加载实验时，采用的加热装置为环状可控直流电源加热炉(李玉龙,索涛,郭伟国,胡锐,李金山,傅恒志.确定材料在高温高应变率下动态性能的Hopkinson杆系统[J].爆炸与冲击,2005,06:487-492.)。其厚度为30mm，内通孔直径为35mm，电热丝分布于内孔壁，并用定制的隔热瓦片及石棉与外炉壳隔离。炉内温度由一闭环控制器控制电，最高温度可达1000℃。而对于航空航天领域的材料，其服役环境往往可达到1600℃；环状加热炉未采用良好的保温措施，温度损失较大，加热效率低；对于材料动态力学性能，往往需要了解试样在加载过程中的破坏情况，所以一般使用超高速照相机对试样进行拍照，环状加热炉无法满足拍照要求；对于材料在超高温环境下的力学性能测试，往往涉及惰性气体氛围，而此处所用环状加热炉明显不能达到这些要求。综上所述，此处使用的环状加热炉存在多处不足。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的可实现的实验温度过低，加热过程中保温性能差，Hopkinson杆加热过程中的保护以及试样在加热过程中的夹持问题，本发明提出了一种基于Hopkinson杆的加热炉及试样夹具。

本发明包括炉体、观察窗口、保温层、加热元件和陶瓷温度传感器，其特征在于，保温层粘贴在炉体的内表面。在所述炉体的一个侧表面开有夹心结构的观察窗口；在与所述观察窗口相邻的炉体的两个侧表面分别开有入射杆通道和透射杆通道，并且所述入射杆通道和透射杆通道同心。与所述观察窗口相对应的炉体的侧表面有炉体后开门，在所述后开门上开有用于安装进气管的通孔。该炉体后开门内表面粘贴有保温层；所述上盖安装在该炉体的上表面，在该上盖上有用于安装排气管的通孔。在炉体内形成了炉腔。陶瓷温度传感器嵌在炉腔的顶部。四个二硅化钼加热元件分布在所述炉腔内四个侧表面，并嵌装在各侧表面的保温层表面。

所述用于安装排气管的通孔和用于安装进气管的通孔均与炉腔贯通。

所述的二硅化钼加热元件的外形均为“U”形。

所述加热炉沿杆方向的长度为305mm，厚度为210mm，高为280mm。所述炉腔的尺寸为70mm×70mm×70mm。所述观察窗口的尺寸为80mm×80mm。

本发明提出的试样夹具采用横截面为半圆形的氧化铝陶瓷管制成。该夹具的内半径分别略大于所述Hopkinson杆中的入射杆的外半径和透射杆的外半径。

本发明以传统Hopkinson杆系统为标准，在入射杆和透射杆之间设计一个独立加热炉及其配套的试样夹具。

本发明提出的加热炉整体采用全封闭设计，温度范围在室温～1600℃可控，内部为炉腔，炉腔四壁由加热元件二硅化钼包围，炉体其余部分由保温材料填充。炉体正面为观察窗口，炉体两端有用于入射杆以及透射杆的贯通开孔。由于在加热过程中需要防止试样的氧化，需要填充氮气等保护性气体，在炉体背面和上部设有进气管和出气口通入炉腔，以便通入保护气体，排出空气，实现无氧环境或通入湿热气体，实现湿热环境。安装在炉体上的排气管与进气管在实验过程中能够将不同的保护气通入到加热炉内，使加热炉能形成不同的气体氛围。当通入的保护气(如氩气)，密度大于空气时，从加热炉下方通入气体，上方作为排气口；当通入的保护气(如氮气)，密度小于空气时，从加热炉上方通入气体，下方导气管排出空气，实现试样加载过程中的无氧环境。

本发明采用二硅化钼加热元件为加热源。二硅化钼具有金属与陶瓷的双重特性，熔点高达2030℃，具有导电性，在高温下表面能形成二氧化硅钝化层以阻止进一步氧化，是一种性能优异的高温材料。它具有极好的高温抗氧化性，其抗氧化温度高达1600℃以上；具有良好的电热传导性；较高的脆韧转变温度，1000℃以下有陶瓷般的硬脆性，在1000℃以上呈金属般的软塑性。MoSi2主要应用作发热元件、集成电路、高温抗氧化涂层及高温结构材料。将所述二硅化钼加热元件置于炉腔四壁，实现全封闭式加热并保温。

本发明通过观察窗口使用摄像机对实验过程进行观察。所述观察窗口的尺寸大于加热腔的尺寸，有利于在高速动态试验中捕捉到实验图像时，对试样进行补光。石英玻璃在长时间高温环境的作用下表面变得模糊，影响摄像机拍摄，而且加热炉在超高温时，内部会发出很高的亮度，通过观察口会辐射出很强的热量，辐射的能量主要集中在红外波段，因此采用在两块石英玻璃之间加上滤红外石英玻璃的设计，由于石英玻璃的高温反应只发生在最接近于加热源的一面，因此高温反应只发生在靠近热源的内层石英玻璃的内表面，当其表面变模糊后，可直接将玻璃更换，而且可以有效的阻挡800nm以上的波长透过玻璃，降低辐射对周围设备的影响。

本发明提出的试样夹具为半圆形的陶瓷管。试样夹具的内半径根据加载杆直径选取，具体是，试样夹具的内半径略大于导杆的半径以保证导杆在陶瓷管上自由运动；试样夹具外径保证与加热炉的入射杆的通孔和透射杆的通孔相匹配，以保证陶瓷管可顺利放入加热炉内。

本发明通过硅酸铝耐高温泡沫调整试样的安放高度，保证了该试样高度方向的中心与所述入射杆的中心和透射杆的中心处于同一水平面上。该硅酸铝耐高温泡沫为弧形块，外表面的曲率与试样夹具内表面的曲率相同，内表面的曲率与试样外表面的曲率相同。

将试样平放在设计为半圆形的硅酸铝耐高温泡沫上，使用耐高温胶将耐高温泡沫分别和陶瓷管以及试样粘接，保证稳定的支撑试样。高温胶熔点可达1700℃。在试验中耐高温泡沫的厚度小于试样的厚度，并且耐高温泡沫的强度非常小，因此耐高温泡沫对试验的影响可以忽略不计。通过选择合适的陶瓷管和耐高温泡沫即可实现不同直径导杆与试样的精确对齐及完好接触。

本发明提出的加热炉能够实现1600℃超高温，有氧与无氧环境。加热稳定，保温性能好，并可通过加热炉观察窗口获得高速动态实验中的实验图像。

配合高温加热炉的试样夹具，使得安装套管简便快捷，能够实现不同直径导杆与试样的精确对齐及完好接触。

本发明无需对Hopkinson杆系统进行改动，完全配合Hopkinson杆系统来设计加工配套的高温加热炉及试样夹具，并且只需选用不同套管即可实现不同杆径Hopkinson压杆上无氧、空气和湿热气氛中、超高温，高变形速率耦合作用下材料力学性能的研究。设备整个系统占地面积小，美观大方，操作简单。

本发明能够实现惰性气体氛围、空气环境中的高温动态实验。能够利用高速摄像机拍摄试样变形状态。加热炉加热稳定，保温性能好。配合特别设计的高温夹持装置，能实现超高温下Hopkinson压杆实验的诸多要求。

附图说明

图1为基于Hopkinson杆的超高温加热炉的主视图；

图2为图1的A-A视图；

图3为图1的B-B视图；

图4为试样夹具的示意图；

图5为加热炉观察窗口的示意图

图6为高速照相机的使用示意图。图中：

1.入射杆通道；2.透射杆通道；3.排气口；4.上盖；5.观察窗口；6.保温层；7.二硅化钼加热元件；8.陶瓷温度传感器；9.进气管；10.锁扣；11.炉腔；12.入射杆；13.试样；14.透射杆；15.耐高温泡沫；16.二分之一氧化铝陶瓷管；17.外层石英玻璃；18.滤红外石英玻璃；19.内层石英玻璃；20.高速照相机；21.光源；22.加热炉。

具体实施方式

本实施例是一种用于温度1600℃的Hopkinson杆加热炉，包括炉体、上盖4、观察窗口5、保温层6、加热元件7、陶瓷温度传感器8、锁扣10、炉腔11。

所述炉体采用钢制成的矩形框体。在该炉体的内表面粘贴有用长丝超轻硅酸铝制成的保温层6。在所述炉体的一个侧表面开有80mm×80mm的夹心结构的观察窗口5；该观察窗口的外层和内层均为石英玻璃17，在两层石英玻璃之间为内层石英玻璃19，如图5所示。在与所述观察窗口相邻的炉体的两个侧表面分别开有入射杆通道1和透射杆通道2，并且所述入射杆通道和透射杆通道同心。与所述观察窗口5相对应的炉体的侧表面通过锁扣安装有钢制的炉体后开门，该炉体后开门内表面粘贴有保温层6；使用时打开加热炉，便于加装试样13及清理炉腔11；在所述后开门上开有用于安装进气管9的通孔。所述上盖4通过锁扣10安装在该炉体的上表面；在该上盖上有用于安装排气管3的通孔。

所述加热炉沿杆方向的长度为305mm，厚度为210mm，高为280mm。

在炉体内形成了炉腔11。炉腔的尺寸为70mm×70mm×70mm。陶瓷温度传感器8嵌在炉腔11的顶部。四个二硅化钼加热元件7分布在所述炉腔内四个侧表面，并嵌装在各侧表面的保温层表面。所述的二硅化钼加热元件的外形均为“U”形，以满足炉体上开有观察窗口5和通孔的需要。

本实施例还提出了一种与所述Hopkinson杆加热炉配套使用的夹具。所述的夹具16采用横截面为半圆形的氧化铝陶瓷管制成。该夹具的内半径分别略大于所述Hopkinson杆中的入射杆12的外半径和透射杆14的外半径相同，使所述入射杆与透射杆与夹具的内表面间隙配合。在实验前，将所述入射杆12的加载端安放并固定在夹具内表面的一端，将透射杆14的加载端安放并固定在夹具内表面的另一端，将试样13放置在该入射杆与透射杆之间，并通过硅酸铝耐高温泡沫15调整该试样的高度，使试样的几何中心与所述入射杆的中心和透射杆的中心重合。用C-2耐高温无机胶将调整好的试样固定。

所述该硅酸铝耐高温泡沫为弧形块，外表面的曲率与试样夹具内表面的曲率相同，内表面的曲率与试样外表面的曲率相同。

实验时首先将超高温加热炉置于SHPB实验台上，确保入射杆12和透射杆14能精确对准炉体两侧入射杆通道1和透射杆通道2，将陶瓷温度传感器8从上盖4顶端插入加热炉内，并用石棉将入射杆通道1和透射杆通道2堵住；打开Hopkinson杆系统充气阀，通过加热炉背面进气管9向炉腔11持续充入保护气体，炉腔内原有空气从排气口3排出，5～10min后，打开高温炉，设置加热温度，当显示加热温度达到实验要求后，切入保温状态；将试样13用二分之一氧化铝陶瓷管16通过入射杆通道1放入炉腔11中，如图5所示，加热并保温10分钟使试样温度分布均匀；调整高速照相机20位置使正对加热炉22的观察窗口，并使用强光源21对其进行补光，如图6所示；待试样达到温度要求后，启动Hopkinson压杆系统，即可通过数据采集系统记录入射杆与透射杆的应力波信号，得到材料应力应变曲线。同时利用拍摄系统对试样破坏过程进行记录，采集实验过程中试样破坏的图像。