一种力学性能测试装置及设备的制作方法

本实用新型涉及耐高温树脂基复合材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种力学性能测试装置及设备。

背景技术：

纤维增强树脂基复合材料体系具有高比强度，高比模量，抗疲劳性能优异，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。但随着飞行速度不断提高，飞行器表面温度也随之增加。在超音速和高超音速飞行器中(ma>3),飞行器表面温度可达400℃甚至更高。传统环氧类树脂基复合材料已无法满足设计要求，越来越多的耐高温树脂基复合材料用于航空航天承载结构中。在飞行器结构的设计过程中，材料力学性能的测试和表征是结构设计优化、强度校核的必要条件。

为了进一步拓展耐高温树脂基复材体系的应用，其常温、高温环境下的力学性能测试和表征是必要环节。但目前在高温环境中尚无可靠的高温树脂基复合材料力学性能实验设备。若采用传统实验设备用来测试材料在高温条件下的力学性能时，实验设备中的导向柱由于受热膨胀，轴孔间隙配合变小，滑动阻塞，不能有效起到导向的作用，且受热膨胀产生摩擦力极大地影响实验精度。另外由传统不锈钢材料制作的导向柱受到环境高温的影响，其刚度和强度也会显著下降，不能起到定位、导向、增强刚度的作用。在湿热环境中由于水蒸气的存在导向柱生锈，实验设备加剧损坏的情况时常发生。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种力学性能测试装置及设备，本实用新型弥补了耐高温树脂基复合材料高温力学性能测试的空白，解决常温实验装置在高温条件下使用的困难，大大提高了高温实验的精度和可靠性，为高温树脂基结构复合材料的应用提供必要支撑。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种力学性能测试装置，包括上梁和下梁；所述测试装置还包括：

两个导向柱，其设置在所述下梁上，且与所述上梁可滑动配合连接；所述导向柱为碳纤维增强聚酰亚胺复合材料；

两个滑块，两个滑块可相对滑动设置在所述下梁上端，所述滑块上设有与其转动配合的下压辊；

所述上梁中部下端可拆卸设有上压块，所述上压块下端设有与其转动配合的上压辊。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述碳纤维增强聚酰亚胺导向柱采用碳纤维单丝浸入聚酰亚胺树脂后缠绕固化成型；所述碳纤维单丝为t700、t800、t1000、m40j或m55j碳纤维单丝；所述聚酰亚胺树脂为玻璃化转变温度在450℃以上的热固性聚酰亚胺树脂。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述碳纤维增强聚酰亚胺导向柱喷涂0.5mm的陶瓷纳米涂层。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述下梁开设有滑槽，两个所述滑块均有第一螺栓穿过滑槽锁在所述下梁上。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述滑块上部开设有与所述下压辊配合的半圆形槽，所述下压辊通过支架可转动固定在所述滑块上；所述滑块的侧面设有定位板，所述定位板高于所述滑块，所述定位板上开有长孔，所述定位板与所述滑块通过第二螺钉穿过长孔可滑动连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述上压块下部开设有与所述上压辊配合的半圆形槽，所述上压辊通过安装架可转动固定在所述上压块上，所述上压辊半径r尺寸分别为3mm、25mm、50mm；所述上梁上端可拆卸设有转化段。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述导向柱上端设有防止所述上梁滑出所述导向柱的挡块，所述挡块为螺栓。

一种力学性能测试设备，包括实验机和如上述所述的力学性能测试装置。

作为上述技术方案的进一步描述：所述实验机包括下推墩、温控箱、控制器和对中防转器。

本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型在碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制成的导向柱的作用下，有效解决了传统金属导向柱由于受热膨胀导致滑动阻塞带来的测试精度下降的问题。

(2)本实用新型可开展不同材料、不同温度高温三点弯曲实验、高温短梁剪切实验、湿热三点弯曲实验、湿热短梁剪切实验，配合不同实验机完成多种力学实验，集多功能于一体的实验设备。

(3)本实用新型通过更换上压块可实现上压辊的半径的调节，通过滑动两滑块可实现两下压辊之间的跨距的调节，并能根据不同材料特性选择合适的半径和跨距，减小实验装置对实验精度的影响，有效获取材料的失效行为。

(4)本实用新型零件可拆卸更换，加热设备采用温控箱加热，设备投资少，制造成本低。

附图说明

图1为力学性能测试装置的结构示意图；

图2为定位板的结构示意图；

图3为力学性能测试设备的结构示意图；

图4为力学性能测试设备的局部放大图；

图5为力学性能测试工作原理图。

图中：1-下梁；2-第二螺钉；3-支架；4-下压辊；5-上压辊；6-上梁；7-安装架；8-上压块；9-转换段；10-长孔；11-挡块；13-导向柱；14-试样；15-定位板；16-滑块；17-第一螺栓；30-实验机；31-下推墩；32-中防转器；33-温控箱。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-2，本实用新型提供的一种实施例：一种力学性能测试装置，包括上梁6和下梁1；该测试装置还包括两个导向柱13，其设置在下梁1上，且与上梁6可滑动配合连接；优选地，其中，下梁1暗沟朝下，下梁1上端开设有两定位孔，将导向柱13分左右带紧度0.01mm-0.039mm压入下梁1的定位孔中，并沿定位孔周围四点洋冲冲死，避免松动；然后将上梁6开设有两导向孔，导向孔对准组装在下梁1上的两个导向柱13，从上向下套装在导向柱13上，组成口字形框架结构，极大地增加了刚性。为了避免上梁6从导向柱13上滑落在导向柱13上端设有挡块11，挡块11为螺栓，具体地，导向柱13上端开设有螺纹孔，将螺栓11固定在导向柱13上端的螺纹孔上。

导向柱13集定位、导向、增强刚度的作用于一身。因此，三点弯测试装置设置双轴导向结构既必要又必须。

上梁6和下梁1相对较宽较厚，确保有足够的刚性，加载过程中可避免扭曲变形。

在一些实施例中，本实用新型为了解决金属导向柱由于受热膨胀，导向柱13失去导向、支撑作用。使用碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备导向柱13。碳纤维增强聚酰亚胺导向柱13采用碳纤维单丝浸入聚酰亚胺树脂后缠绕固化成型，所选用的聚酰亚胺树脂玻璃化转变温度高，在500℃以下强度和模量损失率低，能够有效为测试装置提供支撑作用。固化完成后的导向柱13外表面在喷涂一层约0.5mm的陶瓷纳米涂层，能够有效起到隔热作用，并且能够极大降低导向柱13的热膨胀系数，有效解决导向柱受热膨胀不能导向阻塞的问题。并且复合材料湿热性能良好，表面纳米涂层能有效阻隔水蒸气，使得导向柱的寿命极大提高。

在一些实施例中，本实用新型为改善导向柱13在高温下的刚度，选用强度和模量适中的碳纤维作为增强材料。可以根据不同刚度、强度需求选择t700、t800、t1000、m40j、m55j碳纤维等。在相同条件下，优选m40j碳纤维作为增强材料。t1000碳纤维导向柱强度最高，m55j碳纤维刚度最好，但其成本较高，而且相对于m40j碳纤维制成的复合材料性能提升不大，且m40j纤维与树脂结合力强，复合材料成型简单。

在一些实施例中，本实用新型对所选的聚酰亚胺树脂没有特殊要求，但为了保持高温条件下更好的材料性能，优选玻璃化转变温度在450℃以上的热固性聚酰亚胺树脂。低于450℃无法满足长时间高温环境下的热冲击考核，导向柱寿命大大降低。

在一些实施例中，本实用新型为改善导向柱13的防腐蚀、隔热性能，在导向柱13表面喷涂0.5mm陶瓷纳米涂层。实验表明，涂层厚度小于0.5mm时，隔热性能不够，导向柱13容易受到热冲击导致变弯。涂层厚度大于0.5mm时，导向柱的直线度和同轴度得不到满足，与孔的配合出现问题。优选的，0.5mm的涂层厚度是最佳的。

在一些实施例中，本实用新型为减少导向柱13的高温下热膨胀问题，纤维角度采用(+45/0/-45/90)2s，经过试验考核证明这样的缠绕角度热膨胀率最低。

该测试装置还包括两个滑块16，两个滑块16可相对滑动设置在下梁1上端，滑块16上设有与其转动配合的下压辊4。上梁6中部下端可拆卸设有上压块8，所述上压块8下端设有与其转动配合的上压辊5。上压块8下部开设有与上压辊5配合的半圆形槽。滑块16上部开设有与下压辊4配合的半圆形槽。

上压块8小头朝下，通过螺栓将其装到上梁下方居中的沟槽内，沟槽左右位置偏差±0.025mm，确保对中性，经过淬火处理的上压辊5通过安装架7用螺钉固定在上压块8底部的半圆形槽内。上压辊5半径r＝3mm，相对较小，只适合小件试样三点弯试验，对于大件试样可换装r＝25mm或r＝50mm的上压辊5。

滑块16小头朝上，通过第一螺栓17装在下梁1上面，其中为避免螺栓凸出下梁1表面，将其装在下梁1下面的暗沟内；两个所述滑块16均有第一螺栓17穿过滑槽锁在所述下梁1上，使第一螺栓17可带着滑块16沿暗沟左右移动，以满足试样不同长度的需求，试验跨距可在10mm-76mm间自由调节。

下压辊4通过支架3用螺钉固定在滑块16上端的半圆形槽内，滑块16的侧面设有定位板15，定位板15高于滑块16，定位板15上开有长孔10，定位板15与滑块16通过第二螺钉2穿过长孔可滑动连接。通过第二螺钉2可随长孔10滑移，使待选定试样14对中位置后，将第二螺钉2固定，这样确保同批次试样14实验结果，不受对中不一致的影响。最后通过螺栓将转换段9固定在上梁6中部上面，以防止试验时压坏导向柱。

上压辊5半径r尺寸分为三组，分别为3mm，25mm，50mm，试验时可按实际需要选择组装。

实验装置工作原理(如图5所示)：p为测试装置的上压头施加的弯曲力，l为跨距。通过力传感器记录实验过程中p的值计算弯曲强度σf(即对应最大载荷的外表面最大应力)：

式中：

σf——弯曲强度，单位为兆帕；

pmax——试样承受最大载荷，单位为牛顿；

l——跨距，单位为毫米：

h——试样厚度，单位为毫米；

ω——试样宽度，单位为毫米。

在另外一种实施例中，如图3-4所示，一种力学性能测试设备，包括实验机30和如上述实施例中所述的力学性能测试装置；所述实验机30包括下推墩31、温控箱33、力传感器、控制器和对中防转器32。进行疲劳试验时，由于震动频率高，振幅大，疲劳试验过程中会产生侧向力，引起下推墩31转动，将对中防转器32装到下推墩31上后，可抵消由于振动产生的扭矩，极大提高疲劳试验的精度和可靠性。在进行三点弯曲实验前，首先将试样平稳放置在测试装置上，利用定位板15调整好试样14角度，确保试样14与测试装置对中性保持一致。然后将整个实验装置放置在下推墩31上，调整测试装置保证底座水平。将对中防转器32装到下推墩31上，然后再次调节对中，实现测试装置对实验机30的对中，调节完毕后即可开始实验。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。