一种单向陶瓷基复合材料拉伸试验夹具及测试方法

本发明涉及陶瓷基复合材料，具体为一种单向陶瓷基复合材料拉伸试验夹具及测试方法。

背景技术：

1、陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,简称cmcs)是一类以陶瓷作为基体、纤维作为增强相的复合材料，相比于单一陶瓷，其具有更好的韧性，且具有耐高温、耐烧蚀氧化的优点，在高超声速飞行器热防护部位、航空发动机热端部件、核电反应堆堆芯元件等具有广泛的应用前景。单向cmcs是一类横观各向同性的材料，其是层合、编织cmcs的组分，对其力学性能进行精准测试可为复杂预制体结构cmcs的力学性能估算提供输入。

2、cmcs的制备工艺包括气相沉积法、聚合物渗透热解法等。由于其工艺的原因，制备的cmcs不可避免地具有较高的孔隙率，这导致连接不同纤维间的基体较少，cmcs极易发生纤维间失效。这导致对单向cmcs的拉伸测试存在困难，一方面，对传统的cmc狗骨试样拉伸时极易发生纵向剪切失效导致测得的拉伸应力应变曲线不完整，无法获得拉伸强度；另一方面，cmcs在拉伸试验的装夹阶段，极易因轻微的扭转、压缩产生非弹性的变形，这导致应力应变曲线测试不准确。

3、因此，有必要研发新的单向cmcs拉伸试验方法，减小装夹过程对材料力学性能的影响，避免材料在拉伸过程中发生纤维间失效，以期获得更精准的单向cmcs应力应变曲线。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单向陶瓷基复合材料拉伸试验夹具及测试方法，可以减小装夹过程对材料力学性能的影响，避免材料在拉伸过程中发生纤维间失效，获得更精准的单向cmcs应力应变曲线。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种单向陶瓷基复合材料拉伸试验夹具，用于单向陶瓷基复合材料试样的拉伸试验，其特征在于：所述夹具包括两个夹块、四个加强片、两个支撑条和若干螺栓；

4、所述夹块上设有两个支撑条槽、两列螺纹孔、一个夹持端和一个试样夹持槽，其中：

5、两个支撑条槽沿竖向延伸，对称的开设在夹块的左右两侧；所述支撑条槽的上下两端开口，并在夹块相应的侧面设有侧开口，且两夹块的位于同一侧的支撑条槽在竖直方向上对齐；

6、两列螺纹孔包含的螺纹孔数量相同，且横向对齐；两列螺纹孔同时开设在夹块的前侧面或后侧面，分别对应于两支撑条槽所在的位置，所述螺纹孔与螺栓一一对应，用于螺栓的装配；

7、所述夹持端设置在夹块竖直方向上的某一侧；

8、所述试样夹持槽设置在夹块的中间位置，位于两支撑条槽之间，试样夹持槽的前后两侧开口，并在夹块上与夹持端相对的另一侧设有开口；

9、四个加强片为两个为一组，拉伸试验时夹持在试样的上下两端；

10、两个夹块的结构相同，拉伸试验时以试样夹持槽相对的方式对称摆放，所述支撑条为刚度大于试样刚度的长条状长方体，两个支撑条的上下两端分别安装在两个夹块左右两侧的支撑条槽中，通过螺栓锁紧；夹持住试样上下两端的两组加强片分别安装在两夹块的试样夹持槽中。

11、在上述方案的基础上，改进或优选的方案还包括：

12、进一步的，所述夹块在试样夹持槽的位置开设有圆形的退试样通孔，所述退试样通孔的直径大于试样夹持槽的横向宽度。

13、进一步的，两支撑条的刚度大于十倍的试样的刚度。

14、进一步的，所述加强片在与试样接触的一面设有嵌入试样的矩形凹槽，位于试样同一端的两个加强片贴合后，两矩形凹槽拼成与试样尺寸适配的通孔。

15、进一步的，试样与加强片之间，加强片与夹块之间通过胶水固定连接。

16、一种单向陶瓷基复合材料应力应变曲线测试方法，基于所述的单向陶瓷基复合材料拉伸试验夹具实施，其特征在于，包括以下步骤：

17、s1)对试样的两端依次进行预处理，所述预处理为：

18、保持试样竖直状态，将其一端浸没在胶水中静置，浸没高度等于加强片的夹持长度；待胶水充分渗透试样后，将试样取出并擦拭掉表面的胶水，等待渗透到试样中的胶水固化；

19、s2)组装夹具，包括：

20、通过胶水粘结，将四个加强片以两两为一组，分别固定夹持住预处理后试样的上下两端；将支撑条的上下两端安装在对应的支撑条槽中，并通过螺钉锁紧；在加强片的外侧涂抹胶水，将两端安装了加强片的试样固定安装在两夹块的试样夹持槽中；将其中一个夹块的夹持端安装在拉伸试验机的固定钳口中并夹紧，将另一个夹块的夹持端安装在拉伸试验机的移动钳口中并夹紧；

21、s3)通过控制移动钳口的位移调整作用在夹具上张力，并按照从中间向两边的顺序，依次松开各排螺栓，并在每次松开螺栓后降低作用在夹具上的张力，直至松开所有螺栓，将支撑条取出，通过控制调整移动钳口的位移将作用在夹具上的张力逐渐降为零；

22、s4)安装监测试样应变的引伸计，开展拉伸试验，结合拉伸试验机提供的力荷载f，计算试样的应力根据试样的应力、应变数据绘制应力应变曲线，得到所述单向陶瓷基复合材料的应力应变曲线。

23、进一步的，所述步骤s3包括以下子步骤：

24、s31)通过控制移动钳口位移调整作用在夹具上的初始张力f0，使f0满足如下条件：

25、cεl(2esas+ecmcacmc)<f0<2cεl(2esas+ecmcacmc)

26、式中：c为张紧系数；εl为单向陶瓷基复合材料的弹性应变极限；es为支撑条材料的弹性模量；as为支撑条的横截面积；ecmc为试样单向陶瓷基复合材料的弹性模量；acmc为试样单向陶瓷基复合材料的横截面积。

27、s32)设位于同一排的螺栓为一组，定义各组螺栓的索引号为i，i＝1-n，n为两个夹块上所有螺栓的总排数，将其一夹块上各组螺栓的索引号取奇数，另一夹块上各组螺栓的索引号取偶数，两夹块上各组螺栓的索引号自夹具中间向两边依次递增；

28、s33)按索引号的顺序，依次松开第1到第n-1组螺栓，并在每组螺栓被松开后，通过控制移动钳口位移调整作用在夹具上的张力fi，fi满足如下条件：

29、

30、式中，l为两夹块之间第1与第2组螺栓的螺纹孔中心的竖直距离，d为同一夹块上相邻组螺栓的螺栓孔中心的竖直距离；

31、s34)将第n组螺栓松开，通过控制移动钳口位移将作用在夹具上的张力逐渐降为0。

32、进一步的，设两支撑条的刚度大于十倍的试样的刚度，两支撑条的刚度值为2esas，试样的刚度值为ecmcacmc。

33、进一步的，预处理步骤中：

34、将胶水设置在抽真空容器中，将试样的一端浸没在胶水中后，利用工具将试样的另一端固定，之后抽出抽真空容器中的空气，使试样在真空环境中完成胶水的渗透过程。

35、本发明的有益效果是：

36、1)现有技术在装夹试样的过程中，容易发生轻微的扭转或弯曲，导致材料内部产生损伤，导致拉伸试验获得的材料应力应变曲线不准确。本发明拉伸试验夹具中，通过相互平行的两支撑条的连接，可保证夹具的稳定性，并使夹具本体成为装夹过程中的主承力结构，可以有效的避免试样发生扭转或弯曲的情况，减小装夹过程对材料力学性能的影响；

37、2)本发明测试方法通过对试样进行预处理，使胶水渗入单向陶瓷基复合材料的孔隙中，能够增强夹持端纤维之间的剪切强度，避免材料在拉伸过程中发生纤维间失效；在拉伸试验开始前，以逐步松开螺栓和逐步降低张力的方式拆卸支撑条，可以避免试样在支撑条拆卸的过程中发生损伤，并始终维持一定的张力，可保障试样在拆卸时维持良好的对中度，能够有效的对抗拉伸试验机自身的晃动。

38、3)本发明通过对试验夹具和测试方法的改进，可获得更精准的单向cmcs应力应变曲线。