一种用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置的制作方法

本发明属于维类材料高温力学性能检测与分析，尤其涉及一种用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置。

背景技术：

1、碳纤维、石英纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、碳化硅纤维等因具有各自独特的性能优势，在航空航天等领域具有广泛的应用，属于非常重要的战略基础原材料。这些关键原材料均具有：密度低、耐高温，比强度比模量高，特别是高温强度、模量保持率高、热变形小等。在实际应用中一般以增强相的形式存在于高温结构复合材料及功能防热复合材料中，其高温力学性能测试与评价表征不可缺少。

2、纤维类材料一般是由1k～几十k(1k代表1千根)直径为5～20μm单根纤维(简称单丝)通过上浆剂裹成的束丝(或复丝)，其力学性能测试表征一般分为单丝和复丝两种。单丝性能属本征性能，对缺陷和纤维沿轴向横截面积的均匀性非常敏感，对那些与面积相关的性能尤其敏感，比如力学性能中拉、压、弯等强度表征，是指单位面积所能承受的最大力值，因此，可反映出纤维性能一致性、质量稳定性等性能水平，在纤维研制、工艺研究等阶段非常重要。而复丝表征的是综合平均效应，适合应用阶段研究。从测试结果的离散性来看，单丝性能的离散程度要高于复丝，但是复丝在测试时，尤其是力学性能测试时，需要通过环氧树脂将已经表面上浆的束丝再次加固裹成棒状或条状样品，类似于拧成一股绳，使其整体受力。但是在高温测试时，存在环氧树脂热解问题，原来裹成一体的纤维，变成一根根离散状态，不能整体受力，因此，所测量获得的就不是复丝性能。解决的办法就只能依靠高温粘合剂，如沥青或石墨胶，制样时需要经历高温高压浸渍-裂解-再浸渍-再裂解等重复过程，时间长，成本极高，且沥青浸渍、裂解还不利于环保。单丝性能测试，特别是单丝高温力学性能测试，能避开复丝高温性能测试所必须要解决的关键制样问题，因此，优势突出，必要性显著。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，实现对直径5～20μm单根纤维高温(温度不低于2000℃)力学性能的快速高效测试。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，包括：一对单根纤维高温夹具、水冷隔热套、限位机构、l型固定板、过载保护机构、移动平台、低温壳体、高温壳体、力值传递杆、吊丝、水平拉力测量传感器、外磁铁、支架、转轴、程控步进电机、内磁铁和密封不锈钢套；

3、高温壳体和低温壳体之间通过水冷隔热套密封连接，构成真空箱；

4、一对单根纤维高温夹具安装在高温壳体内，用于实现对单根纤维样品左右两端的水平压接；其中，左侧的单根纤维高温夹具与高温壳体的内端面中心处相连接，右侧的单根纤维高温夹具与力值传递杆的左端通过螺纹连接；

5、l型固定板安装在低温壳体内部底面上；吊丝的一端固定在l型固定板上，另一端吊住力值传递杆；其中，吊丝为两根；

6、力值传递杆设置在真空箱内；其中，力值传递杆位于高温壳体内的部分通过限位机构进行限位，力值传递杆位于低温壳体内的部分通过两根吊丝进行限位；

7、力值传递杆由磁性不锈钢材质制成，右端通过过载保护机构与移动平台连接；其中，过载保护机构与力值传递杆之间通过电磁铁相吸连接，过载保护机构与移动平台机械相连；水平拉力测量传感器通过螺钉固定在过载保护机构上；

8、低温壳体的右端面外侧焊接有支架；其中，外磁铁、内磁铁和程控步进电机安装在支架上；程控步进电机与转轴通过螺栓连接；转轴位于外磁铁和内磁铁形成的磁场中心；移动平台通过滚珠丝杠实现水平运动，滚珠丝杠穿过低温壳体右端面与外磁铁相连；程控步进电机驱动转轴匀速可控可调转动，外磁铁与内磁铁配合，将转轴旋转驱动力隔着密封不锈钢套通过内外磁铁的吸引力非接触传递给移动平台，将程控步进电机的均速旋转运动转化成均速直线运动，带动力值传递杆和右侧的单根纤维高温夹具前进或后退。

9、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，单根纤维高温夹具，包括：夹具框架、压紧螺钉、压块和垫块；其中，压紧螺钉通过夹具框架上方的螺纹孔，将单根纤维样品压接于压块和垫块之间。

10、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，水冷隔热套将真空箱隔断为高温区和低温区；其中，高温壳体所在的内部区域为高温区，低温壳体所在的内部区域为低温区；高温区和低温区的真空度、充气气压均相同。

11、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，水冷隔热套为圆形平板，由不锈钢材质做成；水冷隔热套为中空夹层结构，夹层厚度25～30mm，内通冷却循环水，上端和下端分别焊接有进水接嘴和出水接嘴；水冷隔热套中心部位设置有螺纹通孔，限位机构中心部位设置有中心通孔；力值传递杆从高温壳体、穿过中心通孔和螺纹通孔进入低温区。

12、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，还包括：基座、支架、固定架、滑轨和滑块；

13、低温壳体通过固定架安装在基座上；低温壳体不可移动，位置固定；

14、高温壳体通过支架安装在基座上；其中，基座上位于高温壳体的一侧设置有滑轨；支架一端与高温壳体连接，另一端通过滑块安装在滑轨内；高温壳体通过支架、滑块可沿滑轨水平移动，方便单根纤维样品的安装与取出。

15、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，还包括：非接触红外测温窗口；其中，非接触红外测温窗口焊接在高温壳体的上端，位于单根纤维样品的正上方。

16、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，还包括：真空度测量接口和气体溢出口；其中，真空度测量接口和气体溢出口焊接在高温壳体的左端面。

17、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，还包括：压力传感器观察窗；其中，压力传感器观察窗焊接在低温壳体的上端，位于水平拉力测量传感器的正上方，用于观察力值传递杆的加载运动情况。

18、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，还包括：充气口和抽真空接口；其中，充气口和抽真空接口焊接在低温壳体的右端面外侧；抽真空接口通过卡箍与标准真空管的一端连接，标准真空管的另一端与机械泵和分子泵相接；惰性保护气体从充气口进入低温壳体内，经水冷隔热套上的螺纹通孔进入高温壳体，最后由气体溢出口出。

19、在上述用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置中，还包括：密封法兰；其中，滚珠丝杠与低温壳体右端面之间通过密封法兰实现密封连接。

20、本发明具有以下优点：

21、本发明公开了一种单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，适用于直径为5～20μm单根不同类型纤维状试样，如碳纤维、石英纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维、碳化硅纤维和金属细丝等高温不低于2000℃拉伸性能测试，进而获取相关单根纤维温度高达2000℃的高温力学性能数据。

技术特征：

1.一种用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，包括：一对单根纤维高温夹具(1)、水冷隔热套(2)、限位机构(3)、l型固定板(4)、过载保护机构(5)、移动平台(6)、低温壳体(8)、高温壳体(9)、力值传递杆(12)、吊丝(15)、水平拉力测量传感器(16)、外磁铁(41)、支架(42)、转轴(43)、程控步进电机(44)、内磁铁(45)和密封不锈钢套(46)；

2.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，单根纤维高温夹具(1)，包括：夹具框架(31)、压紧螺钉(32)、压块(33)和垫块(34)；其中，压紧螺钉(32)通过夹具框架(31)上方的螺纹孔，将单根纤维样品(10)压接于压块(33)和垫块(34)之间。

3.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，水冷隔热套(2)将真空箱隔断为高温区和低温区；其中，高温壳体(9)所在的内部区域为高温区，低温壳体(8)所在的内部区域为低温区；高温区和低温区的真空度、充气气压均相同。

4.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，水冷隔热套(2)为圆形平板，由不锈钢材质做成；水冷隔热套(2)为中空夹层结构，夹层厚度25～30mm，内通冷却循环水，上端和下端分别焊接有进水接嘴和出水接嘴；水冷隔热套(2)中心部位设置有螺纹通孔(25)，限位机构(3)中心部位设置有中心通孔(29)；力值传递杆(12)从高温壳体(9)、穿过中心通孔(29)和螺纹通孔(25)进入低温区。

5.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，还包括：基座(7)、支架(11)、固定架(13)、滑轨(18)和滑块(21)；

6.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，还包括：非接触红外测温窗口(20)；其中，非接触红外测温窗口(20)焊接在高温壳体(9)的上端，位于单根纤维样品(10)的正上方。

7.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，还包括：真空度测量接口(23)和气体溢出口(24)；其中，真空度测量接口(23)和气体溢出口(24)焊接在高温壳体(9)的左端面。

8.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，还包括：压力传感器观察窗(17)；其中，压力传感器观察窗(17)焊接在低温壳体(8)的上端，位于水平拉力测量传感器(16)的正上方，用于观察力值传递杆(12)的加载运动情况。

9.根据权利要求7所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，还包括：充气口(14)和抽真空接口(19)；其中，充气口(14)和抽真空接口(19)焊接在低温壳体(8)的右端面外侧；抽真空接口(19)通过卡箍与标准真空管的一端连接，标准真空管的另一端与机械泵和分子泵相接；惰性保护气体从充气口(14)进入低温壳体(8)内，经水冷隔热套(2)上的螺纹通孔(25)进入高温壳体(9)，最后由气体溢出口(24)出。

10.根据权利要求1所述的用于单根纤维高温拉伸应力-应变传递与测量装置，其特征在于，还包括：密封法兰(47)；其中，滚珠丝杠与低温壳体(8)右端面之间通过密封法兰(47)实现密封连接。

技术总结
本发明公开了一种用于单根纤维高温拉伸应力‑应变传递与测量装置，包括：一对单根纤维高温夹具、水冷隔热套、限位机构、L型固定板、过载保护机构、移动平台、低温壳体、高温壳体、力值传递杆、吊丝、水平拉力测量传感器、外磁铁、支架、转轴、程控步进电机、内磁铁和密封不锈钢套；高温壳体和低温壳体之间通过水冷隔热套密封连接；一对单根纤维高温夹具安装在高温壳体内；吊丝的一端固定在L型固定板上，另一端吊住力值传递杆；力值传递杆右端通过过载保护机构与移动平台连接；低温壳体的右端面外侧焊接有支架；外磁铁、内磁铁和程控步进电机安装在支架上。本发明所述装置可实现对直径5～20μm单根纤维高温(温度不低于2000℃)力学性能的快速高效测试。

技术研发人员：冯志海,孙银洁,陈聪慧,杨景兴,刘晓龙,朱世鹏,何凤梅,李琦
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6