專利名稱：一種非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非金屬材料性能的測定裝置及其使用方法。具體涉及一種非金屬材料高溫膨
脹力的測定裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
高溫膨脹力是非金屬材料的一項(xiàng)力學(xué)性能。測定非金屬材料高溫下的膨脹力，需要將非 金屬材料加熱到所需的測定溫度，不同的加熱裝置所采用的加熱體不同 一是用傳統(tǒng)的加熱 體，即加熱材料是用電爐絲作為發(fā)熱體，其升溫速率慢，測定溫度低；二是用貴金屬做發(fā)熱 體，如鉑金絲、鉑銠帶，價(jià)格昂貴，測試溫度可以提高，升溫速率依然很慢，并且貴金屬發(fā) 熱體極易損壞，需經(jīng)常維護(hù)；三是用碳化硅棒或硅鉬棒做發(fā)熱體，由于發(fā)熱體結(jié)構(gòu)及尺寸的 原因，加熱設(shè)備需做的很大，因此測力裝置體積也要很大才能放下加熱設(shè)備。
另外，上述設(shè)備的發(fā)熱體只能在氧化氣氛下工作，再加上上述設(shè)備整體密封困難，從而 使得設(shè)備無法在真空或保護(hù)性氣體氣氛下工作。因此，采用上述發(fā)熱元件制成的高溫膨脹力 測定設(shè)備限制了設(shè)備的使用范圍，使許多在高溫下易氧化的材料和需要在真空或保護(hù)性氣體 氣氛下工作的材料無法測定高溫膨脹力值。 發(fā)明內(nèi)容-
本發(fā)明旨在解決上述問題，目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、升溫速率快、使用溫度 高、維護(hù)量少、能在空氣氣氛或真空氣氛或保護(hù)性氣氛下測定非金屬材料的高溫膨脹力的裝
置及其使用方法。
為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該裝置包括水冷高溫密封室、溫度控制系 統(tǒng)、測力裝置、抽真空裝置和氣源。其具體結(jié)構(gòu)分別是
水冷高溫密封室的結(jié)構(gòu)是在水冷密封室的底部中心固定有金屬水冷底座，在金屬水冷 底座的內(nèi)平臺上同心安裝有平面軸承，調(diào)節(jié)螺母的凸起部分同心裝入平面軸承內(nèi)，金屬水冷 支座的下端與調(diào)節(jié)螺母螺紋聯(lián)接；待測高溫膨脹力的試樣放在金屬水冷支座上，水冷壓頭的 下端壓在待測試樣的上端，水冷壓頭的上端伸出水冷密封室，水冷壓頭和水冷密封室之間采 用密封圈密封；待測試樣的外部同心設(shè)置有石墨環(huán)，在石墨環(huán)外同心套有感應(yīng)線圈，石墨環(huán) 與感應(yīng)線圈等高，感應(yīng)線圈通過絕緣墊圈與感應(yīng)爐的輸出端連接。
溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是在水冷密封室的一側(cè)設(shè)賈有石英玻璃窗，石英玻璃窗的外部設(shè) 有紅外測溫儀，紅外測溫儀的接收端與石英玻璃窗的中心、石墨環(huán)的圓孔中心、待測試樣的 中心位于同一條直線上；紅外測溫儀的接收端對準(zhǔn)試樣，紅外測溫儀的輸出端與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)內(nèi)的控溫程序與感應(yīng)爐的控制端連接。
測力裝置的結(jié)構(gòu)是在剛性支架的一端內(nèi)側(cè)裝有測力傳感器，剛性支架的另一端內(nèi)側(cè)裝 有活動壓頭，活動壓頭和測力傳感器位于同一軸線，活動壓頭壓在水冷壓頭上，測力傳感器
與計(jì)算機(jī)連接。
抽真空裝置和氣源包括抽真空裝置、氣源，抽真空裝置、氣源分別與水冷密封室的內(nèi)室相通。
在上述技術(shù)方案中所述的水冷壓頭為活動式，水冷壓頭的上端在加溫前伸出水冷密封 室的長度為5 10mm。
所述的石墨環(huán)的壁厚為2 20mm，在石墨環(huán)的環(huán)壁中部的一側(cè)開有一直徑為10 15mm 的圓孔；石墨環(huán)的高度或?yàn)閳A柱體試樣直徑的1 2倍、或?yàn)殚L方體試樣橫截面邊長的1 2倍。
所述的待測試樣若為圓柱體時(shí)，該圓柱體與石墨環(huán)內(nèi)壁的間隙為l 5mm;待測試樣若 為長方體時(shí)，該長方體的橫截面四角與石墨環(huán)內(nèi)壁的間隙為l 5mm;石墨環(huán)與感應(yīng)線圈的 間隙為2 10mm
所述的抽真空裝置或使用或不使用，使用時(shí)抽真空至水冷密封室內(nèi)的剩余壓力小于 2500Pa;氣源為N2、 Ar、 C02氣體中的一種或一種以上。
所述的感應(yīng)爐或?yàn)橹蓄l感應(yīng)爐、或?yàn)槌纛l感應(yīng)爐，功率為1 100KW，工作電壓為380V， 升溫速率為1 15(TC/分，加熱溫度為室溫 200(TC;中頻感應(yīng)爐的工作頻率為200~2600HZ: 超音頻感應(yīng)爐的工作頻率為10 45KHZ。
本裝置的使用方法是非金屬材料高溫膨脹力的測定在或?yàn)榭諝?、或?yàn)檎婵?、或?yàn)楸Ｗo(hù) 性氣氛條件下進(jìn)行，非金屬材料高溫膨脹力值或?yàn)樵谏郎剡^程中測定，或?yàn)樵诮o定的預(yù)壓力 下在升溫過程中和保溫過程中測定。
非金屬材料高溫膨脹力的測定過程是先打開水冷密封室，將金屬水冷下支座、調(diào)節(jié)螺 母、平面軸承連同金屬水冷底座和定位銷一起取出，在感應(yīng)線圈內(nèi)放入石墨環(huán)，在石墨環(huán)內(nèi) 裝入待測試樣，還原推進(jìn)金屬水冷下支座、調(diào)節(jié)螺母、平面軸承、金屬水冷底座和定位銷； 再調(diào)整金屬水冷下支座、待測試樣和活動的水冷壓頭在同一軸線上，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)嫘母，使水冷 壓頭的上端伸出5 10mm于水冷密封室外，調(diào)整活動壓頭，壓緊待測試樣；然后關(guān)閉水冷密 封室的水冷密封門，打開冷卻水進(jìn)水管和冷卻水出水管；最后啟動計(jì)算機(jī)內(nèi)的控溫程序，接 通中頻感應(yīng)爐和紅外測溫儀的電源開關(guān)，以10 120'C/分的升溫速率對待測試樣進(jìn)行加熱，紅 外測溫儀監(jiān)控升溫過程；計(jì)算機(jī)自動記錄并保存待測試樣在升溫過程的膨脹力值，或達(dá)到設(shè) 定溫度時(shí)不同保溫時(shí)間的膨脹力值，與計(jì)算機(jī)連接的顯示器顯示測定過程和結(jié)果。
由于采用上述方案，本發(fā)明可以根據(jù)試樣材料的性能以1 15(TC/分的升溫速率升溫至 200(TC進(jìn)行高溫膨脹力測定，使用溫度高；本裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量少，測定材料 的范圍廣。本裝置不僅可在空氣氣氛中測定非金屬材料在指定溫度下的膨脹力值，還可在真 空或保護(hù)性氣體氣氛下測定非金屬材料在指定溫度下的膨脹力值；如在N2氣氣氛下測定炭磚
或含炭材料的高溫膨脹力，還可以測定非金屬材料在升溫過程中的高溫膨脹力值或測定給定
的預(yù)壓力下在升溫過程和保溫過程中的高溫膨脹力值。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中試樣8、石墨加熱環(huán)26、感應(yīng)線圈4的局部放大示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述-實(shí)施例1
一種非金屬材料膨脹力的測定裝置，該裝置包括水冷高溫密封室、溫度控制系統(tǒng)、測力 裝置、抽真空裝置和氣源。其具體結(jié)構(gòu)如圖l所示-
水冷高溫密封室的結(jié)構(gòu)是在水冷密封室3的底部中心固定有金屬水冷底座24，在金屬 水冷底座24的內(nèi)平臺上同心安裝有平面軸承21，調(diào)節(jié)嫘母25的凸起部分同心裝入平面軸承 21內(nèi)，金屬水冷下支座19的下端與調(diào)節(jié)螺母25螺紋連接，待測高溫膨脹力的試樣8放在金 屬水冷下支座19上，水冷壓頭7的下端壓在待測試樣8的上端，水冷壓頭7由限位螺栓5控 制下降高度，水冷壓頭7上端伸出5 10mm至水冷密封室3夕卜，水冷壓頭7和水冷密封室3 之間采用密封圈6密封；待測試樣8的外部同心設(shè)置有石墨環(huán)26,在石墨環(huán)26外同心套有 感應(yīng)線圈4，石墨環(huán)26與感應(yīng)線圈4等高，感應(yīng)線圈4通過絕緣墊圈2與感應(yīng)爐1的輸出端 連接。
溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是水冷密封室3的一側(cè)設(shè)置有石英玻璃窗13，石英玻璃窗13的 外部設(shè)有紅外測溫儀14，紅外測溫儀14的接收端與石英玻璃窗13的中心、石墨環(huán)26的圓 孔中心、待測試樣8的中心設(shè)置在一條直線上；紅外測溫儀14的接收端對準(zhǔn)試樣8，紅外測 溫儀14的輸出端與計(jì)算機(jī)15連接，計(jì)算機(jī)15內(nèi)的控溫程序與感應(yīng)爐1的控制端連接。
測力裝置的結(jié)構(gòu)是在剛性支架23的一端內(nèi)側(cè)裝有測力傳感器22、另一端內(nèi)側(cè)裝有活 動壓頭9，活動壓頭9和測力傳感器22位于同一軸線，活動壓頭9壓在水冷壓頭7上，測力 傳感器22與計(jì)算機(jī)15連接。
抽真空裝置和氣源包括抽真空裝置17、氣源18，抽真空裝置17、氣源18分別與水冷密 封室3內(nèi)室相通。
在本實(shí)施例中石墨環(huán)26的壁厚為8 15mm，在石墨環(huán)26的環(huán)壁中部的一側(cè)開有一直 徑為1.0 12mm的圓孔；石墨環(huán)26的高度為長方體試樣橫截面邊長的1.5倍。
待測試樣8的材質(zhì)為剛玉莫來石質(zhì)，尺寸為40mmX40mmX160mm，該長方體試樣橫截 面的四角與石墨環(huán)26內(nèi)壁的間隙為2 4 mm;石墨環(huán)26與感應(yīng)線圈4的間隙為2 5mm。
本裝置的使用方法是剛玉莫來石材料高溫膨脹力的測定是在空氣氣氛下的升溫過程中 進(jìn)行，加熱采用中頻感應(yīng)爐，其功率為30 50KW、工作頻率為2000~2500HZ、工作電壓為 3譜。
剛玉莫來石材料高溫膨脹力的測定過程是先打開水冷密封室3，將金屬水冷下支座19、 調(diào)節(jié)螺母25、平面軸承21連同金屬水冷底座24和定位銷20 —起取出，在感應(yīng)線圈4內(nèi)放 入石墨環(huán)26，在石墨環(huán)26內(nèi)裝入待測試樣8，還原推進(jìn)金屬水冷下支座19、調(diào)節(jié)螺母25、 平面軸承21、金屬水冷底座24和定位銷20，調(diào)整金屬水冷下支座19、待測試樣8和活動的 水冷壓頭7在同一軸線上，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母25，使水冷壓頭7的上端伸出5 10mm于水冷密 封室3外，調(diào)整活動壓頭9，壓緊待測試樣8;例如，可以調(diào)節(jié)接觸壓力為2~10N,以確定水 冷壓頭7和待測試樣8與測力裝置接觸良好；再關(guān)閉水冷密封室3的水冷密封門12，旋緊爐 門緊固螺母ll，壓緊硅橡膠密封圈10使水冷金屬密封箱3密封；打開冷卻水進(jìn)水管27向水 冷密封箱3、水冷底座24和上壓頭7內(nèi)注入冷卻水，每個(gè)水冷裝置的冷卻水暢通，冷卻水通 過冷卻水出水管28排出。先啟動計(jì)算機(jī)15內(nèi)的控溫程序，設(shè)置測定溫度為1600'C，接通中 頻感應(yīng)爐1和紅外測溫儀14的電源開關(guān)，以1(TC/分的升溫速率對待測試樣8進(jìn)行加熱，紅 外測溫儀14監(jiān)控升溫過程。在升溫過程中計(jì)算機(jī)15自動記錄并保存待測試樣8升溫過程的 膨脹力值，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度160(TC時(shí)，計(jì)算機(jī)15控制控溫程序停止加熱，與計(jì)算機(jī)15連接 的顯示器16顯示測定的過程和結(jié)果。
實(shí)施例2
一種非金屬材料膨脹力的測定裝置及其使用方法，該裝置包括水冷高溫密封室、溫度控 制系統(tǒng)、測力裝置、抽真空裝置和氣源。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示且同實(shí)施例1所述。
待測試樣8的材質(zhì)為鎂碳質(zhì)磚，尺寸為cb50mmX160mm的圓柱體，該圓柱體與石墨環(huán) 26內(nèi)壁的間隙為2 4 mm;石墨環(huán)26與感應(yīng)線圏4的間隙為2 5mm。
鎂碳質(zhì)磚高溫膨脹力的測定方法是在升溫前，調(diào)節(jié)上活動壓頭9與水冷壓頭7和待測 試樣8的接觸壓力，給鎂碳質(zhì)磚施加25KN預(yù)壓力；在水冷高溫密封室3抽真空后充入N2， 以15r/分的升溫速率升溫到設(shè)定的1600'C后保溫2小時(shí)，測定升溫過程和保溫過程鎂碳質(zhì) 磚的高溫膨脹力，保溫結(jié)束后計(jì)算機(jī)15控制控溫程序停止加熱。其他同實(shí)施例l。
本具體實(shí)施方式
具有使用溫度高、裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量少、測定材料的
范圍廣的特點(diǎn)。本裝置不僅可在空氣氣氛中測定材料在指定溫度下的高溫膨脹力值，還可在 真空或保護(hù)性氣體氣氛下測定材料在指定溫度下的高溫膨脹力值，還可以測定材料在給定的 預(yù)壓力下升溫過程中的高溫膨脹力值或測定給定的預(yù)壓力下升溫過程中的高溫膨脹力值和指 定溫度下保溫過程中的高溫膨脹力值。
權(quán)利要求
1、一種非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于該裝置包括水冷高溫密封室、溫度控制系統(tǒng)、測力裝置、抽真空裝置和氣源；水冷高溫密封室的結(jié)構(gòu)是在水冷密封室3的底部中心固定有金屬水冷底座24，在金屬水冷底座24的內(nèi)平臺上同心安裝有平面軸承21，調(diào)節(jié)螺母25的凸起部分同心裝入平面軸承21內(nèi)，金屬水冷下支座19的下端與調(diào)節(jié)螺母25螺紋聯(lián)接，待測高溫膨脹力的試樣8放在金屬水冷下支座19上，水冷壓頭7的下端壓在待測試樣8的上端，水冷壓頭7上端伸出水冷密封室3，水冷壓頭7和水冷密封室3之間采用密封圈6密封；待測試樣8的外部同心設(shè)置有石墨環(huán)26，在石墨環(huán)26外同心套有感應(yīng)線圈4，石墨環(huán)26與感應(yīng)線圈4等高，感應(yīng)線圈4通過絕緣墊圈2與感應(yīng)爐1的輸出端連接；溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是水冷密封室3的一側(cè)設(shè)置有石英玻璃窗13，石英玻璃窗13的外部設(shè)有紅外測溫儀14，紅外測溫儀14的接收端與石英玻璃窗13的中心、石墨環(huán)26的圓孔中心、待測試樣8的中心位于同一條直線上；紅外測溫儀14的接收端對準(zhǔn)試樣8，紅外測溫儀14的輸出端與計(jì)算機(jī)15連接，計(jì)算機(jī)15內(nèi)的控溫程序與感應(yīng)爐1的控制端連接；測力裝置的結(jié)構(gòu)是在剛性支架23的一端內(nèi)側(cè)裝有測力傳感器22，剛性支架23的另一端內(nèi)側(cè)裝有活動壓頭9，活動壓頭9和測力傳感器22位于同一軸線，活動壓頭9壓在水冷壓頭7上，測力傳感器22與計(jì)算機(jī)15連接；抽真空裝置和氣源包括抽真空裝置17、氣源18，抽真空裝置17、氣源18分別與水冷密封室3的內(nèi)室相通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的水冷壓 頭7為活動式，水冷壓頭7的上端在加溫前伸出水冷密封室3的長度為5 10mrn。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的石墨環(huán) 26的壁厚為2 20mm，在石墨環(huán)26的環(huán)壁中部的一側(cè)開有一直徑為10 15mm的圓孔；石 墨環(huán)26的高度或?yàn)閳A柱體試樣直徑的1 2倍、或?yàn)殚L方體試樣橫截面邊長的1 2倍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的待測試 樣8若為圓柱體時(shí)，該圓柱體與石墨環(huán)26內(nèi)壁的間隙為1 5 mm;待測試樣8若為長方體時(shí)， 該長方體橫截面的四角與石墨環(huán)26內(nèi)壁的間隙為1 5 mm;石墨環(huán)26與感應(yīng)線圈4的間隙 為2 10mm
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的抽真空 裝置17或使用或不使用，使用時(shí)抽真空至水冷密封室3內(nèi)的剩余壓力小于2500Pa。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的氣源 18為N2、 Ar、 C02氣體中的一種或一種以上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的感應(yīng)爐 1或?yàn)橹蓄l感應(yīng)爐、或?yàn)槌纛l感應(yīng)爐，功率為1~100KW，工作電壓為380V,升溫速率為 1 15(TC/分，加熱溫度為室溫 2000'C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置，其特征在于所述的中頻感 應(yīng)爐的工作頻率為200-2600HZ;超音頻感應(yīng)爐的工作頻率為10 45KHZ。
9、 一種非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置的使用方法，其特征在于非金屬材料高溫膨脹 力的測定在或?yàn)榭諝狻⒒驗(yàn)檎婵?、或?yàn)楸Ｗo(hù)性氣氛條件下進(jìn)行，非金屬材料高溫膨脹力值或 為在升溫過程中測定，或?yàn)樵诮o定的預(yù)壓力下在升溫過程中和保溫過程中測定。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置的使用方法，其特征在于 所述的非金屬材料高溫膨脹力的測定過程是先打開水冷密封室3，將金屬水冷下支座19、 調(diào)節(jié)螺母25、平面軸承21連同金屬水冷底座24和定位銷20—起取出，在感應(yīng)線圈4內(nèi)放 入石墨環(huán)26，在石墨環(huán)26內(nèi)裝入待測試樣8，還原推進(jìn)金屬水冷下支座19、調(diào)節(jié)螺母25、 平面軸承21、金屬水冷底座24和定位銷20;再調(diào)整金屬水冷下支座19、待測試樣8和活動 的水冷壓頭7在同一軸線上，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母25，使水冷壓頭7的上端伸出5 10mm于水冷 密封室3夕卜，調(diào)整活動壓頭9，壓緊待測試樣8;然后關(guān)閉水冷密封室3的水冷密封門12， 打開冷卻水進(jìn)水管27和冷卻水出水管28;最后啟動計(jì)算機(jī)15開啟溫度控制系統(tǒng)和測力裝置， 以10 12(TC/分的升溫速率對待測試樣8加熱到設(shè)定溫度，紅外測溫儀14監(jiān)控升溫過程；計(jì) 算機(jī)15自動記錄并保存待測試樣8在升溫過程中的膨脹力值或達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)不同保溫時(shí)間 的膨脹力值，與計(jì)算機(jī)15連接的顯示器16顯示測定過程和結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非金屬材料高溫膨脹力的測定裝置及其使用方法。該裝置包括水冷高溫密封室、溫度控制系統(tǒng)、測力裝置、抽真空裝置和氣源。水冷高溫密封室是在水冷密封室3的底部中心固定的金屬水冷底座24上同心安裝有平面軸承21，調(diào)節(jié)螺母25裝入平面軸承21內(nèi)；放在金屬水冷下支座19上的待測試樣8的外部設(shè)置有石墨環(huán)26、感應(yīng)線圈4，感應(yīng)線圈4與感應(yīng)爐1的輸出端連接；溫度控制系統(tǒng)是紅外測溫儀14的接收端對準(zhǔn)試樣8，計(jì)算機(jī)15分別與紅外測溫儀14、感應(yīng)爐1連接；測力裝置的活動壓頭9壓在水冷壓頭7上，測力傳感器22與計(jì)算機(jī)15連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、體積小、升溫速率快、使用溫度高、維護(hù)量少、能在各種氣氛下進(jìn)行測定。
文檔編號G01N33/00GK101183093SQ20071005379
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者尹玉成, 山 葛 申請人:武漢科技大學(xué)