專利名稱：一種用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命檢測的壓電驅(qū)動疲勞試驗機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于疲勞試驗機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命檢測的壓電驅(qū)動小載荷疲勞試驗機(jī)。
背景技術(shù)：
膠粘劑廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷和塑料等構(gòu)件的連接，膠粘結(jié)構(gòu)的主要失效形式為疲勞載荷作用下膠粘劑/被粘物界面脫粘。當(dāng)界面有裂紋時很容易發(fā)生失效，因此膠粘結(jié)構(gòu)的疲勞壽命就是含界面裂紋膠粘接頭的疲勞壽命。含裂紋膠接接頭的強(qiáng)度很低，測試疲勞壽命時需要小載荷疲勞試驗機(jī)；膠粘結(jié)構(gòu)服役過程中，通常處于水、油和有機(jī)溶劑等環(huán)境介質(zhì)中，疲勞試驗機(jī)應(yīng)包含環(huán)境艙。但是，目前還沒有一種完整的能夠模擬膠粘結(jié)構(gòu)實際服役環(huán)境進(jìn)行疲勞壽命檢測的小載荷疲勞試驗機(jī)。
《一種旋轉(zhuǎn)彎曲腐蝕疲勞試驗裝置》(中國專利200810057159.1)公開了一種旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗裝置及腐蝕液供給系統(tǒng)，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)腐蝕疲勞，但是這種試驗機(jī)只能用于材料的彎曲疲勞，無法提供適于膠粘結(jié)構(gòu)的拉伸疲勞載荷。
目前，膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命通常在用于測定金屬疲勞強(qiáng)度的電液或電機(jī)驅(qū)動疲勞試驗機(jī)上，采用圖1所示的雙懸臂梁試樣進(jìn)行，該試樣用膠粘劑將兩塊被粘物薄板粘接在一起，形成"三明治"結(jié)構(gòu)。試驗開始前，在膠粘劑/被粘物界面預(yù)制一個裂紋，然后在垂直于粘接界面方向施加拉伸疲勞載荷。該方法的主要缺點是難以實現(xiàn)腐蝕疲勞，如果在試樣周圍安裝環(huán)境艙，在疲勞載荷以及自重的作用下，環(huán)境艙很容易發(fā)生移位、泄露等現(xiàn)象，無法使待測膠粘結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的環(huán)境介質(zhì)當(dāng)中。此外，該方法很難實現(xiàn)高周疲勞，無法模擬膠粘結(jié)構(gòu)的實際服役環(huán)境，原因是含裂紋膠粘結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度很低，當(dāng)疲勞試驗機(jī)的小載荷控制精度不高時，往往形成低周疲勞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)膠粘結(jié)構(gòu)疲勞試驗機(jī)難以實現(xiàn)腐蝕疲勞和高周疲勞，無法模擬膠粘結(jié)構(gòu)的實際服役環(huán)境之不足，提供一種小載荷疲勞試驗機(jī)，專門用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命測試，并能夠?qū)崿F(xiàn)腐蝕疲勞。
一種用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命檢測的壓電驅(qū)動疲勞試驗機(jī)，由攝像頭、壓電驅(qū)動器、標(biāo)尺、樣品臺、驅(qū)動電源、計數(shù)器、樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕、樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕、框架和環(huán)境艙組成，攝像頭垂直于裂紋擴(kuò)展方向放置，并與電腦相連，可實時
3觀測和記錄裂紋長度。壓電驅(qū)動器和待測試樣置于環(huán)境艙中和標(biāo)尺同時固定在樣品臺上，以實現(xiàn)膠粘結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命測試，待測試樣與標(biāo)尺并排放置，利用標(biāo)尺可得出裂紋長度a。通過調(diào)節(jié)樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕，可控制樣品臺的升降，將攝像頭觀測的圖像調(diào)節(jié)清晰。通過樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕，可改變待測試樣前后、左右的位置，便于攝像頭觀測裂紋。計數(shù)器與驅(qū)動電源相連，驅(qū)動電源通過電纜與壓電驅(qū)動器相連，記錄驅(qū)動信號中驅(qū)動脈沖的數(shù)量，換算成疲勞循環(huán)周次；試驗結(jié)束時，計數(shù)器顯示疲勞壽命。
待測試樣為膠粘劑和被粘物形成的雙層結(jié)構(gòu)，將待測試樣與壓電驅(qū)動器相結(jié)合，形成被粘物/膠粘劑/壓電驅(qū)動器的"三明治"結(jié)構(gòu)，并且在膠粘劑/被粘物界面邊緣，預(yù)制一個裂紋。驅(qū)動電源輸出驅(qū)動信號至壓電驅(qū)動器，使得驅(qū)動器產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，由于驅(qū)動器與膠粘劑層結(jié)合在一起，載荷通過膠粘劑傳遞至膠粘劑/被粘物界面，在垂直于粘接界面方向形成拉-拉疲勞載荷，在疲勞載荷的作用下，預(yù)制裂紋逐漸擴(kuò)展，直至整個粘接界面發(fā)生脫粘。計數(shù)器與驅(qū)動電源相連，記錄驅(qū)動信號中驅(qū)動脈沖的數(shù)量，然后換算成疲勞循環(huán)周次N;試驗結(jié)束時，可從計數(shù)器讀出疲勞壽命。疲勞載荷的大小，可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的峰值電壓和占空比來控制；疲勞載荷的頻率與驅(qū)動信號的頻率相等，可在驅(qū)動電源進(jìn)行調(diào)節(jié)；載荷譜可以通過改變驅(qū)動信號的波形(方波、正弦波或三角波等)進(jìn)行調(diào)節(jié)。攝像頭與電腦相連，通過與試樣并排放置的標(biāo)尺，實時記錄裂紋擴(kuò)展長度a，繪制a-N曲線，得出裂紋擴(kuò)展速率da/dN。
該試驗機(jī)采用壓電驅(qū)動器作為動力源，因而具有載荷控制精度高、成本低、體積小、能耗低、噪音低以及便于觀測和記錄等優(yōu)點。具有如下技術(shù)優(yōu)勢
(1) 采用壓電驅(qū)動器施加疲勞載荷，可實現(xiàn)小載荷的精確控制，能夠?qū)崿F(xiàn)膠粘結(jié)構(gòu)的高周疲勞，可以更好地模擬膠粘劑的實際服役環(huán)境；
(2) 設(shè)置了環(huán)境艙，能夠?qū)崿F(xiàn)膠粘結(jié)構(gòu)在環(huán)境介質(zhì)作用下的疲勞(腐蝕疲勞)，由于驅(qū)動器放置于環(huán)境艙中，因而環(huán)境艙穩(wěn)定性強(qiáng)；
(3) 體積小(大小與普通顯微鏡相當(dāng))、成本低、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單；
(4) 疲勞載荷和頻率范圍寬，支持多種載荷譜，載荷大小、頻率以及載荷譜通過驅(qū)動電源上的旋鈕調(diào)節(jié)，操作方便；
(5) 在疲勞試驗機(jī)中集成了攝像頭和計數(shù)器，便于疲勞裂紋的觀測和疲勞壽命的記錄。


圖1是用于測試膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命的雙懸臂梁試樣
圖2是本發(fā)明疲勞試驗機(jī)的左視圖
圖3是本發(fā)明壓電驅(qū)動器和待測試樣的俯視圖
圖4是本發(fā)明實施例1中壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)圖
圖5是本發(fā)明實施例1的一種驅(qū)動波形
圖6是本發(fā)明實施例2中壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)圖
l-攝像頭、2-壓電驅(qū)動器、3-待測試樣、4-標(biāo)尺、5-樣品臺、6-驅(qū)動電源、7-計數(shù)器、8-樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕、9-樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕、10-框架、11-環(huán)境艙。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的試驗方法與試驗機(jī)的細(xì)節(jié)和工作情況，以及其與傳統(tǒng)測試方法的區(qū)別。
本發(fā)明提出的疲勞試驗機(jī)由攝像頭1、壓電驅(qū)動器2、標(biāo)尺4、樣品臺5、驅(qū)動電源6、計數(shù)器7、樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕8、樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕9、框架10和環(huán)境艙ll組成。本試驗機(jī)用于測試由膠粘劑/被粘物組成的膠粘結(jié)構(gòu)(待測試樣)的腐蝕疲勞壽命，進(jìn)行疲勞試驗前，需將待測試樣3與壓電驅(qū)動器2結(jié)合，具體方法如下采用膠粘劑將被粘物31與壓電驅(qū)動器2粘接在一起，膠粘劑完全固化后，形成膠粘劑層32 (圖3中，虛線表示膠粘劑/被粘物界面)，然后在待測試樣3的一端，沿寬度方向制作裂紋33 (圖2中，待測試樣的寬度方向與樣品臺垂直)，裂紋33位于被粘物31與膠粘劑層32的界面(圖3給出的是待測試樣的長度方向和厚度方向，其寬度方向垂直于紙面)。
在環(huán)境艙ll中注入腐蝕介質(zhì)，將壓電驅(qū)動器2和待測試樣3完全浸沒，壓電驅(qū)動器采用絕緣良好的材料密封，以防漏電。調(diào)節(jié)驅(qū)動電源6，向壓電驅(qū)動器2輸出合適的驅(qū)動信號，使得壓電驅(qū)動器2產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動方向垂直于膠粘劑/被粘物界面，由于壓電驅(qū)動器2的下表面與膠粘劑層32粘接在一起，壓電驅(qū)動器2的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成循環(huán)載荷，加載于膠粘劑/被粘物界面。由于界面存在預(yù)制裂紋33，使得膠粘劑/被粘物界面處強(qiáng)度遠(yuǎn)低于膠粘劑/壓電驅(qū)動器界面，因而在被粘物/膠粘劑/壓電驅(qū)動器的"三明治"結(jié)構(gòu)中，壓電驅(qū)動器2向該結(jié)構(gòu)輸入的能量，絕大部分耗散于膠粘劑/被粘物界面，促使裂紋33不斷擴(kuò)展。裂紋33沿圖3箭頭所示方向進(jìn)行擴(kuò)展，長度逐漸增加，攝像頭1垂直于裂紋擴(kuò)展方向放置，并與電腦相連，可實時觀測和記錄裂紋長度。壓電驅(qū)動器2、待測試樣3和標(biāo)尺4同時固定與樣品臺5上，待測試樣3與標(biāo)尺4并排放置，利用標(biāo)尺可得出裂紋長度a。通過調(diào)節(jié)樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕8，可控制樣品臺的升降，將攝像頭觀測的圖像調(diào)節(jié)清晰。通過樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕9，可改變待測試樣3前后、左右的位置，便于攝像頭觀測裂紋。
驅(qū)動電源6通過電纜與壓電驅(qū)動器2相連，輸出的驅(qū)動信號可以是方波、正弦波、三角波、鋸齒波或是組合波，波形可以通過驅(qū)動電源6上的旋鈕來互相切換，從而實現(xiàn)幾種不同的載荷譜；也可以通過外輸波形來實現(xiàn)驅(qū)動，驅(qū)動電源6設(shè)置了電腦接口，可將用戶設(shè)定波形從電腦傳輸至驅(qū)動電源6內(nèi)部的存儲器。當(dāng)驅(qū)動波形一定時，壓電驅(qū)動器2輸出的驅(qū)動力一般與驅(qū)動信號的峰值電壓成正比，因此，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)疲勞載荷大小。此外，驅(qū)動信號的頻率和占空比也可在驅(qū)動電源6上通過旋鈕方便地調(diào)節(jié)。因此，疲勞載荷大小、頻率和載荷譜都可以通過旋鈕直接調(diào)節(jié)，大大簡化了試驗過程。驅(qū)動電源6與計數(shù)器7相連，記錄下驅(qū)動信號中驅(qū)動脈沖的數(shù)量，換算成疲勞循環(huán)周次N;試驗結(jié)束時，可從計數(shù)器讀出疲勞壽命。本試驗機(jī)可實時監(jiān)控和采集裂紋擴(kuò)展長度a，借助與攝像頭相連的電腦，繪制a-N曲線，得出裂紋擴(kuò)展速率da/dN。
本試驗機(jī)的測試方法與傳統(tǒng)疲勞試驗機(jī)的區(qū)別在于本試驗機(jī)將壓電驅(qū)動器置于試樣內(nèi)部，因而疲勞載荷可以更為直接地施加于膠粘劑/被粘物界面，可以實現(xiàn)小載荷的精確控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)膠粘結(jié)構(gòu)在環(huán)境介質(zhì)作用下的疲勞，可以更好地模擬膠粘劑的實際服役環(huán)境。
實施例1:
壓電驅(qū)動器2采用單片壓電陶瓷，如圖4所示，在陶瓷片上下表面涂覆金屬電極，制作電極引線。沿著厚度方向?qū)弘娞沾蛇M(jìn)行極化，極化方向如圖4中箭頭所示，壓電陶瓷下表面(與膠粘劑粘接表面)的電極引線與驅(qū)動電源6的正極相連，壓電陶瓷上表面的電極引線與驅(qū)動電源6的負(fù)極相連。金屬電極表面以及電極引線連接處，采用絕緣良好的材料密封。典型地，壓電陶瓷選用鋯鈦酸鉛型壓電陶瓷(PZT)。施加圖5所示的方波，將對膠粘劑/被粘物界面施加拉-拉疲勞載荷。典型的驅(qū)動信號參數(shù)為，驅(qū)動電壓40V、信號頻率5Hz、占空比1:2。為提高裂紋長度觀測的清晰度，可以在待測試樣3表面涂覆特定物質(zhì)。實施例2:
壓電驅(qū)動器2采用雙層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，如圖6所示，兩片壓電陶瓷21、 22上下表面分別涂覆金屬電極，制作電極引線并極化后，粘接在一起，形成壓電驅(qū)動器2。
6壓電陶瓷21、 22都是沿著厚度方向極化，粘接時，保證兩片陶瓷的極化方向相對， 如圖6中箭頭所示。壓電陶瓷22下表面(與膠粘劑粘接表面)的電極引線與驅(qū)動電 源6的正極相連，壓電陶瓷22上表面和壓電陶瓷21下表面的電極引線都與驅(qū)動電 源6的負(fù)極相連，壓電陶瓷21上表面的電極引線與驅(qū)動電源6的正極相連。金屬電 極表面以及電極引線連接處，采用絕緣良好的材料密封。施加圖5所示的方波，將 對膠粘劑/被粘物界面施加拉-拉疲勞載荷。
權(quán)利要求
1. 一種用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命檢測的壓電驅(qū)動疲勞試驗機(jī)，其特征是由攝像頭(1)、壓電驅(qū)動器(2)、標(biāo)尺(4)、樣品臺(5)、驅(qū)動電源(6)、計數(shù)器(7)、樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕(8)、樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕(9)、框架(10)和環(huán)境艙(11)組成，攝像頭垂直于裂紋擴(kuò)展方向放置，并與電腦相連，能實時觀測和記錄裂紋長度；壓電驅(qū)動器和待測試樣置于環(huán)境艙中和標(biāo)尺同時固定在樣品臺上，以實現(xiàn)膠粘結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命測試；待測試樣與標(biāo)尺并排放置，利用標(biāo)尺能得出裂紋長度a；通過調(diào)節(jié)樣品臺高度調(diào)節(jié)旋鈕，能控制樣品臺的升降，將攝像頭觀測的圖像調(diào)節(jié)清晰；通過樣品臺水平位置調(diào)節(jié)旋鈕，能改變待測試樣前后、左右的位置，便于攝像頭觀測裂紋；計數(shù)器與驅(qū)動電源相連，驅(qū)動電源通過電纜與壓電驅(qū)動器相連，記錄驅(qū)動信號中驅(qū)動脈沖的數(shù)量，換算成疲勞循環(huán)周次；試驗結(jié)束時，計數(shù)器顯示疲勞壽命。
2 .如權(quán)利要求1所述一種用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命檢測的壓電驅(qū)動疲勞試驗機(jī)， 其特征是待測試樣為膠粘劑和被粘物形成的雙層結(jié)構(gòu)，將待測試樣與壓電驅(qū)動器相 結(jié)合，形成被粘物/膠粘劑/壓電驅(qū)動器的"三明治"結(jié)構(gòu)，并且在膠粘劑/被粘物界面 邊緣，預(yù)制一個裂紋；驅(qū)動電源輸出驅(qū)動信號至壓電驅(qū)動器，使得驅(qū)動器產(chǎn)生往復(fù) 運(yùn)動，由于驅(qū)動器與膠粘劑層結(jié)合在一起，載荷通過膠粘劑傳遞至膠粘劑/被粘物界 面，在垂直于粘接界面方向形成拉-拉疲勞載荷，在疲勞載荷的作用下，預(yù)制裂紋逐 漸擴(kuò)展，直至整個粘接界面發(fā)生脫粘；計數(shù)器與驅(qū)動電源相連，記錄驅(qū)動信號中驅(qū) 動脈沖的數(shù)量，然后換算成疲勞循環(huán)周次N;試驗結(jié)束時，能從計數(shù)器讀出疲勞壽 命；疲勞載荷的大小，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的峰值電壓和占空比來控制；疲勞載荷的 頻率與驅(qū)動信號的頻率相等，由驅(qū)動電源進(jìn)行調(diào)節(jié)；驅(qū)動載荷譜通過改變驅(qū)動信號 的波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，驅(qū)動電源輸出的驅(qū)動信號為方波、正弦波、三角波、鋸齒波或是 組合波，輸出波形能通過驅(qū)動電源上的旋鈕來互相切換，還能通過外輸波形來實現(xiàn)； 攝像頭與電腦相連，通過與試樣并排放置的標(biāo)尺，實時記錄裂紋擴(kuò)展長度a，繪制 a-N曲線，得出裂紋擴(kuò)展速率da/dN。
全文摘要
一種用于膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命檢測的壓電驅(qū)動疲勞試驗機(jī)，屬于疲勞試驗機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。該機(jī)將壓電驅(qū)動器置于試樣內(nèi)部，因而疲勞載荷可以更為直接地施加于膠粘劑/被粘物界面，可以實現(xiàn)小載荷的精確控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)膠粘結(jié)構(gòu)在環(huán)境介質(zhì)作用下的疲勞，可以更好地模擬膠粘劑的實際服役環(huán)境。該機(jī)疲勞載荷和頻率范圍寬，支持多種載荷譜，可以采用外輸波形；載荷大小、頻率通過驅(qū)動電源上的旋鈕調(diào)節(jié)，操作方便。還集成了攝像頭和計數(shù)器，可實時監(jiān)控和采集疲勞裂紋擴(kuò)展長度。該機(jī)具有體積小、成本低、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
文檔編號G01N19/04GK101498653SQ20091007975
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者許麗濤, 許立寧, 路民旭 申請人:北京科技大學(xué)