本發(fā)明屬于復(fù)合材料損傷自感知健康監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電、力阻特性測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、陶瓷基復(fù)合材料(ceramic?matrix?composites，以下簡稱cmcs)具有耐高溫、抗氧化等突出的優(yōu)點，在未來航空航天領(lǐng)域有著極大的潛力。目前cmcs已經(jīng)初步應(yīng)用于航空發(fā)動機熱端部件，而諸如火焰筒、高壓渦輪等熱端部件服役于極其復(fù)雜的工作環(huán)境，這就導(dǎo)致cmcs熱端部件損傷失效模式較為復(fù)雜。損傷產(chǎn)生之后，如不能及時檢測出并評估影響，就會造成較為嚴(yán)重的后果。所以如何對cmcs部件的健康狀態(tài)進行監(jiān)測從而預(yù)測其健康狀態(tài)極為重要。cmcs具有導(dǎo)電性，且其電阻對溫度、載荷及多種損傷模式較為敏感，所以可以利用其自身的溫阻、力阻等電阻特性，對其實施健康監(jiān)測與壽命評估。

2、纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料由增強纖維、界面體和陶瓷基體組成，不同組分的電阻特性也不相同，所以cmcs不同組分高溫下電阻特性對cmcs宏觀電阻特性的研究極為重要。實現(xiàn)不同組分高溫下電阻特性測量的前提是高溫試樣的制備及消除高溫環(huán)境下熱膨脹引起的誤差。但是現(xiàn)有技術(shù)中，目前僅有針對纖維單絲在室溫與高溫下力阻響應(yīng)的測量方法(一種纖維單絲力阻響應(yīng)在線測試裝置及測試方法，cn114486525a；一種纖維單絲力阻響應(yīng)高溫高通量測量裝置及方法，202410204310.9)，針對高溫下界面、基體等組分電阻特性的測量國內(nèi)外并無相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的公開報道。

3、因此，有必要發(fā)明一種測試cmcs單一組分在高溫環(huán)境下電阻特性的裝置及方法，解決高溫試樣的制備的難題并排除熱膨脹對其帶來的干擾，得到單一組分在高溫環(huán)境下的電阻特性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電、力阻特性測量裝置及方法。

2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電、力阻特性測量裝置，包括置樣板、高溫電極、試樣、高溫爐以及真空環(huán)境箱，試樣兩端固定在置樣板上，同時，試樣兩端還與高溫電極連接，置樣板置于高溫爐中，且置樣板兩端伸出至高溫爐外，試樣位于高溫爐的均溫段，置樣板、高溫電極、試樣和高溫爐均位于真空環(huán)境箱中，高溫電極與真空環(huán)境箱外的數(shù)字萬用表相連。

4、為優(yōu)化技術(shù)方案，本發(fā)明采取的進一步措施包括：

5、上述的置樣板由中部裁斷為兩個置樣板段，使試樣兩端分別位于兩個置樣板段上，兩個置樣板段之間通過紙膠帶粘接在一起，置樣板兩端或試樣兩端連接拉伸試驗機。

6、上述的試樣包括纖維單絲和單絲復(fù)合材料。

7、上述的單絲復(fù)合材料為表面沉積有預(yù)定厚度單一組分的纖維單絲。

8、上述的高溫電極彎折設(shè)置，使高溫電極不與置樣板兩端接近，高溫電極彎折處被耐高溫絕緣膠帶包裹。

9、用于測量陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電阻特性的方法，應(yīng)用上述的陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電、力阻特性測量裝置，具體包括以下步驟：

10、步驟1、對置樣板進行裁切，使其中心部分能放入高溫爐的同時兩端伸出高溫爐；

11、步驟2、取預(yù)定尺寸的纖維單絲，放置在置樣板的中心；

12、步驟3、剪取兩段高溫電極，分別放置在纖維單絲兩端；

13、步驟4、取高溫導(dǎo)電膠，將纖維單絲的端面與高溫電極的一端進行粘接，固化后測量纖維單絲裸露在外的長度為l；

14、步驟5、將置樣板中部和纖維單絲放入高溫爐中，使纖維單絲處于高溫爐的均溫段；

15、步驟6、將高溫爐置于真空環(huán)境箱內(nèi)部，高溫電極與真空環(huán)境箱內(nèi)部的導(dǎo)線相連，內(nèi)部導(dǎo)線引出與數(shù)字萬用表相連，打開數(shù)字萬用表觀察電阻值是否正常，關(guān)閉真空環(huán)境箱并將內(nèi)部抽至真空，記錄此時溫度t1和纖維單絲電阻值rf(t1)，下標(biāo)f代表纖維單絲；

16、步驟7、將高溫爐打開升溫，采用階梯式升溫，升至目標(biāo)溫度后保溫預(yù)定時間，然后關(guān)閉高溫爐，在降溫過程中分別記錄溫度t和與之對應(yīng)的纖維單絲電阻值rf(t)，

17、步驟8、將纖維單絲替換為單絲復(fù)合材料，重復(fù)步驟2-7，記錄單絲復(fù)合材料在溫度為t時的電阻rc(t)，下標(biāo)c代表單絲復(fù)合材料；

18、步驟9、計算單絲復(fù)合材料中溫度為t時組分的電阻率：

19、單絲復(fù)合材料中，纖維單絲與單一組分看作一個并聯(lián)電路，對單絲復(fù)合材料中纖維單絲的電阻進行校正，記單絲復(fù)合材料中纖維單絲的電阻為纖維單絲直徑為d，纖維單絲熱膨脹系數(shù)為αf，在溫度為t時，溫差δt＝t-t1，此時

20、

21、δl為單絲復(fù)合材料中纖維單絲的尺寸變化值，δd為單絲復(fù)合材料中纖維單絲的直徑變化值，

22、則單絲復(fù)合材料中纖維單絲在t時電阻率為：

23、

24、單絲復(fù)合材料直徑為d，單絲復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)為αc，根據(jù)熱應(yīng)力平衡，則：

25、αcec＝vfefαf+vmemαm??(3)

26、其中下標(biāo)c代表單絲復(fù)合材料，f代表纖維單絲，m代表沉積的組分，α為熱膨脹系數(shù)，e為模量，v代表體積分?jǐn)?shù)，而試樣為圓柱體，則：

27、

28、將式(4)帶入式(3)算出單絲復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為：

29、

30、單絲復(fù)合材料中纖維單絲的尺寸變化值：

31、δl＝δd＝δd＝αcδt??(6)

32、單絲復(fù)合材料中纖維單絲的電阻為：

33、

34、其中：

35、

36、將式(2)和式(8)帶入式(7)得單絲復(fù)合材料中纖維單絲電阻：

37、

38、單絲復(fù)合材料中組分電阻為：

39、

40、將式(9)代入式(10)，得到單絲復(fù)合材料中組分電阻：

41、

42、單絲復(fù)合材料中溫度為t時組分的電阻率為：

43、

44、將式(8)和式(11)帶入式(12)得單絲復(fù)合材料中溫度為t時組分的電阻率為：

45、

46、用于測量陶瓷基復(fù)合材料組分高溫力阻特性的方法，應(yīng)用上述的陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電、力阻特性測量裝置，包括以下步驟：

47、步驟一、對置樣板進行裁切，從置樣板中部將置樣板分為兩段，將兩個置樣板段通過紙膠帶粘接在一起，使其中心部分能放入高溫爐的同時兩端伸出高溫爐；

48、步驟二、取預(yù)定尺寸的纖維單絲，放置在置樣板的中心；

49、步驟三、剪取兩段高溫電極，分別放置在纖維單絲兩端；

50、步驟四、取高溫導(dǎo)電膠，將纖維單絲的端面與高溫電極的一端進行粘接，固化后測量纖維單絲裸露在外的長度為l'；

51、步驟五、將置樣板中部和纖維單絲放入高溫爐中，使纖維單絲處于高溫爐的均溫段；將置樣板兩端夾持在拉伸試驗機上，劃開紙膠帶使兩個置樣板段完全分離；

52、步驟六、將高溫電極與真空環(huán)境箱內(nèi)部的導(dǎo)線相連，內(nèi)部導(dǎo)線引出與萬用表相連，打開萬用表觀察電阻值是否正常，關(guān)閉真空環(huán)境箱并將內(nèi)部抽至真空，記此時溫度t2，電阻rf(t2)，下標(biāo)f代表纖維單絲；

53、步驟七、打開高溫爐，階梯式升溫至目標(biāo)溫度t'后保溫一段時間，此時溫差δt'＝t'-t2，纖維單絲長度為l(t')＝(1+αfδt')l'，直徑為d(t')＝(1+αfδt')d'，

54、d'為溫度t2下纖維單絲的直徑，直徑差δd'＝d(t')-d'，纖維單絲熱膨脹系數(shù)為αf，通過拉伸試驗機對纖維單絲兩端施加載荷f，記錄在載荷f下纖維單絲長度變形為δl(σ)，此時纖維單絲的電阻為rf(σ)，泊松比為μ，模量為ep，則纖維單絲軸向應(yīng)變εy和徑向應(yīng)變εx分別為：

55、

56、此時纖維單絲所受應(yīng)力為σ＝εy·ep，纖維單絲的尺寸為：

57、

58、l(σ)為載荷f下纖維單絲的長度，d(σ)為載荷f下纖維單絲的直徑，則應(yīng)力為σ，溫度為t'時纖維單絲的電阻率為：

59、

60、步驟八、將纖維單絲換成具有單一組分的單絲復(fù)合材料，重復(fù)步驟二-六，

61、步驟九、打開高溫爐，階梯式升溫至目標(biāo)溫度t'后保溫一段時間，記錄電阻rc(t')，其中下標(biāo)c代表試樣；此時單絲復(fù)合材料幾何尺寸為：

62、

63、αc為單絲復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，d'為溫度t2下單絲復(fù)合材料的直徑，l(t')*、d(t')*和d(t')*分別為目標(biāo)溫度t'下，單絲復(fù)合材料長度、纖維單絲直徑以及單絲復(fù)合材料直徑；單絲復(fù)合材料模量為eq，通過拉伸試驗機對單絲復(fù)合材料兩端施加載荷f*，保證單絲復(fù)合材料所受應(yīng)力為σ，則單絲復(fù)合材料軸向應(yīng)變徑向應(yīng)變單絲復(fù)合材料長度變形記錄此時單絲復(fù)合材料電阻rc(σ)，此時單絲復(fù)合材料幾何尺寸為：

64、

65、l(σ)*、d(σ)*和d(σ)*分別為目標(biāo)溫度t'、單絲復(fù)合材料兩端施加載荷f*下，單絲復(fù)合材料長度、纖維單絲直徑以及單絲復(fù)合材料直徑；

66、此時纖維單絲的電阻率與式(16)相同，則此時纖維單絲電阻為：

67、

68、由并聯(lián)電路規(guī)律可知此時組分電阻rm(σ)為：

69、

70、將式(19)帶入式(20)中，有：

71、

72、此時單絲復(fù)合材料幾何尺寸如式(18)所示，則溫度為t'，應(yīng)力為σ時組分的電阻率:

73、

74、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

75、1、本發(fā)明實現(xiàn)了陶瓷基復(fù)合材料組分高溫電阻特性的測量，同時，本發(fā)明在組分高溫電阻特性的測量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高溫環(huán)境下組分力阻效應(yīng)的測量，計算的過程中同時考慮了加熱與拉伸過程中幾何尺寸的變化對電阻率的影響，得到電阻率與應(yīng)力、溫度的關(guān)系，更精確的得到單一組分在高溫環(huán)境下的電、力阻特性，排除材料熱膨脹對其帶來的干擾。

76、2、本發(fā)明解決了單絲復(fù)合材料脆性大、易碎易斷，難以制樣的難題，利用高溫電極配合高溫膠的方案，使試樣一直處于均熱段，避免產(chǎn)生熱電效應(yīng)對電阻數(shù)據(jù)造成影響，考慮了加熱過程中纖維單絲尺寸變化的差異對組分電阻率的影響，更為精確的反映了組分的溫阻特性。