一種防熱材料高溫疲勞性能測試的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分析及測量控制領(lǐng)域，尤其涉及一種防熱材料高溫疲勞測試的方法及 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展使得高超聲速飛行器成為現(xiàn)階段各國發(fā)展的重點。突破 "熱障"是發(fā)展高超聲速飛行器必須首先突破的關(guān)鍵技術(shù)問題。為使高超聲速飛行器具有 更好的氣動外形，進(jìn)而提高其可操作性能和機(jī)動性能，未來的高超聲速飛行器要求建立以 非燒蝕或者低燒蝕防熱結(jié)構(gòu)和材料為主的熱防護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到減小因燒蝕退化引起的飛行器 氣動性能下降，滿足較長時間服役要求。同時基于飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的維護(hù)和成本考慮，防 熱材料朝著多次可重復(fù)使用方向發(fā)展，這對高溫環(huán)境防/隔熱材料的耐溫極限、燒蝕、熱沖 擊，高溫疲勞等性能提出了苛刻的要求。
[0003] 在實際服役環(huán)境下，防熱材料的溫度和應(yīng)力大小隨著時間發(fā)生改變，因此防熱材 料存在高溫疲勞問題，高溫疲勞性能準(zhǔn)確表征防熱材料在服役過程中的可重復(fù)使用性能。 高溫力學(xué)性能試驗相比常溫靜力試驗復(fù)雜，高溫疲勞性能試驗則更為復(fù)雜，其難點在于高 溫下疲勞測試力的加載裝置?，F(xiàn)有技術(shù)中，針對防熱材料的高溫疲勞性能測試存在以下幾 個難點：
[0004] 1.實驗過程中通過輻射加熱防熱材料難以達(dá)到超高溫條件（大于1800°C );
[0005] 2.超高溫條件下的加載夾頭一般采用水冷高溫合金加載夾頭，設(shè)計復(fù)雜，費用昂 貴，且僅針對特定外形的防熱材料；
[0006] 3.超高溫條件下均勻應(yīng)力場難以構(gòu)造；
[0007] 4.長時間高溫疲勞測試對設(shè)備防熱和能耗要求較高。
[0008] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在對溫度和應(yīng)力場均勻、成本低、且能在較短時間內(nèi)和較小能 耗下完成防熱材料高溫疲勞性能測試的技術(shù)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的實施例提供了一種防熱材料高溫疲勞性能測試的方法及裝置，能構(gòu)造相 對均勻的溫度和應(yīng)力場，在較短時間和較小能耗條件下完成防熱材料的高溫疲勞性能測 試。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種防熱材料高溫疲勞性能測試的方法，包括：
[0011] S1、根據(jù)防熱材料的尺寸以及服役溫度，確定測試交流電流，并給所述防熱材料施 加所述測試交流電流；所述防熱材料具有導(dǎo)電性，包括：標(biāo)距段，以及位于所述標(biāo)距段兩端 的端部；所述防熱材料為對稱結(jié)構(gòu)，所述端部的截面積大于所述標(biāo)距段的截面積；所述標(biāo) 距段的長度大于所述端部的長度，所述長度是指所述防熱材料沿軸向的尺寸；
[0012] S2、給所述防熱材料施加電磁場，在不同的磁場強度下將所述標(biāo)距段加熱至所述 服役溫度；
[0013] S3、針對任一磁場強度，獲取所述標(biāo)距段中心部位在測試過程中的溫度歷程數(shù)據(jù) 以及變形值歷程曲線，確定所述防熱材料的高溫疲勞性能。
[0014] 優(yōu)選地，防熱材料的軸向方向與所述電磁場的磁場方向垂直。
[0015] 優(yōu)選地，步驟Sl中，所述端部為：圓柱體結(jié)構(gòu)，或球體結(jié)構(gòu)，或橫截面為多邊形的 柱體結(jié)構(gòu)，或橫截面為多邊形的椎體結(jié)構(gòu)；所述標(biāo)距段為：圓柱體結(jié)構(gòu)，或長方體結(jié)構(gòu)。
[0016] 優(yōu)選地，步驟Sl中，所述端部和標(biāo)距段均為長方體結(jié)構(gòu)；
[0017] 所述端部的寬度與所述標(biāo)距段的寬度相等，所述端部的高度大于所述標(biāo)距段的高 度；
[0018] 所述寬度是指所述防熱材料沿所述磁場方向的尺寸，所述高度是指所述防熱材料 沿垂直于所述磁場方向和所述防熱材料的軸向方向的尺寸。
[0019] 優(yōu)選地，步驟Sl中，根據(jù)防熱材料的尺寸以及服役溫度，按照公式1確定所述測試 交流電流：
[0021] 式中，T表示防熱材料的服役溫度，單位為：K ; P表示防熱材料的電導(dǎo)率，單位為： S/m ; ε表示防熱材料的發(fā)射率；B表示防熱材料的寬度，單位為：m ;t表示標(biāo)距段的最小高 度，單位為：m ;1表示測試交流電流，單位為：A ; 〇表示斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，其大小為 5. 67X10 8,單位為：W(m2XK4)。
[0022] 優(yōu)選地，在步驟Sl之前，所述方法進(jìn)一步包括：將所述防熱材料固定在所述電磁 場內(nèi)。
[0023] 優(yōu)選地，防熱材料的兩端通過夾具固定在所述電磁場內(nèi)，所述防熱材料一端的夾 具固定在所述電磁場內(nèi)的某一位置，所述防熱材料另一端的夾具與所述防熱材料固定連接 并且可以沿著所述防熱材料的軸向方向移動。
[0024] 優(yōu)選地，步驟S2中，由磁場發(fā)生器產(chǎn)生電磁場；若在磁場發(fā)生器產(chǎn)生的最大磁場 強度下所述防熱材料仍無法加熱至所述服役溫度，則根據(jù)所述最大磁場強度調(diào)整所述測試 交流電流，并根據(jù)所述測試交流電流以及所述服役溫度調(diào)整所述防熱材料的尺寸。
[0025] 優(yōu)選地，在步驟Sl之前，所述方法進(jìn)一步包括：若所述防熱材料的服役環(huán)境為真 空環(huán)境，則在真空條件下進(jìn)行高溫疲勞性能測試。
[0026] 優(yōu)選地，步驟S2中，所述標(biāo)距段的單位長度的電磁力F為：
[0027] F=IxXBy 公式 2
[0028] 所述標(biāo)距段的最大應(yīng)力σ _為：
[0030] 式中，L表示標(biāo)距段的長度，B表示防熱材料的寬度，t表示標(biāo)距段的最小高度，單 位為：m ;IX表示測試交流電流，單位為：A ;By表示磁場強度，單位為：T。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種防熱材料高溫疲勞性能測試的裝置，包括： 測試艙體、固定單元、交流電源、磁場發(fā)生器、溫度檢測單元、變形檢測單元，以及數(shù)據(jù)處理 單元，其中，
[0032] 所述測試艙體，用于提供測試環(huán)境，并將測試環(huán)境與外界環(huán)境隔離開；
[0033] 所述磁場發(fā)生器，用于在所述測試艙體內(nèi)產(chǎn)生電磁場；
[0034] 所述固定單元，用于將防熱材料固定在測試艙體內(nèi)的電磁場內(nèi)；
[0035] 所述交流電源，與防熱材料的兩個端部連接，用于給防熱材料施加交流電；所述防 熱材料具有導(dǎo)電性，包括：標(biāo)距段，以及位于所述標(biāo)距段兩端的端部；所述防熱材料為對稱 結(jié)構(gòu)，所述端部的截面積大于所述標(biāo)距段的截面積；所述標(biāo)距段的長度大于所述端部的長 度，所述長度是指所述防熱材料沿軸向的尺寸；
[0036] 溫度檢測單元，設(shè)置于所述測試艙體內(nèi)，用于實時檢測所述標(biāo)距段中心部位在測 試過程中的溫度數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；
[0037] 變形檢測單元，設(shè)置于所述測試艙體內(nèi)，用于實時檢測所述標(biāo)距段中心部位在測 試過程中的變形值數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；
[0038] 數(shù)據(jù)處理單元，用于接收所述溫度數(shù)據(jù)和所述變形值數(shù)據(jù)，分析獲取所述防熱材 料的高溫疲勞性能。
[0039] 優(yōu)選地，防熱材料的軸向方向與所述電磁場的磁場方向垂直。
[0040] 優(yōu)選地，端部為：圓柱體結(jié)構(gòu)，或球體結(jié)構(gòu)，或橫截面為多邊形的柱體結(jié)構(gòu)，或橫截 面為多邊形的椎體結(jié)構(gòu)；所述標(biāo)距段為：圓柱體結(jié)構(gòu)，或長方體結(jié)構(gòu)。
[0041] 優(yōu)選地，端部和標(biāo)距段均為長方體結(jié)構(gòu)；
[0042] 所述端部的寬度與所述標(biāo)距段的寬度相等，所述端部的高度大于所述標(biāo)距段的高 度；
[0043] 所述寬度是指所述防熱材料沿所述磁場方向的尺寸，所述高度是指所述防熱材料 沿垂直于所述磁場方向和所述防熱材料的軸向方向的尺寸。
[0044] 優(yōu)選地，防熱材料的尺寸與防熱材料的服役溫度以及測試交流電流的關(guān)系為：
[0046] 式中，T表示防熱材料的服役溫度，單位為：K ; P表示防熱材料的電導(dǎo)率，單位為： S/m ; ε表示防熱材料的發(fā)射率；B表示防熱材料的寬度，單位為：m ;t表示標(biāo)距段的最小高 度，單位為：m ;1表示測試交流電流，單位為：A ; 〇表示斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，其大小為 5. 67X10 8,單位為：W(m2XK4)。
[0047] 優(yōu)選地，固定單元包括分別與所述防熱材料的兩端固定連接的夾具，所述防熱材 料一端的夾具固定在所述電磁場內(nèi)的某一位置，所述防熱材料另一端的夾具與所述防熱材 料固定連接并且可以沿著所述防熱材料的軸向方向移動。
[0048] 優(yōu)選地，測試艙體為真空環(huán)境。
[0049] 優(yōu)選地，溫度檢測單元為非接觸雙比色高溫計，且與所述防熱材料不接觸。
[0050] 優(yōu)選地，變形檢測單元為激光引伸計，且與所述防熱材料不接觸。
[0051] 本發(fā)明實施例的防熱材料高溫疲勞性能測試的方法，包括：根據(jù)防熱材料的尺寸 以及服役溫度，確定測試交流電流，并給防熱材料施加測試交流電流；將防熱材料置于電磁 場內(nèi)，在不同的磁場強度下將標(biāo)距段加熱至服役溫度；針對任一磁場強度，獲取標(biāo)距段的 中心部位在測試過程中的溫度歷程數(shù)據(jù)以及變形值歷程曲線，確定防熱材料的高溫疲勞性 能。本發(fā)明的防熱材料高溫疲勞性能測試的方法，通過將防熱材料加工成端部截面積大、標(biāo) 距段截面積小的軸對稱結(jié)構(gòu)并對被施加交流電的標(biāo)距段施加均勻的穩(wěn)恒強磁場，避免了采 用復(fù)雜的高溫加載夾頭設(shè)計，且在磁場強度不變、電流不變條件