專利名稱：可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆材料測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
高溫氣冷堆是我國最有發(fā)展前景的反應(yīng)堆堆型之一，其高溫工藝熱應(yīng)用于制氫時，需要一個中間熱交換器將反應(yīng)堆的熱量引入工藝系統(tǒng)。當(dāng)堆芯出口溫度在1000°c左右時，熱交換器雖可選擇現(xiàn)有的耐高溫合金材料，但考慮到堆芯出口超過1000°c，或者瞬時工況、事故工況時，則必須開發(fā)新型的耐高溫碳化硅陶瓷材料。
由于這種換熱器在運行中處于高溫高壓差環(huán)境下，所以需要考慮在高溫高壓工況下，換熱器所用的材料是否能滿足機械性能要求；另外，由于需要避免產(chǎn)品氫氣受到氦氣的污染(反應(yīng)堆冷卻劑氦氣從熱交換器的熱側(cè)滲透到冷側(cè))，則需要研究熱交換器材料在高壓差下的氣密性。碳化硅陶瓷材料是制作高溫換熱器的有前景的備選材料，由于碳化硅陶瓷材料的固有脆性，承受較大形變時容易碎裂，所以需對材料進行楊氏模量的測定；而且碳化硅陶瓷材料的致密性差，應(yīng)用于高溫換熱器時需覆涂層以減少氦氣滲透，所以需要對覆涂層的材料進行氣密性實驗。對楊氏模量的測量，最傳統(tǒng)的方法是靜態(tài)法，該方法要求被測樣品需要具備一定的韌性，但是碳化硅陶瓷材料的脆性使其不能夠承受稍微大一點的形變，故靜態(tài)法無法測出其彈性模量的值。目前能測這種脆性材料的彈性模量的方法主要有經(jīng)過改進的靜態(tài)法、聲頻法、壓環(huán)法等，但這些方法測量過程過于復(fù)雜，或者代價過于高昂，而且這些方法在不能對材料的氦氣滲透常數(shù)進行測量。傳統(tǒng)的楊氏模量測量儀無法測定脆性材料的楊氏模量，且需額外實驗測定高壓氦氣對其的滲透常數(shù)，而設(shè)計出一套既能夠準(zhǔn)確測定碳化硅陶瓷材料的楊氏模量，又能夠準(zhǔn)確測定高壓下氦氣對材料的滲透常數(shù)的實驗裝置，在工程領(lǐng)域，特別是核能制氫工藝中，有很高的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對脆性陶瓷材料的特點，提供一種可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是該測量裝置包括氦氣瓶、高壓軟管、卡具及測量電路，卡具由上卡具和下卡具通過螺栓連接組成；下卡具的中心部位設(shè)置圓形通孔，其上表面設(shè)置與圓形通孔同心的圓形槽，并在圓形槽內(nèi)設(shè)置與圓形通孔同心的環(huán)形槽；上卡具有兩種結(jié)構(gòu)形式
第一種上卡具的中心部位設(shè)置圓形通孔，其下表面設(shè)置與圓形通孔同心的圓形槽，并在圓形槽內(nèi)設(shè)置與圓形通孔同心的環(huán)形槽；該圓形通孔的內(nèi)徑、圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑均分別與下卡具的圓形通孔內(nèi)徑、圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑相同；第二種上卡具的中心部位設(shè)置圓形通孔，其下表面設(shè)置與圓形通孔同心的圓形槽，并在圓形槽 內(nèi)設(shè)置與圓形通孔同心的環(huán)形槽；該圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑均分別與下卡具的圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑相同，該圓形通孔的內(nèi)徑大于下卡具圓形通孔的內(nèi)徑，且小于環(huán)形槽的內(nèi)徑；氦氣瓶通過高壓軟管與下卡具的圓形通孔連接；上卡具和下卡具的環(huán)形槽內(nèi)分別放置0型環(huán)，試樣放置于上卡具和下卡具間的圓形槽內(nèi)；所述測量電路為惠斯通電橋電路，與第二種上卡具配合使用，具體結(jié)構(gòu)為電阻R1' R2、R3、Rg依次連接構(gòu)成電橋，R1與R2之間、R2與R3之間、R3與Rg之間、Rg與R1之間的連接點分別定義為A點、B點、C點和D點；在電橋的C點和D點間設(shè)置電壓輸出表Vtjut,電橋的A點和B點間設(shè)置電壓輸入表Vin，電橋的A點與電源負極連接，電橋的B點與滑動變阻器艮連接后與電源的正極連接；Rg為電阻應(yīng)變片，粘貼于試樣的上表面。所述高壓軟管上設(shè)置減壓閥及氣壓表。所述第二種上卡具的圓形通孔的上部設(shè)置錐面的倒角。本發(fā)明還提供了一種基于所述裝置的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量方法，具體有以下3種測量模式(I)對試樣的氣密性進行定性分析將下卡具與第二種上卡具組合并放入試樣，不設(shè)置測量電路，各部件之間均為密封連接；在試樣的上方加入水；高壓氦氣通過減壓閥減壓后進入下卡具的圓形通孔，通過觀察試樣上方的水是否冒出氣泡或冒出氣泡的多少，從宏觀上分析一定壓力下氦氣對試樣滲透率的高低，以決定是否要進行氦氣滲透常數(shù)；(2)對試樣氦氣滲透常數(shù)的測量將下卡具與第一種上卡具組合并放入試樣，各部件之間均為密封連接；在上卡具的圓形通孔內(nèi)密封連接氣體收集裝置；高壓氦氣通過減壓閥減壓后進入下卡具的圓形通孔，從試樣滲出后進入到氣體收集裝置，用排水法測量一定時間內(nèi)收集到的氣體的體積； 計算得到試樣的氦氣滲透率常數(shù)K為
權(quán)利要求
1.可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置，包括氦氣瓶、高壓軟管、卡具及測量電路，其特征在于，卡具由上卡具和下卡具通過螺栓連接組成； 下卡具的中心部位設(shè)置圓形通孔，其上表面設(shè)置與圓形通孔同心的圓形槽，并在圓形槽內(nèi)設(shè)置與圓形通孔同心的環(huán)形槽； 上卡具有兩種結(jié)構(gòu)形式 第一種上卡具的中心部位設(shè)置圓形通孔，其下表面設(shè)置與圓形通孔同心的圓形槽，并在圓形槽內(nèi)設(shè)置與圓形通孔同心的環(huán)形槽；該圓形通孔的內(nèi)徑、圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑均分別與下卡具的圓形通孔內(nèi)徑、圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑相同； 第二種上卡具的中心部位設(shè)置圓形通孔，其下表面設(shè)置與圓形通孔同心的圓形槽，并在圓形槽內(nèi)設(shè)置與圓形通孔同心的環(huán)形槽；該圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑均分別與下卡具的圓形槽的內(nèi)徑及環(huán)形槽的內(nèi)外徑相同，該圓形通孔的內(nèi)徑大于下卡具圓形通孔的內(nèi)徑，且小于環(huán)形槽的內(nèi)徑； 氦氣瓶通過高壓軟管與下卡具的圓形通孔連接；上卡具和下卡具的環(huán)形槽內(nèi)分別放置O型環(huán)，試樣放置于上卡具和下卡具間的圓形槽內(nèi)； 所述測量電路為惠斯通電橋電路，與第二種上卡具配合使用，具體結(jié)構(gòu)為電阻Rp R2、R3、Rg依次連接構(gòu)成電橋，R1與R2之間、R2與R3之間、R3與Rg之間、Rg與R1之間的連接點分別定義為A點、B點、C點和D點；在電橋的C點和D點間設(shè)置電壓輸出表Vtjut,電橋的A點和B點間設(shè)置電壓輸入表Vin，電橋的A點與電源負極連接，電橋的B點與滑動變阻器艮連接后與電源的正極連接；Rg為電阻應(yīng)變片，粘貼于試樣的上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量裝置，其特征在于，所述高壓軟管上設(shè)置減壓閥及氣壓表。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量裝置，其特征在于，所述第二種上卡具的圓形通孔的上部設(shè)置錐面的倒角。
4.一種基于權(quán)利要求I所述裝置的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量方法，其特征在于， (1)對試樣的氣密性進行定性分析 將下卡具與第二種上卡具組合并放入試樣，不設(shè)置測量電路，各部件之間均為密封連接；在試樣的上方加入水；高壓氦氣通過減壓閥減壓后進入下卡具的圓形通孔，通過觀察試樣上方的水是否冒出氣泡或冒出氣泡的多少，從宏觀上分析一定壓力下氦氣對試樣滲透率的高低，以決定是否要進行氦氣滲透常數(shù)； (2)對試樣氦氣滲透常數(shù)的測量 將下卡具與第一種上卡具組合并放入試樣，各部件之間均為密封連接；在上卡具的圓形通孔內(nèi)密封連接氣體收集裝置；高壓氦氣通過減壓閥減壓后進入下卡具的圓形通孔，從試樣滲出后進入到氣體收集裝置，用排水法測量一定時間內(nèi)收集到的氣體的體積； 計算得到試樣的氦氣滲透率常數(shù)K為:K上—，其中，V為收集到氦氣的體積， ΔΡ · At為收集氦氣所用的時間，h為試樣的厚度，Λ P為壓力差，A為氦氣滲透面積； (3)對試樣彈性模量的測量將下卡具與第二種上卡具組合并放入試樣，在試樣的中部設(shè)置電阻應(yīng)變片并連接測量電路； 首先調(diào)節(jié)滑動變阻器Ry使Vin為一定值，記錄在初始狀態(tài)下輸出的電壓值Vtjutl ； 高壓氦氣通過減壓閥減壓后進入下卡具的圓形通孔，試樣受到來自下方的壓力，發(fā)生垂直于表面的微小形變，使電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化；記錄氦氣壓力AP，及該狀態(tài)下輸 出的電壓值
全文摘要
本發(fā)明屬于陶瓷材料測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法。該裝置包括氦氣瓶、高壓軟管、卡具及測量電路，卡具由上卡具和下卡具組成；上卡具有兩種結(jié)構(gòu)形式，測量電路為惠斯通電橋電路。通過下卡具與不同上卡具的組合，使試樣在氦氣的壓力下發(fā)生滲透或變形，從而實現(xiàn)對試樣氦氣滲透率及彈性模量的測量。該裝置成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，且適用于脆性陶瓷材料(如碳化硅)的彈性模量測量。
文檔編號G01N15/08GK102954918SQ201210434008
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者牛風(fēng)雷, 趙云淦, 卓衛(wèi)乾, 齊厚博 申請人:華北電力大學(xué)