一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法
【專利摘要】一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，屬于試驗測定材料參數(shù)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲得材料在試驗過程中的變形情況，結(jié)合高溫力學(xué)試驗機提供的載荷、溫度數(shù)據(jù)，確定材料在真空（充氣）、某特定溫度下的力學(xué)性能參數(shù)。本發(fā)明采用藍光進行補光，在DIC光學(xué)測量鏡頭前加藍光濾光片，并采用對噴濺到試樣上的散斑進行烘烤，來滿足高溫下DIC的正確使用。本發(fā)明操作簡單，可重復(fù)性強，不僅能夠模擬材料的熱沖擊，還能更精確地、全面地反映防熱材料在高溫條件下的力學(xué)響應(yīng)，能夠直觀反映在試驗中以往不能觀察和測量到的材料整體變形情況和橫向變形系數(shù)，能夠使材料性能參數(shù)的表征變得更加真實、有效。
【專利說明】一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于試驗測定材料參數(shù)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種防熱材料在高溫條件下材料力學(xué)性能試驗參數(shù)的測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超高溫陶瓷、C/C復(fù)合材料等防熱材料廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、現(xiàn)代空間技術(shù)等領(lǐng)域，以滿足其對高溫條件下隔熱系統(tǒng)的需求。在高溫條件下，不僅需要滿足一定的熱學(xué)性能，而且對材料的力學(xué)性能也提出了更高的要求。這是由于材料在從常溫到達高溫，時間短暫，會對材料造成很強的熱沖擊，產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，有效模擬這種熱沖擊并表征材料在高溫條件下的力學(xué)性能，成了防熱材料應(yīng)用的關(guān)鍵一步。
[0003]高溫力學(xué)性能測試系統(tǒng)在真空(充氣)條件下采用快速通電加熱技術(shù)來模擬材料從常溫到高溫條件，并使用電子萬能試驗機進行力學(xué)性能測試，以表征材料在高溫條件下的力學(xué)性能，滿足高超聲速飛行器及熱防護系統(tǒng)等領(lǐng)域設(shè)計和研究中對材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的需求。以往材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的獲得是通過在高溫、真空或充氣等環(huán)境下進行高溫拉伸、壓縮和彎曲試驗，并使用高溫引伸計(拉伸和壓縮)和耐高溫差動變壓器(彎曲)獲得變形數(shù)據(jù)來完成的。但高溫引伸計和耐高溫差動變壓器安裝較復(fù)雜，精度較差，測量的為試樣在標距段內(nèi)的平均變形，不能反映材料整體真實變形情況，同時高溫引伸計和耐高溫差動變壓器在測量過程中需要壓頭緊緊壓住試樣，以滿足跟材料一起變形的需要，這無疑對材料的變形產(chǎn)生了一定的影響，而且無法獲得材料的橫向變形系數(shù)(泊松比)，這些因素的綜合作用使得現(xiàn)有技術(shù)對表征材料的力學(xué)性能帶來一定的困難。
[0004]光學(xué)非接觸式變形測量系統(tǒng)采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，之后再對比變形后的散斑與變形前的參考散斑，這相當(dāng)于在試樣表面貼上了若干個虛擬應(yīng)變片，從而實現(xiàn)變形過程中物體表面的三維坐標、位移及應(yīng)變的測量，具有便攜，速度快，精度高，易操作等特點。但在高溫條件下，材料本身會發(fā)熱、發(fā)亮，產(chǎn)生紅光，對散斑觀測產(chǎn)生較大影響，甚至可能觀測不到散斑。更關(guān)鍵的是，散斑在高溫條件下會逐漸從試樣表面脫落，導(dǎo)致無法獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對防熱材料高溫、真空(充氣)條件下的力學(xué)性能的測試與表征，本發(fā)明提出了一種用于精確測定參數(shù)的方法，即:使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，包括如下步
驟:
一、將高溫下附著力強、常溫下容易分散的白色粉末，如鋁基陶瓷粉末，與水的質(zhì)量比在2.5^4.5:1范圍內(nèi)均可，兩者混合并充分攪拌以形成懸濁液，然后使用毛刷均勻噴濺到試樣標距段內(nèi)的表面上，同時保證表面上白色粉末斑點清晰可見、分布大致均勻，以形成形狀、大小等特征各不相同的散斑；
二、將帶有散斑的試樣在8(T12(TC的恒溫箱內(nèi)下烘烤If36小時，使粉末內(nèi)的水分揮發(fā)，同時恒溫烘烤處理后散斑與試樣附著力將會變得更強，在試驗中散斑不易脫落；
三、在高溫力學(xué)試驗機的真空爐外部觀察窗附近架設(shè)兩個DIC數(shù)字光學(xué)攝像機，攝像機與用于數(shù)字圖像采集并處理的計算機連接，并使用藍光光源對真空爐內(nèi)部進行補光，在DIC數(shù)字光學(xué)攝像機鏡頭前加藍光濾光片，試驗準備完成后，使用一個隨機分布有黑色斑點的3cmX3cm白板對DIC數(shù)字光學(xué)攝像機的數(shù)字光學(xué)測量系統(tǒng)進行調(diào)試和初始化，調(diào)節(jié)鏡頭的光圈和曝光，使攝像機捕捉到的白板上的黑點圖像在DIC數(shù)字光學(xué)攝像機最高的曝光頻率下仍然能夠清晰辨別出來；
四、在高溫力學(xué)試驗機上對防熱材料進行1000V以上、2000°C以下的范圍內(nèi)某一溫度下的高溫拉伸、壓縮或三點彎曲試驗，在試驗過程中使用攝像機對試樣表面的散斑實時拍照采集，直至試樣破壞結(jié)束；
五、DIC將獲得材料標距段內(nèi)的全場坐標、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，與力學(xué)試驗機獲得的載荷、溫度等數(shù)據(jù)進行結(jié)合，處理后得到防熱材料在拉伸、壓縮或三點彎曲條件下的高溫力學(xué)性能參數(shù)。 [0007]本發(fā)明基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲得材料在試驗過程中的變形情況，結(jié)合高溫力學(xué)試驗機提供的載荷、溫度數(shù)據(jù)，確定材料在真空(充氣)、某特定溫度下的力學(xué)性能參數(shù)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明采用藍光進行補光，在DIC光學(xué)測量鏡頭前加藍光濾光片，并采用對噴濺到試樣上的散斑進行烘烤，來滿足高溫下DIC的正確使用。
[0008]2、本發(fā)明操作簡單，可重復(fù)性強，不僅能夠模擬材料的熱沖擊，還能更精確地、全面地反映防熱材料在高溫條件下的力學(xué)響應(yīng)，特別地能夠直觀反映在試驗中以往不能觀察和測量到的材料整體變形情況和橫向變形系數(shù)，能夠使材料性能參數(shù)的表征變得更加真實、有效。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為濺射到試樣表面的散斑圖；
圖2為DIC技術(shù)的測量原理示意圖；
圖3為試樣在拉伸過程中某一時候的位移云圖；
圖4為在拉伸過程中某一時候試樣表面的應(yīng)變云圖；
圖5為在拉伸過程中某一時候試樣表面的泊松比云圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0011]以石墨材料在真空、1200 C下的聞溫拉伸實驗為例進彳丁具體說明: 1、在高溫力學(xué)試驗機的真空爐外面觀察窗口附近架設(shè)兩個DIC光學(xué)鏡頭，分別在兩個鏡頭前加裝藍色濾光片，并在窗口處安裝兩個藍色補光光源，這樣做的目的是因為在高溫狀態(tài)下，試樣會發(fā)紅發(fā)亮，但試樣表面陶瓷粉末不會發(fā)亮，從而粉末斑點從常溫的白點狀態(tài)變成高溫下的黑點，為使試樣表面能夠更好地區(qū)分特征點，進行藍光補光，并在鏡頭前加裝藍色濾光片；
2、將防熱材料加工至高溫力學(xué)性能試驗所需的尺寸、大小要求后，根據(jù)實驗所需的溫度要求，按照3:1的比例配制鋁基陶瓷粉末與水的混合物，并充分攪拌，以形成懸濁液，然后使用毛刷噴濺到試樣表面，保證在試樣標距段內(nèi)混合物分布均勻，這樣混合物在試樣表面離散分布，斑點將能明顯區(qū)分出來。然后把濺射有混合物的試樣放入恒溫箱進行200F(93.3°C)條件下的24小時的烘烤，保證混合物中的水分充分揮發(fā)，而且斑點在試樣表面充分附著。經(jīng)過恒溫處理后的試樣如圖1所示；
3、將超高溫力學(xué)性能測試系統(tǒng)和DIC設(shè)備準備至試驗狀態(tài)，并使用標準板對DIC設(shè)備進行標定。把試樣安裝到試驗機夾頭上，為與接觸式變形系統(tǒng)進行比較，在試樣標距段內(nèi)同時安裝高溫引伸計；
4、將真空爐的前后門關(guān)閉，對真空爐內(nèi)抽取真空，使爐內(nèi)真空度為20Pa左右，然后設(shè)定加熱程序，如最終溫度、升溫速率等，開啟主電極電源，對試樣進行通電加熱；
5、待試樣溫度達到設(shè)定的值并穩(wěn)定后,對試樣進行拉伸試驗,按照0.5mm/min的速率進行，同時采用兩個高速攝像機以IHz的頻率對試樣表面的散斑實時拍照采集，直至試樣拉伸破壞結(jié)束；
6、關(guān)閉主電極電源和機械泵電源，取出試樣，觀察試樣的破壞形式，理想狀態(tài)為試樣在標距段內(nèi)某一位置處破壞。然后利用數(shù)字圖像相關(guān)法，如Zhang標定法(張正友.一種用于相機標定的柔性新技術(shù).1EEE模式分析與機器智能匯刊.2000.22 (11):1330-1334)來實現(xiàn)DIC設(shè)備采集到的散斑與試樣表面變形點的匹配，根據(jù)各點的視差數(shù)據(jù)和預(yù)先標定得到的相機參數(shù)重建物面計算點的三維坐標，并通過比較每一變形狀態(tài)測量區(qū)域內(nèi)各點的三維坐標的變化得到物面的位移場，進一步計算得到物面應(yīng)變場，其原理示意圖如圖2所示；
7、按照步驟6的原理，得到試樣在拉伸過程中某一時候的位移云圖，如圖3所示，由于試樣下端與下夾頭位置保持不動，試樣上端與上夾頭一起運動，材料均勻變形，故位移從下端到上端沿著拉伸方向線性變化，表現(xiàn)在云圖上為顏色從下端到上端沿著拉伸方向逐漸變深，同時可以發(fā)現(xiàn)云圖上端的位移與夾頭的實際位移也相當(dāng)吻合，表明DIC技術(shù)相當(dāng)可信。進而獲得試樣表面的應(yīng)變云圖，如圖4所示，同時獲得材料在拉伸過程中以往技術(shù)不能觀察到的橫向變形系數(shù)分布(泊松比)分布，如圖5所示；
8、重復(fù)步驟7的操作，得到材料在整個拉伸過程中每隔一段時間的位移、應(yīng)變、泊松比分布與數(shù)據(jù)，再結(jié)合力學(xué)試驗機的載荷數(shù)據(jù)，將載荷除以標距段的橫截面面積得應(yīng)力，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖，取其線性段的斜率為材料在某超高溫溫度下的模量，若材料最終破壞發(fā)生在標距段被，則將最大載荷除以標距段的橫截面面積得材料在某超高溫溫度下的強度，泊松比則直接由泊松比云圖得到；
9、最后對以上8步所得到的數(shù)據(jù)和圖片進行整理，得到防熱材料在某溫度下的模量、強度、泊松比等力學(xué)性能參數(shù)，同時還可得到材料在試驗過程中的位移、應(yīng)變、泊松等變化規(guī)律。
【權(quán)利要求】
1.一種使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、將高溫下附著力強、常溫下容易分散的白色粉末與水混合并充分攪拌以形成懸濁液，然后均勻噴濺到試樣標距段內(nèi)的表面上形成散斑； 二、將帶有散斑的試樣進行烘 烤，使粉末內(nèi)的水分揮發(fā)； 三、在高溫力學(xué)試驗機的真空爐外部觀察窗附近架設(shè)兩個與用于數(shù)字圖像采集并處理的計算機連接的DIC數(shù)字光學(xué)攝像機，并使用藍光光源對真空爐內(nèi)部進行補光，在DIC數(shù)字光學(xué)攝像機鏡頭前加藍光濾光片，試驗準備完成后，對DIC數(shù)字光學(xué)攝像機的數(shù)字光學(xué)測量系統(tǒng)進行調(diào)試和初始化，調(diào)節(jié)鏡頭的光圈和曝光，使攝像機捕捉到的白板上的黑點圖像在DIC數(shù)字光學(xué)攝像機最高的曝光頻率下仍然能夠清晰辨別出來； 四、在高溫力學(xué)試驗機上對防熱材料進行1000°C以上、2000°C以下的范圍內(nèi)某一溫度下的高溫拉伸、壓縮或三點彎曲試驗，在試驗過程中使用攝像機對試樣表面的散斑實時拍照采集，直至試樣破壞結(jié)束； 五、DIC將獲得材料標距段內(nèi)的全場坐標、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，與力學(xué)試驗機獲得的數(shù)據(jù)進行結(jié)合，處理后得到防熱材料在拉伸、壓縮或三點彎曲條件下的高溫力學(xué)性能參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于所述高溫下附著力強、常溫下容易分散的白色粉末為鋁基陶瓷粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于所述白色粉末與水的質(zhì)量比為2.5^4.5:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于所述白色粉末與水的質(zhì)量比為3:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于所述烘烤溫度為8(Tl20°C，烘烤時間為18~36小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于所述烘烤溫度為93.3°C，烘烤時間為24小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確確定防熱材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的方法，其特征在于使用一個隨機分布有黑色斑點的3cmX 3cm白板對DIC數(shù)字光學(xué)攝像機的數(shù)字光學(xué)測量系統(tǒng)進行調(diào)試和初始化。
【文檔編號】G01N3/18GK104034601SQ201410314141
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】徐德昇, 許承海, 王偉, 孟松鶴, 杜善義 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)