本發(fā)明屬于材料高溫力學性能測試技術鄰域，具體涉及一種高溫真空環(huán)境下測試導體材料力學性能的系統(tǒng)及測試方法。

技術背景

隨著現(xiàn)在空天技術的發(fā)展，高超聲速飛行器得到了許多國家的高度重視。高超聲速飛行器在稠密大氣層中飛行時，與空氣產生劇烈的摩擦作用，飛行器的大部分動能轉化為熱能，致使端頭溫度急劇升高。根據(jù)初步氣動熱環(huán)境估算，端頭再入氣動加熱在2500℃(滑行12000km)，大面積再入氣動加熱溫度介于400-1100℃之間。為保證飛行器的安全，其熱防護系統(tǒng)的材料在高溫下必須保持一定的承載能力。建立測試材料在高溫環(huán)境下拉伸強度和模量的方法對于科學表征材料的力學性能具有重要作用。

目前，測試材料在高溫環(huán)境下的力學性能存在一定的難度。長春試驗機研究所的辛寶森在《2500℃高溫真空拉伸爐研究報告》中采用輻射式加熱和高溫引伸計實現(xiàn)了高溫環(huán)境下材料拉伸性能的測試，由于輻射加熱時間較長，因此試驗效率較低。張貴清在《一種可控環(huán)境高溫力學試驗機》中采用輻射式加熱，實現(xiàn)了材料在1500℃-1600℃的力學性能測試，測試氣氛可控，但未涉及應變的測量。周子源在《小型超高溫力學性能測試裝置》中，采用通電式加熱，實現(xiàn)超高溫陶瓷材料在大氣環(huán)境下力學性能的測試，但是無法實現(xiàn)材料在高溫真空環(huán)境下力學性能和應變的測量。還有其他學者在這方面也做了相關研究。在加熱上，主要有通電加熱，感應加熱和輻射加熱，輻射加熱升溫速率較慢，效率較低，而且控溫不夠精確，反應較慢；感應加熱一般將試樣放入線圈中心，然后在線圈上通入中、高頻交流電，實現(xiàn)感應加熱。這種方法的優(yōu)點是升溫較快，溫度場較均勻，缺點是無法實現(xiàn)對試樣整個變形場的測量。在溫度測量上，一種是采用熱電偶測量材料所處環(huán)境溫度或者直接測量材料表面溫度，前者測量的是環(huán)境溫度而不是材料溫度，導致溫度測量的不準確；后者由于熱電偶與材料表面接觸，從而影響材料本身的力學性能和溫度場。在應變測量上，多是采用高溫引伸計，由于引伸計與材料側面接觸，也會對材料的力學性能和溫度場造成影響。

技術實現(xiàn)要素：

基于以上的不足之處，本發(fā)明公開一種高溫真空環(huán)境下測試導體材料力學性能的系統(tǒng)，實現(xiàn)材料在600℃-3000℃溫度范圍的高溫拉伸、壓縮強度和模量等力學性能的測試，解決了目前材料在高溫力學性能測試中，升溫速率慢，測溫不精確，應變測量困難，材料被氧化等問題。

本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種高溫真空環(huán)境下測試導體材料力學性能的系統(tǒng)，包括高溫變形測試子系統(tǒng)、溫控子系統(tǒng)和加載子系統(tǒng)，

高溫變形測試子系統(tǒng)包括兩個CCD相機、藍色光源和第一計算機，兩個CCD相機通過數(shù)據(jù)線與第一計算機相連，藍色光源用于在采集圖像數(shù)據(jù)的過程中補充單色藍光，同時在兩個CCD相機的鏡頭前加窄帶的藍色濾光片，第一計算機記錄并保存兩個CCD相機采集到的圖像數(shù)據(jù)；

溫控子系統(tǒng)包括雙比色高溫計、電極、溫控箱和第二計算機，雙比色高溫計通過光纖和溫控箱相連，電極通過通電線與溫控箱相連，溫控箱與第二計算機連接，雙比色高溫計將測量的溫度數(shù)據(jù)通過溫控箱反饋給第二計算機，第二計算機使用PID控制程序通過溫控箱調節(jié)輸出電流的大小，對試樣溫度進行調節(jié)，保證試驗過程中溫度的穩(wěn)定；

加載子系統(tǒng)包括力學試驗機、高溫夾具、真空環(huán)境艙，高溫夾具在真空環(huán)境艙內，高溫夾具與力學試驗機的連桿相連接，真空環(huán)境艙與力學試驗機的連桿通過密閉的金屬波紋管連接，拉伸或壓縮過程在真空環(huán)境艙中進行，真空環(huán)境艙前后留有石英玻璃窗口，高溫夾具夾持試樣，試樣通過力學試驗機加載，第二計算機采集并記錄試驗過程中的位移和載荷數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還具有如下技術特征：所述的兩個CCD相機的位置關于試樣呈對稱分布，兩個CCD相機夾角為20℃。

本發(fā)明的另一個目的是為了測試導體材料在高溫下的力學性能，采用非接觸式的高溫變形測試技術，建立測試材料高溫真空環(huán)境下的拉伸、壓縮模量和高溫力學強度的方法。

本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn)：一種高溫真空環(huán)境下測試導體材料力學性能的測試方法，如下：

(1)采用毛刷噴濺的方式給材料表面制作高溫散斑，先在常溫下干燥，再在干燥箱92℃環(huán)境中干燥2小時；檢查試樣外觀，編號并記錄試樣表面狀態(tài)，用卡尺測量試樣標距區(qū)任意3處寬度和厚度，取平均值；安裝試樣，保證試樣軸線和試驗機的連桿軸線重合；

(2)調整雙比色高溫計的上中下三段，使其指示激光分別打在試樣的上中下三段，并保證緊固不晃動；調整兩個CCD相機的位置關于試樣呈對稱分布，兩個CCD相機夾角為20℃，同時調整藍色光源，使試樣在第一計算機的顯示器中的大小，曝光清晰；

(3)去除預載荷，關閉真空室門、進氣閥和放氣閥；抽真空，當真空環(huán)境艙的真空度達到試驗要求后，力學試驗機的測力傳感器清零，采用位移控制，速率為2mm/min，對試樣進行預加載200N，并使其在升溫過程中預載荷保持不變，以保證試樣與夾具的緊密接觸；

(4)打開電極開關，啟動升溫，升溫速率為20℃/s，等溫度達到目標溫度后，按位移加載，加載速率為1mm/min，直至試驗結束；

(5)試驗結束后，關閉加熱電源，結束溫度控制，保存位移、載荷數(shù)據(jù)，CCD相機的圖像數(shù)據(jù)；

(6)對圖像數(shù)據(jù)進行灰度化處理，將每幀圖像轉化為一個矩陣，矩陣中數(shù)值的位置對應相應像素點的位置，數(shù)值大小對應相應灰度值；

(7)對圖像區(qū)域劃分為不同的單元網格，每個單元的尺寸為(2M+1)×(2M+1)，2M+1代表單元的寬度，單位為像素，子區(qū)中心點坐標(x₀,y₀),其相鄰一點為(x_i,y_i),變形后坐標分別變?yōu)?x′₀,y′₀),相鄰一點為(x′_i,y′_i)，f(x_i,y_i)為參考圖像子區(qū)中點(x_i,y_i)的灰度值，g(x′_i,y′_i)為變形后圖像子區(qū)中點(x′_i,y′_i)的灰度值.P點水平位移為u，豎直位移為v，Q點水平位移為u_Q,豎直位移為v_Q，兩者位移之間的關系為：

Δx＝x_i-x₀,Δy＝y(tǒng)_i-y₀

Q點變形前后坐標之間的關系為

x′_i＝x_i+u_Q,y′_i＝y(tǒng)_i+v_Q

采用如下相關函數(shù)：

設由以上關系，得到

C(x_i,y_i,x′_i,y′_i)＝C(P)

通過迭代算法，確定P值，即位移場；

(9)得到位移場后，通過形函數(shù)，得到相關應變場：

其中以上分別為x方向應變，y方向應變和x-y面的剪應變；

(10)通過以下公式計算平均應變和拉伸、壓縮模量，并繪制應力應變曲線：

其中，n為像素點數(shù)，ε_i為第i個像素點的應變值，為場平均應變，為場平均應變的增量，Δσ為相應的應力增量，E為高溫下的彈性模量。

本發(fā)明試驗效率高，實現(xiàn)了試樣在室溫到3000℃溫度范圍的應變全場測試、高溫拉伸、壓縮強度和模量測試。具有測量精確，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，對表征和評價材料在高溫真空環(huán)境下的力學性能具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖；

圖2是C/C材料1000℃單軸拉伸全場應變圖；

圖3是C/C材料1000℃單軸拉伸應力應變曲線圖；

圖4是兩個CCD相機與試樣的位置關系俯視圖；

圖5是試樣變形前后子區(qū)對比圖；

圖6是C/C材料1200℃單軸壓縮全場應變圖；

圖7是C/C材料1000℃單軸壓縮應力應變曲線圖。

具體實施方式

下面根據(jù)說明書附圖舉例對本發(fā)明做進一步說明：

實施例1

如圖1、4所示，一種高溫真空環(huán)境下測試導體材料力學性能的系統(tǒng)，包括高溫變形測試子系統(tǒng)、溫控子系統(tǒng)和加載子系統(tǒng)，

高溫變形測試子系統(tǒng)包括兩個CCD相機1、LED藍色光源2和第一計算機3，兩個CCD相機1通過數(shù)據(jù)線與第一計算機3相連，LED藍色光源2用于在采集圖像數(shù)據(jù)的過程中補充單色藍光，同時在兩個CCD相機1的鏡頭前加窄帶的藍色濾光片，第一計算機3記錄并保存兩個CCD相機1采集到的圖像數(shù)據(jù)；

溫控子系統(tǒng)包括雙比色高溫計4、電極5、溫控箱6和第二計算機7，雙比色高溫計4通過光纖和溫控箱6相連，電極5通過通電線與溫控箱6相連，溫控箱6與第二計算機7連接，雙比色高溫計4將測量的溫度數(shù)據(jù)通過溫控箱6反饋給第二計算機7，第二計算機7使用PID控制程序通過溫控箱6調節(jié)輸出電流的大小，對試樣溫度進行調節(jié)，保證試驗過程中溫度的穩(wěn)定；

加載子系統(tǒng)包括力學試驗機8、高溫夾具9、真空環(huán)境艙10，高溫夾具9在真空環(huán)境艙內，高溫夾具9通過螺紋與力學試驗機8的連桿相連，真空環(huán)境艙10與力學試驗機8的連桿通過密閉的金屬波紋管連接，拉伸或壓縮過程在真空環(huán)境艙10中進行，真空環(huán)境艙10前后留有石英玻璃窗口11，高溫夾具9夾持試樣，試樣通過力學試驗機加載，第二計算機7采集并記錄試驗過程中的位移和載荷數(shù)據(jù)，真空環(huán)境艙10壁和高溫夾具9為中空設計，試驗過程中通入循環(huán)冷卻水，降低真空環(huán)境10艙壁和高溫夾具的溫度。所述的兩個CCD相機1的位置關于試樣呈對稱分布，兩個CCD相機1夾角為20℃。

實施例2

采用實施例1的系統(tǒng)得出的一種高溫真空環(huán)境下測試導體材料力學性能的測試方法，如下：

(1)采用毛刷噴濺的方式給材料表面制作高溫散斑，先在常溫下干燥，再在干燥箱92℃環(huán)境中干燥2小時；檢查試樣外觀，編號并記錄試樣表面狀態(tài)，用卡尺測量試樣標距區(qū)任意3處寬度和厚度，取平均值，并記錄數(shù)據(jù)如表1；安裝試樣，保證試樣軸線和試驗機的拉力軸線重合；

表1

(2)調整雙比色高溫計的上中下三段，使其指示激光分別打在試樣的上中下三段，并保證緊固不晃動；調整兩個CCD相機的位置關于試樣呈對稱分布，兩個CCD相機夾角為20℃，同時調整LED藍色光源，使試樣在第一計算機的顯示器中的大小，曝光清晰；

(3)去除預載荷，關閉真空室門、進氣閥和放氣閥；抽真空，當真空環(huán)境艙的真空度達到試驗要求后，力學試驗機的測力傳感器清零，采用位移控制，速率為2mm/min，對試樣進行預加載200N，并使其在升溫過程中預載荷保持不變，以保證試樣與夾具的緊密接觸；

(4)打開電極開關，啟動升溫，升溫速率為20℃/s，等溫度達到目標溫度后，按位移加載，加載速率為1mm/min，直至試驗結束；

(5)試驗結束后，關閉加熱電源，結束溫度控制，保存位移、載荷數(shù)據(jù)，CCD相機的圖像數(shù)據(jù)，如圖2所示；

(6)對圖像數(shù)據(jù)進行灰度化處理，將每幀圖像轉化為一個矩陣，矩陣的位置為像素點的位置，值為相應灰度值；

(7)如圖5所示，對圖像矩陣劃分為不同的單元網格，每個單元的尺寸為(2M+1)×(2M+1)，2M+1代表單元的寬度，單位為像素，子區(qū)中心點坐標(x₀,y₀),其相鄰一點為(x_i,y_i),變形后坐標分別變?yōu)?x′₀,y′₀),相鄰一點為(x′_i,y′_i)，f(x_i,y_i)為參考圖像子區(qū)中點(x_i,y_i)的灰度值，g(x′_i,y′_i)為變形后圖像子區(qū)中點(x′_i,y′_i)的灰度值.P點水平位移為u，豎直位移為v，Q點水平位移為u_Q,豎直位移為v_Q，兩者位移之間的關系為：

Δx＝x_i-x₀,Δy＝y(tǒng)_i-y₀

Q點變形前后坐標之間的關系為

x′_i＝x_i+u_Q,y′_i＝y(tǒng)_i+v_Q

采用如下相關函數(shù)：

設由以上關系，得到

C(x_i,y_i,x′_i,y′_i)＝C(P)

通過迭代算法，確定P值，即位移場；

(9)得到位移場后，通過形函數(shù)，得到相關應變場：

其中以上分別為x方向應變，y方向應變和x-y面的剪應變；

(10)如圖3所示，通過以下公式計算平均應變和拉伸模量，并繪制應力應變曲線：

其中，n為像素點數(shù)，ε_i為第i個像素點的應變值，為場平均應變，為場平均應變的增量，Δσ為相應的應力增量，E為高溫下的彈性模量。

實施例3

本實施采用的試驗方法同實施例2，不同的是采用力學試驗機對試樣進行壓縮，得到的結果如圖6和圖7所示，試驗數(shù)據(jù)結果如表2所示：

表2