Установка для дилатометрических испытаний композиционных материалов при высоких температурах Советский патент 1991 года по МПК G01N25/16 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для измерения температурных коэффициентов линейного расширения образцов из композиционных неметаллических материалов.

Цель изобретения - повышение достоверности испытаний композиционных материалов при высоких температурах за счет уменьшения влияния изменения в процессе испытаний геометрических параметров нагревателя на положение и температурное поле образца.

На фиг. 1 изображена предлагаемая установка; на фиг. 2 - то же, вид сбоку вдоль оси печи (разрез А-А на фиг. 1); на фиг. 3 - конструкция части токоподвода (разрез Б-Б на фиг. 1).

Установка (фиг. 1) состоит из высокотемпературной печи 1, системы измерения тепловых деформаций (фиг. 2) с оптическим блоком 2 (например, горизонтальным микроскопом) и осветителем 3 образца 4. системы измерения температуры (фиг. 1) образца 4, включающей измерительную термопару 5 и регистрирующий прибор 6 (например, самопишущий потенциометр КСП4), системы нагрева образца 4, включающей ведущую термопару 7, высокоточный регулятор 8 температуры (типа ВРТ-3) и регулятор 9 напряжения с силовым трансформатором, соединенный шинами 10 и 11 с фланцами 12 и 13 токоподвода и системы продувки печи 1 инертным газом, включающей баллон 14с редуктором (не показан), ротаметр 15 и трубопровод 16. Печь1 состоит из корпуса 17 и торцовых крышек 18 и 19. Корпус 17 и крышки 18 и 19 снабжены иллюминаторами 20 (фиг. 2) и 21 (фиг. 1) для наблюдения за образцом 4. Внутри печи 1 расположен графитовый трубчатый нагреватель 22, установленный в захватах 23 и 24, каждый из которых выполнен в виде графитовой втулки, имеющей внутреннюю коническую поверхность 25 на участке контакта с трубчатым нагревателем 22 и дисковидный выступ 26 на наружной поверхности. За выступом 26 каждого захвата 23 и 24 расположены токоподводы, состоящие из фланцев 12 и 13 и колец 27 и 28, укрепленных на захватах 23 и 24. Кольца 27 и 28 соединены с фланцами 12 и 13 равномерно расположенными по их периметру гибкими жгутами 29 и 30 и подпружинены в осевом направлении диафрагмами 31 и 32, закрепленными на кольцах 27 и 28 и фланцах 12 и 13. Каждый фланец 12 и 13 закреплен через изолирующие шайбы 33 и 34 и 35 и 36 на корпусе 17 печи 1. Печь 1 и кольца 27 и 28 снабжены соответственно кольцевыми полостями 37- 39 для протока охлаждающей жидкости. Полости 38 и 39 соединены с фланцами 12 и 13 двумя упругими трубчатыми элементами 40 и 41 и 42 и 43, выполненными в виде плоских спиралей и расположенными между дисковидными выступами 26 захватов 23 и 24 и гибкими жгутами 29 и 30. В одной из торцовых крышек 18 печи 1 установлен штуцер 44 для подачи инертного газа, а в другой - штуцер 45 для выхода газа. Внутри печи 1

0 (фиг. 2) коаксиально трубчатому нагревателю 22 установлены тепловые экраны 46 с отверстиями 47 для наблюдения за образцом 4. Опора образца 4 выполнена в виде стакана 48 с коаксиально расположенным

5 внутри него стержнем 49 перпендикулярно оси трубчатого нагревателя 22. Стакан 48 проходит через стенку трубчатого нагревателя 22 в средней его части, экраны 46 и стенку корпуса печи 1 и скреплен с трубча0 тым нагревателем 22 гайкой 50. Стержень 49 одним концом закреплен в днище стакана 48. На другом конце стержня 49 в трубчатом нагревателе 22 установлена призматическая подложка 51 для образца 4.

5 Стержень 49 выполнен полым. Внутренняя полость стержня 49 предназначена для вывода закрепленных к подложке термопар 5 и 7 (фиг. 1), вывод которых из печи осуществляется через разьем 52 (фиг. 2), установлен0 ный на заглушке 53 корпуса 17 печи 1.

Установка работает следующим образом.

Во внутренней полости нагревателя 22 на подложке 51 размещают образец 4. Под5 ают инертный газ от баллона 14 в печь 1, контролируя расход газа ротаметром 15. Включают систему нагрева и подают напряжение на нагреватель 22. Повышая величину проходящего тока через нагреватель 22,

0 увеличивают его температуру до заданной величины. В процессе испытаний регистрируют температуру образца 4 регистрирующим прибором 6, а размеры образца 4 измеряют при помощи блока 2. При низких

5 температурах (до свечения) образец 4 освещают осветителем 3. Система нагрева обеспечивает поддержание (стабилизацию) температуры образца 4 на заданном уровне. Размещение образца 4 на стержневой опо0 ре позволяет повысить точность измерения за счет того, что через образец 4 не течет ток, а положение образца 4 относительно оптического блока 2, нагревателя 22 и экранов 46 остается постоянным. При этом на

5 величину деформации образца 4 не накладываются тепловые деформации (расширение и удлинение) нагревателя 22.

Кроме того, при температурном удлинении нагревателя его смещение осуществляется в обе стороны на одинаковую величину,

что обеспечивается одинаковой податливостью плоских упругих диафрагм 31 и 32. Помимо этого, плоские упругие дифрагмы 31 и 32 предотвращают перекос нагревателя 22 и смещение его оси относительно оси печи. Размещение термопар внутри полого стержня предохраняет их от перегрева и попадания продуктов деструкции при нагреве образца на термопару и исключает необходимость размещения термопар внутри нагревателя,

Испытанию на предлагаемой установке подвергали образцы 4 с поперечными размерами 10x10 мм и длиной до 50 мм, изготовленные из углеметаллопластика и углерод-углеродного композиционного материала. Образцы 4 вырезали из спрессованных плит вулканитовыми дисками в двух направлениях, совпадающих с осями анизотропии материала. Температуру образца задавали в диапазоне от 20 до 2700°С. Термопары при измерениях были расположены вблизи поверхности образца 4, причем до 1600°С использовали платитюродий-плати- новые термопары, а выше - вольфрам-рение- вые термопары. В качестве измерительного прибора применялся потенциометр КСП-4 соответствующийтермопаре модификации.

В результате установлено, что испытания в предлагаемой установке по сравнению с испытаниями в установке-прототипе позволили уменьшить значения абсолютной погрешности измерения удлинения образца.

Таким образом, предлагаемая установ- ка( в отличие от установки-прототипа) позволяет повысить достоверность испытаний за счет уменьшения влияния изменения в процессе испытаний параметров нагревателя на положение и температурное поле образца, исключения прохождения тока через образец и повышения равномерности нагрева образца.

Формула изобретения 1. Установка для дилатометрических испытаний композиционных материалов при высоких температурах, включающая высокотемпературную печь, состоящую из корпуса, графитового трубчатого нагревателя с двумя токоподводами, графитовых захватов

и установленных коаксиально трубчатому нагревателю экранов, систему измерения тепловых деформаций с оптическим блоком и осветителем образца, систему нагрева образца, систему измерения температуры образца и систему продувки печи инертным газом, отличающаяся тем, что. с целью повышения достоверности испытаний за счет уменьшения влияния изменения в процессе испытаний геометрических параметров нагревателя на положение и температурное поле образца, установки снабжена опорой для размещения образца, выполненной в виде стакана с коаксиально

расположенным внутри него стержнем одним концом закрепленным в днище стакана, а на другом конце стержня в трубчатом нагревателе установлена призматическая подложка, причем стакан закреплен на

трубчатом нагревателе в средней части перпендикулярно к его оси и проходит через стенку корпуса печи и экраны, которые изолированы от корпуса печи, а каждый захват трубчатого нагревателя выполнен в виде

графитовой втулки, имеющей внутреннюю коническую поверхность на участке контакта с трубчатым нагревателем и дисковидный выступ на наружной поверхности, за которым последовательно расположены токоподвод и упругая плоская диафрагма, причем токоподвод выполнен в виде непод вижного фланца, закрепленною изолирующие шайбы на корпусе печи, и кольца, укрепленного на захвате и соединенного с

фланцем равномерно расположенными по его периметру гибкими жгутами и подпружиненного в осевом направлении диафрагмой, закрепленной между фланцем и кольцом, причем фланец и кольцо снабжены

полостями для протока охлаждающей среды, соединенными между собой двумя упру- гими трубчатыми элементами, выполненными в виде плоских спиралей и расположенными между дисковидным вы

ступом втулки и гибкими жгутами.

2. Установка по п. 1,отличающаяся тем, что стержень опоры выполнен полым с возможностью вывода прикрепленных к подложке термопар, одна из которых соединена с системой измерения температуры, а другая - с системой нагрева образца.

as

а г

ги

CVi

01

S SdЈ и - S3

U4 -1-л.

6-6

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения температурных коэффициентов линейного расширения образцов Целью изобретения является повышение достоверности испытаний композиционных материалов при высоких температурах. Для этогодилатометрическая установка снабжена опорой для размещения образца в виде стакана с коаксиально расположенным внутри него стержнем, один конец которого закреплен в днище стакана, а другой - соединен с призматической подложкой для саз- мещения испытуемого образца, что позволяет исключить радиальное смещение образца при нагреве, поскольку радиальное тепловое расширение нагревателя компенсируется расширением стержня причем стержень выполнен полым с возможностью вывода прикрепленных к подложке термопар Кроме того трубчатый нагреватель строго центрируется относительно продольной оси корпуса печи и испытуемого образца, причем первоначальное центрирование не нарушается в процессе нагрева Это достигается, во первых за счет выполнения трубчатого нагревателя и захватов с коническими сопрягаемыми поверхностями во вторых, за счет размещения захватов на плосн х упругих диафрагмах, обпадающш одинаковой податливостью в направлении оси нагревателя Для обеспечения нормлль ной работы диафрагмы защиты ее от разогрева при котором диафра.ма теряет свои упругие свойства чхраты трубчатого на.ое вателя Снабжены дигковидными выступа ми предотвращающими попадание /ivчистого потока тепла от трубчатого нагре взтеля на упруие диафрагмы Кроме того упругие трубчатые элементы в виде двойных спиралей, служащие для протока ох л т «дающей среды, являются дополнительными экранами для теплового потока от нагретых элементов печи к упругой диафрагме При этом схема подвода электропитания к трубчатому нагревателю выполнена так что электрический ток протекает через последе вательно соединенные с системой нзгрев неподвижный фланец, жгуты колоцс гра- фитовый захват и трубчатый нагреватель минуя упругую диафрагму, что исключает ее разогрев от прохождения через уее элект рического тока. 1 з. п. ф-лы, 3 ил (Л |0 ел 0 ь Ю оо

29

А/гЗ