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专利名称：梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统的建立及损伤 性能测试方法，属于力学实验与物理性能耦合分析技术领域。
背景技术：
梯度复合材料广泛应用于热防护、电磁防护等领域。由于长期工作在热力电磁耦 合作用条件下，而梯度材料是由不同材料组成的，材料的热膨胀系数差异将导致材料内部 产生热应力，从而影响其力学可靠性能，造成力学损伤。因此，测试梯度材料在通过电流后 的实际工作情况对其力学、电磁学可靠性能进行正确评价具有重要的理论意义和应用价 值。由于梯度材料的非均质性及电磁耦合性能的复杂性，给其损伤性能测试带来诸多困难， 梯度材料测试需要很高的平衡度和测试精度。如果这样的问题无法解决，就使得对梯度材 料力学、电磁学性能指标的测试无法进行。

发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系 统与测试方法。该系统与方法采用直流电测试材料在物理力学耦合作用下的物理力学性能 与三维表征。本发明技术方案是梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统由三个部件 组成一电磁部件、工装部件与存储部件。(1)电磁部件。电磁部件由直流稳压电源、函数 发生器和多路放大器组成。直流稳压电源通过由函数发生器控制的多路放大器与梯度材 料相连，负责给梯度材料施加热电流；(2)工装部件。工装部件由四个夹具和四个传感器组 成。传感器被固定在夹具上，通过夹具的移动，使传感器接触到梯度材料，夹具通过导线与 多路放大器相连；(3)存储部件。存储部件包括磁带梯度仪以及与磁带梯度仪相连的磁盘 阵列。两个夹具通过导线与磁带梯度仪的两个端口相连，负责进行反馈控制，磁盘阵列将控 制结果通过磁带梯度仪传输给函数发生器，然后给梯度材料施加修正后的热电流。本发明梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统的测试方法，利用上述测 试系统的具体步骤如下(1)利用直流电在具有陶瓷金属的梯度材料上产生的热冲击，使得具有不同热膨 胀系数的陶瓷金属梯度材料间产生热冲击应力，固而导致梯度材料的热冲击损伤和热力电 磁耦合损伤；(2)对梯度材料施加直流电，测试与观察梯度材料物理耦合现象的发生与演 化过程。本发明所测试的梯度材料为通过自蔓延燃烧合成法制得的梯度材料。本发明对梯 度材料施加的电流密度为19mA/cm2 161mA/cm2。本发明基本原理是对梯度材料施加直流电时，利用直流电在材料上产生的热冲 击，使得具有不同热膨胀系数的陶瓷与金属梯度材料产生热冲击应力，从而导致梯度材料 产生热冲击损伤，可以实时的观察与测试梯度材料发生损伤的过程。本发明可对具有微米尺度的梯度材料进行损伤测试与评价并对材料在热力电磁耦合作用下的物理力学性能进 行三维表征。本发明的特点在于1.实验测试的传统方法是将梯度材料夹持在力学材料试验机上，传统的大尺寸梯 度材料比较容易夹持。与传统方法不同，本发明测试的梯度材料在微尺度，建立的系统可 通过直流电诱发系统产生热冲击行为，又可对梯度材料施加直流电测试材料的物理力学性 能，无需考虑传统力学性能试验机的空间布置和精度限制。2.本发明所建立的系统在整个测试过程中都可用扫描电镜的CCD探头对梯度材 料进行实时观测与分析。3.本系统对梯度材料施加直流电和复杂波形载荷电流的功能，可对梯度材料的诸 多物理性能进行测试。本系统可对梯度材料压电、压磁器件进行三维表征与分析。


图1为梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统电磁学原理示意图。图2为本发明梯度材料分析的工装部件结构示意图。图1、2中，1-电磁部件，2-工装部件，3-存储部件，4-自蔓延合成梯度复合材料， 5_夹具，6-传感器。
具体实施例方式如图1，2所示，本系统配置有一个磁盘阵列系统，在计算机工作站上进行搭建，它 有四个控制位移的夹具，其位移精度为微米，其测试系统由三个部件组成电磁部件(1)， 工装部件(2)和存储部件(3)。电磁部件(1)包括直流稳压电源、函数发生器和多路放大 器。直流稳压电源给梯度材料施加热电流，函数发生器的作用在于输出具有不同波形的功 率的输出信号，该信号通过多路放大器，放大施加于梯度材料上具有一定能量的热电流，保 证在梯度材料上具有足够的电流密度。工装部件(2)由四个夹具和四个传感器组成。传感 器探头直径为20 37 μ m,传感器固定在夹具上通过夹具的位移，使传感器的探头接触到 梯度材料，夹具通过导线与多路放大器的端口相连。存储部件(3)包含磁带梯度仪以及与 磁带梯度仪相连的磁盘阵列。两个夹具通过导线与磁带梯度仪相连，负责进行反馈控制。磁 盘阵列和计算机将分析结果通过磁带梯度仪传输给函数发生器，然后给材料施加修正后的 热电流。为了能够测量梯度材料中实际的强度升高，需要测出梯度材料的电流和电压值，以 便计算出电流在梯度材料中引起的热冲击应变的大小。计算机通过磁盘阵列没得的电流和 电压信号进行分析，通过磁带记录仪将分析结果反馈给函数发生器，再由函数发生器控制 多路放大器对电流进行修正。利用直流电在陶瓷金属梯度材料上产生热冲击，从而导致梯度材料热冲击损伤与 热力电磁耦合损伤，观察其演化过程。其中(1)梯度材料的加工，利用自蔓延燃烧合成法 制备陶瓷金属梯度复合材料；(2)工装连接，通过对夹具的位移控制使传感器探头接触到 梯度材料，然后连通电路，整个测试系统的电磁原理图如图1所示。发明测试所用的梯度材料是采用自蔓延燃烧合成法制备的微米尺度的陶瓷金属 梯度材料。采用自蔓延燃烧合成法制得的梯度材料尺寸可根据具体要求改变。同一组试验 中，材料尺寸一致。
实施方式本发明测试系统电磁原理图如图1所示。采用自蔓延燃烧合成法在金 属基体上制备了具有121 μ m厚度的梯度层，切割成宽为20 μ m，长为69 μ m的梯度材料样 品。如图2所示，将传感器探头固定在夹具上，控制夹具的位移，使得传感器的探头接触到 梯度材料，然后对梯度材料施加的电流密度为82mA/cm2。实际搭建如图2所示，由于直流电 在梯度材料中产生交变的热应力，梯度材料经过7. 58X IO5秒后，产生了孔洞和微裂纹与损 伤，进一步直流电直到产生失效破坏。在整个测试过程中，用扫描电镜的CXD探头和高倍光学显微镜进行录像和观测， 分析梯度材料产生热损伤的演化过程和行为，磁盘阵列记录了梯度材料热损伤及其完全失 效的时间，从而获得梯度材料热损伤整体演化过程。
权利要求
梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征在于整个热力电磁耦合损伤测试系统由三个部件组成。(1)电磁部件。电磁部件由直流稳压电源、函数发生器和多路放大器组成。直流稳压电源通过由函数发生器控制的多路放大器与梯度材料相连，负责给梯度材料施加热电流。(2)工装部件。工装部件由四个夹具和四个传感器组成。传感器被固定在夹具上，通过夹具的移动，使传感器接触到梯度材料，夹具通过导线与多路放大器相连。(3)存储部件。存储部件包括磁带梯度仪以及与磁带梯度仪相连的磁盘阵列。两个夹具通过导线与磁带梯度仪的两个端口相连，负责进行反馈控制，磁盘阵列将控制结果通过磁带梯度仪传输给函数发生器，然后给梯度材料施加修正后的热电流。
2.如权力要求书1所述梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征还在 于测试系统还包括动态观察部分。动态观察部分包括对梯度材料进行动态观察与摄像用的 扫描电镜和高倍光学显微镜。
3.如权力要求书1所述梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征还在 于传感器探头的直径为20 37 μ m。
4.如权力要求书1所述梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，利用该测试 系统的具体步骤如下(1)利用直流电在具有陶瓷金属的梯度材料上产生的热冲击，使得具有不同热膨胀系 数的陶瓷金属梯度材料间产生热冲击应力，固而导致梯度材料的热冲击损伤和热力电磁耦 合损伤。(2)对梯度材料施加直流电，测试与观察梯度材料物理耦合现象的发生与演化过程。
5.如权力要求书4所述梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征在 于将预先经过自蔓延合成法加工好的梯度材料置于扫描电镜和高倍光学显微镜下进行测 试和录像。
6.如权力要求书4所述梯度材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征在 于对梯度复合材料所施加的直流电密度为19mA/cm2 161mA/cm2。
全文摘要
本发明涉及对梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试与评价的系统建立与性能测试方法。利用直流电测试梯度材料在热力/电/磁/耦合作用下的力学性能和物理性能。利用直流电所引起的焦耳热及陶瓷金属梯度材料的热膨胀系数差异形成热冲击应力对梯度复合材料进行损伤测试与评价。本发明建立的系统集损伤、性能测试与表征于一体，测试梯度材料的物理力学耦合性能。
文档编号G01N3/60GK101979997SQ20101027686
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者李永, 舒畅 申请人:北京理工大学