基于Hopkinson桿的加熱爐及試樣夾具的制作方法

本發明涉及材料的超高溫動態力學性能測試裝置，具體說是一種基于Hopkinson桿的加熱爐及其配套的試樣夾具。

背景技術：

目前Hopkinson桿主要用于常溫和較低溫度下對試樣力學性能的測量，而在實際應用中，尤其是航空航天領域，材料的的力學性能以及破壞過程一般都是處于超高溫狀態下，因此，認識材料在超高溫條件下的力學響應特征就成為相關領域的研究熱點。

目前，就Hopkinson超高溫動態實驗技術而言，主要有兩個技術難題：

第一,Hopkinson桿上超高溫環境的獲得。要在Hopkinson桿上實現超高溫環境，就必須有一套配套適用于Hopkinson桿的超高溫加熱系統。

第二，超高溫下試樣的夾持，由于要對試樣進行超高溫加熱，而且要保證入射桿和透射桿不被加熱造成破壞，因此要設計一個試樣夾具來實現。

李玉龍等在實現高溫動態加載實驗時，采用的加熱裝置為環狀可控直流電源加熱爐(李玉龍,索濤,郭偉國,胡銳,李金山,傅恒志.確定材料在高溫高應變率下動態性能的Hopkinson桿系統[J].爆炸與沖擊,2005,06:487-492.)。其厚度為30mm，內通孔直徑為35mm，電熱絲分布于內孔壁，并用定制的隔熱瓦片及石棉與外爐殼隔離。爐內溫度由一閉環控制器控制電，最高溫度可達1000℃。而對于航空航天領域的材料，其服役環境往往可達到1600℃；環狀加熱爐未采用良好的保溫措施，溫度損失較大，加熱效率低；對于材料動態力學性能，往往需要了解試樣在加載過程中的破壞情況，所以一般使用超高速照相機對試樣進行拍照，環狀加熱爐無法滿足拍照要求；對于材料在超高溫環境下的力學性能測試，往往涉及惰性氣體氛圍，而此處所用環狀加熱爐明顯不能達到這些要求。綜上所述，此處使用的環狀加熱爐存在多處不足。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的可實現的實驗溫度過低，加熱過程中保溫性能差，Hopkinson桿加熱過程中的保護以及試樣在加熱過程中的夾持問題，本發明提出了一種基于Hopkinson桿的加熱爐及試樣夾具。

本發明包括爐體、觀察窗口、保溫層、加熱元件和陶瓷溫度傳感器，其特征在于，保溫層粘貼在爐體的內表面。在所述爐體的一個側表面開有夾心結構的觀察窗口；在與所述觀察窗口相鄰的爐體的兩個側表面分別開有入射桿通道和透射桿通道，并且所述入射桿通道和透射桿通道同心。與所述觀察窗口相對應的爐體的側表面有爐體后開門，在所述后開門上開有用于安裝進氣管的通孔。該爐體后開門內表面粘貼有保溫層；所述上蓋安裝在該爐體的上表面，在該上蓋上有用于安裝排氣管的通孔。在爐體內形成了爐腔。陶瓷溫度傳感器嵌在爐腔的頂部。四個二硅化鉬加熱元件分布在所述爐腔內四個側表面，并嵌裝在各側表面的保溫層表面。

所述用于安裝排氣管的通孔和用于安裝進氣管的通孔均與爐腔貫通。

所述的二硅化鉬加熱元件的外形均為“U”形。

所述加熱爐沿桿方向的長度為305mm，厚度為210mm，高為280mm。所述爐腔的尺寸為70mm×70mm×70mm。所述觀察窗口的尺寸為80mm×80mm。

本發明提出的試樣夾具采用橫截面為半圓形的氧化鋁陶瓷管制成。該夾具的內半徑分別略大于所述Hopkinson桿中的入射桿的外半徑和透射桿的外半徑。

本發明以傳統Hopkinson桿系統為標準，在入射桿和透射桿之間設計一個獨立加熱爐及其配套的試樣夾具。

本發明提出的加熱爐整體采用全封閉設計，溫度范圍在室溫～1600℃可控，內部為爐腔，爐腔四壁由加熱元件二硅化鉬包圍，爐體其余部分由保溫材料填充。爐體正面為觀察窗口，爐體兩端有用于入射桿以及透射桿的貫通開孔。由于在加熱過程中需要防止試樣的氧化，需要填充氮氣等保護性氣體，在爐體背面和上部設有進氣管和出氣口通入爐腔，以便通入保護氣體，排出空氣，實現無氧環境或通入濕熱氣體，實現濕熱環境。安裝在爐體上的排氣管與進氣管在實驗過程中能夠將不同的保護氣通入到加熱爐內，使加熱爐能形成不同的氣體氛圍。當通入的保護氣(如氬氣)，密度大于空氣時，從加熱爐下方通入氣體，上方作為排氣口；當通入的保護氣(如氮氣)，密度小于空氣時，從加熱爐上方通入氣體，下方導氣管排出空氣，實現試樣加載過程中的無氧環境。

本發明采用二硅化鉬加熱元件為加熱源。二硅化鉬具有金屬與陶瓷的雙重特性，熔點高達2030℃，具有導電性，在高溫下表面能形成二氧化硅鈍化層以阻止進一步氧化，是一種性能優異的高溫材料。它具有極好的高溫抗氧化性，其抗氧化溫度高達1600℃以上；具有良好的電熱傳導性；較高的脆韌轉變溫度，1000℃以下有陶瓷般的硬脆性，在1000℃以上呈金屬般的軟塑性。MoSi2主要應用作發熱元件、集成電路、高溫抗氧化涂層及高溫結構材料。將所述二硅化鉬加熱元件置于爐腔四壁，實現全封閉式加熱并保溫。

本發明通過觀察窗口使用攝像機對實驗過程進行觀察。所述觀察窗口的尺寸大于加熱腔的尺寸，有利于在高速動態試驗中捕捉到實驗圖像時，對試樣進行補光。石英玻璃在長時間高溫環境的作用下表面變得模糊，影響攝像機拍攝，而且加熱爐在超高溫時，內部會發出很高的亮度，通過觀察口會輻射出很強的熱量，輻射的能量主要集中在紅外波段，因此采用在兩塊石英玻璃之間加上濾紅外石英玻璃的設計，由于石英玻璃的高溫反應只發生在最接近于加熱源的一面，因此高溫反應只發生在靠近熱源的內層石英玻璃的內表面，當其表面變模糊后，可直接將玻璃更換，而且可以有效的阻擋800nm以上的波長透過玻璃，降低輻射對周圍設備的影響。

本發明提出的試樣夾具為半圓形的陶瓷管。試樣夾具的內半徑根據加載桿直徑選取，具體是，試樣夾具的內半徑略大于導桿的半徑以保證導桿在陶瓷管上自由運動；試樣夾具外徑保證與加熱爐的入射桿的通孔和透射桿的通孔相匹配，以保證陶瓷管可順利放入加熱爐內。

本發明通過硅酸鋁耐高溫泡沫調整試樣的安放高度，保證了該試樣高度方向的中心與所述入射桿的中心和透射桿的中心處于同一水平面上。該硅酸鋁耐高溫泡沫為弧形塊，外表面的曲率與試樣夾具內表面的曲率相同，內表面的曲率與試樣外表面的曲率相同。

將試樣平放在設計為半圓形的硅酸鋁耐高溫泡沫上，使用耐高溫膠將耐高溫泡沫分別和陶瓷管以及試樣粘接，保證穩定的支撐試樣。高溫膠熔點可達1700℃。在試驗中耐高溫泡沫的厚度小于試樣的厚度，并且耐高溫泡沫的強度非常小，因此耐高溫泡沫對試驗的影響可以忽略不計。通過選擇合適的陶瓷管和耐高溫泡沫即可實現不同直徑導桿與試樣的精確對齊及完好接觸。

本發明提出的加熱爐能夠實現1600℃超高溫，有氧與無氧環境。加熱穩定，保溫性能好，并可通過加熱爐觀察窗口獲得高速動態實驗中的實驗圖像。

配合高溫加熱爐的試樣夾具，使得安裝套管簡便快捷，能夠實現不同直徑導桿與試樣的精確對齊及完好接觸。

本發明無需對Hopkinson桿系統進行改動，完全配合Hopkinson桿系統來設計加工配套的高溫加熱爐及試樣夾具，并且只需選用不同套管即可實現不同桿徑Hopkinson壓桿上無氧、空氣和濕熱氣氛中、超高溫，高變形速率耦合作用下材料力學性能的研究。設備整個系統占地面積小，美觀大方，操作簡單。

本發明能夠實現惰性氣體氛圍、空氣環境中的高溫動態實驗。能夠利用高速攝像機拍攝試樣變形狀態。加熱爐加熱穩定，保溫性能好。配合特別設計的高溫夾持裝置，能實現超高溫下Hopkinson壓桿實驗的諸多要求。

附圖說明

圖1為基于Hopkinson桿的超高溫加熱爐的主視圖；

圖2為圖1的A-A視圖；

圖3為圖1的B-B視圖；

圖4為試樣夾具的示意圖；

圖5為加熱爐觀察窗口的示意圖

圖6為高速照相機的使用示意圖。圖中：

1.入射桿通道；2.透射桿通道；3.排氣口；4.上蓋；5.觀察窗口；6.保溫層；7.二硅化鉬加熱元件；8.陶瓷溫度傳感器；9.進氣管；10.鎖扣；11.爐腔；12.入射桿；13.試樣；14.透射桿；15.耐高溫泡沫；16.二分之一氧化鋁陶瓷管；17.外層石英玻璃；18.濾紅外石英玻璃；19.內層石英玻璃；20.高速照相機；21.光源；22.加熱爐。

具體實施方式

本實施例是一種用于溫度1600℃的Hopkinson桿加熱爐，包括爐體、上蓋4、觀察窗口5、保溫層6、加熱元件7、陶瓷溫度傳感器8、鎖扣10、爐腔11。

所述爐體采用鋼制成的矩形框體。在該爐體的內表面粘貼有用長絲超輕硅酸鋁制成的保溫層6。在所述爐體的一個側表面開有80mm×80mm的夾心結構的觀察窗口5；該觀察窗口的外層和內層均為石英玻璃17，在兩層石英玻璃之間為內層石英玻璃19，如圖5所示。在與所述觀察窗口相鄰的爐體的兩個側表面分別開有入射桿通道1和透射桿通道2，并且所述入射桿通道和透射桿通道同心。與所述觀察窗口5相對應的爐體的側表面通過鎖扣安裝有鋼制的爐體后開門，該爐體后開門內表面粘貼有保溫層6；使用時打開加熱爐，便于加裝試樣13及清理爐腔11；在所述后開門上開有用于安裝進氣管9的通孔。所述上蓋4通過鎖扣10安裝在該爐體的上表面；在該上蓋上有用于安裝排氣管3的通孔。

所述加熱爐沿桿方向的長度為305mm，厚度為210mm，高為280mm。

在爐體內形成了爐腔11。爐腔的尺寸為70mm×70mm×70mm。陶瓷溫度傳感器8嵌在爐腔11的頂部。四個二硅化鉬加熱元件7分布在所述爐腔內四個側表面，并嵌裝在各側表面的保溫層表面。所述的二硅化鉬加熱元件的外形均為“U”形，以滿足爐體上開有觀察窗口5和通孔的需要。

本實施例還提出了一種與所述Hopkinson桿加熱爐配套使用的夾具。所述的夾具16采用橫截面為半圓形的氧化鋁陶瓷管制成。該夾具的內半徑分別略大于所述Hopkinson桿中的入射桿12的外半徑和透射桿14的外半徑相同，使所述入射桿與透射桿與夾具的內表面間隙配合。在實驗前，將所述入射桿12的加載端安放并固定在夾具內表面的一端，將透射桿14的加載端安放并固定在夾具內表面的另一端，將試樣13放置在該入射桿與透射桿之間，并通過硅酸鋁耐高溫泡沫15調整該試樣的高度，使試樣的幾何中心與所述入射桿的中心和透射桿的中心重合。用C-2耐高溫無機膠將調整好的試樣固定。

所述該硅酸鋁耐高溫泡沫為弧形塊，外表面的曲率與試樣夾具內表面的曲率相同，內表面的曲率與試樣外表面的曲率相同。

實驗時首先將超高溫加熱爐置于SHPB實驗臺上，確保入射桿12和透射桿14能精確對準爐體兩側入射桿通道1和透射桿通道2，將陶瓷溫度傳感器8從上蓋4頂端插入加熱爐內，并用石棉將入射桿通道1和透射桿通道2堵住；打開Hopkinson桿系統充氣閥，通過加熱爐背面進氣管9向爐腔11持續充入保護氣體，爐腔內原有空氣從排氣口3排出，5～10min后，打開高溫爐，設置加熱溫度，當顯示加熱溫度達到實驗要求后，切入保溫狀態；將試樣13用二分之一氧化鋁陶瓷管16通過入射桿通道1放入爐腔11中，如圖5所示，加熱并保溫10分鐘使試樣溫度分布均勻；調整高速照相機20位置使正對加熱爐22的觀察窗口，并使用強光源21對其進行補光，如圖6所示；待試樣達到溫度要求后，啟動Hopkinson壓桿系統，即可通過數據采集系統記錄入射桿與透射桿的應力波信號，得到材料應力應變曲線。同時利用拍攝系統對試樣破壞過程進行記錄，采集實驗過程中試樣破壞的圖像。