[发明专利]一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料测量技术领域，特别涉及一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法和装置。它利用高功率（10⁹w/cm²）短脉冲（ns级）激光高应变率（10⁷s^-1）动态直接加载试样的表面，利用PVDF压电薄膜检测激光加载过程中材料表面的动态应变，根据采集的动态应变曲线分析超高应变率下材料的动态响应。

背景技术

材料的应变率变化范围可分为四类：蠕变（应变率范围10^-8s^-1～10^-6s^-1）、准静态（10^-6s^-1～10⁰s^-1）、高应变率（10⁰s^-1～10⁴s^-1）和超高应变率（10⁴s^-1～10⁸s^-1）。激光冲击强化技术是一种利用高功率（10⁹w/cm²）短脉冲（ns级）激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波（GPa级）的力效应来改善金属机械性能的一种表面改性技术。激光加载过程的平均应变率可达10⁶～10⁷s^-1，这是目前实验室所能实现的最高压力和应变率水平。激光诱导的冲击波为研究材料在超高应变率和极高压力下的本构行为、动态断裂以及冲击波传播规律提供了一种十分有效的加载手段。因此，可以通过检测激光冲击过程中材料表面的动态应变曲线来研究材料在超高应变率下的动态响应。

激光诱导等离子冲击波具有作用时间短（ns级）、压力大（GPa级）的特点，给实验测量材料表面的动态应变带来了很大的困难。传统的动态应变测量方式基本上是利用电阻应变片组成测量电桥形式，结合相应的外围电路，采用调频的方式形成动态应变测量系统。例如专利CN201096560公开了一种冲压模具动态应力应变测量装置，包括应变花、电阻式应变片、电桥盒、动态应变仪、位移传感器、工业计算机等。然而，电阻应变片本身的机械滞后特性以及外围电路的设计方式，都会影响动态测量的精度和范围，同时电阻应变片和外围电路的响应频率相比超高应变率下材料的动态响应频率较低，无法对超高应变率下材料的动态应变进行实时检测。

PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，与一般压电材料的区别在于其具有良好的韧性，可以根据需要加工成任意面积、形状的结构。它具有动态响应快（ns量级）、频响范围宽(0.1Hz～几个GHz)和灵敏度高的优点。不但可以应用于冲击压力的测量，同时也可用于平面动态应变的测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于PVDF压电薄膜技术和激光冲击强化技术的检测超高应变率下材料表面动态响应的方法；本发明还同时提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种检测超高应变率下材料表面动态响应的方法，包括以下步骤：

（1）在材料表面预先划定的激光冲击光斑区域外分别沿光斑径向方向和垂直径向方向粘贴PVDF压电薄膜；

（2）利用高功率短脉冲激光冲击材料表面，使材料处于超高应变率加载；所述材料表面的光斑区域与预先划定的激光冲击光斑区域一致；

（3）实时采集两个PVDF压电薄膜的压电信号，并将所述压电信号转换成应变信号；

（4）根据所述应变信号分析高应变率下材料的动态响应。

本发明还提供了一种检测超高应变率下材料表面动态响应的装置，包括激光系统、支撑架、夹具系统、信号采集系统、定位系统、电控柜和工控机；

所述激光系统包括脉冲激光器、扩束镜、反光镜和聚焦镜，扩束镜和反光镜安装在支撑架上，脉冲激光器与电控柜和工控机相连，脉冲激光器发出的激光束经扩束镜、反光镜和聚焦镜后汇聚在待检测工件的表面；所述待检测工件的表面涂布有吸收层，所述吸收层的涂布面积与激光光斑面积对应；

所述定位系统安装在支撑架上，用于发射出定位激光束；所述定位系统与电控柜相连；电控柜与工控机相连；

所述夹具系统包括夹具、工作台和进给机构，工作台安装在进给机构上，夹具安装在工作台上，待检测工件安装在夹具内；进给机构与电控柜相连，通过工控机的控制可实现工作台的X-Y平面运动；