[发明专利]一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种高低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及装置。本发明采用压电换能器、熔融石英隔热棒、阻抗分析仪、热电偶、高温炉以及低温箱；设计熔融石英隔热棒的长度，使得熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，通过在不同温度下的导纳曲线得到m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，进而得到弹性模量及其对应的内耗；本发明能够精确测量不同温度下的材料的弹性模量与内耗；本发明装置极其简单，易于制作，测量速度快捷并且测量成本低；本发明具有很强的实用价值，有望进一步推动材料参数测量技术的发展。

技术领域

本发明涉及材料参数测量技术，具体涉及一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及其测量装置。

背景技术

弹性模量与内耗是材料的基本力学参量。对于各项同性材料，杨氏模量与剪切模量是两个独立的弹性模量。而内耗则分为纵向振动引起的内耗与扭转振动引起的内耗。准确的测量不同温度的下的弹性模量与内耗不仅可以用于结构性能设计，还可以用于材料的相变，损伤等研究。目前能在高低温环境下测量材料弹性模量与内耗的方法主要有：1)动态力学分析法(DMA)，其通过测量材料应力与应变之间的相位差来计算内耗。但对于弱阻尼材料，微小的相位差通常被噪声所掩盖；2)自由梁共振法(ASTM E1875-13)，其测量结果受支撑条件的影响较大。3)电磁声共振法，其仅适用于金属材料，且需要千瓦级的功率源来激励样品。

事实上，利用压电换能器在圆柱样品上激励出纵向振动与扭转振动来测量不同温度下的弹性模量与内耗更为简单与精确。但是，通常情况下换能器在高温与低温环境中无法正常工作，因此在高温和低温环境下激发样品的纵向共振与扭转共振成为了难题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量方法及其测量装置。

本发明的一个目的在于提出一种高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置。

本发明的高温与低温环境下材料弹性模量与内耗的测量装置包括：压电换能器、熔融石英隔热棒、阻抗分析仪、热电偶、高温炉以及低温箱；其中，压电换能器为纵向振动型压电换能器或扭转振动型压电换能器；被测试件为圆柱形，熔融石英隔热棒以及压电换能器为直径与被测试件的直径相同的圆柱形；熔融石英隔热棒的一端粘接被测试件，构成测试组件，另一端粘接压电换能器；压电换能器的两个电极面连接至阻抗分析仪；被测试件放置在高温炉或低温箱中；在被测试件旁设置热电偶；

高温炉或低温箱使得被测试件处于高温或低温环境下，熔融石英隔热棒阻碍被测试件与压电换能器之间进行热量传递，保证压电换能器在适当的温度范围内工作；

测量杨氏模量E_M和纵向振动对应的内耗时，熔融石英隔热棒粘接纵向振动型压电换能器；根据被测试件在常温下的n阶纵向振动共振频率，确定熔融石英隔热棒的长度，使得在常温下，熔融石英隔热棒的m阶纵向振动共振频率与被测试件的n阶纵向振动共振频率一样，即被测试件的长度为n个半波长，熔融石英隔热棒的长度为m个半波长，半波长是指被测试件和熔融石英隔热棒构成的测试组件在m+n阶纵向共振时的应力波的半波长，此时熔融石英隔热棒与被测试件的粘接面的应力为零，即该粘接面位于应力反节点处；阻抗分析仪施加电压信号至纵向振动型压电换能器，纵向振动型压电换能器将电压信号转化为纵向机械振动，带动测试组件纵向振动；阻抗分析仪在设定的频段内进行扫频；纵向振动型压电换能器感应测试组件的纵向振动信号，并转化为内部电流，将电流信号传输至阻抗分析仪；热电偶控制并记录温度；阻抗分析仪根据返回的电流信号与输出的电压信号的比值，得到测试组件在不同温度下的纵向振动时的导纳曲线，从纵向振动时的导纳曲线中得到纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，再根据纵向振动时的m+n阶谐振峰与反谐振峰对应的频率，计算得到杨氏模量E_M和纵向振动对应的内耗