[发明专利]跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法

说明书

本发明涉及一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法，四个立柱置于减震台上，立柱上设有大理石平台，大理石平台的中心放置低温容器，并通过五维旋转位移台固定于减震台上；大理石平台上两两垂直的四条导轨上的石英棒夹持试样，试样的形变带动石英棒移位。本发明装置能够实现待测试样的实时观测和准确定位，满足极端低温至高温或高温至低温变化过程中材料在两个正交方向上热膨胀/收缩变形的同步精确测量。可进行跨温域双向测试，显著扩大了材料结构热膨胀/收缩变形的测量范围，应用性广；采用实时相机系统和五维旋转位移台，试样定位精度高；采用高精度LVDT位移传感器，可分辨微小位移，灵敏度高，测量精度高，使用操作简便。

技术领域

本发明属于材料热膨胀/收缩变形测试装置及其测试方法，涉及一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法。

背景技术

随着航天技术的深入应用和持续发展，航天器特殊的服役环境对其材料结构也提出了更高的性能要求。例如，卫星、探月车在轨运行或登陆服役过程中，可受到空间环境昼夜冷热交替巨大温差的显著影响月球表面最高温度为127℃，最低温度为-183℃，昼夜温差可达310℃，导致材料结构产生严重热膨胀/收缩变形，进而影响其使用性能。当前，不断涌现的新型材料和结构则为这些难题带来了有效的解决手段。例如，碳纤维增强轻质金属基复合材料不仅比强度、比模量高，同时还具有热膨胀系数低、尺寸稳定性良好等优点；此外，近年来出现的3D打印成形点阵结构也兼具轻质、吸振等优点，通过合理的结构设计，还可实现宽温域内的近零膨胀或不同方向热膨胀系数的定制设计。这些新型材料和结构，不仅有望实现航天装备的有效减重，还可保证其在低温至高温极端服役环境中的稳定使用。然而，为了实现上述新型材料和结构在航天装备中的实际应用，首先必须保证其在冷-热交替跨温域中的各向异性热膨胀/收缩变形的精确测量，以便更好地开展材料结构设计。

目前，对于不同材料和尺寸的试样，常用的热膨胀变形测试方法主要有顶杆法、光学测量法等。这些测试方法通常是以室温为初始温度对加热过程中的热膨胀变形进行测量，对试样外形尺寸也有所限制，且多为单方向测量。例如，在GBT4339-2008金属材料标准中，规定了测试样品的形状和尺寸，最小长度尺寸为25mm，横向尺寸为3mm～10mm,测量方向为单向。而纤维增强复合材料和3D打印点阵结构等轻质材料往往结构复杂，不易加工为所规定的形状和尺寸，其热膨胀系数通常还可表现出显著的各向异性，需要开展多方向测量；不仅如此，3D打印点阵结构因其工艺特点材料表面通常具有较高的孔隙率和表面粗糙度，试样定位的准确与否、石英棒接触位置的选择等因素均可显著影响测量精度。因此，测量前待测试样的准确定位至关重要。现有顶杆法尚未能实现复杂构型试样的准确定位及跨温域内各向异性热膨胀变形的同步测量。另一方面，文献“白晨等，双端激光位移法测量材料高温热膨胀系数[J].应用激光，2020.40(04)：751-756”中设计了一种激光位移法测量装置，利用激光位移传感器和高温程控炉，通过计算机控制设备，同时收集和处理数据，实时测量固体材料的热膨胀变化。该方法虽实现了室温至高温的单向热膨胀系数测定，但是，低温环境下冷却介质的蒸发和气体的冷凝等效应均会对激光测量产生极大的干扰。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种跨温域双向热膨胀/收缩变形精确测试装置及测试方法，该装置能够实现被测试样的实时观测和准确定位，满足极端低温至高温或高温至低温变化过程中材料在两个正交方向上热膨胀/收缩变形的同步精确测量。

技术方案