[发明专利]碳/碳复合材料多物理场耦合试验系统及试验方法

说明书

本发明提供了一种碳/碳复合材料多物理场耦合试验系统及试验方法，属于多物理场耦合试验技术领域；在本发明中，通过完善高温试验系统功能，增加实时成像记录模块、X射线扫描及记录模块和气体分析模块，来实现碳/碳复合材料高温气氛环境下的加载、氧化，并通过实时记录加载变形图像和氧化消退图像，实现试验全过程图像分析。

技术领域

本发明属于多物理场耦合试验技术领域，具体涉及碳/碳复合材料多物理场耦合试验系统及试验方法。

背景技术

碳/碳复合材料作为一种可应用于高达2000℃环境的先进复合材料，在航空航天领域广泛应用，如火箭发动机喷尾、航天飞机机翼前缘等。同时，因其在高温环境下仍具有优异的力学性能，备受青睐。但该种材料在高温含氧环境下，易发生氧化或烧蚀，导致力学性能退化，影响了其极端环境服役能力。因此，开展该种材料高温含氧环境力学性能测试，是评估其服役能力的主要手段。

目前，现有的高温试验系统主要具备升温和力学加载功能，缺乏其他功能，难以在高温环境多种气氛下实现高温成像、力学加载、化学反应、生成气体分析等，无法在试验中评估氧化反应的过程以及难以准确评估材料的服役能力。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种碳/碳复合材料多物理场耦合试验系统及方法。在本发明中，通过完善高温试验系统功能，增加实时成像记录模块、X射线扫描及记录模块和气体分析模块，来实现碳/碳复合材料高温气氛环境下的加载、氧化，并通过实时记录加载变形图像和氧化消退图像，实现试验全过程图像分析。

本发明中首先提供了一种碳/碳复合材料多物理场耦合试验系统，所述试验系统在密闭箱中设有升温和力学加载模块、实时称重及记录模块、实时成像记录模块、X射线扫描及记录模块、气体分析模块以及试样台；

所述升温和力学加载模块包括温控加热单元和力学加载单元，所述温控加热单元使密闭箱快速升温，所述力学加载单元对试样台上的试样进行拉伸、压缩、弯曲等多种工况进行加载；

所述实时称重及记录模块包括实时称重单元，其设置在试样台的下方；

所述实时成像记录模块包括SEM观测单元和变形成像单元，分别对试样台上的试样进行观测和记录；

所述X射线扫描及记录模块包括X射线扫描单元，对安装在试样台上的试样进行三维立体扫描；

所述气体分析模块包括气体成分监测单元，监测和分析密闭箱中的气体。

进一步的，所述密闭箱的一侧还设有出水口和出气口，另一侧设有进气口和进水口。

进一步的，通过进气口向密闭箱中通入氧气、氮气等多种气体，然后从出气口中排出。

进一步的，密闭箱中设有水管，水管两端分别与热水出口和冷水进口相连，冷水自冷水进口通入，通过水管对密闭箱中各单元进行循环冷却后从热水出口排出。

进一步的，所述密闭箱由保温材料及金属外壳构成。

进一步的，所述温控加热单元可通电后加热，使密闭箱内快速升温，温度可达2000℃。

本发明中还提供了上述碳/碳复合材料多物理场耦合试验系统的试验方法，包括：

(1)接通电源，启动单元，打开密闭箱的门，将试样放入试样台，启动实时称重单元记录试样重量；

(2)启动X射线扫描单元，对氧化前试样进行立体扫描，并记录存储；

(3)启动温控加热单元，设置目标温度，冷水进口通入冷却水，热水出口打开以便形成冷却循环单元，等待密闭箱内温度达到目标后，打开进气口，通入氧气等所需要的气体；

(4)启动气体成分监测单元，进行密闭箱内气体成分实时监测，启动力学加载单元，对试样台上的试样进行载荷施加，并记录载荷-位移数据；