一种用于高温特定环境下的复合材料力学性能测试夹具

技术领域

本发明涉及复合材料力学测试技术领域，具体涉及一种用于高温特定环境下的复合材料力学性能测试夹具。

背景技术

复合材料近年来越来越多地替代传统金属与合金材料被应用于制造飞机与发动机的关键零部件。其中，拥有高比强度、高比模量、耐高温、抗烧蚀、抗氧化、低密度等特点的陶瓷基复合材料已初步应用于承受超高热负荷作用的涡轮叶片中。这类部件在服役过程中会承受热载荷、机械载荷以及疲劳载荷的作用并且在工作环境中存在热-力-氧耦合作用的情况。在结构设计过程中必须确保材料的力学性能满足部件的使用需求。因此，搭建能实现高温特殊气体测试环境下的复合材料力学性能测试系统从而获取材料的全面力学性能数据是复合材料工程应用前一项关键基础性研究工作。

目前，国内外对于复合材料高温拉伸与疲劳试验的试验标准及对应的高温试验设备还没有比较成熟的方案。目前有部分研究人员自行设计了多种试验夹具用于复合材料的高温力学试验，但由于夹具无法放入环境箱中，导致难以实现特殊气氛环境下的力学测试，因此需要在不改变现有试验机硬件的条件下实现特殊气氛环境下的力学性能测试。同时现有常规夹头难以耐受高温，如直接进行高温试验，会使得试验件夹持段过长导致试验件尺寸较大，由于陶瓷基复合材料高昂的成本会导致试验成本大幅增加，因此试验件夹具在能够满足特殊气氛环境下还需解决高温环境下夹持段过长的问题，目前未见可同时解决上述问题的高温夹具。

综上所述，当前陶瓷基复合材料等耐高温复合材料存在热-力-氧耦合环境下的力学性能测试需求，设计一种可用于高温特殊气体环境下的复合材料力学测试夹具能够为耐高温复合材料工程应用前的特殊环境下的基础性能研究提供关键技术方案。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种用于高温特定环境下的复合材料力学性能测试夹具，以在高温惰性气体或指定氧气浓度等特殊气体环境下进行复合材料本构、疲劳、蠕变等力学性能试验。

本申请实施例提供以下技术方案：一种用于高温特定环境下的复合材料力学性能测试夹具，包括：

气体环境箱，所述气体环境箱包括箱体，所述箱体的内腔为高温特定气体环境；

夹具装置，所述夹具装置包括分别固定于待测复合材料试样两端的夹持组件，所述夹持组件分别密封固定在所述箱体的相对两个侧壁上，使所述待测复合材料试样位于所述箱体的内腔；

所述夹持组件包括圆柱形加强片，所述圆柱形加强片由两个半圆柱组件构成，所述两个半圆柱组件的中部均开设凹槽，用于将待测复合材料试样的端部在所述两个半圆柱组件的凹槽内夹紧；

所述夹持组件还包括第一V形夹块和第二V形夹块，所述第一V形夹块和第二V形夹块均包括固定部和夹紧部，所述夹紧部的表面设置V形槽，用于将所述圆柱形加强片在所述第一V形夹块和第二V形夹块的所述V形槽内夹紧。

根据本申请一种实施例，所述夹紧部的所述V形槽的槽表面设置横向的齿形纹路。

根据本申请一种实施例，所述夹持组件还包括连接支架，所述连接支架包括H形金属块，所述H形金属块的一侧固定设置方形凸台，所述方形凸台上固定连接用于被试验机夹头夹紧的夹具连接杆；

所述第一V形夹块和第二V形夹块上的所述固定部的两侧对称开设方形槽，所述方形槽与所述H形金属块的结构相适配，所述H形金属块分别与所述第一V形夹块和第二V形夹块配合安装，用于通过螺栓将所述H形金属块与所述固定部固定连接，以将所述连接支架分别与所述第一V形夹块和第二V形夹块固定连接。

根据本申请一种实施例，还包括密封组件，所述密封组件包括密封法兰边和硅胶密封圈，所述密封法兰边设置在所述夹具连接杆上，所述密封法兰边的内侧设置环形槽，所述硅胶密封圈的一侧固定在所述环形槽内；

所述箱体的侧壁上开设安装孔，所述安装孔处设置环形固定槽，所述硅胶密封圈的另一侧设置在所述环形固定槽内，并通过密封法兰盘固定，以将所述夹持组件与所述箱体之间密封固定。

根据本申请一种实施例，所述夹紧部的所述V形槽两侧分别对称开设多个螺纹孔，所述螺纹孔中配合安装V形夹块紧固螺栓，使所述第一V形夹块和第二V形夹块将所述圆柱形加强片在所述V形槽内夹紧。

根据本申请一种实施例，还包括循环水流通块，所述循环水流通块通过固定螺栓固定在所述H形金属块上，所述循环水流通块内部设置循环水管路，所述循环水管路的循环水管路接口设置在所述循环水流通块的两端，所述循环水管路接口连接外部水循环管路。

根据本申请一种实施例，所述待测复合材料试样的两端采用耐高温胶粘贴在所述圆柱形加强片的两个半圆柱组件的凹槽内。

根据本申请一种实施例，所述气体环境箱内设置高温炉安装区域。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例提供的复合材料力学性能测试夹具，能够在高温(1300℃)惰性气体或指定氧气浓度等特殊气体环境下进行复合材料力学性能试验。其中，在夹具连接杆上设计了密封法兰边，通过硅胶密封套与密封法兰盘相配合的方式实现了夹具与气体环境箱之间的密封，从而实现了特殊气体下的试验环境；操作简便，测试夹具所有零件均为机械加工零件，相互连接均采用螺栓连接方式，安装过程简便，操作人员技术水平对试验结果影响较小；可靠性高，通过V型槽与圆柱形加强片相互配合的方式保证了试样上下对中，V形槽内设计了防滑结构，保证试验结果的有效性；适用范围广，本发明中的测试夹具可用于复合材料的本构、蠕变、疲劳等多种试验场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的测试夹具整体结构示意图；

图2为本发明实施例中的夹具组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中的连接支架的结构示意图；

图4为本发明实施例中的V形夹块的结构示意图；

图5为本发明实施例中的循环水流通块的结构示意图；

图6为本发明实施例中的硅胶密封套的外形示意图；

图7为本发明实施例中的密封法兰盘的结构示意图；

图8为本发明实施例中的带加强片的复合材料试样结构示意图；

图中：1-第一夹持组件、2-第二夹持组件、3-待测复合材料试样、4-气体环境箱、5-高温炉安装区域、6-夹具连接杆、7-密封法兰边、8-硅胶密封圈、9-密封法兰盘、10-环形槽、11-V形夹块、11-1-第一V形夹块、11-2-第二V形夹块、12-紧固螺栓、13-固定螺栓、14-循环水流通块、15-H形金属块、16-V形槽、17-循环水管路接口、18-圆柱形加强片。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-图8所示，本发明实施例提供了一种用于高温特定环境下的复合材料力学性能测试夹具，包括：

气体环境箱4，所述气体环境箱4包括箱体，所述箱体的内腔为高温特定气体环境，所述箱体内设置高温炉安装区域5；

夹具装置，所述夹具装置包括分别固定于待测复合材料试样3两端的夹持组件，所述夹持组件包括第一夹持组件1和第二夹持组件2，且分别密封固定在所述箱体的相对两个侧壁上，使所述待测复合材料试样3位于所述箱体的内腔；

所述夹持组件包括圆柱形加强片18，所述圆柱形加强片18由两个半圆柱组件构成，所述两个半圆柱组件的中部均开设凹槽，用于将待测复合材料试样3的端部在所述两个半圆柱组件的凹槽内夹紧；

所述夹持组件还包括V形夹块11，V形夹块11包括第一V形夹块11-1和第二V形夹块11-2，所述第一V形夹块11-1和第二V形夹块11-2均包括固定部和夹紧部，所述夹紧部的表面设置V形槽16，用于将所述圆柱形加强片18在所述第一V形夹块11-1和第二V形夹块11-2的所述V形槽16内夹紧。

本实施例中，所述夹持组件还包括连接支架，所述连接支架包括H形金属块15，所述H形金属块15的一侧固定设置方形凸台，所述方形凸台上固定连接用于被试验机夹头夹紧的夹具连接杆6，测试过程中通过试验机夹头夹紧夹具连接杆6实现夹具固定和轴向定位。

所述第一V形夹块11-1和第二V形夹块11-2上的所述固定部的两侧对称开设方形槽，所述方形槽与所述H形金属块15的结构相适配，所述H形金属块15分别与所述第一V形夹块11-1和第二V形夹块11-2配合安装，用于通过螺栓将所述H形金属块15与所述固定部固定连接，以将所述连接支架分别与所述第一V形夹块11-1和第二V形夹块11-2固定连接。

本实施例中，所述H形金属块15和夹具连接杆6之间设计有一带环形槽10的密封法兰边7，环形槽10外圈设有多个螺纹孔；还包括硅胶密封圈8，硅胶密封圈8的一侧安装在环形槽10内，所述气体环境箱4的侧壁上开设安装孔，所述安装孔处设置环形固定槽，所述硅胶密封圈8的另一侧设置在所述环形固定槽内，并通过密封法兰盘9固定，以将所述夹持组件与所述箱体之间密封固定。

本实施例中，所述H形金属块15的凸台一侧上表面设置有四个螺纹孔，分布在H形金属块15的四个角上，螺纹孔位置沿金属块轴线相互对称；所述H形金属块15两个相对的侧面分别设置有两个螺纹孔，螺纹孔位置沿金属块轴线对称分布；所述第一V形夹块11-1的固定部两侧设有两个左右对称的方形槽，通过这两个方形槽与H形金属块15配合安装；所述第一V形夹块11-1的上表面设有两个沿轴线对称且贯通的光孔，该光孔与H形金属块15凸台一侧上表面的螺纹孔配合使用，安装过程中用螺栓穿过V形夹块上的光孔拧入H形金属块15的螺纹孔内，从而将第一V形夹块11-1安装至连接支架上。

所述第一V形夹块11-1的夹紧部设有六个贯通的螺纹孔，螺纹孔上下之间距离相等，两侧沿夹块纵向轴线对称排列，第一V形夹块11-1的夹紧部一侧去除了部分材料使得其厚度相对于固定部更薄，减轻夹具重量的同时能够减小夹块紧固螺栓12的长度。

所述第一V形夹块11-1的固定部设有V形槽16，用于夹紧待测复合材料试样3，V形槽16表面加工有横向的齿形纹路，齿形纹路在试验过程中可以起到防止复合材料试样与夹具之间发生打滑的作用。

本实施例还包括循环水流通块14，所述循环水流通块14通过固定螺栓13固定在所述H形金属块15上，所述循环水流通块14内部设置循环水管路，所述循环水管路的循环水管路接口17设置在所述循环水流通块14的两端，所述循环水管路接口17连接外部水循环管路，用于进行水冷。

其中，所述待测复合材料试样的两端采用耐高温胶粘贴在所述圆柱形加强片的两个半圆柱组件的凹槽内。

本发明实施例的用于高温特殊气体环境下的复合材料力学测试夹具，其操作方法包括：

步骤1、将循环水流通块14通过固定螺栓13安装至第一夹具组件1的连接支架上；

步骤2、将第一V形夹块11-1穿过连接支架的方形槽安装至连接支架上，用定位螺栓穿过第一V形夹块11-1上方的光孔后拧入连接支架的H形金属块15上表面的螺纹孔内，拧紧两根定位螺栓使得第一V形夹块11-1固定在连接支架上；

步骤3、将第一夹具组件1的H形金属块15一侧伸入气体环境箱4内，同时通过试验机夹头夹紧夹具组件的夹具连接杆6，将硅胶密封圈8一侧安装在夹具组件的密封法兰边7的环形槽10内，通过密封法兰边7固定在第一夹具组件1上并用螺栓拧紧保证密封，硅胶密封圈8另一侧安装在气体环境箱4表面的凹槽内，同样用密封法兰盘9固定并用螺栓拧紧拧紧保证密封；

步骤4、重复步骤1-3，将第二夹具组件2安装至试验机另一侧夹头上并保证第二夹具组件2与气体环境箱4之间的密封；

步骤5、在待测复合材料试样3两端用耐高温胶粘上圆柱形加强片18，圆柱形加强片18粘在复合材料试样两侧，组合后成为圆柱形，加强片能保护试样不发生破坏的同时能保证安装时上下对中；

步骤6、将粘有加强片的复合材料试样一端放置在第一夹具组件1的V形槽16内，将第二V形夹块11-2穿过H形金属块15的方形槽安装至第一夹具组件1的连接支架上，安装过程中调整第二V形夹块11-2的位置使得两个夹块之间的V形槽16与圆柱形加强片18表面贴合，将六根夹块紧固螺栓12穿过第二V形夹块11-2的光孔连接至第一V形夹块11-1的螺纹孔内，六根螺栓部分拧入第一V形夹块11-1的螺纹孔内，保证待测复合材料试样3不会从V形槽16内脱落但不完全拧紧；

步骤7、调整疲劳试验机下夹头位置使得待测复合材料试样3另一端位于第二夹具组件2的V形槽16内，将第二夹具组件2的第二V形夹块11-2穿过H形金属块15的方形槽安装至测试夹具的连接支架上，安装过程中调整第二V形夹块11-2的位置使得两个夹块之间的V形槽16与圆柱形加强片18表面贴合，将六根夹块紧固螺栓12穿过第二V形夹块11-2的光孔连接至第一V形夹块11-1的螺纹孔内，六根螺栓部分拧入第一V形夹块11-1的螺纹孔内，保证试样不会从V形槽16内脱落但不完全拧紧；

步骤8、按照对角线顺序依次拧紧上下两个夹具组件的六根夹块紧固螺栓12，将待测复合材料试样3与第一夹具组件1和第二夹具组件2完全固定；

步骤9、将外部水循环管路连接至循环水流通块14两端的循环水管路接口17上，使得所有水循环管路相互连通并形成闭环；

步骤10、至此，待测复合材料试样3已位于气体环境箱4内，并通过夹具组件连接至试验机夹头上，硅胶密封圈8和密封法兰盘9实现了第一夹具组件1和第二夹具组件2与气体环境箱4之间的密封，箱体内可在高温炉安装区域5安装高温炉并充入特殊气体从而达到高温情性气体或高温固定氧气浓度等目标试验环境，通过试验机设定加载程序即可开展对应的力学测试试验。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。