高温环境下涂层弹性模量测试装置的制作方法

1.本发明涉及材料性能测试领域，特别是指一种高温环境下涂层弹性模量测试装置。


背景技术：

2.动态法弹性模量测量技术，是与采用万能试验机测应力应变的静态法对应的方法，是通过测量样品的固有频率在实现的。测试时将样品放置在不影响样品自由振动的支撑体上，通过外力给样品某一特定位置一个脉冲激振，使样品产生自由振动。利用振动传感设备收集振动信号，依据试样的振动方式不同而获得不同类型的频率，如弯曲频率、扭曲频率等，结合样品重量、长度、宽度、厚度等样品尺寸信息，软件即可计算出杨氏弹性模量、剪切弹性模量、泊松比及阻尼等数据。
3.现有技术中，一般是将样品放置在支撑杆上，通过电磁激励器带动激励杆从下方对样品进行激励，这种激励方式中，由于激励杆与电磁激励器为刚性连接，因此激励杆从下方直接对样品进行撞击激励时，容易将样品弹飞。另外，样品在激励过程中，不可避免的会产生一定的滑移，在滑移过程中样品会出现从支撑杆上掉落的现象，影响测试结果。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种高温环境下涂层弹性模量测试装置，既能达到使待测样品产生阻尼振动的效果，又避免了激励杆直接撞击待测样品时将待测样品弹飞的问题，还保证了在激励过程中待测样品不会掉落。
5.本发明提供技术方案如下：
6.一种高温环境下涂层弹性模量测试装置，包括高温炉体、激励装置、样品夹具和待测样品，其中：
7.所述激励装置包括激励器、激励杆、传力杆和导向管，所述激励器位于所述高温炉体下方，所述激励杆与激励器连接且竖直向上设置，所述激励杆和传力杆位于竖直设置的所述导向管内，并且所述传力杆位于所述激励杆上方，所述传力杆从所述高温炉体的底壁穿进所述高温炉体内；
8.所述样品夹具位于所述高温炉体内，所述样品夹具为由前、后、左、右四个方向的侧壁围成的框架结构，所述框架结构的侧壁上开设有水平的若干个通孔，所述通孔用于设置耐高温悬丝或支撑辊棒，所述通孔和耐高温悬丝/支撑辊棒的数量和位置使得所述耐高温悬丝或支撑辊棒形成能够支撑所述待测样品的支撑体系，所述待测样品位于所述框架结构内并放置在所述耐高温悬丝或支撑辊棒形成的支撑体系上；
9.所述高温炉体内设置有加热元件和测温元件，所述样品夹具配备有测试所述待测样品的振动信号的传感器。
10.进一步的，所述样品夹具的数量为多个，多个样品夹具并排设置，每个样品夹具对应一个激励装置，每个样品夹具处均设置一个测温元件，每个样品夹具均配备一个传感器。
11.进一步的，所述高温炉体内设置有平面转盘，所述平面转盘上设置有多个样品夹具，所述平面转盘将多个样品夹具依次旋转送入测量位置，所述测量位置配备一个测温元件、一个激励装置和一个传感器。
12.进一步的，所述传感器位于所述高温炉体外部，所述传感器通过传导通道穿过所述高温炉体顶壁并连通至所述高温炉体内的待测样品上方的空间。
13.进一步的，所述传感器配备有冷却装置，所述冷却装置设置在所述高温炉体内并位于所述传导通道与所述高温炉体的顶壁的连通处。
14.进一步的，所述传导通道的底端位于所述高温炉体内且位于所述待测样品上方，所述传导通道的顶端位于所述高温炉体外且与所述传感器连接，所述传导通道位于所述高温炉体外部的部分经过至少一次弯折；所述传导通道的总长度应保证所述高温炉体内的热辐射传导至所述传感器后不影响所述传感器的工作。
15.进一步的，所述传导通道包括垂直段和水平段，所述垂直段穿过所述高温炉体的顶壁，所述垂直段的底端位于所述高温炉体内且位于所述待测样品上方，所述垂直段的顶端与所述水平段的一端连接，所述水平段的另一端与所述传感器连接；。
16.进一步的，所述传导通道的底端设置有喇叭式开口。
17.进一步的，所述通孔的数量为四个，四个通孔对称分布在所述框架结构的相对的两个侧壁上；
18.所述耐高温悬丝穿在四个所述通孔内并系紧，形成平行的两条耐高温悬丝；或者，两根所述支撑辊棒穿在四个所述通孔内，形成平行的两根支撑辊棒。
19.进一步的，所述支撑辊棒上在设定的支撑点处缠绕有耐高温金属丝。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明一方面设置了两段式杆件的激励装置，使得激励杆通过传力杆间接对待测样品进行撞击激励，既能达到使待测样品产生阻尼振动的效果，又避免了激励杆直接撞击待测样品时将待测样品弹飞的问题。另一方面，本发明设计了框架结构的样品夹具，通过在框架结构内的耐高温悬丝或支撑辊棒形成的支撑体系，保证了在激励过程中待测样品不会掉落。
附图说明
22.图1为本发明的高温环境下涂层弹性模量测试装置的一个实现方式的侧视示意图；
23.图2为样品夹具的俯视示意图；
24.图3为待测样品放置到样品夹具上的俯视示意图；
25.图4为本发明的高温环境下涂层弹性模量测试装置的另一个实现方式的俯视示意图；
26.图5为本发明的高温环境下涂层弹性模量测试装置的再一个实现方式的侧视示意图；
27.图6为图5的俯视示意图；
28.图7为支撑辊棒上缠绕耐高温金属丝的俯视示意图。
具体实施方式
29.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
30.本发明实施例提供一种高温环境下涂层弹性模量测试装置，如图1-7所示，包括高温炉体1、激励装置2、样品夹具3和待测样品4，其中：
31.激励装置2包括激励器5、激励杆6、传力杆7和导向管8，激励器5位于高温炉体1下方，激励器5可以是电磁激励器，电机10通过传送带9与激励器5连接，为激励器5提供动力。
32.激励杆6与激励器5的顶端连接且竖直向上设置，激励杆6和传力杆7位于竖直设置的导向管8内，并且传力杆7位于激励杆6上方，传力杆7从高温炉体1的底壁穿进高温炉体1内。
33.在一个示例中，导向管8位于高温炉体1上并穿过高温炉体1的底壁，激励杆6顶部和传力杆7底部位于导向管8内。
34.本发明设计了两段式杆件的激励装置，激励杆6从高温炉体1下方伸入到高温炉体1中，置于待测样品4下方，通过电磁铁吸力大小可调节激励器5的激振力大小。激励器5带动激励杆6向上激励，通过撞击将传力杆7向上撞击弹起，传力杆7作为激励和稳定触发的装置，弹起的传力杆7撞击待测样品4底部，通过传力杆7的传递，间接对待测样品4进行撞击振动。既能达到使待测样品4产生阻尼振动的效果，又避免了激励杆直接撞击待测样品时将待测样品4弹飞的问题。
35.样品夹具3位于高温炉体1内，样品夹具3为由前、后、左、右四个方向的侧壁围成的框架结构，框架结构的侧壁上开设有水平的若干个通孔11，通孔11用于设置耐高温悬丝12或支撑辊棒13，通孔11和耐高温悬丝12/支撑辊棒13的数量和位置使得耐高温悬丝12或支撑辊棒13形成能够支撑待测样品4的支撑体系，待测样品4位于框架结构内并放置在耐高温悬丝12或支撑辊棒13形成的支撑体系上。
36.本发明设计了框架结构的样品夹具3，通过耐高温悬丝12或支撑辊棒13在框架结构内形成支撑体系，待测样品4位于框架结构内的支撑体系上。在待测样品4的激励过程中，即使产生滑移，由于样品夹具3的框架结构的阻挡，待测样品4也不会从支撑体系上掉落。
37.高温炉体1内设置有加热元件14和测温元件15，样品夹具3配备有测试待测样品4的振动信号的传感器16。
38.使用时，将耐高温悬丝穿过样品夹具的通孔并系紧，或者将支撑辊棒穿在通孔内，形成支撑体系。待测样品放置到样品夹具的支撑框架内并位于支撑体系上，并将样品夹具和待测样品一同放入高温炉体内的位置，并位于传力杆正上方。关闭高温炉体，打开加热元件进行加热，通过测温元件测量温度，当温度达到设定值并稳定后，通过激励器带动激励杆向上激励，将传力杆向上撞击弹起，弹起的传力杆撞击待测样品底部，实现对待测样品的激励。待测样品振动的信号通过传感器接收，通过软件即可计算出杨氏弹性模量、剪切弹性模量、泊松比及阻尼等数据。
39.本发明一方面设置了两段式杆件的激励装置，使得激励杆6通过传力杆7间接对待测样品4进行撞击激励，既能达到使待测样品4产生阻尼振动的效果，又避免了激励杆直接撞击待测样品时将待测样品4弹飞的问题。另一方面，本发明设计了框架结构的样品夹具3，通过在框架结构内的耐高温悬丝12或支撑辊棒13形成的支撑体系，保证了在激励过程中待
测样品4不会掉落。
40.本发明中，支撑体系的设置可以有多种，只要能够实现对待测样品4的有效支撑即可，在一个示例中，通孔11的数量为四个，四个通孔11对称分布在框架结构的相对的两个侧壁上。
41.耐高温悬丝12穿在四个通孔11内并系紧，形成平行的两条耐高温悬丝12，两条平行的耐高温悬丝12作为一种支撑体系，待测样品4放置到两条耐高温悬丝12上。耐高温悬丝12作为一种柔性支撑，既实现了对待测样品4的有效支撑，又最大限度的保证了待测样品4的自由振动。
42.或者，两根支撑辊棒13穿在四个通孔11内，形成平行的两根支撑辊棒13，两根平行的支撑辊棒13作为一种支撑体系，待测样品4放置到两根支撑辊棒13上。
43.由于支撑辊棒13时刚性结构，为避免支撑辊棒13对待测样品4的自由振动的影响，本发明在支撑辊棒13上的设定的支撑点处缠绕有耐高温金属丝。支撑辊棒13上缠绕耐高温金属丝25，形成若干个支点，待测样品4放置到若干个支点上，保证了自由振动。示例性的，支点的数量可以为三个，实现三点式的支撑振动，如图7所示。
44.由于高温炉体1每次升温至设定温度的过程较慢，因此为提高效率，可以在高温炉体1内设置多套样品夹具3，对多个待测样品4进行试验，实现高温环境下涂层弹性模量的高通量测试。高通量测试的其中一个实现方式为：
45.如图4所示，样品夹具3的数量为多个，每个样品夹具3配备一个待测样品4，多个样品夹具3在高温炉体1并排设置，每个样品夹具3对应一个激励装置2，每个样品夹具3处均设置一个测温元件15，每个样品夹具3均配备一个传感器16。
46.例如，样品夹具3的数量为4个，即包括4套测试机构，每一套测试机构既可以独立使用也可以作为顺位制测试的一个测试通道。所谓顺位制测试，即为间隔一段时间，顺位激励每个激励装置2，顺位测试每个样品夹具3的待测样品4。在设定的测试温度下稳定一段时间后，通过软件控制，使得编号为1，2，3，4的测试通道依次打开，测试间隔时间可根据需求设定，但最低不能低于完成一个通道独立测试的所需时间。
47.由于高温炉体1内的温度并不是均衡的，因此每个样品夹具3处均需要设置一个测温元件15，在测试该样品夹具3的待测样品4时，需要使得该测温元件15的温度稳定保持在设定的测试温度上。并且由于每个样品夹具3的位置不同，因此每个样品夹具3均需配置一个激励装置2和一个传感器16，以实现每个样品夹具3的分别测试。
48.高通量测试的另一个实现方式为：
49.如图5、6所示，高温炉体1内设置有平面转盘17，平面转盘17上设置有多个样品夹具3，平面转盘17将多个样品夹具依次旋转送入测量位置18，测量位置18配备一个测温元件15、一个激励装置2和一个传感器16。
50.例如，高温炉体1内的平面转盘17均匀配置8个样品夹具3，平面转盘17中心通过支撑轴19穿过高温炉体1底壁，与高温炉体1固定的轴承套相连，支撑轴19可在轴套支撑下自由旋转，带动平面转盘17的样品位转动。通过步进电机加减速机，在高温炉体1外控制支撑轴的旋转角度，自动控制指定的待测样品4旋转至测量位置18，实现多样品的在高温下依次测量弹性模量。
51.由于测量位置18只有一个，因此整体配备一个测温元件15、一个激励装置2和一个
传感器16即可。又由于测量位置18是固定不动的，该测量位置18处的温度稳定后基本保持不变，因此每次旋转后无需等待较长时间即可进行测量，加快了测量速度。
52.本发明通过前述的两种高通量测试的实现方式，使得装置可以在一个温度下，对多个待测样品进行测试，实现高通量检测，大大提高了测试效率。
53.本发明还能通过前述的两种高通量测试的实现方式进行涂层弹性模量从低温到高温的连续测量，首先在低温阶段设定的温度点，完成1个基体(不带涂层)和多个带涂层(可以不同厚度的同一类涂层，也可以是不同材质的涂层)样品的高温弹性模量测试，利用涂层弹性模量计算公式可获得涂层在该温度下的弹性模量。继续升温至下一个温度点，重复上述测试步骤，获得涂层这一温度下的弹性模量。如此循环，则获得不同温度下的涂层高温弹性模量，实现连续测量不同温度下涂层高温弹性模量。涂层弹性模量测试方法为现有技术，可以参考中国专利文献cn103760043a公开的内容，本发明不再赘述。
54.动态弹性模量方法采集的是待测样品4振动时产生的声音信号，由于传感器不耐热，因此传感器16位于高温炉体1外部，为保证振动信号的传导，传感器1通过传导通道20穿过高温炉体1顶壁并连通至高温炉体1内的待测样品4上方的空间，高温下待测样品4振动产生的声音信号通过传导通道20传播至高温炉体1外传感器16处。
55.在高温下，由于空气稀薄，待测样品4振动的声音信号传播更困难，影响振动信号的有效采集。为了降低信号传递损耗，需要减少传导通道20的长度，传导通道20的长度减少后，为了避免高温炉体1内热气流对传感器16产生影响，本发明为传感器16配备有冷却装置21，冷却装置21可以是水冷装置，其可以设置在高温炉体1内并位于传导通道20与高温炉体1的顶壁的连通处，对传感器16区域进行降温。
56.在一种改进中，为了避免使用复杂的冷却装置21，本发明将传导通道20的底端位于高温炉体1内且位于待测样品4上方，传导通道20的顶端位于高温炉体1外且与传感器16连接，传导通道20位于高温炉体1外部的部分经过至少一次弯折，弯折的部分可以有效减少辐射热的传导。同时增加传导通道20的总长度，传导通道20的总长度应保证高温炉体1内的热辐射传导至传感器16后不影响传感器16的工作。
57.传导通道20的总长度增加后，将传导通道20的底端设置喇叭式开口24，扩大拾音范围，补偿传导通道20长度对声音信号强度的影响。
58.其中，传导通道20可以以l型进行弯折，具体的：传导通道20包括垂直段22和水平段23，垂直段22穿过高温炉体1的顶壁，垂直段22的底端位于高温炉体1内且位于待测样品4上方，垂直段22的顶端位于高温炉体1外，并与水平段23的一端连接，形成l型结构，水平段23的另一端与传感器16连接。
59.本发明中，位于高温炉体1内的结构均为耐高温材质，例如样品夹具3、激励杆6和传力杆7的材质可以为氧化铝或碳化硅等耐氧化高温材料，耐高温悬丝12可以为白金丝，导向管8和传导通道20可以为陶瓷氧化铝管，支撑轴19可以为陶瓷支撑轴。
60.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，包括高温炉体、激励装置、样品夹具和待测样品，其中：所述激励装置包括激励器、激励杆、传力杆和导向管，所述激励器位于所述高温炉体下方，所述激励杆与激励器连接且竖直向上设置，所述激励杆和传力杆位于竖直设置的所述导向管内，并且所述传力杆位于所述激励杆上方，所述传力杆从所述高温炉体的底壁穿进所述高温炉体内；所述样品夹具位于所述高温炉体内，所述样品夹具为由前、后、左、右四个方向的侧壁围成的框架结构，所述框架结构的侧壁上开设有水平的若干个通孔，所述通孔用于设置耐高温悬丝或支撑辊棒，所述通孔和耐高温悬丝/支撑辊棒的数量和位置使得所述耐高温悬丝或支撑辊棒形成能够支撑所述待测样品的支撑体系，所述待测样品位于所述框架结构内并放置在所述耐高温悬丝或支撑辊棒形成的支撑体系上；所述高温炉体内设置有加热元件和测温元件，所述样品夹具配备有测试所述待测样品的振动信号的传感器。2.根据权利要求1所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述样品夹具的数量为多个，多个样品夹具并排设置，每个样品夹具对应一个激励装置，每个样品夹具处均设置一个测温元件，每个样品夹具均配备一个传感器。3.根据权利要求1所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述高温炉体内设置有平面转盘，所述平面转盘上设置有多个样品夹具，所述平面转盘将多个样品夹具依次旋转送入测量位置，所述测量位置配备一个测温元件、一个激励装置和一个传感器。4.根据权利要求1-3任一所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述传感器位于所述高温炉体外部，所述传感器通过传导通道穿过所述高温炉体顶壁并连通至所述高温炉体内的待测样品上方的空间。5.根据权利要求4所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述传感器配备有冷却装置，所述冷却装置设置在所述高温炉体内并位于所述传导通道与所述高温炉体的顶壁的连通处。6.根据权利要求4所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述传导通道的底端位于所述高温炉体内且位于所述待测样品上方，所述传导通道的顶端位于所述高温炉体外且与所述传感器连接，所述传导通道位于所述高温炉体外部的部分经过至少一次弯折；所述传导通道的总长度应保证所述高温炉体内的热辐射传导至所述传感器后不影响所述传感器的工作。7.根据权利要求6所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述传导通道包括垂直段和水平段，所述垂直段穿过所述高温炉体的顶壁，所述垂直段的底端位于所述高温炉体内且位于所述待测样品上方，所述垂直段的顶端与所述水平段的一端连接，所述水平段的另一端与所述传感器连接；。8.根据权利要求6所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述传导通道的底端设置有喇叭式开口。9.根据权利要求1-3任一所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述通孔的数量为四个，四个通孔对称分布在所述框架结构的相对的两个侧壁上；所述耐高温悬丝穿在四个所述通孔内并系紧，形成平行的两条耐高温悬丝；或者，两根
所述支撑辊棒穿在四个所述通孔内，形成平行的两根支撑辊棒。10.根据权利要求9所述的高温环境下涂层弹性模量测试装置，其特征在于，所述支撑辊棒上在设定的支撑点处缠绕有耐高温金属丝。

技术总结
本发明公开了一种高温环境下涂层弹性模量测试装置，属于材料性能测试领域。包括高温炉体、激励装置、样品夹具和待测样品，激励装置包括激励器、激励杆、传力杆和导向管，样品夹具为由前、后、左、右四个方向的侧壁围成的框架结构，框架结构的侧壁上开设有水平的若干个通孔，通孔用于设置耐高温悬丝或支撑辊棒。本发明一方面设置了两段式杆件的激励装置，使得激励杆通过传力杆间接对待测样品进行撞击激励，既能达到使待测样品产生阻尼振动的效果，又避免了激励杆直接撞击待测样品时将待测样品弹飞的问题。另一方面，本发明设计了框架结构的样品夹具，通过在框架结构内的耐高温悬丝或支撑辊棒形成的支撑体系，保证了在激励过程中待测样品不会掉落。测样品不会掉落。测样品不会掉落。


技术研发人员：万德田 张磊 李海燕 付帅 田远 吕奎霖 曹大可 贾志杰 包亦望
受保护的技术使用者：中国国检测试控股集团股份有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/23