本發(fā)明涉及一種材料的加載與測試系統(tǒng)，具體的說是熱沖擊-力-電耦合加載與測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鐵電陶瓷因其具有豐富的細微觀結(jié)構(gòu)特征及強力-電-熱耦合效應，在壓力、熱沖擊場、電場等外場誘導下極易發(fā)生結(jié)構(gòu)相變并伴隨著力學和電學等性能的顯著變化。在不同外場作用下，特別是沖擊載荷(熱、電、力等)下鐵電陶瓷極易發(fā)生瞬時相變，快速變形或快速釋放束縛電荷而產(chǎn)生強的電流/電壓輸出。其在高功率爆電電源、軍工和核技術(shù)等相關(guān)能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計、高新技術(shù)裝置與特殊裝備領(lǐng)域有著極為重要的應用。

極化后的鐵電陶瓷的相變與電荷釋放可以是多因素誘發(fā)，熱加載或者沖擊壓力、靜水壓，單軸壓縮等均可使得材料釋放束縛電荷放電，雖然加載方式不同，但均能導致材料鐵電到反鐵電相變從而放電。而且熱沖擊加載與沖擊壓力加載不同，不會損壞材料以及過程更容易控制，也更容易觀測實驗過程中的一些物理量的變化，更有利于實驗材料的回收測試。因此，針對一類鐵電材料的鐵電到反鐵電相變動力學過程以及壓力、熱加載下的力-熱耦合作用下該類材料的放電機制及擊穿失效等基礎(chǔ)問題，我們開發(fā)了一套針對一類鐵電材料的熱沖擊-力-電耦合加載與測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)的主要特點是可以同時提供變速率熱沖擊、力學加載系統(tǒng)（拉、壓、彎）、電信號的測量與采集等多場耦合環(huán)境下的鐵電材料力-熱-電耦合性能的測量?；诖藴y試系統(tǒng)的測試結(jié)果，有望揭示熱沖擊-力學耦合場下鐵電材料的基本形變模式，力-電耦合相變特征、放電機制及其力-電失效等基本科學問題，同時，為基于此類鐵電材料的結(jié)構(gòu)研發(fā)、設(shè)計提供基礎(chǔ)性實驗數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種熱沖擊-力-電耦合加載與測試系統(tǒng)，以獲得極端變速率高溫熱沖擊環(huán)境下材料的力學性能。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：熱沖擊-力-電耦合加載與測試系統(tǒng)，包括高溫熱沖擊加載與控制單元、機械力學加載與控制單元、電加載與控制單元和PC端，所述PC端分別與所述高溫熱沖擊加載與控制單元、所述機械力學加載與控制單元和所述電加載與控制單元連接，

所述機械力學加載與控制單元包括電子萬能試驗機和力學測量模塊，所述力學測量模塊分別與所述電子萬能試驗機和所述PC端連接，

所述高溫熱沖擊加載與控制單元包括快速升溫爐、溫度傳感器和溫控模塊，所述快速升溫爐安裝在電子萬能試驗機內(nèi)，所述快速升溫爐內(nèi)布置有多組大功率石英燈用于對本系統(tǒng)進行加熱，所述溫度傳感器安裝在所述快速升溫爐內(nèi)，所述溫控模塊分別連接所述溫度傳感器和所述PC端，

所述電加載與控制單元包括加載電源、電流測量模塊和高溫電流線，所述高溫電流線一端連接試樣，另一端分別連接電流測量模塊和加載電源，所述電流測量模塊還連接所述PC端。

進一步，所述電子萬能試驗機采用無極變速的位移加載方式，所述電子萬能試驗機采用門式預應力結(jié)構(gòu)。

進一步，所述力學測量模塊包括高精度載荷傳感器和位移傳感器，所述高精度載荷傳感器用于測量載荷，所述位移傳感器用于測量夾頭間的位移。

進一步，所述快速升溫爐包括爐殼，所述爐殼上部和下部分別設(shè)置有上爐蓋和下爐蓋，所述爐殼內(nèi)部周圍布置有陶瓷纖維板，所述上爐蓋和下爐蓋上分別通過十字槽盤頭螺釘固定有鹵素加熱管，所述爐殼左側(cè)安裝有高溫爐內(nèi)外折頁，所述高溫爐內(nèi)外折頁內(nèi)部安裝有左、右兩個電極保護罩，電極固定在電極瓷座上并安裝在所述左、右保護罩內(nèi)，所述爐殼右側(cè)安裝有把手，把手通過兩個把手架固定在所述爐殼上，所述把手上下兩側(cè)分別安裝有搭扣，所述搭扣用于鎖緊爐體，試驗樣品通過上高溫拉桿與上連桿連接，所述上連桿另一端固定在爐體上部，試驗樣品通過下高溫拉桿與下連桿連接，所述下連桿另一端固定在爐體下部。

進一步，所述溫控模塊包括K型熱電偶、人機界面HMI和中央運算器，所述K型熱電偶與試樣連接，用于測量試樣的溫度和控制爐體的溫度，所述中央運算器分別與所述K型熱電偶和人機界面HMI連接。

進一步，所述電流測量模塊采用多通道數(shù)字采集方式進行數(shù)據(jù)測量及存儲，所述電流測量模塊用于測試和采集試樣的電流、電壓、電阻和溫度信號。

進一步，所述電流測量模塊包括光纖電流互感器，所述光纖電流互感器用于測試試樣在熱沖擊作用下分布式微電流變化行為。

優(yōu)選的，溫度傳感器采用比色測溫儀。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明采用大功率石英燈加熱法加熱樣品，速度快、效率高并且均勻度高，實現(xiàn)了鐵電材料在超高溫熱沖擊（200℃/s, 最高1200℃）環(huán)境下的力學特性測試；

實現(xiàn)了多場環(huán)境下的拉、壓、彎等多功能力學加載以及加載過程的控制(0-200KN)；

實現(xiàn)了多場環(huán)境下的傳感和非接觸測量、多變量的信號補償技術(shù)、數(shù)據(jù)的實時采集和處理；

實現(xiàn)了對鐵電材料的充放電過程的加電速率和恒流電壓的分段設(shè)置，具備對材料擊穿失效的檢測及保護功能、實現(xiàn)特殊情況下的快速放電等；

對于高溫爐環(huán)境中的試樣和相關(guān)輔助器件采用熱導率高的導熱材料以傳導和輻照相結(jié)合形式實現(xiàn)高溫熱沖擊的動態(tài)加載，可大批量重復實驗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的快速升溫爐體的正視圖;

圖3位本發(fā)明的試樣固定示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

附圖1為本發(fā)明的熱沖擊-力-電耦合加載與測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括高溫熱沖擊加載與控制單元、機械力學加載與控制單元、電加載與控制單元和PC端，PC端分別與高溫熱沖擊加載與控制單元、電加載與控制單元和機械力學加載與控制單元連接，機械力學加載與控制單元包括電子萬能試驗機104和力學測量模塊，力學測量模塊分別與電子萬能試驗機104和PC端連接，高溫熱沖擊加載與控制單元包括快速升溫爐103、比色測溫儀101和溫控模塊，快速升溫爐103安裝在電子萬能試驗機104內(nèi)，快速升溫爐103內(nèi)布置有多組大功率石英燈用于對本系統(tǒng)進行加熱，比色測溫儀101安裝在快速升溫爐103內(nèi)，溫控模塊分別連接溫度傳感101器和PC端，電加載與控制單元包括加載電源、電流測量模塊和高溫電流線，高溫電流線一端連接試樣，另一端分別連接電流測量模塊和加載電源，電流測量模塊還連接所述PC端，電流測量模塊還包括高溫、高精度光纖電流互感器，用于測試試樣在熱沖擊作用下分布式微電流變化行為。

其中，電子萬能試驗機采用無極變速的位移加載方式，加載速度大幅范圍內(nèi)可控以提供不同的加載需求，采用門式預應力結(jié)構(gòu)，配備以高溫、抗熱沖擊夾具實現(xiàn)對測試樣品拉伸、壓縮、彎曲多種變形模式。

力學測量模塊包括高精度載荷傳感器和位移傳感器，高精度載荷傳感器用于測量載荷，位移傳感器用于測量夾頭間的位移，并采用非線性CCD與高溫電阻引伸計相結(jié)合方法獲得熱沖擊環(huán)境下試件表面的局部應變行為。

附圖2為本系統(tǒng)的快速升溫爐的正視圖，快速升溫爐包括爐殼201，爐殼上部和下部分別設(shè)置有上爐蓋202和下爐蓋203，爐殼內(nèi)部周圍布置有陶瓷纖維板204，上爐蓋202和下爐蓋上203分別通過十字槽盤頭螺釘205固定有鹵素加熱管206，爐殼左側(cè)安裝有高溫爐內(nèi)外折頁207，高溫爐內(nèi)外折頁207內(nèi)部安裝有左、右兩個電極保護罩209，電極210固定在電極瓷座211上并安裝在左、右保護罩209內(nèi)，爐殼右側(cè)安裝有把手212，把手212通過兩個把手架213固定在爐殼上，把手212上下兩側(cè)還分別安裝有搭扣214，搭扣214用于鎖緊爐體，試驗樣品215通過上高溫拉桿216與上連桿217連接，所述上連桿217另一端固定在爐體上部，試驗樣品215通過下高溫拉桿218與下連桿219連接，所述下連桿219另一端固定在爐體下部，試樣還通過高溫電流線連接加載電源221。

溫控模塊包括K型熱電偶220、人機界面HMI和中央運算器， K型熱電偶220與試樣連接，用于測量試樣的溫度和控制爐體的溫度，中央運算器分別與K型熱電偶220和人機界面HMI連接。

本發(fā)明適合研究極端熱沖擊-力-電加載多環(huán)境場下各物理和力學參量的表征系統(tǒng)以及相關(guān)的高精度、抗干擾測量技術(shù)。由于采用比色計進行高溫熱沖擊下瞬態(tài)溫度檢測，采樣頻率和測量精度分別可達120Hz 和 0.5K；采用高精度載荷傳感器和位移傳感器分別測量載荷和夾頭間的位移；采用非線性CCD與高溫電阻引伸計相結(jié)合方法獲得熱沖擊環(huán)境下試件表面的局部應變行為；溫度范圍可實現(xiàn)室溫～1200℃、快速熱沖擊（200℃/s）的多溫區(qū)范圍的溫度的可調(diào)與可控，配置有專用計算機接口進行溫度及控制數(shù)據(jù)傳遞；能夠測試和采集試樣的電流、電壓、電阻及溫度信號，對鐵電材料的充放電過程的加電速率和恒流電壓可實現(xiàn)分段設(shè)置，具備對材料擊穿失效的檢測及保護功能、實現(xiàn)特殊情況下的快速放電等。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本申請所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本申請型的保護范圍之中。