本實用新型屬于復(fù)合材料測試裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高聚物脫濕點精確測量裝置,可以用此裝置開展固體推進(jìn)劑等高聚物脫濕點力學(xué)性能參數(shù)測試，提供高聚物的力學(xué)性能優(yōu)劣判斷的依據(jù)。

背景技術(shù)：

高聚物是指由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復(fù)連接而成的高分子量化合物，廣泛用于包括尖端科技在內(nèi)的材料領(lǐng)域中。例如作為固體火箭發(fā)動機的重要組成部分的固體推進(jìn)劑由聚合物基體和分散其中的固體填料組成，屬于一種高聚物，它既是發(fā)動機的能源，又是發(fā)動機的結(jié)構(gòu)材料，其性能的優(yōu)劣與固體發(fā)動機工作的穩(wěn)定性息息相關(guān)。

當(dāng)高聚物本體受外力作用產(chǎn)生形變時，聚合物顆粒間發(fā)生相對運動，進(jìn)而在粘合劑與填料之間的粘結(jié)面間產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力足夠大時，在部分填料顆粒與粘合劑之間便會有粘結(jié)破壞，或者在靠近固體顆粒處發(fā)生粘合劑破壞，從而在推進(jìn)劑內(nèi)部產(chǎn)生真空孔穴，并且會進(jìn)一步減小粘合劑與填料之間的鍵能，這種微觀效應(yīng)即為“脫濕”。隨著“脫濕”現(xiàn)象加劇，高聚物內(nèi)部的真空孔穴尺寸趨于進(jìn)一步增大，當(dāng)達(dá)到一定的程度(幾微米)時，就會起著微破壞的作用，在粘合劑中產(chǎn)生小裂紋，最終導(dǎo)致高聚物本體發(fā)生斷裂。

由于“脫濕”發(fā)生的同時高聚物會發(fā)生體積膨脹，因此通過測試高聚物的體積膨脹就可準(zhǔn)確判斷“脫濕”開始產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變。例如就前述的固體推進(jìn)劑等技術(shù)而言，對長期貯存條件下固體推進(jìn)劑脫濕點力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測試，可以為判斷固體推進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)完整性提供依據(jù)，可以科學(xué)評估固體推進(jìn)劑的狀態(tài)和壽命，對于固體火箭發(fā)動機類儀器設(shè)施的性能評估和延壽具有重要意義。目前本領(lǐng)域尚沒有對固體推進(jìn)劑等高聚物脫濕點進(jìn)行精確測量裝置和標(biāo)準(zhǔn)，無法實時、精確測試高聚物在拉伸過程中的“脫濕”應(yīng)力(σ)、應(yīng)變(ε)及體積變化(ΔV)等物理參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可滿足對固體推進(jìn)劑等高聚物關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)的測量需求的高聚物脫濕點精確測量裝置。

為實現(xiàn)以上發(fā)明目的而采用的技術(shù)解決方案如下所述。

一種高聚物脫濕點精確測量裝置，包括測控系統(tǒng)和材料試驗機，在材料試驗機內(nèi)設(shè)有加載系統(tǒng)，所述的加載系統(tǒng)具有材料加載測試腔和補償腔兩個腔室，兩個腔室之間安裝有高精度差壓傳感器，在材料加載測試腔內(nèi)設(shè)有用于夾持高聚物試樣的上夾具和下夾具，其中上夾具與設(shè)置在材料加載測試腔上頂部的力傳感器相連，下夾具連接在一根沿豎向從材料加載測試腔底端密封穿出的連接桿上，連接桿的下端與一副同步傳動結(jié)構(gòu)的一個傳動端連接，從補償腔的底端沿豎向密封穿入一根補償桿，補償桿的下部桿體同時與同步傳動結(jié)構(gòu)的另一個傳動端以及一根材料試驗機動橫梁相連接，材料試驗機動橫梁可在測控系統(tǒng)控制下做上下移動。

上述高聚物脫濕點精確測量裝置中，材料加載測試腔和補償腔均為密閉的腔室，材料加載測試腔與連接桿之間以及補償腔與補償桿之間均為動密封結(jié)合，保證兩個腔室的密封效果。

上述高聚物脫濕點精確測量裝置中，在補償腔上設(shè)有用于調(diào)節(jié)補償腔內(nèi)腔體積的千分尺，工作中通過旋動千分尺調(diào)節(jié)補償腔的內(nèi)腔體積，使得測試腔和補償腔內(nèi)腔體積相等。

上述高聚物脫濕點精確測量裝置中，連接桿的橫截面面積和補償桿的橫截面面積分別為S1和S2，且S1＝S2。

上述高聚物脫濕點精確測量裝置中，同步傳動結(jié)構(gòu)采用柔性連接的傳動結(jié)構(gòu)，該柔性連接的傳動結(jié)構(gòu)具有一根橫向設(shè)置的轉(zhuǎn)接橫梁，在轉(zhuǎn)接橫梁的兩端各設(shè)有一個十字關(guān)節(jié)軸承，構(gòu)成同步傳動結(jié)構(gòu)的兩個傳動端，連接桿和補償桿分別通過十字關(guān)節(jié)軸承與傳動結(jié)構(gòu)的兩個傳動端相連接。

本實用新型的設(shè)計方案源于克拉伯龍方程：PV＝nRT，當(dāng)溫度、氣體質(zhì)量恒定時，封閉容器中氣體的壓強與氣體體積成反比關(guān)系。在進(jìn)行具體的高聚物試樣單向拉伸試驗時，將試樣固定在密閉的材料加載測試腔內(nèi)的上下夾具中，當(dāng)材料試驗機動橫梁提供位移載荷后，試樣體積隨連接桿的軸向拉伸發(fā)生膨脹，會引起材料加載測試腔內(nèi)氣體體積變化，進(jìn)而導(dǎo)致腔內(nèi)氣壓變化，根據(jù)這一關(guān)系建立腔內(nèi)氣壓與試樣體積變化的函數(shù)關(guān)系；通過在材料加載測試和補償腔之間安裝有高精度差壓傳感器，測量兩個腔室之間的壓差；進(jìn)而通過測量出材料加載測試腔內(nèi)氣壓的變化情況，計算出試樣的體積變化，從而實現(xiàn)試樣應(yīng)力σ、應(yīng)變ε、體積變化ΔV三個物理參數(shù)的同時測量，以此為依據(jù)繪制應(yīng)變-應(yīng)力和應(yīng)變-體積變化曲線，之后再由測控系統(tǒng)實現(xiàn)傳感器信號的采集和處理以及材料試驗機的控制，并與上位機軟件進(jìn)行通訊并通過顯示模塊顯示，最終達(dá)到對固體推進(jìn)劑等高聚物試樣脫濕點精確測量的目的。

本實用新型具有的有益效果是：

(1)本實用新型提出的高聚物脫濕點精確測量裝置能夠達(dá)到1％～2％的整體測量精度，測量裝置采用氣體膨脹計原理，通過測量氣體介質(zhì)壓強間接實現(xiàn)高聚物試樣體積的測量。由于試樣體積小于材料測試腔內(nèi)氣體介質(zhì)的體積，并且自身體積變化量值有限，因此，試樣體積變化只能引起測試腔內(nèi)氣體介質(zhì)氣壓微小的變化。本實用新型通過合理的公式推導(dǎo)，盡量避免腔室絕對氣壓的動態(tài)測量，而引入其他較易實現(xiàn)的測量參量，采用高精度絕壓傳感器對腔室初始靜態(tài)氣壓進(jìn)行測量，使用高精度差壓傳感器實現(xiàn)測試腔與參考腔之間差壓的高精度測量，通過合理的補償算法，使得差壓變化量僅與高聚物試樣的膨脹量相關(guān)，從而直接得出高聚物試樣體積變化量。

(2)本實用新型提出的高聚物脫濕點精確測量裝置采用由補償腔和補償桿組成的專用的氣壓補償模塊，采用補償桿和參考腔對連接桿位移引起的氣壓變化進(jìn)行補償，排除連接桿位移對氣壓變化的影響，在試樣拉伸過程中差壓傳感器示數(shù)的變化僅僅是由試樣發(fā)生“脫濕”現(xiàn)象即體積膨脹造成，從而減少試樣體積測量偏差。

(3)本實用新型提出的高聚物脫濕點精確測量裝置通過加工制備高精度動密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)測試腔體內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量恒定控制，保證測試裝置腔體內(nèi)測量介質(zhì)質(zhì)量恒定，實現(xiàn)試樣體積變化的高精度測量。

(4)本實用新型提出的高聚物脫濕點精確測量裝置可用于研究、評價、判斷固體推進(jìn)劑等高聚物在單向拉伸應(yīng)力作用下的“脫濕”性能，依據(jù)該性能可以對固體推進(jìn)劑等高聚物的力學(xué)性能優(yōu)劣進(jìn)行定量判斷，從而對固體推進(jìn)劑等高聚物配方研制提供指導(dǎo)，為判斷固體推進(jìn)劑等高聚物的結(jié)構(gòu)完整性提供依據(jù)，科學(xué)評估固體推進(jìn)劑等高聚物的狀態(tài)和壽命等方面具有重要意義，在高聚物類復(fù)合材料領(lǐng)域具有先進(jìn)性，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟效益良好。

附圖說明

圖1是本實用新型材料試驗機和加載系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是材料加載測試腔和補償腔的橫截面示意圖。

圖3是本實用新型測控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案框圖。

圖4是本實用新型的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理圖。

附圖中各數(shù)字標(biāo)記的名稱分別是：1－力傳感器，2－上夾具，3－試樣，4－差壓傳感器，5－下夾具，6－材料加載測試腔，7－補償腔，8－連接桿，9－補償桿，10－材料試驗機動橫梁，11－材料試驗機，12－千分尺，13－同步傳動結(jié)構(gòu)，14－O型圈，15－有機玻璃板，16－十字關(guān)節(jié)軸承，17－轉(zhuǎn)接橫梁。

具體實施方式

參見附圖，本實用新型所述的包括測控系統(tǒng)和材料試驗機11，在材料試驗機11內(nèi)設(shè)有加載系統(tǒng)，用于進(jìn)行高聚物試樣3單向拉伸試驗并實現(xiàn)主要參數(shù)的測量。材料試驗機和加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中加載系統(tǒng)中包括材料加載測試腔6和補償腔7兩個工作腔室，在兩個腔室之間安裝有能夠?qū)崿F(xiàn)氣體介質(zhì)壓強的高精度測量的高精度差壓傳感器4(差壓傳感器4的測量范圍為0～±3KPa，測量精度為±0.2％FS)；在材料加載測試腔6內(nèi)設(shè)有用于測量軸向拉力的力傳感器1以及用于夾持高聚物試樣3的上夾具2和下夾具5，其中與上夾具2連接的力傳感器1設(shè)置在材料加載測試腔6的上部，高聚物試樣3安置在測試腔內(nèi)，由上、下夾具2、5固定；連接桿8的上端沿豎向密封穿入材料加載測試腔6內(nèi)并與下夾具5連接，連接桿8的下端與同步傳動結(jié)構(gòu)13的一個傳動端連接；從補償腔7的底端沿豎向密封穿入一根補償桿9，補償桿9的下部桿體連接在同步傳動結(jié)構(gòu)13的另一個傳動端上，補償桿9的延長段同時還與材料試驗機下部的材料試驗機動橫梁10相連接，由材料試驗機動橫梁10在測控系統(tǒng)控制下提供連接桿做上下運動的位移載荷。

本實用新型結(jié)構(gòu)中，材料加載測試腔6和補償腔7均為由2Cr13不銹鋼材料制的密閉的腔室，材料加載測試腔6與連接桿8以及補償腔7與補償桿9均采用動密封保證兩個腔室的密封效果，要求在材料加載測試腔6內(nèi)保證夾持試樣3的上、下夾具2、5能無阻力自由移動。兩個腔室的橫截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，腔室的上蓋采用有機玻璃板15，并通過O型圈14進(jìn)行密封，實現(xiàn)兩個腔室內(nèi)部可視化，便于在試驗中觀察試樣變形情況。

本實用新型結(jié)構(gòu)中，補償腔7和補償桿9組成氣壓補償模塊，可對連接桿8位移進(jìn)行補償，排除連接桿8位移對氣壓變化的影響，且連接桿8的橫截面面積為S1，補償桿9的橫截面面積為S2，S1＝S2。在補償腔7上采用動密封結(jié)構(gòu)安裝有千分尺12；工作中通過旋動千分尺12可調(diào)節(jié)補償腔7的內(nèi)腔體積，使得材料加載測試腔6和補償腔7的內(nèi)腔體積相等。千分尺12調(diào)節(jié)補償腔7內(nèi)腔體積范圍為0mm³～1000mm³，分辨率是0.5mm³。只有當(dāng)二者內(nèi)腔體積相等時且高聚物試樣3發(fā)生“脫濕”現(xiàn)象前(即高聚物試樣3體積未發(fā)生膨脹時),并在連接桿8及補償桿9同時移動情況下，差壓傳感器4的示數(shù)才能保證不變化，從而達(dá)到對連接桿8位移進(jìn)行補償以排除連接桿8位移對氣壓變化的影響。試驗過程中，若差壓傳感器4示數(shù)發(fā)生變化，即由高聚物試樣3體積膨脹所致。

本實用新型結(jié)構(gòu)中，連接桿8和補償桿9通過橫向設(shè)置的同步傳動結(jié)構(gòu)13連接，考慮到拉伸過程中需保持連接桿8和補償桿9軸向的垂直度，避免側(cè)向力的影響，同步傳動結(jié)構(gòu)13故采用柔性連接的傳動結(jié)構(gòu)，該柔性連接的傳動結(jié)構(gòu)具有一根橫向設(shè)置的轉(zhuǎn)接橫梁17，在轉(zhuǎn)接橫梁的兩端各設(shè)有一個十字關(guān)節(jié)軸承16，構(gòu)成同步傳動結(jié)構(gòu)的兩個傳動端，連接桿8和補償桿9通過十字關(guān)節(jié)軸承16與同步傳動結(jié)構(gòu)13(轉(zhuǎn)接橫梁17)連接，保證拉伸過程中垂直受力且同步運動。

本實用新型的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理如圖4所示。它由材料試驗機控制模塊、包含各路傳感器在內(nèi)的測試模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機處理模塊等組成。材料試驗機控制模塊為標(biāo)準(zhǔn)電子式萬能試驗機控制模塊，內(nèi)設(shè)有材料試驗機控制器，用于實現(xiàn)高聚物試樣的單向拉伸，材料試驗機控制器與上位機之間通過RS-232串口進(jìn)行通訊，上位機控制軟件發(fā)送控制指令實現(xiàn)對材料試驗機的控制，包括參數(shù)設(shè)置(拉伸速率、拉伸行程)、運行、停止等指令。測量模塊主要包括各類傳感器，用于實現(xiàn)各個物理量的測量以及測量信號的輸出。根據(jù)測量裝置的實際測量需要，傳感器除差壓傳感器4、力傳感器外1外，還可包括絕壓傳感器、溫度傳感器和位移傳感器等，傳感器由線性電源統(tǒng)一供電，輸出信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)接模塊匯集。差壓傳感器4用于測量材料加載測試腔6和補償腔7的差壓變化，力傳感器1用于測量試樣拉伸過程中的拉力，絕壓傳感器用于監(jiān)測參考腔和測試腔的內(nèi)腔氣壓壓強，溫度傳感器則可用于監(jiān)測測量環(huán)境溫度的變化。數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡，用于實現(xiàn)傳感器輸出信號的采集，傳輸至后端上位機進(jìn)行處理，上位機軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到試樣的體積變化值，實現(xiàn)推進(jìn)劑試樣應(yīng)力、應(yīng)變、體積變化三個物理量的同步測量，進(jìn)而繪制應(yīng)變-應(yīng)力以及應(yīng)變-體積變化曲線，通過顯示器顯示，完成高聚物脫濕點的精確測量。

本實用新型的測試過程如下：

1、試驗準(zhǔn)備

a)高聚物試樣制備：高聚物試樣3采用B型啞鈴形試樣，試樣制備及存放按照GJB770B-2005方法413.1節(jié)5.1要求進(jìn)行。

b)試驗條件：

試驗在常溫常壓環(huán)境下進(jìn)行，按照規(guī)范要求，試驗溫度為25℃(或20℃)±2℃；拉伸速度500mm/min、100mm/min、20mm/min、2mm/min、0.5mm/min。

2、裝置校準(zhǔn)：

a)測量裝置氣密性試驗。確保測量裝置不漏氣，氣密性滿足試驗要求。

b)測量裝置重復(fù)性試驗。確保測量裝置具有良好的重復(fù)性，能夠滿足試驗要求。

c)體積調(diào)平試驗。補償腔上采用動密封結(jié)構(gòu)安裝有千分尺，通過旋動千分尺調(diào)節(jié)補償腔內(nèi)腔體積，使得測試腔和補償腔內(nèi)腔體積相等。

d)測量裝置標(biāo)定試驗。驗證測量裝置測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、試驗程序：

a)調(diào)節(jié)控溫系統(tǒng)，試樣恒溫至少40min，方可進(jìn)行試驗。

b)檢查試驗裝置，使其達(dá)到合適的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)材料試驗機動橫梁10在合適的位置，要求試樣3測試時在測試腔6內(nèi)倍夾持位置適當(dāng)。

c)高聚物試樣3原始體積測量。

d)測量地大氣壓測量并記錄。

e)測量試樣平行段內(nèi)上、中、下三個截面的面積，取其最小值作為試驗初始橫截面積，并將測量數(shù)據(jù)輸入到上位機軟件內(nèi)。

f)將恒溫好的試樣3裝在夾具上，松緊要適當(dāng)，使試樣3的縱軸與上、下夾具2、5的中心連線重合，防止產(chǎn)生偏向拉力和試樣扭曲。

g)密封試驗腔室，固定拉伸桿與材料試驗機動橫梁。

h)設(shè)置試驗機參數(shù)，開動試驗機，進(jìn)行試驗，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲，上位機軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到試樣的體積變化值，實現(xiàn)推進(jìn)劑試樣應(yīng)力、應(yīng)變、體積變化三個物理量的同步測量，繪制應(yīng)變-應(yīng)力以及應(yīng)變-體積變化曲線，通過顯示模塊顯示。