專利名稱：一種對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置及方法，屬于材料力學性能測試領域。
背景技術：
陶瓷材料的致命弱點是脆性、低可靠性和低重復性，這些不足嚴重影響了陶瓷材料的廣泛應用，材料的脆性主要表現為斷裂韌性低。目前，陶瓷材料的增韌主要是從材料本身的角度出發，通過改變成分、組織、結構等提高韌性，比如纖維/晶須增韌、相變增韌、納米增韌等，這些增韌措施雖然取得了一定的成就，但效果仍不顯著。另外，先進陶瓷材料因具有高抗壓強度、高硬度、低密度等突出特性而越來越廣泛地應用于抗彈防護領域，但純陶瓷靶板在彈體的沖擊作用下會發生破碎和飛濺，這將大幅度降低靶板的抗彈性能。現有的陶瓷力學性能(抗彎強度、斷裂韌性)測試主要在萬能材料試驗機上進行。以抗彎強度測試為例，如圖I所示，常規的三點彎曲試驗是將標準試樣放在有一定跨距的兩個支撐點上， 在兩個支撐點中點上方向試樣施加向下的載荷，試樣的3個接觸點形成相等的兩個力矩時即發生三點彎曲，試樣將于中點處發生斷裂，記錄試樣斷裂時的最大載荷，根據公式即可計算出抗彎強度。對于在預應力約束條件下，陶瓷材料的力學性能將發生什么樣的變化，有關的研究較少，相應的對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置還未見報道。
發明內容
本發明的目的在于提供了一種對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置及方法，所述裝置及方法能夠在約束條件下測試陶瓷的力學性能。一種對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置，所述裝置包括底座、第一支撐板、第二支撐板、擋板B、加載組件一、加載組件二，外圍設備為測力計；其中加載組件一包括把手A、中空螺栓A、固定板A、彈簧A、金屬桿A、擋板A ;加載組件二包括把手A’、中空螺栓A’、固定板A’、彈簧A’、金屬桿A’、擋板A’ ；其中底座為長方體結構，在底座上表面沿中軸線方向開有燕尾槽；在底座中心位置兩側對稱固定有第一支撐板和第二支撐板，第一支撐板和第二支撐板高度相等；在第一支撐板左側設有加載組件一，其中固定板A固定在底座最左端，中空螺栓A水平穿過固定板A,中空螺栓A和固定板 A之間通過螺紋配合，把手A固定在中空螺栓A外側；擋板A位于第一支撐板左側，金屬桿A —端與擋板A抵觸連接，另一端套裝在中空螺栓A內部；彈簧A套裝在金屬桿A上，彈簧A位于中空螺栓A和擋板A之間；第二支撐板右側設有加載組件二，以底座中心為對稱點，加載組件二與加載組件一對稱位于底座的左右兩側；在第一支撐板和擋板A之間設有擋板B，其中擋板A、擋板A’、擋板B的下部為燕尾形，與底座上表面的燕尾槽配合；擋板A、擋板A’、擋板B可沿底座中軸線滑動；測力計包括壓力傳感器、信號傳輸線和力顯示器，通過信號傳輸線將壓力傳感器和力顯示器連接；測試時將壓力傳感器置于擋板A和擋板B之間，通過擋板A’和擋板B對陶瓷試樣施加作用力，壓力傳感器接受到作用力后產生信號，將信號傳給力顯示器并顯示力的大小；一種對陶瓷材料施加預應力的實驗方法，所述方法具體操作步驟如下步驟一、將所述對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置的底座固定于萬能材料試驗機的底座上，將壓力傳感器置于擋板A和擋板B之間；步驟二、將陶瓷試樣置于第一支撐板和第二支撐板上方，通過旋轉把手A、把手 A’，分別帶動中空螺栓A、A’對彈簧A、A’進行壓縮，使擋板A’和擋板B對陶瓷試樣的兩端面施加約束力，同時擋板A和擋板B擠壓壓力傳感器，通過力顯示器讀出約束力的大小；步驟三、開啟萬能材料試驗機，使萬能材料試驗機的壓頭以設定速度向下運動，對陶瓷試樣施加壓力，至陶瓷試樣斷裂為止；其中，在步驟二中，保證陶瓷試樣的中心和萬能材料試驗機的壓頭中軸線在同一直線上。在步驟三中,優選所述萬能材料試驗機壓頭的設定速度為O. 5mm/min。通過對陶瓷試樣兩端施加大小不同的約束力，測試其抗彎強度，從而研究約束力對陶瓷抗彎強度的影響。有益效果I.本發明所述實驗裝置，利用剛性材料對陶瓷材料施加壓應力，壓應力的施加方式多樣且大小可變；通過施加的壓應力可以抵消或減輕裂紋尖端的張應力，從而阻止陶瓷材料內部裂紋擴展，起到改善陶瓷脆性的作用。2.本發明所述實驗方法，通過實驗裝置對陶瓷材料施加預應力，從而大幅度改善陶瓷材料的脆性，獲得較高的斷裂韌性，從而擴大陶瓷的應用范圍。這種方法提供了一種研究思路，可以從陶瓷材料外部出發，通過對其施加壓應力，提高陶瓷材料的使用性能。
圖I為常規三點彎曲試驗示意圖；圖2為本發明所述的對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置的正視圖；圖3為本發明所述的對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置的俯視圖；圖4為本發明所述的對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置的側視圖；其中，I-底座、2-把手A、3_中空螺栓A、4_固定板A、5_彈簧A、6_金屬桿A、7_擋板A、8-擋板B、9-第一支撐板、10-第二支撐板、11-擋板A’、12_彈簧A’、13_金屬桿A’、 14-固定板A’、15-中空螺栓A’、16-把手A’。
具體實施例方式下面通過具體實施例來詳細描述本發明實施例如圖2 4所示的對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置，所述裝置包括底座I、第一支撐板9、第二支撐板10、擋板B8、加載組件一、加載組件二，以及外圍設備測力計；其中加載組件一包括把手A2、中空螺栓A3、固定板A4、彈簧A5、金屬桿A6、擋板 A7;加載組件二包括把手A’ 16、中空螺栓A’ 15、固定板A’ 14、彈簧A’ 12、金屬桿A’ 13、擋板 A，11 ；其中底座I為長方體結構，在底座I上表面沿中軸線方向開有燕尾槽；在底座I中心位置兩側對稱固定有第一支撐板9和第二支撐板10，第一支撐板9 和第二支撐板10高度相等；在第一支撐板9左側設有加載組件一，其中固定板A4固定在底座I最左端，中空螺栓A3水平穿過固定板A4，中空螺栓A3和固定板A4之間通過螺紋配合，把手A2固定在中空螺栓A3外側；擋板A7位于第一支撐板9左側，在擋板A7左側端面上開有圓形凹槽，凹槽中設有內螺紋；金屬桿A6 —端通過外螺紋固定在擋板A7中心的圓形凹槽上,與擋板A7抵觸連接， 金屬桿A6的另一端套裝在中空螺栓A3內部；彈簧A5套裝在金屬桿A6上，彈簧A5位于中空螺栓A3和擋板A7之間；第二支撐板10右側設有加載組件二，以底座I中心為對稱點，加載組件二與加載組件一對稱位于底座I的左右兩側；在第一支撐板9和擋板A7之間設有擋板B8，其中擋板A7、擋板A’ 11、擋板B8的下部為燕尾形，與底座上表面的燕尾槽配合；擋板A7、擋板A’ 11、擋板B8可沿底座中軸線滑動；測力計包括壓力傳感器、信號傳輸線和力顯示器，通過信號傳輸線將壓力傳感器和力顯示器連接；測試時將壓力傳感器置于擋板A7和擋板B8之間，通過擋板A’ 11和擋板 B8對陶瓷試樣施加作用力，壓力傳感器接受到作用力后產生信號，將信號傳給力顯示器并顯示力的大小，測力計的量程為O IOOOMPa ；其中第一支撐板9、第二支撐板10高度為37. 5mm，固定板A4、固定板A’ 14、擋板 A7、擋板A’ 11、擋板B8高度均為60mm ;擋板A7、擋板A’ 11中心的圓形凹槽的直徑為IOmm ； 中空螺栓A3、中空螺栓A’ 15外徑為12mm,內徑為9mm ;金屬桿A6、金屬桿A’ 13直徑為IOmm ； 彈簧A5、彈簧A’ 12內徑為Ilmm;一種對陶瓷材料施加預應力的實驗方法，所述方法基于三點彎曲試驗，具體操作步驟如下步驟一、將所述對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置的底座I固定于萬能材料試驗機的底座上，將壓力傳感器置于擋板A7和擋板B8之間；步驟二、將陶瓷試樣置于第一支撐板9和第二支撐板10上方，通過旋轉把手A2、把手A’ 16，分別帶動中空螺栓A3、A’ 15對彈簧A5、A’ 12進行壓縮，使擋板A’ 11和擋板B8 對陶瓷試樣的兩端面施加約束力，保證陶瓷試樣的中心和萬能材料試驗機的壓頭中軸線在同一直線上；同時擋板A7和擋板B8擠壓壓力傳感器，通過力顯示器讀出約束力的大小；步驟三、開啟萬能材料試驗機，使萬能材料試驗機的壓頭以O. 5mm/min的設定速度向下運動，對陶瓷試樣施加壓力，至陶瓷試樣斷裂為止；通過對陶瓷試樣兩端施加大小不同的約束力，測試其抗彎強度，從而研究約束力對陶瓷抗彎強度的影響。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置，其特征在于所述裝置包括底座(I)、第一支撐板(9)、第二支撐板(10)、擋板B (8)、加載組件一和加載組件二，外圍設備為測力計；其中加載組件一包括把手A (2)、中空螺栓A (3)、固定板A (4)、彈簧A (5)、金屬桿A (6)、 擋板A(7);加載組件二包括把手A’(16)、中空螺栓A’(15)、固定板A’(14)、彈簧A’(12)、 金屬桿A’(13)、擋板A’ (11)；其中底座(I)為長方體結構，在底座(I)上表面沿中軸線方向開有燕尾槽；在底座(I)中心位置兩側對稱固定有第一支撐板(9)和第二支撐板(10)，第一支撐板(9)和第二支撐板(10)高度相等；在第一支撐板(9)左側設有加載組件一，其中固定板A (4)固定在底座(I)最左端，中空螺栓A (3)水平穿過固定板A (4),中空螺栓 A(3)和固定板A(4)之間通過螺紋配合，把手A(2)固定在中空螺栓A(3)外側；擋板A(7)位于第一支撐板(9)左側,金屬桿A(6) —端與擋板A(7)抵觸連接,另一端套裝在中空螺栓A (3)內部；彈簧A(5)套裝在金屬桿A(6)上，彈簧A(5)位于中空螺栓A(3)和擋板A(7)之間； 第二支撐板(10)右側設有加載組件二，以底座(I)中心為對稱點，加載組件二與加載組件一對稱位于底座(I)的左右兩側；在第一支撐板(9)和擋板A(7)之間設有擋板8(8)，其中擋板4(7)、擋板4’(11)、擋板 B(S)的下部為燕尾形，與底座上表面的燕尾槽配合；測力計包括壓力傳感器、信號傳輸線和力顯示器，通過信號傳輸線將壓力傳感器和力顯示器連接，壓力傳感器位于擋板A (7)和擋板B (8)之間。
2.一種對陶瓷材料施加預應力的實驗方法，其特征在于所述方法采用如權利要求I 所述的對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置，具體操作步驟如下步驟一、將所述對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置的底座固定于萬能材料試驗機的底座上，將壓力傳感器置于擋板A (7)和擋板B (8)之間；步驟二、將陶瓷試樣置于第一支撐板(9)和第二支撐板(10)上方，通過旋轉把手A(2)、 把手A’(16)，分別帶動中空螺栓A(3)、中空螺栓A’ (15)對彈簧A(5)、彈簧A’ (12)進行壓縮，使擋板A’ (11)和擋板B(S)對陶瓷試樣的兩端面施加約束力，同時擋板A(7)和擋板 B(S)擠壓壓力傳感器，通過力顯示器讀出約束力的大小；步驟三、開啟萬能材料試驗機，使萬能材料試驗機的壓頭以設定速度向下運動，對陶瓷試樣施加壓力，至陶瓷試樣斷裂為止；其中，在步驟二中，保證陶瓷試樣的中心和萬能材料試驗機的壓頭中軸線在同一直線上。
3.根據權利要求2所述的一種對陶瓷材料施加預應力的實驗方法，其特征在于步驟三中所述萬能材料試驗機壓頭的設定速度為O. 5mm/min。
全文摘要
本發明公開了一種對陶瓷材料施加預應力的實驗裝置及方法，屬于材料力學性能測試領域。所述裝置包括底座、第一支撐板、第二支撐板、擋板B、加載組件一、加載組件二，外圍設備為測力計；在底座中心對稱固定有第一支撐板和第二支撐板，在第一支撐板左側設有加載組件一，第二支撐板右側設有加載組件二，其中加載組件一包括把手A、中空螺栓A、固定板A、彈簧A、金屬桿A、擋板A；加載組件二包括把手A’、中空螺栓A’、固定板A’、彈簧A’、金屬桿A’、擋板A’；本發明所述實驗裝置及方法通過對陶瓷材料兩側施加預應力，研究約束力對陶瓷抗彎強度的影響，為提高陶瓷材料的使用性能提供了一種研究思路。
文檔編號G01N3/08GK102607952SQ20121006421
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者萬明明, 劉曉東, 姜全振, 孫川, 李云凱, 李樹奎, 王云飛 申請人:北京理工大學