[发明专利]一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法，属于材料力学性能测试领域。

背景技术

陶瓷材料的致命弱点是脆性、低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的广泛应用，材料的脆性主要表现为断裂韧性低。目前，陶瓷材料的增韧主要是从材料本身的角度出发，通过改变成分、组织、结构等提高韧性，比如纤维/晶须增韧、相变增韧、纳米增韧等，这些增韧措施虽然取得了一定的成就，但效果仍不显著。另外，先进陶瓷材料因具有高抗压强度、高硬度、低密度等突出特性而越来越广泛地应用于抗弹防护领域，但纯陶瓷靶板在弹体的冲击作用下会发生破碎和飞溅，这将大幅度降低靶板的抗弹性能。现有的陶瓷力学性能(抗弯强度、断裂韧性)测试主要在万能材料试验机上进行。以抗弯强度测试为例，如图1所示，常规的三点弯曲试验是将标准试样放在有一定跨距的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向试样施加向下的载荷，试样的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，试样将于中点处发生断裂，记录试样断裂时的最大载荷，根据公式即可计算出抗弯强度。对于在预应力约束条件下，陶瓷材料的力学性能将发生什么样的变化，有关的研究较少，相应的对陶瓷材料施加预应力的实验装置还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置及方法，所述装置及方法能够在约束条件下测试陶瓷的力学性能。

一种对陶瓷材料施加预应力的实验装置，所述装置包括底座、第一支撑板、第二支撑板、挡板B、加载组件一、加载组件二，外围设备为测力计；

其中加载组件一包括把手A、中空螺栓A、固定板A、弹簧A、金属杆A、挡板A；加载组件二包括把手A’、中空螺栓A’、固定板A’、弹簧A’、金属杆A’、挡板A’；

其中底座为长方体结构，在底座上表面沿中轴线方向开有燕尾槽；

在底座中心位置两侧对称固定有第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板高度相等；在第一支撑板左侧设有加载组件一，其中：

固定板A固定在底座最左端，中空螺栓A水平穿过固定板A，中空螺栓A和固定板A之间通过螺纹配合，把手A固定在中空螺栓A外侧；

挡板A位于第一支撑板左侧，金属杆A一端与挡板A抵触连接，另一端套装在中空螺栓A内部；

弹簧A套装在金属杆A上，弹簧A位于中空螺栓A和挡板A之间；

第二支撑板右侧设有加载组件二，以底座中心为对称点，加载组件二与加载组件一对称位于底座的左右两侧；

在第一支撑板和挡板A之间设有挡板B，其中挡板A、挡板A’、挡板B的下部为燕尾形，与底座上表面的燕尾槽配合；挡板A、挡板A’、挡板B可沿底座中轴线滑动；

测力计包括压力传感器、信号传输线和力显示器，通过信号传输线将压力传感器和力显示器连接；测试时将压力传感器置于挡板A和挡板B之间，通过挡板A’和挡板B对陶瓷试样施加作用力，压力传感器接受到作用力后产生信号，将信号传给力显示器并显示力的大小；

一种对陶瓷材料施加预应力的实验方法，所述方法具体操作步骤如下：

步骤一、将所述对陶瓷材料施加预应力的实验装置的底座固定于万能材料试验机的底座上，将压力传感器置于挡板A和挡板B之间；

步骤二、将陶瓷试样置于第一支撑板和第二支撑板上方，通过旋转把手A、把手A’，分别带动中空螺栓A、A’对弹簧A、A’进行压缩，使挡板A’和挡板B对陶瓷试样的两端面施加约束力，同时挡板A和挡板B挤压压力传感器，通过力显示器读出约束力的大小；

步骤三、开启万能材料试验机，使万能材料试验机的压头以设定速度向下运动，对陶瓷试样施加压力，至陶瓷试样断裂为止；

其中，在步骤二中，保证陶瓷试样的中心和万能材料试验机的压头中轴线在同一直线上。

在步骤三中，优选所述万能材料试验机压头的设定速度为0.5mm/min。

通过对陶瓷试样两端施加大小不同的约束力，测试其抗弯强度，从而研究约束力对陶瓷抗弯强度的影响。

有益效果

1.本发明所述实验装置，利用刚性材料对陶瓷材料施加压应力，压应力的施加方式多样且大小可变；通过施加的压应力可以抵消或减轻裂纹尖端的张应力，从而阻止陶瓷材料内部裂纹扩展，起到改善陶瓷脆性的作用。

2.本发明所述实验方法，通过实验装置对陶瓷材料施加预应力，从而大幅度改善陶瓷材料的脆性，获得较高的断裂韧性，从而扩大陶瓷的应用范围。这种方法提供了一种研究思路，可以从陶瓷材料外部出发，通过对其施加压应力，提高陶瓷材料的使用性能。