[发明专利]用高能X射线进行原位成像的电控压缩试验机及试验方法

说明书

本发明公开了一种用高能X射线进行原位成像的电控压缩试验机及试验方法，采用高精度伺服电机作动，利用二级蜗轮蜗杆减速器将电机的旋转运动转化为下夹具的上下直线运动，试样通过上、下夹具固定，通过下夹具的位移控制对试样施加压缩应力，采用微型动态力传感器及激光振动计实时采集试验过程中试样所受载荷及位移，通过控制单元实现试验机的闭环控制。本发明的试验机是一种具有高精度、较大载荷、体积小、质量轻、能够实现单调压缩等特性的原位压缩材料试验装置，可以实现与同步辐射光源试验平台的良好兼容，满足样品平台对重量、尺寸的要求，能够对各单调加载应力水平下材料的内部结构、典型缺陷进行实时监测。

技术领域

本发明属于原位成像控制试验设备领域，具体涉及一种用高能X射线进行原位成像的电控压缩试验机及试验方法。

背景技术

高能X射线计算机断层扫描技术具备亚微米空间和微秒时间分辨率及百keV级的卓越探测能力，较常规工业X光机的试验水平高出几个数量级，使得在微米和亚微米分辨率下观测材料内部孔隙结构演变成为可能，给金属材料、复合材料等细观力学性能研究带来前所未有的机遇。目前，国内在利用高能X射线计算机断层扫描技术对金属材料及复合材料内部孔隙结构破坏过程的研究比较少，急需开展基于高能X射线源的金属材料、复合材料、多孔材料等原位力学性能试验，揭示内部孔隙演化规律及破坏机理。

作为冷却剂通过的载体，陶瓷、碳纤维等复合材料的孔隙率往往都比较低，这样才能保证冷却剂在一定的压力下实现定量渗出。在发汗冷却的实际应用中，复合材料的内部孔隙结构完整性对热防护效率有着决定性的影响。而在冷却剂的压力下，材料内部孔隙结构有可能会受到破坏，进而堵塞开孔通道，冷却剂不能及时、均匀、高效地渗出材料表面。由于陶瓷、碳纤维等复合材料失效时大多由内部孔隙结构的破坏引起，并且直接决定着冷却剂的渗流情况，因此有必要研究其在外加渗流剂情况下，内部结构的液体渗透性能及其破坏过程。而内部结构破坏过程很难通过简便的试验确定，需要通过原位力学性能实验对材料内部孔隙结构的演变过程进行深入研究，揭示其破坏规律，为材料的工程应用与评价提供理论基础。

国内外学者在材料内部结构及典型缺陷的数理模型、材料缺陷在外部载荷作用下的演化机制、含缺陷材料性能数值预报模型方面的研究还比较有限。在基于高能X射线三维成像数字重构、有限元高效建模、材料性能及寿命预测一体化的工作方面，还处于起步阶段。为了实现精确、高效预测材料在不同服役条件下性能预测，急需建立材料内部孔隙结构破坏模型，建立基于复杂环境下原位同步辐射三维成像力学加载系统，并开展基于高能X射线三维成像图像大数据重构的孔隙结构演化规律的材料性能研究。

微型的原位单调压缩材料试验机与先进X射线成像相结合使得科学家能够深入到材料内部，高精度、高亮度、高准直、高效率、非破坏性和原位实时地探测到材料在单调压缩载荷下损伤和断裂过程及其内部力学性能；同时本发明能够在外接渗流装置的条件下，探索材料在压缩载荷下内部孔隙结构的液体渗透性能及其结构的破坏过程，这对于材料的工程应用与力学性能评价具有无可替代的科学意义。目前市场上及其他专利中所述试验机结构都无法配合高能X射线进行精确的单调加载试验。其一，标准单调加载试验机的尺寸及质量都超过了同步辐射光源设备的承载范围，无法实现单调加载试验的原位观测；其二，目前基于先进光源的原位试验机无法通过数据采集与控制单元实现单调加载试验的闭环控制；其三，目前基于先进光源的原位试验机仅能够进行单调拉伸试验，不具有单调压缩性能；其四，目前基于先进光源的原位试验机无法准确测量单调加载试验过程中试样的位移；其五，目前基于先进光源的原位试验机单调载荷较小，无法实现较高载荷下的单调加载试验；其六，目前基于先进光源的原位试验机无法在进行单调加载试验的过程中同步进行材料的液体渗透试验。

发明内容

考虑到以上的问题，本发明提供了一种用高能X射线进行原位成像的电控压缩试验机及试验方法。

本发明的一种用高能X射线进行原位成像的电控压缩试验机结构为：