[发明专利]适用于颗粒材料的动态热机械分析仪及力学性质测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及微观结构测定技术领域，具体涉及一种适用于颗粒材料的动态热机械分析仪及力学性质测量方法。

背景技术

颗粒材料是指由大量粒径大于1um的固体颗粒相互作用组成的复杂体系。颗粒物质广泛存在于自然界，与人类日常生活生产密切相关，比如自然界中沙石、土壤、浮冰、积雪等，日常生活中的粮食、糖、盐等，工业生产中的煤炭矿石、药品、化工产品、金属颗粒等，可以说颗粒物质是地球上存在最多、最与人们密不可分的物质类型之一。对颗粒物质生产、储存和输送等方面的研究已经有了悠久的历史，但是处理和控制颗粒物质的技术一直没有得到系统发展，一些关键技术尚不成熟，工业生产中约10%的能源因此而被浪费；与此同时，泥石流、山体滑坡和雪崩等自然灾害日益威胁人民生命和财产安全，显然，加强颗粒物质的研究有利于提高颗粒物质的加工技术、节约能源、促进经济发展，增进对自然灾害的形成、演进和致灾机理的认知能力和预报调控水平，具有重要的应用价值。

在颗粒材料的研究中，结构特性及结构弛豫的研究可以给人们提供详细的颗粒材料宏观力学响应信息，对于建立和验证颗粒材料的微观理论模型，指导颗粒材料的实际生产、加工、储存运输等均具有很重要的意义，因此成为当前颗粒材料领域的研究热点。但由于颗粒材料具有对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等特征，使得对颗粒材料结构特性及结构弛豫的实验测量成为难点。一般实验室应用的测量技术为密度测量法、力学扭摆法和声学&力学压缩法等，但这些方法都存在实验重复性差，对样品制备要求高，实验操作复杂，测量项目单一等问题，因此只停留在实验室应用阶段，难以得到商用推广。

发明内容

本发明提供了一种适用于颗粒材料的动态热机械分析仪，包括：

颗粒样品夹具，用于夹置待测定的颗粒材料；

应力加载部件，通过空气轴承与颗粒样品夹具连接，用于对颗粒样品夹具里的颗粒材料施加一定的应力；

应变测量部件，通过空气轴承及固定连杆与颗粒样品夹具连接，用于测定颗粒样品夹具里的颗粒材料在一定应力下产生的应变；

其中，所述颗粒样品夹具包括：

固定夹具，设置于所述颗粒样品夹具的最下端，顶端包括一个上端开口的中空圆柱状结构，底端通过固定连杆定位；

活动夹具，活动设置于固定夹具内颗粒材料的最上端，用于将应力传递给颗粒材料；

横梁，其中间与活动夹具连接，两端通过可动连杆及空气轴承与应力加载部件及应变测量部件连接。

其中，所述固定夹具的圆柱状结构下端的中心通过第一连接件与固定连杆连接；

所述活动夹具包括一个用于传递应力的圆盘以及用于与横梁连接的第二连接件，所述第二连接件设置于所述圆盘的上端圆心处；

所述活动夹具对应的圆盘的直径小于所述固定夹具对应的中空圆柱状结构的直径。

其中，所述横梁的中间及两侧各设有一个枢设孔，其中，中间设置的枢设孔用于连接第二连接件，从而实现横梁与活动夹具的连接，两侧的枢设孔分别通过第三连接件与可动连杆连接。

其中，所述可动连杆及空气轴承各设有两个，各可动连杆包括一体成型的横杆及竖杆，使可动连杆呈现“L”形，各空气轴承分别设置于可动连杆横杆的内侧下方，各可动连杆及各空气轴承均呈左右对称。

其中，所述应变测量部件包括两个光学编码器，其分别设置于所述固定连杆及其中一个空气轴承的对应位置处，且该两个光学编码器的横截面相对，所述光学编码器通过测量空气轴承及固定连杆的相对位移，获得颗粒材料在应力下所产生的应变。

其中，所述应力加载部件为驱动马达。本发明另外提供了一种颗粒材料的力学性质测量方法，利用上述适用于颗粒材料的动态热机械分析仪测量，且包括下述步骤：

步骤S1：将颗粒材料均匀放置于所述颗粒样品夹具中；

步骤S2：对所述颗粒样品夹具中的颗粒材料进行预处理；

步骤S3：通过所述应力加载部件对颗粒材料施加静态或动态载荷，通过所述应变测量部件测量颗粒材料产生的应变；

步骤S4：采集颗粒材料的载荷及应变数据，获得颗粒材料的结构特性和结构弛豫信息。

其中，所述步骤S4中，所获得的颗粒材料的结构特征和结构弛豫信息包括载荷-应变曲线、力学松弛曲线及蠕变曲线。

其中，所述步骤S2中，对颗粒材料的预处理包括：

步骤S21：轻微敲击震荡颗粒样品夹具，使颗粒材料均匀分布于夹具中；

步骤S22：对颗粒材料进行预加载，预加载力介于0.05-0.15N，加载时间介于40分-70分。