快速加热硼化锆碳化硅石墨陶瓷基复合材料的装置.pdf

快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，涉及一种快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置。本发明的目的是为了解决目前硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料在1800℃以上的高温氧化中采用的实验装置升温速度慢、成本高的问题。本发明包括可控硅调压变压器、微处理器、电压传感器和两个铜电极，可控硅调压变压器的正、负极电压输出端分别连接一个铜电极的一端，可控硅调压变压器的正、负极电压输出端之间连接电压传感器，电压传感器的采样信号输出端连接微处理器的电压信号输入端；微处理器的控制信号输出端连接可控硅调压变压器的调压控制信号输入端。本发明作为快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置。

1、  一种快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：它包括可控硅调压变压器(1)、微处理器(2)、电压传感器(3)和两个铜电极(5)，可控硅调压变压器(1)的正、负极电压输出端分别连接一个铜电极(5)的一端，可控硅调压变压器(1)的正、负极电压输出端之间连接电压传感器(3)，电压传感器(3)的采样信号输出端连接微处理器(2)的电压信号输入端；微处理器(2)的控制信号输出端连接可控硅调压变压器(1)的调压控制信号输入端。

2、  根据权利要求1所述的快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：它还包括电流传感器(4)，电流传感器(4)串联在所述可控硅调压变压器(1)的正或负极电压输出端与铜电极(5)之间，电流传感器(4)的采样信号输出端连接微处理器(2)的电流信号输入端。

3、  根据权利要求1或2所述的快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：它还包括温度测量装置(6)和待测试件(9)，所述两个铜电极(5)之间串接待测试件(9)，待测试件(9)的外表面触接温度测量装置(6)的测量信号输入端。

4、  根据权利要求3所述的快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：它还包括A/D转换器(7)和温度信号采集装置(8)，所述温度测量装置(6)的测量信号输出端连接A/D转换器(7)的温度信号输入端，A/D转换器(7)的温度信号输出端连接温度信号采集装置(8)的采样信号输入端，温度信号采集装置(8)的采样信号输出端连接微处理器(2)的温度信号输入端。

5、  根据权利要求3所述的快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：温度测量装置(6)采用双比色高温温度计。

6、  根据权利要求4所述的快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置，其特征在于：温度测量装置(6)采用双比色高温温度计。

快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置
技术领域
本发明涉及一种快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置。
背景技术
随着现代技术的发展，高温结构材料在航空、航天、能源、化工、机械、冶金等领域的使用条件越来越苛刻，开发应用于极端恶劣工作条件下的新型高温结构材料变得极为迫切。
二硼化锆陶瓷因为具有高熔点、高硬度、导电导热性好、良好的中子控制能力等特点而在高温结构陶瓷材料、复合材料、耐火材料、电极材料以及核控制材料等领域受到人们的高度重视并得到应用。但由于它在温度高于650℃时开始氧化，并且强度相对不高，影响了它的使用效果。如何在保持优良特性的同时，改善其抗氧化性，提高其高温抗氧化性能成为各国科研工作者关注的问题。大量的实验研究表明，碳化硅添加到硼化锆中能显著地改善硼化锆陶瓷的抗氧化性能和力学性能。硼化锆-碳化硅陶瓷复合材料在高温下生成的硼硅酸盐玻璃密封在材料的表面，阻止氧气向材料内部扩散，这有效地提高了硼化锆-碳化硅陶瓷基复合材料的抗氧化性到1700℃左右。但是硼化锆-碳化硅陶瓷基复合材料的抗热冲击性能仍不能满足实际工作环境的需要，实验研究表明，适量的石墨的添加极大的改善了硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的抗热冲击性能。但是硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的使用温度一般超过1800℃，由于研究方式和设备的限制，硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料在1800℃以上的氧化通常采用氧乙炔氧化烧蚀装置，或者是风洞装置。这两种研究方式成本很高，升温速度慢，实验时间长，因此限制了硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的氧化研究工作。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料在1800℃以上的高温氧化中采用的实验装置升温速度慢、成本高的问题，提出了一种快速加热硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的装置。
本发明包括可控硅调压变压器、微处理器、电压传感器和两个铜电极，可控硅调压变压器的正、负极电压输出端分别连接一个铜电极的一端，可控硅调压变压器的正、负极电压输出端之间连接电压传感器，电压传感器的采样信号输出端连接微处理器的电压信号输入端；微处理器的控制信号输出端连接可控硅调压变压器的调压控制信号输入端。
本发明的优点是：
本发明成功地应用了硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料的导电性能，通过对其输入高电流来进行快速加热；本发明装置制作简单、安全，升温速度快，可以使待测试件的升温速率达到600℃/s以上，能快速的实现对待测试件大于2000℃的超高温度的加热；对待测试件加热到同样的温度需要的时间是采用氧乙炔氧化烧蚀装置的30％，是采用风洞装置的50％；本发明装置成本低：如果对待测试件加热到2000℃，采用风洞装置需成本约20000元，采用氧乙炔氧化烧蚀装置需成本约200元，而采用本发明装置仅需1.5元左右。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括可控硅调压变压器1、微处理器2、电压传感器3和两个铜电极5，可控硅调压变压器1的电源输入端连接市电电源的输出端，可控硅调压变压器1的正、负极电压输出端分别连接一个铜电极5的一端，可控硅调压变压器1的正、负极电压输出端之间连接电压传感器3，电压传感器3的采样信号输出端连接微处理器2的电压信号输入端；微处理器2的控制信号输出端连接可控硅调压变压器1的调压控制信号输入端。
将硼化锆-碳化硅-石墨陶瓷基复合材料制成的待测试件9(热冲击和氧化测试标准件)打磨光滑，使表面光洁度低于1μm，然后将待测试件9两端通过夹紧机构分别固定在铜电极5的阴阳两极上。首先对可控硅调压变压器1输入380V的工频交流电，对待测试件9通以一定大小的电流，电压传感器3将测得的电压值反馈给微处理器2，微处理器2计算输出的热功值并按照预先设定的程序来调节可控硅调压变压器1的输出电压，从而调整待测试件9通入电流的大小来控制待测试件9的最终平衡温度以及升温速率。由升温过程所经过的时间可估算出待测试件9的表面温度。
待测试件9采用导电性能优异的铜板为电极，为保证待测试件9与铜电极5的充分接触以使通电状态良好，避免局部放电打火产生电弧，在固定待测试件9处填塞柔性良好的细铜丝束。由于电流生热以及试件轴向的热传导会使得铜电极5产生较高的温度，将铜电极5做成10mm×100mm×15mm的厚铜板，使得铜电极5可以有效散热，避免高温熔化。此外，在进行高温氧化试验时，可能需要长时间保温，为避免铜电极5温度超限，可在铜电极5处焊接水冷铜管进行水循环冷却。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于它还包括电流传感器4，电流传感器4串联在所述可控硅调压变压器1的正或负极电压输出端与铜电极5之间，电流传感器4的采样信号输出端连接微处理器2的电流信号输入端。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
电流传感器4将测得的电流值反馈给微处理器2，由功率的计算公式P＝I²R能计算出待测试件9的功率，功率与通电时间的乘积为电能E，由能量的守恒定律可知待测试件9的热能Q＝E＝cmΔt，其中c为待测试件9的比热容，m为待测试件9的质量，Δt为待测试件9的温度变化量，通过测定待测试件9的初始温度，可以估算出待测试件9的表面温度。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于它还包括温度测量装置6和待测试件9，所述两个铜电极5之间串接待测试件9，待测试件9的外表面触接温度测量装置6的测量信号输入端。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。
温度测量装置6的测量信号输入端与待测试件9的表面接触，可以通过测定得出待测试件9表面的准确温度，由测得的温度与实施方式一或二中得出的温度值相比，再调节微处理器2中预先设定的初始值，使装置的初始设定更准确。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同之处在于它还包括A/D转换器7和温度信号采集装置8，所述温度测量装置6的测量信号输出端连接A/D转换器7的温度信号输入端，A/D转换器7的温度信号输出端连接温度信号采集装置8的采样信号输入端，温度信号采集装置8的采样信号输出端连接微处理器2的温度信号输入端。其它组成及连接关系与实施方式三相同。
将待测试件9的温度信号作为微处理器2的反馈信号，与电压信号和电流信号共同调节可控硅调压变压器1的输出电压，从而控制通过待测试件9的电流，使对实验装置的控制更精确。温度信号采集装置8将输入的采样信号按照RS-485异步串行通信协议上传到上位的计算机，计算机自动记录实验数据。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式三的不同之处在于温度测量装置6采用双比色高温温度计。其它组成及连接关系与实施方式三相同。
采用双比色高温温度计测量待测试件9在高电流通过情况下的表面温度，双比色高温温度计的最快响应时间可达到0.025s。
实验一：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在500A的时候样件表面的温度在3.6s内快速升高到2300℃。
实验二：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在480A的时候样件表面的温度在3.8s内快速升高到2280℃。
实验三：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在450A的时候样件表面的温度在3.9s内快速升高到2250℃。
实验四：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在400A的时候样件表面的温度在4.1s内快速升高到2200℃。
实验五：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在380A的时候样件表面的温度在4.4s内快速升高到2150℃。
实验六：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在350A的时候样件表面的温度在4.5s内快速升高到2100℃。
实验七：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在330A的时候样件表面的温度在4.8s内快速升高到2050℃。
实验八：采用待测试件9的尺寸为36×4×3mm，用金刚石研磨膏将样件表面打磨到光洁度低于1μm以下，将打磨后的待测试件9连接到上述发明装置上，为了防止虚接触而造成的火花放电，连接处通过螺栓旋紧。电流峰值设定在300A的时候样件表面的温度在5s内快速升高到2000℃。
从试验结果看，本发明装置能快速的实现对待测试件9的表面温度大于2000℃的超高温度的加热。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式四的不同之处在于温度测量装置6采用双比色高温温度计。其它组成及连接关系与实施方式四相同。