可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法
2023-11-11 01:46:47
專利名稱：可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬於核反應堆材料測量技術領域，涉及一種可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法。
背景技術：
高溫氣冷堆是我國最有發展前景的反應堆堆型之一，其高溫工藝熱應用於制氫時，需要一個中間熱交換器將反應堆的熱量引入工藝系統。當堆芯出口溫度在1000°c左右時，熱交換器雖可選擇現有的耐高溫合金材料，但考慮到堆芯出口超過1000°c，或者瞬時工況、事故工況時，則必須開發新型的耐高溫碳化矽陶瓷材料。
由於這種換熱器在運行中處於高溫高壓差環境下，所以需要考慮在高溫高壓工況下，換熱器所用的材料是否能滿足機械性能要求；另外，由於需要避免產品氫氣受到氦氣的汙染(反應堆冷卻劑氦氣從熱交換器的熱側滲透到冷側)，則需要研究熱交換器材料在高壓差下的氣密性。碳化矽陶瓷材料是製作高溫換熱器的有前景的備選材料，由於碳化矽陶瓷材料的固有脆性，承受較大形變時容易碎裂，所以需對材料進行楊氏模量的測定；而且碳化矽陶瓷材料的緻密性差，應用於高溫換熱器時需覆塗層以減少氦氣滲透，所以需要對覆塗層的材料進行氣密性實驗。對楊氏模量的測量，最傳統的方法是靜態法，該方法要求被測樣品需要具備一定的韌性，但是碳化矽陶瓷材料的脆性使其不能夠承受稍微大一點的形變，故靜態法無法測出其彈性模量的值。目前能測這種脆性材料的彈性模量的方法主要有經過改進的靜態法、聲頻法、壓環法等，但這些方法測量過程過於複雜，或者代價過於高昂，而且這些方法在不能對材料的氦氣滲透常數進行測量。傳統的楊氏模量測量儀無法測定脆性材料的楊氏模量，且需額外實驗測定高壓氦氣對其的滲透常數，而設計出一套既能夠準確測定碳化矽陶瓷材料的楊氏模量，又能夠準確測定高壓下氦氣對材料的滲透常數的實驗裝置，在工程領域，特別是核能制氫工藝中，有很高的應用價值。
發明內容
本發明針對脆性陶瓷材料的特點，提供一種可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法。本發明所採用的技術方案是該測量裝置包括氦氣瓶、高壓軟管、卡具及測量電路，卡具由上卡具和下卡具通過螺栓連接組成；下卡具的中心部位設置圓形通孔，其上表面設置與圓形通孔同心的圓形槽，並在圓形槽內設置與圓形通孔同心的環形槽；上卡具有兩種結構形式
第一種上卡具的中心部位設置圓形通孔，其下表面設置與圓形通孔同心的圓形槽，並在圓形槽內設置與圓形通孔同心的環形槽；該圓形通孔的內徑、圓形槽的內徑及環形槽的內外徑均分別與下卡具的圓形通孔內徑、圓形槽的內徑及環形槽的內外徑相同；第二種上卡具的中心部位設置圓形通孔，其下表面設置與圓形通孔同心的圓形槽，並在圓形槽 內設置與圓形通孔同心的環形槽；該圓形槽的內徑及環形槽的內外徑均分別與下卡具的圓形槽的內徑及環形槽的內外徑相同，該圓形通孔的內徑大於下卡具圓形通孔的內徑，且小於環形槽的內徑；氦氣瓶通過高壓軟管與下卡具的圓形通孔連接；上卡具和下卡具的環形槽內分別放置0型環，試樣放置於上卡具和下卡具間的圓形槽內；所述測量電路為惠斯通電橋電路，與第二種上卡具配合使用，具體結構為電阻R1' R2、R3、Rg依次連接構成電橋，R1與R2之間、R2與R3之間、R3與Rg之間、Rg與R1之間的連接點分別定義為A點、B點、C點和D點；在電橋的C點和D點間設置電壓輸出表Vtjut,電橋的A點和B點間設置電壓輸入表Vin，電橋的A點與電源負極連接，電橋的B點與滑動變阻器艮連接後與電源的正極連接；Rg為電阻應變片，粘貼於試樣的上表面。所述高壓軟管上設置減壓閥及氣壓表。所述第二種上卡具的圓形通孔的上部設置錐面的倒角。本發明還提供了一種基於所述裝置的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量方法，具體有以下3種測量模式(I)對試樣的氣密性進行定性分析將下卡具與第二種上卡具組合併放入試樣，不設置測量電路，各部件之間均為密封連接；在試樣的上方加入水；高壓氦氣通過減壓閥減壓後進入下卡具的圓形通孔，通過觀察試樣上方的水是否冒出氣泡或冒出氣泡的多少，從宏觀上分析一定壓力下氦氣對試樣滲透率的高低，以決定是否要進行氦氣滲透常數；(2)對試樣氦氣滲透常數的測量將下卡具與第一種上卡具組合併放入試樣，各部件之間均為密封連接；在上卡具的圓形通孔內密封連接氣體收集裝置；高壓氦氣通過減壓閥減壓後進入下卡具的圓形通孔，從試樣滲出後進入到氣體收集裝置，用排水法測量一定時間內收集到的氣體的體積； 計算得到試樣的氦氣滲透率常數K為
權利要求
1.可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置，包括氦氣瓶、高壓軟管、卡具及測量電路，其特徵在於，卡具由上卡具和下卡具通過螺栓連接組成； 下卡具的中心部位設置圓形通孔，其上表面設置與圓形通孔同心的圓形槽，並在圓形槽內設置與圓形通孔同心的環形槽； 上卡具有兩種結構形式 第一種上卡具的中心部位設置圓形通孔，其下表面設置與圓形通孔同心的圓形槽，並在圓形槽內設置與圓形通孔同心的環形槽；該圓形通孔的內徑、圓形槽的內徑及環形槽的內外徑均分別與下卡具的圓形通孔內徑、圓形槽的內徑及環形槽的內外徑相同； 第二種上卡具的中心部位設置圓形通孔，其下表面設置與圓形通孔同心的圓形槽，並在圓形槽內設置與圓形通孔同心的環形槽；該圓形槽的內徑及環形槽的內外徑均分別與下卡具的圓形槽的內徑及環形槽的內外徑相同，該圓形通孔的內徑大於下卡具圓形通孔的內徑，且小於環形槽的內徑； 氦氣瓶通過高壓軟管與下卡具的圓形通孔連接；上卡具和下卡具的環形槽內分別放置O型環，試樣放置於上卡具和下卡具間的圓形槽內； 所述測量電路為惠斯通電橋電路，與第二種上卡具配合使用，具體結構為電阻Rp R2、R3、Rg依次連接構成電橋，R1與R2之間、R2與R3之間、R3與Rg之間、Rg與R1之間的連接點分別定義為A點、B點、C點和D點；在電橋的C點和D點間設置電壓輸出表Vtjut,電橋的A點和B點間設置電壓輸入表Vin，電橋的A點與電源負極連接，電橋的B點與滑動變阻器艮連接後與電源的正極連接；Rg為電阻應變片，粘貼於試樣的上表面。
2.根據權利要求I所述的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量裝置，其特徵在於，所述高壓軟管上設置減壓閥及氣壓表。
3.根據權利要求I所述的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量裝置，其特徵在於，所述第二種上卡具的圓形通孔的上部設置錐面的倒角。
4.一種基於權利要求I所述裝置的可同時測量陶瓷材料彈性與氣密性的測量方法，其特徵在於， (1)對試樣的氣密性進行定性分析 將下卡具與第二種上卡具組合併放入試樣，不設置測量電路，各部件之間均為密封連接；在試樣的上方加入水；高壓氦氣通過減壓閥減壓後進入下卡具的圓形通孔，通過觀察試樣上方的水是否冒出氣泡或冒出氣泡的多少，從宏觀上分析一定壓力下氦氣對試樣滲透率的高低，以決定是否要進行氦氣滲透常數； (2)對試樣氦氣滲透常數的測量 將下卡具與第一種上卡具組合併放入試樣，各部件之間均為密封連接；在上卡具的圓形通孔內密封連接氣體收集裝置；高壓氦氣通過減壓閥減壓後進入下卡具的圓形通孔，從試樣滲出後進入到氣體收集裝置，用排水法測量一定時間內收集到的氣體的體積； 計算得到試樣的氦氣滲透率常數K為:K上—，其中，V為收集到氦氣的體積， ΔΡ · At為收集氦氣所用的時間，h為試樣的厚度，Λ P為壓力差，A為氦氣滲透面積； (3)對試樣彈性模量的測量將下卡具與第二種上卡具組合併放入試樣，在試樣的中部設置電阻應變片並連接測量電路； 首先調節滑動變阻器Ry使Vin為一定值，記錄在初始狀態下輸出的電壓值Vtjutl ； 高壓氦氣通過減壓閥減壓後進入下卡具的圓形通孔，試樣受到來自下方的壓力，發生垂直於表面的微小形變，使電阻應變片的電阻發生變化；記錄氦氣壓力AP，及該狀態下輸 出的電壓值
全文摘要
本發明屬於陶瓷材料測量技術領域，涉及一種可同時測量陶瓷材料彈性模量與氣密性的測量裝置及方法。該裝置包括氦氣瓶、高壓軟管、卡具及測量電路，卡具由上卡具和下卡具組成；上卡具有兩種結構形式，測量電路為惠斯通電橋電路。通過下卡具與不同上卡具的組合，使試樣在氦氣的壓力下發生滲透或變形，從而實現對試樣氦氣滲透率及彈性模量的測量。該裝置成本低廉，結構簡單，且適用於脆性陶瓷材料(如碳化矽)的彈性模量測量。
文檔編號G01N15/08GK102954918SQ201210434008
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月5日 優先權日2012年11月5日
發明者牛風雷, 趙雲淦, 卓衛乾, 齊厚博 申請人:華北電力大學