УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Полезная модель относится к устройствам для механических испытаний керамических материалов при различных схемах нагружения, например, на растяжение, сжатие, изгиб и кручение при температурах свыше 1200°С.
При высоких температурах традиционные испытания в температурных кабинетах и печах невозможны, поскольку оказывается неработоспособной оснастка, используемая для нагружения образца. Поэтому получили развитие методы испытания с нагревом образца непосредственно пропусканием через него тока или использование нагрева образца вихревыми токами, создаваемые индуктором генератора тока высокой частоты.
Из уровня техники известно решение, когда прохождение переменного электрического тока через медный индуктор вызывает появление магнитного поля, поток которого передается с помощью концентратора магнитного потока на нагревательное кольцо, выполненное из сплавов типа нихром, обладающих высоким электросопротивлением и высокой теплостойкостью. От нагретого таким образом вихревыми токами кольца осуществляется нагрев ток непроводящего образца конвективным и лучистым теплообменом (RU 2429121, опуб. 20.09.2011 В29В 13/02).
В патенте RU 2240531 С1, опуб. 20.11.2004, G01N 3/18 описывается установка для механических испытаний материалов при высоких температурах и давлениях, состоящая из рабочей камеры с захватами для образца, механизма нагружения, нагревателя, средств подачи газовой среды и содержащая контрольно-измерительную аппаратуру. Стенки и фланцы рабочей камеры снабжены рубашкой охлаждения, штанги захватов образца и тоководы нагревателя имеют каналы охлаждения. С внутренней стороны рубашки охлаждения расположена теплоизолирующая конструкция. Нагреватель выполнен в форме спирали и расположен в рабочей камере таким образом, что образец находится внутри спирали. Нагрев образца осуществляется конвективным и лучистым теплообменом.
Недостатками данной установки является сложность реализации работоспособности захватов образца и самой камеры при температурах испытания керамики, как правило, превышающей 1200°С.
Известно устройство для испытания на термостойкость конструкционной керамики. Устройство состоит из опоры с зафиксированным в ней призматическим образцом, которые размещаются внутри трубки. Устройство вводится и выводится из разогретой печи с последующей подачей струи хладагента в вершину надреза нагретого образца. Нагрев образца в печи осуществляется конвективным и лучистым теплообменом (RU 2209796 С1, опуб. 10.08.2003 С04В 35/00).
Недостатком данного устройства является невозможность оценки напряжений, определяющих разрушение керамических материалов при нагреве.
Известна установка для измерения теплофизических характеристик в условиях приложения механических и тепловых нагрузок. Образец подвергают воздействию тепловой и механической нагрузок. При этом имеет место угловое отклонение вектора температурного градиента от вектора ускорения свободного падения, совпадающего с вектором силы тяжести. Электронагреватель, представляет собой навитую спираль, которая через гермовыводы соединена с источником питания, а ее физические и геометрические параметры выбираются с учетом характеристик образца (RU 2532609 С2, опуб. 10.11.2014, G01N 25/18).
Основным недостатком данного устройства является нагрев образца конвективным теплообменом и сложность приложения внешней нагрузки.
В авторском свидетельстве №369496 (опуб. 07.09.1983 G01N 3/20) представлен трубчатый измерительный керамический образец для определения объемного сопротивления, теплопроводности и механической прочности, а также для использования эффектов, возникающих при испытании образца в реакторе. Для измерений эффектов облучения на внутреннюю и внешнюю поверхность трубчатого керамического образца наносится материал с большим сечением (n,β)-реакции, характеризующей выделение электронов под действием тепловых нейтронов.
Недостатками данного трубчатого измерительного керамического образца является невозможность определения прочностных характеристик керамики при действии сжимающих, растягивающих или крутящих нагрузок.
Из уровня техники известны решения по нагреву металлического токопроводящего образца прямым пропусканием через него тока.
Известна установка для механических и теплофизических испытаний образца из токопроводящего материала при импульсном нагреве, в которой нагружающий элемент выполнен в виде тонкостенной трубы с размещенной в ней тягой. Другой конец образца через цанговый зажим соединен с динамометром, установленным шарнирно на имеющейся раме. Токоподводы установлены с возможностью нагрева образца и нагружающего элемента (RU 2515351 С1, опуб. 10.05.2014, G01N 25/20).
Основным недостатком данной установки является нагрев образца за счет пропускания через него тока, что возможно только для токопроводящих материалов. Поскольку большинство керамических материалов являются диэлектриками, прочностные характеристики керамических материалов не могут быть определены на данной установке.
Известно устройство для испытания образцов керамических материалов, содержащее термостатирующую камеру, размещенный внутри цилиндрический полый нагреватель с расположенными в нем опорами для закрепления испытуемого образца, нагружатель, пуансон, и измерительную аппаратуру. Нагрев образца в камере осуществляется конвективным и лучистым теплообменом от нагревателя (SU 1040379 А, опуб. 07.09.1983 G01N 3/20).
Недостатком данного устройства является необходимость применения термостатирующей камеры, в которой реализуется не только нагрев образца, но и всей оснастки, что приводит, помимо сложности с обеспечением ее работоспособности, к большим энергозатратам.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому по техническому решению является устройство для испытания образцов на прочность. Нагрев образца осуществляется индукторами генератора тока высокой частоты (ТВЧ), расположенными как с внешней поверхности образца, так и во внутренней его полости, что позволяет создавать различный температурный градиент по толщине стенки исследуемого образца. Нагрев образца осуществляется через экраны, в том числе из тугоплавких материалов, конвективным и лучистым теплообменом (SU 1569670 А1, опуб. 07.06.1990 G01N 3/60).
Недостатком устройства является его крайняя сложность, большие энергетические затраты при испытаниях в условиях температур свыше 1200°С.
Технический результат заявленного технического решения заключается в создании устройства для определения механических характеристик керамических образцов при температуре свыше 1200°С.
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для определения механических характеристик керамических материалов при высоких температурах, включает нагружающее устройство, оснастку для крепления образца, индуктор генератора тока высокой частоты и образец для испытаний. При этом образец для испытаний выполнен из керамического материала, на который нанесен слой тугоплавкого металла, нагреваемый вихревыми токами от индуктора генератора тока высокой частоты.
Слой тугоплавкого металла может быть нанесен на внутреннюю полость образца. Тугоплавкий металл может быть нанесен на внешнюю поверхность и внутреннюю полость образца полосками, не перекрывающими друг друга. В качестве тугоплавкого металла предпочтительно применяются вольфрам или тантал или молибден или ниобий или хром или их сочетания.
На фигуре 1 представлено устройство для определения механических характеристик керамических материалов при высоких температурах.
Устройство для определения механических характеристик керамических материалов при высоких температурах включает нагружающее устройство (1), оснастку (2) для крепления керамического образца, керамический образец (3) для испытаний, индуктор (4) с генератором тока высокой частоты (5). На керамический образец нанесен слой тугоплавкого металла (6), представляющий собой металлическое токопроводящее покрытие. Нанесенный на керамический образец слой тугоплавкого металла, обеспечивающий его испытание при температурах свыше 1200°С, изготавливается из тугоплавких материалов, температура плавления которых значительно превосходит температуру испытаний. В качестве таких материалов могут использоваться: вольфрам с температурой плавления - 3410°С, тантал - 2996°С, молибден - 2622°С, ниобий - 2500°С, хром - 1910°С и другие тугоплавкие металлы. Слой тугоплавкого металла может наноситься как на внешнюю, так и на внутреннюю поверхность, например трубчатого, керамического образца. Слой тугоплавкого металла наносится на керамический образец методами плазменного, детонационного, газодинамического напыления или термического испарения в вакууме.
Устройство для определения прочностных характеристик керамических материалов при высоких температурах работает следующим образом. Испытуемый керамический образец устанавливается в оснастку (2) нагружающего устройства (1), обеспечивающего, растягивающую, сжимающую, крутящую нагрузку или их сочетание в зависимости от выбранной схемы нагружения, что позволяет реализовать требуемое напряженно-деформированное состояние в материале образца. Нагрев до заданной температуры рабочей части керамического образца (3) осуществляется за счет нагрева токопроводящего слоя тугоплавкого металла (6) вихревыми токами, создаваемыми генератором тока высокой частоты (ТВЧ). Для чего используется индуктор (4), питаемый от генератора ТВЧ (5). Температура фиксируется специальным устройством, например, пирометром, а нагрузку измеряют динамометром (на чертеже не показаны).
Нагружающее устройство и оснастка, выбираются из условия схемы нагружения образца - сжатие, растяжение, изгиб, кручение.
Устройство позволяет проводить измерения механических характеристик керамического образца на прочность, сжатие или кручение при температурах от 1200°С до 2000°С и более.
Применение керамического образца с нанесенным слоем из тугоплавкого металлического материала позволяет отказаться от конвективного или лучистого теплообмена, которое при высокой температуре приводят к большим тепловым потерям. Устройство обеспечивает нагрев рабочей части керамического образца непосредственно от нанесенного на образец слоя тугоплавкого металла за счет теплопроводности. При этом исключается нагрев оснастки для крепления керамического образца и понижаются энергозатраты за счет исключения конвективного или лучистого способа нагрева образца.