Устройство для измерения термомеханических характеристик материалов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Бильдюкевич Лидия Юрьевна Бринь Антон Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для измерения термомеханических характеристик материалов, содержащее неподвижное основание, установленную на жестко прикрепленных к нему стойках неподвижную траверсу, блок нагружения, включающий нагрузочное средство, силовой стержень и пуансон, установленное на основании между стойками нагревательное средство,блок регулирования температуры, блок измерения степени деформации образца с датчиком линейного перемещения, отличающееся тем, что устройство снабжено измерительной 90632013.02.28 ячейкой с центральным каналом для исследуемого материала и заглушкой с глухим отверстием для термопары, жестко установленными в нагревательном средстве так, что сплошная поверхность заглушки плотно прилегает к нижней части измерительной ячейки без образования зазора, и выполненными из меди рабочая поверхность пуансона представляет собой плоский срез, сечение которого соответствует сечению центрального канала измерительной ячейки и торцевой поверхности образца причем в неподвижном основании выполнено сквозное отверстие для установки термопары, которую фиксируют в глухом отверстии заглушки стопорным винтом зажимного элемента, жестко прикрепленного к неподвижному основанию, а неподвижная траверса снабжена центральным сквозным отверстием, направляющим движение силового стержня, к нижней боковой части которого жестко прикреплен передаточный стержень, опирающийся на измерительный наконечник датчика линейных перемещений.(56) 1. Патент РФ 2352917, МПК 01 3/54, 2009. 2. Патент РФ 2363940, МПК 01 11/00, 2009 (прототип). Техническое решение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для исследования термомеханических характеристик материалов, и может найти применение в области технологии переработки и осуществления контроля полимерных материалов, машиностроении, электронике и электротехнике, автомобильной промышленности. Известен способ определения предела текучести высоконаполненной полимерной композиции 1, для осуществления которого описано устройство для определения предела текучести полимерной композиции (материала) в широком температурном диапазоне. Указанное устройство содержит изложницу для формования цилиндрического образца полимерной композиции, представляющую собой термокамеру с выталкивающим штоком. Верхняя подвижная пластина (плита), нагружаемая постоянным грузом, соединена с индикатором перемещения, фиксирующим ее движение во время работы. Функцию нижней рабочей пластины (плиты), установленной параллельно верхней, выполняют совмещенные на одном уровне верхняя поверхность термокамеры и торцевая поверхность выталкивающего штока. В данном устройстве образец сжимают плоскопараллельными плитами, площадь которых превосходит контактирующую с ними поверхность образца. Недостатками устройства являются низкая точность и узкий диапазон измерений, так как удельная нагрузка со временем уменьшается вследствие возрастания площади сечения образца и непрерывного накопления деформаций и отсутствует нагрев образца во время его деформирования. Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения термомеханических характеристик термопластичных материалов 2 (прототип), содержащее неподвижное основание со средством позиционирования образца исследуемого материала,установленные на жестко прикрепленных к нему стойках неподвижную и подвижную траверсы систему нагружения индентора (блок нагружения), включающую нагружающее устройство (нагрузочное средство), силовой стержень и стержень с индентором (пуансон) систему перемещения индентора, включающую подвижную траверсу, гайки для фиксации подвижной траверсы, и систему контроля перемещений индентора, а соответственно, и измерения степени деформации образца (блок измерения степени деформации образца),включающую датчики перемещения, опорный диск, расположенный на силовом стержне,и регистрирующий прибор систему регулирования начальной температуры образца,включающую камеру для нагрева или охлаждения образца (нагревательное средство) и блок регулирования исходной температуры образца (блок регулирования температуры), и 2 90632013.02.28 узел индивидуального подогрева индентора, который снабжен системой регулирования режима нагрева индентора. Система нагружения индентора снабжена средством стабилизации нагрузки в течение одного испытания и с возможностью ее варьирования от опыта к опыту, выполненного в виде прибора с заданной программой коррекции нагрузки (,), где- давление,- масса, создаваемые грузом. Указанное устройство работает следующим образом. Исследуемый образец помещают в нагревательное средство, которое жестко фиксируют на неподвижном основании устройства. Далее подвижная траверса вместе с индентором в сборке опускается до соприкосновения индентора с образцом, после чего подвижная траверса жестко закрепляется на направляющих. Затем с помощью регулирующего устройства производится нагрев образца до заданной начальной температуры, которая поддерживается постоянной в течение эксперимента. Нагружающим средством создается необходимая нагрузка и фиксируется начальная глубина внедрения индентора в образец. С помощью программного регулирующего устройства системы регулирования температуры индентора задается режим нагрева и максимальная температура нагрева индентора. Контроль величины внедрения индентора в образец ведется с помощью датчиков перемещения. В процессе испытания фиксируется зависимость глубины внедрения индентора от температуры (для заданной постоянной нагрузки). При достижении максимальной заданной температуры отключается питание нагревателей измерительных приборов и снимается нагрузка. В указанном устройстве осуществляется способ одноосного сжатия - пенетрация, заключающийся в постепенном внедрении нагруженного индентора в образец исследуемого материала. Недостатками данного устройства являются получение опосредованных параметров,не дающих возможности точного определения по ним технологическихрежимов переработки исследуемого материала, необходимость дополнительной операции - таблетирования, требующей наличия дополнительного оборудования исследование только одного вида материалов - термопластичных. Задачей технического решения является повышение точности и снижение времени измерений, а также расширение перечня исследуемых материалов, в том числе и термореактивных. Задача решается следующим образом. Известное устройство для измерения термомеханических характеристик материалов содержит неподвижное основание, установленную на жестко прикрепленных к нему стойках неподвижную траверсу, блок нагружения, включающий нагрузочное средство, силовой стержень и пуансон, установленное на основании между стойками нагревательное средство, блок регулирования температуры, блок измерения степени деформации образца с датчиком линейного перемещения, согласно предложенному техническому решению,снабжено измерительной ячейкой с центральным каналом для исследуемого материала и заглушкой с глухим отверстием для термопары, жестко установленными в нагревательном средстве так, что сплошная поверхность заглушки плотно прилегает к нижней части измерительной ячейки без образования зазора, и выполненными из меди рабочая поверхность пуансона представляет собой плоский срез, сечение которого соответствует сечению центрального канала измерительной ячейки и торцевой поверхности образца, причем в неподвижном основании выполнено сквозное отверстие для установки термопары, которую фиксируют в глухом отверстии заглушки стопорным винтом зажимного элемента, жестко прикрепленного к неподвижному основанию, а неподвижная траверса снабжена центральным сквозным отверстием, направляющим движение силового стержня, к нижней боковой части которого жестко прикреплен передаточный стержень, опирающийся на наконечник датчика линейных перемещений. Таким образом, конструкция предложенного устройства позволяет повысить точность и снизить время измерений, а также расширить перечень исследуемых материалов за счет 3 90632013.02.28 того, что рабочие органы представляют собой матрицу и пуансон и выполнены в одном размере, исключая тем самым изменения сечения образца по мере деформирования, а следовательно, и изменения величины напряжения. На фигуре представлена блок-схема устройства. Устройство состоит из неподвижного основания 1, где 2 - неподвижная траверса,жестко закрепленная гайками 3 на стойках 4. Центральное отверстие 5 траверсы 2 центрирует и направляет силовой стержень 6, жестко закрепленный в нагрузочном средстве 7. В нижней части силового стержня 6 жестко закреплен пуансон 8, рабочая поверхность 9 которого - плоский срез, а в нижней боковой части - передаточный стержень 10, опирающийся на наконечник датчика линейных перемещений 11, передающего сигнал на блок измерения степени деформации 12, соединенный с компьютерной системой 13. Измерительная ячейка 14 жестко установлена в нагревательном средстве 15, расположенном в центральной части неподвижного основания 1 между стойками 4. Рабочий канал 16 измерительной ячейки 14, заполняемый исследуемым материалом 17, плотно закрыт сплошной поверхностью 18 заглушки 19, жестко установленной в нижней части нагревательного средства 15. Заглушка 19 имеет глухое отверстие 20 для термопары 21, устанавливаемой через отверстия 22, 23 в зажимном элементе 24 и неподвижном основании 1, фиксируемой стопорным винтом 25. Сигнал изменения температуры с термопары 21 передается на блок регулирования температуры 26, соединенный с компьютерной системой 13. Устройство работает следующим образом. В нагревательное средство 15 жестко устанавливают измерительную ячейку 14 и заглушку 19, выполненные из меди, как из наиболее оптимального материала, обладающего слабовыраженной адгезией к исследуемым материалам, высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения. При этом малые размеры образца и высокотеплопроводный материал измерительной ячейки 14 обеспечивают равномерность распределения температурного поля в ходе нагревания. Исследуемый материал 17 засыпают в рабочий канал 16 измерительной ячейки 14, сечение которого может иметь любую простую стандартную геометрическую форму (круглую, квадратную, прямоугольную и т.д.). Нагревательное средство 15 в сборе устанавливают в специальные пазы (на фигуре не показаны) на неподвижном основании 1. Далее в центральное отверстие 5 траверсы 2 вставляют силовой стержень 6 в сборе с пуансоном 8 и передаточным стержнем 10, жестко закрепляют и опускают до соприкосновенияс исследуемым материалом 17 рабочей поверхности 9 пуансона 8, сечение которого соответствует сечению рабочего канала 16 измерительной ячейки 14 и торцевой поверхности образца. Передаточный стержень 10 накидывают на наконечник датчика линейных перемещений 11 и производят подпрессовку материала при заданной нагрузке 1 с целью компактирования порошкового материала и получения образца,тем самым исключая операцию таблетирования на отдельном оборудовании. В отверстие 20 заглушки 19 устанавливают до упора (максимально близко к исследуемому материалу) термопару 21 через отверстия неподвижной плиты 1 и зажимного элемента 24 и фиксируют ее стопорным винтом 25. Создают заданное усилие 2 нагрузочным средством 7 и задают начало отсчета системы координат для датчика линейных перемещений 11 (обнуляют). Затем включают нагрев по заданной программе при поддерживаемом на одном уровне заданном значении температуры, его линейном или ускоренном повышении под действием заданной постоянной или переменной нагрузки 2. При этом нагрев образца и пуансона 8 осуществляется одним нагревательным средством 15 в одинаковом режиме. Одновременно запускают программы на компьютерной системе 13 для записи изменения значений линейной деформации образца и температуры от времени. Полученные данные сохраняют и обрабатывают с помощью специализированных компьютерных программ. Предложенное устройство для измерения термомеханических характеристик материалов позволяет имитировать условия деформации прямого прессования. Благодаря указанному исполнению рабочих органов в процессе деформирования не происходит изменение 4 90632013.02.28 сечения образца, и величина напряжения остается постоянной, что позволяет с высокой степенью точности и повторяемости результатов проводить измерения при более высоких скоростях нагрева (6 С/мин и выше) и за меньший промежуток времени. При этом исследуемый материал в процессе температурного и силового воздействия находится в закрытом объеме, т.е. отсутствует прямой контакт с воздухом и как следствие исключаются окислительно-восстановительные реакции, что очень важно при исследовании термореактивных материалов, в молекулах которых имеется две и более функциональные группы. Перед испытанием реактопластов рекомендуется заблаговременно поместить порошок в эксикатор с адсорбирующим веществом с целью удаления влаги, которую указанные материалы хорошо напитывают из воздуха. Это также оказывает влияние на ход химических реакций, протекающих во время фазовых переходов (от начала гелеобразования до перехода в неплавкое и нерастворимое состояние с образованием трехмерной сетчатой структуры), термомеханические характеристики и в конечном итоге на механические свойства и качество готового изделия (образца). К достоинствам разработанного устройства также следует отнести экономичное использование исследуемого материала (до 100 мг), отсутствие необходимости выполнения операции таблетирования на отдельном оборудовании. Предложенное устройство может быть использовано для разработки новых композиционных и оценки качества имеющихся материалов, определения их реологических характеристик и технологических параметров переработки в изделия методом прямого горячего прессования. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5