本发明涉及对梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试与评价的系统建立与性能测试方法。利用直流电测试梯度材料在热力/电/磁/耦合作用下的力学性能和物理性能。利用直流电所引起的焦耳热及陶瓷金属梯度材料的热膨胀系数差异形成热冲击应力对梯度复合材料进行损伤测试与评价。本发明建立的系统集损伤、性能测试与表征于一体，测试梯度材料的物理力学耦合性能。
1.梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征在于整个热力电磁耦合损伤测试系统由三个部件组成；(1)电磁部件，电磁部件由直流稳压电源、函数发生器和多路放大器组成，直流稳压电源通过由函数发生器控制的多路放大器与梯度复合材料相连，负责给梯度复合材料施加热电流；(2)工装部件，工装部件由四个夹具和四个传感器组成，传感器被固定在夹具上，通过夹具的移动，使传感器接触到梯度复合材料，夹具通过导线与多路放大器相连；(3)存储部件，存储部件包括磁带记录仪以及与磁带记录仪相连的磁盘阵列，两个夹具通过导线与磁带记录仪的两个端口相连，负责进行反馈控制，磁盘阵列将控制结果通过磁带记录仪传输给函数发生器，然后给梯度复合材料施加修正后的热电流。
2.如权利要求1所述梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征还在于测试系统还包括动态观察部分，动态观察部分包括对梯度复合材料进行动态观察与摄像用的扫描电镜和高倍光学显微镜。
3.如权利要求1所述梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征还在于传感器探头的直径为20～37μm。
4.如权利要求1所述梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，利用该测试系统的具体步骤如下：(1)利用直流电在具有陶瓷金属的梯度复合材料上产生的热冲击，使得具有不同热膨胀系数的陶瓷金属梯度复合材料间产生热冲击应力，故而导致梯度复合材料的热冲击损伤和热力电磁耦合损伤；(2)对梯度复合材料施加直流电，测试与观察梯度复合材料物理耦合现象的发生与演化过程。
5.如权利要求4所述梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征在于：将预先经过自蔓延合成法加工好的梯度复合材料置于扫描电镜和高倍光学显微镜下进行测试和录像。
6.如权利要求4所述梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统，其特征在
于：对梯度复合材料所施加的直流电密度为19mA/cm ～161mA/cm。
梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统
技术领域
[0001] 本发明涉及梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统的建立及损伤性能测试方法，属于力学实验与物理性能耦合分析技术领域。
背景技术
[0002] 梯度复合材料广泛应用于热防护、电磁防护等领域。由于长期工作在热力电磁耦合作用条件下，而梯度复合材料是由不同材料组成的，材料的热膨胀系数差异将导致材料内部产生热应力，从而影响其力学可靠性能，造成力学损伤。因此，测试梯度复合材料在通过电流后的实际工作情况对其力学、电磁学可靠性能进行正确评价具有重要的理论意义和应用价值。由于梯度复合材料的非均质性及电磁耦合性能的复杂性，给其损伤性能测试带来诸多困难，梯度复合材料测试需要很高的平衡度和测试精度。如果这样的问题无法解决，就使得对梯度复合材料力学、电磁学性能指标的测试无法进行。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统与测试方法。该系统与方法采用直流电测试材料在物理力学耦合作用下的物理力学性能与三维表征。
[0004] 本发明技术方案是：梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统由三个部件组成——电磁部件、工装部件与存储部件。(1)电磁部件。电磁部件由直流稳压电源、函数发生器和多路放大器组成。直流稳压电源通过由函数发生器控制的多路放大器与梯度复合材料相连，负责给梯度复合材料施加热电流；(2)工装部件。工装部件由四个夹具和四个传感器组成。传感器被固定在夹具上，通过夹具的移动，使传感器接触到梯度复合材料，夹具通过导线与多路放大器相连；(3)存储部件。存储部件包括磁带记录仪以及与磁带记录仪相连的磁盘阵列。两个夹具通过导线与磁带记录仪的两个端口相连，负责进行反馈控制，磁盘阵列将控制结果通过磁带记录仪传输给函数发生器，然后给梯度复合材料施加修正后的热电流。
[0005] 本发明梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统的测试方法，利用上述测试系统的具体步骤如下：
[0006] (1)利用直流电在具有陶瓷金属的梯度复合材料上产生的热冲击，使得具有不同热膨胀系数的陶瓷金属梯度复合材料间产生热冲击应力，故而导致梯度复合材料的热冲击损伤和热力电磁耦合损伤；(2)对梯度复合材料施加直流电，测试与观察梯度复合材料物理耦合现象的发生与演化过程。
[0007] 本发明所测试的梯度复合材料为通过自蔓延燃烧合成法制得的梯度复合材料。本2 2
发明对梯度复合材料施加的电流密度为19mA/cm ～161mA/cm。
[0008] 本发明基本原理是对梯度复合材料施加直流电时，利用直流电在材料上产生的热冲击，使得具有不同热膨胀系数的陶瓷与金属梯度复合材料产生热冲击应力，从而导致梯度复合材料产生热冲击损伤，可以实时的观察与测试梯度复合材料发生损伤的过程。本发明可对具有微米尺度的梯度复合材料进行损伤测试与评价并对材料在热力电磁耦合作用下的物理力学性能进行三维表征。本发明的特点在于：
[0009] 1.实验测试的传统方法是将梯度复合材料夹持在力学材料试验机上，传统的大尺寸梯度复合材料比较容易夹持。与传统方法不同，本发明测试的梯度复合材料在微尺度，建立的系统可通过直流电诱发系统产生热冲击行为，又可对梯度复合材料施加直流电测试材料的物理力学性能，无需考虑传统力学性能试验机的空间布置和精度限制。
[0010] 2.本发明所建立的系统在整个测试过程中都可用扫描电镜的CCD探头对梯度复合材料进行实时观测与分析。
[0011] 3.本系统对梯度复合材料施加直流电和复杂波形载荷电流的功能，可对梯度复合材料的诸多物理性能进行测试。本系统可对梯度复合材料压电、压磁器件进行三维表征与分析。
附图说明
[0012] 图1为梯度复合材料在热力电磁耦合作用下的损伤测试系统电磁学原理示意图。
[0013] 图2为本发明梯度复合材料分析的工装部件结构示意图。
[0014] 图1、2中，1-电磁部件，2-工装部件，3-存储部件，4-自蔓延合成梯度复合材料，5-夹具，6-传感器。
具体实施方式
[0015] 如图1，2所示，本系统配置有一个磁盘阵列系统，在计算机工作站上进行搭建，它有四个控制位移的夹具，其位移精度为微米，其测试系统由三个部件组成：电磁部件(1)，工装部件(2)和存储部件(3)。电磁部件(1)包括直流稳压电源、函数发生器和多路放大器。直流稳压电源给梯度复合材料施加热电流，函数发生器的作用在于输出具有不同波形的功率的输出信号，该信号通过多路放大器，放大施加于梯度复合材料上具有一定能量的热电流，保证在梯度复合材料上具有足够的电流密度。工装部件(2)由四个夹具和四个传感器组成。传感器探头直径为20～37μm，传感器固定在夹具上通过夹具的位移，使传感器的探头接触到梯度复合材料，夹具通过导线与多路放大器的端口相连。存储部件(3)包含磁带记录仪以及与磁带记录仪相连的磁盘阵列。两个夹具通过导线与磁带记录仪相连，负责进行反馈控制。磁盘阵列和计算机将分析结果通过磁带记录仪传输给函数发生器，然后给材料施加修正后的热电流。为了能够测量梯度复合材料中实际的强度升高，需要测出梯度复合材料的电流和电压值，以便计算出电流在梯度复合材料中引起的热冲击应变的大小。计算机通过磁盘阵列没得的电流和电压信号进行分析，通过磁带记录仪将分析结果反馈给函数发生器，再由函数发生器控制多路放大器对电流进行修正。
[0016] 利用直流电在陶瓷金属梯度复合材料上产生热冲击，从而导致梯度复合材料热冲击损伤与热力电磁耦合损伤，观察其演化过程。其中：(1)梯度复合材料的加工，利用自蔓延燃烧合成法制备陶瓷金属梯度复合材料；(2)工装连接，通过对夹具的位移控制使传感器探头接触到梯度复合材料，然后连通电路，整个测试系统的电磁原理图如图1所示。
[0017] 发明测试所用的梯度复合材料是采用自蔓延燃烧合成法制备的微米尺度的陶瓷金属梯度复合材料。采用自蔓延燃烧合成法制得的梯度复合材料尺寸可根据具体要求改变。同一组试验中，材料尺寸一致。
[0018] 实施方式：本发明测试系统电磁原理图如图1所示。采用自蔓延燃烧合成法在金属基体上制备了具有121μm厚度的梯度层，切割成宽为20μm，长为69μm的梯度复合材料样品。如图2所示，将传感器探头固定在夹具上，控制夹具的位移，使得传感器的探头接触2
到梯度复合材料，然后对梯度复合材料施加的电流密度为82mA/cm。实际搭建如图2所示，
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由于直流电在梯度复合材料中产生交变的热应力，梯度复合材料经过7.58×10 秒后，产生了孔洞和微裂纹与损伤，进一步直流电直到产生失效破坏。在整个测试过程中，用扫描电镜的CCD探头和高倍光学显微镜进行录像和观测，分析梯度复合材料产生热损伤的演化过程和行为，磁盘阵列记录了梯度复合材料热损伤及其完全失效的时间，从而获得梯度复合材料热损伤整体演化过程。
