应变电测法测量不同应力状态下石墨材料热膨胀系数

石墨材料具有优良的中子慢化性能和抗热冲击性能，广泛应用于高温气冷堆的慢化剂和反射层中。由于堆芯内部的温度变化和不均匀性，石墨温度变化和热应变之间关系——热膨胀系数成为堆芯内应力的主要导致因素之一。在外加机械载荷状态下，石墨的热膨胀系数变化较大，典型特征是在受压时增大。有实验证明：在中等压应力下热膨胀系数可提高达40%。因此，热膨胀系数随压应力的变化规律对石墨构件的设计具有重要的影响。热膨胀系数通常采用热膨胀仪测量，但此类设备无法施加载荷，因此无法进行应力状态下测试。应变电测法分别使用安装在试件上应变片和热电偶采集应变和温度数据，对试件的形状和尺寸限制较低，可方便的在不同载荷状态下进行测试。因此，本文采用应变电测法测定不同压应力状态下某石墨材料的热膨胀系数。

用于测定热膨胀系数的应变电测技术

沿平行于晶格取向方向，取样加工压缩试件。用于压缩的石墨试件被加工成Φ 30mm*75mm的圆柱体。用于粘贴应变计的石英试件也被加工成与压缩的石墨试件相同的形状及尺寸。利用高温聚酯粘结剂将应变片对称贴在试样中部的两侧，将校准过的热电偶贴在靠近应变片的试样表面，即可获得试件的温度变化情况，测试过程中两侧温度差不大于1℃。在未受应力的试样上粘贴同一批号的应变片，以提供温度补偿。为了抵消粘贴应变片产生的热输出，选取热膨胀系数随温度变化小的石英材料作为校准。将应变片分别粘贴在石墨试件和石英试件上，应变片的接线采用三线制接线法，用惠斯通电桥将应变片电阻值的变化转换成应变。

试验设备及试验条件

试验选用50KN电子万能试验机，使用配套的高低温试验箱对试件进行加热。采用JHYC静态应变测试系统同步采集试件表面的应变和温度。

实验中，对试件依次施加一系列载荷来测定不同应力状态下的热膨胀系数。为了避免永久变形对测量结果的影响，依次施加的压缩载荷不断递增。4组试验载荷使得试件内的应力状态依次为0MPa、-20MPa、-30MPa和-40MPa，并在热膨胀系数的测量过程中维持载荷的恒定。在每种恒定应力状态下执行一个加热工况；将试件以1℃/min的升温速率将室温加热至150℃，保持温度恒定一段时间，使试件充分受热均匀，再以小于1℃/min的降温速率冷却至室温。升温和降温足够慢，以保证试件内温度的均匀性。

试验结果和分析

石墨试件在不同压缩应力状态下的轴向热应变随着温度变化的曲线如图1所示。每条曲线的斜率分别表示了不同应力状态下的热膨胀系数。可以看出，随着应力的不断增加，某一温度下的轴向热应变逐渐增大。这表明压缩应力状态使得轴向热膨胀系数增大，且压应力越大，热膨胀系数的变化越大。

总结

本文通过应变电测测量了不同压力载荷下的某石墨的热膨胀系数，研究应力状态对热膨胀系数的影响。结果表明，压应力状态增大了平行于加载方向的轴向热膨胀系数，且随着载荷的增加，轴向热膨胀系数有明显增大。