本发明公开了一种真空硅胶密封活塞及其使用方法，属于陶瓷基复合材料（cmcs）小复合材料真空环境下的测试领域。
背景技术：
陶瓷基复合材料是一种具有高比强度、高比刚度、耐高温、低密度等特点的材料，在航空发动机上有着广泛的应用前景。通常，为了研究cmcs的细观力学性能，我们需要对较小的样品进行试验，例如由一束纤维制成的cmcs小复合材料。另外，为研究其在工程应用上的性能指标，通常需在高温、真空环境下进行试验。因此，对测试装置的测量准确性和结构的可靠性有着严格的要求。
目前，在cmcs小复合材料的拉伸、压缩和疲劳试验中，若想使试样加载所处环境为真空状态，则需在试件周围布置真空环境箱。此时，则需要在试验机夹具和试件之间提供一种既能够传递驱动力而又不丧失气密密封的装置，即要能保证夹具可穿过真空环境箱下进行正常位移，又要能保证箱体内足够的真空密封性能。
另外，由于cmcs小复合材料此类试样可承受力较小，通常不超过500n，位移强度则不超过1mm，因此，对此类试样的测试必须要求严格的测量精度。
目前，在这种情况下，大都采用波纹管，将波纹管罩在夹具杆上，实现真空环境箱与外侧之间密封。如《一种高温真空可充气环境下蠕变疲劳实验装置》（中国专利cn105334112b）提到了将上环盖、波纹管、真空容器以及下环盖共同围合形成一格内腔，构成密封包覆式实验环境；《一种高温真空摩擦磨损试验机》（中国专利cn206515178u）中同样选择利用金属波纹管对试验力加载杆和真空腔体之间进行密封。
但是，真空波纹管在能满足试验温度和尺寸设计要求的条件下，弹性性能不是很好，能满足一定程度上夹具导杆上下伸缩的要求，但拉伸真空波纹管需要一定的力，会对试验测试载荷的测定和试验机的加载造成一定影响，尤其是对小样品试件进行测定试验时。
技术实现要素：
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于驱动力杆与真空箱连接处的密封，加工简单，所占空间小，对驱动力传导几乎无影响的真空硅胶活塞装置。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种真空硅胶密封活塞装置，包括驱动杆，驱动杆上端夹持固定在试验机夹头上，所述的驱动杆下端透过箱壁上的孔插入真空腔体中，其特征在于，驱动杆上套设固定有驱动杆底座，驱动杆底座位于真空腔体外侧，且驱动杆底座与驱动杆密封配合，所述的驱动杆底座下端设置有驱动杆底座凹槽，所述的箱壁上表面绕箱壁上的孔设置有箱壁凹槽，真空硅胶密封活塞装置还包括硅胶活塞，硅胶活塞的上端形成有硅胶活塞上端面，下端形成有硅胶活塞下端面，所述的硅胶活塞能套在驱动杆上，且硅胶活塞上端面放入驱动杆底座凹槽中，硅胶活塞下端面放入箱壁凹槽中，一驱动杆底座压板能压在硅胶活塞上端面上将硅胶活塞上端面密封压紧在驱动杆底座凹槽中，一箱壁压板能压在硅胶活塞下端面上将硅胶活塞下端面密封压紧在箱壁凹槽中。
进一步的，所述的驱动杆底座压板面向驱动杆底座的一面设置有与驱动杆底座凹槽相适配的驱动杆底座压板凸台，所述的驱动杆底座延圆周方向设置有八个螺纹通孔，所述的驱动杆底座压板上设置有相同数量的螺纹通孔与之相配合，所述的驱动杆底座压板能套在驱动杆上，驱动杆底座压板凸台伸入驱动杆底座凹槽中，压紧硅胶活塞上端面，以螺钉同时穿过驱动杆底座和驱动杆底座压板上的螺纹通孔将驱动杆底座和驱动杆底座压板相互固定。
进一步的，所述的箱壁压板面向箱壁的一面设置有与箱壁凹槽相适配的箱壁压板凸台，所述的箱壁上设置有十二个螺纹盲孔，所述的箱壁压板上设置有相同数量的螺纹通孔与之相配合，所述的箱壁压板能套在驱动杆上，箱壁压板凸台伸入箱壁凹槽中，压紧硅胶活塞下端面，以螺钉穿过箱壁压板上的螺纹通孔旋进箱壁上的螺纹盲孔将二者相互固定。
进一步的，所述的驱动杆下端内部设置有螺纹孔，该螺纹孔用于连接试验夹具。
进一步的，所述的驱动杆底座与驱动杆为一个整体，所述的驱动杆底座为圆盘型，所述的驱动杆为圆柱型。
进一步的，所述的硅胶活塞的中部为空心圆管状，管壁厚度为3mm,外径从靠近驱动杆底座一端向箱壁一端逐渐缩小，所述的硅胶活塞上端面与硅胶活塞下端面厚度均为3mm，所述的硅胶活塞上端面的外径大于内径1-3倍，所述的硅胶活塞下端面的外径大于内径1-3倍。
进一步的，所述的硅胶活塞上端面与硅胶活塞下端面的外径相同。
本发明还提供了一种使用上述真空硅胶密封活塞装置对陶瓷基复合材料小复合材料进行真空环境下试验的方法，包括以下步骤：
第一步，将驱动杆上端夹持在试验机夹头上；
第二步，驱动杆下端穿进硅胶活塞中，使得硅胶活塞上端面嵌入驱动杆底座凹槽中；
第三步，将驱动杆底座压板从下往上套进硅胶活塞中，驱动杆底座压板凸台面向上，使驱动杆底座压板凸台压进驱动杆底座凹槽中，固定压紧硅胶活塞上端面，并使用螺钉将二者固定；
第四步，将箱壁压板套进硅胶活塞中，置于硅胶活塞下端面上部，箱壁压板凸台面向下；
第五步，控制试验机上夹头向下移动，直至硅胶活塞下端面嵌进箱壁凹槽中；
第六步，将箱壁压板凸台压进箱壁凹槽中，固定压紧硅胶活塞下端面，并使用螺钉将二者固定；
第七步，将该装置使用相同方法对称安装在试验机下夹头和箱壁之间，便可进行真空环境下的陶瓷基复合材料小复合材料试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用硅胶活塞作为驱动杆和真空腔体之间的密封件，硅胶具有很强的延展性，能满足一定程度上夹具导杆上下伸缩的要求，对驱动力传导几乎无影响。
2、本发明使用硅胶作为密封活塞的材料，成本低，加工简单，安装方便，易维护与更换。
3、本发明在驱动杆底座和箱壁上设置较多螺纹孔，数量不定，可根据压板直径不同可设置不同数目的螺纹孔，直径越大，螺纹孔越多，以保证压紧力足够且均衡，且可防止压板翘曲带来的密封性能损失，同时保证其压板的对中性，保证了驱动杆沿试件长度方向对中移动且不与箱壁之间有干涉。
4、本发明将驱动杆设计为圆柱状，方便装夹，且一旦装夹上，即可保证其对中，另外，圆柱状方便夹持时驱动杆任意旋转，降低了安装难度。
5、本发明将硅胶活塞设计为圆锥状，在驱动杆移动时，活塞将会出现嵌套褶状的变形，可以在活塞移动时将轴向应力向外分散，从而使活塞受力对试件受力的影响降至最低，并使得活塞寿命增长。
6、本发明在轴向所占空间很小，不受试验机上下夹具间距的影响，可广泛应用于各种试验机。
附图说明
图1为结构分解俯视图；
图2为结构分解仰视图；
图3为装配完成图；
图4为实例测试数据图；
其中：驱动杆上端1、驱动杆底座2、驱动杆底座压板凸台3、驱动杆底座压板4、硅胶活塞上端面5、硅胶活塞6、硅胶活塞下端面7、驱动杆下端8、箱壁压板9、箱壁凹槽10、箱壁11、驱动杆底座凹槽12、螺纹孔13、箱壁压板凸台14。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和技术效果，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参照图1至图4说明。其中驱动杆上端1、驱动杆底座2和驱动杆下端8为一个整体，驱动杆上端1被夹持在试验机夹头上，用以传递驱动力；驱动杆下端8通过硅胶活塞6一直延伸至真空箱体内部，下端设有螺纹孔13，用来连接试验夹具。驱动杆底座2下端面的驱动杆底座凹槽12为圆形，外围圆周方向加工八个螺纹孔，硅胶活塞上端面5的尺寸与驱动杆底座凹槽12的尺寸相同，为间隙配合，驱动杆底座压板4上端面设有与驱动杆底座凹槽12尺寸相同的圆形驱动杆底座压板凸台3，延圆周方向设有与驱动杆底座2上螺纹孔相配合的螺纹孔，通过螺钉将硅胶活塞上端面5压紧并固定在驱动杆底座凹槽12中。硅胶活塞下端面7的连接与上端面类似，使用螺钉将箱壁压板9固定在箱壁11上，使得箱壁压板凸台14将硅胶活塞下端面7压紧在箱壁端面的箱壁凹槽10中，这样，就完成了驱动杆与真空箱之间的可动连接和密封。
图3为其装配完成图片。
驱动杆上端1、驱动杆底座2、驱动杆底座压板凸台3、驱动杆底座压板4、硅胶活塞上端面5、硅胶活塞6、硅胶活塞下端面7、驱动杆下端8、箱壁压板9、箱壁凹槽10、箱壁11、驱动杆底座凹槽12、螺纹孔13、箱壁压板凸台14。
本发明装置的测量方法的操作步骤如下：
1）将驱动杆上端1夹持在试验机夹头上，驱动杆是圆柱状导杆，夹紧后将自动对中。
2）将驱动杆下端8从硅胶活塞6中穿进，使得硅胶活塞上端面5嵌入驱动杆底座凹槽12中。
3）将驱动杆底座压板4从下往上套进硅胶活塞6中，驱动杆底座压板凸台3面朝上，由于硅胶活塞6可产生很大的变形，因此不用担心安装不进的问题。使驱动杆底座压板凸台3压进驱动杆底座凹槽12中，并使用螺钉固定。
4）将箱壁压板9套进硅胶活塞6中，置于硅胶活塞下端面7上部，箱壁压板凸台14面朝下。
5）控制试验机上夹头向下移动，直至硅胶活塞下端面7嵌进箱壁凹槽10中。
6）将箱壁压板凸台14压进箱壁凹槽10中，并使用螺钉固定。
7）将该装置使用相同方法对称安装在试验机下夹头和箱壁之间，便可进行真空环境下的cmcs小复合材料试验。
使用时，由于该硅胶活塞具有很强的延展性，压缩时会产生很大的变形但不会对力值产生影响，拉伸时会有一个拉伸极限，突破该极限则会对力值稍有影响，且对硅胶活塞造成损伤，因此，可在驱动力施加前，使硅胶活塞处于压缩或放松状态。同时，为探究这种硅胶活塞对于实际试验中疲劳载荷的影响，本专利进行了试验验证：在试验机空载的情况下，使用位移控制，频率为5hz，位移移动范围为-1~ 1mm，对力值进行采集，得到如图4所示的载荷变化曲线。图中，图形横坐标表示疲劳加载过程中的一段时间，左边纵坐标表示力值，右边纵坐标表示位移，三角形符号的曲线表示试验中采集的力值变化，正方形符号表示驱动杆的位移变化。可见，在驱动杆运动过程中，其最大力为0.15n，在试验机正常波动范围内，因此，该硅胶活塞的连接对驱动力的施加和测定的影响微乎其微。
1.一种真空硅胶密封活塞装置，包括驱动杆，驱动杆上端(1)夹持固定在试验机夹头上，所述的驱动杆下端(8)透过箱壁(11)上的孔插入真空腔体中，其特征在于，驱动杆上套设固定有驱动杆底座(2)，驱动杆底座(2)位于真空腔体外侧，且驱动杆底座(2)与驱动杆密封配合，所述的驱动杆底座(2)下端设置有驱动杆底座凹槽(12)，所述的箱壁(11)上表面绕箱壁(11)上的孔设置有箱壁凹槽(10)，真空硅胶密封活塞装置还包括硅胶活塞(6)，硅胶活塞(6)的上端形成有硅胶活塞上端面(5)，下端形成有硅胶活塞下端面(7)，所述的硅胶活塞(6)能套在驱动杆上，且硅胶活塞上端面(5)放入驱动杆底座凹槽(12)中，硅胶活塞下端面(7)放入箱壁凹槽(10)中，一驱动杆底座压板(4)能压在硅胶活塞上端面(5)上将硅胶活塞上端面(5)密封压紧在驱动杆底座凹槽(12)中，一箱壁压板(9)能压在硅胶活塞下端面(7)上将硅胶活塞下端面(7)密封压紧在箱壁凹槽(10)中。
2.根据权利要求1所述的真空硅胶密封活塞装置，其特征在于，所述的驱动杆底座压板(4)面向驱动杆底座(2)的一面设置有与驱动杆底座凹槽(12)相适配的驱动杆底座压板凸台(3)，所述的驱动杆底座(2)延圆周方向设置有八个螺纹通孔，所述的驱动杆底座压板(4)上设置有相同数量的螺纹通孔与之相配合，所述的驱动杆底座压板(4)能套在驱动杆上，驱动杆底座压板凸台(3)伸入驱动杆底座凹槽(12)中，压紧硅胶活塞上端面(5)，以螺钉同时穿过驱动杆底座(2)和驱动杆底座压板(4)上的螺纹通孔将驱动杆底座(2)和驱动杆底座压板(4)相互固定。
3.根据权利要求1所述的真空硅胶密封活塞装置，其特征在于，所述的箱壁压板(9)面向箱壁(11)的一面设置有与箱壁凹槽(10)相适配的箱壁压板凸台(14)，所述的箱壁(11)上设置有十二个螺纹盲孔，所述的箱壁压板(9)上设置有相同数量的螺纹通孔与之相配合，所述的箱壁压板(9)能套在驱动杆上，箱壁压板凸台(14)伸入箱壁凹槽(10)中，压紧硅胶活塞下端面(7)，以螺钉穿过箱壁压板(9)上的螺纹通孔旋进箱壁(11)上的螺纹盲孔将二者相互固定。
4.根据权利要求1所述的真空硅胶密封活塞装置，其特征在于，所述的驱动杆下端(8)内部设置有螺纹孔(13)，该螺纹孔(13)用于连接试验夹具。
5.根据权利要求1所述的真空硅胶密封活塞装置，其特征在于，所述的驱动杆底座(2)与驱动杆为一个整体，所述的驱动杆底座(2)为圆盘型，所述的驱动杆为圆柱型。
6.根据权利要求1所述的真空硅胶密封活塞装置，其特征在于，所述的硅胶活塞(6)的中部为空心圆管状，管壁厚度为3mm,外径从靠近驱动杆底座(2)一端向箱壁(11)一端逐渐缩小，所述的硅胶活塞上端面(5)与硅胶活塞下端面(7)厚度均为3mm，所述的硅胶活塞上端面(5)的外径大于内径1-3倍，所述的硅胶活塞下端面(7)的外径大于内径1-3倍。
7.根据权利要求6所述的真空硅胶密封活塞装置，其特征在于，所述的硅胶活塞上端面(5)与硅胶活塞下端面(7)的外径相同。
8.使用如权利要求3所述的真空硅胶密封活塞装置的对陶瓷基复合材料小复合材料进行真空环境下试验的方法，包括以下步骤：
第一步，将驱动杆上端(1)夹持在试验机夹头上；
第二步，驱动杆下端(8)穿进硅胶活塞(6)中，使得硅胶活塞上端面(5)嵌入驱动杆底座凹槽(12)中；
第三步，将驱动杆底座压板(4)从下往上套进硅胶活塞(6)中，驱动杆底座压板凸台(3)面向上，使驱动杆底座压板凸台(3)压进驱动杆底座凹槽(12)中，固定压紧硅胶活塞上端面(5)，并使用螺钉将二者固定；
第四步，将箱壁压板(9)套进硅胶活塞(6)中，置于硅胶活塞下端面(7)上部，箱壁压板凸台(14)面向下；
第五步，控制试验机上夹头向下移动，直至硅胶活塞下端面(7)嵌进箱壁凹槽(10)中；
第六步，将箱壁压板凸台(14)压进箱壁凹槽(10)中，固定压紧硅胶活塞下端面(7)，并使用螺钉将二者固定；
第七步，将该装置使用相同方法对称安装在试验机下夹头和箱壁之间，便可进行真空环境下的陶瓷基复合材料小复合材料试验。
技术总结