石墨材料具有優(yōu)良的中子慢化性能和抗熱沖擊性能，廣泛應(yīng)用于高溫氣冷堆的慢化劑和反射層中。由于堆芯內(nèi)部的溫度變化和不均勻性，石墨溫度變化和熱應(yīng)變之間關(guān)系——熱膨脹系數(shù)成為堆芯內(nèi)應(yīng)力的主要導(dǎo)致因素之一。在外加機(jī)械載荷狀態(tài)下，石墨的熱膨脹系數(shù)變化較大，典型特征是在受壓時增大。有實驗證明：在中等壓應(yīng)力下熱膨脹系數(shù)可提高達(dá)40%。因此，熱膨脹系數(shù)隨壓應(yīng)力的變化規(guī)律對石墨構(gòu)件的設(shè)計具有重要的影響。熱膨脹系數(shù)通常采用熱膨脹儀測量，但此類設(shè)備無法施加載荷，因此無法進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)下測試。應(yīng)變電測法分別使用安裝在試件上應(yīng)變片和熱電偶采集應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)，對試件的形狀和尺寸限制較低，可方便的在不同載荷狀態(tài)下進(jìn)行測試。因此，本文采用應(yīng)變電測法測定不同壓應(yīng)力狀態(tài)下某石墨材料的熱膨脹系數(shù)。

用于測定熱膨脹系數(shù)的應(yīng)變電測技術(shù)

沿平行于晶格取向方向，取樣加工壓縮試件。用于壓縮的石墨試件被加工成Φ 30mm*75mm的圓柱體。用于粘貼應(yīng)變計的石英試件也被加工成與壓縮的石墨試件相同的形狀及尺寸。利用高溫聚酯粘結(jié)劑將應(yīng)變片對稱貼在試樣中部的兩側(cè)，將校準(zhǔn)過的熱電偶貼在靠近應(yīng)變片的試樣表面，即可獲得試件的溫度變化情況，測試過程中兩側(cè)溫度差不大于1℃。在未受應(yīng)力的試樣上粘貼同一批號的應(yīng)變片，以提供溫度補(bǔ)償。為了抵消粘貼應(yīng)變片產(chǎn)生的熱輸出，選取熱膨脹系數(shù)隨溫度變化小的石英材料作為校準(zhǔn)。將應(yīng)變片分別粘貼在石墨試件和石英試件上，應(yīng)變片的接線采用三線制接線法，用惠斯通電橋?qū)?yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變。

試驗設(shè)備及試驗條件

試驗選用50KN電子萬能試驗機(jī)，使用配套的高低溫試驗箱對試件進(jìn)行加熱。采用JHYC靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)同步采集試件表面的應(yīng)變和溫度。

實驗中，對試件依次施加一系列載荷來測定不同應(yīng)力狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)。為了避免永久變形對測量結(jié)果的影響，依次施加的壓縮載荷不斷遞增。4組試驗載荷使得試件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)依次為0MPa、-20MPa、-30MPa和-40MPa，并在熱膨脹系數(shù)的測量過程中維持載荷的恒定。在每種恒定應(yīng)力狀態(tài)下執(zhí)行一個加熱工況；將試件以1℃/min的升溫速率將室溫加熱至150℃，保持溫度恒定一段時間，使試件充分受熱均勻，再以小于1℃/min的降溫速率冷卻至室溫。升溫和降溫足夠慢，以保證試件內(nèi)溫度的均勻性。

試驗結(jié)果和分析

石墨試件在不同壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的軸向熱應(yīng)變隨著溫度變化的曲線如圖1所示。每條曲線的斜率分別表示了不同應(yīng)力狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)?？梢钥闯?，隨著應(yīng)力的不斷增加，某一溫度下的軸向熱應(yīng)變逐漸增大。這表明壓縮應(yīng)力狀態(tài)使得軸向熱膨脹系數(shù)增大，且壓應(yīng)力越大，熱膨脹系數(shù)的變化越大。

總結(jié)

本文通過應(yīng)變電測測量了不同壓力載荷下的某石墨的熱膨脹系數(shù)，研究應(yīng)力狀態(tài)對熱膨脹系數(shù)的影響。結(jié)果表明，壓應(yīng)力狀態(tài)增大了平行于加載方向的軸向熱膨脹系數(shù)，且隨著載荷的增加，軸向熱膨脹系數(shù)有明顯增大。