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變之間關系——熱膨脹系數(shù)成為堆芯內(nèi)應力的主要導致因素之一。在外加機械載荷狀態(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：在中等壓應力下熱膨脹系數(shù)可提高達40%。因此，熱膨脹系數(shù)隨壓應力的變化規(guī)律對石墨構件的設計具有重要的影響。熱膨脹系數(shù)通常采用熱膨脹儀測量，但此類設備無法施加載荷，因此無法進行應力狀態(tài)下測試。應變電測法分別使用安裝在試件上應變片和熱電偶采集應變和溫度數(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)下進行測試。因此，本文采用應變電測法測定不同壓應力狀態(tài)下某石墨材料的熱膨脹系數(shù)。

用于測定熱膨脹系數(shù)的應變電測技術

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。利用高溫聚酯粘結劑將應變片對稱貼在試樣中部的兩側，將校準過的熱電偶貼在靠近應變片的試樣表面，即可獲得試件的溫度變化情況，測試過程中兩側溫度差不大于1℃。在未受應力的試樣上粘貼同一批號的應變片，以提供溫度補償。為了抵消粘貼應變片產(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。將應變片分別粘貼在石墨試件和石英試件上，應變片的接線采用三線制接線法，用惠斯通電橋?qū)兤娮柚档淖兓D(zhuǎn)換成應變。

試驗設備及試驗條件

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

實驗中，對試件依次施加一系列載荷來測定不同應力狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)。為了避免永久變形對測量結果的影響，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。

試驗結果和分析

石墨試件在不同壓縮應力狀態(tài)下的軸向熱應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力狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)?？梢钥闯?，隨著應力的不斷增加，某一溫度下的軸向熱應變逐漸增大。這表明壓縮應力狀態(tài)使得軸向熱膨脹系數(shù)增大，且壓應力越大，熱膨脹系數(shù)的變化越大。

總結

本文通過應變電測測量了不同壓力載荷下的某石墨的熱膨脹系數(shù)，研究應力狀態(tài)對熱膨脹系數(shù)的影響。結果表明，壓應力狀態(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。