GB/T 45598-2025 精细陶瓷 高温弹性模量、剪切模量和泊松比试验方法 脉冲激励法

　　ICS 81. 060.30 CCS Q 30

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 45598—2025

　　精细陶瓷 高温弹性模量、剪切模量和泊松比试验方法 脉冲激励法

　　Fineceramics—Testmethod ofelasticmodulus, shearmodulusand Poisson’s ratio forceramicathigh temperature—Impulseexcitation ofvibration

　　2025-04-25发布 2025-11-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 45598—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国建筑材料联合会提出 。

　　本文件由全国工业陶瓷标准化技术委员会(SAC/TC194)归 口 。

　　本文件起草单位 : 中国国检测试控股集团股份有限公司 、东方电气集团东方汽轮机有限公司 、福建省晋江质赢建材有限公司 、景德镇陶瓷大学 、广东天域半导体股份有限公司 、南通三责精密陶瓷有限公司 、重庆臻宝科技股份有限公司 、上海英佛曼纳米科技股份有限公司 、山东工业陶瓷研究设计院有限公司 、广东潮流集团有限公司 、重庆科技大学 、中国科学院上海硅酸盐研究所 、西安鑫垚陶瓷复合材料股份有限公司 、中国航空工业集团公司济南特种结构研究所 、华电电力科学研究院有限公司 、潮州市罗梦斯陶瓷科技有限公司 、中国建筑材料科学研究总院有限公司 。

　　本文件主要起 草 人 : 万 德 田 、包 亦 望 、巩 秀 芳 、卢 宏 奎 、田 远 、李 月 明 、金 春 霞 、王 洪 升 、李 定 骏 、刘小根 、王伟 、李海燕 、刘薇 、陈常祝 、闫永杰 、杨佐东 、田庆芬 、王诗阳 、付帅 、邱陶松 、贾碧 、王新刚 、李恺 、乔立捷 、陈丽春 、张磊 、李建章 、刘晓菲 、毛瑀迪 、蒋丹宇 、曹大可 、林川 、李泽 。

　　Ⅰ

　　GB/T 45598—2025

　　精细陶瓷 高温弹性模量、剪切模量和

　　泊松比试验方法 脉冲激励法

　　1 范围

　　本文件描述了采用脉冲激励法测定精细陶瓷在高温环境下弹性模量 、剪切模量和泊松比的原理 、仪器设备 、试样 、试验步骤 、计算和试验报告 。

　　本文件适用于各向同性连续均质的陶瓷材料在高温环境下弹性模量 、剪切模量和泊松比的测定 。金属 、玻璃等其他各向同性连续均质的硬脆性固体材料参考使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 1216 外径千分尺

　　GB/T 16839. 1 热电偶 第 1部分 : 电动势规范和允差

　　JC/T 2172 精细陶瓷弹性模量 、剪切模量和泊松比试验方法 脉冲激励法

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　弯曲振动 bendingvibration

　　试样在长度水平面法线方向上的振动 。

　　3.2

　　扭转振动 torsion vibration

　　试样在横截面绕着长度方向发生的扭曲振动 。

　　4 原理

　　采用脉冲激励器产生机械激励作用于高温环境下矩形截面试样 ,引起试样的振动 ,测量试样的弯曲振动频率和扭转振动频率 。通过快速傅里叶变换得到试样的基频 ,利用弯曲振动的基频计算出试样的弹性模量 ,利用扭转振动的基频计算出剪切模量 。泊松比由弹性模量和剪切模量关系式计算得出 。

　　注 : 由于试样振动的基频与试样尺寸 、质量和弹性模量 有 关 ,在 试 样 质 量 和 尺 寸 已 知 的 情 况 下 ,测 到 基 频 后 能 计 算出弹性模量 。弹性模量通过弯曲振动频率计算 得 出 , 剪 切 模 量 通 过 扭 转 振 动 频 率 计 算 得 出 。泊 松 比 由 材 料 的弹性模量和剪切模量决定 ,三者只有 2项是独立的 。

　　1

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　　5 仪器设备

　　5. 1 测试系统组成

　　测试系统包括 :脉冲激励器 、信号采集器 、加热炉 、温度测量和显示装置 、试样支撑架 、信号处理器及数据分析系统等 ,其工作原理见图 1。

　　标引序号说明 :

　　1— 信号采集器 ;

　　2— 温度测量和显示装置 ;

　　3— 试样 ;

　　4— 加热炉 ;

　　5— 脉冲激励器 ;

　　6— 试样支撑架 。

　　图 1 测试系统工作原理示意图

　　5.2 加热炉

　　加热炉内气氛可为空气、氮气、惰性气体或真空 。加热炉应具有升温和保温控制功能 ,保证升温速率稳定 ,到达试验温度点后的惯性升温应不超过 5 ℃ 。保持恒温状态时炉内测量温度变化范围为 ±2 ℃ ,试样在加热炉内应受热均匀 。

　　5.3 温度测量和显示装置

　　热电偶应符合 GB/T 16839. 1 的规定 。热电偶插入加热炉使其端头尽量接近试样 。热电偶测温系统应每年至少校验 一 次 。若 使 用 光 学 高 温 计 测 温 , 应 选 用 分 辨 力 优 于 5 ℃ 、准 确 度 允 许 误 差 不 高 于0. 5%的测温仪 。

　　5.4 脉冲激励器

　　可为耐高温的固体金 属 或 陶 瓷 的 球 体 , 通 过 激 励 器 脉 冲 碰 击 样 品 。 激 励 杆 可 采 用 陶 瓷 或 者 金 属杆 ,直径宜为 3 mm。

　　5.5 信号采集器

　　符合 JC/T 2172的规定 ,应包括信号传感器 、信号调节器 、模拟/数字转换器(A/D转换器) 。

　　注 : 信号传感器通常为可 采 集 振 动 信 号 的 非 接 触 型 传 感 器 , 或 采 用 声 传 感 器 或 者 激 光 位 移 传 感 器 , 频 率 范 围 为50 Hz~ 100 000 Hz。在非真空环境下采用声传感器 ,在真空环境下采用激光位移传感器 。

　　2

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　　5.6 试样支撑架

　　采用保证试样自由振动并不对振动频率有明显影响的支撑方法 。通常为 2 种方式 ,可采用弹性耐高温铂丝悬挂 ,也可用接触式的支撑 。试样放置在 2 根平行的铂丝上 ,铂丝直径宜为 0. 3 mm ,铂丝固定在耐高温夹具的支撑架上 ,支撑架应采用氧化铝 、氮化硅等耐高温材料 。铂丝悬挂试样见图 2。

　　标引序号说明 :

　　1— 铂丝 ;

　　2— 试样 ;

　　3— 支撑节点 。

　　图 2 铂丝悬挂试样示意图

　　5.7 游标卡尺及千分尺

　　符合 GB/T 1216的规定 。

　　5. 8 天平

　　分度值为 1 mg。

　　6 试样

　　试样要求如下所述 。

　　a) 试样为长方体 ,长度应不小于 60 mm;长度(L) 和厚度(t) 之比(L/t) 应不小于 20, 宽度(b) 和厚度(t)之比(b/t)应为 3~ 10,宜为 5;矩形截面试样尺寸宜为 60 mm×15 mm×3 mm。

　　b) 试样长度方向的平行度误差应小于 0. 5% ,宽度方向和厚度方向的对称表面的平行度误差应小于 0. 1% 。

　　c) 试样表面应光滑平整 ,边缘不倒角 。如试样边角碎裂的地方影响到测试结果则适当倒小角 。

　　d) 试样质量应不小于 5 g。

　　3

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　　7 试验步骤

　　7. 1 试样质量和尺寸的测定

　　用分度值为 1 mg的天平称量试样质量 。 用符合 GB/T 1216规定的游标卡尺测量试样长度和宽度 ,用千分尺测量试样厚度 。在测量试样宽度和厚度时应分别测量试样两端和中间 ,取平均值 。

　　7.2 试样的放置方式

　　测量弯曲振动频率时 ,试样长度已知为 L,将试样放置在 2 根水平拉紧的铂丝上 ,2 根线的相对距离为(0. 552±0. 1)L。试样两端伸出的长度相等 。激励点可在试样表面两端或中央 ,保证能够采集到弯曲振动频率 。激励点在试样表面两端的情况见图 3 a) 。

　　测量扭转振动频率时 ,将试样放置在 2 根水平拉紧的铂丝上 ,2 根线的相对距离为(0. 552±0. 1)L。试样两端伸出的长度相等 。激励点和信号采集点对应在试样的 2 个对角点上 ,脉冲激励器和信号采集器互为对角位置 ,如图 3 b)所示 。激励的力值应保证试样产生扭转振动 。

　　a) 激励点在试样表面两端 b) 激励点和信号采集点互为对角位置标引序号说明 :

　　1— 信号采集点 ;

　　2— 铂丝 ;

　　3— 试样 ;

　　4— 激励点 ;

　　5— 支撑节点 。

　　图 3 激励点和信号采集点放置方式示意图

　　7.3 传感器的定位

　　信号采集器采用声传感器时 ,连接声传感器的陶瓷导管前端宜置于试样上方 10 mm 左右 。

　　信号采集器采用激光位移传感器时 ,通常放置在试样上方 ,且位于加热炉的真空环境之外 。

　　7.4 试样加热

　　设置加热气氛 ,启动加热装置 ,按照设定的程序对试样进行加热,达到设定温度后 ,恒温 15 min。

　　7.5 测量

　　启动测试系统 ,输入按 7. 1测得的试样质量和尺寸 ,设置仪器的基本参数 ,启动激励装置 ,利用信号

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　　采集器和信号处理器获得一个阻尼 自 由振动曲线 ,通过数据分析处理系统算出试样弯曲振动和扭转振动的基频 ,并分别计算得到弹性模量 、剪切模量和泊松比 。

　　测量不同温度点的陶瓷弹性性能时 , 在完成较低的温度点测量后 , 重 复 7. 4 继 续 升 温 到 高 的 温 度点,然后重复 7. 5。

　　8 计算

　　8. 1 弹性模量

　　弹性模量按公式(1)计算 。

　　E

　　式中 :

　　E — 弹性模量 ,单位为吉帕(GPa) ;

　　m — 试样质量 ,单位为克(g) ;

　　ff— 弯曲振动的基频 ,单位为赫兹(Hz) ;

　　b — 试样宽度 ,单位为毫米(mm) ;

　　L — 试样长度 ,单位为毫米(mm) ;

　　t — 试样厚度 ,单位为毫米(mm) 。

　　8.2 剪切模量

　　剪切模量按公式(2)计算 。

　　G R × 10-9 …………………………( 2 )

　　式中 :

　　G — 剪切模量 ,单位为吉帕(GPa) ;

　　ft— 扭转振动的基频 ,单位为赫兹(Hz) ;

　　R — 修正系数 。

　　修正系数按公式(3)计算 。

　　8.3 泊松比

　　泊松比按公式(4)计算 。

　　…………………………( 4 )

　　式中 :

　　ν — 泊松比 ;

　　E— 弹性模量 ,单位为吉帕(GPa) ;

　　G — 剪切模量 ,单位为吉帕(GPa) 。

　　5

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　　9 试验报告

　　试验报告应包含下列信息 。

　　a) 本文件编号 。

　　b) 试验部门 。

　　c) 试验人员 。

　　d) 试验日期 。

　　e) 试验设备 。

　　f) 试样的质量和尺寸 。

　　g) 试验温度 、试验气氛 。

　　h) 弯曲振动的基频 、扭转振动的基频 。

　　i) 弹性模量 、剪切模量和泊松比 。

　　j) 试样数量 。

　　k) 试样描述 :

　　1) 试样名称 、组成和来源 ;

　　2) 加工条件 ,表面处理和边角情况 ;

　　3) 其他必要信息(试样背景 、处理记录等) 。

　　l) 其他有关信息 。

　　6