[發明專利]一種力電耦合動態斷裂實驗系統

有效

• 申請號: 201210123523.6
• 申請日: 2012-04-24
• 公開（公告）號: CN102706726A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 陳浩森;方岱寧;李法新;裴永茂;李應衛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

技術領域

本發明屬于力學結構形變及力學實驗技術領域，尤其涉及一種力電耦合動態斷裂實驗系統。

背景技術

壓電材料、鐵電材料具有特殊的壓電和介電性質，在現代科學技術中得到廣泛應用，從電力電子、航空航天、核能工程，到機器人智能系統、信息存儲系統和智能傳感系統等各領域都起到重要作用。一方面，壓鐵電材料在服役過程中往往受到動態機械載荷和動態脈沖電載荷作用，在動態機械荷載方面：典型的如美俄核武器、高功率微波武器和常規武器戰斗部觸發引信，利用炸藥爆炸等方式產生沖擊波，壓電鐵電陶瓷將去極化，釋放電荷，在微秒或亞微秒時間內提供大電流或大電壓輸出；在動態脈沖電載荷方面：典型的如鐵電陰極材料在反向極化方向外加電場脈沖作用下，處于陶瓷-真空界面的大量自由電子發射，使得熒光粉發光，可用于加速器、平板顯示、微波源等領域。由于在制備過程中不可避免的存在一些裂紋，在使用過程中由于動態加載，壓電鐵電器件容易發生失效，開展相關研究有著巨大的工程需求。另一方面，力電耦合動態斷裂屬于典型的動態、多場耦合物理力學問題，國內外只進行壓電、鐵電動態斷裂的理論研究，還沒有實驗研究結果報導，開展相關研究有著重要的科學意義。因此，急需研制力電耦合動態斷裂試驗系統，發展力電耦合動態加載的能力，模擬工程中的實際工況，解決工程問題；同時發現新的動態多場耦合物理現象，滿足多場、動態等復雜科學問題的研究需求。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種力電耦合動態斷裂實驗系統，用于搭建動態多場耦合實驗平臺，以實現壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性的實驗研究。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案是，一種力電耦合動態斷裂實驗系統，通過對由壓電鐵電材料制成的實驗試件施加動態機械載荷和/或動態脈沖電載荷，并采集施加載荷條件下實驗試件的相關數據，獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性，其特征是所述系統包括動態機械載荷加載單元、動態脈沖電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態控制單元、數據采集單元和數據處理單元；

所述動態機械載荷加載單元，用于向實驗試件施加動態機械載荷；

所述動態脈沖電載荷加載單元，用于向實驗試件施加動態脈沖電載荷；

所述絕緣支撐保護單元，用于為實驗試件提供絕緣和支撐保護。

所述動態控制單元分別與動態機械載荷加載單元、動態脈沖電載荷加載單元和數據采集單元相連，用于在動態機械載荷加載單元向實驗試件施加動態機械載荷或動態脈沖電載荷加載單元向實驗試件施加動態脈沖電載荷時，設定采樣初始時間和采樣頻率，并控制數據采集單元從采樣初始時間開始，按照采樣頻率采集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據；

所述數據采集單元與數據處理單元相連，用于采集實驗試件在動態力電耦合載荷場下的數據，并將采集的數據發送至數據處理單元；

所述數據處理單元用于根據采集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態力電耦合載荷場下的斷裂特性。

所述數據采集單元包括動態機械加載應力測量單元、動態脈沖電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元；動態機械加載應力測量單元、動態脈沖電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元分別與動態控制單元和數據處理單元相連；

所述動態機械加載應力測量單元用于測量動態機械載荷信息；

所述動態脈沖電場測量單元用于測量動態脈沖電載荷信息；

所述裂尖應力信息光測單元用于測量動態荷載作用下裂尖信息場信息；

所述裂紋擴展測量單元用于測量裂紋擴展全過程的圖像信息。

所述絕緣支撐保護單元包括安全保護裝置、液體絕緣材料、絕緣支座、絕緣加載頭、和支撐架。

本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統能夠得到精確的測量信號，從而為壓電、鐵電的動態斷裂性能測試提供有力的保障；同時，該系統還能夠有效地保護實驗過程中實驗人員的安全以及實驗裝置的安全。

附圖說明

圖1是本發明提供的力電耦合動態斷裂實驗系統結構示意圖；

圖2是實施例提供的絕緣支撐保護單元結構圖；

圖3是機械動態加載示意圖；

圖4是電脈沖電路圖；

圖5是動態控制設備結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。