[發(fā)明專利]電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210156426.7
• 申請日: 2012-05-18
• 公開（公告）號: CN102645372A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方岱寧;毛衛(wèi)國;馮雪;李法新;裴永茂;于澤軍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01R31/00;G01R33/14
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 張肖琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜涂層材料性能表征技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法。

背景技術(shù)

在薄膜涂層材料科學(xué)技術(shù)中，功能性薄膜樣品具有許多基底材料所不具備的力、電、磁、熱、光以及化學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用在高性能傳感器、微電子器件、磁存儲器等領(lǐng)域，在國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了不可替代的重要作用。例如近年來快速發(fā)展的層狀電磁復(fù)合智能薄膜樣品由于具有獨(dú)特的熱力電磁多場耦合性能而日益受到人們的密切關(guān)注。因此，如何在多場耦合環(huán)境下有效測試和表征這類功能性薄膜樣品的自身性能、薄膜與基底之間的結(jié)合性能對于提高它們的可靠性具有非常重要的科學(xué)意義和工程價值，也已成為這些領(lǐng)域中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

目前研究人員主要集中在力電、力磁、熱力或熱磁載荷條件下對傳統(tǒng)單一的鐵磁、鐵電和巨磁阻等智能材料分別進(jìn)行其力學(xué)、磁學(xué)或電學(xué)性能的表征，進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，提出了許多較好的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。然而，電磁復(fù)合材料是一種由鐵磁和鐵電兩相材料組合而成的新型材料，具有單一鐵電或鐵磁材料所不具備的功能和特性。現(xiàn)有的試驗(yàn)方法和裝置已難以滿足這種新型材料的測試要求，迫切需要完善和發(fā)展新的測試方法和匹配的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)現(xiàn)在力電磁三場耦合作用下同步加載和測試這類功能材料的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能響應(yīng)，探索其內(nèi)在機(jī)制和原理。目前對普通薄膜樣品性能測試和表征的實(shí)驗(yàn)方法主要有鼓泡法、納米壓痕法、直接拉伸法、剝離測量法和四點(diǎn)梁彎曲法等。其中，鼓泡法是指在密封油腔中，通過驅(qū)使活塞壓縮液壓油，促使被測的薄膜發(fā)生不同程度的鼓漲變形，采用光學(xué)方法測試出薄膜樣品表面的變形情況，最后分析出薄膜的力學(xué)性能。該方法不僅能夠測試簡單幾何形狀基底上的薄膜力學(xué)性能，而且還能測試復(fù)雜不規(guī)則幾何形狀基底上的薄膜力學(xué)性能；同時能夠定量測試薄膜樣品的彈性模量、斷裂韌性、殘余拉應(yīng)力以及本構(gòu)關(guān)系等多個指標(biāo)；而且測量范圍很大，可以測試不同類型不同結(jié)合強(qiáng)度薄膜基底材料體系的力學(xué)性能；容易與其它測試方法和設(shè)備高度集成，實(shí)現(xiàn)多功能一體化測試；操作簡單、分析快捷，容易實(shí)現(xiàn)工程推廣應(yīng)用。因此鼓泡法最有可能發(fā)展成為全面測試和表征功能性薄膜樣品的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能的方法。

現(xiàn)有技術(shù)中鼓泡法表征功能性薄膜樣品性能的實(shí)驗(yàn)裝置包括：計算機(jī)1、驅(qū)動系統(tǒng)2、油壓鼓泡裝置3、活塞4、薄膜樣品5、光學(xué)測試系統(tǒng)6和數(shù)據(jù)采集處理器7，其中，計算機(jī)1連接至驅(qū)動系統(tǒng)2，驅(qū)動系統(tǒng)2通過活塞4連接至油壓鼓泡裝置3，油壓鼓泡裝置3上放置薄膜樣品5，光學(xué)測試系統(tǒng)6設(shè)置在薄膜樣品5的上方，并通過數(shù)據(jù)采集處理器7連接至計算機(jī)1，如圖1所示。通過活塞4驅(qū)使油壓鼓泡裝置3中的液壓油促使薄膜樣品變形直至破壞；油壓施加方式單一，無法實(shí)現(xiàn)多種油壓施加方式（例如疲勞加載、以設(shè)定的油壓增加率加載等），屬于開環(huán)控制方式。采用非接觸式光學(xué)測試系統(tǒng)測試薄膜樣品的表面各點(diǎn)位移情況，其精度大約在0.4微米。其功能主要是在常溫下表征功能性薄膜樣品的力學(xué)性能，不具備電場加載、電學(xué)量測試、磁場加載及標(biāo)定、磁學(xué)量測試功能。

綜上所述，目前已報道的電磁智能材料力電磁耦合行為的實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法主要存在以下幾點(diǎn)不足：（1）現(xiàn)有的試驗(yàn)方法和裝置已難以滿足新型電磁材料的測試要求，迫切需要完善和發(fā)展新的測試方法和匹配的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)現(xiàn)在力電磁三場耦合作用下同步加載和測試這類功能材料的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能響應(yīng)；（2）目前主要集中在單一力場作用下測試普通薄膜材料力學(xué)性能；（3）油壓加載方式單一，屬于開環(huán)控制模式，這樣難以控制加載壓力的大小和速率，也無法實(shí)現(xiàn)其它特殊方式的加載和測試；（4）目前光學(xué)系統(tǒng)對薄膜位移測試精度偏低，大約在0.4微米到幾個微米，難以測試厚度很小的薄膜樣品，容易造成巨大的試驗(yàn)誤差。

發(fā)明內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)在力電磁三場全耦合下利用鼓泡法表征電磁智能材料的力電磁耦合性能，填補(bǔ)儀器空白，本發(fā)明經(jīng)過對現(xiàn)有的油壓鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了在力電磁場耦合條件下表征不同類型不同結(jié)合強(qiáng)度功能性薄膜樣品性能的實(shí)驗(yàn)裝置和測試方法。

本發(fā)明的一個目的在于提供一種電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置。