[發明專利]力?電?熱耦合條件下鐵電材料響應行為的測試系統

在審

• 申請號: 201710489032.6
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107219116A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 李應衛;程向陽;朱大鵬;姜清輝;李美亞
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01R31/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發明屬于精密科學儀器領域，特別涉及一種力-電-熱耦合條件下鐵電材料響應行為的測試系統。

背景技術

鐵電陶瓷等功能陶瓷由于具備優良的力電耦合性質、體積小、響應快等優點，被廣泛用于制作傳感器、致動器等智能元器件，在現代工業及國防建設中發揮著不可替代的作用。隨著其應用范圍的推廣，工業生產對鐵電材料的功能指標也提出更高的要求。例如，當鐵電陶瓷用于柴油發動機噴油嘴中做致動器時，要求材料的輸出應變在室溫到150℃的溫度范圍內具有良好的溫度穩定性；當鐵電陶瓷用于制作傳感器時，要求材料具有較大的壓電常數及較高的矯頑應力。近幾十年來，為滿足高新技術和國防建設發展的需要，各國一直重視高性能鐵電陶瓷等功能材料的研制、開發及性能表征。

壓電鐵電材料、電致伸縮材料等功能材料在使用過程中往往伴隨著復雜的力、電、熱等復雜的耦合物理行為，研究其在電場或應力作用下的響應行為及疲勞特性、應力退極化及蠕變行為等對于理解材料的機理，優化材料性能具有極其重要的意義。

現有鐵電材料測試設備一般僅僅簡單的將各種實驗儀器手工配置在一起，安裝和拆除繁瑣且不能實現數據的自動采集與存儲。目前普遍使用粘接應變片的方式來測量試樣在預應力下產生的應變，此方法具有以下弊端：(1)應變片與試樣粘接過程繁瑣且不易掌握；(2)試樣在測試過程中容易被擊穿，故需要制備大量粘接應變片的試樣進行系統測試；(3)應變片在高溫下使用粘結難度較大，不易校準，測試誤差較大。故現今普遍采用的測試方式費時費力，極大地降低了科研工作者及相關從業人員的工作效率。

因此，急需設計開發一種可實現快速批量測試材料力、電、熱耦合性能的測試設備，提高科研人員對先進功能材料的應力/應變、電場、熱場等復雜科學問題的研究效率，同時也可為致動器研發及生產企業提供不同溫度環境下產品力電性能的試驗測試平臺。

發明內容

本發明的目的提供一種力-電-熱耦合條件下鐵電材料響應行為的測試系統。

本發明提供的力-電-熱耦合條件下鐵電材料響應行為的測試系統，包括試驗槽、力加載單元、電場加載單元、應力測量單元、應變測量單元、溫度控制單元、數據采集單元和數據處理單元；其中，試驗槽其內盛有不導電的流動型熱傳導介質，試驗槽用來放置試樣；力加載單元，用來對試樣加載可控的力場；電場加載單元，用來對試樣加載可控的電場；應力測量單元，用來測量試樣產生的應力數據；應變測量單元，用來測量試樣產生的應變數據；溫度控制單元，用來調控試樣所處環境的溫度，即試驗槽內不導電的流動型熱傳導介質的溫度；數據采集單元，與電場加載單元、應力測量單元、應變測量單元和溫度控制單元均相連，用來采集試樣的電場數據、應力數據、應變數據和電場所處環境的溫度數據；數據處理單元，用來對數據采集單元采集的數據進行處理，獲得試樣的響應行為。

進一步的，試驗槽置于一底座上。

進一步的，力加載單元包括作動器、力傳導機構和力控制器，作動器的加載力通過力傳導機構施加于試樣上，力控制器用來控制作動器的加載速率和加載力的大小。

進一步的，力傳導機構包括一限位框架、一力傳導調節件和一力傳導主體，力傳導調節件置于限位框架內，力傳導主體連接于力傳導調節件下方，力傳導調節件用來調整力傳導主體的角度。

作為優選，力傳導調節件頂部設穹頂，力傳導調節件底部和限位框架的接觸處設橡膠墊圈，位于限位框架兩側的角度調節件穿過限位框架，并與力傳導調節件接觸。

進一步的，電場加載單元包括上電極、下電極、高壓功率放大器、信號發生器和靜電計，上電極設于力加載單元底部，且與力加載單元底部間設有上絕緣層；下電極固定于試驗槽底部，且與試驗槽底部間設有下絕緣層；信號發生器連接高壓功率放大器，高壓功率放大器連接下電極，靜電計連接上電極。

進一步的，應力測量單元為力傳感器，當所述的力加載單元包括作動器、力傳導機構和力控制器時，其設于作動器和力傳導機構之間。

作為優選，應變測量單元包括位移傳感器、位移傳感器橫梁、第一減震彈簧和第二減震彈簧，位移傳感器以可拆遷方式固定于位移傳感器橫梁上，位移傳感器橫梁水平穿過力傳導機構，位移傳感器橫梁兩端分別設第一減震彈簧和第二減震彈簧，第一減震彈簧和第二減震彈簧分別固定于一對支架上。

進一步的，溫度控制單元包括加熱模塊、溫度傳感器和溫度控制器，加熱模塊和溫度傳感器置于試驗槽內，加熱模塊和溫度傳感器均連接溫度控制器。

進一步的，數據采集單元為多通道采集卡。