一种新型的应变产生装置的制造方法
【专利摘要】一种新型的应变产生装置，包括绝缘底座，至少一对可在绝缘底座上滑动的夹具装置，至少一对可在绝缘底座上滑动的推动装置和至少一对动力系统，所述夹具装置包括第一部件和第二部件，用于夹紧被测样品，所述推动装置设置于被测样品两侧，用于向被测样品施加不同方向的应力，所述动力系统包括脉冲发生器和步进电机，用于向推动装置提供动力。本发明应变产生装置可控制被测样品产生不同方向的应力，并且可通过改变被测样品弯曲曲率半径控制应力的大小，无需大量的人工手动操作，效率高，成本低，可保证被测样品在测试过程中保持稳定的应力大小；本发明应变产生装置可应用于不同类型的柔性材料的电学性能的测试，具有良好的应用前景。
【专利说明】
一种新型的应变产生装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新型的应变产生装置，可用于实现多物理场（如低温、磁场）下材 料的应变特性的测试。
【背景技术】
[0002] 随着材料科学的深入研究，对金属、复合材料等柔性材料应变条件下的电学特性， 如超导带材、柔性材料、铁电薄膜及陶瓷材料的电学性能的研究具有重要的意义，有助于进 一步确定材料在实际工程应用中的价值。超导带材由于具有很强的输运能力而广泛应用于 高温超导技术领域，而与导线不同的是，高温超导带材的临界电流会受到应变条件的影响， 轻则导致其输运能力下降，重则失去超导性能、损坏设备。因此，研究超导带材在应变条件 下的电学性能显得尤为重要。
[0003] 目前，测试材料在应变条件下的性能通常采用如下方法:将被测样品固定于柔性 底板上，在底板两端的垂直方向上施加压应力，通过底板两端向下移动的位移确定施加的 应变的程度，最后将实验数据在计算机上拟合得到被测材料在该应变条件下的各项电学性 能。但是，该方法存在以下缺陷：其一，该测试方法的完成需要大量人工手动操作，效率较 低；其二，测试过程中不能实现不同方向应力的测试，需将样品重复取出，易造成样品的损 坏;其三，对于超导带材电学性能的测试，被测带材需要在液氮条件下进行测试，由于该测 试设备仅能在垂直方向上工作，需要使用大量的液氮，且实验过程中需将样品不断从液氮 环境中取出，易造成样品损坏，影响测试结果。
【发明内容】
[0004] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种新型的应变产生装置，可用于材料 在应变条件下性能的测试中。本发明应变产生装置可控制被测样品产生不同方向的应力， 并可通过改变被测样品弯曲曲率半径控制应力的大小，无需大量的人工手动操作，实验精 度高，效率高，成本低。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种新型的应变产生装置，其特征在于，包括：
[0007] 绝缘底座；
[0008] 至少一对可在绝缘底座上滑动的夹具装置，所述夹具装置包括第一部件和第二部 件，用于夹紧被测样品，所述第一部件通过螺钉与第二部件固定，所述夹具装置可在绝缘底 座上滑动；
[0009] 至少一对可在绝缘底座上滑动的推动装置，所述推动装置设置于被测样品两侧， 用于向被测样品施加不同方向的应力;所述推动装置包括滑动部件和探头，滑动部件可在 绝缘底座上滑动，探头与被测样品接触的一侧设置为曲面，以防止探头对被测样品的破坏， 所述滑动部件的一侧设置齿条，用于与动力杆上的齿轮配合；
[0010] 至少一对动力系统，用于向推动装置提供动力，所述动力系统通过支撑杆固定于 绝缘底座上方，通过动力杆上的齿轮与推动装置的滑动部件上的齿条配合，实现推动装置 在绝缘底座上的滑动，从而推动被测样品产生形变；
[0011] 所述夹具装置的滑动方向与推动装置的滑动方向垂直，所述夹具装置中的第一部 件和第二部件与被测样品接触的一角设置为倒角结构，以防止对被测样品的破坏。
[0012] 进一步地，所述夹具装置通过滑轨实现在绝缘底座上的滑动，具体为，所述夹具装 置的底部设置滑轮，绝缘底座上设置轨道，用于与夹具装置底部的滑轮配合实现夹具装置 的滑动。
[0013] 进一步地，所述夹具装置中的第二部件通过滑轨实现在绝缘底座上的滑动，第一 部件通过螺钉与第二部件固定，从而可以实现整个夹具装置在绝缘底座上的滑动。
[0014] 进一步地，所述推动装置中的滑动部件通过滑轨实现在绝缘底座上的相对滑动， 从而推动被测样品产生形变。
[0015] 进一步地，所述滑轨为滚轮式滑轨、钢珠式滑轨或齿轮式滑轨等。
[0016]更进一步地，所述夹具装置中的第二部件底部设置滑轮，绝缘底座上设置轨道，用 于与第二部件的滑轮配合实现滑动;所述推动装置中的滑动部件底部设置滑轮，绝缘底座 上设置轨道，用于与滑动部件的滑轮配合实现滑动。
[0017] 进一步地，所述夹具装置通过滑槽的方式实现在绝缘底座上的滑动，具体为，绝缘 底座上设置用于夹具装置滑动的滑槽，夹具装置中的第二部件为带通孔的块体，通过螺钉 螺帽或螺栓螺母限制其仅在滑槽内滑动，所述螺钉或螺栓位于通孔内且固定于绝缘底座 上，第一部件通过螺钉与第二部件固定，当被测样品发生形变时，即可带动夹具装置在滑槽 内滑动。
[0018] 进一步地，所述推动装置中的滑动部件通过滑槽的方式实现在绝缘底座上的滑 动，具体为，绝缘底座上设置用于滑动部件滑动的滑槽，滑动部件为带通孔的块体，通过螺 钉螺帽或螺栓螺母限制其仅在滑槽内滑动，所述螺钉或螺栓位于通孔内且固定于绝缘底座 上，当动力系统启动时，带动滑动部件在滑槽内滑动，从而推动被测样品产生形变。
[0019] 进一步地，所述夹具装置中的第一部件和第二部件采用铜块体加工得到。
[0020] 进一步地，所述推动装置中的滑动部件采用铜块体加工得到。
[0021] 进一步地，所述推动装置中的探头为可拆卸式的。
[0022] -种新型的应变产生装置的使用方法，包括以下步骤：
[0023] 步骤1:将被测样品通过夹具装置固定；
[0024] 步骤2:开启步进电机，步进电机带动动力杆上的齿轮转动，通过齿轮与推动装置 中齿条的配合，实现推动装置在绝缘底座上的滑动，从而推动被测样品产生形变;被测样品 发生形变时，会带动夹具装置在绝缘底座上滑动，以保证被测样品仅受到探头施加的应力。 [00 25] 进一步地，可通过控制动力系统中不同的步进电机选择施加应力的方向，通过控 制步进电机的正反方向的转动，实现应力的施加和释放。
[0026] 本发明还提供了上述应变产生装置在测试超导带材在应变条件下的临界电流中 的应用。
[0027] 本发明还提供了上述应变产生装置在测试柔性材料在应变条件下的电学性能中 的应用。
[0028]本发明的有益效果为：
[0029] 1、本发明应变产生装置可控制被测样品产生不同方向的应力，并且可通过改变被 测样品弯曲曲率半径控制应力的大小，无需大量的人工手动操作，效率高，成本低，可保证 被测样品在测试过程中保持稳定的应力大小；
[0030] 2、本发明应变产生装置在测试超导带材的电学性能时，无需从液氮环境下取出样 品，操作简单，可重复性好，能有效保持被测样品的完整性；
[0031] 3、本发明应变产生装置不受被测样品长度的限制，可通过增大绝缘底座的面积实 现高温超导长带材电学性能的测试;本发明应变产生装置可应用于不同类型的柔性材料 (如柔性太阳能电池、铁电薄膜等)的电学性能的测试，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明提供的一种实施方式的应变产生装置的结构示意图；其中，1为动力 系统，2为支撑结构，3为推动装置，4为绝缘底座，5为夹具装置；
[0033] 图2为本发明提供的另一种实施方式的应变产生装置的结构示意图；其中，1为动 力系统，2为支撑结构，3为推动装置，4为绝缘底座，5为夹具装置；
[0034] 图3为本发明提供的应变产生装置中动力系统及支撑结构的结构示意图；
[0035] 图4为本发明提供的另一种实施方式的应变产生装置中夹具装置、推动装置和绝 缘底座的俯视图；
[0036]图5为实施例1得到的被测样品的临界电流曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0038] 如图1所示，为本发明提供的一种实施方式的应变产生装置的结构示意图，包括带 轨道的绝缘底座4、两个可在绝缘底座轨道上滑动的夹具装置5、两个可在绝缘底座轨道上 滑动的推动装置3、两个动力系统1、支撑杆2和动力杆;所述夹具装置包括第一部件和第二 部件，用于夹紧被测样品，所述第二部件底部设置滑轮，以实现在绝缘底座轨道上的滑动， 所述第一部件为一块体材料，通过螺钉与第二部件固定连接，从而可实现整个夹具装置在 绝缘底座上的滑动;所述两个推动装置分别设置于被测样品两侧，用于向被测样品施加不 同方向的应力，所述推动装置包括滑动部件和探头，滑动部件底部设置滑轮，以实现在绝缘 底座轨道上的滑动，探头与被测样品接触的一侧设置为曲面，以防止探头对被测样品的破 坏，所述滑动部件一侧的底部设置齿条，用于与动力杆上的齿轮配合;所述动力系统包括脉 冲发生器和步进电机，用于向推动装置提供动力，所述动力系统通过支撑杆固定于绝缘底 座上方，通过动力杆上的齿轮与推动装置滑动部件上的齿条配合，实现推动装置在绝缘底 座上的滑动，从而推动被测样品产生形变;所述夹具装置的滑动方向与推动装置的滑动方 向相互垂直，所述夹具装置中的第一部件和第二部件与被测样品接触的一角设置为倒角结 构，以防止对被测样品的破坏。
[0039] 进一步地，夹具装置在绝缘底座上的滑动还可以通过以下方式实现:夹具装置固 定于底板上，底板底部设置滑轮，以实现在绝缘底座轨道上的滑动。
[0040] 如图2所示，为本发明提供的另一种实施方式的应变产生装置的结构示意图，包括 带滑槽的绝缘底座4、两个可在绝缘底座滑槽内滑动的夹具装置5、两个可在绝缘底座滑槽 内滑动的推动装置3、两个动力系统1、支撑杆2和动力杆;所述夹具装置包括第一部件和第 二部件，用于夹紧被测样品，所述第二部件为带通孔的块体，通过螺钉螺帽或螺栓螺母限制 其仅在滑槽内滑动，所述螺钉或螺栓位于通孔内且固定于绝缘底座上，第一部件通过螺钉 与第二部件固定，当被测样品发生形变时，即可带动夹具装置在滑槽内滑动;所述两个推动 装置分别设置于被测样品两侧，用于向被测样品施加不同方向的应力，所述推动装置包括 滑动部件和探头，滑动部件为带通孔的块体，通过螺钉螺帽或螺栓螺母限制其仅在滑槽内 滑动，所述螺钉或螺栓位于通孔内且固定于绝缘底座上，当动力系统启动时，带动滑动部件 在滑槽内滑动，从而推动被测样品产生形变，所述探头与被测样品接触的一侧设置为曲面， 以防止探头对被测样品的破坏，所述滑动部件一侧的底部设置齿条，用于与动力杆上的齿 轮配合;所述动力系统包括脉冲发生器和步进电机，用于向推动装置提供动力，所述动力系 统通过支撑杆固定于绝缘底座上方，通过动力杆上的齿轮与推动装置滑动部件上的齿条配 合，实现推动装置在绝缘底座上的滑动，从而推动被测样品产生形变;所述夹具装置的滑动 方向与推动装置的滑动方向相互垂直，所述夹具装置中的第一部件和第二部件与被测样品 接触的一角设置为倒角结构，以防止对被测样品的破坏。
[0041] 进一步地，如图3所示，为本发明提供的应变产生装置中动力系统及支撑结构的结 构示意图。本发明提供的应变产生装置包括两个相同的动力系统，分别为第一动力系统和 第二动力系统，所述第一动力系统由第一步进电机101、第一动力杆102、第一齿轮103组成， 第二动力系统由第二步进电机104、第二动力杆105、第二齿轮106组成;第一动力杆102、第 二动力杆105上端分别与第一步进电机101、第二步进电机104内部的发动机连接，下端固定 于绝缘底座上;第一动力杆102、第二动力杆105与绝缘底座固定处分别设置第一齿轮103、 第二齿轮106,第一步进电机101、第二步进电机104即可通过动力杆实现第一齿轮103、第二 齿轮106的匀速转动，从而控制推动装置在绝缘底座上滑动，进而推动被测样品产生形变。 其中，第一步进电机101和第二步进电机104均匹配160W自发脉冲发生器，可7档细分控制匀 速圆周运动速率;第一齿轮103、第二齿轮106为主轴铜齿轮。
[0042] 本发明提供的应变产生装置包括两套支撑结构(第一支撑结构和第二支撑结构）， 分别用于支撑第一动力系统和第二动力系统。所述第一支撑结构用于支撑第一动力系统， 包括用于支撑第一步进电机101的第一步进电机支撑板201、用于支撑第一步进电机支撑板 201的两个支撑杆202、203，两个支撑杆一端连接第一步进电机支撑板，另一端连接绝缘底 座。所述第二支撑结构用于支撑第二动力系统，包括用于支撑第二步进电机104的第二步进 电机支撑板204、用于支撑第二步进电机支撑板204的两个支撑杆205、206,两个支撑杆一端 连接第二步进电机支撑板，另一端连接绝缘底座。其中，支撑杆202、203、205、206与第一动 力杆102、第二动力杆105采用相同的材料制作得到。
[0043] 如图4所示，为本发明提供的另一种实施方式的应变产生装置中夹具装置、推动装 置和绝缘底座的俯视图。其中，底座4采用绝缘材料制作，并在其表面分别设置用于夹具装 置滑动的滑槽和用于推动装置滑动的滑槽，所述夹具装置滑动的方向与推动装置滑动的方 向垂直。所述夹具装置包括第一部件(309、310)和第二部件(307、308)，用于夹紧被测样品， 所述第二部件(307、308)为带通孔的块体，通过螺钉螺帽垫圈限制其仅在滑槽内滑动，所述 螺钉位于通孔内且固定于绝缘底座上，第一部件通过螺钉与第二部件固定，当被测样品发 生形变时，即可带动夹具装置在滑槽内滑动，以保证被测样品仅受到探头施加的应力。所述 两个推动装置分别设置于被测样品两侧，用于向被测样品施加不同方向的应力，每个推动 装置包括滑动部件(301、304)、曲面探头(302、305)和齿条(303、306)，滑动部件为带通孔的 块体，通过螺钉螺帽垫圈限制其仅在滑槽内滑动，所述螺钉位于通孔内且固定于绝缘底座 上，当动力系统启动时，会通过齿轮齿条带动滑动部件在滑槽内滑动，从而通过曲面探头推 动被测样品产生形变，所述齿条设置于滑动部件侧面的底部，用于与动力系统中动力杆上 的齿轮（103、106)配合，所述曲面探头为可拆卸的，具体为将探头固定于滑动装置前端的卡 槽内，以便于测试过程中对探头的更换。
[0044] 进一步地，在测试过程中，可在被测样品与探头之间设置一柔性金属基带，以避免 探头与被测样品的直接接触，可有效防止应力过大时被测样品的损坏。
[0045] 本发明提供的应变产生装置可应用于测试超导带材在应变条件下的临界电流等 电学特性，也可应用于其他柔性材料，比如太阳能电池、铁电薄膜等在应变条件下的电学性 能的测试。
[0046] 实施例1
[0047]本实施例为本发明提供的应变产生装置用于测试超导带材在应变条件下的临界 电流的应用。
[0048] 本实施例中，被测样品为100mm*10mm的超导YBC0带材，其中样品桥长度为15mm、宽 度约为0 ? 3~0 ? 5mm，被测样品与探头之间采用200mm*10mm、厚度为0 ? 5mm的柔性金属基带作 为保护基带，被测样品通过四引线法与电流源及纳伏表相连，并保持样品桥中心与探头 302、305大致位于同一水平线上。
[0049] 首先，在正常状态下(未施加应力)测试被测样品的临界电流，结果如图5中的曲线 a所示。
[0050] 然后，启动第一步进电机101的正向开关，与第一步进电机连接的第一动力杆102 会带动其上的第一齿轮103实现匀速圆周运动，通过第一齿轮103与滑动部件上的齿条303 之间的配合实现推动装置在绝缘底座上的滑动，从而推动整个推动装置向被测样品一侧运 动，当曲面探头与被测样品接触时，被测样品产生形变，直到被测样品的应变程度达到最大 或实验观测到样品已达到临界不可逆应变程度时，关闭第一步进电机。其中，第一步进电机 的转速为lr/s。应变程度可根据被测样品的弯曲曲率半径和探头直径大小确定，本实施例 通过改变探头的直径可控制最大应变程度分别为3.2%，2.6%，2.2%，2%，1.6%，1.3%， 1 % ;最大应变程度可通过公式
计算得到，其中e为最大应变程度，d为被测样品的厚 度，R为曲面探头的半径。在此过程中，测试被测样品在不同应力下的临界电流，图5中的曲 线b为应变强度达到1.3 %时样品的临界电流。
[0051]然后，启动第一步进电机的反向开关，与第一步进电机连接的第一动力杆102会带 动其上的第一齿轮103实现匀速圆周运动，通过第一齿轮103与滑动部件上的齿条303之间 的配合实现推动装置在绝缘底座上的滑动，从而推动整个推动装置向远离被测样品的方向 运动，探头与被测样品逐渐分离，被测样品逐渐恢复到正常状态。图5中曲线c为样品恢复到 正常状态后的临界电流曲线。
[0052]图5为实施例1被测样品在正常状态下、施加外应力状态下以及释放外应力状态下 的临界电流曲线；由图5可知，当对样品施加外应力使其应变达到1.3%时，样品的临界电流 下降；而释放外应力后，样品的临界电流恢复到初始值附近，表明当应变程度为1.3%时，样 品的应变处于可逆范围。
[0053]同理，启动第二步进电机104的正向开关可测试被测样品在另一个方向上的应力 下的临界电流，然后启动第二步进电机104的反向开关可测试被测样品在释放应力的过程 中的临界电流。
[0054]实施例1中通过应变产生装置向被测样品施加应变，采用四引线法测试其在不同 应变条件下的超导临界电流时，可控制被测样品产生不同方向的应力，并且可通过改变被 测样品的弯曲曲率半径和探头的直径控制应力的大小，无需大量的人工手动操作，效率高， 成本低，可保证被测样品在测试过程中保持稳定的应力大小;且无需重复从液氮环境下取 出样品，操作简单，可重复性良好，能有效保持被测样品的完整性。
[0055] 实施例2
[0056] 本实施例为本发明提供的应变产生装置用于测试柔性太阳能电池在应变条件下 的电学性能。
[0057]本实施例中，被测样品为的柔性钙钛矿太阳能电池，被测样品与探头之 间采用柔性金属基带作为保护基带，太阳能电池的两极分别引出连接到恒流源的两端。
[0058] 首先，采用与实施例1相同的方式对被测样品施加应力，直到被测样品的应变程度 达到最大或实验观测到样品已达到临界不可逆应变程度时，关闭第一步进电机，在此过程 中，测试被测样品在不同应力下的电流-电压特性曲线，即可得到施加应力过程中柔性太阳 能电池在不同应力下的电流-电压特性曲线。
[0059] 然后，启动第一步进电机的反向开关，使推动装置向远离被测样品的方向移动，被 测样品逐渐恢复到正常状态。在此过程中，测试被测样品在不同应力下的电流-电压特性曲 线，即可得到释放应力过程中柔性太阳能电池在不同应力下的电流-电压特性曲线。
[0060] 实施例3
[0061]本实施例为本发明提供的应变产生装置用于测试铁电薄膜在应变条件下的电学 性能。
[0062] 本实施例中，被测样品为P(VDF-TrFE)铁电薄膜(P(VDF-TrFE)材料中VDF和TrFE成 分的摩尔比为60:40)，其基底为PI(聚酰亚胺)薄膜，被测样品与探头之间采用柔性金属基 带作为保护基带。
[0063] 首先，采用与实施例1相同的方式对被测样品施加应力，直到被测样品的应变程度 达到最大或实验观测到样品已达到临界不可逆应变程度时，关闭第一步进电机;在此过程 中，测试不同应力状态下的铁电薄膜P-V滞回线。
[0064] 然后，启动第一步进电机的反向开关，使推动装置向远离被测样品的方向移动，被 测样品逐渐恢复到正常状态，即可得到恢复到正常状态的铁电薄膜的P-V滞回线。
【主权项】
1. 一种新型的应变产生装置，其特征在于，包括： 绝缘底座； 至少一对可在绝缘底座上滑动的夹具装置，所述夹具装置包括第一部件和第二部件， 用于夹紧被测样品，所述第一部件通过螺钉与第二部件固定； 至少一对可在绝缘底座上滑动的推动装置，所述推动装置设置于被测样品两侧，用于 向被测样品施加应力;所述推动装置包括滑动部件和探头，滑动部件可在绝缘底座上滑动， 探头与被测样品接触的一侧设置为曲面，以防止探头对被测样品的破坏，所述滑动部件的 一侧设置齿条，用于与动力杆上的齿轮配合； 至少一对动力系统，用于向推动装置提供动力，所述动力系统通过支撑杆固定于绝缘 底座上方，通过动力杆上的齿轮与推动装置的滑动部件上的齿条配合，实现推动装置在绝 缘底座上的滑动，从而推动被测样品产生形变； 所述夹具装置的滑动方向与推动装置的滑动方向垂直，所述夹具装置中的第一部件和 第二部件与被测样品接触的一角设置为倒角结构，以防止对被测样品的破坏。2. 根据权利要求1所述的新型的应变产生装置，其特征在于，所述夹具装置、推动装置 通过滑轨实现在绝缘底座上的滑动。3. 根据权利要求2所述的新型的应变产生装置，其特征在于，所述滑轨为滚轮式滑轨、 钢珠式滑轨或齿轮式滑轨。4. 根据权利要求1所述的新型的应变产生装置，其特征在于，所述夹具装置通过滑槽的 方式实现在绝缘底座上的滑动，具体为，绝缘底座上设置用于夹具装置滑动的滑槽，夹具装 置中的第二部件为带通孔的块体，通过螺钉螺帽或螺栓螺母限制其仅在滑槽内滑动，所述 螺钉或螺栓位于通孔内且固定于绝缘底座上，第一部件通过螺钉与第二部件固定，当被测 样品发生形变时，即可带动夹具装置在滑槽内滑动。5. 根据权利要求1所述的新型的应变产生装置，其特征在于，所述推动装置中的滑动部 件通过滑槽的方式实现在绝缘底座上的滑动，具体为，绝缘底座上设置用于滑动部件滑动 的滑槽，滑动部件为带通孔的块体，通过螺钉螺帽或螺栓螺母限制其仅在滑槽内滑动，所述 螺钉或螺栓位于通孔内且固定于绝缘底座上，当动力系统启动时，带动滑动部件在滑槽内 滑动，从而推动被测样品产生形变。6. 根据权利要求1所述的新型的应变产生装置，其特征在于，所述夹具装置、推动装置 采用铜块体加工得到。7. 根据权利要求1所述的新型的应变产生装置，其特征在于，所述推动装置中的探头为 可拆卸式的。8. -种新型的应变产生装置的使用方法，包括以下步骤： 步骤1:将被测样品通过夹具装置固定； 步骤2:开启步进电机，步进电机带动动力杆上的齿轮转动，通过齿轮与推动装置中齿 条的配合，实现推动装置在绝缘底座上的滑动，从而推动被测样品产生形变;被测样品发生 形变时，会带动夹具装置在绝缘底座上滑动，以保证被测样品仅受到探头施加的应力。9. 权利要求1至7中任一项所述应变产生装置在测试柔性材料在应变条件下的电学性 能中的应用。10. 权利要求1至7中任一项所述应变产生装置在测试超导带材在应变条件下的临界电 流中的应用。
【文档编号】G01R1/04GK105911400SQ201610444611
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】熊杰, 张宇希, 杨超, 储隽伟, 程远, 侯翔, 陶伯万, 李言荣
【申请人】电子科技大学