力‑电‑热耦合条件下铁电材料响应行为的测试系统的制作方法

本发明属于精密科学仪器领域，特别涉及一种力-电-热耦合条件下铁电材料响应行为的测试系统。

背景技术：

铁电陶瓷等功能陶瓷由于具备优良的力电耦合性质、体积小、响应快等优点，被广泛用于制作传感器、致动器等智能元器件，在现代工业及国防建设中发挥着不可替代的作用。随着其应用范围的推广，工业生产对铁电材料的功能指标也提出更高的要求。例如，当铁电陶瓷用于柴油发动机喷油嘴中做致动器时，要求材料的输出应变在室温到150℃的温度范围内具有良好的温度稳定性；当铁电陶瓷用于制作传感器时，要求材料具有较大的压电常数及较高的矫顽应力。近几十年来，为满足高新技术和国防建设发展的需要，各国一直重视高性能铁电陶瓷等功能材料的研制、开发及性能表征。

压电铁电材料、电致伸缩材料等功能材料在使用过程中往往伴随着复杂的力、电、热等复杂的耦合物理行为，研究其在电场或应力作用下的响应行为及疲劳特性、应力退极化及蠕变行为等对于理解材料的机理，优化材料性能具有极其重要的意义。

现有铁电材料测试设备一般仅仅简单的将各种实验仪器手工配置在一起，安装和拆除繁琐且不能实现数据的自动采集与存储。目前普遍使用粘接应变片的方式来测量试样在预应力下产生的应变，此方法具有以下弊端：(1)应变片与试样粘接过程繁琐且不易掌握；(2)试样在测试过程中容易被击穿，故需要制备大量粘接应变片的试样进行系统测试；(3)应变片在高温下使用粘结难度较大，不易校准，测试误差较大。故现今普遍采用的测试方式费时费力，极大地降低了科研工作者及相关从业人员的工作效率。

因此，急需设计开发一种可实现快速批量测试材料力、电、热耦合性能的测试设备，提高科研人员对先进功能材料的应力/应变、电场、热场等复杂科学问题的研究效率，同时也可为致动器研发及生产企业提供不同温度环境下产品力电性能的试验测试平台。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种力-电-热耦合条件下铁电材料响应行为的测试系统。

本发明提供的力-电-热耦合条件下铁电材料响应行为的测试系统，包括试验槽、力加载单元、电场加载单元、应力测量单元、应变测量单元、温度控制单元、数据采集单元和数据处理单元；其中，试验槽其内盛有不导电的流动型热传导介质，试验槽用来放置试样；力加载单元，用来对试样加载可控的力场；电场加载单元，用来对试样加载可控的电场；应力测量单元，用来测量试样产生的应力数据；应变测量单元，用来测量试样产生的应变数据；温度控制单元，用来调控试样所处环境的温度，即试验槽内不导电的流动型热传导介质的温度；数据采集单元，与电场加载单元、应力测量单元、应变测量单元和温度控制单元均相连，用来采集试样的电场数据、应力数据、应变数据和电场所处环境的温度数据；数据处理单元，用来对数据采集单元采集的数据进行处理，获得试样的响应行为。

进一步的，试验槽置于一底座上。

进一步的，力加载单元包括作动器、力传导机构和力控制器，作动器的加载力通过力传导机构施加于试样上，力控制器用来控制作动器的加载速率和加载力的大小。

进一步的，力传导机构包括一限位框架、一力传导调节件和一力传导主体，力传导调节件置于限位框架内，力传导主体连接于力传导调节件下方，力传导调节件用来调整力传导主体的角度。

作为优选，力传导调节件顶部设穹顶，力传导调节件底部和限位框架的接触处设橡胶垫圈，位于限位框架两侧的角度调节件穿过限位框架，并与力传导调节件接触。

进一步的，电场加载单元包括上电极、下电极、高压功率放大器、信号发生器和静电计，上电极设于力加载单元底部，且与力加载单元底部间设有上绝缘层；下电极固定于试验槽底部，且与试验槽底部间设有下绝缘层；信号发生器连接高压功率放大器，高压功率放大器连接下电极，静电计连接上电极。

进一步的，应力测量单元为力传感器，当所述的力加载单元包括作动器、力传导机构和力控制器时，其设于作动器和力传导机构之间。

作为优选，应变测量单元包括位移传感器、位移传感器横梁、第一减震弹簧和第二减震弹簧，位移传感器以可拆迁方式固定于位移传感器横梁上，位移传感器横梁水平穿过力传导机构，位移传感器横梁两端分别设第一减震弹簧和第二减震弹簧，第一减震弹簧和第二减震弹簧分别固定于一对支架上。

进一步的，温度控制单元包括加热模块、温度传感器和温度控制器，加热模块和温度传感器置于试验槽内，加热模块和温度传感器均连接温度控制器。

进一步的，数据采集单元为多通道采集卡。

进一步的，数据处理单元包括sawyer-tower电路，其用来根据电场数据计算试样的极化强度。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明可在不同温度条件下，单独加载力场、电场或同时加载力场、电场，快速同步测量试样在不同预应力下的电滞回线(p-e)、蝴蝶曲线(s-e)等能反映响应行为的数据，测量结果可用于研究铁电材料在力、电、热耦合条件下的响应行为，对于理解铁电材料的机理、优化铁电材料性能具有极其重要的意义。

附图说明

图1为本发明系统未涉及信号传输部分的具体结构示意图；

图2为本发明系统的具体结构示意图；

图3为实施例中室温条件下试样的电滞回线图；

图4为实施例中室温条件下试样的蝴蝶回线图；

图5为实施例中80℃温度条件下试样的电滞回线图；

图6为实施例中80℃温度条件下试样的蝴蝶回线图。

图中，1-试验槽，2-试样，301-作动器，302-力传导机构，3021-限位框架，3022-力传导调节件，3023-力传导主体，3024-穹顶，3025-橡胶垫圈，3026-角度调节件，303-力控制器，304a-上限位器，304b-下限位器，401-上电极，402-下电极，403-高压功率放大器，404-信号发生器，405-静电计，406a-上绝缘层，406b-下绝缘层，407-电容，501-力传感器，601-位移传感器，602-位移传感器横梁，603a-第一减震弹簧，603b-第二减震弹簧，701-加热模块，702-温度传感器，703-温度控制器，801-多通道采集卡，901-底座，902a-外支架，902b-内支架，10-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明系统包括试验槽1、力加载单元、电场加载单元、应力测量单元、应变测量单元、温度控制单元、数据采集单元和数据处理单元。试验槽1内盛有不导电的流动型热传导介质，试验槽1用来放置试样2，不导电的流动型热传导介质用来给试样2提供良好的导热和绝缘环境。所述的不导电的流动型热传导介质优选为硅油，硅油具有良好的导热性、绝缘性和流动性。力加载单元用来对试样2加载可控的力场。电场加载单元用来对试样2加载可控的电场。应力测量单元用来测量试样2产生的应力数据。应变测量单元用于测量试样2产生的应变数据。温度控制单元用来调控试样2所处环境的温度，即调控试验槽1内不导电的流动型热传导介质的温度。数据采集单元，与电场加载单元、应力测量单元、应变测量单元和温度控制单元均相连，用来采集试样的电场数据、应力数据、应变数据和电场所处环境的温度数据。数据处理单元，用来对数据采集单元采集的数据进行处理，获得试样的响应行为。

见图1～2，本具体实施方式中，试验槽1置于底座901上，底座901上竖直设有一对外支架902a和一对内支架902b，一对外支架902a设于一对内支架902b外。力加载单元包括作动器301、力传导机构302和力控制器303，作动器301设于一对内支架902b间，且可沿一对内支架902b上下自由移动。作动器301的加载力通过力传导机构302施加于试样2上，力控制器303用来控制作动器301的加载速率和加载力的大小。由于作动器301可上下自由移动，为避免移动距离过大对位移传感器601造成物理损坏，采用在一对内支架902b内设置上限位器304a和下限位器304b，来限制作动器301的移动范围。

更具体的，力传导机构302包括一限位框架3021、一力传导调节件3022和一力传导主体3023，力传导调节件3022置于限位框架3021内，力传导主体3023连接于力传导调节件3022下方，力传导调节件3022用来调整力传导主体3023的角度。本具体实施中，力传导主体3023呈圆筒状。

为保证加载力均匀地加载至试样上，降低试样物理损坏的风险，特提供一种优选方案，即：力传导调节件3022顶部设穹顶3024，力传导调节件3022底部和限位框架3021的接触处设橡胶垫圈3025，位于限位框架3021两侧的角度调节件3026穿过限位框架3021，并与力传导调节件3022接触。更具体的，角度调节件3026采用螺钉。通过穹顶3024以及旋进或旋出限位框架3021两侧的角度调节件3026，可调节力传导主体3023的轻微偏移，以避免施力面倾斜所导致的作用力不均等问题。

本具体实施方式中，电场加载单元包括上电极401、下电极402、高压功率放大器403、信号发生器404和静电计405，试样2置于上电极401和下电极402之间，高压功率放大器403连接下电极402，静电计405连接上电极401。信号发生器404用于产生各种频率和幅值的波形电信号，高压功率放大器403用于将波形电信号放大到所需高压，并加载于试样2上，实现试样2外电场的加载。对试样2加载电场时，上电极401、下电极402以及试样2应完全浸没于不导电的流动型热传导介质中，避免高压直接暴露空气中，防止电弧放电。

上电极401设于力传导主体3023底部，上电极401和力传导主体3023底部之间设有上绝缘层406a；下电极402固定于试验槽1底部，同样的，下电极402和试验槽1底部间设有下绝缘层406b。上电极401和下电极402均带线缆接口，静电计405通过线缆接口连接上电极401，高压功率放大器403通过线缆接口连接下电极402。为实现准确测量并避免试样的物理损坏，上电极401和下电极402应具有良好的导电性、极高的硬度和平整度。

本具体实施方式中，应力测量单元采用力传感器501，其设于力加载单元中作动器301和力传导机构302之间，用于测量作用于试样2上的加载力数据以及试样2产生的应力数据。

本具体实施方式中，应变测量单元主要采用位移传感器601，用于测量试样2产生的应变数据。为消除外界环境的高频振动，提高测量精度，提供一种优选方案，即：位移传感器601以可拆迁方式固定于位移传感器横梁602上，位移传感器横梁602位于上电极401上方，且穿过力传导主体3023，更具体的，位移传感器601位于力传导主体3023内；位移传感器横梁602两端分别设第一减震弹簧603a和第二减震弹簧603b，第一减震弹簧603a和第二减震弹簧603b分别固定于一对内支架902b上。具体的，位移传感器601采用cpl电容式位移传感器，其工作量程为500μm，分辨率可达25nm。

位移传感器横梁602高度可调，具体的，通过第一减震弹簧603a和第二减震弹簧603b内部的柱状螺丝实现高度可调；或通过高度可调的内支架902b实现位移传感器横梁402的高度可调。

本具体实施方式中，温度控制单元包括加热模块701、温度传感器702和温度控制器703，加热模块701和温度传感器702均连接温度控制器703。加热模块701和温度传感器702置于试验槽1内，加热模块701用来给试验槽1内不导电的流动型热传导介质加热，温度传感器702实时监测流动型热传导介质的温度数据并传输给温度控制器703，温度控制器703用来控制加热模块701，使流动型热传导介质达到所需温度并保持恒定。更具体的，加热模块701采用加热丝，分布于试验槽1槽内四周；温度控制器703采用pid控制器，其控制加热模块701，可使试验槽1内流动型热传导介质温度在室温至200℃范围内的任意温度保持恒定。在本系统开始测量前，应使试验槽1内温度保持恒定半小时，以确保测量过程中试验槽内部温度的稳定。

本具体实施方式中，数据采集单元为多通道采集卡801，多通道采集卡801采集高压功率放大器403、静电计405、力传感器501、位移传感器601、温度传感器702的信号。数据处理单元用来对数据采集单元采集的数据信号存储和处理，从而获得试样的响应行为。数据处理单元可以为计算机10，见图2，计算机10连接多通道采集卡801、信号发生器404和力控制器303，其可用来连接信号发生器404和力控制器303。

作为一种方案，数据处理单元还包括sawyer-tower电路，其用来对静电计405的信号进行处理，获得试样的极化强度，具体为：与试样串联电容407，通常，电容407的电容值cx比试样的电容值高三个数量级。利用静电计405测量电容407的两端电压v，本具体实施方式中所采用静电计405的电阻值大于10¹⁰欧姆；利用公式q＝cx×v计算试样两端电荷量q，根据试样两端电荷量q，利用公式p＝q/s计算试样的极化强度p，其中，s为试样的与电极的接触面积。

为保证测量结果的准确性和稳定性，本系统中所有电气单元必须共地。

实施例

测量力-电-热耦合条件下的pzt5电滞回线(p-e)与蝴蝶回线(s-e)

将规格为6mm*6mm*3mm的pzt5试样置于试验槽内的上电极和下电极之间，调整力传导机构使上电极与试样上表面的距离为1mm～2mm。

室温下，分别对试样加载大小为36n(1mpa)、900n(25mpa)、1800n(50mpa)、2700n(75mpa)、4500n(125mpa)、7200n(200mpa)的预应力，力加载速率为3.5mpa/s，每阶段力加载后保持300s。待作动器力值达到预应力后保持150s，调节信号发生器和高压功率放大器，使输出电压幅值为±6kv、频率为1hz的三角波脉冲电压，即在试样两端施加2kv/mm的双极性电场。数据采集单元采集电场数据、应力数据、应变数据和温度数据。每完成一个预应力条件，到达预设保持时间后，进入下一个预应力条件，再重复进行上述测量过程。

计算机对数据采集单元采集的数据进行处理，可得室温下试样的电滞回线和蝴蝶回线，见图3和图4。

调控硅油温度为80℃，稳定半小时后，重复上述操作，获得80℃温度条件下试样的电滞回线和蝴蝶回线，如图5和图6。

当然，本测试系统能进行的操作并不仅限于案例中所展示的测量力-电-热耦合条件下的电滞回线和蝴蝶回线，还可以测量材料的疲劳、蠕变等性能参数。另外，利用本测试系统搭配阻抗分析仪(例如hp4294)使用，还可以测量材料力-热耦合条件下的介电性能。

故特此说明：案例所述仅为本发明的实施方式之一，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的其他替换方法或若干改进润色，均应包含在本发明的保护范围之内。