[发明专利]电磁智能材料力电磁耦合行为的鼓泡实验装置及测试方法

权利要求书

1.一种鼓泡实验装置，其特征在于，所述装置包括：计算机（1）、驱动系统（2）、微型油压泵（11）、油压鼓泡装置（3）、油管（16）、薄膜样品（5）、光学测试系统、数据采集处理器（7）、油压传感器（10）、电场加载及电学量测试系统、磁场加载及标定系统、以及磁学量测试系统；其中，计算机（1）连接至驱动系统（2），驱动系统（2）连接至微型油压泵（11），通过油管（16）连接至油压鼓泡装置（3），油压鼓泡装置（3）上放置薄膜样品（5）；在薄膜样品（5）上连接电场加载及电学量测试系统，薄膜样品（5）周围加装磁场加载及标定系统，在薄膜样品（5）的上方设置光学测试系统和磁学量测试系统，并连接至计算机（1）；油压传感器（10）内置在油压鼓泡装置（3）中，并通过数据采集处理器（7）连接至计算机（1）；进一步：

所述驱动系统（2）采用伺服电机以及控制器；

所述电场加载及电学量测试系统是索亚—托尔S-T电路（8）；

所述磁场加载系统包括螺线管（9）、以及与螺线管（9）串联的励磁电源（28）和电流表（27）；

所述磁学量测试系统包括放置在薄膜样品（5）上的发射光路（12）和接收光路（15），以及与接收光路（15）依次相连接的前置放大器（32）和信号检测主机（33）；

光学测试系统包括放置在薄膜样品（5）上的CCD相机（13）、激光器和在激光器与薄膜样品之间的投影散斑片（14）；以及与CCD相机相连接的高性能图形处理工作站（34）。

2.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，油压加载速率范围是10Pa/s~200Pa/s。

3.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，油压加载方式包括正弦波方式加载、三角波方式加载和矩形波方式加载等。

4.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，所述测试电路（8）采用索亚—托尔电路施加直流电源或者交流电源。

5.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，所述薄膜样品（5）的薄膜窗口尺寸的半径是在0.5mm~2mm范围内。

6.一种权利要求1所述的鼓泡实验装置的测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）确定磁场加载及标定系统磁场大小及分布：根据实验测试需要，对螺线管通以指定大小的恒定电流，采用特斯拉计和霍尔探头，定点标定和测量沿螺线管的轴线方向的磁场大小及分布，尤其是在后面测试中薄膜样品所处位置的磁场大小，同时通过电磁场理论获得的螺线管的磁场分布解析解，理论上计算出特定尺寸和匝数的螺线管在特定的电流下磁场分布情况，以便对比验证试验上述实验标定结果；

2）制备薄膜样品及焊接微小电极：根据鼓泡仪薄膜样品台加载装置的尺寸，设计和加工合适的基底的大小，在其表面边缘处焊接一根细小的电极，以备给电磁智能薄膜样品施加电场；然后再按照正常薄膜制备工艺，其表面制备待测的电磁智能薄膜样品；然后在薄膜表面再焊接一根细小的电极材料，便于加载电场，最后采用特殊工艺仅在基底的下表面中心处形成一个指定大小的圆孔，以便让油压鼓泡装置内液压油进入，直接作用在被测的薄膜样品下表面，使之发生不同程度的鼓泡变形；

3）装载液压油和薄膜样品：启动计算机和驱动系统，把微型油压泵里面的液压油驱使到油压鼓泡装置的油腔里面，并缓慢把液压油调整到与油腔顶部喷油口平齐，然后把上述加工好的薄膜样品以基底朝下的方式迅速盖住油腔的喷油口，然后在薄膜样品的薄膜表面上面再加载一个绝缘的硅片，其直径尺寸与基底的尺寸一样，以消除在薄膜样品紧固过程中由于钢制紧固盖旋转产生的剪切应力，避免损坏被测的薄膜样品，最后盖上钢制紧固盖，把薄膜样品固定好；

4）连接电场加载和电学量测试系统：当薄膜样品加载好之后，把薄膜样品的上下表面的两根电极连接到索亚—托尔电路中，通过调节索亚—托尔电路中电压的大小，对被测的薄膜施加不同大小的电场，同时测试索亚—托尔电路中标准电容C₀两端的电压U₁，就可以得到试件两端的电量，电量与试件表面电极的面积之比即是电位移；

5）启动并调节光学测试系统：启动光学测试系统中产生散斑的激光器，使得激光束经过一个散斑片，最后在被测的薄膜样品的区域表面上投射散斑，再启动两台CCD相机和高性能图形处理工作站，调节好测试角度，在薄膜样品放入到步骤1）中标定的被测位置之前，在这个位置处放置标定板，完成必要的标定和调节，然后等待被测的薄膜样品放入到指定的位置；

6）连接磁场加载系统：通过三维移动装置，把装载好薄膜样品的油压鼓泡实验装置缓慢地移入到螺线管中，通过精细调节竖直方向的距离，把薄膜样品调整到步骤1）中标定好的磁场位置，在实验测试时，启动螺线管的励磁电源，控制电流大小，便可以实现对被测的薄膜样品施加不同大小的磁场；

7）启动并调节磁学量测试系统：启动磁学量测试系统中光路发射部分内的激光器，使得激光束分别依次经过设定好的起偏棱镜和光阑，再射到被测的薄膜样品的表面；其发射光线由该系统的接收光路接收，依次通过光阑、检偏棱镜、透镜、光电探测器、前置放大器和信号检测主机，最后传输至计算机，在特定的试验条件下，可以测试出薄膜样品在不同的磁场或力磁耦合作用下，薄膜表面区域内磁感应强度的变化，利用纵向磁光克尔效应，测试出正负克尔角，进而得到在力电磁耦合加载条件下被测的薄膜样品的磁滞回线；

8）设置油压加载方式并启动驱动系统：当把上述电场加载及电学量测试系统、磁场加载系统、磁学量测试系统和光学测试系统调整好之后，在计算机上设置指定的油压加载方式，然后通过计算机控制驱动系统，进而控制微型油压泵的工作进程，从而实现对油腔内油压按照预先设定的方式加载；

9）记录和保存实验数据：在驱动系统工作过程中，油腔内的油压缓慢增加，需要利用计算机记录好油压大小、电场和磁场实验数据，同时还需要实时采集被测电磁智能薄膜样品力学量、电学量和磁学量的实验数据；

10）根据被测电磁智能材料的特性和测试目的，可以分别开展在力电、力磁、电磁和力电磁耦合环境下的实验测试，重复上述步骤1）到步骤9），如果磁学量测试系统和光学测试系统因相互干扰而无法正常实现各自的测试功能，则需要制备一定数量的同类型样品，在同等实验条件下，分别完成磁学量测试和光学变形测试，最终获得这类功能性薄膜样品的力学、电学和磁学综合性能。