[发明专利]力‑电‑热耦合条件下铁电材料响应行为的测试系统

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。