CN104792664B - 测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，包括实验平台装置、材料电导率测试装置、输入输出装置、数据分析系统、混气装置、气氛预热装置和气体检测装置，在整个测试过程中，使设置于样品台上的待测实验材料样品在不同的实验腔气氛中进行切换，通过精密加工的密封部件通过在高温条件下的热膨胀来缩小滑动轴和腔室壁上轴孔之间间隙，使各腔室间实现密封，混气装置提供不同的氧分压测试气体，气氛预热装置控制气体温度，数据分析系统进行信号数据拟合计算，得出氧交换系数与氧扩散系数。本发明通过测试装置收集信号数据，从而准确和快速得到材料的氧交换系数与氧扩散系数性能数据，从而得到材料的性能数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料物理性能测试装置，特别是涉及一种材料氧传导性能测试装置，应用于材料物理性能分析测试技术领域。
背景技术
在材料体系氧传导过程研究过程中，通常用表面氧交换系数(k)与体扩散系数(D)用来表征氧流量变化来表征对应的两个重要的过程-表面吸附与体扩散。迄今为止，通常用两种测量方法来获得这两个参数。一种是同位素交换深度曲线法(IEDP)，用18O同位素在样品中的扩散曲线来拟合得到两个参数。另一种方法即电导率弛豫法(ECR)，在极短时间内改变样品周围环境的氧分压引起样品表面的氧空位浓度变化，造成样品表面与体内存在化学势差，这一化学势差将引起氧空位的迁移，同时改变样品的电导率。从迁移开始到平衡稳态这一扩散过程远大于分压切换时间，因此仪器将完整记录下氧扩散引起的电导率随时间变化曲线。在此数据基础上，将拟合得出表面氧交换系数(k)与体扩散系数(D)两个参数。
IEDP与ECR都是建立在菲克第二定律的基础上，且都需要致密结构样品因为多孔结构影响并不在其数据处理过程中。在ECR法中，样品的总电导率与氧的化学计量比相关。当氧分压变化率较低时，电导率与化学计量比之间的关系，如下所示，
（1）
σ(t)，σ(0)和σ(∞)分别对应t时刻电导率值，初始电导率值与平衡电导率值。而d(t), d(0)和d(∞)分别对应的是材料体内在真实时间，起始点和平衡点时的氧浓度值。
对扩散过程, Fick第一定律指出扩散通量与浓度梯度成正比, 其比例系数为扩散系数：
（2）
当时, 其边界条件为：
（3）
（4）
其中K为交换系数。设初始浓度，利用本征函数展开，可将方程的解可写为：
（5）
时间常数，变量满足方程
实际测量时得到的是浓度的平均值，所以需要求出整个区间上浓度的平均值。
（6）
本文研究的是三维空间扩散，见图1，同理可以上述方程可以推广到三维，设三维空间长、宽、高分别为2a、2b、2c，则
（7）
（8）
（9）
，， （10）
因此，在菲克第二定律的基础上对其进行修正后得到如下的公式：
;
(11)
其中：x, y, z分别是柱状材料的长、高、宽；t是时间参数。
现有的测定氧交换系数与氧扩散系数的分析测试装置成本高，数据精确度不够理想。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，通过测试装置收集信号数据，从而准确和快速得到材料的氧交换系数与氧扩散系数性能数据。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，主要包括实验平台装置、材料电导率测试装置、输入输出装置和数据分析系统，待测实验材料样品设置于实验平台装置上，材料电导率测试装置的测试端安装在实验平台装置上，材料电导率测试装置的测试端与待测实验材料样品直接接触，材料电导率测试装置将测试得到的待测实验材料样品的电导率信号输入数据分析系统，数据分析系统的数据I/O接口与输入输出装置连接，本发明测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置还包括混气装置、气氛预热装置和气体检测装置，实验平台装置由传动装置、实验腔和样品台组成，实验腔设置于气氛预热装置的炉腔内，实验腔由相互独立的第一氧分压腔室和第二氧分压腔室相邻组装而成，传动装置由传动源及传动构件构成，传动构件由滑动轴和滑动轨道组成直线进退传动机构，滑动轨道设置于实验腔中，滑动轴的前端作为样品台的安装载体，滑动轴的后端穿过气氛预热装置的炉腔外壁向外延伸，滑动轴的后端由传动源驱动，并使滑动轴的前端带动样品台在第一氧分压腔室和第二氧分压腔室之间进行移动切换，滑动轴通过密封部件分别与第一氧分压腔室和第二氧分压腔室分别实现动态密封，从而在整个测试过程中，使设置于样品台上的待测实验材料样品在不同的实验腔气氛中进行切换，混气装置通过提供不同的氧分压测试气体，分别向第一氧分压腔室和第二氧分压腔室内输送，同时控制进入气体流速保证气体进入与气体流出，气体交换之间存在动态平衡，气氛预热装置通过控制炉腔内温度来控制实验腔内的气体温度，各气体检测装置分别实时监测第一氧分压腔室和第二氧分压腔室内的气体的氧气分压值，并分别将检测到的数据信号向数据分析系统传输，数据分析系统进行信号数据拟合计算，得出氧交换系数与氧扩散系数。
作为本发明优选的技术方案，密封部件为套安装在滑动轴上的精密密封环，密封环与第一氧分压腔室和第二氧分压腔室的轴孔之间通过高温热膨胀实现紧密咬合，同时控制进入气体流速保证气体进入与气体流出，气体交换之间存在动态平衡，从而使两氧分压腔室形成动密封结构。
作为上述方案进一步优选的技术方案，传动源是提供水平传动的装置或能将其他运动方式转化为水平传动的装置，传动源采用气动式传动或电动式传动。
作为上述方案进一步优选的技术方案，实验腔、滑动轴、滑动轨道、密封部件及样品台由高温金属或陶瓷材料制备。
作为上述方案进一步优选的技术方案，气氛预热装置提供恒定温度，使其炉腔内的恒温区域长度大于实验腔的两腔室的长度，从而在样品台的滑动过程中，使实验腔的两腔室的之间的温度波动小于5℃。
作为上述方案进一步优选的技术方案，混气装置向第一氧分压腔室和第二氧分压腔室通入不同的气体，混气装置提供的各种气体的氧分压值在100%~10-30之间，保证实验腔的两腔室之间氧分压的数量级值差大于2。
作为上述方案进一步优选的技术方案，气体检测装置为氧分压监测装置，氧分压值采用直接获得或由氧含量与分压值计算获得，氧分压监测装置量程大于100%~10-30，监测精度不低于1%，气压监测范围为0.1~5MPa。
作为上述方案进一步优选的技术方案，气氛预热装置控制实验腔内的气体的温度与测试设定温度相差不超过10℃。
作为上述方案进一步优选的技术方案，控制样品台在第一氧分压腔室和第二氧分压腔室之间的切换时间小于5s。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明装置能准确测定材料的氧交换系数与氧扩散系数，从而方便、快速得到材料的性能数据；
2. 使用本发明测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置的测试分析成本低；
3. 使用本发明测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置分析测试方法简单，测试过程稳定，易于实现自动化。
附图说明
图1是导体材料中氧离子扩散示意图。
图2是本发明优选实施例测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置结构示意图。
图3是本发明优选实施例的测试所得数据及拟合结果曲线图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图2，一种测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，主要包括实验平台装置、材料电导率测试装置8、输入输出装置和数据分析系统，待测实验材料样品设置于实验平台装置上，材料电导率测试装置8的测试端安装在实验平台装置上，材料电导率测试装置8的测试端与待测实验材料样品直接接触，材料电导率测试装置8将测试得到的待测实验材料样品的电导率信号输入数据分析系统，数据分析系统的数据I/O接口与输入输出装置连接，本实施例测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置还包括混气装置5、气氛预热装置6和气体检测装置7，实验平台装置由传动装置、实验腔和样品台9组成，实验腔设置于气氛预热装置6的炉腔内，实验腔由相互独立的第一氧分压腔室1和第二氧分压腔室2相邻组装而成，传动装置由传动源3及传动构件构成，传动构件由滑动轴10和滑动轨道11组成直线进退传动机构，滑动轨道11设置于实验腔中，滑动轴10的前端作为样品台9的安装载体，滑动轴10的后端穿过气氛预热装置6的炉腔外壁向外延伸，滑动轴10的后端由传动源3驱动，并使滑动轴10的前端带动样品台9在第一氧分压腔室1和第二氧分压腔室2之间进行移动切换，滑动轴10通过密封部件4分别与第一氧分压腔室1和第二氧分压腔室2分别实现动态密封，从而在整个测试过程中，使设置于样品台9上的待测实验材料样品在不同的实验腔气氛中进行切换，混气装置5通过提供不同的氧分压测试气体，分别向第一氧分压腔室1和第二氧分压腔室2内输送，同时控制进入气体流速保证气体进入与气体流出，气体交换之间存在动态平衡，气氛预热装置6通过控制炉腔内温度来控制实验腔内的气体温度，各气体检测装置7分别实时监测第一氧分压腔室1和第二氧分压腔室2内的气体的氧气分压值，并分别将检测到的数据信号向数据分析系统传输，数据分析系统进行信号数据拟合计算，得出氧交换系数与氧扩散系数。
在本实施例中，参见图2，密封部件4为套安装在滑动轴10上的密封环，密封环与第一氧分压腔室1和第二氧分压腔室2的轴孔之间通过高温热膨胀实现紧密咬合，同时控制进入气体流速保证气体进入与气体流出，气体交换之间存在动态平衡，从而使两氧分压腔室形成动密封结构。
在本实施例中，参见图2，取混合气体分别为高纯氮气，空气。气氛预热装置6采用管式炉。以氧化锆探头作为气体检测装置7的。气体混合预热后，进入第一氧分压腔室1为空气，氧含量20%。进入第二氧分压腔室2为高纯氮气，氧含量10-5。实验腔室为高温镍基金属制备，样品台9为陶瓷部件。传动源为气压传动机。以华辰电化学工作站为材料电导率测试装置8。经运行测试，测得BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ的氧交换系数值为3.8×10-3cms-1，氧扩散系数值为2.04×10-4cm2 s-1。测试所得数据及拟合结果如图3所示。
在本实施例中，本发明的混气装置5主要混合气体以提供不同的氧分压测试气体；气氛预热装置6主要用以加热混合气体；保证输入气体温度与测试温度基本一致；气体检测装置7用以监测氧气分压值；材料电导率测试装置8用以检测输出电导率信号；实验平台包括各试验测试台架。滑动轨道11提供滑动轴10水平滑动轨道，并使样品台9在两个腔室之间迅速切换，切换时间小于5s。滑动轴10是样平台9的载体，带动样品台9水平滑动。通过密封部件4缩小滑动轴10和腔室壁上轴孔之间间隙，使各腔室间实现密封.同时，滑动轴10上安装密封环实现腔室之间的密封。本实施例实验平台的实验炉台部分仅提供恒定温度，保证其恒温区域长度大于两腔室长度，从而使得滑动过程中腔室温度波动小于5°C。在本实施例中，将样品置于样品台9后，在滑动轴10和密封环的共同作用达到密封后，进行分析测试，通过测试装置收集信号数据，将输出信号数据拟合计算得出氧交换系数与氧扩散系数，从而得到材料的性能数据。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，主要包括实验平台装置、材料电导率测试装置（8）、输入输出装置和数据分析系统，待测实验材料样品设置于所述实验平台装置上，所述材料电导率测试装置（8）的测试端安装在所述实验平台装置上，所述材料电导率测试装置（8）的测试端与待测实验材料样品直接接触，所述材料电导率测试装置（8）将测试得到的待测实验材料样品的电导率信号输入所述数据分析系统，所述数据分析系统的数据I/O接口与所述输入输出装置连接，其特征在于：还包括混气装置（5）、气氛预热装置（6）和气体检测装置（7），所述实验平台装置由传动装置、实验腔和样品台（9）组成，所述实验腔设置于所述气氛预热装置（6）的炉腔内，所述实验腔由相互独立的第一氧分压腔室（1）和第二氧分压腔室（2）相邻组装而成，所述传动装置由传动源（3）及传动构件构成，所述传动构件由滑动轴（10）和滑动轨道（11）组成直线进退传动机构，所述滑动轨道（11）设置于所述实验腔中，所述滑动轴（10）的前端作为所述样品台（9）的安装载体，所述滑动轴（10）的后端穿过所述气氛预热装置（6）的炉腔外壁向外延伸，所述滑动轴（10）的后端由传动源（3）驱动，并使所述滑动轴（10）的前端带动所述样品台（9）在所述第一氧分压腔室（1）和第二氧分压腔室（2）之间进行移动切换，所述滑动轴（10）通过密封部件（4）分别与第一氧分压腔室（1）和第二氧分压腔室（2）分别实现动态密封，从而在整个测试过程中，使设置于所述样品台（9）上的待测实验材料样品在不同的实验腔气氛中进行切换，所述混气装置（5）通过提供不同的氧分压测试气体，分别向所述第一氧分压腔室（1）和所述第二氧分压腔室（2）内输送，同时控制进入气体流速保证气体进入与气体流出，气体交换之间存在动态平衡，所述气氛预热装置（6）通过控制炉腔内温度来控制所述实验腔内的气体温度，各所述气体检测装置（7）分别实时监测所述第一氧分压腔室（1）和所述第二氧分压腔室（2）内的气体的氧气分压值，并分别将检测到的数据信号向所述数据分析系统传输，所述数据分析系统进行信号数据拟合计算，得出氧交换系数与氧扩散系数。
2.根据权利要求1所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述密封部件（4）为套安装在滑动轴（10）上的密封环，所述密封环与所述第一氧分压腔室（1）和所述第二氧分压腔室（2）的轴孔之间通过高温热膨胀实现紧密咬合，同时控制进入气体流速保证气体进入与气体流出，气体交换之间存在动态平衡，从而使两氧分压腔室形成动密封结构。
3.根据权利要求1或2所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述传动源（3）是提供水平传动的装置或能将其他运动方式转化为水平传动的装置，所述传动源（3）采用气动式传动或电动式传动。
4.根据权利要求1所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述实验腔、所述滑动轴（10）、所述滑动轨道（11）、所述密封部件（4）及所述样品台（9）由高温金属或陶瓷材料制备。
5.根据权利要求1或2所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述气氛预热装置（6）提供恒定温度，使其炉腔内的恒温区域长度大于所述实验腔的两腔室的长度，从而在所述样品台（9）的滑动过程中，使所述实验腔的两腔室的之间的温度波动小于5℃。
6.根据权利要求1或2所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述混气装置（5）向所述第一氧分压腔室（1）和所述第二氧分压腔室（2）通入不同的气体，所述混气装置（5）提供的各种气体的氧分压值在100%~10-30之间，保证所述实验腔的两腔室之间氧分压的数量级值差大于2。
7.根据权利要求1或2所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述气体检测装置（7）为氧分压监测装置，氧分压值采用直接获得或由氧含量与分压值计算获得，所述氧分压监测装置量程大于100%~10-30，监测精度不低于1%，气压监测范围为0.1~5MPa。
8.根据权利要求1或2所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：所述气氛预热装置（6）控制所述实验腔内的气体的温度与测试设定温度相差不超过10℃。
9.根据权利要求1或2所述测定氧交换系数与氧扩散系数的滑动式装置，其特征在于：控制所述样品台（9）在所述第一氧分压腔室（1）和所述第二氧分压腔室（2）之间的切换时间小于5s。
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