CN104849138B - 一种测量薄膜压缩模量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量薄膜压缩模量的装置，包括金属架，连接在金属架上的手轮，与手轮连接，随手轮转动上下运动的力传递组件，与力传递组件连接的电极，与电极连接的LCR电桥。与现有技术相比，本发明可以更加便捷，简单的测量多孔薄膜厚度方向的压缩模量。在测量过程中通过对覆有电极的样品膜进行简单的操作，以及数据的记录，进行计算，便可以得到所需要的数值。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，尤其是涉及一种测量薄膜压缩模量的装置。
背景技术
某些以非极性聚合物为基体的多孔结构薄膜经过恰当的电极化处理后表现出强压电效应，这类材料被命名为压电驻极体(piezoelectrets)或铁电驻极体，是新型的人工智能材料。压电驻极体具有与空气非常接近的低声阻抗、超薄、超轻、柔韧、可大面积成膜、低成本等突出特点，因此在可穿戴设备、空气耦合超声波发射和接收、安防、以及微能源等领域有广阔的应用前景。
表征压电驻极体性能最重要的技术参数之一是材料的压电系数d33。压电驻极体材料的压电效应的强弱(即d33数值的大小)与材料的两个性能直接相关：(1)固相基材的储电能力；(2)薄膜厚度方向的压缩模量。图1是压电驻极体材料的层状理论模型。压电驻极体的压电系数d33可表示为：
其中s1为固体介质层2的整体厚度，s2为气隙层3的整体厚度，o’m为上下电极1上的电荷密度，ε为固体介质的相对介电常数，
由上式可以看出，压电系数d33与薄膜厚度方向的压缩模量Y3成反比关系。获得强压电效应薄膜的有效途径之一是降低薄膜的压缩模量Y3。因此，在压电驻极体薄膜制备和应用中，薄膜压缩模量的测量尤为重要。
由于压电驻极体薄膜的厚度通常在几十微米至几百微米范围内，且在工作状态下的形变量一般<5％，所以这种薄膜厚度方向的压缩模量很难用传统的测试设备来测量。目前常用的一种方法是利用薄膜的压电效应，通过测试样品膜的介电谐振谱来获得薄膜压缩模量的信息。但是受压电驻极体膜的高损耗特性限制，这种方法只在样品膜具有非常强的压电活性的条件下才能获得准确的数据。此外，由于介电谐振谱方法利用样品膜的压电效应，多孔结构薄膜必须在电极化处理之后才可采用这种方法，所以该方法不适用于薄膜电极化之前的压缩模量测量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、操作便捷的测量多孔薄膜厚度方向压缩模量的装置。用该装置可以测量多孔薄膜(包括压电驻极体薄膜)厚度方向的压缩模量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种测量薄膜压缩模量的装置，包括
金属架，
连接在金属架上的手轮，
与手轮连接，随手轮转动上下运动的力传递组件，
与力传递组件连接的电极，
与电极连接的LCR电桥。
所述的力传递组件为底座及推拉力计构成的组件，所述的推拉力计的下端与底座平行，推拉力计的下端与底座的上表面分别连接有电极。
所述的力传递组件为平行板及压力传感器构成的组件，所述的压力传感器的上端与平行板平行，压力传感器的上端与平行板的下表面分别连接有电极。
两片电极分别覆设在待检测的样品膜的上下表面，上下电极表面平整，且具有良好的导电性。
所述的电极采用无机或有机导体材料。
所述的导体材料为铝、银、铜、金、石墨、石墨烯、导电布或导电纤维。
下面以底座及推拉力计作为力传递组件说明本装置的使用情况：
将推拉力计与手轮相连，覆有电极的样品膜与LCR电桥相连接，并将样品膜放在推拉力计与底座之间。
通过手轮的转动上下调节推拉力计的高度，记录下样品膜与推拉力计7接触的有效面积s。
将推拉力计移动到合适位置，置零，记录下此时LCR电桥的电容值C0，调节手轮，使推拉力计与样品膜接触并产生一定的压力，记录下压力值F，同时记录下LCR电桥此时显示的电容值C1。
多孔膜压缩模量的计算公式：
与现有技术相比，本发明可以更加便捷，简单的测量多孔薄膜厚度方向的压缩模量。在测量过程中通过对覆有电极的样品膜进行简单的操作，以及数据的记录，进行计算，便可以得到所需要的数值。
附图说明
图1为压电驻极体材料的层状理论模型；
图2为实施例1中本发明的结构示意图；
图3为实施例2中本发明的结构示意图。
图中，1-电极，2-固体层，3-空气层，4-金属架，5-底座，6-手轮，7-推拉力计，8-样品膜，9-LCR电桥，10-压力传感器，11-平行板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种测量薄膜压缩模量的装置，其结构如图2所示，包括金属架4，连接在金属架4上的手轮6，与手轮6连接，随手轮6转动上下运动的力传递组件，本实施例中力传递组件为底座5及推拉力计7构成的组件，推拉力计7的下端与底座5平行，推拉力计7的下端与底座5的上表面分别连接有电极，两片电极分别覆设在待检测的样品膜8的上下表面，上下电极表面平整，且具有良好的导电性，采用无机或有机导体材料，例如可以是铝、银、铜、金、石墨、石墨烯、导电布或导电纤维，在本实施例中，采用的是银电极。
本装置在使用时，
1、首先将多孔聚合物的样品膜8的正反两面覆上电极，得到面积为12cm2，厚度为287μm的样品。
2、将得到的样品膜8放在推拉力计7与金属架底座5之间，并且与LCR电桥9相连，将推拉力计7置零，得到初始电容值(C0)为163pF，旋转手轮6，使推拉力计7向下压，当压力值为102N时，记录此时的样品的电容值(C1)为195pF。
3、此时，通过公式就可以计算出所测试样品的杨氏模量值为2.3MPa。
实施例2
一种测量薄膜压缩模量的装置，其结构与实施例1相同，更改待测样品膜8，两片电极分别覆设在待检测样品膜8的上下表面，上下电极表面平整，且具有良好的导电性，采用无机或有机导体材料，例如可以是铝、银、铜、金、石墨、石墨烯、导电布或导电纤维，在本实施例中，采用的是导电纤维电极。
本装置在使用时，
1、首先将多孔聚合物的样品膜8的正反两面覆上电极，得到面积为12cm2，厚度为2.085mm的样品。
2、将得到的样品放在推拉力计7与金属架底座5之间，并且与LCR电桥相连，将推拉力计置零，得到初始电容值(C0)为30.6pF，旋转手轮，使推拉力计向下压，当压力值为25N时，记录此时的样品的电容值(C1)为31pF。
3、此时，通过公式就可以计算出所测试样品的杨氏模量值为9.7MPa。
Claims (3)
1.一种测量薄膜压缩模量的装置，其特征在于，该装置包括
金属架，
连接在金属架上的手轮，
与手轮连接，随手轮转动上下运动的力传递组件，
与力传递组件连接的电极，
与电极连接的LCR电桥；
所述的力传递组件为底座及推拉力计构成的组件，所述的推拉力计的下端与底座平行，推拉力计的下端与底座的上表面分别连接有电极；
或者，所述的力传递组件为平行板及压力传感器构成的组件，所述的压力传感器的上端与平行板平行，压力传感器的上端与平行板的下表面分别连接有电极；两片电极分别覆设在待检测的样品膜的上下表面，上下电极表面平整，具有良好的导电性。
2.根据权利要求1所述的一种测量薄膜压缩模量的装置，其特征在于，所述的电极采用无机或有机导体材料。
3.根据权利要求2所述的一种测量薄膜压缩模量的装置，其特征在于，所述的导体材料为铝、银、铜、金、石墨、石墨烯、导电布或导电纤维。
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