CN108896840A - 一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置及方法 - Google Patents

一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置及方法,涉及压电陶瓷高温测试领域。包括:新增隔热加长柱,即加长样品下端夹持柱,该加长柱由金属和陶瓷复合连接而成,用以降低由于纯金属柱高热导率而引起的温度对下端基准样引起的性能劣化。新增致冷系统:通过输入低温氮气,降低致冷腔温度;用液氮控制系统控制低温氮气的温度及流量,以保证致冷腔中样品夹持柱底端的温度在安全范围内,进而保护基准样的最佳工作温度。新增加热系统:用热风机提供加热源;用热电偶监测样品区实际温度。采用本发明可以实现原位测量不同温度下压电材料的压电应变系数,数据准确可靠,操作方便,对高温压电材料的研究和应用具有重大意义。

Description

一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置及方法
技术领域
本发明属于压电陶瓷材料高温测试领域,具体涉及一种对常温准静态压电应变常数测试装置的改进,最终实现原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置及方法。
背景技术
压电材料是新型功能材料中重要的一类,能够实现机械能—电能相互转换,在航空航天、工业制造、电子信息等领域有着广泛的应用。近年来,我国在航空航天、能源开发、工业制造及检测等领域飞速发展,对高温压电材料的需求越来越大,对压电材料高温参数检测技术也提出了更高的需求。
压电应变常数(d33)是反映压电材料压电性能的直接参数。目前,国内外对d33的测量方法主要有动态法和准静态法。准静态法测定d33,操作简单,可靠性高,对试样大小及形状无特殊要求,因此得到了最为广泛的使用。但由于准静态测试采用了基准试样标定的方法,所以对基准样性能的稳定性有很高要求。目前,商业化准静态压电测试仪中采用的基准样是一个经过老化的,性能稳定的PZT压电陶瓷振子。但由于PZT材料本身存在的高温退极化问题,实际使用温度被限制在200℃以下,而以其为基准样的准静态压电测试装置的工作温度主要在室温附近。温度过高就会出现基准样性能的劣化,甚至退极化,影响仪器的正常使用。所以,目前市场上尚未有技术成熟、可操作性高的高温压电应变常数的测试仪器。
在实际研究中,为了评价压电材料的高温压电性能,人们普遍采用的是热冲击法,即将测试样品在炉腔中加热到不同温度,保温一定时间,然后冷却到室温,再测定其压电应变常数。此种方法虽然能间接反映材料压电性能的温度稳定性,但并不能真实原位评价材料在高温环境中存在的复杂的老化、缺陷、相变等问题引起的压电性能的变化。因此,提供一种数据可靠、操作简单的高温压电应变常数的原位实时测试仪器是该领域技术人员亟需解决的技术问题。
此前有研究者将常温准静态压电测试仪进行改装,在样品测量区添加高温炉,通过控温器实现测量温度的控制。但由于高温炉产生的温度场宽,发热面积大,虽然添加了耐高温高聚物或Si3N4阻热层,对下端基准样的温度冲击仍然比较大,其实际测量温度仍无法超过350℃(J Electroceram.2009:24:294-299;J.Mater.Chem.C.2018;6:1433-1444)。温度一旦过高,会引起下端基准样性能的迅速劣化,因此无法实现更高居里温度(Tc>400℃)压电材料的压电应变常数d33的测量。
本专利中,以商用准静态d33测量仪为基础,新增了隔热加长柱、致冷系统及热风加热系统,在现有技术条件下,提供了一种原位实时测量高温压电应变系数的测量装置及方法,其实际测量温度可达500℃以上。
发明内容
本发明旨在填补当前无法实现原位实时测量高温压电应变常数d33的技术空白,对现有常温准静态d33测量仪进行改进,提供了一种能够实现准确、方便地,原位实时测量高温压电应变系数的装置及方法。
为达到上述目的,对现有常规准静态d33测量仪加以改进,本发明提供以下技术方案:
一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置,在常规准静态d33测量仪的基础上,增加一个隔热加长柱、一个加热腔和致冷腔。准静态d33测量仪(1)包括:基准样(2)、样品接触上探头(3a)、样品接触下探头(3b)。基准样(2)通过连接柱(4)与下探头(3b)相连,样品接触上探头(3a)与样品接触下探头(3b)相对,中间夹持待测样品(5),样品接触下探头(3b)、连接柱(4)和基准样(2)在待测样品的一侧,样品接触上探头(3a)在待测样品的另一侧。其特征在于,在样品接触下探头(3b)与连接柱(4)之间增加一隔热加长柱进行固定连接,隔热加长柱与连接柱(4)同轴固定连接,隔热加长柱的轴长方向两端为无氧铜柱(6),两铜柱之间为氧化铝陶瓷柱(7),两端铜柱(6)通过一银电极(8)固定连接;同时增加的一个加热腔(9),加热腔(9)利用铁架台(10)进行固定,使得待测样品(5)、样品接触上探头(3a)、样品接触下探头(3b)位于加热腔(9)内。热风机(11)用于对加热腔加热,加热腔(9)内待测样品(5)附近设有热电偶(12)用于准确采集样品温度;同时增加的一个致冷腔(13),隔热加长柱的底部位于致冷腔(13)内,致冷腔(13)设有低温氮气输入口(14)用于通入低温氮气进行降温。
采用上述装置进行原位实时测量压电材料高温压电应变常数的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)加热腔用铁架台固定;
2)用热风机提供加热源;
3)保证热电偶测试触头在加热腔待测样品附近,以监测待测样品测试区实际温度;
4)致冷腔通低温氮气;用液氮控制系统控制输入氮气温度及流量,以保证下部夹持柱的工作温度。
5)按照准静态d33测量仪的测量方式进行待测样品的检测。
较佳地,设定热源至规定温度,控制加热腔温度,保温10min,再读取数d33值,以保证待测样品受热均匀。
较佳地,控制致冷腔环境温度在0~20℃,连接柱温度在室温左右,以保证基准样的温度在室温左右,进而保证测量数据的精确。
与现有技术相比较,本发明具有以下优点:
采用本发明所述装置及方法,在保留了原准静态测试装置数据可靠、操作方便的基础上:(1)通过隔热加长柱和致冷系统,双重保障准静态测试仪中基准样的温度在室温左右,以确保仪器测量的准确性。(2)用热风机加热的方式局部加热,可操作性高,实现能源的高效利用,且目前市场上普通热风机能够达到650℃,能够满足一般高温压电材料的使用需求。因此,本发明测量数据准确,操作简单,易实现推广,可实现原位实时测试高温压电应变常数的目的,对于推进高温压电材料的研究和发展具有重大意义。
附图说明
图1为本发明实施形态的原位实时测量高温压电应变常数装置的结构示意图。
图中:1、准静态d33测量仪;2、基准样;3a、样品接触上探头;3b、样品接触下探头;4、连接柱;5、待测样品;6、无氧铜柱;7、氧化铝陶瓷柱;8、银导线电极;9、加热腔;10、铁架台;11、热风机;12、热电偶;13、致冷腔;14、低温氮气输入口。
图2为采用本发明装置及方法测试得到的不同温度下BSPT压电陶瓷的d33值。
图3为采用本发明装置及方法测试得到的不同温度下PZN-PZT压电陶瓷的d33值。
图4为采用本发明装置及方法测试得到的不同温度下BCZT压电陶瓷的d33值。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明,应理解,附图及下述实施方式只是出于示例性说明的目的,而非用于限定本发明。
本发明旨在对现有设备进行改进,提供一种可实现原位实时测量高温压电应变常数的装置及方法,对于高温压电材料的研究和实际应用具有重大意义。
本发明对现有设备进行改进,包括:(1)增加隔热加长柱。加长样品下端夹持柱,具体:采用两端无氧铜,中间氧化铝陶瓷的封装结构,并引银电极以传输电信号。(2)增加致冷系统:用通低温氮气的方式降低致冷腔温度;用液氮控制系统控制低温氮气的温度及流量,以保证致冷腔中夹持柱底端的温度在安全范围内,进而保护基准样的最佳工作温度;(3)增加加热系统:用热风机提供加热源;用铁架台固定加热腔;用热电偶监测样品区实际温度。
以下,结合附图详细说明本发明。图1为本发明实施形态的原位实时测量高温压电应变常数装置的结构示意图。
如图1所示,本实施形态中,以商用准静态d33测量仪1为设备基础,改装成原位实时测量高温压电应变常数的装置,包括:隔热加长柱。由两端无氧铜6,中间氧化铝陶瓷7,封装而成。并引银导线电极8以传输电信号。本实施形态中,以商用准静态d33测量仪为基础测量仪器,但本发明不限于此。
另,该原位实时测量高温压电应变常数的装置,包含致冷系统。通过液氮控制系统,控制低温氮气输入端14的温度为0℃,持续10min,使致冷腔13温度约为0℃。此时,由于铜柱传导、气流传导等作用,使样品的温度约为0℃。本实施形态中,可通过控制输入氮气的温度来控制测量装置各测试腔体的温度约0℃,但本发明不限于此数值。
另,该原位实时测量高温压电应变常数的装置,包含加热系统。利用铁架台10固定加热腔9,利用热风机11提供加热源。通过设定热风机11的温度,将加热腔9中待测试样品5加热到一定温度,并保持10min。被测样品的实际温度由热电偶12读取。本实施形态中,热风机及热电偶选自符合国家标准的商用热风机,但本发明不限于此。
采用本发明原位实时测量高温压电应变常数的装置及方法,实现了高温压电应变常数的原位实时测量,数据准确、操作方便,对高温压电材料的研究及应用起到了重要的推进作用。
在不脱离本发明基本特征的宗旨下,本发明可体现为多种形式。因此,本发明中的实施形态只是用于说明,并非限定于示例的具体数值。
实施例1
1、装载0.36BiScO3–0.64PbTiO3(简写为BSPT)压电陶瓷片,准备测试。
2、通过液氮控制系统,控制低温氮气输入端14的温度为0℃,持续10min,使致冷腔13温度约为0℃。对d33数值进行测量。
3、通过设定热风机11的温度,将加热腔9中待测试样品5加热到设定温度,并保持10min,对d33数值进行测量。被测样品的实际温度由热电偶12读取。
实施例2
1、装载0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr1/2Ti1/2)O3(简写为PZN-PZT)压电陶瓷片,准备测试。
2、通过液氮控制系统,控制低温氮气输入端14的温度为0℃,持续10min,使致冷腔13温度约为0℃。对d33数值进行测量。
3、通过设定热风机11的温度,将加热腔9中待测试样品5加热到设定温度,并保持10min,对d33数值进行测量。被测样品的实际温度由热电偶12读取。
实施例3
1、装载Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3(简写为BCZT)压电陶瓷片,准备测试。
2、通过液氮控制系统,控制低温氮气输入端14的温度为0℃,持续10min,使致冷腔13温度约为0℃。对d33数值进行测量。
3、通过设定热风机11的温度,将加热腔9中待测试样品5加热到设定温度,并保持10min,对d33数值进行测量。被测样品的实际温度由热电偶12读取。

Claims (6)

1.一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置,在准静态d33测量仪的基础上增加一个隔热加长柱、一个加热腔和致冷腔。其特征在于,在准静态d33测量仪样品接触下探头(3b)与连接柱(4)之间增加一隔热加长柱进行固定连接,隔热加长柱与连接柱(4)同轴固定连接,隔热加长柱的轴长方向两端为无氧铜柱(6),两铜柱之间为氧化铝陶瓷柱(7),两端铜柱(6)通过一银电极(8)固定连接;同时增加的一个加热腔(9),加热腔(9)利用铁架台(10)进行固定,使得待测样品(5)、样品接触上探头(3a)、样品接触下探头(3b)位于加热腔(9)内。热风机(11)用于对加热腔加热,加热腔(9)内待测样品(5)附近设有热电偶(12)用于准确采集样品温度;同时增加的一个致冷腔(13),隔热加长柱的底部位于致冷腔(13)内,致冷腔(13)设有低温氮气输入口(14)用于通入低温氮气进行降温。
2.按照权利要求1所述的一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置,其特征在于,有一部分长度的隔热加长柱位于致冷腔(13)内。
3.按照权利要求1所述的一种原位实时测量压电材料高温压电应变常数的装置,其特征在于,与样品接触下探头(3b)固定连接的隔热加长柱,有一部分长度位于加热腔(9)内,一部分位于加热腔(9)外。
4.采用权利要求1-3任一项所述的装置进行原位实时测量压电材料高温压电应变常数的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)加热腔用铁架台固定;
2)用热风机提供加热源;
3)保证热电偶测试触头在加热腔待测样品附近,以监测待测样品测试区实际温度;
4)致冷腔通低温氮气;用氮气控制系统控制输入氮气温度及流量,以保证下部夹持柱的工作温度。
5)按照准静态d33测量仪的测量方式进行待测样品的检测。
5.按照权利要求4所述的方法,其特征在于,设定热源至规定温度,控制加热腔温度,保温10min,再读取数d33值,以保证待测样品受热均匀。
6.按照权利要求4所述的方法,其特征在于,控制致冷腔环境温度在0~20℃,连接柱温度在室温,以保证基准样的温度在室温,进而保证测量数据的精确。
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