CN111855736B - 一种电卡性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电卡性能测试系统，包括放置待测试样的控温封闭箱体、与待测试样相连接的测温单元及高压调节单元，以及与控温封闭箱体相连通的真空单元；其中高压调节单元与待测试样之间还设有热绝缘样品夹具。与现有技术相比，本发明通过热绝缘样品夹具使待测试样悬空设置于真空环境内，以提供近似绝热的测试环境，极大程度地减少热交换过程，为数据采集分系统灵敏准确采集电卡样品温度变化提供较为理想的极少热交换环境，使得测试结果更加准确，是一台低成本、可变温、操作方便、测试信号稳定的测试系统，有利于推动电卡制冷材料的研究应用进程。

Description

一种电卡性能测试系统

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及一种电卡性能测试系统。

背景技术

传统气体压缩制冷方法使用有机气体作为制冷剂，放出的温室气体会直接造成臭氧层的严重破坏，当今世界能源问题日益突出，环境保护日益受到重视，发展新的经济环保制冷方式以取代传统气体压缩技术成为一项重要的研究课题。现在有发展潜力的制冷方式有电卡制冷、磁卡制冷、热电冷却器等，其中磁卡制冷和热电冷却器笨重低效，电卡制冷材料更为高效灵活。利用电卡效应制成的新型固态制冷器具有环保、高效、节能、易于小型化和稳定工作等优点，在芯片制冷、传感器、锂离子电池和电子器件的温度控制以及医学样本保存等领域具有广泛的应用前景，电卡效应制冷成为新型制冷设备开发的一个重要发展方向，也成为当前凝聚态材料研究的热点。中国专利CN108192247A公开了一种铁电聚合物电卡材料及其制备方法，中国专利CN105753471B公开了一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法，中国专利CN106495688A公开了一种兼具场致增强热释电性能和宽温区电卡效应新型陶瓷材料及其制备方法，中国专利CN104538539B公开了一种电卡效应致冷复合厚膜材料等等。越来越多的电卡材料和制备技术被发现，对相应的电卡性能测试技术的要求越来越高。

电卡效应测试方法分为两种：直接法和间接法。间接法利用麦克斯韦方程组间接计算温变和熵值。这种方法有其内在的局限性，在动态的电场作用下测量电卡效应时，极化弛豫时间将对

有贡献，在多畴材料的体系中，外加电场会将多余的熵转化为其他形式的能量，对于薄膜来说，基底会对薄膜产生夹持力，并且畴的变化状态会受到界面应力的限制，这些因素都可能导致与真实温变值的误差，所以越来越多的研究者选择用直接法测试电卡的温变，一台精确、稳定、方便的电卡测试系统在电卡制冷材料研究中必不可少。中国专利CN110108770A公开了一种基于空间热成像技术的高通量电卡测试系统，该系统主要基于红外热像仪完成测温，中国专利CN106404830A公开了一种通过温度传感器采集待测材料与测量腔室内环境换热的热量进而得出电卡性能的电卡测量装置，中国专利CN106324026A公开了一种通过温度传感器直接测试样品热通量得到电卡性能的测量装置，上述系统中均未考虑测试环境中的气体氛围与样品的热交换与热传递，即测试环境均为非绝热环境，因而易引起热通量测试不准确，并且专利CN106404830A及专利CN106324026A中均需要通过将热通量换算才能得到温度变化，同样易导致测试结果的误差；此外中国专利CN110146754A还公开了一种高通量电卡性能直接测试系统，该系统采用成本昂贵的差示扫描量热仪进行改装，存在测试成本较高的问题。

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电卡性能测试系统，具体为一种可变温高真空高准确性极少热交换的直接法电卡性能精密测试系统，用于解决现有电卡性能测试过程中，因待测试样与测试环境中存在热交换，使得测试结果准确性较低的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电卡性能测试系统，包括放置待测试样的控温封闭箱体、与待测试样相连接的测温单元及高压调节单元，以及与控温封闭箱体相连通的真空单元；

所述的高压调节单元与待测试样之间设有热绝缘样品夹具，所述的待测试样通过热绝缘样品夹具与高压调节单元电连接，并通过热绝缘样品夹具使待测试样悬空于真空状态的控温封闭箱体内，以减少测试过程中产生热交换。

进一步地，所述的高压调节单元包括依次与热绝缘样品夹具电连接的电极与高压源。所述的高压源可按键启停的方式实现测试电场和0电场的方波信号切换。所述的电极为电极棒。

进一步地，所述的热绝缘样品夹具包括银线夹。所述的银线夹由分别与高压调节单元电连接的两根细银线组成，两根细银线又分别与待测试样的两侧面电连接。

所述的细银线一方面作为一种导电材料，用于传递高压调节单元加载于待测试样上的周期性电压；另一方面，所述的细银线构成的银线夹用于将待测试样悬空固定于控温封闭箱体内，以减少测试过程中待测试样与控温封闭箱体之间发生热交换；此外，所述的细银线具有极小的导热率，从而进一步减少热交换的发生。

进一步地，所述的热绝缘样品夹具与待测试样之间设有导电银胶，所述的待测试样的两侧面分别通过导电银胶加热固化粘结，从而减小接触电阻，增加电卡温变测试准确性，并提高热绝缘样品夹具对待测试样的固定稳定性。

进一步地，所述的测温单元包括依次与待测试样相连接的测温热电阻、数字万用表、计算机。

进一步地，所述的测温热电阻为PT100，并通过四线制接法与数字万用表电连接，通过四线制接法以屏蔽导线电阻的干扰，使得读数更加准确。

进一步地，所述的测温热电阻与待测试样之间设有导热硅脂，通过导热系数极高的导热硅脂将测温热电阻粘结于待测试样负电极面，以准确感知待测试样温度，并与粘结于待测试样两侧面的热绝缘样品夹具一起，分别对待测试样形成拉力，实现待测试样在抽真空时的受力平衡，从而使得待测试样保持稳定的悬空状态。

进一步地，所述的计算机与数字万用表之间通过通讯线电连接；所述的计算机通过通讯线传输控制命令，并实时控制数字万用表精确采集测温热电阻连续的温度变化信号，并绘制温度-时间关系曲线，以进一步获得待测试样的电卡性能；

所述的通讯线包括RS232通讯线及GPIB通讯线。

进一步地，所述的控温封闭箱体包括高低温试验箱、设于高低温试验箱内的可封闭腔体，以及设于可封闭腔体内壁上的绝缘层，所述的待测试样设于可封闭腔体内。

所述的可封闭腔体包括腔室、腔盖、螺栓及密封环，通过密封环实现腔室与腔盖的密封连接，通过螺栓实现腔室与腔盖的固定连接，从而实现可封闭腔体的封闭与开启；所述的电极、测温热电阻穿过腔室内壁，并通过密封环及螺栓密封固定设置。

所述的高低温试验箱对可封闭腔体实现-40℃至150℃的变温，为测试过程提供稳定测试温度环境。

所述的绝缘层为聚四氟乙烯绝缘层，以防止施加电场时待测试样对真空残余空气放电；所述的高低温试验箱与可封闭腔体之间还设有聚四氟乙烯板，并通过聚四氟乙烯板使可封闭腔体与高低温试验箱内部绝缘。

进一步地，所述的真空单元包括真空泵、设于真空泵与高低温试验箱之间的真空管，所述的真空泵通过真空管对可封闭腔体抽高真空，从而在极大程度上降低热量交换，成为近似绝热腔体。

工作原理：本发明中的电卡性能测试系统通过高低温试验箱改变和稳定测试环境温度，通过真空泵提供测试过程的真空环境，通过高压源、电极、细银线实现对待测试样施加电场及撤销电场操作，通过以PT100作为测温热电阻直接检测待测试样的温度变化，获得温度-时间曲线，并根据待测试样的电场变化，获得相应的电卡温变，即对于正电卡效应材料，电场施加时温度上升，电场撤销时温度下降，选取下降的温变值作为正电卡效应材料的电卡温变；对于负电卡材料，则选取上升的温变值作为电卡温变；此外，本系统通过测温热电阻及热绝缘样品夹将待测试样悬空固定于真空环境下，以获得近似绝热的测试环境，通过直接法采集待测试样的温度信号，以避免采集热量信号的转化过程，并采用PT100四线制接法以屏蔽导线电阻，从而使得采集的电卡信号更加准确可靠。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明采用PT100热电阻作为测温热电阻，直接读取样品温度，并通过四线制接法，有效屏蔽导线电阻的干扰，提高读数准确性；

2)本发明以高真空封闭腔体作为测试环境，可极大程度上减少热传导与热对流产生的热传递，使待测试样品处于近似绝热的环境中，提高测试结果的准确性；

3)本发明通过导热系数极小的细银线作为测试导线将待测试样悬空固定，可在施加电场和撤销电场中极大程度地减少热交换过程，为数据采集分系统灵敏准确采集电卡样品温度变化提供较为理想的极少热交换环境；

4)高低温试验箱可实现-40℃至150℃的变温范围，并可为测试过程提供稳定温度的测试环境；

5)高压输出单元控制按键启停输出方波电压，可实现电场施加和撤销过程的迅速响应；

6)本发明中的测试系统具有仪器成本低廉、采集电卡信号准确可靠等优点，可实现精确测试电卡材料电场作用下连续的温度变化数据，尤其可应用于块状固体材料的电卡材料性能测试中，进而得出材料的电卡温变，有利于加快电卡材料的研究发展进程。

附图说明

图1为本发明中一种电卡性能测试系统的结构示意图；

图2为实施例1中待测试样的电卡测试曲线；

图中标记说明：

1-真空泵、2-高压源、3-计算机、4-通讯线、5-真空管、6-数字万用表、7-钻孔橡胶塞、8-高低温试验箱、9-热绝缘样品夹具、10-测温热电阻、11-待测试样、12-可封闭腔体、13-绝缘层、14-电极。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种电卡性能测试系统包括三个分系统：数据采集分系统、高压输出分系统、变温真空极少热交换分系统；其中，数据采集分系统由计算机3、通讯线4、数字万用表6、测温热电阻10依次电连接组成，并且通讯线4为GPIB通讯线，测温热电阻10选用PT100热电阻并采用四线制接法与数字万用表6相连接，数字万用表6可实时采集PT100热电阻的电阻大小，并根据PT100电阻和温度对照关系换算成温度数据，计算机3可通过通讯线4实时控制数字万用表6连续采集PT100的精确温度，以绘制温度-时间曲线，PT100与待测试样11之间通过导热硅脂进行粘接；高压输出分系统由高压源2、电极棒14及热绝缘样品夹具9依次电连接组成，其中热绝缘样品夹具9由两根细银线组成，分别通过导电银胶粘接于待测试样11两侧面；变温真空极少热交换分系统由真空泵1、真空管5、钻孔橡胶塞7、高低温试验箱8、可封闭腔体12以及绝缘层13组成，其中绝缘层13选用聚四氟乙烯材质，可封闭腔体12与高低温试验箱8之间还设有用于使两者电绝缘的聚四氟乙烯板。

基于本实施例中的电卡性能测试系统的电卡性能测试方法如下：

1)待测试样的装入：先将待测试样11的两面分别用导电银胶粘接细银线一端，待导电银胶固化后，再以待测试样11两面引出的两根细银线作为导线，将导线的另一端用双螺丝拧紧的方式固定接在电极14上，然后将PT100热电阻用导热硅脂粘接在待测试样11上固定至导热硅脂固化；最后将封闭腔体封闭；

2)稳定测试环境：启动高低温试验箱8并设置测试温度，待可封闭腔体12内部温度稳定至测试温度时，启动真空泵1对可封闭腔体12抽真空，待温度及真空度稳定后，继续维持恒温及抽真空状态，并开始电卡性能测试；

3)电卡性能测试：通过计算机3控制数字万用表6采集待测试样11的实时温度，并绘制温度-时间曲线(如图2所示，测试温度为50℃)，并根据待测试样11厚度设置并调节电压，以考察待测试样11在电场施加及电场撤销状态下的温度变化情况。

本实施例通过将待测试样11的悬空处理与测试环境的真空处理，极大程度上减少了待测试样11与外界的热量交换，使得测试结果更加准确，是一台低成本、可变温、操作方便、测试信号稳定的测试系统，可投入使用于电卡材料研究，推动电卡制冷材料的应用进程。

实施例2：

如图1所示的一种电卡性能测试系统，包括放置待测试样11的控温封闭箱体、与待测试样11相连接的测温单元及高压调节单元，以及与控温封闭箱体相连通的真空单元；

其中，高压调节单元与待测试样11之间设有热绝缘样品夹具9，高压调节单元包括依次与热绝缘样品夹具9电连接的电极14与高压源2，高压源2可按键启停的方式实现测试电场和0电场的方波信号切换，电极14为电极棒。

热绝缘样品夹具9为银线夹，该银线夹由分别与高压调节单元电连接的两根细银线组成，两根细银线又分别与待测试样11的两侧面电连接。细银线一方面作为一种导电材料，用于传递高压调节单元加载于待测试样11上的周期性电压；另一方面，细银线构成的银线夹用于将待测试样11悬空固定于控温封闭箱体内，以减少测试过程中待测试样11与控温封闭箱体之间发生热交换；此外，细银线具有极小的导热率，从而进一步减少热交换的发生。

热绝缘样品夹具9与待测试样11之间设有导电银胶，待测试样11的两侧面分别通过导电银胶加热固化粘结，从而减小接触电阻，增加电卡温变测试准确性，并提高热绝缘样品夹具9对待测试样11的固定稳定性。

测温单元包括依次与待测试样11相连接的测温热电阻10、数字万用表6、计算机3，其中测温热电阻10为PT100，并通过四线制接法与数字万用表6电连接，通过四线制接法以屏蔽导线电阻的干扰，使得读数更加准确。

测温热电阻10与待测试样11之间设有导热硅脂，通过导热系数极高的导热硅脂将测温热电阻10粘结于待测试样11负电极面，以准确感知待测试样11温度，并与粘结于待测试样11两侧面的热绝缘样品夹具9一起，分别对待测试样11形成拉力，实现待测试样11抽真空时的受力平衡，从而使得待测试样11保持稳定的悬空状态。

计算机3与数字万用表6之间通过通讯线4电连接；计算机3通过通讯线4传输控制命令，并实时控制数字万用表6精确采集测温热电阻10连续的温度变化信号，并绘制温度-时间关系曲线，以进一步获得待测试样11的电卡性能；通讯线4为RS232通讯线。

控温封闭箱体包括高低温试验箱8、设于高低温试验箱8内的可封闭腔体12，以及设于可封闭腔体12内壁上的绝缘层13，待测试样11设于可封闭腔体12内。可封闭腔体12包括腔室、腔盖、螺栓及密封环，通过密封环实现腔室与腔盖的密封连接，通过螺栓实现腔室与腔盖的固定连接，从而实现可封闭腔体12的封闭与开启；电极、测温热电阻穿过腔室内壁，并通过密封环及螺栓密封固定设置，高低温试验箱8对可封闭腔体12实现-40℃至150℃的变温，为测试过程提供稳定测试温度环境。绝缘层13为聚四氟乙烯绝缘层，以防止施加电场时待测试样11对真空残余空气放电；高低温试验箱8与可封闭腔体12之间还设有聚四氟乙烯板，并通过聚四氟乙烯板使可封闭腔体12与高低温试验箱8内部绝缘。

真空单元包括真空泵1、设于真空泵1与高低温试验箱8之间的真空管5，真空泵1通过真空管5对可封闭腔体12抽高真空，从而在极大程度上降低热量交换，成为近似绝热腔体。

工作原理：本发明中的电卡性能测试系统通过高低温试验箱8改变和稳定测试环境温度，通过真空泵1提供测试过程的真空环境，通过高压源2、电极14、细银线实现对待测试样施加电场及撤销电场操作，通过以PT100作为测温热电阻直接检测待测试样的温度变化，获得温度-时间曲线，并根据待测试样的电场变化，获得相应的电卡温变。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电卡性能测试系统，其特征在于，该测试系统包括放置待测试样(11)的控温封闭箱体、与待测试样(11)相连接的测温单元及高压调节单元，以及与控温封闭箱体相连通的真空单元；

所述的高压调节单元与待测试样(11)之间设有热绝缘样品夹具(9)；

其中，所述的热绝缘样品夹具(9)为银线夹，并由分别与高压调节单元电连接的两根银线组成，两根银线又分别与待测试样(11)的两侧面通过导电银胶电连接；

所述的测温单元包括依次与待测试样(11)相连接的测温热电阻(10)、数字万用表(6)、计算机(3)，所述的测温热电阻(10)为PT100，并通过四线制接法与数字万用表(6)电连接，所述的测温热电阻(10)与待测试样(11)之间设有导热硅脂；

通过热绝缘样品夹具(9)以及测温热电阻(10)使待测试样(11)悬空于真空状态的控温封闭箱体内，以减少测试过程中产生热交换。

2.根据权利要求1所述的一种电卡性能测试系统，其特征在于，所述的高压调节单元包括依次与热绝缘样品夹具(9)电连接的电极(14)与高压源(2)。

3.根据权利要求1所述的一种电卡性能测试系统，其特征在于，所述的计算机(3)与数字万用表(6)之间通过通讯线(4)电连接；

所述的通讯线(4)包括RS232通讯线及GPIB通讯线。

4.根据权利要求1所述的一种电卡性能测试系统，其特征在于，所述的控温封闭箱体包括高低温试验箱(8)、设于高低温试验箱(8)内的可封闭腔体(12)，以及设于可封闭腔体(12)内壁上的绝缘层(13)，所述的待测试样(11)设于可封闭腔体(12)内。

5.根据权利要求1所述的一种电卡性能测试系统，其特征在于，所述的真空单元包括真空泵(1)、设于真空泵(1)与高低温试验箱(8)之间的真空管(5)。

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