CN112563408A - 一种多场耦合材料加工装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多场耦合材料加工装置，包括：加工腔体，所述加工腔体具有加工内腔；用于储存待加工材料，并能够进出所述加工腔体的储料件；能够对位于所述加工内腔中的所述待加工材料施加压力的施力系统；能够加热位于所述加工内腔中的所述待加工材料，以使所述待加工材料具有不同温度的温度系统；能够对位于所述加工内腔中的所述待加工材料施加电场的电场系统；能够改变所述加工内腔的气氛状态，以使位于所述加工内腔中的所述待加工材料处于不同气氛环境的气氛系统。上述的多场耦合材料加工装置，能够在加工过程中对待加工材料同时施加多个物理场，避免了待加工材料在不同设备之间的转移，提高了产品的良率和性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工合成技术领域，特别涉及一种多场耦合材料加工装置。
背景技术
近年来，随着材料科学的进步，越来越多的有机高分子材料被合成及应用，合成和加工路线也趋于多样化。例如PVDF(聚偏氟乙烯)，被广泛应用于柔性压电传感、仿生等领域，PVDF在加工时通常先合成粉体，通过热压、热蒸发、流延等手段合成致密的结晶态薄膜，若想得到具有压电性能的PVDF 薄膜，还需要继续对薄膜做拉伸、淬火、极化等处理，步骤较为繁琐。
但是，现有的材料合成设备无法同时对材料施加多个物理场，大多数处理设备是单一场控设备，例如只加热或只施加电场等，使得加工过程中需要将制品在不同的设备中反复转移，导致原材料被氧化、污染，出现表面或内部缺陷，造成良率降低、性能衰退的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多场耦合材料加工装置，其能够在加工过程中对待加工材料同时施加多个物理场，避免了待加工材料在不同设备之间的转移，提高了产品的良率和性能。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多场耦合材料加工装置，包括：
加工腔体，所述加工腔体具有加工内腔；
用于储存待加工材料，并能够进出所述加工腔体的储料件；
能够对位于所述加工内腔中的所述待加工材料施加压力的施力系统；
能够加热位于所述加工内腔中的所述待加工材料，以使所述待加工材料具有不同温度的温度系统；
能够对位于所述加工内腔中的所述待加工材料施加电场的电场系统；
能够改变所述加工内腔的气氛状态，以使位于所述加工内腔中的所述待加工材料处于不同气氛环境的气氛系统。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述加工腔体为耐压腔体，并且所述加工腔体至少具有透明局部。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述加工腔体上设置有允许所述储料件进出的进出窗口，并且所述进出窗口上设置有能够实现所述进出窗口开启和密封闭合的操作门。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述施力系统包括液压施力组件和液压控制器，其中：
所述液压施力组件包括：设置在所述加工内腔中的液压驱动部件；连接在所述液压驱动部件上的压头，所述压头能够在所述液压驱动部件的驱动下对所述储料件内的所述待加工材料施加压力；
所述液压控制器设置在所述加工腔体的外部，并通过液压控制导线对所述液压驱动部件进行控制。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述液压驱动部件设置在所述加工腔体的顶壁上，或者设置在位于所述加工内腔中的支架上，所述支架设置在所述加工腔体的底壁上。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述温度系统包括电加热部件和温度控制器，其中：
所述电加热部件位于所述加工内腔中，并设置在所述储料件内以对存储于所述储料件内的所述待加工材料进行加热；
所述温度控制器设置在所述加工腔体的外部，并通过温度控制导线对所述电加热部件进行控制。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述电场系统包括电极组件和高压发生器，其中：
所述电极组件设置在所述加工内腔中，并包括分别作为不同电极的所述压头和所述储料件，以使所述待加工材料位于所述压头和所述储料件之间形成的电场中；
所述高压发生器设置在所述加工腔体的外部，并通过电导线给所述压头和所述储料件提供电能。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述气氛系统包括抽真空系统，所述抽真空系统包括设置在所述加工腔体外部的抽真空组件，以及连通所述抽真空组件和所述加工内腔的抽真空管道。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，所述气氛系统包括换气系统，所述换气系统包括设置在所述加工腔体外部的换气组件，以及连通所述抽真空组件和所述加工内腔的换气管道。
优选的，上述多场耦合材料加工装置中，液压控制导线、温度控制导线、电导线、抽真空管道和换气管道均与所述加工腔体的腔壁密封连接。
本发明提供的多场耦合材料加工装置，具有以下优点：
1、实现了三种以上可控物理场的叠加，具体是做到了压力、温度、电场和气氛的同步调控，可以一次性满足一般性的多个工艺条件，更加适合实验性的研制；
2、所有物理场均在同一腔体内原位叠加，待加工材料无需反复转移和取放，极大程度的避免了待加工材料的氧化、污染以及工序的反复，减少了材料内部缺陷的数量，提高了产品的良率和性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多场耦合材料加工装置的结构示意图；
图2为不同时间和温度处理的PTFE驻极体薄膜的表面电位衰减曲线图。
在图1中：
1-加工腔体，2-储料件，3-操作门，4-液压驱动部件，5-压头，6-液压控制导线，7-液压和温度控制组件，8-高压发生器，9-电导线，10-抽真空组件， 11-抽真空管道，12-换气组件，13-换气管道。
具体实施方式
本发明提供了一种多场耦合材料加工装置，其能够在加工过程中对待加工材料同时施加多个物理场，避免了待加工材料在不同设备之间的转移，提高了产品的良率和性能。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种多场耦合材料加工装置，用于对有机高分子材料进行合成和加工，该多场耦合材料加工装置主要包括加工腔体1、储料件2、施力系统、温度系统、电场系统和气氛系统，其中：加工腔体1为具有加工内腔的部件，其作用为容置储料件2和后述的液压施力组件和电加热部件，并为待加工材料提供真空环境或特定气氛；储料件2为在加工过程中暂时存储待加工材料的部件，其结构优选为图1所示的槽型结构，并且了与施力系统、温度系统和电场系统配合工作，优选储料件2为能够承压、导电和导热(之所以令储料件2具有导电和导热性能，是因为在后述内容中需要令储料件2作为电极组件的电极以及电加热部件的承载部件)，材质优选为导电性良好、不易腐蚀且耐压性好的合金材料；施力系统能够对位于加工内腔中的待加工材料施加压力；温度系统能够加热位于加工内腔中的待加工材料，以使待加工材料可以根据不同的加工工艺具有不同的温度；电场系统能够对位于加工内腔中的待加工材料施加电场，以使待加工材料能够位于电场中；气氛系统能够改变加工内腔的气氛状态，以使位于加工内腔中的待加工材料可以根据不同的加工工艺处于不同的气氛环境。
上述的多场耦合材料加工装置，可以在有机高分子材料的制备过程中同时对其施加力场、电场、温度场和改变气氛，从而可以用于处理和制备具有压电效应、铁电效应、驻极体效应、低介电损耗的薄膜材料，为材料固相及液相合成提供了解决方案和设备支撑，并且实现了四个物理场在同一腔体内的原位叠加，待加工的材料无需在不同设备之间进行反复转移和取放，极大程度的避免了原材料的氧化、污染以及工序的反复，减少了材料内部缺陷的数量，提高了产品的良率和性能。
具体的，本实施例中的加工腔体1为耐压腔体，并且加工腔体1至少具有透明局部，即加工腔体1具有透明的局部或全部透明，以使操作人员能够在加工腔体1之外更好的对加工过程进行观察、把控。工作腔体的材料首先优选为硼硅玻璃或石英，此种材料具有耐压坚固、保压性能良好、透明度高、可观察性好的特性，能够更好的满足加工腔体1的工作要求。工作腔体的材料其次优选为铝合金、钛合金或其他不透明合金材料。
如图1所示，加工腔体1上设置有允许储料件2进出的进出窗口，并且进出窗口上设置有能够实现进出窗口开启和密封闭合的操作门3。即，将操作门3镶嵌在加工腔体1上，进出窗口以及操作门3的设置能够方便储料件2 的取放及对加工腔体1内部情况的观察，所以进出窗口的尺寸需容许储料件2 通过。操作门3的材料首先优选为高强度透明材料，例如硼硅玻璃，石英，有机玻璃等，其次优选为带有观察窗的合金法兰。并且，为了保证加工腔体1的密封性，需在进出窗口的开口边缘或者操作门3的周边包裹橡胶材料以保证能够密封闭合。
优选的，如图1所示，施力系统包括液压施力组件和液压控制器，其中，液压施力组件包括：设置在加工内腔中的液压驱动部件4；连接在液压驱动部件4上的压头5，该压头5能够在液压驱动部件4的驱动下对储料件2内的待加工材料施加压力。并且，液压控制器设置在加工腔体1的外部，并通过液压控制导线6的电连通对液压驱动部件4进行控制。在此结构中，液压驱动部件4可以为液压缸，压头5可以通过铆钉或螺纹固定在液压缸的活塞杆的端部，压头5的材质为导电性良好(因为压头5还需要作为后述的电极组件的电极，所以需要令其具有良好的导电性能)、不易腐蚀、耐压性好的合金材料，其形状可以依据材料加工的需求而设定，例如压头5可以被设计成长方体形、圆柱形，圆台形或者半球形等。
具体的，如图1所示，液压驱动部件4设置在加工腔体1的顶壁上。或者，设置在位于加工内腔中的支架上，该支架设置在加工腔体1的底壁上(此种设置方式图中未示出)。即，在加工腔体1具有足够强度的前提下，为了简化结构，可以直接将液压驱动部件4设置在加工腔体1的顶壁上；此外，考虑到设备的稳定性问题，液压驱动部件4也可以通过支架固定于加工腔体1 的底部。本实施例中，优选液压驱动部件4至少可以使压头5对待加工材料施加200KG的压力。
如图1所示，温度系统包括电加热部件和温度控制器，其中：电加热部件位于加工内腔中，并设置在储料件2内以对存储于储料件2内的待加工材料进行加热；温度控制器设置在加工腔体1的外部，并通过温度控制导线对电加热部件进行控制。具体的是，在储料件2的底部设置容纳空间，并将电加热部件设置在容纳空间中，当电加热部件通电发热时，其能够直接对储料件2进行加热，进而使得存储于储料件2内的待加工材料充分受热。此种设置方式能够提高对待加工材料的加热效率。另外，电加热部件例如为电阻丝、电热管等。
另外，为了简化结构，本实施例将液压控制器和温度控制器集成于一体以形成液压和温度控制组件7，如图1所示。此液压和温度控制组件7能够综合控制液压缸和压头5的压力和位置以及储料件2内部的电加热部件的加热温度，并给液压施力组件和电加热部件提供电能。
如图1所示，电场系统包括电极组件和高压发生器8，其中：电极组件设置在加工内腔中，并包括分别作为不同电极的压头5和储料件2，以使待加工材料位于压头5和储料件2之间形成的电场中；高压发生器8设置在加工腔体1的外部，并通过电导线9给压头5和储料件2提供电能。为了简化结构，同时也为了更好的对待加工材料施加电场，本实施例优选直接将现有的压头5 和储料件2分别作为正、负电极，可调式高压发生器8的作用是在材料处理时施加可变的交直流电场，其中交流和直流电的电压范围在100V-50KV之间，交流电的频率应大于1HZ。与高压发生器8电连接的电导线9需选择耐高压屏蔽线，高压发生器8的正负极通过夹具分别连接在压头5和储料件2上。另外，出于对操作人员的人身安全考虑，本实施例优选高压发生器8的功率应该小于50W，带有接地和逻辑保护功能，操作门3打开即断电。至于交流电和直流电的供应选择，可以根据实验条件灵活调整，例如：在进行压电材料极化时采用交流或直流极化的方式，在进行驻极体材料制作时采用直流电晕放电。
如图1所示，气氛系统包括抽真空系统，此抽真空系统包括设置在加工腔体1外部的抽真空组件10，以及连通抽真空组件10和加工内腔的抽真空管道11。具体的是，在加工内腔的真空度要求处于较低范围的情况下，抽真空组件10可以仅包括机械泵，而在加工内腔的真空度要求处于较高范围的情况下，抽真空组件10可以由机械泵、分子泵和电离真空计组成。抽真空管道11 优选为真空波纹管，并且优选通过抽真空组件10的抽真空能够为加工内腔提供10-1Pa的真空环境。
此外，如图1所示，气氛系统还包括换气系统，该换气系统包括设置在加工腔体1外部的换气组件12，以及连通抽真空组件10和加工内腔的换气管道13。其中，换气组件12能够给加工内腔提供特定气氛，例如可以向加工内腔提供空气、氧气、氮气或氦气等常见实验气体，并通过流量计和开关阀控制换气管道13的通断以及其内部的气体流量大小。
此外，为了保证加工腔体1的密封性能，令上述的液压控制导线6、温度控制导线、电导线9、抽真空管道11和换气管道13均与加工腔体1的腔壁密封连接。即，腔体上预留的供各导线和各管道进出的通孔中需填充有橡胶密封件，以保证通孔和导线、管道之间存在间隙。
具体的，采用上述的多场耦合材料加工装置对有机高分子材料进行加工的过程如下：
实例一
对PTFE薄膜进行热驻极处理
操作过程为：
一、将储料件2从加工腔体1内取出，并将PTFE薄膜裁剪为和储料件2 的凹槽底壁相同大小，且将其均匀铺展在凹槽底壁上；
二、打开操作门3，将储料件2放入到加工内腔中并使其位于压头5下方，且令压头5对准PTFE薄膜的正中心，同时确保电加热部件与储料件2镶嵌紧密，检查高压发生器8的正负极是否分别连接在了压头5和储料件2上；
三、关闭操作门3，打开抽真空系统的机械泵，对加工内腔进行抽真空；
四、在机械泵运转3min后，关闭机械泵，打开换气系统，向加工内腔中注入纯氧，待加工内腔中的压强接近大气压时，停止氧气输送；
五、打开液压和温度控制组件7，令其控制压头5停在距PTFE薄膜表面 0.5cm-1cm处，但不施加压力，同时使电加热部件将储料件2加热至150℃并保温；
六、开启可调式高压发生器8，并选择直流高压模式，将高压发生器8电压由低到高调节，直至电压增加到不击穿薄膜的最高电压值；
七、保持上述电压和温度1小时后，停止加热，不撤去电场，等待储料件2降温至室温后关闭可调式高压发生器8；
八、打开换气系统，向加工内腔中通入氮气至标准大气压，之后停止通入氮气，在储料件2温度已经降至室温且高压发生器8已经断电后，打开操作门3，取出储料件2及其内部的材料。
经过上述热驻极处理的驻极体薄膜材料可以比常温处理的驻极体材料拥有更高的表面电位、更长的电存储时间。图2为不同时间和温度处理的PTFE 驻极体薄膜，表面电位的衰减情况。
实例二
高结晶度、高压电系数的PVDF薄膜的合成
操作过程为：
一、称量2gPVDF粉体、10ml乙醇，在烧杯中将两者均匀混合并搅拌 15min；
二、将PVDF与乙醇混合物倒入储料件2中，夹具固定后放入摇床，以 100rpm的频率震荡15min；
三、打开操作门3，将储料件2放入加工内腔中并使其位于压头5下方，且令压头5对准PVDF薄膜的正中心，同时确保电加热部件与储料件2镶嵌紧密，检查高压发生器8的正负极是否分别连接在了压头5和储料件2上；
四、关闭操作门3，打开抽真空系统的机械泵，对加工内腔进行抽真空，并在制备过程中保持机械泵始终开启；
五、打开温度控制器，令电加热部件给储料件2加热以使储料件2升温到50-60℃，观察到储料件2中的乙醇逐渐减少，直至被蒸发完全，PVDF粉体在储料件2中形成约500μm厚度的均匀薄层；
六、通过液压控制器控制压头5下降以给PVDF粉体加压，压强平均值需要高于1.5Mpa，同时继续给储料件2加热以使其升温至190℃；
七、开启可调式高压发生器8，逐步提高输出电压至20KV，确认两电极之间没有直接通过空气击穿放电或是击穿材料放电；
八、给储料件2加热30min后，令其降温至70℃，继续保持温度、压力和电场1小时，之后停止保温直至储料件2冷却至室温；
九、关闭可调式高压发生器8，升起压头5，关闭机械泵，打开换气系统以向加工内腔中通入氮气至标准大气压，之后停止通入氮气，在储料件2温度已经降至室温且高压发生器8已经断电后，打开操作门3，取出储料件2及其内部的材料。
最后裁剪加工完成后的材料的保留结晶较为完整的部分，用乙醇洗净后正反面镀金属膜，对已经镀膜的PVDF复合压电材料进行压电性能测试，得到压电常数d33＝32PC/N，比同样顺序的单步工艺流程制造的产品性能提高 20％。
本说明书中对各部分结构采用递进的方式描述，每个部分的结构重点说明的都是与现有结构的不同之处，多场耦合材料加工装置的整体及部分结构可通过组合上述多个部分的结构而得到。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种多场耦合材料加工装置，其特征在于，包括：
加工腔体，所述加工腔体具有加工内腔；
用于储存待加工材料，并能够进出所述加工腔体的储料件；
能够对位于所述加工内腔中的所述待加工材料施加压力的施力系统；
能够加热位于所述加工内腔中的所述待加工材料，以使所述待加工材料具有不同温度的温度系统；
能够对位于所述加工内腔中的所述待加工材料施加电场的电场系统；
能够改变所述加工内腔的气氛状态，以使位于所述加工内腔中的所述待加工材料处于不同气氛环境的气氛系统。
2.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述加工腔体为耐压腔体，并且所述加工腔体至少具有透明局部。
3.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述加工腔体上设置有允许所述储料件进出的进出窗口，并且所述进出窗口上设置有能够实现所述进出窗口开启和密封闭合的操作门。
4.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述施力系统包括液压施力组件和液压控制器，其中：
所述液压施力组件包括：设置在所述加工内腔中的液压驱动部件；连接在所述液压驱动部件上的压头，所述压头能够在所述液压驱动部件的驱动下对所述储料件内的所述待加工材料施加压力；
所述液压控制器设置在所述加工腔体的外部，并通过液压控制导线对所述液压驱动部件进行控制。
5.根据权利要求4所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述液压驱动部件设置在所述加工腔体的顶壁上，或者设置在位于所述加工内腔中的支架上，所述支架设置在所述加工腔体的底壁上。
6.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述温度系统包括电加热部件和温度控制器，其中：
所述电加热部件位于所述加工内腔中，并设置在所述储料件内以对存储于所述储料件内的所述待加工材料进行加热；
所述温度控制器设置在所述加工腔体的外部，并通过温度控制导线对所述电加热部件进行控制。
7.根据权利要求4所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述电场系统包括电极组件和高压发生器，其中：
所述电极组件设置在所述加工内腔中，并包括分别作为不同电极的所述压头和所述储料件，以使所述待加工材料位于所述压头和所述储料件之间形成的电场中；
所述高压发生器设置在所述加工腔体的外部，并通过电导线给所述压头和所述储料件提供电能。
8.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述气氛系统包括抽真空系统，所述抽真空系统包括设置在所述加工腔体外部的抽真空组件，以及连通所述抽真空组件和所述加工内腔的抽真空管道。
9.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，所述气氛系统包括换气系统，所述换气系统包括设置在所述加工腔体外部的换气组件，以及连通所述抽真空组件和所述加工内腔的换气管道。
10.根据权利要求1所述的多场耦合材料加工装置，其特征在于，液压控制导线、温度控制导线、电导线、抽真空管道和换气管道均与所述加工腔体的腔壁密封连接。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202011360120.4A CN112563408A (zh) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 一种多场耦合材料加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN112563408A true CN112563408A (zh) | 2021-03-26 |
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Family Applications (1)
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| CN202011360120.4A Pending CN112563408A (zh) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 一种多场耦合材料加工装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112563408A (zh) |
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- 2020-11-27 CN CN202011360120.4A patent/CN112563408A/zh active Pending
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