CN115312658A - 复合极化装置以及复合压电材料的极化方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及材料极化领域，涉及复合极化装置以及复合压电材料的极化方法。装置包括绝缘容器、负极板、柔性绝缘遮件、绝缘液体以及正极电极针。柔性绝缘遮件设置在负极板上，绝缘液体用于填充在绝缘容器中；正极电极针设置在绝缘容器的开口腔的上方，用于向待极化样品产生电晕。该装置结合了直流油浴极化法和电晕极化法两种极化方法的优点，绝缘液体填充于绝缘容器中，能够使得绝缘容器与柔性绝缘遮件之间的微小间隙、以及待极化样品内部的复杂镂空结构均被填充，从而能够防止在极化过程中出现任何薄弱点的击穿。采用本申请的复合极化装置对复合压电材料进行极化，能够在保证电晕放电稳定正常的状态下，提高极化电压。

Description

复合极化装置以及复合压电材料的极化方法

技术领域

本申请涉及材料极化领域，具体而言，涉及复合极化装置以及复合压电材料的极化方法。

背景技术

极化是通过在压电材料上施加强电场来激发材料压电性能的一个强制性过程。在外加电场作用下，偶极子在固体的一个小区域中从随机方向重新根据电场方向定向到对齐。一般的极化方法有直流油浴极化法和电晕极化法。在油浴极化法中有一个温度控制的油浴，将样品置于油浴中，对样品的两个电极施加高直流电压。电极覆盖样品的上下表面。但是，如果样品有复杂的几何形状、缺陷或电压过高会形成电阻较低的导电路或两个电极之间的电场不稳定状态，从而产生剧烈的电火花。这种火花击穿会直接导致样品损坏和极化失效。

另一种典型的极化方法是电晕极化法。它是一种比较干净、损伤少、高效的极化方法。圆头电极针直接置于样品上方，与样品下方的负极板分别连接电源正负极。逐渐提高电压，将达到临界电压进行电晕放电，它可对样品施加比油浴极化高得多的电压。电晕放电是电流从带电电极流向不带电空气的过程。激发空气成为离子态，此时空气可导电，并使带电粒子流向样品表面，这时在整个样品两端形成一个高电场。这种方法避免了电极银胶的污染。但是在放电过程中，击穿仍然是不可避免的，这种击穿会阻止进一步的极化。进行电晕极化时，如果样品是大块、多孔结构或缺陷就很容易产生电弧电火花，影响临界电压，进而损坏样品破坏极化。

然而，对于一些复合压电材料，例如0-3型压电陶瓷/树脂复合材料，由于陶瓷和聚合物的介电常数差异很大，陶瓷颗粒具有比聚合物高得多的介电常数。所以尽管极化电压很高，但也只能有小部分电压施加到压电陶瓷上，所以复合材料的极化难度很高。如果样品是复杂结构，则极化的难度将进一步增加。

对于这类复合压电材料，目前本领域通常通过延长极化时间和提高极化温度来对压电复合材料进行极化。这是由于常规方法无法提高电压进行极化，常规方法提高电压会使电场变得不稳定出现电火花击穿样品。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种复合极化装置以及复合压电材料的极化方法。

第一方面，本申请提供一种复合极化装置，包括：

绝缘容器，具有开口腔和底壁；

负极板；放置在绝缘容器的底壁上；负极板上用于放置待极化样品；

柔性绝缘遮件；柔性绝缘遮件设置在负极板上，用于设置在待极化样品的周向；

绝缘液体；绝缘液体用于填充在绝缘容器中；以及

正极电极针，正极电极针设置在绝缘容器的开口腔的上方，用于向待极化样品产生电晕。

本申请实施方式提供的复合极化装置结合了直流油浴极化法和电晕极化法两种极化方法的优点，能够用于具有孔结构或者不规则结构样品的极化，并且样品表面不再需要电极涂覆。绝缘液体填充于绝缘容器中，能够使得绝缘容器与柔性绝缘遮件之间的微小间隙、以及待极化样品内部的复杂镂空结构均被填充，从而能够防止在极化过程中出现任何薄弱点的击穿。通过将柔性绝缘遮件设置在待极化样品外侧，即使待极化样品是多孔结构，待极化样品结构不规则(例如具有粗糙的侧面等)也可以用柔性绝缘遮件固定，而这种柔性绝缘遮件同时又可以防止绝缘液体被连续激发的空气吹走。这样就可以对结构复杂、表面不平整或特征缺陷的待极化样品进行极化，且不容易产生电弧和火花。更重要的是绝缘液体和柔性绝缘遮件可提高导电空气电路中样品部分的电阻，进而分得更多电压，同时可以进一步提高极化电压和持续稳定的电晕。当极化过程进行时，强烈的电晕到达样品的顶部表面，在待极化样品的两个表面形成更强大和持续的电场。采用本申请的复合极化装置对0-3型压电陶瓷/树脂复合材料等复合压电材料进行极化，能够在保证电晕放电稳定正常的状态下，提高极化电压。

在本申请的其他实施例中，上述的绝缘液体填充的高度至少浸没负极板、待极化样品的底面和部分侧面。

在本申请的其他实施例中，上述的正极电极针与开口腔的距离可调节。

在本申请的其他实施例中，上述的正极电极针与开口腔的距离设置在15mm-30mm之间。

在本申请的其他实施例中，上述的正极电极针包括尖端部和连接端；尖端部连接于连接端；

尖端部正对于待极化样品，用于向待极化样品产生电晕；连接端远离待极化样品，用于连接外部电源；连接端上设置有绝缘保护套。

在本申请的其他实施例中，上述的复合极化装置包括支架；

正极电极针连接于支架，以使正极电极针固定于绝缘容器的开口腔的上方。

在本申请的其他实施例中，上述的支架上设置绝缘保护套。

在本申请的其他实施例中，上述的绝缘保护套由聚四氟乙烯材料制成。

第二方面，本申请提供一种复合材料的极化方法，采用前述任一项的复合极化装置进行极化；

方法包括：将复合材料放置于负极板上，将柔性绝缘遮件设置在待极化样品的周向；将绝缘液体填充的高度至少浸没待极化样品的底面和侧面；控制正极电极针与开口腔的距离设置在15mm-30mm之间；将负极板和正极电极针接通电源，进行极化。

在本申请的其他实施例中，上述的复合材料包括多孔结构和/或不规则结构。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施方式提供的复合极化装置的结构图(未包含支架)；

图2为本申请实施方式提供的复合极化装置的结构图(包含支架)；

图3为本申请实施方式提供的极化结果图。

图标：10-待极化样品；20-外接电源；30-电晕；100-复合极化装置；110-绝缘容器；111-开口腔；112-底壁；120-负极板；130-柔性绝缘遮件；140-绝缘液体；150-正极电极针；160-支架。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参照图1-图2，本申请实施方式提供一种复合极化装置100，包括：绝缘容器110、负极板120、柔性绝缘遮件130、绝缘液体140以及正极电极针150。

进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的绝缘容器110具有开口腔111和底壁112。

进一步地，负极板120放置在绝缘容器110的底壁112上；待极化样品10用于放置在负极板120上。

进一步地，柔性绝缘遮件130设置在负极板120上，用于设置在待极化样品10的周向。

进一步地，绝缘液体140填充在绝缘容器110内。使得负极板120、待极化样品10均浸入在绝缘液体140内。

进一步地，正极电极针150设置在绝缘容器110的开口腔111的上方，用于向待极化样品10产生电晕30。

采用本申请实施方式提供的复合极化装置100对待极化样品进行极化时，将负极板120、柔性绝缘遮件130和待极化样品10容置在绝缘容器110中。绝缘液体140填充在绝缘容器110，将负极板120、待极化样品10浸没(待极化样品10上表面露出于绝缘液体140，暴露在正极电极针150下)，然后将待极化样品10放置在负极板120上，负极板120连接外界高压电源。将样品的表面暴露于正极电极针150中，逐渐提高电压到放电临界点，使样品上的电场达到最大，进行极化过程。

本申请实施方式提供的复合极化装置100结合了直流油浴极化法和电晕极化法两种极化方法的优点，能够用于具有孔结构或者不规则结构样品的极化，并且样品表面不再需要电极涂覆。绝缘液体140填充于绝缘容器110中，能够使得绝缘容器110与柔性绝缘遮件130之间的微小间隙、以及待极化样品10内部的复杂镂空结构均被填充，从而能够防止在极化过程中出现任何薄弱点的击穿。通过将柔性绝缘遮件130设置在待极化样品10外侧，即使待极化样品10是多孔结构，待极化样品10结构不规则(例如具有粗糙的侧面等)也可以用柔性绝缘遮件130固定，而这种柔性绝缘遮件130同时又可以防止绝缘液体140被连续激发的空气吹走。这样就可以对结构复杂、表面不平整或特征缺陷的待极化样品10进行极化，且不容易产生电弧和火花。更重要的是绝缘液体140和柔性绝缘遮件130可提高导电空气电路中样品部分的电阻，进而分得更多电压，同时可以进一步提高极化电压和持续稳定的电晕。当极化过程进行时，强烈的电晕到达样品的顶部表面，在待极化样品10的两个表面形成更强大和持续的电场。

进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的绝缘液体140选择绝缘油。绝缘油选择本领域常见的绝缘油即可。

进一步地，在本申请一些实施方式中，绝缘液体140填充的高度至少浸没待极化样品10的底面和侧面。

如果待极化样品10为多孔或不规则结构，绝缘液体140将填满待极化样品10的连通孔，柔性绝缘遮件130将待极化样品10周向外侧包裹紧。

换句话说，待极化样品10的底面、侧面和内部镂空结构都浸入绝缘液体140中。

通过将待极化样品10的底面、侧面和内部镂空结构都浸入绝缘液体140中，能够避免侧面离子空气的意外撞击，干扰极化方向的电场。

进一步地，在本申请一些实施方式中，正极电极针150与开口腔111的距离可调节。

此处正极电极针150与开口腔111的距离可调节是指在进行极化之前可以根据样品的大小等选择调节正极电极针150与开口腔111的距离。当开始极化后，在极化过程中保持正极电极针150与开口腔111的距离固定，即在极化过程中将正极电极针150与待极化样品10表面的距离调整为一个固定值。正极电极针150与待极化样品10表面的距离越远，临界放电的激发电压越高，所以根据样品大小，可以调整适当的极化针高度，使电晕可以罩住样品为准。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，正极电极针150与开口腔111的距离设置在15mm-30mm之间。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，正极电极针150与开口腔111的距离设置在16mm-29mm之间。

示例性地，正极电极针150与开口腔111的距离设置为17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm或29mm。

影响极化面积和电场强度的重要参数之一是正极电极针150距待极化样品10表面的距离，距离越大，临界放电激发电压越高，但距离过大或过小，极化效果不佳。

发明人经过研究发现，将正极电极针150与开口腔111的距离设置在15mm-30mm之间时，不仅临界放电激发电压高，且稳定，极化效果好。

进一步地，在本申请一些实施方式中，正极电极针150包括尖端部连接端；尖端部连接于连接端。

进一步地，尖端部正对于待极化样品10，用于向待极化样品10产生电晕；连接端远离待极化样品10，用于连接外接电源20；连接端上设置有绝缘保护套(图未示)。

换句话说，本申请复合极化装置100除了正负极以外，其余的金属部件均被绝缘保护套遮挡。

通过在连接端上设置有绝缘保护套，使得整个极化系统中除了正负极以外，其余的金属部件均被遮挡，从而在进行极化放电时屏蔽金属部件对电场的影响。

进一步地，在本申请一些实施方式中，绝缘保护套由聚四氟乙烯材料制成。

由聚四氟乙烯材料制成的绝缘保护套不仅屏蔽效果好，而且结构稳定，强度高。

进一步地，参照图2，在本申请一些实施方式中，复合极化装置100包括支架160。

进一步地，正极电极针150连接于支架160，以使正极电极针150固定于绝缘容器110的开口腔111的上方。

通过设置支架便于将正极电极针150固定于绝缘容器110的开口腔111的上方。

进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的支架上设置绝缘保护套(图未示)。

换句话说，上述的支架160外表面全部用绝缘保护套包裹，使得整个极化系统中除了正负极以外，其余的金属部件均被遮挡，从而在进行极化放电时屏蔽金属部件对电场的影响。

进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的支架上设置绝缘保护套，由聚四氟乙烯材料制成。

由聚四氟乙烯材料制成的绝缘保护套不仅屏蔽效果好，而且结构稳定，强度高，从而能够起到屏蔽效果的同时，保护支架。使用聚四氟乙烯保护套包裹住系统中除正负电极以外的金属部件，可以在电晕放电时屏蔽金属支架对电场的影响。

进一步地，在本申请其他可选的实施方式中，也可以设置由聚四氟乙烯材料制成的支架。

本申请一些实施方式还提供一种复合材料的极化方法，采用前述任一实施方式提供的复合极化装置100进行极化。

进一步地，在本申请一些实施方式中，这种复合材料的极化方法包括：将复合材料放置于负极板上，将柔性绝缘遮件设置在待极化样品的周向；将绝缘液体填充的高度至少浸没待极化样品的底面和侧面；控制正极电极针与开口腔的距离设置在15mm-30mm之间；将负极板和正极电极针接通电源，进行极化。

进一步地，在本申请一些实施方式中，绝缘液体140填充在柔性绝缘遮件130的周向，将柔性绝缘遮件130与绝缘容器110之间的缝隙填充，以及待极化样品10的多孔结构中。

进一步地，在本申请一些实施方式中，将待极化样品10的底面、侧面和内部镂空结构都浸入绝缘液体140中。

进一步地，在本申请一些实施方式中，控制正极电极针与开口腔的距离设置在15mm-30mm之间。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，控制正极电极针与开口腔的距离设置在16mm-29mm之间。

示例性地，控制正极电极针与开口腔的距离设置为17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm或29mm。

在本申请一些实施方式中，极化电压由外部直流电源控制，正极电极针150和绝缘液体140中的负极板120分别连接电源正负极。

上述的正极电极针150和负极板120连接的外部电源为同一电源。

进一步地，控制极化温度，示例性地，可在样品周围设置加热装置，控制温度，并采用温度计监测。

需要说明的是，加热装置采用本领域常规的加热装置即可。

极化时，将待极化样品10的上表面略微露出绝缘液体140，暴露在正极电极针150下，使放电时待极化样品10上得到的电场达到最大。最后，逐渐增加系统正极电极针150和负极板120上的电压，进行极化过程。本申请的复合极化装置100可以满足多孔、不规则复杂结构复合压电材料的极化需求，在传统电晕极化的基础上进一步提高极化电压，使高电压电晕放电过程稳定持久。

进一步地，在本申请一些实施方式中，复合材料包括多孔结构和/或不规则结构。

示例性地，在本申请一些实施方式中，复合材料为0-3型压电陶瓷/树脂复合材料。在相同的条件下分别采用上述的复合极化装置100对0-3型压电陶瓷/树脂复合材料进行极化；采用常规电晕极化法对0-3型压电陶瓷/树脂复合材料进行极化；极化结果见图3。

从图3可以看出，采用本申请的复合极化装置100对0-3型压电陶瓷/树脂复合材料进行极化，在保证电晕放电稳定正常的状态下，极化电压从20kV提高到了24kV，提高了20％。而采用常规电晕极化法对0-3型压电陶瓷/树脂复合材料进行极化，极化电压未能提高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合极化装置，其特征在于，包括：

绝缘容器，具有开口腔和底壁；

负极板；放置在所述绝缘容器的底壁上；所述负极板上用于放置待极化样品；

柔性绝缘遮件；所述柔性绝缘遮件设置在所述负极板上，用于设置在所述待极化样品的周向；

绝缘液体；所述绝缘液体填充于所述绝缘容器中；以及

正极电极针，所述正极电极针设置在所述绝缘容器的所述开口腔的上方，用于向所述待极化样品产生电晕。

2.根据权利要求1所述的复合极化装置，其特征在于，

所述绝缘液体填充的高度至少浸没所述负极板、所述待极化样品的底面和部分侧面。

3.根据权利要求1或2所述的复合极化装置，其特征在于，

所述正极电极针与所述开口腔的距离可调节。

4.根据权利要求3所述的复合极化装置，其特征在于，

所述正极电极针与所述开口腔的距离设置在15mm-30mm之间。

5.根据权利要求1所述的复合极化装置，其特征在于，

所述正极电极针包括尖端部和连接端；所述尖端部连接于所述连接端；

所述尖端部正对于所述待极化样品，用于向所述待极化样品产生电晕；所述连接端远离所述待极化样品，用于连接外部电源；所述连接端上设置有绝缘保护套。

6.根据权利要求1所述的复合极化装置，其特征在于，

所述复合极化装置包括支架；

所述正极电极针连接于所述支架，以使所述正极电极针固定于所述绝缘容器的所述开口腔的上方。

7.根据权利要求6所述的复合极化装置，其特征在于，

所述支架上设置绝缘保护套。

8.根据权利要求5或7所述的复合极化装置，其特征在于，

所述绝缘保护套由聚四氟乙烯材料制成。

9.一种复合压电材料的极化方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的复合极化装置进行极化；

所述方法包括：将复合压电材料放置于所述负极板上，将柔性绝缘遮件设置在所述待极化样品的周向；将所述绝缘液体填充的高度至少浸没所述待极化样品的底面和侧面；将所述负极板和所述正极电极针接通电源，进行极化。

10.根据权利要求9所述的复合压电材料的极化方法，其特征在于，

控制所述正极电极针与所述开口腔的距离设置在15mm-30mm之间；

可选地，所述复合压电材料包括多孔结构和/或不规则结构。

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