CN202770713U - 一种电磁智能材料力电磁耦合行为的鼓泡实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电磁智能材料力电磁耦合行为的鼓泡实验装置。本装置包括：计算机、驱动系统、微型油压泵、油压鼓泡装置、油管、薄膜样品、光学测试系统、数据采集处理器、电场加载及电学量测试系统、磁场加载及标定系统、以及磁学量测试系统；其中，计算机连接至驱动系统，驱动系统连接至微型油压泵，通过油管连接至油压鼓泡装置，油压鼓泡装置上放置薄膜样品；在薄膜样品上连接电场加载及电学量测试系统，薄膜样品周围加装磁场加载及标定系统，在薄膜样品的上方设置光学测试系统和磁学量测试系统，并连接至计算机；油压传感器内置在油压鼓泡装置中，并通过数据采集处理器连接至计算机。该装置有利于研究智能薄膜材料力电磁学耦合性能。
Description
技术领域
本实用新型属于薄膜涂层材料性能表征技术领域，特别涉及一种电磁智能材料力电磁耦合行为的鼓泡实验装置。
背景技术
在薄膜涂层材料科学技术中，功能性薄膜样品具有许多基底材料所不具备的力、电、磁、热、光以及化学性能，已广泛应用在高性能传感器、微电子器件、磁存储器等领域，在国防建设和经济发展中发挥了不可替代的重要作用。例如近年来快速发展的层状电磁复合智能薄膜样品由于具有独特的热力电磁多场耦合性能而日益受到人们的密切关注。因此，如何在多场耦合环境下有效测试和表征这类功能性薄膜样品的自身性能、薄膜与基底之间的结合性能对于提高它们的可靠性具有非常重要的科学意义和工程价值，也已成为这些领域中迫切需要解决的关键问题。
目前对普通薄膜材料性能测试和表征的实验方法主要有鼓泡法、纳米压痕法、直接拉伸法、剥离测量法和四点梁弯曲法等。其中，鼓泡法是指在密封油腔中，通过驱使活塞压缩液压油，促使被测薄膜发生不同程度的鼓涨变形，采用光学方法测试出样品表面的变形情况，最后分析出薄膜的力学性能。该方法不仅能够测试简单几何形状基底上的薄膜力学性能，而且还能测试复杂不规则几何形状基底上的薄膜力学性能；同时能够定量测试薄膜材料的弹性模量、断裂韧性、残余拉应力以及本构关系等多个指标；而且测量范围很大，可以测试不同类型不同结合强度薄膜基底材料体系的力学性能；容易与其它测试方法和设备高度集成，实现多功能一体化测试；操作简单、分析快捷，容易实现工程推广应用。因此鼓泡法最有可能发展成为全面测试和表征功能性薄膜材料的力学、电学和磁学性能的方法。
现有技术中鼓泡法表征功能性薄膜材料性能的测试装置包括：计算机1、驱动系统2、油压鼓泡装置3、活塞4、薄膜样品5、光学测试系统6和数据采集处理器7，其中，计算机1连接至驱动系统2，驱动系统2通过活塞4连接至油压鼓泡装置3，油压鼓泡装置3上放置薄膜样品5，光学测试系统6设置在薄膜样品5的上方，并通过数据采集处理器7连接至计算机1，如图1所示。通过活塞4驱使油压鼓泡装置3中的液压油，促使薄膜样品变形直至破坏；油压施加方式单一，无法实现多种油压施加方式（例如疲劳加载、以设定的油压增加率加载等），属于开环控制方式。采用非接触式光学测试系统测试薄膜样品的表面各点位移情况， 其精度大约在0.4微米。其功能主要是在常温下表征功能性薄膜材料的力学性能，不具备电场加载、电学量测试、磁场加载及标定、磁学量测试功能。
综上所述，目前已报道的油压鼓泡装置主要存在以下几点不足：（1）目前主要集中在单一力场作用下测试薄膜力学性能；（2）油压加载方式单一，属于开环控制模式，这样难以控制加载压力的大小和速率，也无法实现其它特殊方式的加载和测试；（3）目前光学系统对薄膜位移测试精度大部分在0.4微米到几个微米，难以测试厚度很小的薄膜样品，容易造成巨大的试验误差。
实用新型内容
为了实现在力电磁三场全耦合下利用鼓泡法表征电磁智能材料的力电磁耦合性能，填补仪器空白，本实用新型经过对现有的油压鼓泡实验装置基础上进行改进，提出了在力电磁场耦合条件下表征不同类型不同结合强度功能性薄膜样品性能的实验装置。
本实用新型的目的在于提供一种电磁智能材料力电磁耦合行为的鼓泡实验装置。
本实用新型的电磁智能材料力电磁耦合行为的鼓泡实验装置包括：计算机、驱动系统、微型油压泵、油压鼓泡装置、油管、薄膜样品、光学测试系统、数据采集处理器、电场加载及电学量测试系统、磁场加载及标定系统、以及磁学量测试系统；其中，计算机连接至驱动系统，驱动系统连接至微型油压泵，通过油管连接至油压鼓泡装置，油压鼓泡装置上放置薄膜样品；在薄膜样品上连接电场加载及电学量测试系统，薄膜样品周围加装磁场加载及标定系统，在薄膜样品的上方设置光学测试系统和磁学量测试系统，并连接至计算机；油压传感器内置在油压鼓泡装置中，并通过数据采集处理器连接至计算机；进一步：
驱动系统采用伺服电机以及控制器；
电场加载及电学量测试系统是索亚—托尔（Sawyer-Tower）S-T电路；
磁场加载及标定系统包括螺线管、以及与螺线管串联的励磁电源和电流表；
磁学量测试系统包括放置在薄膜样品上的发射光路和接收光路，以及与接收光路依次相连接的前置放大器和信号检测主机；
光学测试系统包括放置在薄膜样品上的CCD相机、激光器和在激光器与薄膜样品之间的投影散斑片；以及与CCD相机相连接的高性能图形处理工作站。
微型油压泵一端连接驱动系统，另一端通过油管连接到油压鼓泡装置；内置的油压传感器一端监测油压鼓泡装置内的油压变化，另一端通过数据线连接到数据采集处理器，再连接到计算机；能够根据需要设定油压加载速率和加载方式，由计算机控制驱动系统，控制微型 油压泵的加载进程；同时通过油压传感器采集油压实时变化数据到计算机，再控制和修正伺服电机的工作方式，从而实现闭环控制油压加载方式。
油压加载的最大油压是7MPa；压力加载速率和加载方式可调，加载速率范围是10Pa/s～200Pa/s；加载方式包括正弦波方式加载、三角波方式加载和矩形波方式加载等。
电场加载及电学量测试系统是索亚—托尔电路，实现电场加载和电学量测试；施加直流电源或者交流电源，控制电流大小，从而实现交变电场加载，并可测试电学性能。
磁场加载及标定系统通过螺线管、励磁电源和电流表实现。通过把薄膜样品放入到由螺线管线圈产生的均匀磁场中，通过调节螺线管内的电流大小，从而控制螺线管产生的均匀磁场，薄膜样品所处位置的磁场大小以特斯拉计和霍尔探头定点测量确定。
磁学量测试系统是利用表面磁光克尔效应来测试功能性薄膜样品产生的磁感应强度B和磁滞回线，具体包括：发射光路和接收光路。发射光路主要由激光器、起偏棱镜和光阑组成，接收光路主要由光阑、检偏棱镜、透镜、光电探测器或CCD成像系统组成。
光学测试系统包括CCD相机、激光器和投影散斑片、高性能图形处理工作站。采用数字图像相关技术和投影散斑技术，实时测试在油压加载过程中整个窗口区域内薄膜样品的离面位移场和面内位移场，相关试验数据和图像由计算机进行实时采集和保存，从而可以准确获得薄膜样品中心挠度随油压增加的变化关系，测量薄膜样品的位移分辨率达到20nm。
本实用新型的优点：
（1）在力电磁三场全耦合作用下采用鼓泡法促使被测的薄膜样品发生弹性变形、塑性变形、界面开裂甚至薄膜自身断裂，在此过程中该装置实现了对被测的薄膜样品力学、电学和磁学响应的实时测试，有利于获得功能性薄膜样品多方面的信息，有利于对其内部机制了解得更加清楚和透彻；（2）在现有油压鼓泡加载装置中，首次采用闭环控制方式来控制油压加载，并实现多种油压加载方式，进而拓宽了鼓泡实验装置的表征功能；（3）采用投影散斑和数字图像相关技术，实现对薄膜样品非接触式三维变形测试，并且使得位移测量精度提高到20nm；（4）该仪器具备多场耦合加载和多物理量耦合测试功能，有利于研究在力电磁场耦合作用下新型功能性薄膜样品的力学、电学和磁学的综合性能。
附图说明
图1是现有的油压鼓泡装置的示意图；
图2是本实用新型装置的整体的结构示意图；
图3是本实用新型带窗口的薄膜样品以及薄膜样品台加载装置的剖面示意图；
图4是本实用新型的磁场加载及标定系统的示意图；
图5是本实用新型的磁学量测试系统的示意图；
图6是本实用新型的光学测试系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本实用新型的实施方式。
在力电磁三场耦合作用下采用鼓泡法研究电磁复合薄膜样品的本构关系，其本构关系一般式可以表示为：
εij＝εij(σij,Hi,Ei) （1）
Bi＝Bi(σij,Hi,Ei) （2）
Di＝Di(σij,Hi,Ei) （3）
其中σij为应力，εij为应变，Bi为磁感应强度，Hi为磁场强度，Di为电位移，Ei表示电场强度。由本构方程可知，当自变量为应力、磁场强度和电场强度时，因变量则是应变、磁感应强度和电位移，因而在实验中必须综合测量这六个基本物理量。通过测试，可以得到反映层状电磁复合材料的某些特征曲线，如应力-应变曲线、磁滞回线和电滞回线等，进而可以分析出层状电磁复合材料的其它材料参数。
本实用新型的实验装置包括：计算机1、驱动系统2、油压鼓泡装置3、油管16、薄膜样品5、数据采集处理器7、电场加载及电学量测试系统、油压传感器10、微型油压泵11、、磁场加载及标定系统、磁学量测试系统、光学测试系统，如图2所示。
电场加载及电学量测试系统包括索亚—托尔电路8，如图2所示。
如图3所示，制备带窗口的薄膜样品5，薄膜样品5的薄膜窗口尺寸的半径是在0.5mm～2mm范围内。本实施例选用的材料是采用磁控溅射方法在硅基底20沉积一层厚度为500nm的铁酸铋BiFeO3磁电复合薄膜21；然后再用刻蚀法在硅基底下表面中央区域开孔22，其孔径为2mm，以便使得硅油通过孔22作用在复合薄膜21下表面圆形区域上；同时在被测的薄膜样品的表面焊接微型电极23和24，以便施加电场和测试电位移。
在上述基础上，把薄膜样品装载在薄膜样品台上，在薄膜样品上面再用一个带小卡柱的硅片25盖住；然后再用钢制紧固盖26旋紧，固定好薄膜样品；最后把薄膜样品7上电极23和24接入到索亚—托尔电路8中，如图3所示。
磁场加载及标定系统包括螺线管9、以及与螺线管9串联的励磁电源28和电流表27，如 图4所示。采用霍尔探头29以及与其依次相连的特斯拉计30和电源31标定磁场的大小。
磁学量测试系统包括放置在薄膜样品5上的发射光路12和接收光路15，以及与接收光路15依次相连接的前置放大器32和信号检测主机33，信号检测主机33连接至计算机1，如图5所示。
光学测试系统包括放置在薄膜样品5上的激光器和投影散斑片14、CCD相机13；以及与CCD相机相连接的高性能图形处理工作站34，如图6所示。
获得的试验测试结果：
（a）根据油压鼓泡装置和光学测试系统，可以得到油压与薄膜样品挠度的变化关系，分析出残余应力的影响；通过变换得到薄膜样品的应力应变关系，其直线部分就是被测材料的弹性模量，并可以估算出其弹性极限。
（b）磁滞回线：在特定的试验条件下，可以测试出薄膜样品在不同的磁场或力磁耦合作用下，薄膜样品表面区域内磁感应强度的变化；利用纵向磁光克尔效应，测试出正负克尔角，进而得到磁滞回线。
（c）电滞回线：利用索亚—托尔电路，可以测试出被测的薄膜样品5的两端的电压和电位移的关系，从而绘出电滞回线。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种鼓泡实验装置，其特征在于，所述装置包括：计算机（1）、驱动系统（2）、微型油压泵（11）、油压鼓泡装置（3）、油管（16）、薄膜样品（5）、光学测试系统、数据采集处理器（7）、油压传感器（10）、电场加载及电学量测试系统、磁场加载及标定系统、以及磁学量测试系统；其中，计算机（1）连接至驱动系统（2），驱动系统（2）连接至微型油压泵（11），通过油管（16）连接至油压鼓泡装置（3），油压鼓泡装置（3）上放置薄膜样品（5）；在薄膜样品（5）上连接电场加载及电学量测试系统，薄膜样品（5）周围加装磁场加载及标定系统，在薄膜样品（5）的上方设置光学测试系统和磁学量测试系统，并连接至计算机（1）；油压传感器（10）内置在油压鼓泡装置（3）中，并通过数据采集处理器（7）连接至计算机（1）；进一步：
所述驱动系统（2）采用伺服电机以及控制器；
所述电场加载及电学量测试系统是索亚—托尔S-T电路（8）；
所述磁场加载及标定系统包括螺线管（9）、以及与螺线管（9）串联的励磁电源（28）和电流表（27）；
所述磁学量测试系统包括放置在薄膜样品（5）上的发射光路（12）和接收光路（15），以及与接收光路（15）依次相连接的前置放大器（32）和信号检测主机（33）；
光学测试系统包括放置在薄膜样品（5）上的CCD相机（13）、激光器和在激光器与薄膜样品之间的投影散斑片（14）；以及与CCD相机相连接的高性能图形处理工作站（34）。
2.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，油压加载速率范围是10Pa/s～200Pa/s。
3.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，油压加载方式包括正弦波方式加载、三角波方式加载和矩形波方式加载。
4.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，所述电场加载及电学量测试系统采用索亚—托尔电路施加直流电源或者交流电源。
5.如权利要求1所述的鼓泡实验装置，其特征在于，所述薄膜样品（5）的薄膜窗口尺寸的半径是在0.5mm～2mm范围内。
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