CN206059435U - 用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置 - Google Patents

Abstract

用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置，包括均水平设置的下聚四氟乙烯绝缘板和上聚四氟乙烯绝缘板，上聚四氟乙烯绝缘板上表面设有铜板，铜板一侧边缘设有负极接线柱，上聚四氟乙烯绝缘板下表面与铜板上表面之间通过至少两根连接柱固定连接；上聚四氟乙烯绝缘板上均匀设有至少三个通孔，每个通孔内均穿设有与铜板上表面顶压配合的正极弹性压紧器。本实用新型可以实现夹持多个压电陶瓷试件同时极化，可分别对压电陶瓷试件施加不同的电压，确保具有较好的极化一致性，大大降低因环境条件变化引起的实验误差，充分提高了实验室制备压电陶瓷试件的效率、安全性和一致性。

Description

用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置

技术领域

本实用新型属于压电陶瓷材料极化技术领域，具体涉及一种用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，被广泛应用于移动通信、卫星广播、电子设备、仪器仪表、生物以及航空航天等高新技术领域，成为不可缺少的现代化关键材料和元件。随着科学技术的飞速发展，许多电子电器设备对所选用的压电器件要求也越来越高，要求压电材料在使用范围和使用环境方面有更大的适应性，为此研制出居里温度更高、压电常数更大、机械强度更高的新型压电材料就成为当务之急。日本和美国是高档电子元器件的主要生产国，几乎所有日本大公司和许多欧美公司都投入大量精力到压电陶瓷的研制中。

研究新型压电陶瓷元件需对不同的材料和工艺进行大量的试验， 通过试验的结果来研究元件的特性。然而，与大规模工业生产不同，实验室条件下对陶瓷进行极化， 每个试件的厚度、材料都有可能不同，所以每个试件需要选择合适的电场强度、极化时间和极化温度才能使试件具有最佳性能。

试件的极化处理有两种方式，一种是硅油极化，极化工艺为120℃，3KV/mm，3min；一种是空气极化，极化电压一般为娇顽场的几倍，极化时间15min。极化后试件应放置24h后再进行实验测试。

极化的目的是使电畴偏转，达到饱和极化强度，高压下畴偏转很快，考虑到高压下半导体容易被击穿，一般是降低极化电压，延长极化时间和提高极化温度，温度高可促进畴的偏转。在硅油中极化还是空气极化视极化电压而定，极化电压较高时，可能击穿空气，造成表面放电，从而损坏样品，此时一般采用硅油极化。

压电陶瓷内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场，在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向， 当让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度， 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时， 外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，这时的材料才具有压电特性，这就是压电陶瓷的极化过程。压电陶瓷极化装置就是完成极化过程的一种设备。

现有的压电陶瓷极化装置在工作使用过程中存在以下技术问题：1、一次只能夹持一个压电陶瓷试件，极化效率低；2、压电陶瓷极化装置的夹头和夹片不能更换，对压电陶瓷试件的形状及尺寸有较大限制，也产生一定的实验误差；3、在密闭容器（极化箱）内盛装的硅油的温度变化较大，保温效果差，温度不易控制，导致极化效果不佳；4、由于极化作业的电压是高压，在向密闭容器内放入或取出压电陶瓷试件还采用人工操作，具有较大的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种可一次装夹多个压电陶瓷试件同时极化、适用于不同形状及尺寸压电陶瓷试件的夹持、误差小、硅油温度可控制、自动取放试件、安全可靠的用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置，均水平设置的下聚四氟乙烯绝缘板和上聚四氟乙烯绝缘板，上聚四氟乙烯绝缘板上表面设有铜板，铜板一侧边缘设有负极接线柱，上聚四氟乙烯绝缘板下表面与铜板上表面之间通过至少两根连接柱固定连接；上聚四氟乙烯绝缘板上均匀设有至少三个通孔，每个通孔内均穿设有与铜板上表面顶压配合的正极弹性压紧器。

正极弹性压紧器包括导电杆和极化压头，导电杆穿设在通孔内，导电杆下端面设有底部、左侧和右侧均敞口的凹槽，极化压头沿左右方向过盈装配在凹槽内，导电杆下端沿前后方向水平设有将极化压头和导电杆串联为一体的防松销，导电杆上套设有弹簧，弹簧上端和下端分别与上聚四氟乙烯绝缘板下表面和极化压头顶压配合，极化压头下表面设有镀银层，导电杆上端侧部设有限位环和位于限位环上方的手柄，导电杆上端面同轴向连接有正极接线柱。

采用上述技术方案，压电陶瓷试件极化实验系统还包括以下技术特征：包括安装架和极化箱，安装架上设有多通道高压电源和电机减速机，极化箱顶部设有开口，电机减速机的主轴传动连接有位于极化箱内的升降机构，极化箱内设有设置在升降机构上的多工位夹持装置，多工位夹持装置位于开口下方，多工位夹持装置上设有用于封堵开口的箱盖；极化箱内插设有热电偶。

升降机构包括沿垂直方向设置的丝杠和导柱，丝杠和导柱分别设在极化箱内的左侧和右侧，丝杠上端同轴向设有光轴，光轴上端穿过极化箱顶部与电机减速机的主轴通过联轴器传动连接，极化箱内底部左侧设有轴承座，丝杠下端转动连接在轴承座内，导柱上端通过安装螺栓与极化箱顶部固定连接，导柱下端通过固定连接件与极化箱侧壁固定连接；丝杠上螺纹连接有螺母，导柱上穿套有水平设置的支撑板，支撑板左侧与螺母右侧固定连接；

本实用新型（多工位夹持装置）固定设在支撑板上，即上聚四氟乙烯绝缘板通过连接螺栓水平固定设在支撑板上表面。

箱盖包括呈筒型的盖体和呈环形的压板，盖体下端内壁与上聚四氟乙烯绝缘板四周边缘胶粘为一体，盖体外壁与开口的内壁接触，压板水平设置，盖体上端边沿与压板的内圈固定连接，压板下表面设有与开口周围的极化箱上表面压接配合的密封垫圈，密封垫圈下表面设有压力传感器。

极化箱外侧壁下部设有接地接线柱。极化箱内设有筒体，筒体上端和下端边沿分别与极化箱的顶部下表面和底部下表面固定连接，筒体外壁与极化箱内侧壁之间具有环形空腔，环形空腔内填充有保温石棉。

压电陶瓷试件极化实验系统的具体工作过程如下：首先，本实用新型中的正极接线柱和负极接线柱分别通过高压导线连接到多通道高压电源上，极化箱体内盛装硅油，并对硅油进行加热，通过热电偶监控硅油的温度保持在80℃～180℃；手持一个正极弹性压紧器上的手柄向上拉，克服弹簧的弹力，极化压头向上离开铜板，然后将压电陶瓷试件放置到铜板上，松开手柄，在弹簧的弹力作用下，极化压头将压电陶瓷试件压到铜板上；接着按这个操作方式，将多个压电陶瓷试件对应分别夹持到极化压头和铜板之间。然后启动电机减速机，电机减速机的主轴通过联轴器带动丝杠旋转，丝杠上螺纹连接的螺母在支撑板的导柱的限定下，螺母沿丝杠向下移动，导柱起到良好的平衡及上下移动的导向作用；支撑板的向下移动，带动多工位夹持装置、压电陶瓷试件以及箱盖向下移动，压电陶瓷试件没入到硅油中，直到压板下表面的密封垫圈与极化箱的上表面接触，密封垫圈起到密封开口的作用，另外，密封垫下表面设置的压力传感器，当密封垫圈向下顶压极化箱上表面时，当压力达到设定值时，压力传感器将信号传输给控制器，控制器命令电机减速机停止转动，支撑板、多工位夹持装置和压电陶瓷试件也停止向下移动。接着就可对正极接线柱和负极接线柱通入高压电进行极化作业。另外，由于多工位夹持装置包括多个正极弹性压紧器，也就是说，一次可以对多个压电陶瓷试件同时进行极化作业，这样就可使分别对不同的压电陶瓷试件施加不同的电压，对不同结构形状的压电陶瓷试件进行不同电压的极化作业。

综上所述，压电陶瓷试件极化实验系统具有以下有益技术效果：

1、压电陶瓷试件极化实验系统中的多工位夹持装置，每个正极弹性压紧器下端的极化压头可分别将一个压电陶瓷试件顶压到铜板上，可以实现多个压电陶瓷试件同时极化，改变了传统极化装置一次只能装夹一个压电陶瓷试件，大大提高极化效率，可以实现批量化极化作业。

2、可以实现对不同压电陶瓷的材料、尺寸、电场的试件一次装夹，同步极化，可分别施加不同的电压，确保具有较好的极化一致性。

3、实现了对压电陶瓷试件外形不做限制的功能，圆柱形和长条形的压电陶瓷试件都可以利用本实用新型进行极化，极化压头下面均匀设有镀银层可以均匀电场，防止电击穿，提高导电效率。

4、本实用新型设计了导电杆下端面设置的凹槽与极化压头之间采用过盈配合，并用防松销固定，这样不仅可以固定牢靠，并可更换极化压头，可实现国标规定的系列尺寸试件极化以及非标试件的极化，极化压头可根据试件尺寸更换。

5、本实用新型选择合适的弹簧套设在导电杆上，夹持长度根据试件的尺寸自适应，可以实现长条形试件同一规格不同极化方向同时极化的工艺，以实现研究试件不同极化方向对材料性能的影响，大大降低因环境条件变化引起的实验误差。

6、系统通过电炉对极化装置进行加热，使用热电偶温度计采集恒温室的温度，采用温控仪实现 300 ℃以内的温度测量和控制，并有保持恒温的功能，显示温度。

7、在极化箱内注满硅油，硅油起到导热和绝缘作用。考虑到使用的聚四氟乙烯材料的耐温和实验所需，一般的工作温度为80 ℃～180 ℃，通过热电偶进行监控硅油的温度，因此通过电炉加热使硅油保持在需要的极化温度80 ℃～180 ℃。

8、筒体与极化箱内侧壁之间形成的环形空腔内填充保温石棉实现绝缘保温作用。当需要对极化箱内硅油温度搅拌均匀时，可操控电机减速机驱动丝杠带动多工位夹持装置上下运动，这样就可搅拌硅油，使加热更均匀。

9、设置升降机构，不仅便于安装压电陶瓷试件，而且便于取出在极化箱内极化好的高温压电陶瓷样品。升降机构由电机减速机带动，驱动一根丝杠，使多工位夹持装置升降，大约 10s 完成上升或下降过程。升降机构的行程末端有行程开关控制，在极化完成后多工位夹持装置上升即将托出极化箱时，自动切断极化高压电源，保证了操作的安全性。

10、本实用新型连接多通道高压电源可以对每个压电陶瓷试件施加不同的电场，同时极化多个不同厚度和组分的压电陶瓷试件，大大提高了实验室制备压电陶瓷试件的效率、安全性和一致性。

11、压电陶瓷试件下边自上而下一共设置三层板，第一层是铜板，铜板右端引有负极接线柱，第二层是下聚四氟乙烯绝缘板，用于绝缘以免使得电机等其他设备短路烧坏，第三层是本实用新型的支撑板，另外极化箱外加了接地接线柱。

12、压电陶瓷试件极化实验系统加了箱盖，箱盖是个凹进去的的盖子，箱盖中间是空的，箱盖底部内侧与上聚四氟乙烯绝缘板粘贴到一起，既能保温极化箱，还不影响取压电陶瓷试件时多工位夹持装置整体移出极化箱。

附图说明

图1是压电陶瓷试件极化实验系统的平面结构示意图；

图2是本实用新型的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，压电陶瓷试件极化实验系统，包括安装架1和极化箱2，安装架1上设有多通道高压电源3和电机减速机4，极化箱2顶部设有开口5，电机减速机4的主轴传动连接有位于极化箱2内的升降机构，极化箱2内设有设置在升降机构上的多工位夹持装置，多工位夹持装置位于开口5下方，多工位夹持装置上设有用于封堵开口5的箱盖；极化箱2内插设有热电偶7。

升降机构包括沿垂直方向设置的丝杠8和导柱9，丝杠8和导柱9分别设在极化箱2内的左侧和右侧，丝杠8上端同轴向设有光轴10，光轴10上端穿过极化箱2顶部与电机减速机4的主轴通过联轴器11传动连接，极化箱2内底部左侧设有轴承座12，丝杠8下端转动连接在轴承座12内，导柱9上端通过安装螺栓13与极化箱2顶部固定连接，导柱9下端通过固定连接件14与极化箱2侧壁固定连接；丝杠8上螺纹连接有螺母15，导柱9上穿套有水平设置的支撑板16，支撑板16左侧与螺母15右侧固定连接；所述的多工位夹持装置固定设在支撑板16上。

多工位夹持装置包括均水平设置的下聚四氟乙烯绝缘板17和上聚四氟乙烯绝缘板18，上聚四氟乙烯绝缘板18通过连接螺栓26固定设在支撑板16上表面，上聚四氟乙烯绝缘板18上表面设有铜板19，铜板19一侧边缘设有负极接线柱20，上聚四氟乙烯绝缘板18下表面与铜板19上表面之间通过至少两根连接柱36固定连接；上聚四氟乙烯绝缘板18上均匀设有至少三个通孔，每个通孔内均穿设有与铜板19上表面顶压配合的正极弹性压紧器。

正极弹性压紧器包括导电杆21和极化压头22，导电杆21穿设在通孔内，导电杆21下端面设有底部、左侧和右侧均敞口的凹槽，极化压头22沿左右方向过盈装配在凹槽内，导电杆21下端沿前后方向水平设有将极化压头22和导电杆21串联为一体的防松销24，导电杆21上套设有弹簧25，弹簧25上端和下端分别与上聚四氟乙烯绝缘板18下表面和极化压头22顶压配合，极化压头22下表面设有镀银层，导电杆21上端侧部设有限位环27和位于限位环27上方的手柄28，导电杆21上端面同轴向连接有正极接线柱29。在弹簧25的作用下，限位环27与上聚四氟乙烯绝缘板18上表面接触，由于限位环27的外径小于手柄28的外径，这样便于握持手柄28。

箱盖包括呈筒型的盖体6和呈环形的压板30，盖体6下端内壁与上聚四氟乙烯绝缘板18四周边缘胶粘为一体，盖体6外壁与开口5的内壁接触，压板30水平设置，盖体6上端边沿与压板30的内圈固定连接，压板30下表面设有与开口5周围的极化箱2上表面压接配合的密封垫圈31，密封垫圈31下表面设有压力传感器（图中未示意出来）。

极化箱2外侧壁下部设有接地接线柱32，确保将极化箱2的金属外壳与接地体连接，以防止因绝缘损坏而使外壳带电时，操作人员接触设备外壳而触电。

极化箱2内设有筒体33，筒体33上端和下端边沿分别与极化箱2的顶部下表面和底部下表面固定连接，筒体33外壁与极化箱2内侧壁之间具有环形空腔，环形空腔内填充有保温石棉34。

本实用新型的具体工作过程如下：首先，本实用新型中的正极接线柱29和负极接线柱20分别通过高压导线连接到多通道高压电源3上，极化箱2体内盛装硅油，并对硅油进行加热，通过热电偶7监控硅油的温度保持在80℃～180℃；手持一个正极弹性压紧器上的手柄28向上拉，克服弹簧25的弹力，极化压头22向上离开铜板19，然后将压电陶瓷试件35放置到铜板19上，松开手柄28，在弹簧25的弹力作用下，极化压头22将压电陶瓷试件35压到铜板19上；接着按这个操作方式，将多个压电陶瓷试件35对应分别夹持到极化压头22和铜板19之间。然后启动电机减速机4，电机减速机4的主轴通过联轴器11带动丝杠8旋转，丝杠8上螺纹连接的螺母15在支撑板16的导柱9的限定下，螺母15沿丝杠8向下移动，导柱9起到良好的平衡及上下移动的导向作用；支撑板16的向下移动，带动多工位夹持装置、压电陶瓷试件35以及箱盖向下移动，压电陶瓷试件35没入到硅油中，直到压板30下表面的密封垫圈31与极化箱2的上表面接触，密封垫圈31起到密封开口5的作用，另外，密封垫下表面设置的压力传感器，当密封垫圈31向下顶压极化箱2上表面时，当压力达到设定值时，压力传感器将信号传输给控制器，控制器命令电机减速机4停止转动，支撑板16、多工位夹持装置和压电陶瓷试件35也停止向下移动。接着就可对正极接线柱29和负极接线柱20通入高压电进行极化作业。另外，由于多工位夹持装置包括多个正极弹性压紧器，也就是说，一次可以对多个压电陶瓷试件35同时进行极化作业，这样就可使分别对不同的压电陶瓷试件35施加不同的电压，对不同结构形状的压电陶瓷试件35进行不同电压的极化作业。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置，其特征在于：包括均水平设置的下聚四氟乙烯绝缘板和上聚四氟乙烯绝缘板，上聚四氟乙烯绝缘板上表面设有铜板，铜板一侧边缘设有负极接线柱，上聚四氟乙烯绝缘板下表面与铜板上表面之间通过至少两根连接柱固定连接；上聚四氟乙烯绝缘板上均匀设有至少三个通孔，每个通孔内均穿设有与铜板上表面顶压配合的正极弹性压紧器。

2.根据权利要求1所述的用于压电陶瓷试件极化实验系统的多工位夹持装置，其特征在于：正极弹性压紧器包括导电杆和极化压头，导电杆穿设在通孔内，导电杆下端面设有底部、左侧和右侧均敞口的凹槽，极化压头沿左右方向过盈装配在凹槽内，导电杆下端沿前后方向水平设有将极化压头和导电杆串联为一体的防松销，导电杆上套设有弹簧，弹簧上端和下端分别与上聚四氟乙烯绝缘板下表面和极化压头顶压配合，极化压头下表面设有镀银层，导电杆上端侧部设有限位环和位于限位环上方的手柄，导电杆上端面同轴向连接有正极接线柱。