CN214503439U - 一种应力作用下的电化学原位显微测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，包括分别设置在第二壳体内的样品腔、活动夹板及固定夹板；样品腔的两侧分别设置有夹槽位于同一直线上的活动夹板及固定夹板；活动夹板朝固定夹板的方向运动，且活动夹板与固定夹板内夹住工作电极；活动夹板包括拉伸驱动组件、拉力传感器及拉伸夹头；拉伸驱动组件与拉伸夹头之间连接有拉力传感器；拉力传感器与PLC控制器信号输入端电性连接；PLC控制器信号输出端与终端显示屏电性连接；拉伸驱动组件固定在第一壳体内；第一壳体与第二壳体的内部相通，本实用新型，不仅能够对材料准确施加机械应力，同时也能够追踪应力的变化，为工作电极的测试，提供精准的数据，提高测试精准度。

Description

一种应力作用下的电化学原位显微测试装置

技术领域

本实用新型涉及材料合成-性能一体化原位表征技术领域，具体为一种应力作用下的电化学原位显微测试装置。

背景技术

在电化学领域，以往的研究都侧重于寻找合适的电极材料组分、改变电极材料原有的化学组成以及改变电极材料的纳米形貌等方向来提高电化学反应过程中电极材料的反应活性。这就导致在电化学应用中以发现纳米材料合成和改造为重点来驱动着寻求改进的纳米材料。然而，考虑到基于电极和电解质配对的能量存储设备性能的复杂协作性质，这种路径很少会导致新材料的性能(例如工作电压)超过现有材料。此外，尽管计算指导带来了一种新的方法来预测可以改善先进的能量存储系统的目标材料化合物，但实验学家经常仍然对此类化合物的合成过程提出挑战，这包括很多计算的产物结构并非是天然存在的。这是传统方法的一个基本瓶颈，因为在传统方法中，发生了面向电化学材料的研究与开发，从而限制了能源存储(和转换)系统中行业创新的速度。材料的应力变化是在半导体电子学中广泛应用的一个概念，通过改变材料的应力场来研究材料的电化学性能为电化学体系材料的工程设计提供了新的机会。事实上，可以通过改变材料的应力场来调节材料本身具有的电子和物理特性，这是以往通过改变化学组成来对材料进行性能精细调节所无法达到的。因为，通过外部施加的应力场往往可以将整个应力场或者应变效应均匀地传播到整个材料上，而不是仅在表面或界面上。在最新的研究中也有科学家证明了纳米结构中的应变能够改变催化和电催化表面结合反应的能态，从而实现改变燃料电池技术中的氧离子扩散。同时也有报道表明当机械应变作为其中一个重要的调节参数作用于电化学反应过程中的电极材料时，两者之间将会有直接的相关性。这是因为在诸如伪电容器和电池等储能电极的特定情况下，法拉第反应，尤其是金属氧化物中的法拉第反应，会引起活性材料的氧化态发生变化，该变化通常受晶格结构的物理特性调节，从而能够使不同的离子种类进行插入反应或形成合金化反应。到目前为止，大部分的研究工作重点是在储能电极的电化学循环过程中，由主晶格结构变化引起的应变的不利影响。在这方面，尽管在理解材料上产生应变效应的能力有了明显的进步，但截至目前，仍然少有报道通过原位观测这一过程中电极材料的变化来理解施加在电极材料上的机械应力导致的材料物理和电子结构变化，以及由此变化带来的对电化学储能氧化还原反应的影响。

以往通过改变电极材料化学组分、合成纳米晶体、改变纳米材料的外在形貌等常规方法已经难以满足科学家及研究人员对其材料相关的性能研究。近期，有科学家提出可以通过施加外加机械应力来改变材料晶格结构的方法，从而实现对电极材料的电化学性能影响。但传统的方法中往往存在以下几个不足之处：1.传统方法中对电极材料的外在压力施加往往是非原位的，而是通过将材料先施加一定机械应力后再去做电化学性能测试，这种方法带来的问题就是无法准确探知材料在准确的应力条件下的性能变化；2.虽然是原位施加外在机械应力，但应力的施加精度不够，而且需要借助万能机这种大设备来协助完成，对于电化学性能测试带来很多不便；3.在施加机械应力的同时测试电化学性能，但材料晶格变化或者电极材料本身的外在变化无法探知。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：提供一种测试精准的应力作用下的电化学原位显微测试装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，包括分别设置在第二壳体内的样品腔、活动夹板及固定夹板；所述样品腔的两侧分别设置有夹槽位于同一直线上的活动夹板及固定夹板；所述活动夹板朝固定夹板的方向运动，且活动夹板与固定夹板内夹住工作电极；所述活动夹板包括拉伸驱动组件、拉力传感器及拉伸夹头；所述拉伸驱动组件与拉伸夹头之间连接有拉力传感器；所述拉力传感器与PLC控制器信号输入端电性连接；所述PLC控制器信号输出端与终端显示屏电性连接；所述拉伸驱动组件固定在第一壳体内；所述第一壳体与第二壳体的内部相通。

通过将待测试的工作电极放置到固定夹头内，启动拉伸驱动组件，带动拉伸夹头靠近待测试的工作电极，然后在待测试的工作电极与固定夹头卡合后，锁定工作电极，工作电极安装简便，然后在测试拉伸数据时，启动拉伸驱动组件拉动拉伸夹头内工作电极的该端，使得工作电极被拉伸，同时拉力传感器将所使用的拉力大小传递至终端显示屏上，为工作电极的测试，提供精准的数据，提高测试精准度。

优选地，所述活动夹板还包括滑移组件；所述拉伸夹头安装在滑移组件的输出端上；所述滑移组件固定在第二壳体的内壁上；所述滑移组件的导向与拉伸驱动组件的输出方向平行。

优选地，所述活动夹板还包括拉伸连接件；所述拉力传感器的一端连接有拉伸连接件；所述拉伸连接件的一端与拉伸夹头之间固定；所述滑移组件包括滑轨及滑块；所述滑轨固定在第二壳体内壁上；所述滑轨的导向与拉伸驱动组件的输出方向一致；所述滑轨上安装有在滑轨上沿其导向滑动的滑块；所述滑块与拉伸连接件固定连接。

优选地，所述样品腔焊接在第二壳体内；所述样品腔的一端面穿出第二壳体的侧壁；所述样品腔穿出第二壳体的一端敞口，且样品腔的敞口端上卡接有样品腔盖。

优选地，所述工作电极的一侧安装有电极组；所述电极组包括参比电极孔位及对电极孔位；所述参比电极孔位及对电极孔位分别开设在第二壳体的两侧壁上；所述参比电极孔位及对电极孔位均设置在工作电极的一侧；所述参比电极孔位及对电极孔位的孔心在同一直线上，且与工作电极平行；所述工作电极的引出端固定在样品腔盖上。

优选地，所述样品腔上还连接有气液组件；所述气液组件包括进气口、出气口、排液口；所述第二壳体与样品腔的连接处分别开设有进气口、出气口及排液口；且进气口、出气口及排液口的一端均通过软管与样品腔连接；所述进气口、出气口及排液口的另一端通过软管连接到外部，且用气体快插头分别插入三个软管的外接端头上。

优选地，所述固定夹头与拉伸夹头相对端开设有放置工作电极的夹槽；所述夹槽上贯穿将工作电极锁定到固定夹头与拉伸夹头上的固定螺栓。

优选地，所述拉伸驱动组件为电动伸缩杆。

优选地，所述样品腔为有机玻璃材质。

优选地，所述拉伸夹头上套接有位于样品腔连接处的密封垫圈。

打开样品腔盖，将样品放入到固定夹头的夹槽内，然后用固定螺栓锁紧，之后启动电动伸缩杆，通过拉伸连接件推动拉伸夹头靠近工作电极，在拉伸夹头的夹槽与工作电极相卡合时，拉力传感器感应到阻力，将阻力信号传递至PLC控制器，经过PLC控制器的信息处理后，对电动伸缩杆发出停机指令，然后将固定螺栓穿过拉伸夹头及工作电极，对工作电极位于拉伸夹头的一端进行固定，完成工作电极的固定，调节精准，样品取放简便；然后，将铂片电极和饱和甘汞电极分别插入到参比电极孔位和对电极孔位孔位内，使得铂片电极和饱和甘汞电极与工作电极的引出端连接，实现三电极的引入，然后在进行工作电极的拉伸测试时，启动电动伸缩杆，带动拉伸连接件在滑移组件上运动，然后使得拉伸夹头拉动工作电极的一端，对工作电极进行拉伸，同时拉力传感器向PLC控制器传回拉力数据，并通过PLC控制器的信号输出端将数据显示到终端显示屏上；不仅能够对材料准确施加机械应力，同时也能够追踪应力的变化；同时，不会影响电极材料本身在溶液中的电化学反应，更加重要的是，该装置能够在拉伸过程中，对材料的表面结构进行光学表征，这一原位测试装置将对材料在外界应力作用下微结构变化的研究起到重要的推进作用。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

A.通过设置可活动的拉伸夹头，来降低工作电极的安装难度，然后在测试拉伸数据时，启动拉伸驱动组件拉动拉伸夹头内工作电极的该端，使得工作电极被拉伸，同时拉力传感器将所使用的拉力大小传递至终端显示屏上，不仅能够对材料准确施加机械应力，同时也能够追踪应力的变化，为工作电极的测试，提供精准的数据，提高测试精准度；

B.将铂片电极和饱和甘汞电极分别插入到参比电极孔位和对电极孔位孔位内，使得铂片电极和饱和甘汞电极与工作电极的引出端连接，实现三电极的引入，进行拉伸条件下的电化学研究；

通过设置进气口、出气口及排液口，来为样品腔提供测试所需的气体环境和排液需求；

样品腔设置为有机玻璃材质，可耐受一般酸碱性溶液环境，且操作可视；

在拉伸夹头与样品腔的连接处设置密封垫圈，可使样品在溶液环境下测试。

附图说明

图1为本实用新型电化学原位显微测试装置的正视结构示意图；

图2为本实用新型电化学原位显微测试装置的侧视剖面图；

图3为本实用新型图2中A区域放大图。

附图标号：1、第一壳体；2、第二壳体；3、样品腔盖；4、电极组；41、参比电极孔位；42、对电极孔位；5、气液组件；51、进气口；52、出气口；53、排液口；6、活动夹板；61、拉伸连接件；62、拉力传感器；63、拉伸驱动组件；64、滑移组件；65、拉伸夹头；7、固定夹头；8、样品腔；81、样品。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型技术方案，现结合说明书附图对本实用新型技术方案做进一步的说明。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1，本实施例公开了一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，包括第一壳体1、第二壳体2、样品腔盖3、电极组4、气液组件5。

所述第一壳体1的一端通过螺钉固定有第二壳体2。且第一壳体1与第二壳体2的内部相通。

参阅图2及图3，还包括活动夹板6；所述活动夹板6包括拉伸驱动组件63、滑移组件64及拉伸夹头65。所述拉伸驱动组件63通过螺钉固定在第一壳体1内。所述拉伸驱动组件63的输出端安装有拉伸夹头65。所述拉伸夹头65安装在滑移组件64的输出端上。所述滑移组件64通过螺钉固定在第二壳体2的内壁上。所述滑移组件64的导向与拉伸驱动组件63的输出方向平行。所述拉伸夹头65的夹取端设置有固定夹头7。所述固定夹头7通过螺钉固定在第二壳体2内。所述固定夹头7与拉伸夹头65的对夹区域位于样品腔8内。

所述样品腔8焊接在第二壳体2内。所述样品腔8的一端面穿出第二壳体2的侧壁。所述样品腔8穿出第二壳体2的一端敞口，且样品腔8的敞口端上卡接有样品腔盖3。

所述固定夹头7与拉伸夹头65相对端开设有放置工作电极81的夹槽。所述夹槽上贯穿将工作电极81锁定到固定夹头7与拉伸夹头65上的固定螺栓。

所述活动夹板6还包括拉伸连接件61、拉力传感器62。所述拉伸驱动组件63的输出端通过螺钉固定有拉力传感器62。所述拉力传感器62的一端连接有拉伸连接件61。所述拉伸连接件61的一端与拉伸夹头65之间通过螺钉固定。所述拉力传感器62与PLC控制器信号输入端电性连接；所述PLC控制器信号输出端与终端显示屏电性连接。

所述滑移组件64包括滑轨及滑块。所述滑轨通过螺钉固定在第二壳体2内壁上。所述滑轨的导向与拉伸驱动组件63的输出方向一致。所述滑轨上安装有在滑轨上沿其导向滑动的滑块。所述滑块与拉伸连接件61通过螺钉固定连接。

所述拉伸驱动组件63为电动伸缩杆。

所述工作电极81的一侧安装有电极组4。所述电极组4包括参比电极孔位41及对电极孔位42。所述参比电极孔位41及对电极孔位42分别开设在第二壳体2的两侧壁上。所述参比电极孔位41及对电极孔位42均设置在工作电极81的一侧。所述参比电极孔位41及对电极孔位42的孔心在同一直线上，且与工作电极81平行。所述工作电极81的引出端固定在样品腔盖3上。

所述样品腔8上还连接有气液组件5。所述气液组件5包括进气口51、出气口52、排液口53。所述第二壳体2与样品腔8的连接处分别开设有进气口51、出气口52及排液口53。且进气口51、出气口52及排液口53的一端均通过软管与样品腔8连接。所述进气口51、出气口52及排液口53的另一端通过软管连接到外部，且用气体快插头分别插入三个软管的外接端头上。满足测试时，气体环境和排液需求。

所述样品腔8为有机玻璃材质，可耐受一般酸碱性溶液环境，且操作可视。

所述拉伸夹头65上套接有位于样品腔连接处的密封垫圈。可使样品在溶液环境下测试。

本实施例的工作原理是：打开样品腔盖3，将样品8放入到固定夹头7的夹槽内，然后用固定螺栓锁紧，之后启动电动伸缩杆，通过拉伸连接件61推动拉伸夹头65靠近工作电极81，在拉伸夹头65的夹槽与工作电极81相卡合时，拉力传感器62感应到阻力，将阻力信号传递至PLC控制器，经过PLC控制器的信息处理后，对电动伸缩杆发出停机指令，然后将固定螺栓穿过拉伸夹头65及工作电极81，对工作电极81位于拉伸夹头65的一端进行固定，完成工作电极81的固定，调节精准，样品8取放简便；然后，将铂片电极和饱和甘汞电极分别插入到参比电极孔位41和对电极孔位孔位42内，使得铂片电极和饱和甘汞电极与工作电极81的引出端连接，实现三电极的引入，进行拉伸条件下的电化学研究，然后在进行工作电极81的拉伸测试时，启动电动伸缩杆，带动拉伸连接件61在滑移组件64上运动，然后使得拉伸夹头65拉动工作电极81的一端，对工作电极81进行拉伸，同时拉力传感器62向PLC控制器传回拉力数据，并通过PLC控制器的信号输出端将数据显示到终端显示屏上；不仅能够对材料准确施加机械应力，同时也能够追踪应力的变化；同时，不会影响电极材料本身在溶液中的电化学反应，更加重要的是，该装置能够在拉伸过程中，对材料的表面结构进行光学表征，这一原位测试装置将对材料在外界应力作用下微结构变化的研究起到重要的推进作用。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示实用新型的实施方式，本实用新型的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型保护范围。

Claims (10)

1.一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：包括分别设置在第二壳体内的样品腔、活动夹板及固定夹板；所述样品腔的两侧分别设置有夹槽位于同一直线上的活动夹板及固定夹板；所述活动夹板朝固定夹板的方向运动，且活动夹板与固定夹板内夹住工作电极；所述活动夹板包括拉伸驱动组件、拉力传感器及拉伸夹头；所述拉伸驱动组件与拉伸夹头之间连接有拉力传感器；所述拉力传感器与PLC控制器信号输入端电性连接；所述PLC控制器信号输出端与终端显示屏电性连接；所述拉伸驱动组件固定在第一壳体内；所述第一壳体与第二壳体的内部相通。

2.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述活动夹板还包括滑移组件；所述拉伸夹头安装在滑移组件的输出端上；所述滑移组件固定在第二壳体的内壁上；所述滑移组件的导向与拉伸驱动组件的输出方向平行。

3.根据权利要求2所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述活动夹板还包括拉伸连接件；所述拉力传感器的一端连接有拉伸连接件；所述拉伸连接件的一端与拉伸夹头之间固定；所述滑移组件包括滑轨及滑块；所述滑轨固定在第二壳体内壁上；所述滑轨的导向与拉伸驱动组件的输出方向一致；所述滑轨上安装有在滑轨上沿其导向滑动的滑块；所述滑块与拉伸连接件固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述样品腔焊接在第二壳体内；所述样品腔的一端面穿出第二壳体的侧壁；所述样品腔穿出第二壳体的一端敞口，且样品腔的敞口端上卡接有样品腔盖。

5.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述工作电极的一侧安装有电极组；所述电极组包括参比电极孔位及对电极孔位；所述参比电极孔位及对电极孔位分别开设在第二壳体的两侧壁上；所述参比电极孔位及对电极孔位均设置在工作电极的一侧；所述参比电极孔位及对电极孔位的孔心在同一直线上，且与工作电极平行；所述工作电极的引出端固定在样品腔盖上。

6.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述样品腔上还连接有气液组件；所述气液组件包括进气口、出气口、排液口；所述第二壳体与样品腔的连接处分别开设有进气口、出气口及排液口；且进气口、出气口及排液口的一端均通过软管与样品腔连接；所述进气口、出气口及排液口的另一端通过软管连接到外部，且用气体快插头分别插入三个软管的外接端头上。

7.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述拉伸夹头的夹取端设置有固定夹头，所述固定夹头与拉伸夹头相对端开设有放置工作电极的夹槽；所述夹槽上贯穿将工作电极锁定到固定夹头与拉伸夹头上的固定螺栓。

8.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述拉伸驱动组件为电动伸缩杆。

9.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述样品腔为有机玻璃材质。

10.根据权利要求1所述的一种应力作用下的电化学原位显微测试装置，其特征在于：所述拉伸夹头上套接有位于样品腔连接处的密封垫圈。

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