本发明专利技术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及测试方法。本发明专利技术在力电磁三场全耦合作用下采用鼓泡法促使被测薄膜材料发生弹性变形、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材料力学、电学和磁学响应的实时测试，有利于获得功能性薄膜材料多方面的信息，有利于对其内部机制了解得更加清楚和透彻；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，进而拓宽了鼓泡测试装置的表征功能；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；有利于研究新型功能性薄膜材料的力学、电学和磁学的综合性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄膜涂层材料性能表征
，特别涉及一种。
技术介绍
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。目前研究人员主要集中在力电、力磁、热力或热磁载荷条件下对传统单一的铁磁、铁电和巨磁阻等智能材料分别进行其力学、磁学或电学性能的表征，进行了大量的科学研究，提出了许多较好的实验装置和方法。然而，电磁复合材料是一种由铁磁和铁电两相材料组合而成的新型材料，具有单一铁电或铁磁材料所不具备的功能和特性。现有的试验方法和装置已难以满足这种新型材料的测试要求，迫切需要完善和发展新的测试方法和匹配的实验仪器，实现在力电磁三场耦合作用下同步加载和测试这类功能材料的力学、电学和磁学性能响应，探索其内在机制和原理。目前对普通薄膜样品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，促使被测的薄膜发生不同程度的鼓涨变形，采用光学方法测试出薄膜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样品的弹性模量、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样品的力学、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样品性能的实验装置包括计算机I、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I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I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O. 4微米。其功能主要是在常温下表征功能性薄膜样品的力学性能，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，目前已报道的电磁智能材料力电磁耦合行为的实验装置及测试方法主要存在以下几点不足(I)现有的试验方法和装置已难以满足新型电磁材料的测试要求，迫切需要完善和发展新的测试方法和匹配的实验仪器，实现在力电磁三场耦合作用下同步加载和测试这类功能材料的力学、电学和磁学性能响应；(2)目前主要集中在单一力场作用下测试普通薄膜材料力学性能；(3)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；(4)目前光学系统对薄膜位移测试精度偏低，大约在O. 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。
技术实现思路
为了实现在力电磁三场全稱合下利用鼓泡法表征电磁智能材料的力电磁稱合性能，填补仪器空白，本专利技术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和测试方法。本专利技术的一个目的在于提供一种电磁智能材料力电磁稱合行为的鼓泡实验装置。本专利技术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一托尔(Sawyer-Tower) S-T电路；磁场加载系统包括螺线管、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/s200Pa/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一托尔电路，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，具体包括光路发射部分和光路接收部分。光路发射部分主要由激光器、起偏棱镜和光阑组成，光路接收部分主要由光阑、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C⑶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。本专利技术的另一个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的测试方法，具体包括以下步骤I)确定磁场加载及标定系统磁场大小及分布根据实验测试需要，对螺线管通以指定大小的恒定电流，采用特斯拉计和霍尔探头，定点标定和测量沿螺线管的轴线方向的磁场大小及分布，尤其本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种鼓泡实验装置，其特征在于，所述装置包括计算机(I)、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(I)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(I);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(I);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一托尔S-T电路(8); 所述磁场加载系统包括螺线管(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(XD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C⑶相机相连接的高性能图形处理工作站(34)。2.如权利要求I所述的鼓泡实验装置，其特征在于，油压加载速率范围是IOPa/s^200Pa/so3.如权利要求I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等。4.如权利要求I所述的鼓泡实验装置，其特征在于，所述测试电路(8)采用索亚一托尔电路施加直流电源或者交流电源。5.如权利要求I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O. 5mnT2mm范围内。6.一种权利要求I所述的鼓泡实验装置的测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 1)确定磁场加载及标定系统磁场大小及分布根据实验测试需要，对螺线管通以指定大小的恒定电流，采用特斯拉计和霍尔探头，定点标定和测量沿螺线管的轴线方向的磁场大小及分布，尤其是在后面测试中薄膜样品所处位置的磁场大小，同时通过电磁场理论获得的螺线管的磁场分布解析解，理论上计算出特定尺寸和匝数的螺线管在特定的电流下磁场分布情况，以便对比验证试验上述实验标定结果； 2)制备薄膜样品及焊接微小电极根据鼓泡仪薄膜样品台加载装置的尺寸，设计和加工合适的基底的大小，在其表面边缘处焊接一根细小的电极，以备给电磁智能薄膜样品施加电场；然后再按照正常薄膜制备工艺，其表面制备待测的电磁智能薄膜样品；然后在薄膜表面再焊接一根细小的电极材料，便于加载电场，最后采用特殊工艺仅在基底的下表面中心处形成一个指定大小的圆孔，以便让油压鼓泡装置内液压油进入，直接作用在被测的薄膜样品下表面，使之发生不同程度的鼓泡变形； 3)装载液...
【专利技术属性】
技术研发人员：方岱宁，毛卫国，冯雪，李法新，裴永茂，于泽军，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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