專利名稱:一種電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于薄膜涂層材料性能表征技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置。
技術(shù)背景 在薄膜涂層材料科學(xué)技術(shù)中,功能性薄膜樣品具有許多基底材料所不具備的力、電、磁、熱、光以及化學(xué)性能,已廣泛應(yīng)用在高性能傳感器、微電子器件、磁存儲器等領(lǐng)域,在國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了不可替代的重要作用。例如近年來快速發(fā)展的層狀電磁復(fù)合智能薄膜樣品由于具有獨(dú)特的熱力電磁多場耦合性能而日益受到人們的密切關(guān)注。因此,如何在多場耦合環(huán)境下有效測試和表征這類功能性薄膜樣品的自身性能、薄膜與基底之間的結(jié)合性能對于提高它們的可靠性具有非常重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值,也已成為這些領(lǐng)域中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。目前對普通薄膜材料性能測試和表征的實(shí)驗(yàn)方法主要有鼓泡法、納米壓痕法、直接拉伸法、剝離測量法和四點(diǎn)梁彎曲法等。其中,鼓泡法是指在密封油腔中,通過驅(qū)使活塞壓縮液壓油,促使被測薄膜發(fā)生不同程度的鼓漲變形,采用光學(xué)方法測試出樣品表面的變形情況,最后分析出薄膜的力學(xué)性能。該方法不僅能夠測試簡單幾何形狀基底上的薄膜力學(xué)性能,而且還能測試復(fù)雜不規(guī)則幾何形狀基底上的薄膜力學(xué)性能;同時(shí)能夠定量測試薄膜材料的彈性模量、斷裂韌性、殘余拉應(yīng)力以及本構(gòu)關(guān)系等多個(gè)指標(biāo);而且測量范圍很大,可以測試不同類型不同結(jié)合強(qiáng)度薄膜基底材料體系的力學(xué)性能;容易與其它測試方法和設(shè)備高度集成,實(shí)現(xiàn)多功能一體化測試;操作簡單、分析快捷,容易實(shí)現(xiàn)工程推廣應(yīng)用。因此鼓泡法最有可能發(fā)展成為全面測試和表征功能性薄膜材料的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能的方法?,F(xiàn)有技術(shù)中鼓泡法表征功能性薄膜材料性能的測試裝置包括計(jì)算機(jī)I、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2、油壓鼓泡裝置3、活塞4、薄膜樣品5、光學(xué)測試系統(tǒng)6和數(shù)據(jù)采集處理器7,其中,計(jì)算機(jī)I連接至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2通過活塞4連接至油壓鼓泡裝置3,油壓鼓泡裝置3上放置薄膜樣品5,光學(xué)測試系統(tǒng)6設(shè)置在薄膜樣品5的上方,并通過數(shù)據(jù)采集處理器7連接至計(jì)算機(jī)1,如圖I所示。通過活塞4驅(qū)使油壓鼓泡裝置3中的液壓油,促使薄膜樣品變形直至破壞;油壓施加方式單一,無法實(shí)現(xiàn)多種油壓施加方式(例如疲勞加載、以設(shè)定的油壓增加率加載等),屬于開環(huán)控制方式。采用非接觸式光學(xué)測試系統(tǒng)測試薄膜樣品的表面各點(diǎn)位移情況,其精度大約在O. 4微米。其功能主要是在常溫下表征功能性薄膜材料的力學(xué)性能,不具備電場加載、電學(xué)量測試、磁場加載及標(biāo)定、磁學(xué)量測試功能。綜上所述,目前已報(bào)道的油壓鼓泡裝置主要存在以下幾點(diǎn)不足(1)目前主要集中在單一力場作用下測試薄膜力學(xué)性能;(2)油壓加載方式單一,屬于開環(huán)控制模式,這樣難以控制加載壓力的大小和速率,也無法實(shí)現(xiàn)其它特殊方式的加載和測試;(3)目前光學(xué)系統(tǒng)對薄膜位移測試精度大部分在O. 4微米到幾個(gè)微米,難以測試厚度很小的薄膜樣品,容易造成巨大的試驗(yàn)誤差。
實(shí)用新型內(nèi)容為了實(shí)現(xiàn)在力電磁三場全稱合下利用鼓泡法表征電磁智能材料的力電磁稱合性能,填補(bǔ)儀器空白,本實(shí)用新型經(jīng)過對現(xiàn)有的油壓鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出了在力電磁場耦合條件下表征不同類型不同結(jié)合強(qiáng)度功能性薄膜樣品性能的實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型的目的在于提供一種電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型的電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置包括計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微型油壓泵、油壓鼓泡裝置、油管、薄膜樣品、光學(xué)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器、電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)、磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)、以及磁學(xué)量測試系統(tǒng);其中,計(jì)算機(jī)連接至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接至微型油壓泵,通過油管連接至油壓鼓泡裝置,油壓鼓泡裝置上放置薄膜樣品;在薄膜樣品上連接電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng),薄膜樣品周圍加裝磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng),在薄膜樣品的上方設(shè)置光學(xué)測試系統(tǒng)和磁學(xué)量測試系統(tǒng),并連接至計(jì)算機(jī);油壓傳感器內(nèi)置在油壓鼓泡裝置中,并通過數(shù)據(jù)采集處理器連接至計(jì)算機(jī);進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)以及控制器;電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)是索亞一托爾(Sawyer-Tower) S-T電路;磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)包括螺線管、以及與螺線管串聯(lián)的勵(lì)磁電源和電流表;磁學(xué)量測試系統(tǒng)包括放置在薄膜樣品上的發(fā)射光路和接收光路,以及與接收光路依次相連接的前置放大器和信號檢測主機(jī);光學(xué)測試系統(tǒng)包括放置在薄膜樣品上的CCD相機(jī)、激光器和在激光器與薄膜樣品之間的投影散斑片;以及與CCD相機(jī)相連接的高性能圖形處理工作站。微型油壓泵一端連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),另一端通過油管連接到油壓鼓泡裝置;內(nèi)置的油壓傳感器一端監(jiān)測油壓鼓泡裝置內(nèi)的油壓變化,另一端通過數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)采集處理器,再連接到計(jì)算機(jī);能夠根據(jù)需要設(shè)定油壓加載速率和加載方式,由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),控制微型油壓泵的加載進(jìn)程;同時(shí)通過油壓傳感器采集油壓實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī),再控制和修正伺服電機(jī)的工作方式,從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制油壓加載方式。油壓加載的最大油壓是7MPa ;壓力加載速率和加載方式可調(diào),加載速率范圍是10Pa/s 200Pa/s ;加載方式包括正弦波方式加載、三角波方式加載和矩形波方式加載等。電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)是索亞一托爾電路,實(shí)現(xiàn)電場加載和電學(xué)量測試;施加直流電源或者交流電源,控制電流大小,從而實(shí)現(xiàn)交變電場加載,并可測試電學(xué)性能。磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)通過螺線管、勵(lì)磁電源和電流表實(shí)現(xiàn)。通過把薄膜樣品放入到由螺線管線圈產(chǎn)生的均勻磁場中,通過調(diào)節(jié)螺線管內(nèi)的電流大小,從而控制螺線管產(chǎn)生的均勻磁場,薄膜樣品所處位置的磁場大小以特斯拉計(jì)和霍爾探頭定點(diǎn)測量確定。磁學(xué)量測試系統(tǒng)是利用表面磁光克爾效應(yīng)來測試功能性薄膜樣品產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁滯回線,具體包括發(fā)射光路和接收光路。發(fā)射光路主要由激光器、起偏棱鏡和光闌組成,接收光路主要由光闌、檢偏棱鏡、透鏡、光電探測器或CXD成像系統(tǒng)組成。光學(xué)測試系統(tǒng)包括CCD相機(jī)、激光器和投影散斑片、高性能圖形處理工作站。采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和投影散斑技術(shù),實(shí)時(shí)測試在油壓加載過程中整個(gè)窗口區(qū)域內(nèi)薄膜樣品的離面位移場和面內(nèi)位移場,相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和保存,從而可以準(zhǔn)確獲得薄膜樣品中心撓度隨油壓增加的變化關(guān)系,測量薄膜樣品的位移分辨率達(dá)到20nmo[0020]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)(I)在力電磁三場全耦合作用下采用鼓泡法促使被測的薄膜樣品發(fā)生彈性變形、塑性變形、界面開裂甚至薄膜自身斷裂,在此過程中該裝置實(shí)現(xiàn)了對被測的薄膜樣品力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)響應(yīng)的實(shí)時(shí)測試,有利于獲得功能性薄膜樣品多方面的信息,有利于對其內(nèi)部機(jī)制了解得更加清楚和透徹;(2)在現(xiàn)有油壓鼓泡加載裝置中,首次采用閉環(huán)控制方式來控制油壓加載,并實(shí)現(xiàn)多種油壓加載方式,進(jìn)而拓寬了鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置的表征功能;(3)采用投影散斑和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對薄膜樣品非接觸式三維變形測試,并且使得位移測量精度提高到20nm ;(4)該儀器具備多場耦合加載和多物理量耦合測試功能,有利于研究在力電磁場耦合作用下新型功能性薄膜樣品的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)的綜合性能。
圖I是現(xiàn)有的油壓鼓泡裝置的示意圖;圖2是本實(shí)用新型裝置的整體的結(jié)構(gòu)示意圖;圖3是本實(shí)用新型帶窗口的薄膜樣品以及薄膜樣品臺加載裝置的剖面示意圖;圖4是本實(shí)用新型的磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)的示意圖;圖5是本實(shí)用新型的磁學(xué)量測試系統(tǒng)的示意圖;圖6是本實(shí)用新型的光學(xué)測試系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施方式。在力電磁三場耦合作用下采用鼓泡法研究電磁復(fù)合薄膜樣品的本構(gòu)關(guān)系,其本構(gòu)關(guān)系一般式可以表示為ε Jj = ε ^.(σ HilEi)(I)Bi = Bi ( σ Hi, Ei)(2)Di = Di ( σ Hi, Ei)(3)其中σ u為應(yīng)力,ε 為應(yīng)變,Bi為磁感應(yīng)強(qiáng)度,Hi為磁場強(qiáng)度,Di為電位移,Ei表示電場強(qiáng)度。由本構(gòu)方程可知,當(dāng)自變量為應(yīng)力、磁場強(qiáng)度和電場強(qiáng)度時(shí),因變量則是應(yīng)變、磁感應(yīng)強(qiáng)度和電位移,因而在實(shí)驗(yàn)中必須綜合測量這六個(gè)基本物理量。通過測試,可以得到反映層狀電磁復(fù)合材料的某些特征曲線,如應(yīng)力-應(yīng)變曲線、磁滯回線和電滯回線等,進(jìn)而可以分析出層狀電磁復(fù)合材料的其它材料參數(shù)。本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)裝置包括計(jì)算機(jī)I、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2、油壓鼓泡裝置3、油管16、薄膜樣品5、數(shù)據(jù)采集處理器7、電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)、油壓傳感器10、微型油壓泵11、、磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)、磁學(xué)量測試系統(tǒng)、光學(xué)測試系統(tǒng),如圖2所示。電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)包括索亞一托爾電路8,如圖2所示。如圖3所示,制備帶窗口的薄膜樣品5,薄膜樣品5的薄膜窗口尺寸的半徑是在
O.5_ 2_范圍內(nèi)。本實(shí)施例選用的材料是采用磁控濺射方法在硅基底20沉積一層厚度為500nm的鐵酸鉍BiFeO3磁電復(fù)合薄膜21 ;然后再用刻蝕法在硅基底下表面中央?yún)^(qū)域開孔22,其孔徑為2_,以便使得硅油通過孔22作用在復(fù)合薄膜21下表面圓形區(qū)域上;同時(shí)在被測的薄膜樣品的表面焊接微型電極23和24,以便施加電場和測試電位移。[0037]在上述基礎(chǔ)上,把薄膜樣品裝載在薄膜樣品臺上,在薄膜樣品上面再用一個(gè)帶小卡柱的硅片25蓋??;然后再用鋼制緊固蓋26旋緊,固定好薄膜樣品;最后把薄膜樣品7上電極23和24接入到索亞一托爾電路8中,如圖3所示。磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)包括螺線管9、以及與螺線管9串聯(lián)的勵(lì)磁電源28和電流表27,如圖4所示。采用霍爾探頭29以及與其依次相連的特斯拉計(jì)30和電源31標(biāo)定磁場的大小。磁學(xué)量測試系統(tǒng)包括放置在薄膜樣品5上的發(fā)射光路12和接收光路15,以及與接收光路15依次相連接的前置放大器32和信號檢測主機(jī)33,信號檢測主機(jī)33連接至計(jì)算機(jī)1,如圖5所示。 光學(xué)測試系統(tǒng)包括放置在薄膜樣品5上的激光器和投影散斑片14、CXD相機(jī)13 ;以及與CXD相機(jī)相連接的高性能圖形處理工作站34,如圖6所示。獲得的試驗(yàn)測試結(jié)果(a)根據(jù)油壓鼓泡裝置和光學(xué)測試系統(tǒng),可以得到油壓與薄膜樣品撓度的變化關(guān)系,分析出殘余應(yīng)力的影響;通過變換得到薄膜樣品的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,其直線部分就是被測材料的彈性模量,并可以估算出其彈性極限。(b)磁滯回線在特定的試驗(yàn)條件下,可以測試出薄膜樣品在不同的磁場或力磁耦合作用下,薄膜樣品表面區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化;利用縱向磁光克爾效應(yīng),測試出正負(fù)克爾角,進(jìn)而得到磁滯回線。(c)電滯回線利用索亞一托爾電路,可以測試出被測的薄膜樣品5的兩端的電壓和電位移的關(guān)系,從而繪出電滯回線。最后需要注意的是,公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本實(shí)用新型及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換和修改都是可能的。因此,本實(shí)用新型不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容,本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置,其特征在于,所述裝置包括計(jì)算機(jī)(I)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)、微型油壓泵(11)、油壓鼓泡裝置(3)、油管(16)、薄膜樣品(5)、光學(xué)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器(7)、油壓傳感器(10)、電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)、磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)、以及磁學(xué)量測試系統(tǒng);其中,計(jì)算機(jī)(I)連接至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)連接至微型油壓泵(11),通過油管(16)連接至油壓鼓泡裝置(3),油壓鼓泡裝置(3)上放置薄膜樣品(5);在薄膜樣品(5)上連接電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng),薄膜樣品(5)周圍加裝磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng),在薄膜樣品(5)的上方設(shè)置光學(xué)測試系統(tǒng)和磁學(xué)量測試系統(tǒng),并連接至計(jì)算機(jī)(I);油壓傳感器(10)內(nèi)置在油壓鼓泡裝置(3)中,并通過數(shù)據(jù)采集處理器(7)連接至計(jì)算機(jī)(I);進(jìn)一步 所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)采用伺服電機(jī)以及控制器; 所述電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)是索亞一托爾S-T電路(8); 所述磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)包括螺線管(9)、以及與螺線管(9)串聯(lián)的勵(lì)磁電源(28)和電流表(27); 所述磁學(xué)量測試系統(tǒng)包括放置在薄膜樣品(5)上的發(fā)射光路(12)和接收光路(15),以及與接收光路(15)依次相連接的前置放大器(32)和信號檢測主機(jī)(33); 光學(xué)測試系統(tǒng)包括放置在薄膜樣品(5)上的(XD相機(jī)(13)、激光器和在激光器與薄膜樣品之間的投影散斑片(14);以及與C⑶相機(jī)相連接的高性能圖形處理工作站(34)。
2.如權(quán)利要求I所述的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置,其特征在于,油壓加載速率范圍是lOPa/s 200Pa/s。
3.如權(quán)利要求I所述的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置,其特征在于,油壓加載方式包括正弦波方式加載、三角波方式加載和矩形波方式加載。
4.如權(quán)利要求I所述的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置,其特征在于,所述電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)采用索亞一托爾電路施加直流電源或者交流電源。
5.如權(quán)利要求I所述的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置,其特征在于,所述薄膜樣品(5)的薄膜窗口尺寸的半徑是在O. 5mm 2mm范圍內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置包括計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微型油壓泵、油壓鼓泡裝置、油管、薄膜樣品、光學(xué)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理器、電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng)、磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng)、以及磁學(xué)量測試系統(tǒng);其中,計(jì)算機(jī)連接至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接至微型油壓泵,通過油管連接至油壓鼓泡裝置,油壓鼓泡裝置上放置薄膜樣品;在薄膜樣品上連接電場加載及電學(xué)量測試系統(tǒng),薄膜樣品周圍加裝磁場加載及標(biāo)定系統(tǒng),在薄膜樣品的上方設(shè)置光學(xué)測試系統(tǒng)和磁學(xué)量測試系統(tǒng),并連接至計(jì)算機(jī);油壓傳感器內(nèi)置在油壓鼓泡裝置中,并通過數(shù)據(jù)采集處理器連接至計(jì)算機(jī)。該裝置有利于研究智能薄膜材料力電磁學(xué)耦合性能。
文檔編號G01N3/10GK202770713SQ201220226629
公開日2013年3月6日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者方岱寧, 毛衛(wèi)國, 于澤軍, 馮雪, 李法新, 裴永茂 申請人:北京大學(xué)