專利名稱：一種力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于力學結構形變及力學實驗技術領域，尤其涉及一種力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統。
背景技術：
壓電材料、鐵電材料具有特殊的壓電和介電性質，在現代科學技術中得到廣泛應用，從電力電子、航空航天、核能工程，到機器人智能系統、信息存儲系統和智能傳感系統等各領域都起到重要作用。一方面，壓鐵電材料在服役過程中往往受到動態(tài)機械載荷和動態(tài)脈沖電載荷作用，在動態(tài)機械荷載方面典型的如美俄核武器、高功率微波武器和常規(guī)武器戰(zhàn)斗部觸發(fā)引信，利用炸藥爆炸等方式產生沖擊波，壓電鐵電陶瓷將去極化，釋放電荷，在微秒或亞微秒時間內提供大電流或大電壓輸出；在動態(tài)脈沖電載荷方面典型的如鐵電陰極材料在反向極化方向外加電場脈沖作用下，處于陶瓷-真空界面的大量自由電子發(fā)射， 使得熒光粉發(fā)光，可用于加速器、平板顯示、微波源等領域。由于在制備過程中不可避免的存在一些裂紋，在使用過程中由于動態(tài)加載，壓電鐵電器件容易發(fā)生失效，開展相關研究有著巨大的工程需求。另一方面，力電耦合動態(tài)斷裂屬于典型的動態(tài)、多場耦合物理力學問題，國內外只進行壓電、鐵電動態(tài)斷裂的理論研究，還沒有實驗研究結果報導，開展相關研究有著重要的科學意義。因此，急需研制力電耦合動態(tài)斷裂試驗系統，發(fā)展力電耦合動態(tài)加載的能力，模擬工程中的實際工況，解決工程問題；同時發(fā)現新的動態(tài)多場耦合物理現象，滿足多場、動態(tài)等復雜科學問題的研究需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，用于搭建動態(tài)多場耦合實驗平臺，以實現壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性的實驗研究。為實現上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是，一種力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，通過對由壓電鐵電材料制成的實驗試件施加動態(tài)機械載荷和/或動態(tài)脈沖電載荷，并采集施加載荷條件下實驗試件的相關數據，獲得壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性，其特征是所述系統包括動態(tài)機械載荷加載單元、動態(tài)脈沖電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態(tài)控制單元、數據采集單元和數據處理單元；所述動態(tài)機械載荷加載單元，用于向實驗試件施加動態(tài)機械載荷；所述動態(tài)脈沖電載荷加載單元，用于向實驗試件施加動態(tài)脈沖電載荷；所述絕緣支撐保護單元，用于為實驗試件提供絕緣和支撐保護。所述動態(tài)控制單元分別與動態(tài)機械載荷加載單元、動態(tài)脈沖電載荷加載單元和數據采集單元相連，用于在動態(tài)機械載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)機械載荷或動態(tài)脈沖電載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)脈沖電載荷時，設定采樣初始時間和采樣頻率，并控制數據采集單元從采樣初始時間開始，按照采樣頻率采集實驗試件在動態(tài)力電耦合載荷場下的數據；
所述數據采集單元與數據處理單元相連，用于采集實驗試件在動態(tài)力電耦合載荷場下的數據，并將采集的數據發(fā)送至數據處理單元；所述數據處理單元用于根據采集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性。所述數據采集單元包括動態(tài)機械加載應力測量單元、動態(tài)脈沖電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元；動態(tài)機械加載應力測量單元、動態(tài)脈沖電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元分別與動態(tài)控制單元和數據處理單元相連；所述動態(tài)機械加載應力測量單元用于測量動態(tài)機械載荷信息；所述動態(tài)脈沖電場測量單元用于測量動態(tài)脈沖電載荷信息；
所述裂尖應力信息光測單元用于測量動態(tài)荷載作用下裂尖信息場信息；所述裂紋擴展測量單元用于測量裂紋擴展全過程的圖像信息。所述絕緣支撐保護單元包括安全保護裝置、液體絕緣材料、絕緣支座、絕緣加載頭、和支撐架。本發(fā)明提供的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統能夠得到精確的測量信號，從而為壓電、鐵電的動態(tài)斷裂性能測試提供有力的保障；同時，該系統還能夠有效地保護實驗過程中實驗人員的安全以及實驗裝置的安全。


圖I是本發(fā)明提供的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統結構示意圖；圖2是實施例提供的絕緣支撐保護單元結構圖；圖3是機械動態(tài)加載示意圖； 圖4是電脈沖電路圖；圖5是動態(tài)控制設備結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。圖I是本發(fā)明提供的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統結構示意圖。圖I中，本發(fā)明提供的力電稱合動態(tài)斷裂實驗系統包括動態(tài)機械載荷加載單元101、動態(tài)脈沖電載荷加載單元102、絕緣支撐保護單元200、動態(tài)控制單元300、數據采集單元400和數據處理單元500。動態(tài)機械載荷加載單元101與絕緣支撐保護單元200相連,用于通過絕緣支撐保護單元200將動態(tài)機械載荷施加給實驗試件600。絕緣支撐保護單元200與實驗試件相連600,用于將動態(tài)機械載荷加載單元101施加的動態(tài)機械載荷傳遞給實驗試件600并用于為實驗試件600提供絕緣和緩沖保護。動態(tài)脈沖電載荷加載單元102與實驗試件600相連，用于向實驗試件600施加動態(tài)脈沖電載荷。動態(tài)控制單元300分別與動態(tài)機械載荷加載單元101、動態(tài)脈沖電載荷加載單元102和數據采集單元400相連,用于在動態(tài)機械載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)機械載荷或者動態(tài)脈沖電載荷加載單元102向實驗試件600施加動態(tài)脈沖電載荷時,設定采樣初始時間和采樣頻率，并控制數據采集單元從采樣初始時間開始，按照采樣頻率采集實驗試件在動態(tài)力電耦合載荷場下的數據。數據采集單元400與數據處理單元500相連，用于采集實驗試件600在動態(tài)力電耦合載荷場下的數據，并將采集的數據發(fā)送至數據處理單元500。數據處理單元500用于根據采集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性。數據采集單元400包括動態(tài)機械加載應力測量單元401、動態(tài)脈沖電場測量單元402、裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404。動態(tài)機械加載應力測量單元401、動態(tài)脈沖電場測量單元402、裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404分別與動態(tài)控制單元300和數據處理單元500相連。動態(tài)機械加載應力測量單元401用于測量動態(tài)機械載荷信息，動態(tài)脈沖電場測量 單元402用于測量動態(tài)脈沖電載荷信息，裂尖應力信息光測單元403用于測量動態(tài)荷載作用下裂尖信息場信息，裂紋擴展測量單元404用于測量裂紋擴展全過程的圖像信息。圖2是實施例提供的絕緣支撐保護單元結構圖。對于絕緣支撐保護單元200，本實施例給出的結構如圖2所示,其中絕緣支撐保護單元200包括安全保護裝置201、液體絕緣材料202、第一絕緣支座203、第一絕緣加載頭204、第二絕緣支座205、第二絕緣加載頭206、第三絕緣支座207、第三絕緣加載頭208和支撐架209。安全保護裝置201中注入液體絕緣材料202，且實驗試件600浸泡到液體絕緣材料202中。液體絕緣材料202可以采用硅油。安全保護裝置201的一側開I個孔，用于插入第一絕緣支座203 ;同時，安全保護裝置201的另一側開2個孔，分別用于插入第二絕緣支座205和第三絕緣支座207。安全保護裝置201的頂部開I個孔，用于插入連接動態(tài)脈沖電載荷加載單元102和實驗試件600 —極的導線；安全保護裝置的底部開I個孔，用于插入連接實驗試件600另一極的地線210。安全保護裝置201兩側的開孔、頂部的開孔以及底部的開孔密封。第一絕緣支座203的一端固定安裝第一絕緣加載頭204，第一絕緣支座203的另一端與動態(tài)機械載荷加載單元101相連。第二絕緣支座205的一端和第三絕緣支座207的一端分別固定安裝第二絕緣加載頭206和第三絕緣加載頭208，第二絕緣支座205的另一端和第三絕緣支座207的另一端同時與支撐架209相連。第一絕緣加載頭203與實驗試件600的一側接觸，第二絕緣加載頭205和第三絕緣加載頭207分別與實驗試件600的另一側接觸。動態(tài)控制單元300可以安裝在第一絕緣支座203上。動態(tài)機械加載應力測量單元401分別安裝在第二絕緣支座205和第三絕緣支座207上；動態(tài)脈沖電場測量單元402與地線相連。裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404分別采用高速攝像機，安裝在便于觀察實驗試件的地方。使用本發(fā)明提供的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統進行實驗試件斷裂特性研究具體是，動態(tài)機械載荷加載單元101通過落錘、霍普金森桿等設備將沖擊力傳動給實驗試件，并在加載機械載荷時觸發(fā)動態(tài)控制單元300,自動控制數據采集單元400,完成對實驗試件的三點彎、四點彎等斷裂實驗，并根據實驗需求給實驗試件加載穩(wěn)恒電場，實現電場作用下動態(tài)機械加載斷裂實驗。動態(tài)脈沖電載荷加載單元102通過高壓脈沖加載到實驗試件上，并在加載時觸發(fā)動態(tài)控制單元300,自動控制數據采集單元400,完成對實驗試件的三點彎、四點彎等斷裂實驗，并根據實驗需求給試件加載穩(wěn)恒力場，實現力場作用下動態(tài)脈沖電加載斷裂實驗。動態(tài)機械加載應力測量單元401具體用于測量動態(tài)機械加載全過程中的加載應力峰值、加載速率和脈寬。動態(tài)脈沖電場測量單元402具體用于測量動態(tài)脈沖電加載全過程中的加載電場峰值、脈寬和頻率。裂尖應力信息光測單元403利用高速攝像機、焦散線等光學測試方法記錄動態(tài)荷載作用下裂尖信息場。裂紋擴展測量單元404利用高速攝像機記錄裂紋擴展全過程圖像。數據處理單元500根據數據采集的信息進行計算分析，得出不同力電動態(tài)加載速率、脈寬、峰值條件下，壓電鐵電材料的動態(tài)斷裂韌性、裂紋擴展規(guī)律等。
選用國內某壓電陶瓷PZT進行動態(tài)斷裂實驗，將PZT加工成三點彎試件601，試件尺寸參照“ASTM C 1421-Olb室溫下高級陶瓷斷裂韌性測定的標準試驗方法”和“GB23806-2009-T精細陶瓷斷裂韌性試驗方法的單邊預裂紋梁(SEPB)法”，并根據實驗要求鍍上電極，進行極化，預制裂紋，焦散線反射裂紋鍍膜。完成一系列準備工作后，將實驗試件600浸泡在液體絕緣材料202 (如硅油)中，放置于絕緣支座204、206和208上。分別進行穩(wěn)恒電場下機械動態(tài)荷載和穩(wěn)恒力場下脈沖電荷載實驗。其中，穩(wěn)恒電場下機械動態(tài)荷載的穩(wěn)恒電場由高壓電源提供，本實驗中選用60kV高壓直流電源，機械動態(tài)載荷由改裝落錘試驗機提供；穩(wěn)恒力場下脈沖電載荷的穩(wěn)恒力場由改裝后落錘試驗機提供，脈沖電壓由高壓脈沖電源提供，本實驗選用幅度、頻率及脈寬可遠程控制的脈沖電壓。參照圖2，在動態(tài)機械載荷和動態(tài)脈沖電載荷加載時，觸發(fā)動態(tài)控制單元300，通過該動態(tài)控制單元啟動采集數據工作，包括動態(tài)機械加載應力測量單元401,動態(tài)脈沖電場測量單元402，裂尖應力信息光測單元403和裂紋擴展測量單元404。本實驗中，選用動態(tài)應變儀記錄動態(tài)機械加載全過程加載應力峰值、加載速率，選用脈沖電壓測量設備用于記錄動態(tài)脈沖電加載全過程加載電場峰值、脈寬、頻率等；選用高速攝像機、焦散線等觀測儀器記錄動態(tài)荷載作用下裂尖信息場；設備利用高速攝像機記錄裂紋擴展全過程圖像，測量裂紋擴展速度和路徑。本實驗經過多次嘗試，采樣初始時間延時40 μ s和采樣頻率間隔IOus0根據數據采集設備的信息進行計算分析，得到不同力電動態(tài)加載速率、脈寬、峰值條件下，PZT材料的動態(tài)斷裂韌性、裂紋擴展規(guī)律等。圖3是機械動態(tài)加載示意圖。圖3給出了通過動態(tài)機械載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)機械載荷的實例。圖3中，落錘動態(tài)斷裂加載設備采用半自動氣動夾緊裝置，可自動控制落錘的升降；電磁鐵自動捕捉，防止實驗試件被二次沖擊；設備配有緩沖裝置以防止損壞落錘沖擊表面；試驗結束后，沖擊破損質量及相應數據可由計算機自動計算并顯示。圖4是電脈沖電路圖。圖4給出了通過動態(tài)脈沖電載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)脈沖電載荷的實例。動態(tài)脈沖電載荷加載單元采用如圖4所示的電脈沖電路，基高壓脈沖電源工作過程如下交流220V電源供給調壓器，經調壓器調壓后供給直流高壓電源，直流高壓電源給儲能電容器充電，儲能電容器上的電壓值由調壓器控制。觸發(fā)高壓IGBT開關導通，在高壓脈沖變壓器初級產生方波脈沖，經過高壓脈沖變壓器升壓后加在負載上，同時供給高壓分壓器。最終輸出脈沖的幅度由調壓器控制，脈沖寬度由高壓IGBT開關的導通時間控制。圖5是動態(tài)控制設備結構示意圖。圖5給出了通過動態(tài)控制單元進行控制采樣的實例。圖5中，動態(tài)控制設備(相當于動態(tài)控制單元)用于協同動態(tài)加載設備(相當于動態(tài)機械載荷加載單元和/或動態(tài)脈沖電載荷加載單元)和數據采集設備(相當于數據采集單元)，當動態(tài)加載發(fā)生后，通過該設備控制數據采集設備的采樣初始時間和采樣頻率。本發(fā)明提供的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統具有如下技術效果I)功能拓展。傳統的動態(tài)斷裂實驗裝置只能進行單一的動態(tài)機械加載，不能進行力電耦合動態(tài)加載，本發(fā)明瞄準工程應用和科學研究的實際需求，首次實現了力電多場動態(tài)加載。2)測量精確。本發(fā)明大量采用精確測量設備和控制設備，如動態(tài)加載應力測量儀、脈沖電源測量儀、光學測量系統，能夠得到精確的測量信號，從而為壓電、鐵電的動態(tài)斷裂 性能測試提供了有力的保障。3)控制準確。動態(tài)斷裂實驗由于其發(fā)生時間極短，常出現無法捕捉斷裂全過程全場的問題，本發(fā)明通過控制設備，協同加載設備和數據采集設備之間的工作關系，從而有效的解決了這一問題。4)安全保證。高壓實驗過程中絕緣、電弧放電和電擊穿等問題，如何有效的保護實驗過程實驗人員的安全以及實驗裝置的安全是重中之重。本發(fā)明專門設置絕緣安全保護設備，提高了實驗的安全性，確保了實驗人員、設備的安全。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，通過對由壓電鐵電材料制成的實驗試件施加動態(tài)機械載荷和/或動態(tài)脈沖電載荷，并采集施加載荷條件下實驗試件的相關數據，獲得壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性，其特征是所述系統包括動態(tài)機械載荷加載單元、動態(tài)脈沖電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態(tài)控制單元、數據采集單元和數據處理單元； 所述動態(tài)機械載荷加載單元，用于向實驗試件施加動態(tài)機械載荷； 所述動態(tài)脈沖電載荷加載單元，用于向實驗試件施加動態(tài)脈沖電載荷； 所述絕緣支撐保護單元，用于為實驗試件提供絕緣和支撐保護。
2.根據權利要求I所述的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，其特征是所述動態(tài)控制單元分別與動態(tài)機械載荷加載單元、動態(tài)脈沖電載荷加載單元和數據采集單元相連，用于在動態(tài)機械載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)機械載荷或動態(tài)脈沖電載荷加載單元向實驗試件施加動態(tài)脈沖電載荷時，設定采樣初始時間和采樣頻率，并控制數據采集單元從采樣初始時間開始，按照采樣頻率采集實驗試件在動態(tài)力電耦合載荷場下的數據； 所述數據采集單元與數據處理單元相連，用于采集實驗試件在動態(tài)力電耦合載荷場下的數據，并將采集的數據發(fā)送至數據處理單元； 所述數據處理單元用于根據采集的數據進行計算分析，進而獲得壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性。
3.根據權利要求2所述的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，其特征是所述數據采集單元包括動態(tài)機械加載應力測量單元、動態(tài)脈沖電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元；動態(tài)機械加載應力測量單元、動態(tài)脈沖電場測量單元、裂尖應力信息光測單元和裂紋擴展測量單元分別與動態(tài)控制單元和數據處理單元相連； 所述動態(tài)機械加載應力測量單元用于測量動態(tài)機械載荷信息； 所述動態(tài)脈沖電場測量單元用于測量動態(tài)脈沖電載荷信息； 所述裂尖應力信息光測單元用于測量動態(tài)荷載作用下裂尖信息場信息； 所述裂紋擴展測量單元用于測量裂紋擴展全過程的圖像信息。
4.根據權利要求3所述的力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，其特征是所述絕緣支撐保護單元包括安全保護裝置、液體絕緣材料、絕緣支座、絕緣加載頭、和支撐架。
全文摘要
本發(fā)明公開了力學結構形變及力學實驗技術領域中的一種力電耦合動態(tài)斷裂實驗系統，用于實現壓電鐵電材料在動態(tài)力電耦合載荷場下的斷裂特性的實驗研究。該系統包括動態(tài)機械載荷加載單元、動態(tài)脈沖電載荷加載單元、絕緣支撐保護單元、動態(tài)控制單元、數據采集單元和數據處理單元；動態(tài)機械載荷加載單元與絕緣支撐保護單元相連，絕緣支撐保護單元與實驗試件相連，動態(tài)脈沖電載荷加載單元與實驗試件相連，動態(tài)控制單元分別與動態(tài)機械載荷加載單元、動態(tài)脈沖電載荷加載單元和數據采集單元相連，數據采集單元與數據處理單元相連。本發(fā)明為壓電、鐵電的動態(tài)斷裂性能測試提供了有力的保障。
文檔編號G01N3/00GK102706726SQ20121012352
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權日2012年4月24日
發(fā)明者方岱寧, 李應衛(wèi), 李法新, 裴永茂, 陳浩森 申請人:清華大學