导电功能材料力电耦合效应测试系统及其测试方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及力电耦合效应测试技术，尤其涉及一种导电功能材料力电耦合效应测 试系统及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术和材料科学的不断发展，具有电能传输、信号传播、电磁屏蔽、吸波、 催化、传感及储能等多种功能的新型导电材料得到了长足发展，尤其是导电高分子、压电陶 瓷、聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料，已经广泛应用于晶体管、传感器、电极、电热器、超 级电容器、屏蔽壳、电催化、太阳能薄膜、储能电池、电子屏蔽膜、抗静电涂层、触摸屏及柔性 器件等与人类社会发展密切相关的信息通讯、清洁能源、航空航天及生物医疗等多个领域。
[0003] 材料的力学和电学性能是确定各种工程设计参数的主要依据，随着工作环境日趋 复杂，导电功能材料经常处于力场和电场的工作条件之下：力场作用时，材料由于受到外力 而发生形变，材料的组织结构发生变化，继而影响材料的电学性能；而电场作用时，材料由 于自身电阻产生的电流热效应，将加剧与温度密切相关的应力-应变行为，继而影响材料 的力学性能；材料力学性能和电学性能的变化，反过来又会影响力场和电场的作用效果，这 种材料力学性能、电学性能与力场、电场之间的相互关系和变化规律，即力电耦合效应。
[0004] 力电耦合效应的测试与分析对于导电功能材料的开发应用具有重要的指导作用， 现有的力学和电学性能测试实验方法都是针对单一性能的测量，无法满足耦合效应的测试 需要，急切需要一种能够准确可靠地实现不同电场和力场作用下材料力学性能、电学性能 及其耦合效应测量与分析的测试系统和测试方法，以实现导电功能材料的力电耦合效应 的测量与分析。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种导电功能材料力电耦合效应测试 系统及其测试方法，通过电压强度、通电时间和加载速度等参数的精确控制，测量得到完整 的载荷-位移曲线、整体体积电阻率和微区体积电阻率分布图，进一步计算得到不同力场 和电场作用下材料的弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率、屈服强度、整体体积电阻率和微区 体积电阻率分布等一系列力学和电学性能参数，实现导电功能材料力电耦合效应的测量与 分析。
[0006] 本发明的原理是：利用驱动电机、力传感器、位移传感器、夹持装置、传动轴、数字 源表、四探针探头、直流电源和多值电阻器等设备，提供一种导电功能材料力电耦合效应测 试系统和测试方法，通过精确控制电压强度、通电时间和加载速率等参数，测量得到完整的 载荷-位移曲线、整体体积电阻率和微区体积电阻率分布图，计算得到不同电场和力场强 度下材料的弹性模量、屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率、整体体积电阻率和微区体积电阻 率分布等力学和电学性能参数。通过手持式四探针探头测量试样不同位置的微区体积电阻 率，能够实现微区体积电阻率分布图的可视化测量，结合多值电阻器作为补偿电阻，能够极 大地扩展测试范围，从而获得试样材料的力学性能、电学性能与力场、电场之间耦合效应的 变化规律。
[0007] 本发明提供的技术方案是：
[0008] -种导电功能材料力电耦合效应测试系统，包括导电功能材料试样1、试样电极 2、绝缘胶带3、电极上外接电线4、试样夹持装置（包括上端夹持装置5和下端夹持装置6)、 位移传感器7、传动轴8、驱动电机9、力传感器10、手持式四探针探头11、数字源表B 13、数 字源表A 14和直流电源15 ;
[0009] 在导电功能材料试样1的两端加工制作成环状电极2 ;在试样两端的侧面电极2 上外接电线4 ;在带有电极2和电线4的试样1两端缠绕绝缘胶带3 ;上端夹持装置5和下 端夹持装置6分别将试样1上端和下端的电极2、绝缘胶带3和试样1 一起夹住；下端夹持 装置6固定，上端夹持装置5与传动轴8连接并保持同步运动；
[0010] 驱动电机9带动传动轴8转动，进而通过上端夹持装置5的同步移动完成对试样 的加载，通过驱动电机9的转速控制加载速率，通过加载时间控制上端夹持装置5的移动位 移；力传感器10与传动轴8相连，用于实时记录传动轴8带动上端夹持装置5移动所需的 载荷；位移传感器7固定在上端夹持装置5上，用于实时记录上端夹持装置5移动的位移；
[0011] 电线4连接数字源表A 14和直流电源15,通过直流电源15给试样1两端电极2 加载电压，使用数字源表A 14测量电路的电流；
[0012] 手持式四探针探头11和数字源表B 13相连接；用手持式四探针探头11轻压试样 1表面，使用数字源表B 13测量得到中间2、3两根探针间的电压和最外侧1、4两根探针间 的电流；移动手持式四探针探头11，能够在试样1表面进行多次测量，得到在试样1表面不 同位置点中间2、3两根探针间的电压和最外侧1、4两根探针间的电流。
[0013] 利用上述导电功能材料力电耦合效应测试系统，通过精确控制电压强度、通电时 间和加载速率等参数，可实现实时记录传动轴8带动上端夹持装置5移动所需的载荷和上 端夹持装置5移动的位移；得到完整的载荷-位移曲线；在试样1表面不同位置点用手持式 四探针探头11进行测量，得到手持式四探针探头11中间第二、第三两根探针间的电压和最 外侧第一、第四两根探针间的电流；进一步得到不同位置的微区体积电阻率，能够实现微区 体积电阻率分布图的可视化测量；再计算得到不同电场和力场强度下材料的弹性模量、屈 服强度、拉伸强度、断裂伸长率、整体体积电阻率和微区体积电阻率分布等力学和电学性能 参数，从而获得试样材料的力学性能、电学性能与力场、电场之间耦合效应的变化规律。
[0014] 上述导电功能材料力电耦合效应测试系统中，进一步地，
[0015] 手持式四探针探头11和数字源表B 13相连接的电路上还可连接一个或多个多值 电阻器12,作为电路的补偿电阻，用于扩大体积电阻率的测量范围；体积电阻率的范围为 1〇^ 20-1〇20 Q ? cm ；
[0016] 导电功能材料试样1为等截面矩形导电功能材料试样；导电功能材料为导电高 分子、压电陶瓷、聚合物基、陶瓷基或金属基复合材料等导电功能材料；优选地，试样长为 0_300mm，宽为 0_30mm，厚为 0-10mm ；
[0017] 环状电极2可采用铜、银、金、铂、碳、石墨、铁、铝、锌、锰、钨及其合金中的一种制 作成；
[0018] 绝缘胶带3可为聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚酰胺、橡胶、无纺布、丙 烯酸或橡胶中的一种或多种；
[0019] 夹持装置5~6与试样截面形状相对应，可以为平钳口、圆形钳口等试样截面形钳
[0020] 本发明还提供一种导电功能材料力电耦合效应测试方法，利用驱动电机9、力传感 器10、位移传感器7、夹持装置5~6、传动轴8、数字源表13~14、手持式四探针探头11、 直流电源15等设备，通过对电压强度、通电时间和加载速度等参数进行精确控制，实现对 导电功能材料试样的力电耦合效应的测量与分析，依次包括如下步骤：
[0021] 1)围绕等截面矩形导电功能材料试样1两端加工制作环状电极2,在试样侧面电 极上外接电线4 ;
[0022] 2)在带有电极2和电线4的试样两端缠绕绝缘胶带3,胶带缠绕厚度小于试样厚 度，保证测试过程中试样与夹持装置绝缘；在本发明实施例中，试样厚度为〇-l〇mm，胶带缠 绕厚度为〇. 〇l-3mm ;
[0023] 3)使用夹持装置5~6将电极2、绝缘胶带3和试样1 一起夹住，根据材料的软硬 度调节夹具松紧，以试样不滑移、不变形和电极不松动为标准；
[0024] 4)夹持装置下端6固定，上端5与传动轴8连接并保持同步运动，驱动电机9带动 传动轴8转动，进而通过夹持装置上端5的同步移动完成对试样1的加载，通过驱动电机9 的转速控制加载速率，结合加载时间控制夹持装置上端的移动位移；在本发明实施例中，驱 动电机的转速控制为〇 _l〇〇〇〇〇rad/min，加载速率为0-1000mm/min ;
[0025] 5)在夹持装置对试样加载的同时，直流电源15给试样两端电极2加载电压U，精 确控制通电时间；在本发明实施例中，加载电压U为0-36V，通电时间为0-24h ;
[0026] 6)力传感器10与传动轴8相连，实时记录传动轴带动夹持装置移动所需的载荷 f ;位移传感器7固定在夹持装置上端5,实时记录夹持装置上端5移动的位移；通过力传感 器10和位移传感器7的实时监测，可以得到完整的载荷-位移曲线；在本发明实施例中， 力传感器为压阻式、电阻应变片、半导体应变片、电感式、电容式、谐振式或加速度式中的一 种；传动轴带动夹持装置移动所需的载荷f为0-100000N ;位移传感器为电感式、电容式、光 电式、超声波式、霍尔式中的一种；夹持装置上端移动的位移为0-2000mm ;
[0027] 7)根据载荷-位移曲线，计算弹性模量E、拉伸强度〇 b、屈服强度〇 s和断裂伸长 率等力学性能参数；在本发明实施例中，弹性模量E为0-10TPa，拉伸强度〇b为0-lTPa，屈 服强度〇 sS〇_lTPa，断裂伸长率为0-1000