一种实验室用压电材料恒温极化装置及其极化方法
阅读说明：本技术 一种实验室用压电材料恒温极化装置及其极化方法 (Piezoelectric material constant-temperature polarization device for laboratory and polarization method thereof ) 是由 蒋帅 沈意平 张克昌 杨晶 刘缘 谢菲 肖俐含 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实验室用压电材料恒温极化装置及其极化方法,它包括极化装置,所述极化装置包括夹具体,所述夹具体内设置有电极容纳腔,所述电极容纳腔内平行设置有两电极板,所述夹具体上设置有两电极板距离调节装置；所述电极容纳腔的内壁上设置有多个进油孔,所述电极板完全浸没在硅油内；所述两电极板分别从夹具体内引出一个导电柱,两导电柱连接数显可调直流电源装置。本发明的实验室用压电材料恒温极化系统结构紧凑、简单、安全,经济实用、操作方便；旨在实现不同结构形状和不同厚度的压电材料进行实验室用的小批量极化工作,控制极化温度和极化电压,研究材料极化影响因素,改善极化效果,提高工作效率,便于实验室管理和维护。(The invention discloses a piezoelectric material constant-temperature polarization device for a laboratory and a polarization method thereof, wherein the polarization device comprises a clamp body, an electrode accommodating cavity is arranged in the clamp body, two electrode plates are arranged in the electrode accommodating cavity in parallel, and a distance adjusting device for the two electrode plates is arranged on the clamp body; a plurality of oil inlet holes are formed in the inner wall of the electrode accommodating cavity, and the electrode plate is completely immersed in the silicon oil; and the two electrode plates are respectively led out of the clamp body to form a conductive column, and the two conductive columns are connected with the digital display adjustable direct current power supply device. The piezoelectric material constant-temperature polarization system for the laboratory is compact, simple, safe, economical, practical and convenient to operate; the polarization effect is improved, the working efficiency is improved, and the laboratory management and maintenance are facilitated.)
技术领域
本发明涉及压电材料极化技术领域，特别涉及一种实验室用压电材料恒温极化装置及其极化方法。
背景技术
某些材料受到机械力而产生拉伸或压缩时,其内部产生极化现象,使材料相对的两个表面出现等量异号电荷的现象,外力越大,则表面电荷就越多,表面电荷的符号视外力的方向而定，这种效应一般称做正压电效应，具有这种效应的材料称之为压电材料。当这些材料上加电场时,会产生机械形变(伸长或缩短),如果是交变电场,则就会交替出现伸长和压缩,即发生机械振动。这种现象称之为逆压电效应(电致伸缩效应)。而具有这种效应的材料称之为逆压电材料。压电材料需要极化才能显出电学活性，常见的极化方式有接触式极化与非接触式极化。实验室最常规的接触式极化方法是油浴极化，即将样品置于油浴中，在一定温度下，将压电材料置于极化电场一定时间完成极化。
压电常数是衡量压电材料压电效应强弱的一项重要参数，为了保证优良的压电性能，压电材料的极化是不可或缺的重要工序。如何得到综合性能优异的压电材料，其中关键在于压电材料的极化工艺，极化工艺是赋予压电材料压电性能的基本工艺，而诸多错综复杂的影响因素制约着压电材料的充分极化。
大多数实验室进行极化研究时，通常购买价格昂贵的高压极化设备(如武汉佰力博科技有限公司生产的MPD-10KV高压极化装置、乐迪仪器(宁波)有限公司的ET2673D-4全数显型压电陶瓷高压极化仪)，相比较而言，本发明从价格低廉，设备简单实用角度出发需要研制实验室小批量极化的装置。而在实验室内的极化方法，除油浴热极化以外，还有真空极化，空气热极化。油浴热极化综合了硅油的良好绝缘性与导热性，实现良好绝缘环境下的高温恒温极化。相较之其他两种极化方法，是实验室内极化效率较高，极化效果较好，安全性能高，最易实现的一种极化方法。但该两种极化方法极化时间较长，极化效率低，且空气极化在高压情况容易出现介质击穿现象，安全性低。油浴热极化较之其二者极化效率高、极化效果好、安全性高。
另外，公开号为106328804B的发明专利公开了一种多通道的压电薄膜极化夹具，该夹具用于压电薄膜极化工作，结构制备工作简单，但体积体积较大，不能借用常用实验室仪器实现恒温极化，忽略了烧瓶的电加热套的作用，不能用于烧瓶内极化，适用性不强；公布号为CN108470823A的发明专利公布了一种用于高分子薄膜的高压电极化系统，包括高压极化电源、高压电极、极化电场组件、薄膜极化组件和加热装置等，该系统进行极化时需对整个系统抽真空，设备复杂，价格昂贵，对操作人员要求高，实现难度高，且其加热装置容易导致样品上下表面有温差，加热不均匀。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种实验室用压电材料恒温极化装置及其极化方法，本发明的实验室用压电材料恒温极化系统结构紧凑、简单、安全，经济实用、操作方便；旨在实现不同结构形状和不同厚度的压电材料进行实验室用的小批量极化工作，控制极化温度和极化电压，研究材料极化影响因素，改善极化效果，提高工作效率，便于实验室管理和维护。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种实验室用压电材料恒温极化装置，包括数显恒温可调电热油浴装置，所述数显恒温可调电热油浴装置包括油浴烧瓶、温度传感器和数显恒温电加热套，所述油浴烧瓶内设置有硅油，所述油浴烧瓶设置在数显恒温电加热套上，所述油浴烧瓶上设置两个瓶口，其中一个瓶口内插入极化装置，另一个瓶口内插入温度传感器，所述温度传感器连接数显恒温电加热套的控制箱；所述极化装置包括夹具体，所述夹具体内设置有电极容纳腔，所述电极容纳腔内平行设置有两电极板，所述夹具体上设置有两电极板距离调节装置；所述电极容纳腔的内壁上设置有多个进油孔，所述电极板完全浸没在硅油内；所述两电极板分别从夹具体内引出一个导电柱，两导电柱连接数显可调直流电源装置。
进一步的，所述夹具体设置为T型，包括结构相同的两半T型夹具板，所述半T型夹具板竖板内设置有凹槽，所述凹槽的两侧壁上对称设置有多个均布的进油通孔，所述半T型夹具板顶部设置有连通凹槽的导电柱安装螺纹孔，两所述半T型夹具板拼合为完整的夹具体，其内的两凹槽组合成电极容纳腔；所述导电柱一端设置有螺纹，所述导电柱从安装螺纹孔内插入与电极板接触。
进一步的，所述凹槽底部设置有调节螺纹孔，所述调节螺纹孔内设置有接触电极板的调节螺钉，所述调节螺钉构成电极板的距离调节装置。
进一步的，所述半T型夹具板的横板中部设置有固定通孔，两半T型夹具板由螺栓穿过固定通孔紧固。
进一步的，所述夹具体和调节螺钉的材料均为耐高温绝缘材料，所述电极板和导电柱材料均为具有导电性的导体材料。
一种实验室用压电材料恒温极化装置的极化方法，包括以下步骤：
S1：将电极板平行设置在夹具体内的电极容纳腔内，同时安装好两导电柱，使得两导电柱分别与两电极板顶部接触，然后将待极化的压电材料放置于两电极板之间形成的空腔中，再调节电极板距离调节装置至合适间距；
S2：将S1最终得到的极化装置从其中一个瓶口插入油浴烧瓶中，随即从另一瓶口倒入硅油，硅油从进油通孔进入电极容纳腔内，浸没电极板和压电材料，排出电极容纳腔内空气，形成绝缘极化环境，然后将温度传感器从该瓶口的活塞孔置于瓶中硅油中；再开启数显恒温电热装置的开关，开始恒温工作；
S3：通过极化电缆连接数显可调直流电源装置的输出电压正负极接线端与极化装置的两导电柱形成极化电路；待数显恒温电热装置开始恒温工作时，开启数显可调直流电源开关，进行极化工作；
S4：到达预设定极化时间后，关闭数显可调直流电源装置开关，关闭数显恒温电热装置，断开数显可调直流电源装置的正负极接线端与两导电柱的连接；拆除极化装置，取出两电极板之间的压电材料，将极化装置和压电材料上附着的硅油冲洗、烘干，得到极化好的压电材料。
本发明的有益效果：
1、本发明可实现不同结构形状和不同厚度的压电材料进行实验室用的小批量极化工作，通过控制其极化温度和极化电压，改善了极化效果，提高工作效率，便于实验室管理和维护。
2、本发明采用螺栓连接两块半T型夹具板，作为极化装置的主体，充分利用了烧瓶的结构特点，便于极化工作的开展；通过调节螺钉调节两电极板的间距，可以实现不同结构形状和不同厚度的压电材料的极化，保证极化均匀性；精简了极化装置的结构，减少了其整个系统占地空间，提高了极化效果，能更好的放置实验室用的烧瓶内进行油浴恒温极化。
3、本发明的夹具体采用耐高温材料，能适应不同工作温度，且其凹槽结构处开有若干个进油通孔，便于硅油进入极化腔，将空气排出，防止产生空气电离引起短路、高压放电，导致材料的击穿，同时加热的硅油油液进入极化腔也能使样品极化温度与数显恒温电热装置显示的温度一致，保证实验设定数据准确性，更好地为后续实验处理作支撑，提高极化效果。
4、本发明的结构简单合理，占地空间少，操作简单，同时保护了实验人员在高压环境下工作的安全性和生产的安全性，旨在实验室用小型化、安全系数高、经济性好、极化影响因素可控、便于安装维护、小批量高效生产。
附图说明
图1为本发明的实验室用压电材料极化系统示意图。
图2为本发明的极化装置主视图。
图3为本发明的图2中A-A剖视图。
图4为本发明的图2的俯视图。
图5为本发明的极化夹具装置立体爆炸示意图。
图6为本发明的数显恒温可调电热油浴装置示意图。
图7为本发明的数显可调直流电源装置示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参考图1-图7，本发明的具体结构为一种实验室用压电材料恒温极化装置，包括极化装置1，数显恒温可调电热油浴装置2和数显可调直流电源装置3，其中，数显恒温可调电热油浴装置2包括油浴烧瓶23、温度传感器22和数显恒温电加热套21，所述数显恒温电加热套21上设置油浴烧瓶23，油浴烧瓶23内设置有硅油，油浴烧瓶23通过数显恒温电加热套21加热为内硅油提供恒定的温度，所述油浴烧瓶23上设置一大一小两个瓶口，其中一个大的瓶口内插入极化装置1，另一个小的瓶口内插入温度传感器22，所述极化装置1的两导电柱13连接数显可调直流电源装置3；所述温度传感器22连接数显恒温电加热套21的控制箱，采集温度信号并传递给数显恒温电加热套21的控制箱进行温度调节；所述极化装置1包括夹具体，所述夹具体内设置有电极容纳腔，所述电极容纳腔内平行设置有两电极板16，所述夹具体上设置有两电极板16的距离调节装置，通过该距离调节装置可调节两电极板16的距离，可以实现不同结构形状和不同厚度的压电材料的极化，保证极化均匀性；所述电极容纳腔的内壁上设置有多个进油通孔15，所述电极板16完全浸没在硅油内，通过进油通孔15进油，将其内的空气排出，并填充满电极容纳腔；所述两电极板16分别从夹具体内引出一个导电柱13，两导电柱13连接数显可调直流电源装置3，通过数显可调直流电源装置3连接两导电柱13构成极化电路，使得两电极板16之间形成均匀的极化电场。
优选的，为便于导向柱13与电极板16端部接触，导电柱13末端加了一个套筒，其直径刚好与槽深相同，即电极板16在槽内移动时，总能与套筒接触。该套筒为设置在导电柱13末端的圆柱压缩弹簧，压缩弹簧外径与槽深相同，内径略小于导电柱13直径，导电柱13末端与弹簧内过盈装配连接，另一端抵住电极板侧面，实现两者的接触。
其中，极化装置1包括夹具体，该夹具体包括两结构相同的半T型夹具板11，在半T型夹具板的竖板内设置有凹槽111，半T型夹具体顶部设置有与凹槽导通的导电柱螺纹孔114，在该导电柱螺纹孔114内设置有导电柱13，导电柱13的一端设置为螺纹端，该螺纹端与导电柱螺纹孔114的内螺纹配合固定导电柱13；两个半T型夹具板拼合构成完整的夹具体，其内的两个凹槽111合并为一个电极容纳腔，在该电极容纳腔内设置有两电极板16，两电极板16平行设置，各电极板16的顶部与对应的一个导电柱13的螺纹端的底部接触连接。该夹具体的作用除了固定电极板、便于油液流入排出空气外，最主要结构紧凑能放置入油浴烧瓶23内，烧瓶内的油浴热极化提高了压电产品的极化效率与极化品质。
进一步的，为便于电极板16的安装，所述电极板16的两端中部设置有导向缺口161，该导向缺口161与对应设置在凹槽111上下端的导向凸起114相适配，使得两电极板16只能在电极容纳腔的深度方向移动。
进一步的，为使得两电极板16可进行距离调节，在半T型夹具板的凹槽的底部设置上、下两个调节螺纹孔113，所述调节螺纹孔113内螺纹配合有调节螺钉14，该调节螺钉14的端部与对应的电极板16接触，推动对应的电极板16移动。两电极板16之间的距离调节主要是挤住压电材料，或者塞入高度标块，挤压高度块，得到标准极化高度。
进一步的，为便于两半T型夹具板拼合固定，在半T型夹具板的横板中部开设固定安装孔121，通过螺栓12依次穿过两个半T型夹具板的固定安装孔121使得两半T型夹具板拼合固定固定为整体的夹具体。
进一步的，在凹槽111两侧设置均匀设置有多个进油通孔15，油浴烧杯23内的硅油从该进油通孔15充满电极容纳腔，并将内部的空气排出，防止产生空气电离引起短路、高压放电，导致材料的击穿的问题。
其中，数显恒温可调电热油浴装置2包括数显恒温电加热套21、温度传感器22和油浴烧瓶23；其中，数显恒温电加热套21包括加热系统211、温度采集与调节系统212、显示屏213、操作面板214、开关215与状态指示灯216；所述的数显恒温电加热套21具有加热与温度反馈闭环系统，通过操作面板214设定极化温度，显示屏213显示实时温度，升温过程状态指示灯亮红灯，温度达到设定值时状态指示灯亮绿灯，即可以开始极化工作；其中的温度传感器22用于采集由于油浴烧瓶23内油液温度，并实时反馈给温度采集与调节系统212；所述的油浴烧瓶23为两口或两口以上，瓶内存有硅油，极化装置1通过一瓶口插入瓶内并使电极板16全部浸没硅油内，温度传感器22从另一瓶口插入瓶内，测试部分浸入硅油内。
其中，数显可调直流电源装置3包括可调直流电源31、电压调节模块32以及连接电缆33；所述直流电源装置31具有将交流电转化为可控直流高压电功能；所述的电压调节模块32包括输出电压调节装置321、控制开关322、电压显示屏323、定时旋钮324、电压调节旋钮325、电流显示屏326、输出电压正负极接线端327；所述电压显示屏323显示实时输出电压，电流显示屏326显示正负极间电流流通情况，电压调节旋钮调节325输出电压大小，顺时针旋转增大，逆时针减小，定时旋钮与设定输出电压时间；所述的连接电缆33用于将数显可调直流电源装置3的输出电压正负极接线端327与极化装置1的导电柱13连通。
优选的，所述夹具体和调节螺钉14的材料均为耐高温绝缘材料，可选用耐高温玻璃；所述电极板16和导电柱13材料均为具有导电性的导体材料，可选用紫铜。
优选的，数显恒温电加热套21采用数显控温1000ml电热套。
优选的，数显可调直流电源装置数显可调直流电源装置采用HB-Z603-2AC直流高压电源。
一种实验室用压电材料恒温极化装置的极化方法，包括以下步骤：
S1：平铺其中一个半T型夹具板11，将其中一电极板16的导向缺口顺着对应的半T型夹具板11的导向凸起114放入对应凹槽中，其中一个导电柱13从半T型夹具板11上的导电柱螺纹孔112旋入，与对应电极板16接触连接，按上述操作，将另一电极板和导电柱装配入另一个半T型夹具板11；然后将待极化的压电材料放置于两电极板16形成的空腔中，再用螺栓12通过固定安装孔将两半T型夹具板11装配连接为整体的夹具体，同时采用调节螺钉14调节两电极板间的间距至合适间距，保证极化效果；其中，压电材料主要是指：压电陶瓷片、复合压电陶瓷材料片，以及柔性压电薄膜等；
S2：将S1最终得到的极化装置通过其中一个瓶口插入油浴烧瓶23内，其T型的头部卡在瓶口处，随即从另一瓶口向内倒入硅油，直至浸没电极板、压电材料，通过进油通孔使硅油进入电极容纳腔内，排出电极容纳腔内的空气形成绝缘极化环境；温度传感器22顶部通过油浴烧瓶23瓶口的活塞孔置于瓶中硅油中，温度传感器22顶部不与烧瓶瓶体接触；开启数显恒温可调电热油浴装置2的开关，开启数显恒温电热装置2的开关215，通过操作面板214设定极化温度，显示屏中状态指示灯216亮红灯时，表示正在升温，到达设定值开始恒温工作时，指示灯216红灯灭，绿灯亮；
S3：通过极化电缆33连接数显可调直流电源装置3的输出电压正负极接线端327与极化装置1的两导电柱13形成极化电路；待数显恒温可调电热油浴装置2开始恒温工作时，开启数显可调直流电源装置3的控制开关322，通过电压调节旋钮325调节输出电压大小，使其达到设定极化电压，通过定时旋钮324设定预极化时间，进行极化工作；
S4：到达预设定极化时间后，电压调节自动回零，关闭数显可调直流电源装置3的控制开关322，关闭数显恒温电热装置2，断开数显可调直流电源装置3的输出电压正负极接线端327与两导电柱13的连接；取出极化装置1，调节可调螺钉14和螺栓12，取出压电材料，将极化装置1和压电材料上附着的硅油冲洗、烘干，得到极化好的压电材料。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。