專利名稱：一種材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)試設(shè)備，特別涉及一種材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備。
背景技術(shù)：
電弧等離子體技術(shù)可廣泛應(yīng)用于切割、熱噴涂、焊接、熔煉、新材料合成、超細(xì)粉制備、廢水處理、空間推進(jìn)等方面。電弧等離子發(fā)生器中的陰極是這一系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。陰極擔(dān)負(fù)著發(fā)射電子，維持電弧穩(wěn)定燃燒的作用，同時(shí)還承受高能離子轟擊和高溫?zé)g等苛刻的服役條件，因燒蝕而導(dǎo)致的使用壽命短是其突出矛盾。因此，開發(fā)和研制新型電極材料，滿足等離子體技術(shù)的發(fā)展需求，勢(shì)在必行。陰極材料性能的優(yōu)劣取決于自身的起弧性能和電弧燒蝕性能。而陰極材料的起弧性能和電弧燒蝕性能則主要取決于陰極的電子發(fā)射能力和電弧在電極表面的形態(tài)和分布，而陰極材料電子發(fā)射能力的強(qiáng)弱可以用其真空擊穿場(chǎng)強(qiáng)來(lái)加以評(píng)價(jià)。觀察陰極斑點(diǎn)在電極表面的形成、運(yùn)動(dòng)和熄滅過(guò)程，可通過(guò)高速攝影的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了開發(fā)和研制新型電極材料，必須首先開發(fā)出可用于評(píng)價(jià)電極材料性能的高性能的檢測(cè)設(shè)備和方法。但是，到目前為止還沒(méi)有一個(gè)比較完善的高精度設(shè)備來(lái)測(cè)試和表征材料的上述性能。因此，研究出精密測(cè)試設(shè)備和相應(yīng)的測(cè)試方法可為新型電極材料的開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)支持和科學(xué)依據(jù)，并能指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代電極材料。
為了表征材料的真空擊穿性能和觀察陰極斑點(diǎn)的形貌，目前的做法是，陰極材料在真空小間隙下的起弧場(chǎng)強(qiáng)是在經(jīng)改裝的TDR-40A真空單晶爐中進(jìn)行的。測(cè)試過(guò)程如下陰極材料被加工成金相試樣，精細(xì)拋光后放入真空爐中作陰極，陽(yáng)極用Φ2mm純鎢制成，固定在陰極上方的移動(dòng)桿上，下面與陰極面平行。陰極和陽(yáng)極在5×10-3Pa的真空度下加熱到500℃保溫0.5h以除去表面雜質(zhì)及吸附氣體，之后在真空中冷卻至室溫。在陰極和陽(yáng)極之間加上8KV的直流電壓，使陰極以0.2mm/min的速度緩慢上升，接近陽(yáng)極直至在陰極和陽(yáng)極之間引燃電弧，用百分表測(cè)量此時(shí)陰極間的距離，擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值為為擊穿電壓除以擊穿距離。拉開陰極和陽(yáng)極，重復(fù)上述過(guò)程。上述測(cè)量設(shè)備及方法的缺點(diǎn)是陰極的固定方式簡(jiǎn)單，難以對(duì)其進(jìn)行三維方向的精確調(diào)整對(duì)正；通過(guò)真空下加熱再冷卻的方式去除樣品表面雜質(zhì)及吸附氣體，該方法需要加熱系統(tǒng)，且工藝過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，清除效果不理想；采用傳統(tǒng)的渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，陰-陽(yáng)極之間接近速度較快，且用百分表測(cè)量陰極間的距離，精度較低；測(cè)試過(guò)程基本靠手動(dòng)和目測(cè)進(jìn)行，設(shè)備的自動(dòng)化程度低；設(shè)備上未配備CCD相機(jī)，不能對(duì)陰極斑點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。
本發(fā)明在吸取前人部分測(cè)試方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密光電測(cè)控技術(shù)，通過(guò)這些先進(jìn)設(shè)備和測(cè)試技術(shù)的支持發(fā)明了一種全自動(dòng)精密測(cè)試設(shè)備和相應(yīng)的測(cè)試方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備能進(jìn)行三維方向的精確調(diào)整對(duì)正，并能精確測(cè)量出擊穿距離。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它還包括XYZ三坐標(biāo)支架(1)、激光測(cè)距儀器(5)，在所述真空室(2)內(nèi)設(shè)置有XYZ三坐標(biāo)支架(1)和固定陽(yáng)極裝置(8)，該固定陽(yáng)極裝置(8)固定有陽(yáng)極(4)，所述XYZ三坐標(biāo)支架(1)用于固定作為陰極的被測(cè)試樣(3)；在真空室(2)外垂直于XYZ三坐標(biāo)支架(1)方向處設(shè)置激光測(cè)距儀器(5)，激光測(cè)距儀器(5)與真空室(2)連通。
為了清洗效果良好，且方便，在所述真空室(2)外還設(shè)置有Ar+槍(15)，且與真空室(2)連通。
所述激光測(cè)距儀器(5)與監(jiān)視器(6)相連，監(jiān)視器(6)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)(7)相連。
所述真空室(2)連接有用于抽真空的真空系統(tǒng)(9)。
在所述真空室(2)外還設(shè)置有相機(jī)(16)，且與真空室(2)連通，相機(jī)(16)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)(7)相連。
直流電源(14)分別與示波器(17)和陽(yáng)極(4)相連。
所述示波器(17)連有進(jìn)給系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)(13)。
所述固定陽(yáng)極裝置(8)連有液壓系統(tǒng)(10)。
為了使裝置簡(jiǎn)便，所述固定陽(yáng)極裝置(8)還可以連有步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)(18)。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)本測(cè)試設(shè)備為全新設(shè)計(jì)的儀器；全系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的光電測(cè)試儀器組成，因此全系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高、控制精度高、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性強(qiáng)；測(cè)量數(shù)值可實(shí)時(shí)采集并處理，測(cè)試效率高；試驗(yàn)現(xiàn)象可實(shí)時(shí)觀察。該發(fā)明使用范圍廣泛，可適用于各種金屬材料或金屬基復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、擊穿電流的精確測(cè)試，以及陰極斑點(diǎn)的發(fā)生過(guò)程，陰極斑點(diǎn)形貌的實(shí)時(shí)觀察。


圖1為本發(fā)明材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，全套測(cè)試設(shè)備由真空室、XYZ三坐標(biāo)支架、激光測(cè)距儀器、CCD相機(jī)、監(jiān)視器、進(jìn)給系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)、Ar+槍系統(tǒng)、示波器、CCD相機(jī)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、機(jī)架、DC電源等構(gòu)成。
本發(fā)明在所述真空室2內(nèi)設(shè)置有XYZ三坐標(biāo)支架1和固定陽(yáng)極裝置8，該固定陽(yáng)極裝置8固定有陽(yáng)極4，所述XYZ三坐標(biāo)支架1用于固定作為陰極的被測(cè)試樣3；在真空室2外垂直于XYZ三坐標(biāo)支架1方向處設(shè)置激光測(cè)距儀器5，激光測(cè)距儀器5與真空室2連通。在所述真空室2外還設(shè)置有Ar+槍15，且與真空室2連通。所述激光測(cè)距儀器5與監(jiān)視器相連，監(jiān)視器6與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)7相連。在所述真空室2外還設(shè)置有CCD相機(jī)16，且與真空室2連通，CCD相機(jī)16與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)7相連。所述真空室2應(yīng)保持較高的真空度，真空度大于2×10-3Pa。直流電源14分別與示波器17和固定陽(yáng)極裝置8相連。所述固定陽(yáng)極裝置8連有液壓系統(tǒng)10。
其測(cè)試過(guò)程如下把樣品加工成金相試樣，精細(xì)拋光后放入真空室內(nèi)并固定在XYZ三坐標(biāo)支架上作為陰極，XYZ三坐標(biāo)支架可在X、Y、Z三個(gè)方向微調(diào)，通過(guò)調(diào)整使陰極與陽(yáng)極對(duì)正，即使陽(yáng)極對(duì)準(zhǔn)陰極的中心部。拉開陰極和陽(yáng)極到一定距離，然后用Ar+槍清洗5min以除去表面雜質(zhì)及吸附氣體。啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，在液壓系統(tǒng)的作用下，陽(yáng)極以0.01mm/min的速度極緩慢上升并接近被測(cè)試樣(陰極)，在一定距離時(shí)發(fā)生擊穿。通過(guò)示波器和進(jìn)給系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)精確控制陽(yáng)極的啟動(dòng)與停止時(shí)間，即當(dāng)發(fā)生擊穿時(shí)，當(dāng)在示波器上顯示有一定量電流出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)給系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)控制進(jìn)給系統(tǒng)立即終止。用激光測(cè)距儀器精確測(cè)量陽(yáng)極與陰極間的距離，并通過(guò)CCD相機(jī)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)即時(shí)計(jì)算出擊穿場(chǎng)強(qiáng)。拉開陰極和陽(yáng)極，重復(fù)上述過(guò)程。
本發(fā)明測(cè)距采用激光測(cè)距儀，大大提高了測(cè)量距離；采用氬離子清洗試樣，清洗效果好；采用液壓系統(tǒng)作為進(jìn)給機(jī)構(gòu)，可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，也改善了數(shù)據(jù)精度；采用XYZ三坐標(biāo)支架，使測(cè)試調(diào)整精度提高；配備CCD相機(jī)系統(tǒng)，可以對(duì)陰極斑點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。
實(shí)施例1本發(fā)明測(cè)量W-2％ThO2電極材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)過(guò)程如下把W-2％ThO2電極材料用機(jī)械加工(如線切割)取樣，再把樣品制成金相試樣，精細(xì)拋光后放入真空室內(nèi)并固定在XYZ三坐標(biāo)支架上，在三維空間微調(diào)XYZ三坐標(biāo)支架使樣品平面水平并和陽(yáng)極對(duì)正。打開真空系統(tǒng)，使真空室保持較高的真空度，真空度不低于2×10-3Pa。然后啟動(dòng)Ar+槍清洗系統(tǒng)，用Ar+槍清洗5min以除去表面雜質(zhì)及吸附氣體。啟動(dòng)DC直流可調(diào)電源，根據(jù)需要將電壓確定在8000V。啟動(dòng)液壓系統(tǒng)電源控制計(jì)算機(jī)和CCD相機(jī)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)。啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，在液壓系統(tǒng)和油缸的作用下，陽(yáng)極以0.01mm/min的速度極緩慢上升并接近被測(cè)試樣(陰極)，在一定距離時(shí)發(fā)生擊穿，通過(guò)示波器和液壓系統(tǒng)電源控制計(jì)算機(jī)精確控制陽(yáng)極的啟動(dòng)與停止時(shí)間，用激光測(cè)距儀器精確測(cè)量陽(yáng)極與陰極間的距離，并通過(guò)CCD相機(jī)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)即時(shí)計(jì)算出擊穿場(chǎng)強(qiáng)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式為8000V/擊穿距離。拉開陰極和陽(yáng)極，重復(fù)上述過(guò)程。每個(gè)樣品測(cè)量100次，最后控制計(jì)算機(jī)基于origin軟件繪圖繪出擊穿場(chǎng)強(qiáng)與擊穿次數(shù)的關(guān)系曲線。利用CCD相機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)拍攝陰極斑點(diǎn)的形成、演變過(guò)程。
本發(fā)明可根據(jù)需要測(cè)試各種不同材料的真空擊穿性能，如W-2％ThO2電極材料、W-Cu電極材料以及其它金屬基復(fù)合材料的真空擊穿性能。
實(shí)施例2如圖2所示，其他結(jié)構(gòu)和測(cè)試過(guò)程與實(shí)施例1相同，將固定陽(yáng)極裝置8改為連有步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)18。
權(quán)利要求
1.一種材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，它包括真空室(2)，其特征是它還包括XYZ三坐標(biāo)支架(1)、激光測(cè)距儀器(5)，在所述真空室(2)內(nèi)設(shè)置有XYZ三坐標(biāo)支架(1)和固定陽(yáng)極裝置(8)，該固定陽(yáng)極裝置(8)固定有陽(yáng)極(4)，所述XYZ三坐標(biāo)支架(1)用于固定作為陰極的被測(cè)試樣(3)；在真空室(2)外垂直于XYZ三坐標(biāo)支架(1)方向處設(shè)置激光測(cè)距儀器(5)，激光測(cè)距儀器(5)與真空室(2)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是在所述真空室(2)外還設(shè)置有Ar+槍(15)，)且與真空室(2)連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是所述激光測(cè)距儀器(5)與監(jiān)視器(6)相連，監(jiān)視器(6)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)(7)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是所述真空室(2)連接有用于抽真空的真空系統(tǒng)(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是在所述真空室(2)外還設(shè)置有相機(jī)(16)，且與真空室(2)連通，相機(jī)(16)與測(cè)距儀控制計(jì)算機(jī)(7)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是直流電源(14)分別與示波器(17)和陽(yáng)極(4)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是所述示波器(17)連有進(jìn)給系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是所述固定陽(yáng)極裝置(8)連有液壓系統(tǒng)(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，其特征是所述固定陽(yáng)極裝置(8)連有步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)(18)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試設(shè)備，它還包括XYZ三坐標(biāo)支架(1)、激光測(cè)距儀器(5)，在所述真空室(2)內(nèi)設(shè)置有XYZ三坐標(biāo)支架(1)和固定陽(yáng)極裝置(8)，該固定陽(yáng)極裝置(8)固定有陽(yáng)極(4)，所述XYZ三坐標(biāo)支架(1)用于固定作為陰極的被測(cè)試樣(3)；在真空室(2)外垂直于XYZ三坐標(biāo)支架(1)方向處設(shè)置激光測(cè)距儀器(5)，激光測(cè)距儀器(5)與真空室(2)連通。本發(fā)明能進(jìn)行三維方向的精確調(diào)整對(duì)正，并能精確測(cè)量出擊穿距離?？蛇m用于各種金屬材料或金屬基復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、擊穿電流的精確測(cè)試，以及陰極斑點(diǎn)的發(fā)生過(guò)程，陰極斑點(diǎn)形貌的實(shí)時(shí)觀察。
文檔編號(hào)G01R31/12GK101059549SQ20071001787
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者王發(fā)展, 原思聰 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)