本發(fā)明涉及電卡材料電卡性能測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體的是涉及一種基于直接法測(cè)量電卡材料的電卡性能的測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

電卡材料是一種常見(jiàn)的功能材料，其表現(xiàn)出的電卡效應(yīng)是由于極性材料在外電場(chǎng)的改變導(dǎo)致極化狀態(tài)發(fā)生改變而產(chǎn)生的絕熱溫度或等溫熵的變化。電卡效應(yīng)最早在1880年于羅息鹽(Rochlle Salt)中被發(fā)現(xiàn)。隨后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)得到的電卡效應(yīng)因?yàn)檩^弱、尚未達(dá)到應(yīng)用的要求并未引起太多關(guān)注。

隨著Mischenko于2006年和Neese于2008年在《Science》雜志上分別報(bào)道了溫度變化超過(guò)10K的鐵電薄膜和可在常溫工作的鐵電聚合物，更多具有巨電卡效應(yīng)的鐵電陶瓷和鐵電聚合物相繼被發(fā)現(xiàn)，吸引了眾多研究機(jī)構(gòu)的注意，掀起了電卡研究的熱潮。

電卡材料的研究熱潮使研究人員對(duì)電卡性能測(cè)量裝置的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度提出了更高要求。測(cè)量電卡材料性能主要有兩種方法：間接法和直接法。間接法又分為兩種，一種是通過(guò)測(cè)量不同溫度下的極化率隨電場(chǎng)的變化曲線(P-E曲線)再經(jīng)過(guò)一系列數(shù)值模擬和計(jì)算得到；另一種則直接通過(guò)唯象理論計(jì)算獲得。直接法也有兩種：一種是通過(guò)改進(jìn)的差熱分析儀測(cè)得，另一種則通過(guò)高分辨率熱學(xué)器件測(cè)得。因此，一般認(rèn)為直接法得到的數(shù)據(jù)更直接、更具說(shuō)服力。

測(cè)量電卡材料性能的理論方法很多，但一直未有成熟的測(cè)量裝置問(wèn)世，因此提出一種實(shí)用可靠的電卡測(cè)量裝置非常有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種有實(shí)際操作意義的基于直接法測(cè)量電卡材料的電卡性能的測(cè)量裝置，通過(guò)用溫度傳感器直接測(cè)量電卡材料在充放電周期內(nèi)的溫度變化，實(shí)現(xiàn)電卡性能測(cè)量，以為眾多電卡領(lǐng)域的研究和應(yīng)用技術(shù)人員提供便利。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種電卡測(cè)量裝置，包括放置待測(cè)材料的測(cè)量腔室、溫控系統(tǒng)、電源以及溫度傳感器；所述溫控系統(tǒng)，用于將所述測(cè)量腔室內(nèi)空氣及待測(cè)材料加熱或制冷到預(yù)設(shè)測(cè)量溫度；所述電源，用于根據(jù)控制信號(hào)為待測(cè)材料加載周期性電壓，以使待測(cè)材料產(chǎn)生電卡熱量或冷量；所述溫度傳感器，用于采集待測(cè)材料與測(cè)量腔室內(nèi)環(huán)境換熱的熱量并傳送至外部信號(hào)采集系統(tǒng)，以獲取所述待測(cè)材料的電卡性能。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：提供了一種有實(shí)際操作意義的基于直接法的電卡測(cè)量裝置，通過(guò)用溫度傳感器直接測(cè)量電卡材料在充放電周期內(nèi)的溫度變化，可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)得電卡材料在不同溫度、不同電場(chǎng)下的電卡性能，避免了間接法測(cè)量中數(shù)值計(jì)算和模擬帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了電卡性能測(cè)量的精度和可信度，可以為眾多電卡領(lǐng)域的研究和應(yīng)用技術(shù)人員提供便利。

附圖說(shuō)明

圖1，本發(fā)明所述的電卡測(cè)量裝置一實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2A-2C，本發(fā)明所述的待測(cè)材料兩端電源的波形示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供的電卡測(cè)量裝置基于直接法中第二種，即采用熱學(xué)器件直接測(cè)量電卡材料的溫度變化。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的電卡測(cè)量裝置做詳細(xì)說(shuō)明。

參考圖1，本發(fā)明所述的電卡測(cè)量裝置第一實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)示意圖；所述的電卡測(cè)量裝置包括放置待測(cè)材料23的測(cè)量腔室100、溫控系統(tǒng)、電源12以及溫度傳感器21。所述溫控系統(tǒng)，用于將所述測(cè)量腔室100內(nèi)空氣及待測(cè)材料23加熱或制冷到預(yù)設(shè)測(cè)量溫度。所述電源12，用于根據(jù)控制信號(hào)為待測(cè)材料23加載周期性電壓，以使待測(cè)材料23產(chǎn)生電卡熱量或冷量。所述溫度傳感器21，用于采集待測(cè)材料23與測(cè)量腔室100內(nèi)環(huán)境換熱的熱量并傳送至外部信號(hào)采集系統(tǒng)，以獲取所述待測(cè)材料的電卡性能。

所述測(cè)量腔室100可將溫度傳感器21、待測(cè)材料23包圍其中，通過(guò)吸收溫控系統(tǒng)中升/降溫設(shè)備的熱量/冷量將腔室均勻加熱或冷卻到設(shè)定溫度。所述測(cè)量腔室100的形狀為圓柱體、棱柱體的其中之一，或?yàn)槔忮F體、球體、橢球體中任意一種的一部分。本實(shí)施例中，所述測(cè)量腔室100為圓筒狀，以提高加熱或制冷的均勻性。

本實(shí)施例中，所述溫控系統(tǒng)包括：設(shè)于測(cè)量腔室100外部的溫控面板5和半導(dǎo)體制冷器16、與半導(dǎo)體制冷器16相接的導(dǎo)熱腔28、設(shè)于導(dǎo)熱腔28內(nèi)的溫度檢測(cè)器25和與待測(cè)材料23相接的導(dǎo)熱臺(tái)20。其中，在所述溫度檢測(cè)器25檢測(cè)到測(cè)量腔室100中的溫度達(dá)到所述預(yù)設(shè)測(cè)量溫度時(shí)，所述電源12根據(jù)控制信號(hào)為待測(cè)材料23加載周期性電壓，所述溫度傳感器21采集待測(cè)材料23與所述導(dǎo)熱臺(tái)20換熱的熱量并傳送至外部信號(hào)采集系統(tǒng)。

所述溫控面板5，用于設(shè)定所需的溫度作為預(yù)設(shè)測(cè)量溫度；溫控面板5設(shè)置在電卡測(cè)量裝置的前面板4上。

所述半導(dǎo)體制冷器16，用于產(chǎn)生冷量或熱量；通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器16的電流方向，可以實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，以將測(cè)量腔室100內(nèi)空氣及待測(cè)材料23制冷或加熱到預(yù)設(shè)測(cè)量溫度。另，根據(jù)實(shí)際需要，還可以采用冰箱、干冰、液氮等制冷降溫，采用PTC加熱器、電阻絲、電磁感應(yīng)加熱器等加熱升溫，或基于磁卡效應(yīng)、熱聲效應(yīng)的加熱或制冷方式。

所述導(dǎo)熱腔28，用于將冷量或熱量傳遞到所述測(cè)量腔室100內(nèi)，所述導(dǎo)熱腔28的內(nèi)表面所圍成的腔體作為所述測(cè)量腔室100。

所述導(dǎo)熱腔28的內(nèi)表面以及所述導(dǎo)熱臺(tái)20采用具有導(dǎo)熱性能的金屬或無(wú)機(jī)材料制成。例如，采用高熱導(dǎo)率的：金、銀、銅、鋁、鐵、錫、鋅及各其合金等金屬的一種或多種，或采用氧化鋁、氧化鈹、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼、氮化硅、碳化硅等無(wú)機(jī)材料的一種或多種。本實(shí)施例中，導(dǎo)熱腔28內(nèi)表面采用銅，導(dǎo)熱腔28與半導(dǎo)體制冷器16接觸的表面涂有導(dǎo)熱硅脂，或者在與半導(dǎo)體制冷器16緊密接觸的腔室100的下底板上有金屬翅片，進(jìn)一步的，翅片表面有風(fēng)扇加強(qiáng)翅片間或腔室內(nèi)的空氣對(duì)流傳熱。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱腔28和所述導(dǎo)熱臺(tái)20之間設(shè)有隔熱臺(tái)19，以防止熱量或冷量直接傳遞給待測(cè)材料23導(dǎo)致待測(cè)材料23溫度不均勻。所述隔熱臺(tái)19采用具有熱絕緣性能的材料制成，例如采用泡沫塑料、氣凝膠氈、真空、隔熱板、保溫隔熱板、玻璃纖維棉板/氈、聚氨酯發(fā)泡板、離心剝離纖維棉/巖棉、微納隔熱板等中的一種或多種。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱腔28的外壁覆蓋有隔熱層。如圖1所示，本實(shí)施例中，在導(dǎo)熱腔28的外壁的上側(cè)壁覆蓋有上隔熱層29、左右兩側(cè)壁覆蓋有側(cè)隔熱層13，以降低測(cè)量腔室100上側(cè)壁與外界的換熱；在導(dǎo)熱腔28外壁的下側(cè)壁也覆蓋有下隔熱層14，以降低測(cè)量腔室100下方與外界的換熱。各隔熱層與導(dǎo)熱腔28之間使用緊固螺絲31緊固，以使導(dǎo)熱腔28與半導(dǎo)體制冷器16緊密接觸加強(qiáng)傳熱。所述隔熱層采用具有熱絕緣性能的材料制成，例如采用泡沫塑料、氣凝膠氈、真空、隔熱板、保溫隔熱板、玻璃纖維棉板/氈、聚氨酯發(fā)泡板、離心剝離纖維棉/巖棉、微納隔熱板等中的一種或多種。

所述溫度檢測(cè)器25，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量腔室100中的溫度。本實(shí)施例中，所溫度檢測(cè)器25采用設(shè)于測(cè)量腔室100中的熱敏電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量腔室100中的溫度。

具體為：在前面板4的溫控面板5設(shè)定所需的溫度；隨后半導(dǎo)體制冷器16開(kāi)始工作，產(chǎn)生的冷量或熱量通過(guò)與之緊密接觸的導(dǎo)熱腔28為測(cè)量腔室100里的空氣和待測(cè)材料23加熱或制冷；與此同時(shí)，熱敏電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量腔室100中的溫度；待達(dá)到設(shè)定溫度后，使待測(cè)材料23的溫度保持恒定。

所述溫控系統(tǒng)還可以包括控溫儀，用于調(diào)節(jié)升溫或降溫的速率、目標(biāo)等。另外，待測(cè)量腔室100中的溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，還可以通過(guò)控溫儀調(diào)節(jié)加熱或制冷的功率使待測(cè)材料23的溫度保持恒定。

所述電卡測(cè)量裝置進(jìn)一步包括與所述半導(dǎo)體制冷器16相接的循環(huán)水腔室15，在所述半導(dǎo)體制冷器16的工作過(guò)程中，將水泵入循環(huán)水腔室15。例如，在半導(dǎo)體制冷器16的工作過(guò)程中，通過(guò)水泵2將水箱1中的水不斷泵入循環(huán)水腔室15、

所述電源12可以采用穩(wěn)壓輸入，也可以在接收外界模擬或數(shù)字信號(hào)經(jīng)必要的放大后輸入，也可以直接對(duì)電源進(jìn)行操作輸出所需的波形。本實(shí)施例中，所述電源12采用高壓電源，所述高壓電源通常包括：可編輯電壓源或功率源、功率放大器、高壓放大器。在本實(shí)施例中，所述高壓電源為支持模擬信號(hào)輸入的可編輯電源。待測(cè)材料23兩端加載電壓的波形可以是方波、梯形波和正弦波，如圖2A-2C所示。

本實(shí)施例中，所述電卡測(cè)量裝置進(jìn)一步包括穿過(guò)測(cè)量腔室100的兩接線柱17、18，電源12通過(guò)兩接線柱17、18為待測(cè)材料23加載周期性電壓，以使待測(cè)材料23充放電，進(jìn)而測(cè)量待測(cè)材料23的電卡性能。

所述溫度傳感器21為熱流量計(jì)、熱電偶、紅外測(cè)溫儀或熱敏電阻的其中之一。在本實(shí)施例中，所述溫度傳感器21采用熱流量計(jì)。

優(yōu)選的，所述電卡測(cè)量裝置進(jìn)一步包括待測(cè)材料固定裝置，待測(cè)材料固定裝置的固定方式可以是螺絲旋擰固定、彈簧固定、壓板固定中的一種或者多種的組合。本實(shí)施例中，所述待測(cè)材料固定裝置包括壓覆在所述待測(cè)材料23上的隔熱緩沖層24、壓覆在所述隔熱緩沖層24上的壓板22、固定在測(cè)量腔室100內(nèi)并連接壓板22的導(dǎo)向桿27，套接在導(dǎo)向桿27上的升降螺絲26和彈簧30；通過(guò)旋轉(zhuǎn)升降螺絲26，帶動(dòng)壓板22和隔熱緩沖層24向下移動(dòng)固定所述待測(cè)材料23。測(cè)量前，將待測(cè)材料23上放置在熱流計(jì)上，為保證測(cè)量過(guò)程中待測(cè)材料23和熱流計(jì)緊密接觸，向下旋轉(zhuǎn)升降螺絲26，帶動(dòng)壓板22和隔熱緩沖層24逐步向下移動(dòng)到合適位置，既可以將待測(cè)材料23壓緊又可以防止用力過(guò)大將待測(cè)材料23壓碎。其中，導(dǎo)向桿27為圓柱狀，選用低熱導(dǎo)率的高強(qiáng)度工程塑料聚甲醛(POM)固定在導(dǎo)熱腔28的底板上；壓板22選用低熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度的聚碳酸酯或聚丙烯；隔熱緩沖層24選用低熱導(dǎo)率、低強(qiáng)度的硅橡膠。

本發(fā)明中，所述控制信號(hào)可以由信號(hào)發(fā)生器輸出，或者由軟件生成控制信號(hào)后通過(guò)硬件輸出。所述信號(hào)發(fā)生器支持任意函數(shù)編輯功能。所述的軟件包括：Labview，Microsoft VisualStudio，Matlab等；所述的硬件包括：電腦、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集儀、單片機(jī)等。所述外部信號(hào)采集系統(tǒng)，包括采集卡、采集儀及相應(yīng)的采集軟件，用于對(duì)所述溫度傳感器21檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行采集、處理、計(jì)算，根據(jù)溫度傳感器21采集的熱量計(jì)算得到待測(cè)材料的表面熱流密度，從而得出待測(cè)材料的溫變，進(jìn)而測(cè)量出待測(cè)材料的電卡性能；所述外部信號(hào)采集系統(tǒng)還可以進(jìn)一步顯示待測(cè)材料電卡性能測(cè)量結(jié)果。

本發(fā)明所述的控制信號(hào)通過(guò)軟件Labview生成并輸出到電源12，電源12根據(jù)所述控制信號(hào)通過(guò)高壓信號(hào)接口6、8以及接線柱17、18為待測(cè)材料23加載周期性電壓，以使待測(cè)材料23產(chǎn)生電卡熱量或冷量。外部信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡11通過(guò)熱流計(jì)接口9獲取熱流計(jì)的信號(hào)并傳遞到電腦(PC)上，PC經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)軟件顯示或保存為文檔供后續(xù)使用。同時(shí)，可以由示波器10通過(guò)檢測(cè)電壓接口7檢測(cè)待測(cè)材料23兩端的電壓。接口6-8及前面板4均是本發(fā)明所述電卡測(cè)量裝置測(cè)量腔室以下部分，該部分的外殼3采用工程塑料制成。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。