復(fù)阻抗譜的檢測(cè)裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)阻抗譜檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種固體材料微觀結(jié)構(gòu)演化的復(fù)阻抗譜的檢測(cè)裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)50年代，Delahay從理論上系統(tǒng)的討論了用交流方法研究電化學(xué)過程動(dòng)力學(xué)的問題。60年代初，荷蘭物理化學(xué)家Sluyters在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了交流阻抗譜方法在電化學(xué)過程研究中的應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，復(fù)阻抗譜檢測(cè)在理論上的發(fā)展已經(jīng)成熟，應(yīng)用也極廣泛，除了電化學(xué)以外，復(fù)阻抗譜檢測(cè)在材料和器件研究方面有著廣泛的應(yīng)用，它可以用來研究材料晶界及微結(jié)構(gòu)的演化，固體電解質(zhì)的電導(dǎo)性質(zhì)，固體表面的吸附、成膜、電鍍、腐蝕和鈍化過程，以及電池、傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管等器件，在生命科學(xué)的研究中也有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]固體復(fù)阻抗譜是復(fù)阻抗譜檢測(cè)研究的重點(diǎn)之一，是固體受到小幅度微擾時(shí)產(chǎn)生的電化學(xué)響應(yīng)。固體復(fù)阻抗譜測(cè)量結(jié)果主要由固體本身電學(xué)性質(zhì)決定，如電導(dǎo)率，介電常數(shù)等，而這些電學(xué)性質(zhì)參數(shù)通常是溫度的函數(shù)，所以不同溫度下的固體復(fù)阻抗譜是不同的；此夕卜，由于大多數(shù)非金屬材料導(dǎo)電性差，在低溫下的復(fù)阻抗值大，復(fù)阻抗譜中峰與峰時(shí)常相互重疊，使得復(fù)阻抗譜的分析尤為困難。例如發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層低溫下釔穩(wěn)定氧化鋯的晶界峰會(huì)和氧化層相互重疊，而在400°C以上進(jìn)行測(cè)量時(shí)兩個(gè)峰則能區(qū)分開來。因此，通過復(fù)阻抗譜的方法準(zhǔn)確分析多材料成分且導(dǎo)電性較差的材料微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高溫復(fù)阻抗譜測(cè)試是必要的。
[0004]要獲得固體材料的高溫復(fù)阻抗譜，首先需要實(shí)現(xiàn)樣品在高溫下的復(fù)阻抗譜測(cè)試，且保證樣品測(cè)試時(shí)不被氧化、溫度穩(wěn)定、不受外界環(huán)境干擾。然而，要獲得固體高溫的復(fù)阻抗譜尤其是100tC以上的復(fù)阻抗譜極為困難。需要指出的是，對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)電性不好的涂層體系，如熱障涂層，高溫下即使沒有外界環(huán)境的氧進(jìn)入也會(huì)因?yàn)樘沾蓪友醭煞值拇嬖诤徒饘倩装l(fā)生氧化反應(yīng)。因此，為了減少測(cè)試過程對(duì)體系微觀結(jié)構(gòu)帶來的變化，應(yīng)盡量的減少測(cè)量時(shí)間。目前，國內(nèi)外復(fù)阻抗譜測(cè)量通常采用以下方法:將樣品連接上金屬鉑絲后放入高溫爐中加熱，復(fù)阻抗譜測(cè)量儀通過連接鉑絲測(cè)量樣品的復(fù)阻抗譜，極易受到周圍環(huán)境尤其是點(diǎn)噪聲的干擾。韓國科學(xué)家S.P.Yoon等人提出了一種稍加改進(jìn)的方法:將系有鉑絲的鉑絲網(wǎng)與樣品電極連接，在高溫爐完成對(duì)樣品加熱后，用連接鉑絲的復(fù)阻抗譜測(cè)量儀測(cè)量樣品的高溫復(fù)阻抗譜。但是，由于樣品和電極之間的連接可靠性較差，上述方法需要花費(fèi)兩至三天來穩(wěn)定電壓信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間過長，并且由于樣品長期處于高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)和性能會(huì)發(fā)生變化，該裝置只能測(cè)量100tC以下樣品的復(fù)阻抗譜。
[0005]因此，亟待提出一種能快速、精確測(cè)量固體高溫(尤其是100tC以上)復(fù)阻抗譜的裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種固體材料微觀結(jié)構(gòu)演化的高溫復(fù)阻抗譜檢測(cè)裝置及其方法，可以實(shí)現(xiàn)固體材料在兩電極體系下從室溫到1500°C這一溫度范圍內(nèi)的復(fù)阻抗譜測(cè)量，且能精確測(cè)量固體高溫的復(fù)阻抗譜測(cè)量，為固體材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)阻抗譜表征提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種復(fù)阻抗譜的檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置包括:樣品室，位于高溫電阻加熱系統(tǒng)內(nèi)，其內(nèi)部放置有待測(cè)試的樣品；兩根石墨電極，其一端分別伸入所述樣品室內(nèi)并分別電連接到所述樣品的上表面和下表面，另一端分別電連接到復(fù)阻抗譜測(cè)量儀；連接到所述樣品下表面的所述石墨電極，與該樣品的下表面之間設(shè)置有用于加固連接高溫導(dǎo)電膠；兩個(gè)樣品室密封蓋，分別穿過對(duì)應(yīng)的所述石墨電極并密封地連接到所述樣品室的上端開口和下端開口 ；熱電偶，位于所述樣品室內(nèi)并連接到溫度控制器，用于采集樣品表面的溫度，所述溫度控制器根據(jù)所述熱電偶所采集到的溫度值控制所述高溫電阻加熱系統(tǒng)的功率大小；高溫電阻加熱系統(tǒng)，位于所述樣品室的外部，用于加熱所述樣品室；以及復(fù)阻抗譜測(cè)量儀。
[0008]其中，在本發(fā)明中，所述樣品室靠近所述樣品的上下表面的位置分別設(shè)置有隔熱磚，每個(gè)所述隔熱磚穿套在對(duì)應(yīng)的所述石墨電極上。
[0009]其中，在本發(fā)明中，每根所述石墨電極的所述另一端抵靠到質(zhì)量塊，用于使得該石墨電極緊抵于所述樣品的表面。
[0010]其中，在本發(fā)明中，所述檢測(cè)裝置還包括:保護(hù)氣供給系統(tǒng)，與所述樣品室連通，用于向所述樣品室內(nèi)供入氦氣。
[0011 ] 其中，在本發(fā)明中，所述保護(hù)氣供給系統(tǒng)包括兩個(gè)通氣管和氦氣罐，其中一個(gè)所述通氣管與所述氦氣罐連通，并貫穿相應(yīng)的室密封蓋和隔熱磚后從所述樣品室的頂部伸入該樣品室內(nèi)，另一個(gè)所述通氣管貫穿相應(yīng)的室密封蓋和隔熱磚后從所述樣品室的底部伸入該樣品室內(nèi)，將所述樣品室內(nèi)的氣體引出。
[0012]其中，在本發(fā)明中，所述檢測(cè)裝置還包括:冷卻系統(tǒng)，與所述高溫電阻加熱系統(tǒng)的爐壁連通，用于向所述高溫電阻加熱系統(tǒng)的爐壁內(nèi)供入冷卻水。
[0013]其中，在本發(fā)明中，所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻水通道，所述冷卻水通道沿著所述高溫電阻加熱系統(tǒng)的爐壁設(shè)置，該冷卻水通道的進(jìn)水口連通有冷卻水接口，出水口連通有回收槽。
[0014]其中，在本發(fā)明中，所述樣品的上表面和下表面均設(shè)置有鉑電極，兩個(gè)所述石墨電極分別連接到兩個(gè)所述鉑電極。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種使用前述的復(fù)阻抗譜的檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，所述檢測(cè)方法包括:
[0016]步驟SI，樣品連接:將樣品裝入樣品室，用高溫導(dǎo)電膠將樣品的下表面粘結(jié)在石墨電極上，插入帶孔隔熱磚和樣品室密封蓋后整體放入樣品室中；將另一根石墨電極對(duì)準(zhǔn)樣品的上表面插入樣品室；
[0017]步驟S2，樣品室溫度的設(shè)定與控制:打開氦氣罐的閥門和冷卻水接口，通入氦氣10分鐘排出樣品室內(nèi)的空氣后，在溫度控制器上設(shè)置所需測(cè)量溫度，打開高溫電阻加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱，并通過熱電偶實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)定溫度后繼續(xù)保溫20分鐘；
[0018]步驟S3，復(fù)阻抗譜測(cè)試:將復(fù)阻抗譜測(cè)量儀連接到樣品室外的石墨電極上，測(cè)量樣品的復(fù)阻抗譜，測(cè)量完畢后，關(guān)閉復(fù)阻抗譜測(cè)量儀、高溫電阻加熱系統(tǒng)、氦氣罐的閥門和冷卻水接口，取出樣品。
[0019]其中，在本發(fā)明中，所述步驟S3之后包括:步驟S4，微觀結(jié)構(gòu)分析:根據(jù)樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息建立合適的等效電路，對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的復(fù)阻抗譜圖進(jìn)行擬合，得到樣品的電阻、電容等反應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)演化信息的物理量。
[0020]其中，在本發(fā)明中，所述步驟SI進(jìn)一步包括:將樣品裝入樣品室，用高溫導(dǎo)電膠將樣品的下表面粘結(jié)在石墨電極上，插入帶孔隔熱磚和樣品室密封蓋后整體放入樣品室中，并在石墨電極的下端墊上質(zhì)量塊；將另一根石墨電極對(duì)準(zhǔn)樣品的上表面插入樣品室，并將質(zhì)量塊放置在此石墨電極上。
[0021]其中，在本發(fā)明中，所述步驟SI之前包括:步驟S0，樣品的預(yù)處理:打磨、拋光樣品的上表面和下表面，使其上下表面平行且光滑；
[0022]其中，在本發(fā)明中，所述樣品的上表面和下表面均設(shè)置有一個(gè)鉑電極，所述鉑電極為采用離子濺射法而制成。
[0023]本發(fā)明的復(fù)阻抗譜的檢測(cè)裝置及其方法，應(yīng)用于材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)阻抗譜檢測(cè)領(lǐng)域中。高溫復(fù)阻抗譜測(cè)試時(shí)，通過石墨電極與復(fù)阻抗譜測(cè)量儀連接，利用高溫電阻加熱系統(tǒng)、保護(hù)氣供給系統(tǒng)對(duì)樣品室的溫度、氧氛圍進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高溫復(fù)阻抗譜測(cè)量并防止測(cè)試時(shí)樣品、電極氧化，冷卻系統(tǒng)用于降低裝置尤其是爐壁的溫度。由于采用耐高溫、抗氧化，在高溫下具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的石墨棒作為連接電極，且通過高溫導(dǎo)電膠與制備有鉑電極的樣品連接，將石墨棒牢靠地連接到樣品上，有效降低了外界環(huán)境對(duì)測(cè)量過程的干擾，進(jìn)而提高了測(cè)量精度。因此，也極大了減少穩(wěn)定測(cè)量體系所需的時(shí)間，大大縮短固體復(fù)阻抗譜的測(cè)量周期。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)室溫至1500°C范圍內(nèi)任何溫度下的固體復(fù)阻抗譜測(cè)試，且能精確測(cè)量固體高溫的復(fù)阻抗譜測(cè)量，由于測(cè)量氣氛可控，為固體材料微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)阻抗譜測(cè)試與分析提供了重要的試驗(yàn)平臺(tái)。
【附圖說明】
[0024]圖1顯示了本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)阻抗譜的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示