一种磁场作用下按需制备各向异性导电复合材料的设备

摘要

本发明公开了一种磁场作用下按需制备各向异性导电复合材料的设备，包括电磁铁、加热装置、测量电极、绝缘模具、第一直流恒压恒流电源、第一PID运算控制器、电阻抗分析仪、第二PID运算控制器和第二直流横流恒压电源；电磁铁在其工作区域内产生稳定的磁场；加热装置对绝缘模具及其内部的复合材料混合物加热，保证其固化反应；测量电极与电阻抗分析仪相连，实时监测复合材料的电阻抗；第一直流恒压恒流电源和第二直流恒压恒流电源分别为电磁铁和加热装置供电；第一PID运算控制器控制第一直流恒压恒流电源，第二PID运算控制器控制第二直流恒压恒流电源；本发明能够满足按需求精确制备具有固定导电能力的各向异性导电复合材料的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域，具体是一种磁场作用下按需制备各向异性导电复合材料的设备。

背景技术

目前，公知的各向异性导电复合材料制备过程中用到的设备主要包括电磁铁、加热装置和非磁性模具，制备得到的导电复合材料其电学性能直接取决于材料的配比和外磁场强度，但在实际操作中由于材料配比的误差，磁场强度的波动以及其他因素的影响，在“相同条件下”制备得到的导电复合材料往往在电性能上表现出差异，与理想的预期目标有一定误差；基于上述原因，需要对现有技术的设备进行设计改良，以提高产品的电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服现有设备无法准确达到预期制备目标的不足，能够实时监测制备过程中导电复合材料的电阻抗，并对磁场强度进行实时反馈调节，有目的性地调控导电复合材料的电阻抗，从而达到按需制备的目的的磁场作用下制备各向异性导电复合材料的设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁场作用下按需制备各向异性导电复合材料的设备，包括电磁铁、加热装置、测量电极、绝缘模具、第一直流恒压恒流电源、第一PID运算控制器、电阻抗分析仪、第二PID运算控制器和第二直流恒压恒流电源2；所述电磁铁为双线包对称结构，在其工作区域内产生稳定的磁场，并由第一直流恒压恒流电源进行供电，通过调节供电电流可以改变磁场的强度；所述加热装置由两片相同的陶瓷加热片串联组成，分别贴附在所述绝缘模具的上下两侧，保证均匀加热，由第二直流恒压恒流电源供电；所述测量电极分、负极两片，表面设置镀金层理，分别贴附在绝缘模具内腔的上、下面，并与电阻抗分析仪的输入端相连，实时测量绝缘模具内部复合材料的混合物的电阻抗；所述绝缘模具需选用绝缘、耐高温且不易与复合材料粘合的非磁性材料，按照需要的尺寸形状进行加工；所述第一PID运算控制器的输入端与所述电阻抗分析仪的输出端相连，所述第一PID运算控制器的输出端与所述第一直流恒压恒流电源的控制端相连，调节第一直流恒压恒流电源的输出电流；所述电阻抗分析仪实时监测所述复合材料的混合物的电阻抗，并将测试结果输出；所述第二PID运算控制器的输入端与所述电阻抗分析仪的输出端相连，所述第二PID运算控制器的输出端与第二直流恒压恒流电源的控制端相连，在达成相应条件时控制第二直流恒压恒流电源输出额定电压。

作为本发明进一步的方案：所述电磁铁的工作空间为一个圆柱形的空间，且该圆柱空间直径不小于50mm，高度不小于70mm且高度可调，以确保可以制备多种多样尺寸的导电复合材料试样。

作为本发明再进一步的方案：所述电磁铁在上下端面间隙20mm时，可提供不小于1.5T的磁场强度，且可以连续工作2小时以上，以确保有足够强度的磁场和足够的时间用于材料的固化。

作为本发明再进一步的方案：所述加热装置中每一片陶瓷加热片的面积不小于30mm*30mm，且厚度不大于3mm，以确保复合材料尽量地均匀受热并且使加热装置不占用太大空间。

作为本发明再进一步的方案：所述加热装置的供电电压不高于36V，且加热片表面温度不低于120℃，以确保可以将复合材料加热到足够的温度，可以快速固化成型。

作为本发明再进一步的方案：所述测试电极的尺寸应与绝缘模具内表面完全贴合，且表面粗糙度不高于Ra1.6。

作为本发明再进一步的方案：所述第一直流恒压恒流电源输出最大电压不低于100V，电流不低于15A，恒流调整率小于等于1%，且输出连续可调，以确保可以为电磁铁提供足够电流并保证磁场强度的稳定。

作为本发明再进一步的方案：所述第二直流恒压恒流电源输出最大电压不低于36V，电流不低于5A，恒压调整率小于等于1%，以确保为加热装置提供足够的工作电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，设计合理，电磁铁在其工作区域内产生稳定的磁场，且磁场强度可以通过供电电流进行调节；加热装置对模具以及模具中的复合材料混合物进行加热，保证其固化反应；测量电极与电阻抗分析仪相连，实时监测复合材料的电阻抗；第一直流恒压恒流电源和第二直流恒压恒流电源分别为电磁铁和加热装置供电；第一PID运算控制器可以根据电阻抗分析仪的输出结果和预期的材料电阻抗对直流很恒压恒流电源的输出电流进行反馈调节，从而调节磁场强度使复合材料的铁磁颗粒链排列均匀,控制电阻抗的变化向着预期目标靠近；第二PID运算控制器则在电阻抗分析仪测得的结果达到预期之后，控制第二直流恒压恒流电源对加热装置供电，使混合物快速固化得到所需电阻率的导电复合材料；本发明能够实现实时监测制备过程中导电复合材料的电阻抗，并对磁场强度进行反馈调节，从而有目的地改变铁磁颗粒的排列进而调控导电复合材料的电阻抗率，达到按需制备各向异性导电复合材料的目的，实现按需制备。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为导电复合材料的制备流程图

图3为OT磁场下铁磁颗粒在基体中分布示意图。

图4为0.2T磁场下铁磁颗粒在基体中分布示意图。

图5为0.5T磁场下铁磁颗粒在基体中分布示意图。

其中，1-电磁铁；2-加热装置；3-测试电极；4-绝缘模具；5-复合材料的混合物；6-第一直流恒压电源；7-第一PID运算控制器；8-电阻抗分析仪；9-第二PID运算控制器；10-第二直流恒压恒流电源。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-5，一种磁场作用下按需制备各向异性导电复合材料的设备，包括电磁铁1、加热装置2、测量电极3、绝缘模具4、第一直流恒压恒流电源6、第一PID运算控制器7、电阻抗分析仪8、第二PID运算控制器9和第二直流恒压恒流电源10。

所述电磁铁1为双线包对称结构，采用直流供电模式，通过电缆与第一直流恒压恒流电源6的输出端相连，上、下极面直径均为55mm，且间距在0~70mm之间连续可调；所述电磁铁的初始电阻为5.5Ω，将极面间距调为20mm，在供电电流8A情况下，磁场强度为1.5T，且可连续工作10小时以上。

所述加热装置2由两片陶瓷加热片串联组成，通过导线与第二直流恒压恒流电源10的输出端相连，陶瓷加热片的具体参数为：尺寸30mm*30mm*3mm，额定工作电压12V，表面温度140℃，实际制备过程中，绝缘模具采用尼龙板加工，采用本加热装置可以加热到90℃左右，足够使复合材料在1小时以内固化成型。

所述测试电极3铜电极，铜电极的表面进行了镀金处理。

所述绝缘模具4材料为尼龙板，材料可耐高温且不影响磁场的强度和分布，外部尺寸为45mm*45mm*20mm，内部尺寸为40mm*40mm*2mm。

所述电阻抗分析仪8输入端通过导线与测试电极3的两个电极相连，实时监测绝缘模具4内复合材料的混合物5的电阻抗，并通过两根数据线分别输出到第一PID运算控制器7和第二PID运算控制器9。

所述PID运算控制器的输入端接电阻抗分析仪8的输出端，采集到导电复合材料当前的电阻抗，以预先设定的电阻抗值为参数，进行PID运算，输出调节信号到第一直流恒压恒流电源6的调节端口，控制第一直流恒压恒流电源6的电流输出，从而达到闭环调节电磁铁1产生的磁场强度的目的。

所述第二PID运算控制器9输入端接电阻抗分析仪8的输出端，采集到导电复合材料当前的电阻抗，以预先设定的电阻抗值为参数，进行PID运算，当测量值与预设值相等时，输出调节信号到第二直流恒压恒流电源10的调节端口，使第二直流恒压恒流电源10输出24V的恒定电压。

所述第一直流恒压恒流电源6的输出最大电压为100V，电流于15A，恒流调整率小于等于1%，且输出连续可调。

所述直流恒压恒流电源10的输出最大电压48V，电流5A，恒压调整率小于等于1%。

本发明所述的磁场作用下按需制备导电复合材料的设备工作过程如下：

1）将复合材料的混合物5装入绝缘模具4密封后放入电磁铁1的工作区域，开启电磁铁1的第一直流恒压恒流电源6和电阻抗分析仪8，以及第一PID运算控制器7、第二PID运算控制器9和第二直流恒压恒流电源10，设置电阻抗预设值，第一直流恒压恒流电源6的初始输出为电流0A，第二直流恒压恒流电源10的初始输出电压为0V。

由于初始磁场为零，复合材料的电阻抗会非常大，经电阻抗分析仪8测量得到具体数值并输出到第一PID运算控制器7后，经过PID运算，如果测量的得到的数据大于预设值，则输出调节信号到第一直流恒压恒流电源6，使第一直流恒压恒流电源6的输出电流产生一个增量，且该增量可提前设置，然后再经电阻抗分析仪8）测量得到具体数值并输出到第一PID运算控制器7后，经过PID运算，输出调节信号到第一直流恒压恒流电源6，直到电阻抗分析仪8测量得到的数值与预设值相同或误差满足要求为止；如电阻抗分析仪8测量得到具体数值并输出第一PID运算控制器7后，经过PID运算，测量得到的数值与预设值相同或误差满足要求，则第一PID运算控制器7输出信号维持当前的磁场强度。

与此同时，第二PID运算控制器9同样持续从电阻抗分析仪8接收测量得到的数据，并进行PID运算，如果测量得到的数据与预设值不同，则进行下一轮数据接收和PID运算；如果经PID运算发现电阻抗分析仪8测量得到的数据与预设值相等，则输出信号到第二直流恒压恒流电源10，第二直流恒压恒流电源10输出24V恒压，加热装置2开始加热，迅速将复合材料加热到90℃以上，在1小时内材料固化完成。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。