專利名稱：自短路式同軸型沖擊波電探針及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸型沖擊波電探針及其制法，更具體地說，是涉及一種適用于測試液體材料中沖擊波速度的新型自短路式同軸型沖擊波電探針及其制法。
背景技術(shù)：
為了模擬材料在經(jīng)歷高溫高壓，低溫高壓和低溫低壓等極端條件下的特性，常用沖擊波高速碰撞-測量技術(shù)對材料進行動態(tài)加載，而在這些極端條件下材料的初始狀態(tài)常為液體。固體材料可用晶格模型準(zhǔn)確計算，氣體材料可用理想氣體模型準(zhǔn)確描述，但液體材料的結(jié)構(gòu)既不象固體材料又不象氣體材料，所以難以用已有理論模型計算，只能用半經(jīng)典或經(jīng)驗公式近似描述?；诖?，于是需要研制同軸型沖擊波電探針，用于對液體材料進行動態(tài)加載時產(chǎn)生的沖擊運動速度進行測量。這項技術(shù)在當(dāng)今載人航天器的研究應(yīng)用中特別重要，類似的應(yīng)用還有在魚雷、兩棲坦克和艦船裝甲在實戰(zhàn)中抗擊導(dǎo)彈沖擊的能力鑒定及實用效果的評估等；火箭飛船在極端條件下飛行中抵御太空垃圾撞擊的能力；以及為檢驗汽車、火車、艦艇等運輸工具行駛的安全性所進行的高速碰撞試驗。比如人體結(jié)構(gòu)的主要成分是水，研究液體材料在沖擊波作用下的性能變化就包括人體在強沖擊下受損傷的程度，所以在確定現(xiàn)代高速交通工具的安全指數(shù)時都要用此類電探針植入液體被測對象進行檢驗和研究。
沖擊波電探針是利用爆轟技術(shù)和沖擊壓縮技術(shù)研究液體材料在高溫高壓，低溫高壓和低溫低壓等極端條件下的物性，爆轟是利用炸藥強沖擊波壓縮樣品材料，沖擊壓縮是利用氣體炮技術(shù)模擬爆轟波，驅(qū)動飛片碰撞樣品材料，由于速度太快，高達7km/s，因此，無法直接測量液體材料受壓縮時的物性，只能通過測量沖擊波在通過液體材料本身引起的速度變化間接進行測量。然后根據(jù)測得的液體材料中的沖擊波速度，即在沖擊波通過的路徑上測量定長路徑的時間間隔計算出沖擊波速度，結(jié)合Hugoniot關(guān)系和熱力學(xué)定律即可獲得液體材料的高壓物性信息。通過測量沖擊波速度研究液體材料特性時需要納秒量級的精度，若偏差±1納秒，材料特性預(yù)估可以偏差高達10％。如此之大的誤差在常規(guī)武器如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、火箭等是不能允許的，顯然，沖擊波速度的測量精度決定了研究結(jié)果的正確性和完整性，而沖擊波電探針是決定沖擊波速度測量精度的主要因素。
目前，只有完全依靠手工制作的“三明治”式夾心結(jié)構(gòu)的同軸沖擊波電探針可用于液體材料的爆轟和沖擊壓縮實驗。其夾心結(jié)構(gòu)用絕緣漆涂層-鍍膜工藝制作完全依靠手工制作的性能能滿足爆轟和沖擊壓縮實驗要求的有“三明治”式夾心結(jié)構(gòu)的同軸沖擊波電探針，即其結(jié)構(gòu)是絕緣芯線-薄壁鎳管-半圓頭-多層絕緣漆層-金屬鍍層-保護層。由于手工制作的離散性決定了“三明治”式夾心結(jié)構(gòu)的同軸沖擊波電探針對測量的一致性和可靠性存在不確定因素。而用鋁陽極氧化-化學(xué)沉降膜工藝，在鋁合金材質(zhì)上陽極化鋁氧化膜制作的同軸型沖擊波電探針，雖然對制作環(huán)境有一定要求，但能顯著改善“三明治”式夾心結(jié)構(gòu)的同軸沖擊波電探針參數(shù)的一致性、重復(fù)性和可靠性，并能有效提高生產(chǎn)效率。所以，上面所述兩種沖擊波電探針在技術(shù)上各有千秋。但從技術(shù)含量、加工效率和實驗精度等方面考慮，鋁陽極氧化-化學(xué)沉降膜工藝制作的電探針顯然具有更好廣闊使用前景和更高的開發(fā)價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有同軸沖擊波電探針?biāo)嬖诘娜毕荩峁┮环N有極強附著力的氧化鋁膜厚度在6-12微米連續(xù)可控，統(tǒng)計偏差不大于2微米，77K溫度下電絕緣試驗強度好，檢驗參數(shù)一致性重復(fù)性良好，特別適于高溫、低溫，以及在此溫度區(qū)間環(huán)境迅速變化的較大熱沖擊環(huán)境下液體材料的沖擊壓縮試驗的新型自短路式同軸型沖擊波電探針；以及提供一種該電探針的制備方法。該方法制備的自短路式同軸型沖擊波電探針對凝聚態(tài)物理，沖擊波物理和武器物理等前沿學(xué)科的發(fā)展，對極端條件下液體材料物性的研究和測量都具有重要意義。
本發(fā)明的目的由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。
本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針，主要包括鋁合金絲加工成鋁短桿，按照本發(fā)明，還包括鋁短桿的一端研磨為鋁半圓頭，另一端為鋁平頭端，在鋁半圓頭一端生成氧化鋁膜絕緣層，該絕緣層上沉積有銀導(dǎo)電膜，銀導(dǎo)電膜上和鋁平頭端上分別安裝固定有箍環(huán)，箍環(huán)上焊接外引電極，在銀導(dǎo)電膜上涂有機絕緣保護膜麥納膜。
上述方案中，在所述銀導(dǎo)電膜上安裝固定第一箍環(huán)，第一箍環(huán)上焊接第一外引電極。
上述方案中，在所述鋁平頭端上安裝固定第二箍環(huán)，第二箍環(huán)上焊接第二外引電極。
上述方案中，所述鋁半圓頭端的氧化鋁膜絕緣層是在鋁半圓頭端距鋁平頭端2/3長度上的氧化鋁膜絕緣層。
上述方案中，所述的氧化鋁膜絕緣層是有極強附著力的在6～12微米連續(xù)可控的氧化鋁膜厚度。
本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針，在使用時，將兩個電極分別接入高壓網(wǎng)絡(luò)電源，當(dāng)其鋁半圓頭端被擊穿時形成短路，提供網(wǎng)絡(luò)電源充電電容器的快速放電回路，以獲得納秒級的窄脈沖，以達到電探針用于液體材料中沖擊波速度測量的高精度。
上述任一所述方案的自短路式同軸型沖擊波電探針的制法，采用鋁陽極化-化學(xué)沉積技術(shù)制作，主要包括以下工藝步驟(1)機械拋光，去油將鋁短桿一端機械研磨成鋁半圓頭，另一端為鋁平頭端，除去鋁短桿表面污垢，用自來水沖洗1分鐘；(2)化學(xué)除垢-堿洗在50～60℃的恒溫環(huán)境下，用體積比為1∶1的NaOH和Na2CO3飽和混合電解輔助溶液攪拌下處理鋁半圓頭端2分鐘，，用自來水沖洗1分鐘；(3)化學(xué)除垢-酸洗在50～60℃的恒溫環(huán)境下，用1∶3的CrO3和H2SO4飽和混合電解輔助溶液攪拌下處理鋁半圓頭端2分鐘，用自來水沖洗1分鐘，再用去離子水浸泡1分鐘；(4)化學(xué)拋光在上述恒溫攪拌條件下，將配制好的專用電解液置于容器中，用鉑絲繞制成螺線管作陰極，將鉑絲陰極和鋁半圓頭端放入電解輔助液中進行電解處理3分鐘內(nèi)，然后用自來水沖洗3分鐘，再用去離子水浸泡1分鐘；(5)陽極化鋁半圓頭端陽極化電解工作溶液，用分析純草酸配制成濃度為3％的稀溶液，將稀溶液置于容器中，同時使電解工作液溫度恒定在10℃左右，電解液濃度為3％，電解液的pH值為3～4條件下，將鋁半圓頭一端放入稀溶液中陽極化處理，處理時間20～30秒鐘，電解生成6～12微米的連續(xù)可控的氧化鋁絕緣膜，再用自來水徹底沖洗5分鐘；(6)化學(xué)沉膜用常規(guī)銀鏡沉積術(shù)在氧化鋁絕緣膜上生成3～5微米的銀導(dǎo)電膜；(7)安裝箍環(huán)在銀導(dǎo)電膜上安裝固定第一箍環(huán)，焊接第一外引電極，在鋁平頭端上安裝固定第二箍環(huán)，焊接第二外引電極；(8)封孔用紗布包裹鋁半圓頭端，放入100ml的去離子水中，在沸騰狀態(tài)下保持10分鐘，用電烘箱70℃環(huán)境下恒溫30分鐘；(9)將上述處理過的鋁短桿涂有機保護絕緣膜麥納膜，即制得成品自短路式同軸型沖擊波電探針。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點1、本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針，既具有很好的電絕緣性和熱絕緣性，且體積小，易于安置在液體材料中，研究和測量液體材料的沖擊波速度，根據(jù)Hugoniot關(guān)系，從進而獲得液體材料的物性。
2、本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針鋁半圓頭一端有極強附著力的在6～12微米范圍內(nèi)連續(xù)可控的氧化鋁膜厚度，統(tǒng)計偏差不大于2微米。
3、本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針在溫度77K下的電絕緣試驗強度不小于200伏，5分鐘，檢驗參數(shù)一致性重復(fù)性良好，特別適用于高溫200℃、低溫-200℃，以及在此溫度區(qū)間環(huán)境迅速變化的較大熱沖擊環(huán)境下液體材料的沖擊壓縮試驗。
4、本發(fā)明方法制得的自短路式同軸型沖擊波電探針對凝聚態(tài)物理，沖擊波物理和武器物理等前沿學(xué)科的發(fā)展，對極端條件下液體材料物性的研究和測量都具有重要意義。


圖1本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針結(jié)構(gòu)剖面示意2本發(fā)明電探針鋁半圓頭端極化曲線3本發(fā)明電探針陽極化處理裝置示意4本發(fā)明電探針陽極化處理所用脈動整流電路示意中，1鋁半圓頭，2鋁平端，3氧化鋁膜絕緣層，4銀導(dǎo)電膜，5第一箍環(huán)，6第二箍環(huán)，7第一外引電極，8第二外引電極，9鉑絲陰極。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖、制作原理及用實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明的圖1中，將鋁合金絲加工成鋁短桿，鋁短桿一端為鋁半圓頭1，另一端為鋁平頭端2，在鋁半圓頭1一端距鋁平頭端約2/3的長度上為鋁陽極化處理生成的氧化鋁膜絕緣層3，在氧化鋁膜絕緣層3上沉積有銀導(dǎo)電膜4，銀導(dǎo)電膜4上安裝固定第一箍環(huán)5，在第一箍環(huán)5上焊接第一外引電極7，在鋁短桿沒有氧化鋁膜絕緣層的另一鋁平頭端2上安裝固定第二箍環(huán)6，在第二箍環(huán)6上焊接第二外引電極8。
圖2中，將用配制好的電解工作液置于容器中，將鉑絲繞制成螺線管作陰極，將鉑絲陰極9和鋁半圓頭1端陽極放入電解液中進行電解處理。
圖3中，鋁半圓頭端的極化曲線圖是以測得的電壓參數(shù)為橫坐標(biāo)，電流參數(shù)為縱坐標(biāo)所作的極化曲線圖。
實施例本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針，用鋁陽極化-化學(xué)沉降膜工藝制作，將φ1毫米的鋁合金絲集中捆束，再用電火花加工成35毫米鋁短桿，按以下工藝步驟操作(1)機械拋光、去油用小型立式鉆床夾具夾住鋁短桿，用800目細(xì)砂紙折成60°，將鋁短桿一端仔細(xì)研磨成鋁半圓頭1，該端力爭達到11光潔度0.3，另一端為鋁平頭端2，用中性去污粉除去鋁短桿表面污垢，用自來水沖洗1分鐘；(2)化學(xué)除垢-堿洗用電阻加熱套，溫度控制器及微型攪拌器將溫度控制在50～60℃的恒溫環(huán)境下，用體積比為1∶1的NaOH和Na2CO3飽和混合電解輔助溶液攪拌下處理鋁半圓頭端2分鐘，用自來水沖洗1分鐘；(3)化學(xué)除垢-酸洗與步驟(2)同樣的恒溫攪拌條件下，用1∶3的CrO3和H2SO4飽和混合電解輔助溶液處理鋁半圓頭端2分鐘，用自來水沖洗1分鐘，再用去離子水浸泡1分鐘；(4)化學(xué)拋光在上述的恒溫攪拌條件下，將配制好的專用電解液置于容器中，用直徑φ0.2mm，長度L1500mm的鉑絲繞制成螺線管作陰極，將鉑絲陰極9和鋁半圓頭1端放入電解液中進行電解處理3分鐘，然后用自來水沖洗3分鐘，再用去離子水浸泡1分鐘；(5)測量極化曲線用HDV-7型晶體管恒電位儀測得鋁半圓頭端的極化曲線；(6)陽極化鋁半圓頭端陽極化電解工作溶液，用分析純草酸配制成濃度為3％的稀溶液，將稀溶液置于容器中，同時根據(jù)極化曲線控制電解電流和電解時間，根據(jù)制作環(huán)境溫度和處理電探針數(shù)量的情況，調(diào)節(jié)電解工作液的溫度，用電解槽自配溫度計監(jiān)測電解液溫度，使溫度恒定在10℃左右，電解工作液濃度為3％，電解工作液的pH值為3～4條件下，將鋁半圓頭端距鋁平頭端2/3長度鋁短桿放入稀溶液中進行陽極氧化，鋁半圓頭一端則附著一層6-12微米連續(xù)可控的氧化鋁膜絕緣層3，用自來水徹底沖洗5分鐘；(7)化學(xué)沉膜用常規(guī)銀鏡沉積術(shù)在氧化鋁絕緣膜上生成一層3～5微米的銀導(dǎo)電膜4；(8)安裝箍環(huán)在銀導(dǎo)電膜4上安裝固定第一箍環(huán)5，焊接第一外引電極7，在鋁平頭端2上安裝固定第二箍環(huán)6，焊接第二外引電極8；(9)封孔以避免碰撞損壞氧化膜，用紗布包裹鋁短桿的半圓頭端1，放入100ml的去離子水中，在沸騰狀態(tài)下保持10分鐘，再用電烘箱70℃環(huán)境下恒溫30分鐘；(10)將上述處理過的鋁短桿涂有機保護膜麥納膜，即得到成品自短路式同軸型沖擊波電探針。
本發(fā)明電解工作溶液的配方由不同組分的化學(xué)試劑組成H2SO4，體積份數(shù)為2％，H3PO4，體積份數(shù)為5％，C3H8O3，體積份數(shù)為2％，C2H6O，體積份數(shù)為2％和C12H22O11，體積份數(shù)為0.01％，初始電解電流密度為0.2I/A/cm2。
本發(fā)明電探針按上述步驟和給定的電解輔助液、電解工作液及工作參數(shù)進行鋁短桿陽極化可同時批量處理，陽極化電解過程完畢后，按不同的電解時間對樣品編號即可。本發(fā)明制作的電探針，根據(jù)需要可進行著色用0.1克/升的茜素紅，0.04克/升的茜素黃和去離子水配制成100毫升的混合液，溫度恒定在50～60℃進行電解著色，處理5分鐘，形成金黃色表面后取出，清洗5分鐘，最后將試件放入100℃的恒溫烘箱中，烘烤4小時即可。
本發(fā)明電探針用類似圖2的裝置電解預(yù)處理鋁短桿，為了避免純直流電流在電解過程中對陽極表面的燒蝕和逐漸增大的陽極位壘，設(shè)計了如圖4所示的半波整流電路，調(diào)節(jié)電流和電壓，利用較大脈動波形和電容器平滑的直流成分等效復(fù)合電解脈動電源。電路中整流二極管選用IN4002，或其它反向最大擊穿電壓不小于200V，最大正向電流不小于1A的半導(dǎo)體整流管，調(diào)壓器的容量為500VA。
本發(fā)明的鋁半圓頭端的氧化鋁絕緣膜的厚度反映了電探針的動態(tài)響應(yīng)和電絕緣性，其厚度增大，電探針對沖擊力響應(yīng)減慢，但電絕緣性提高；反之則相反。因此，本發(fā)明自短路同軸型沖擊波電探針氧化鋁絕緣膜的厚度6-12微米，既具有很好的擊力響應(yīng)，又有良好的電絕緣性，改善了現(xiàn)有電探針對液體材料參數(shù)測量的一致性和可靠性。
本發(fā)明電探針氧化鋁絕緣膜的厚度6-12微米，是在自制工作電解液的濃度3％，其溫度恒定在10℃左右，工作電解液的pH值為3～4條件下，生成的氧化鋁絕緣膜厚度在6-12微米連續(xù)可控，且統(tǒng)計偏差不大于2微米。
本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針的制作是根據(jù)鋁陽極氧化電化學(xué)原理，利用直流電解成膜工藝實現(xiàn)的。根據(jù)電化學(xué)成膜原理，在對鋁坯件進行機械研磨、電化學(xué)處理等精細(xì)前處理基礎(chǔ)上，利用自行開發(fā)的微型鋁合金工件陽極氧化工藝流程，工藝參數(shù)和專用電解液配方直接在精密機械加工的半圓頭型材表面生長出均勻密實的硬氧化鋁膜。然后通過較成熟的后處理工藝，制得符合爆轟及沖擊壓縮實驗要求的新型自短路同軸型沖擊波電探針。本發(fā)明的自短路同軸型沖擊波電探針具有極強附著力的氧化鋁膜厚度在6～12微米連續(xù)可控，統(tǒng)計偏差不大于2微米，77K溫度下的電絕緣試驗強度不小于100伏，30分鐘，檢驗參數(shù)重復(fù)一致性良好，特別適于高溫200℃、低溫-200℃以及在此溫度區(qū)間環(huán)境迅速變化的較大熱沖擊環(huán)境下液體樣品的沖擊壓縮試驗。本發(fā)明自短路式同軸型沖擊波電探針對沖擊波物理，天體物理，地球物理，凝聚態(tài)物理和武器物理等前沿學(xué)科的發(fā)展，對極端條件下材料物性的研究都具有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種自短路式同軸型沖擊波電探針，包括鋁合金絲加工成鋁短桿，其特征在于還包括鋁短桿的一端為鋁半圓頭(1)，另一端為鋁平頭端(2)，在鋁半圓頭(1)一端上生成有氧化鋁膜絕緣層(3)，該絕緣層上沉積有銀導(dǎo)電膜(4)，銀導(dǎo)電膜(4)上和鋁平頭端(2)上分別安裝固定箍環(huán)，箍環(huán)上焊接外引電極，還在銀導(dǎo)電膜(4)上涂有機保護膜麥納膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電探針，其特征在于所述銀導(dǎo)電膜(4)上安裝固定第一箍環(huán)(5)，第一箍環(huán)上焊接第一外引電極(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電探針，其特征在于所述鋁平頭端(2)上安裝固定第二箍環(huán)(6)，第二箍環(huán)上焊接第二外引電極(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電探針，其特征在于所述鋁半圓頭(1)一端的氧化鋁膜絕緣層(3)是在鋁半圓頭端距鋁平頭端2/3長度上生成的氧化鋁絕緣層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的電探針，其特征在于所述的氧化鋁膜絕緣層(3)為有極強附著力的在6～12微米的氧化鋁膜厚度。
6.權(quán)利要求1-5中任一所述電探針的制法，采用鋁陽極化-化學(xué)沉膜技術(shù)制作，其特征在于包括以下工藝步驟(1)機械拋光、去油將鋁短桿一端機械研磨成鋁半圓頭(1)，另一端為鋁平頭端(2)，除去鋁短桿表面污垢，用自來水沖洗1分鐘；(2)化學(xué)除垢-堿洗在50～60℃的恒溫環(huán)境下，用體積比為1∶1的NaOH和Na2CO3飽和混合電解輔助溶液攪拌下處理鋁半圓頭端2分鐘，用自來水沖洗1分鐘；(3)化學(xué)除垢-酸洗在50～60℃的恒溫環(huán)境下，用1∶3的CrO3和H2SO4飽和混合電解輔助溶液處理鋁半圓頭端2分鐘，用自來水沖洗1分鐘，再用去離子水浸泡1分鐘；(4)化學(xué)拋光在上述的恒溫攪拌條件下，將配制好的專用電解液置于容器中，用直徑φ0.2mm，長度L1500mm的鉑絲繞制成螺線管作陰極，將鉑絲陰極(9)和鋁短桿陽極(10)鋁半圓頭(1)端放入電解液中進行電解處理3分鐘，然后用自來水沖洗3分鐘，再用去離子水浸泡1分鐘；(5)陽極化鋁半圓頭端陽極化電解工作溶液，用分析純草酸配制成濃度為3％的稀溶液，將稀溶液置于容器中，將鋁半圓頭一端放入稀溶液中進行陽極氧化處理20-30秒鐘，即生成厚度為6-12微米連續(xù)可控的氧化鋁膜絕緣層(3)，用自來水徹底沖洗5分鐘；(6)化學(xué)沉膜用常規(guī)銀鏡沉積術(shù)在氧化鋁絕緣膜上生成一層3～5微米的銀導(dǎo)電膜(4)；(7)安裝箍環(huán)在銀導(dǎo)電膜(4)上安裝固定第一箍環(huán)(5)，焊接第一外引電極(7)，在鋁平頭端(2)上安裝固定第二箍環(huán)(6)，焊接第二外引電極(8)；(8)封孔以避免碰撞損壞氧化膜，用紗布包裹鋁短桿的半圓頭端(1)，放入100ml的去離子水中，在沸騰狀態(tài)下保持10分鐘，再用電烘箱70℃環(huán)境下恒溫30分鐘；(9)將上述處理過的鋁短桿涂有機保護膜麥納膜，即得到成品自短路式同軸型沖擊波電探針。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自短路式同軸型沖擊波電探針及其制法。該電探針包括鋁合金絲加工成鋁短桿，還包括鋁短桿一端為鋁半圓頭，另一端為鋁平頭端，鋁半圓頭端有6－12微米氧化鋁絕緣膜，該絕緣膜上有3－5微米銀導(dǎo)電膜，銀導(dǎo)電膜上和鋁平頭端上安裝箍環(huán)并焊接外引電極；本發(fā)明電探針鋁半圓頭端經(jīng)機械拋光、化學(xué)除垢、化學(xué)拋光、鋁陽極化－化學(xué)沉膜等工藝制得電探針。本發(fā)明電探針具有很好的沖擊力響應(yīng)，電絕緣性測試達200伏，5分鐘，且體積小，易于安置在流體材料中用于沖擊運動速度動態(tài)測量，以獲得流體材料中高速運動質(zhì)點的瞬間速度并導(dǎo)出其高壓物性信息，改善了現(xiàn)有同軸型電探針的動態(tài)響應(yīng)、一致性和重復(fù)性。
文檔編號G01N27/00GK1865953SQ20061002117
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月15日
發(fā)明者孫悅, 陳先猛, 楊金文, 李巧燕 申請人:四川大學(xué)