Устройство для исследования структурных и транспортных свойств мембран в условиях контролируемой температуры и влажности окружающей среды
DEVICE FOR STUDYING STRUCTURAL AND TRANSPORT PROPERTIES OF MEMBRANES UNDER CONTROLLED AMBIENT TEMPERATURE AND HUMIDITY

Изобретение относится к научному приборостроению и представляет собой устройство, используемым при проведении ряда физико-химических исследований по изучению микроструктуры и проводимости образцов мембран, для которых критичны внешние условия эксперимента. Данное устройство может быть использовано в установках, предназначенных для измерения структурных параметров образцов, например, рентгеновские дифрактометры или оптические микроскопы.
Из уровня техники известен патент на изобретение CN 102016544 A (G01N 15/08, 2011.04.13, Makoto Takahashi; Shigeyuki Inamoto; Takashi Kamakura; Takehiko Ohura; Yukiko Inamoto) «Аппарат для моделирования заданных условий окружающей среды для измерения структурных изменений материала покрытия ран на коже и метод измерения для этого». Запатентованное устройство предназначено для обеспечения внешних заданных условий при проведении имитационных измерений среды в микропространстве между кожей человека и материалом покрытия. Аппарат содержит камеру термо- и гигростатирования для управления и контроля внешней среды, теплообменник, резервуар и насос для подачи воды и легко снимаемый контейнер, расположенный в теплообменнике. Контейнер содержит удерживающий воду элемент, а его верхнее отверстие закрыто заглушкой, регулирующей диффузию пара. Микропространство, образованное между заглушкой, регулирующим диффузию пара, и помещенным на нем материалом покрытия, соответствует имитационному воссозданному пространству между телом человека и материалом покрытия. В этом микропространстве находится тонкопленочный модуль термогигрометра, предназначенный для измерения температуры и влажности в режиме реального времени. Используя несколько контейнеров, можно одновременно измерять несколько видов материалов покрытия. Идентичным разрабатываемому устройству является использование камеры гигростата и наличие в ней теплообменника, наличие насоса и заранее заданного объема с водой для контроля температуры и влажности в экспериментальном объеме, наличие электронного термогигрометра для контроля температуры и влажности окружающей среды. При использовании устройства в патенте CN 102016544 А возможны исключительно ex-situ структурные измерения, т.к. используемый контейнер изготовлен из непрозрачного материала.
Известен патент KR 100974743 В1 «Устройство и метод измерения характеристик мембраны топливного элемента», принадлежащий компаниям Hyundai Motor Со и LTD и Kia Motors Co. Зарегистрированное изобретение предназначено для обеспечения возможности проведения легких и быстрых измерений состояния мембраны путем подвода рабочих газов на две стороны мембраны и измерению электрохимического потенциала. Действительно, предлагаемый метод удобен и позволяет проводить экспресс-измерения образцов мембраны, однако предлагаемые методы исследования косвенные и не раскрывают особенности структуры и морфологии образца. Кроме того, в данном решении отсутствует возможность четкого термо- и гигростатирования мембраны, в отличие от предлагаемого в настоящей заявке решении. Так как изобретение, описанное в KR 100974743 В1, изготовлено из непрозрачного материала, как и в прошлом случае, возможны исключительно ex-situ структурные измерения.
Наиболее близким аналогом является патент JP 2016145723 A «Cell model, measurement system and simultaneous measurement method» авторов: Ogawa Kuniyasu, Sasaki Tatsuyoshi, Tsujinaka Kumiko, Yoneda Shigeki. Предлагаемое в патенте устройство обеспечивает возможность проведения измерений образцов мембран, используя методы ядерно-магнитного резонанса и циклической вольтамперометрии, в условиях, приближенных к условиям работы топливного элемента с протонообменой мембраной. Идентичным с предлагаемым устройством является схожие методы контроля и влажности и температуры в рабочей области устройства, наличие элементов в корпусе для обеспечения оптического мониторинга изменения структуры исследуемых объектов и возможность измерения транспортных характеристик образца. Однако, предлагаемое в настоящей заявке устройство обеспечивает возможность проведения импедансных измерений для более точного измерения сопротивления исследуемого образца. Также, предлагаемое устройство, благодаря конструкции термостатируещего элемента обладает возможностью термостатирования в широком диапазоне температур и относительной влажности, обеспечивая работу не только при положительных, но и при отрицательных температурах. Кроме того, важной отличительной особенностью является совершенно другой метод контроля структуры образца. Предлагаемое устройство предназначено для использования в установках по исследованию рассеяния рентгеновских лучей. Данный метод зарекомендовал себя как наиболее информативный и достоверный для изучения морфологии образцов мембран различного применения.
Общим недостатком всех выше перечисленных аналогов является то, что они не позволяют точно и универсально контролировать температуру и влажность исследуемого образца в широком интервале температур, в т.ч. при отрицательных температурах. Кроме того, ни один из аналогов не предусматривает возможность in-situ измерений структуры образца оптическими и рентгеновскими методами при одновременном измерении его сопротивления методами импедансной спектроскопии. Все эти недостатки устранены в предложенном к рассмотрению устройстве, специально разработанном для исследования структурных и транспортных свойств мембран в условиях контролируемой температуры и влажности окружающей среды.
Основной задачей настоящего изобретения является создание устройства в виде герметичной камеры, позволяющей организовать вокруг экспериментального образца мембраны окружающую атмосферу с заданными параметрами (состав, температура, относительная влажность) и фиксировать фрагмент мембраны между системой токопроводящих контактов.
Техническим результатом изобретения является возможность внедрения устройства в другие экспериментальные установки и проведения ряда физико-химических исследований по изучению микроструктуры и проводимости экспериментальных образцов мембран в условиях контролируемой температуры (от -40 до 100°С), влажности (от 0 до 100%) и варьировании состава окружающей среды.
-6
-1
Поставленная задача решается следующим образом. В составном корпусе 1 устройства размещен температурный блок 3, состоящий из системы 5 активного охлаждения и элемента Пельтье 6. Система 5 активного охлаждения предусмотрена для организации достаточного отвода тепла, выделяющегося элементом Пельтье 6 и жестко зафиксирована на нижней части корпуса 1 устройства. Фиксация осуществляется с использованием установочных винтов 7, изготовленных из материала с коэффициентом линейного термического расширения не более 1,2⋅10 °С, что сводит к минимуму возможное движение экспериментального образца при изменении температуры. На внешнюю сторону элемента Пельтье 6 нанесена система токопроводящих контактов №1, на которую размещается экспериментальный образец мембраны. Кроме того, в составном корпусе 1 устройства размещена система 4 фиксации мембраны с контролируемым усилием ее прижима к элементу Пельтье 6. Данная система состоит из шагового двигателя 9, системы 10 шарниров и рычагов, удерживающей пластину с системой токопроводящих контактов №2 12. Таким образом, в ходе эксперимента система 10 шарниров и рычагов приводится в движение шаговым двигателем 9 и образец мембраны фиксируется между системами токопроводящих контактов №1 и №2, а усилие прижима контролируется тензометрическим датчиком 11 резистивного типа, также входящим в состав системы 4 фиксации мембраны.
Внешняя часть устройства представляет собой герметичную камеру, состоящую из двух основных частей, составного корпуса 1 и крышки 2, плотно фиксирующихся друг относительно друга перед проведением эксперимента. Составной корпус 1 имеет отверстия, в которые фиксируются штуцеры 16 для присоединения к внешнему газовому контуру и внешнему контуру активного охлаждения. Герметичность камеры и возможность подключения к внешнему газовому контуру позволяет организовать вокруг образца атмосферу заданного состава с фиксированной относительной влажностью. В свою очередь, возможность подключения к внешнему контуру охлаждения позволяет организовать достаточный отвод тепла, выделяющегося элементом Пельтье 6 и расширить температурный интервал проводимого эксперимента. Также в корпусе устройства размещены датчик 17 температуры и относительной влажности.
Конструкция устройства подразумевает вывод за пределы корпуса герметичной камеры всех электрических контактов через общий герметичный разъем, расположенный в корпусе устройства. Предусмотрен вывод контактов на устройство управления и сбора данных 18 для возможности снятия показаний датчика 17 температуры и относительной влажности, управления шаговым двигателем 9 системы 4 фиксации мембраны (в т.ч. снятие показаний тензометрического датчика 11 резистивного типа), управления работой элемента Пельтье 6, и возможности подключения внешних приборов для измерения электрического сопротивления мембраны как в поперечном, так и в продольных направлениях с использованием систем токопроводящих контактов №1 и №2.
При этом, составной корпус 1, крышка 2, система 5 активного охлаждения, элемент Пельтье 6, пластина 12 с системой токопроводящих контактов №2 имеют отверстия разных диаметров, однако центры окружностей всех отверстий лежат на одной оси. Отверстия в составном корпусе 1 и крышке 2 закрываются окнами из материала, прозрачного в рентгеновском и оптическом диапазоне, без нарушения герметичности камеры. Данное решение позволяет пучку излучения дифрактометра или оптического микроскопа беспрепятственно проходить через исследуемый образец мембраны, не взаимодействуя с конструктивными деталями устройства. Кроме того, компактные размеры и относительно небольшая толщина заявляемого устройства облегчают его внедрение в различные экспериментальные комплексы, используемые для изучения микроструктуры образцов (рентгеновские дифрактометры, оптические микроскопы и др.). Отдельно стоит отметить, что геометрия отверстий в предлагаемом устройстве обеспечивает возможность работы дифрактометра в режиме измерений рассеяния рентгеновских лучей как под большими, так и под малыми углами.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид устройства для исследования структурных и транспортных свойств мембран в условиях контролируемой температуры и влажности окружающей среды в сборе.
На фиг.2 изображен вид устройства для исследования структурных и транспортных свойств мембран в условиях контролируемой температуры и влажности окружающей среды с разнесенными частями.
На фиг.3 изображен общий вид системы фиксации мембраны.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - составной корпус, 2 - крышка, 3 -температурный блок, 4 - система фиксации мембраны, 5 - система активного охлаждения, 6 - элемент Пельтье, 7 - установочные винты, 8 - штуцеры контура охлаждения, 9 -шаговый двигатель системы фиксации мембраны, 10 - система шарниров и рычагов, 11 -тензометрический датчик резистивного типа, 12 - пластина с нанесенной системой токопроводящих контактов №2, 13 - рычаг системы фиксации мембраны, 14 - соединение шарнирного типа, 15 - передаточный механизм, 16 - штуцеры для присоединения к внешнему газовому контуру, 17 - датчик температуры и относительной влажности, 18 -устройство управления и сбора данных.
-6
-1
Устройство в сборе представляет собой составную конструкцию, основные элементы: составной корпус 1, крышка 2, температурный блок 3 и система 4 фиксации мембраны (фиг.1). Температурный блок 3 расположен непосредственно в корпусе 1 и состоит из внутреннего контура системы 5 активного охлаждения и элемента Пельтье 6. Для лучшей теплопередачи между элементом Пельтье 6 и внутренним контуром системы активного охлаждения предусмотрен слой теплопроводящей пасты. Температурный блок 3 прочно и неподвижно закреплен на нижней части корпуса 1 с использованием установочных винтов 7, изготовленных из материала с коэффициентом линейного термического расширения не более 1,2⋅10 °С. Внутренний контур системы 5 активного охлаждения представляет собой медную пластину, в теле которой выполнены каналы для прохождения охлаждающей жидкости/газа, при этом каналы соединены с штуцерами 8 контура охлаждения, через которые осуществляется подача и отвод охлаждающей жидкости/газа. На внешней стороне элемента Пельтье 6 нанесена тонкопленочная система токопроводящих контактов №1.
Система 4 фиксации мембраны представлена шаговым двигателем 9, системой 10 шарниров и рычагов, тензометрическим датчиком 11 резистивного типа, пластиной 12 с нанесенной на нее системой токопроводящих контактов №2. Тензометрический датчик 11 может быть расположен на любом из участков системы 10 шарниров и рычагов. Система 10 шарниров и рычагов соединяет шаговый двигатель 9 с пластиной 12, и включает в себя рычаг 13, выполненный в виде узкой упругой пластины, соединение 14 шарнирного типа и передаточный механизм 15. Передаточный механизм 15 предусмотрен для передачи крутящего момента шагового двигателя 9 при перемещении рычага 13.
-6
-1
Корпус 1 и крышка 2 в сборе формируют герметичную камеру и изготовлены из материала с относительно низким коэффициентом термического расширения (до 1,2⋅10 °С). Для фиксации крышки 2 на корпусе 1 предусмотрены установочные винты 7, а контур соединения снабжен уплотнительным кольцом. В корпусе предусмотрены отверстия с резьбой, в которые фиксируются штуцеры 16 для присоединения к внешнему газовому контуру (или дополнительному внешнему контуру активного охлаждения). Датчик 17 температуры и относительной влажности также расположены в корпусе 1 в максимальной близости к месту размещения экспериментального образца.
В конструкции корпуса 1 предусмотрен общий герметичный разъем для вывода электрических контактов, идущих от датчика 17 температуры и влажности, тензометрического датчика 11, шагового двигателя 9, элемента Пельтье 6, систем токопроводящих контактов №1 и №2 на устройство управления и сбора данных 18.
Корпус 1, крышка 2, система активного охлаждения 5, элемент Пельтье 6 и пластина 12 имеют отверстия диаметром от 1 до 5 мм, центры окружностей которых лежат на одной оси. Отверстия в корпусе и крышке закрываются окнами из материала, прозрачного в рентгеновском и оптическом диапазоне, без нарушения герметичности камеры. Кроме того, корпус 1 имеет систему сбора конденсированной влаги в виде углублений во внутреннем периметре.
Ниже представлено описание работы устройства для исследования структурных и транспортных свойств мембран в условиях контролируемой температуры и влажности окружающей среды.
В начале работы корпус 1 и крышка 2 разъединены, а система 4 фиксации мембраны приведена в положение таким образом, что пластина 12 максимально удалена от элемента Пельтье 6. Экспериментальный образец мембраны располагается на элемент Пельтье 6 таким образом, что он покрывает всю систему токопроводящих контактов №1. Шаговый двигатель 9 управляется посредством подачи сигналов от устройства управления и сбора данных 18 и приводит в движение пластину 12 через систему 10 шарниров и рычагов. Необходимое усилие прижатия мембраны пластиной 12 контролируется показаниями тензометрического датчика 11 резистивного типа, реагирующего на изменение изгиба рычага 13. После фиксации пластины 12 экспериментальный образец мембраны оказывается плотно зажатым между системой токопроводящих контактов №1 и системой токопроводящих контактов №2. Крышка 2 фиксируется на корпусе 1 при помощи установочных винтов 7 после проверки посадки уплотнителей (например, уплотнительного кольца). Устройство в сборе фиксируется внешними держателями в области сканирования микроскопа или дифрактометра. Важно соблюдать условие попадания окон, закрывающих отверстия в корпусе 1 и крышке 2 в область сканирования микроскопа или дифрактометра; при этом ось, на которой лежат центры окружностей отверстий в корпусе 1, крышке 2, системе активного охлаждения 5, элементе Пельтье 6 и пластине 12, должна совпадать с осью прохождения сканирующего луча. Система подачи и отвода газа, необходимого для эксперимента состава и относительной влажности, подключается к устройству через штуцеры 16 газового контура; система подачи и отвода охлаждающей жидкости - через штуцеры 8 внешнего контура активного охлаждения. Для контроля параметров создаваемой в устройстве атмосферы используется устройство управления и сбора данных 18, подключаемое к датчику 17 температуры и влажности. Устройство для измерения сопротивления (желательно импедансный спектрометр) подключается к системам токопроводящих контактов №1 и №2 или к устройству управления и сбора данных 18 с использованием различных схем подключения в зависимости от запланированных программ испытаний. Возможно проведение измерений сопротивления мембраны как в продольном, так и в поперечном направлении. При необходимости, производится повторная настройка усилия прижима мембраны путем включения шагового двигателя 9, через устройство управления и сбора данных 18. В ходе эксперимента возможно термостатирование экспериментального образца посредством регулирования работы системы охлаждения и элемента Пельтье 6. Таким образом, устройство позволяет проводить эксперименты с одновременным изучением структурных и транспортных характеристик экспериментальных образцов мембран при варьировании температуры образца, а также состава и влажности создаваемой вокруг него атмосферы. Компактные размеры и относительно небольшая толщина устройства облегчают его внедрение в различные экспериментальные комплексы, используемые для изучения микроструктуры образцов (рентгеновские дифрактометры, оптические микроскопы и др.). Отдельно стоит отметить, что устройство предполагает возможность работы дифрактометров в режиме измерений рассеяния рентгеновских лучей как под большими, так и под малыми углами. Данного рода эксперименты особенно важны при изучении функциональных материалов, используемых в активных слоях различных электрохимических устройств (топливные элементы, солнечные батареи, проточные окислительно-восстановительные батареи и др.)