压缩永久变形试验机

油价破九的那一刻，您是否也动过油车换电车的念头？新能源电动汽车的兴起正在改变交通出行方式和产业结构，续航里程、安全性、电池循环寿命则成为人们关注的新焦点。 三元正极材料（NCM）因能量密度高且循环性能好，得到了越来越广泛的应用。然而NCM在充放电过程中其颗粒内部易产生微裂纹和相变，从而导致正极材料的机械降解，增加电池电阻并导致容量和循环性能下降。根据韩国中央大学Janghyuk Moon[1]等对NCM机械降解机理的研究，NCM结构稳定性与电循环性能直接相关，尤其颗粒硬度将影响长期循环稳定性。对μm级NCM颗粒力学性能的测试，是评价其机械性能的重要方式。岛津微小压缩试验机（MCT）精确把握微小力的测量，为材料机械性能的研究提供稳定可靠的基础数据。 正极材料力学性能测试难点在Janghyuk Moon等的研究中所测试的NCM材料为直径8μm的粉体，单颗粒硬度143MPa，折合受力仅约10mN，破裂时样品的压缩形变仅1μm，对这样微小力与微小形变的精确观测十分困难。岛津MCT系列微小压缩试验机因其可加载9.8-4903 mN（载荷准确度：试验力±1%）,测量范围0-100μm（最小增量：0.0001μm）解决了NCM材料颗粒试验的观测难题。 MCT系列微小压缩试验机 岛津MCT在NCM硬度测试中的应用MCT通过电磁机构将恒定增速的试验力施加至NCM颗粒上，并将其固定在上压杆（标配的50 μm平压头）和下压板之间，然后自动测量试样的变形量，工作原理如下图。在Janghyuk Moon等的研究中，NCM颗粒的硬度测试根据其压缩断裂强度来确定，该强度在断裂点使用施加的压缩力和颗粒直径进行计算：H = 2.8P/(πr2)其中H是压缩断裂强度，P是施加的压缩力，r是颗粒的直径。 工作原理图 l 位移急剧增加表明试样已发生破裂。l 试样的机械强度（抗压强度）由引起破裂力确定。 岛津MCT在NCM压缩试验中的应用除硬度测试外，MCT还能够以加卸载、循环模式对试样进行力学性能试验。MCT压缩试验过程图像 对于微米级别的NCM颗粒，可以通过MCT系列试验机进行颗粒压缩试验，不仅可以获取其压缩断裂强度，更可以获取其试验力、位移与强度等数据关系曲线，而且可以观察其弹性阶段的线性变化。更进一步，MCT系列试验机可以通过加/卸载试验模式测试颗粒的压缩率与回复率，通过循环试验测试其反复施力后材料性能等等。 下图是对三种不同的NCM颗粒进行压缩试验，评价其压缩试验与回复率。得到数据的同时，可以将每张压缩前后照片进行记录。后期还能够结合图像分析粉末材料的失效机制。 NCM颗粒压缩试验结果 MCT的丰富配件除此基本配置以外，岛津MCT可以加装丰富配件：l 搭载侧面观察配件可以从侧面观察样品的放大图像，可以在PC屏幕上显示图像，并且可在任何运行过程中保存；l 配置环境温度箱使用，对不同温度下的微小样品压缩性能进行测试；l 配置惰性环境箱，对于容易受潮的微粒子且在大气中不能进行压缩试验的测试颗粒，起到良好的测试效果；l 搭配电阻测量配件可以可获取导电微小颗粒的连接阻力和压缩率之间的相关性。 MCT附带侧面观察装置MCT附带环境温度装置环境测试装置（N2惰性气体） 结 语岛津公司生产的MCT系列微小试验机适用于NCM正极材料这类微小粉末颗粒的力学性能评价，不仅可以绘制相应载荷-位移曲线，还可以通过计算获取压缩强度，压缩回复率等参数。此外，通过加装纵向与侧向观察装置，可以对颗粒的压缩过程进行观察。随着锂电池正极材料的深入研究，在不同环境下测试其力学性能也将成为关注点，岛津MCT可提供丰富的解决方案。 [1]参考文献：Janghyuk Moona, Jae Yup Jungb, Trung Dinh Hoanga, Dong Young Rheeb, Hyo Bin Leeb, Min-Sik Parkb,*, Ji-Sang Yuc,** The correlation between particle hardness and cycle performance of layered cathode materials for lithium-ion batteries，Journal of Power Sources 486(2021)229359 撰稿人：杨汉章 *本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

技术参数： 1、量程范围：5KN 力值精度：±0.5% 以内 2、负荷分档： 10%*FS ， 20%*FS ， 50%*FS ，3、试验速度： 0.01mm/min--500mm/min（伺服系统+滚珠丝杠） 4、有效拉伸距离（不含夹具）：100mm 5、位移测量精度：示值的±0.5% 以内 6、变形测量精度：示值的±0.5% 以内 7、打印功能：打印测试后的试验数据及曲线等8、电源电压：AC220V 50Hz 创新点：微型拉力机完成了从传统的900mm较高行程到100mm微型行程的转变，大大节省了试验所需的空间50N微型电子拉伸压缩万能试验机

内战结束后不久，美国的工业化开始突飞猛进，新的工厂如雨后春笋般出现，机 械、建筑以及其他行业越来越需要更好的 材料测试方法。工程师对于无法获得可靠 的材料属性信息非常沮丧。“建筑的艺术......笼罩在神秘和阴暗之中，” Van Nostrand的工程杂志如是说。“关于材料 的知识就目前来看......完全是经验性的......工 程师在使用一种新材料，或一种新形式的旧材料之前，唯一安全的方法就是实验。” 材料使用前没有测试其强度的某种方 法时，这些实验结果往往需要通过爆炸或 爆破建筑的方式获取。从1850年代开始， 出现了各种材料测试装置，然而真正的通 用测试设备的目的仍十分难懂，直到1880 年，在这一年，本从挪威移民到费城但却 刚刚失业的工程师Tinius Olsen发明了众 所周知的“小巨人”，并申请了专利。至 此才终于有了一台可以同时进行拉伸、横 向弯曲和压缩测试的设备。Olsen的设备成为了其后全世界生产的测试设备的始祖，而Olsen为了营销其 发明而创建的公司也在试验机行业内一直生存至今。到今年为止，天氏欧森公司已经连续经营了137 个年头。 Olsen于1845年出生于挪威孔斯贝格的一个木质枪托工匠之家，家里有八个兄弟姐妹。他于1866年 以优异的成绩从霍顿技术学院毕业，成为了一家大型航海设备工厂机械部门的领班。然而Olsen并不喜欢 这份工作，在英国纽卡斯尔尝试找工作之后，他去了美国。1869 年8月，24岁的Olsen来到了费城，在 威廉销售有限公司找到了一份设计师的工作。 Olsen 开始参加当地路德教教堂的周日圣经班，在那里他遇到了拥有一家小型量具工厂的 Riehlé兄弟。 当时 Riehlé兄弟有一个客户急需他们设计一台可以测试锅炉钢板强度的设备。当时还没有出现这样的设备， 强度不够的钢板材料经常导致来往于密西西比河上的蒸汽船发生锅炉爆炸事故。Riehlé兄弟邀请Olsen为 这种设备设计图纸，Olsen利用他的闲暇时间详细设计和绘制了第一台用于锅炉钢板拉伸测试的设备，加 载能力达40,000lbf。 Riehlé兄弟制造出的这种新设备获得了成功，不久后，就出现了增大这种设备型号的需求。Olsen获 邀接管工厂，从1872年开始成为Riehlé兄弟工厂的主管。在那里的八年里，他帮助工厂成为了一家可以同时生产弹簧和测试设备的企业。他在新兴的材料测试领域内开创了新的贡献包括用于桥梁建造、铁路机 车和其他工业产品材料的立式和卧式测试设备。其中有几台设备还参与了1876年费城百年庆典博览会的 展出。专利所有权仍掌握在他的雇主手中。 他的发明才能并未被忽视。1879年，费城久负盛名的科学研究和信息中心——弗兰克林科学和艺术委员会 委派了一个下属委员会去了解Olsen的试验机。根据该委员会的报告，这些机器“便于操作、比例适当、 设计美观，而且足够精确。”可能正是因为这些认可，使得Olsen要求Riehlés兄弟接受他成为合伙人。 然而两兄弟却拒绝了他，并在1879年下半年，告知他年底他将被辞退。 Olsen对于新设备有许多构想：其中之一就是通用试验机。在他的妻子夏洛塔——最早获得医学学位 的北欧籍美国女性之一——的支持下，他开始着手设计新机器的图纸。1880年2月6日，Olsen提交了 一份专利申请：“针对试验机作出的一项全新且有利的改进”，并于1880年6月1日获得专利号228214。 在那时，多数材料测试需要不同的设备，每种设备用于某种单一功能。而Olsen命名为“小巨人”的 设备，可以在安装在单个框架内的同一台设备上进行精确的拉伸、横向弯曲和压缩测试。此种设备结构紧 凑、操作简易而且价格低廉。 (右图中所展示的即为当时所生产的"小巨人"，目前存放于Tinius Olsen美国总部，机器尚能使用) 在专利申请书中，Olsen解释说，以前的试验机在对试样施加压强方面有困难，或者施加的大部分载 荷都损耗在摩擦中了。他建议采用结构更紧凑的秤杆，减少摩擦损耗，让横梁上的砝码可以自动移动，并 提供了一种“用于测量试样变形的敏感性测量装置，以及一种以图形记录和说明该变形的装置。” “小巨人”是一种立式机型；它从上方和下方对待测试样施加作用力。上、下加载横梁上带有夹具，里 面夹着试样，在操作者转动一个连接齿轮系统的手柄时，试样即被压碎或拉断。 在拉伸测试中，试样被夹在上、下横梁之间。下横梁往下拉时，静止的上横梁通过立式框架将作用力 传递到下面的称重台上。然后称重台通过杠杆将作用力传递到一个测量载荷的称重横梁上。对于压缩测试， 试样则位于下横梁的下面，横梁往下将试样压在称重台上。在横向弯曲测试中也是一样，试样被夹在横梁 和称重台之间。此时，载荷被施加在较长试样的中心点上，比如一块铸铁或一根钢梁。 Olsen 的构想并不局限在他的载荷框架设计上。他的加载和称重系统也在之前装置的基础上有了改进。 他的螺杆和齿轮系统可以将控制作用力施加到试样上，而且他的称杆极大地减少了空间要求。而且还可以 再添加一个额外的电机来在梁上自动移动砝码，或秤砣，不需操作员作进行任何干预。 除了精度更高之外，“小巨人”还可以用图形记录测量结果。橡胶缓冲垫和弹簧提供了损坏保护，消 除了一个长久以来的棘手问题——试样断裂时经常会损坏试验机。在所有这些创新的推动下，Olsen的设 备被视为所有试验机的基础。 在费城一家知名公司拒绝了他的新产品后，Olsen的妻子说服了他开设自己的公司。他们两人资金不 多——只有几千美元——但是他还是设法成立了他的工厂Tinius Olsen & Co.，地址为费城第12街500号。不久之后，他就成功抢走了他老雇主Riehlé兄弟公司的生意。 虽然Olsen拒绝举债，但他的妻子决心要让这台设备获得展示的机会，于是她典当了她的钻戒（如今这枚钻戒已被赎回被保存于Tinius Olsen总部），筹了 一笔现金，把小巨人带到了1881 年的辛辛那提和亚特兰大工业博览会上。该设备在两个博览会上都赢得 了金奖。第二年，Olsen便接到了订购世界上第一台200,000 lbf试验机的订单，而且作为他多才多艺的证明，他还开发了一台用于测试羽毛拉伸强度的设备。 Olsen在后来的几十年中一直持续为试验机行业引入新的创新。1891年，弗兰克林学院就他的自动绘 图试验机授予了他Elliot Cresson金质奖章。这种试验机可以生成永久且易于解读的应力——应变结果记 录。1908 年，联邦政府订购了一台1000 万磅加载量的设备，这台设备直到本世纪中叶前一直是世界上最 大的试验机。 多年以来，他还获得了其他的荣誉，包括来自挪威国王的奖章。Olsen于1929 年从公司退休，1933 年去世。他在1880年开创的这家公司已经营了137年，目前仍由其后代运营——现在已经到第五代—— 仍然在为测试行业的各种难题提供创新的解决方案。