專利名稱：薄膜材料線膨脹系數(shù)的間接測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜材料線膨脹系數(shù)的測(cè)量方法，屬于間接測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著溫度的變化，材料會(huì)發(fā)生變形，不同材料的這種變形率(單位溫度的變形量，稱線膨脹系數(shù))是不同的。對(duì)于航天器這類要在室溫、高溫和低溫等復(fù)雜溫度環(huán)境中使用的大型儀器，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮不同零部件選材時(shí)的熱匹配問(wèn)題，否則在使用過(guò)程中，由于不同材料的線膨脹系數(shù)的差別，造成零件間變形量不同，有可能導(dǎo)致密封件失效或聯(lián)結(jié)件“抱死”，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致某些部件整體破壞。因此，準(zhǔn)確測(cè)定材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)是航天等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟。
對(duì)于傳統(tǒng)大試件樣品，目前有多種測(cè)量其線膨脹系數(shù)的方法。其中應(yīng)變片法和石英管膨脹儀法使用最為普遍。但隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，作為電絕緣和熱絕緣的薄膜材料越來(lái)越受到重視，而傳統(tǒng)的線膨脹系數(shù)測(cè)量方法往往不適合測(cè)量這類材料。例如，應(yīng)變片法由于應(yīng)變片的剛度相對(duì)于薄膜樣品已不再能忽略，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不能準(zhǔn)確反映薄膜材料自身的線膨脹系數(shù)；石英管膨脹儀法原理是利用一垂直放置的石英棒下端壓住被測(cè)樣品，上端與一千分表頭接觸，隨著溫度變化，樣品變形，石英管垂直移動(dòng)，帶動(dòng)千分表頭移動(dòng)，從而根據(jù)千分表讀數(shù)得到樣品的變形量，但由于薄膜材料不能承壓，這種方法無(wú)法使用。專利申請(qǐng)?zhí)?00320126700.2曾提出了一種改進(jìn)型石英管膨脹儀法，基本思想是薄膜雖然不能受壓，但能承拉，為此該專利在傳統(tǒng)的石英管膨脹儀法基礎(chǔ)上增加一反向聯(lián)接機(jī)構(gòu)，保證試驗(yàn)過(guò)程中樣品始終處于被拉緊狀態(tài)，從而能有效測(cè)量薄膜類材料的線膨脹系數(shù)，但整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。另外，由于要將低溫箱中樣品的熱變形量通過(guò)復(fù)雜機(jī)構(gòu)傳到室溫，再通過(guò)千分表測(cè)量得到，很難實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題提供一種簡(jiǎn)單可行的薄膜材料線膨脹系數(shù)的間接測(cè)量方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案基于隨著溫度變化，對(duì)于一個(gè)不受約束的樣品，它要產(chǎn)生熱變形，直接法是測(cè)量其變形量，除以溫度變化量，得到樣品在這一溫度區(qū)間內(nèi)的線膨脹系數(shù)。對(duì)于薄膜材料，變溫過(guò)程中變形量的測(cè)量較為困難，而應(yīng)力測(cè)量則相對(duì)簡(jiǎn)單的多。原因在于變形測(cè)量通過(guò)聯(lián)接機(jī)構(gòu)傳遞給測(cè)量?jī)x表時(shí)，中間機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形會(huì)與試件變形疊加在一起，影響測(cè)量精度；而載荷具有可傳遞性，不會(huì)由于中間有聯(lián)接件而發(fā)生變化。
因此，在彈性熱變形過(guò)程中，不直接測(cè)量變形量，而是通過(guò)測(cè)量應(yīng)力值，除以材料的楊氏模量(楊氏模量是材料一個(gè)基本力學(xué)參數(shù)，一般認(rèn)為已知)，可以間接得到材料的熱變形量和線膨脹系數(shù)。
測(cè)量材料低溫下的線膨脹系數(shù)值時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)方法將被測(cè)樣品安裝在材料試驗(yàn)機(jī)上，放入低溫環(huán)境箱進(jìn)行控溫。隨著溫度的降低，樣品有收縮趨勢(shì)，但由于其兩端被試驗(yàn)機(jī)夾具固定，無(wú)法收縮，導(dǎo)致樣品內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，利用載荷傳感器記錄該熱應(yīng)力值。以室溫為基準(zhǔn)點(diǎn)，記錄下不同溫度點(diǎn)樣品內(nèi)部的熱應(yīng)力值，利用下面的公式即可計(jì)算材料的線膨脹系數(shù)α=ΔσEΔT]]>其中ΔT和Δσ分別為所測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度差和應(yīng)力差，E為被測(cè)樣品的楊氏模量。
進(jìn)行高溫線膨脹系數(shù)測(cè)量時(shí)，唯一要注意的是，隨著溫度的升高，樣品會(huì)伸長(zhǎng)，為了保證在整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)薄膜樣品始終處于受拉繃緊狀態(tài)，在室溫下要對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行一定的拉伸預(yù)加載(小于樣品的彈性極限即可)，這樣隨著溫度的升高，應(yīng)力一點(diǎn)點(diǎn)降低，通過(guò)記錄應(yīng)力變化，利用上面公式就可以得到被測(cè)樣品的線膨脹系數(shù)。
薄膜材料線膨脹系數(shù)的間接測(cè)量方法的步驟①選擇測(cè)試系統(tǒng)，要求測(cè)試系統(tǒng)中的下夾具、上夾具、反向支撐桿和反向聯(lián)結(jié)桿四個(gè)部件必須選用同一種材料(不銹鋼材料)。所述的測(cè)試系統(tǒng)包括試驗(yàn)機(jī)和樣品的相關(guān)夾具。
②在測(cè)量前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定樣品必須與上述四個(gè)部件材料相同。
③測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定后，在室溫下將被測(cè)薄膜樣品固定在上、下夾具上，再安裝到試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行預(yù)拉伸，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，保持載荷不變，記錄下樣品的應(yīng)力σ0值和環(huán)境溫度T0。
④在試驗(yàn)機(jī)上安裝控溫箱，進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn)。記錄下不同時(shí)刻的應(yīng)力和溫度(σ1，T1)，(σ2，T2)，…(σn，Tn)值，控溫裝置可直接從市場(chǎng)上購(gòu)買。
⑤利用下面的公式計(jì)算被測(cè)薄膜樣品在任意溫度區(qū)間Ti～Ti+1(i＝0～n-1)的線膨脹系數(shù)αi值。
αi=σi+1-σiE(Ti-Ti-1)]]>⑥根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到被測(cè)薄膜樣品4從T0至Tn整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)的線膨脹系數(shù)。
本發(fā)明的有益效果薄膜材料線膨脹系數(shù)的精確測(cè)量不僅有工程應(yīng)用的背景，而且有科學(xué)意義，用來(lái)研究表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)對(duì)材料參數(shù)的影響。該測(cè)量薄膜材料線膨脹系數(shù)的間接方法，原理簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，可在不同溫區(qū)對(duì)薄膜材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。而且該方法雖然是針對(duì)薄膜材料提出的，實(shí)際上不受材料尺寸的限制，可以測(cè)量任何材料的線膨脹系數(shù)。


圖1薄膜線膨脹系數(shù)測(cè)量裝置示意圖。
圖中材料試驗(yàn)機(jī)1、下夾具2、反向支撐桿3、被測(cè)薄膜樣品4、上夾具5、控溫箱6、力傳感器7、反向聯(lián)結(jié)桿8。
圖2聚酰亞胺薄膜樣品線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
以測(cè)量聚酰亞胺薄膜樣品的線膨脹系數(shù)為例，測(cè)量其低溫下的線膨脹系數(shù)的具體步驟一、首先選擇測(cè)試系統(tǒng)，要求測(cè)試系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)中的下夾具2、上夾具5、反向支撐桿3和反向聯(lián)結(jié)桿8四個(gè)部件必須選用同一材料(不銹鋼材料)。二、在測(cè)量前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，選用的標(biāo)定樣品與上述四個(gè)部件材料相同。隨著溫度降低，標(biāo)定樣品和反向聯(lián)接桿3向同一方向收縮，又下夾具2、上夾具5、反向支撐桿3、被測(cè)樣品4和反向聯(lián)結(jié)桿8均為同一材料，收縮變形相互抵消，沒(méi)有應(yīng)力輸出。如有應(yīng)力輸出，則說(shuō)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有誤差，應(yīng)將其作為系統(tǒng)測(cè)量誤差在以后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中扣除。
三、測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定后，在室溫下將被測(cè)薄膜樣品4固定在上夾具5和下夾具2上，再安裝到試驗(yàn)機(jī)1上，進(jìn)行預(yù)拉伸，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，保持載荷不變，記錄下聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力值σ0和環(huán)境溫度T0。
四、在試驗(yàn)機(jī)1上安裝控溫箱，進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn)，隨著溫度降低，應(yīng)力增加，記錄下不同時(shí)刻聚酰亞胺薄膜的應(yīng)力和溫度(σ1，T1)，(σ2，T2)，…(σn，Tn)值。
五、利用下面公式計(jì)算聚酰亞胺薄膜在任意溫度區(qū)間Ti～Ti+1(i＝0～n-1)的線膨脹系數(shù)αi值。
αi=σi+1-σiE(Ti-Ti-1)]]>六、根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到被測(cè)的聚酰亞胺薄膜從T0至Tn整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)的線膨脹系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖中橫座標(biāo)為溫度，縱座標(biāo)為線膨脹系數(shù)。
權(quán)利要求
1.薄膜材料線膨脹系數(shù)的間接測(cè)量方法，該方法的具體步驟①選擇測(cè)試系統(tǒng)，要求測(cè)試系統(tǒng)中的下夾具(2)、上夾具(5)、反向支撐桿(3)和反向聯(lián)結(jié)桿(8)四個(gè)部件必須選用同一種材料(不銹鋼材料)；②在測(cè)量前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定樣品必須與上述四個(gè)部件材料相同；③測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定后，在室溫下將被測(cè)薄膜樣品(4)固定在上夾具(5)和下夾具(2)上，再安裝到試驗(yàn)機(jī)(1)上，進(jìn)行預(yù)拉伸，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，保持載荷不變，記錄下樣品的應(yīng)力值σ0和環(huán)境溫度T0；④在試驗(yàn)機(jī)上安裝控溫箱(6)，進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn)，記錄下不同時(shí)刻值(σ1，T1)，(σ2，T2)，…(σn，Tn)；⑤利用下面公式計(jì)算被測(cè)薄膜樣品(4)在任意溫度區(qū)間Ti～Ti+1(i＝0～n-1)的線膨脹系數(shù)αi值；αi=σi+1-σiE(Ti-Ti-1)]]>⑥根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到被測(cè)薄膜樣品(4)從T0至Tn整個(gè)溫度區(qū)內(nèi)的線膨脹系數(shù)。
全文摘要
一種薄膜材料線膨脹系數(shù)的間接測(cè)量方法，其步驟①要求測(cè)試系統(tǒng)的下夾具(2)、上夾具(5)、反向支撐桿(3)和反向聯(lián)結(jié)桿(8)四個(gè)部件選用同一種材料(不銹鋼材料)。②在測(cè)量前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定樣品必須與上述四個(gè)部件材料相同。③測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定后，在室溫下將被測(cè)薄膜樣品(4)固定在上夾具(5)和下夾具(2)上，再安裝到試驗(yàn)機(jī)(1)上，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，記錄下樣品的應(yīng)力值和環(huán)境溫度。④進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn)，記錄下不同時(shí)刻的應(yīng)力和溫度值。⑤利用α
文檔編號(hào)G01N25/00GK1584570SQ20041004267
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者王正道, 兌關(guān)鎖, 金明, 蔣少卿, 汪越勝, 趙欣欣, 盧建軍 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)