專利名稱：薄膜材料線膨脹系數的間接測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜材料線膨脹系數的測量方法，屬于間接測量方法。
背景技術：
隨著溫度的變化，材料會發(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)是不同的。對于航天器這類要在室溫、高溫和低溫等復雜溫度環(huán)境中使用的大型儀器，設計時必須考慮不同零部件選材時的熱匹配問題，否則在使用過程中，由于不同材料的線膨脹系數的差別，造成零件間變形量不同，有可能導致密封件失效或聯(lián)結件“抱死”，嚴重的可能會導致某些部件整體破壞。因此，準確測定材料在不同溫度下的線膨脹系數是航天等相關領域進行材料選擇和結構設計的一個非常關鍵的步驟。
對于傳統(tǒng)大試件樣品，目前有多種測量其線膨脹系數的方法。其中應變片法和石英管膨脹儀法使用最為普遍。但隨著材料科學的不斷發(fā)展，作為電絕緣和熱絕緣的薄膜材料越來越受到重視，而傳統(tǒng)的線膨脹系數測量方法往往不適合測量這類材料。例如，應變片法由于應變片的剛度相對于薄膜樣品已不再能忽略，從而導致測量結果不能準確反映薄膜材料自身的線膨脹系數；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，帶動千分表頭移動，從而根據千分表讀數得到樣品的變形量，但由于薄膜材料不能承壓，這種方法無法使用。專利申請?zhí)?00320126700.2曾提出了一種改進型石英管膨脹儀法，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上增加一反向聯(lián)接機構，保證試驗過程中樣品始終處于被拉緊狀態(tài)，從而能有效測量薄膜類材料的線膨脹系數，但整個系統(tǒng)結構較為復雜。另外，由于要將低溫箱中樣品的熱變形量通過復雜機構傳到室溫，再通過千分表測量得到，很難實現高精度測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題提供一種簡單可行的薄膜材料線膨脹系數的間接測量方法。
本發(fā)明的技術方案基于隨著溫度變化，對于一個不受約束的樣品，它要產生熱變形，直接法是測量其變形量，除以溫度變化量，得到樣品在這一溫度區(qū)間內的線膨脹系數。對于薄膜材料，變溫過程中變形量的測量較為困難，而應力測量則相對簡單的多。原因在于變形測量通過聯(lián)接機構傳遞給測量儀表時，中間機械結構的變形會與試件變形疊加在一起，影響測量精度；而載荷具有可傳遞性，不會由于中間有聯(lián)接件而發(fā)生變化。
因此，在彈性熱變形過程中，不直接測量變形量，而是通過測量應力值，除以材料的楊氏模量(楊氏模量是材料一個基本力學參數，一般認為已知)，可以間接得到材料的熱變形量和線膨脹系數。
測量材料低溫下的線膨脹系數值時，按照標準拉伸實驗方法將被測樣品安裝在材料試驗機上，放入低溫環(huán)境箱進行控溫。隨著溫度的降低，樣品有收縮趨勢，但由于其兩端被試驗機夾具固定，無法收縮，導致樣品內部產生熱應力，利用載荷傳感器記錄該熱應力值。以室溫為基準點，記錄下不同溫度點樣品內部的熱應力值，利用下面的公式即可計算材料的線膨脹系數α=ΔσEΔT]]>其中ΔT和Δσ分別為所測點與基準點的溫度差和應力差，E為被測樣品的楊氏模量。
進行高溫線膨脹系數測量時，唯一要注意的是，隨著溫度的升高，樣品會伸長，為了保證在整個測量溫度范圍內薄膜樣品始終處于受拉繃緊狀態(tài)，在室溫下要對被測樣品進行一定的拉伸預加載(小于樣品的彈性極限即可)，這樣隨著溫度的升高，應力一點點降低，通過記錄應力變化，利用上面公式就可以得到被測樣品的線膨脹系數。
薄膜材料線膨脹系數的間接測量方法的步驟①選擇測試系統(tǒng)，要求測試系統(tǒng)中的下夾具、上夾具、反向支撐桿和反向聯(lián)結桿四個部件必須選用同一種材料(不銹鋼材料)。所述的測試系統(tǒng)包括試驗機和樣品的相關夾具。
②在測量前對測試系統(tǒng)進行標定，標定樣品必須與上述四個部件材料相同。
③測量系統(tǒng)標定后，在室溫下將被測薄膜樣品固定在上、下夾具上，再安裝到試驗機上，進行預拉伸，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，保持載荷不變，記錄下樣品的應力σ0值和環(huán)境溫度T0。
④在試驗機上安裝控溫箱，進行溫控實驗。記錄下不同時刻的應力和溫度(σ1，T1)，(σ2，T2)，…(σn，Tn)值，控溫裝置可直接從市場上購買。
⑤利用下面的公式計算被測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αi值。
αi=σi+1-σiE(Ti-Ti-1)]]>⑥根據計算結果得到被測薄膜樣品4從T0至Tn整個溫度區(qū)內的線膨脹系數。
本發(fā)明的有益效果薄膜材料線膨脹系數的精確測量不僅有工程應用的背景，而且有科學意義，用來研究表面效應和尺寸效應對材料參數的影響。該測量薄膜材料線膨脹系數的間接方法，原理簡單，測量方便，可在不同溫區(qū)對薄膜材料的線膨脹系數進行測量。而且該方法雖然是針對薄膜材料提出的，實際上不受材料尺寸的限制，可以測量任何材料的線膨脹系數。


圖1薄膜線膨脹系數測量裝置示意圖。
圖中材料試驗機1、下夾具2、反向支撐桿3、被測薄膜樣品4、上夾具5、控溫箱6、力傳感器7、反向聯(lián)結桿8。
圖2聚酰亞胺薄膜樣品線膨脹系數與溫度的關系。
具體實施例方式
以測量聚酰亞胺薄膜樣品的線膨脹系數為例，測量其低溫下的線膨脹系數的具體步驟一、首先選擇測試系統(tǒng)，要求測試系統(tǒng)(見圖1)中的下夾具2、上夾具5、反向支撐桿3和反向聯(lián)結桿8四個部件必須選用同一材料(不銹鋼材料)。二、在測量前對測試系統(tǒng)進行標定，選用的標定樣品與上述四個部件材料相同。隨著溫度降低，標定樣品和反向聯(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、被測樣品4和反向聯(lián)結桿8均為同一材料，收縮變形相互抵消，沒有應力輸出。如有應力輸出，則說明系統(tǒng)結構有誤差，應將其作為系統(tǒng)測量誤差在以后的實驗過程中扣除。
三、測量系統(tǒng)標定后，在室溫下將被測薄膜樣品4固定在上夾具5和下夾具2上，再安裝到試驗機1上，進行預拉伸，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力值σ0和環(huán)境溫度T0。
四、在試驗機1上安裝控溫箱，進行溫控實驗，隨著溫度降低，應力增加，記錄下不同時刻聚酰亞胺薄膜的應力和溫度(σ1，T1)，(σ2，T2)，…(σn，Tn)值。
五、利用下面公式計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αi值。
αi=σi+1-σiE(Ti-Ti-1)]]>六、根據計算結果得到被測的聚酰亞胺薄膜從T0至Tn整個溫度區(qū)內的線膨脹系數，實驗結果如圖2所示。圖中橫座標為溫度，縱座標為線膨脹系數。
權利要求
1.薄膜材料線膨脹系數的間接測量方法，該方法的具體步驟①選擇測試系統(tǒng)，要求測試系統(tǒng)中的下夾具(2)、上夾具(5)、反向支撐桿(3)和反向聯(lián)結桿(8)四個部件必須選用同一種材料(不銹鋼材料)；②在測量前對測試系統(tǒng)進行標定，標定樣品必須與上述四個部件材料相同；③測量系統(tǒng)標定后，在室溫下將被測薄膜樣品(4)固定在上夾具(5)和下夾具(2)上，再安裝到試驗機(1)上，進行預拉伸，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，保持載荷不變，記錄下樣品的應力值σ0和環(huán)境溫度T0；④在試驗機上安裝控溫箱(6)，進行溫控實驗，記錄下不同時刻值(σ1，T1)，(σ2，T2)，…(σn，Tn)；⑤利用下面公式計算被測薄膜樣品(4)在任意溫度區(qū)間Ti～Ti+1(i＝0～n-1)的線膨脹系數αi值；αi=σi+1-σiE(Ti-Ti-1)]]>⑥根據計算結果得到被測薄膜樣品(4)從T0至Tn整個溫度區(qū)內的線膨脹系數。
全文摘要
一種薄膜材料線膨脹系數的間接測量方法，其步驟①要求測試系統(tǒng)的下夾具(2)、上夾具(5)、反向支撐桿(3)和反向聯(lián)結桿(8)四個部件選用同一種材料(不銹鋼材料)。②在測量前對測試系統(tǒng)進行標定，標定樣品必須與上述四個部件材料相同。③測量系統(tǒng)標定后，在室溫下將被測薄膜樣品(4)固定在上夾具(5)和下夾具(2)上，再安裝到試驗機(1)上，拉伸到樣品破壞載荷的5％左右，記錄下樣品的應力值和環(huán)境溫度。④進行溫控實驗，記錄下不同時刻的應力和溫度值。⑤利用α
文檔編號G01N25/00GK1584570SQ20041004267
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月1日 優(yōu)先權日2004年6月1日
發(fā)明者王正道, 兌關鎖, 金明, 蔣少卿, 汪越勝, 趙欣欣, 盧建軍 申請人:北京交通大學