CN1270177C - 薄膜材料线膨胀系数的间接测量方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜材料线膨胀系数的间接测量方法，其步骤：①要求测试系统的下夹具(2)、上夹具(5)、反向支撑杆(3)和反向联结杆(8)四个部件选用同一种材料(不锈钢材料)。②在测量前对测试系统进行标定，标定样品必须与上述四个部件材料相同。③测量系统标定后，在室温下将被测薄膜样品(4)固定在上夹具(5)和下夹具(2)上，再安装到试验机(1)上，拉伸到样品破坏载荷的5%左右，记录下样品的应力值和环境温度。④进行温控实验，记录下不同时刻的应力和温度值。⑤利用α_i＝σ_i+1-σ₁/E(T_i-T_i-1)公式计算被测薄膜样品(4)在任意温度区间的线膨胀系数。⑥根据计算结果得到被测薄膜样品(4)从T₀至T_n整个温度区内的线膨胀系数。本发明原理简单，测量方便，可在不同温区对薄膜材料的线膨胀系数进行测量。

Description

薄膜材料线膨胀系数的间接测量方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料线膨胀系数的测量方法，属于间接测量方法。

背景技术

随着温度的变化，材料会发生变形，不同材料的这种变形率(单位温度的变形量，称线膨胀系数)是不同的。对于航天器这类要在室温、高温和低温等复杂温度环境中使用的大型仪器，设计时必须考虑不同零部件选材时的热匹配问题，否则在使用过程中，由于不同材料的线膨胀系数的差别，造成零件间变形量不同，有可能导致密封件失效或联结件“抱死”，严重的可能会导致某些部件整体破坏。因此，准确测定材料在不同温度下的线膨胀系数是航天等相关领域进行材料选择和结构设计的一个非常关键的步骤。

对于传统大试件样品，目前有多种测量其线膨胀系数的方法。其中应变片法和石英管膨胀仪法使用最为普遍。但随着材料科学的不断发展，作为电绝缘和热绝缘的薄膜材料越来越受到重视，而传统的线膨胀系数测量方法往往不适合测量这类材料。例如，应变片法由于应变片的刚度相对于薄膜样品已不再能忽略，从而导致测量结果不能准确反映薄膜材料自身的线膨胀系数；石英管膨胀仪法原理是利用一垂直放置的石英棒下端压住被测样品，上端与一千分表头接触，随着温度变化，样品变形，石英管垂直移动，带动千分表头移动，从而根据千分表读数得到样品的变形量，但由于薄膜材料不能承压，这种方法无法使用。专利申请号200320126700.2曾提出了一种改进型石英管膨胀仪法，基本思想是薄膜虽然不能受压，但能承拉，为此该专利在传统的石英管膨胀仪法基础上增加一反向联接机构，保证试验过程中样品始终处于被拉紧状态，从而能有效测量薄膜类材料的线膨胀系数，但整个系统结构较为复杂。另外，由于要将低温箱中样品的热变形量通过复杂机构传到室温，再通过千分表测量得到，很难实现高精度测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种简单可行的薄膜材料线膨胀系数的间接测量方法。

本发明的技术方案：

基于随着温度变化，对于一个不受约束的样品，它要产生热变形，直接法是测量其变形量，除以温度变化量，得到样品在这一温度区间内的线膨胀系数。对于薄膜材料，变温过程中变形量的测量较为困难，而应力测量则相对简单的多。原因在于变形测量通过联接机构传递给测量仪表时，中间机械结构的变形会与试件变形叠加在一起，影响测量精度；而载荷具有可传递性，不会由于中间有联接件而发生变化。

因此，在弹性热变形过程中，不直接测量变形量，而是通过测量应力值，除以材料的杨氏模量(杨氏模量是材料一个基本力学参数，一般认为已知)，可以间接得到材料的热变形量和线膨胀系数。

测量材料低温下的线膨胀系数值时，按照标准拉伸实验方法将被测样品安装在材料试验机上，放入低温环境箱进行控温。随着温度的降低，样品有收缩趋势，但由于其两端被试验机夹具固定，无法收缩，导致样品内部产生热应力，利用载荷传感器记录该热应力值。以室温为基准点，记录下不同温度点样品内部的热应力值，利用下面的公式即可计算材料的线膨胀系数：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ\σ}}{\mathrm{E\ΔT}}$

其中ΔT和Δσ分别为所测点与基准点的温度差和应力差，E为被测样品的杨氏模量。

进行高温线膨胀系数测量时，唯一要注意的是，随着温度的升高，样品会伸长，为了保证在整个测量温度范围内薄膜样品始终处于受拉绷紧状态，在室温下要对被测样品进行一定的拉伸预加载(小于样品的弹性极限即可)，这样随着温度的升高，应力一点点降低，通过记录应力变化，利用上面公式就可以得到被测样品的线膨胀系数。

薄膜材料线膨胀系数的间接测量方法的步骤：

①选择测试系统，要求测试系统中的下夹具、上夹具、反向支撑杆和反向联结杆四个部件必须选用同一种材料(不锈钢材料)。所述的测试系统包括：试验机和样品的相关夹具。

②在测量前对测试系统进行标定，标定样品必须与上述四个部件材料相同。

③测量系统标定后，在室温下将被测薄膜样品固定在上、下夹具上，再安装到试验机上，进行预拉伸，拉伸到样品破坏载荷的5％左右，保持载荷不变，记录下样品的应力σ₀值和环境温度T₀。

④在试验机上安装控温箱，进行温控实验。记录下不同时刻的应力和温度(σ₁，T₁)，(σ₂，T₂)，…(σ_n，T_n)值，控温装置可直接从市场上购买。

⑤利用下面的公式计算被测薄膜样品在任意温度区间T_i～T_i+1(i＝0～n-1)的线膨胀系数α_i值。

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\σ}}_i}{E(T_i-T_{i-1})}$

⑥根据计算结果得到被测薄膜样品4从T₀至T_n整个温度区内的线膨胀系数。

本发明的有益效果：

薄膜材料线膨胀系数的精确测量不仅有工程应用的背景，而且有科学意义，用来研究表面效应和尺寸效应对材料参数的影响。该测量薄膜材料线膨胀系数的间接方法，原理简单，测量方便，可在不同温区对薄膜材料的线膨胀系数进行测量。而且该方法虽然是针对薄膜材料提出的，实际上不受材料尺寸的限制，可以测量任何材料的线膨胀系数。

附图说明

图1薄膜线膨胀系数测量装置示意图。

图中：材料试验机1、下夹具2、反向支撑杆3、被测薄膜样品4、上夹具5、控温箱6、力传感器7、反向联结杆8。

图2聚酰亚胺薄膜样品线膨胀系数与温度的关系。

具体实施方式

以测量聚酰亚胺薄膜样品的线膨胀系数为例，测量其低温下的线膨胀系数的具体步骤：

一、首先选择测试系统，要求测试系统(见图1)中的下夹具2、上夹具5、反向支撑杆3和反向联结杆8四个部件必须选用同一材料(不锈钢材料)。二、在测量前对测试系统进行标定，选用的标定样品与上述四个部件材料相同。随着温度降低，标定样品和反向联接杆3向同一方向收缩，又下夹具2、上夹具5、反向支撑杆3、被测样品4和反向联结杆8均为同一材料，收缩变形相互抵消，没有应力输出。如有应力输出，则说明系统结构有误差，应将其作为系统测量误差在以后的实验过程中扣除。

三、测量系统标定后，在室温下将被测薄膜样品4固定在上夹具5和下夹具2上，再安装到试验机1上，进行预拉伸，拉伸到样品破坏载荷的5％左右，保持载荷不变，记录下聚酰亚胺薄膜的应力值σ₀和环境温度T₀。

四、在试验机1上安装控温箱，进行温控实验，随着温度降低，应力增加，记录下不同时刻聚酰亚胺薄膜的应力和温度(σ₁，T₁)，(σ₂，T₂)，…(σ_n，T_n)值。

五、利用下面公式计算聚酰亚胺薄膜在任意温度区间T_i～T_i+1(i＝0～n-1)的线膨胀系数α_i值。

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_{i+1}-{\mathrm{\σ}}_i}{E(T_i-T_{i-1})}$

六、根据计算结果得到被测的聚酰亚胺薄膜从T₀至T_n整个温度区内的线膨胀系数，实验结果如图2所示。图中：横座标为温度，纵座标为线膨胀系数。

Claims (1)

1.薄膜材料线膨胀系数的间接测量方法，该方法的具体步骤：

①选择测试系统，要求测试系统中的下夹具(2)、上夹具(5)、反向支撑杆(3)和反向联结杆(8)四个部件必须选用同一种材料；

②在测量前对测试系统进行标定，标定样品必须与上述四个部件材料相同；

③测量系统标定后，在室温下将被测薄膜样品(4)固定在上夹具(5)和下夹具(2)上，再安装到试验机(1)上，进行预拉伸，拉伸到样品破坏载荷的5％，保持载荷不变，记录下样品的应力值σ₀和环境温度T₀；

④在试验机上安装控温箱(6)，进行温控实验，记录下不同时刻值

(σ₁，T₁)，(σ₂，T₂)，…(σ_n，T_n)；

⑤利用下面公式计算被测薄膜样品(4)在任意温度区间T_i～T_i+1(i＝0～n-1)的线膨胀系数α_i值；

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\σ}}_{i+1}-{\mathrm{\σ}}_i}{E(T_i-T_{i-1})}$

E为被测薄膜样品的杨氏模量；

⑥根据计算结果得到被测薄膜样品(4)从T₀至T_n整个温度区内的线膨胀系数。

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