CN212514357U - 一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，包括下加热台与上加热台，所述的下加热台上表面设置有硅片，硅片的正中心上表面放置有样品，位于硅片上表面样品外侧设置有支撑物体，所述的支撑物体顶部设置上加热台，位于样品上方的上加热台之间留有空隙，为镂空结构，穿过空隙设置有压头，所述的压头位于样品上方。该装置结合纳米力学测试仪和高温台，实现了利用纳米力学测试仪对热膨胀系数的测量，拓展了纳米力学测试仪的应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及固体材料热学性能评价技术领域，特别涉及一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置。
背景技术
物体的热胀冷缩现象在自然界普遍存在。衡量物体热膨胀的主要参数是组成该物体材料的热膨胀系数。材料的热膨胀系数是物质的基本热物理参数之一,是表征材料性质的重要特征量。准确测量材料的热膨胀系数,对于基础科学研究、技术创新、工程应用都具有重要的意义。目前对材料热膨胀系数的测试方法有很多，例如千分表法、光杠杆法、机械杠杆法、电感法、电容法、直接观测法、光干涉法、X射线法、密度测量法等。
随着科技的快速发展，功能器械日益小型化，微小材料的应用也越来越广泛。以薄膜材料为例，因其独特的结构和性质，薄膜材料已广泛应用于高新技术产业的各个领域。薄膜材料也存在热胀冷缩现象，在变温过程中，由于薄膜与基底热膨胀系数的差异而导致的薄膜热应力，不仅会影响薄膜器件的性能，而且会造成器件变形、开裂甚至破坏、失效，严重影响薄膜器件的性能和使用寿命。因此，研究薄膜材料热膨胀性能对于优化薄膜器件结构、提高器件热稳定性和使用寿命都具有重要的科学指导意义。大量研究工作表明薄膜材料的热膨胀系数与块体材料的热膨胀系数并不完全相同,因此不可相互替代，而且同一种薄膜材料经不同工艺，热膨胀系数也可能不同，因此很有必要对薄膜材料的热膨胀系数进行测量。
针对类似薄膜材料的微小试样热膨胀系数的测试需求，人们开发了一系列的方法，其中最常用的是X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)法和热诱导弯曲(ThermallyInduced Bending，TIB)法。仍以薄膜材料的测试为例，X射线衍射法是通过测量不同温度下薄膜的X射线衍射图谱，得到特征峰的2θ角随温度的变化关系，然后根据公式计算薄膜的热膨胀系数，该方法要求被测对象必须是晶体结构，不适用于非晶体薄膜,且测试过程较繁琐，对测试仪器的要求也较高；热诱导弯曲法是一种间接的测试方法，通过测量薄膜-基片系统升温前后的曲率半径变化，并采用Stony公式计算得出温度变化产生的临界热应力，然后再根据热应力公式计算薄膜热膨胀系数，该方法需要预知薄膜和基片的杨氏模量、泊松比以及基片的热膨胀系数等。其它测试方法也多有自身的局限性，或只适用于某些特殊材料，或对试样形状有特殊要求，或需要对试样表面进行特殊处理，或需要预知很多其它力学参量，或样品制备复杂，因此亟需发展新的测试方法。为此，我们发展了一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的方法，详见专利“一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的方法”，申请号为201910462583.2。然而，纳米力学测试仪并不具备热膨胀系数测试功能，其原有的高温装置不能实现样品在加热过程中的自由膨胀，即无法实现热膨胀系数的测量，因此亟需一种适用于纳米力学测试仪测试热膨胀系数的装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，该装置结合纳米力学测试仪和高温台，实现了利用纳米力学测试仪对热膨胀系数的测量，拓展了纳米力学测试仪的应用。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，包括下加热台1与上加热台2，所述的下加热台1上表面设置有硅片6，硅片6的正中心上表面放置有样品3，位于硅片6上表面样品3外侧设置有支撑物体4，所述的支撑物体4顶部设置上加热台2，位于样品3上方的上加热台2之间留有空隙，为镂空结构，穿过空隙设置有压头5，所述的压头5位于样品3上方。
所述的支撑物体4大于样品3膨胀后的高度。
所述的支撑物体4与样品3之间的距离大于支撑物体4和样品3水平膨胀量之和。
所述的支撑物体4和硅片6的总高度应小于4mm。
所述的样品3为楔形结构或台阶状结构。
所述的硅片6与样品3之间通过高温胶固定。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供了一种结构简单、便于制造的能够实现样品自由膨胀且不会对高温台产生不利影响的装置，该装置结合纳米力学测试仪和高温台，实现了利用纳米力学测试仪对热膨胀系数的测量，拓展了纳米力学测试仪的应用。
附图说明
图1是现有技术高温台示意图。
图2是本实用新型装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型的装置配合海思创(现为布鲁克)TI 950纳米力学测试仪和xSol800高温台使用。
请参阅图2，本实用新型为一种用于纳米力学测试仪测试热膨胀系数的装置，包括：硅片6，支撑物体4，高温胶和特殊设计的样品。
用高温胶将样品3固定在硅片6上。
选择尺寸合适的支撑物体4，上下表面尽量平整，其高度要大于样品3膨胀后的高度。
将支撑物体4放置在硅片6上(为了使整个系统更稳定，尽量以样品为中心对称放置)，与样品保持一定距离，该距离大于支撑物体4和样品水平膨胀量之和。支撑物体4和硅片6一起夹在上下两个加热台之间使其固定。
为了使样品3温度更均匀，测试结果更稳定，支撑物体4和硅片6的总高度应小于4mm。
压头5用于测量样品的膨胀，且与样品3一起加热。
为了去除样品3蠕变，样品台及压头热膨胀等对测量值所带来的影响，需更换位置再次进行测量，两次测量位置需有一定高度差，具体参阅专利“一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的方法”，申请号为201910462583.2。
为了准确的测量力和位移，纳米力学测试仪要求样品要固定，原有的高温台是将样品夹在上下两个加热台之间，使样品固定，如图1所示。但这样固定样品势必会影响样品的自由膨胀，为了使样品能够自由膨胀，本申请在样品3旁边放置一更高的物体，给样品3上部留出足够的膨胀空间。其次，样品3需要被固定。但直接将样品3粘至下加热台会损害设备，故使用高温胶将样品3固定在硅片6上(需注意测试的最高温度要低于高温胶所能承受的温度)，然后将硅片6(粘有样品3)及样品3旁边更高的物体一起夹在上下两个加热台之间使其固定，如图2所示。选用硅片6的原因一是硅片比较容易获得，二是硅片6表面足够平整，三是硅的热膨胀系数很小。
本实用新型的结构主要优势为：实现力和位移准确测量的同时实现样品自由膨胀，而且不会对原有高温台产生不利影响。
综上，本实用新型针对这样一种现状：纳米力学测试仪原有的高温装置不能实现样品在加热过程中的自由膨胀，即无法实现热膨胀系数的测量。本实用新型能够实现样品自由膨胀且不会对高温台产生不利影响，该装置结合纳米力学测试仪和高温台，实现了利用纳米力学测试仪对热膨胀系数的测量，拓展了纳米力学测试仪的应用，这是纳米力学测试仪原有高温装置无法实现的。
Claims (6)
1.一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，其特征在于，包括下加热台(1)与上加热台(2)，所述的下加热台(1)上表面设置有硅片(6)，硅片(6)的正中心上表面放置有样品(3)，位于硅片(6)上表面样品(3)外侧设置有支撑物体(4)，所述的支撑物体(4)顶部设置上加热台(2)，位于样品(3)上方的上加热台(2)之间留有空隙，为镂空结构，穿过空隙设置有压头(5)，所述的压头(5)位于样品(3)上方。
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，其特征在于，所述的支撑物体(4)大于样品(3)膨胀后的高度。
3.根据权利要求1所述的一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，其特征在于，所述的支撑物体(4)与样品(3)之间的距离大于支撑物体(4)和样品(3)水平膨胀量之和。
4.根据权利要求1所述的一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，其特征在于，所述的支撑物体(4)和硅片(6)的总高度应小于4mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，其特征在于，所述的样品(3)为楔形结构或台阶状结构。
6.根据权利要求1所述的一种利用纳米力学测试仪测试微小试样热膨胀系数的装置，其特征在于，所述的硅片(6)与样品(3)之间通过高温胶固定。
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2020
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