[發(fā)明專利]一種低溫下材料線膨脹系數(shù)測量方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310039532.1
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103149236A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳星;何凱;王建新;吳云;張勤耀
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料熱物理性能的表征領(lǐng)域，具體是指測量固體材料從室溫（300K）至液氮溫度（77K）范圍內(nèi)線膨脹系數(shù)的方法及裝置。

背景技術(shù)

對于材料熱膨脹系數(shù)測量的方法主要有頂桿法、光干涉法、電容法以及電阻測量法等機械、光學(xué)和電學(xué)的測量方法，通常這些方法都在室溫下進行，難以獲得材料的低溫參數(shù)。而在低溫應(yīng)用領(lǐng)域，由于測試?yán)щy等原因，相應(yīng)的測試方法和數(shù)據(jù)也就較少。因此，對于特殊應(yīng)用領(lǐng)域的特定材料，對材料的熱物理特性準(zhǔn)確測試非常重要。例如，在混成結(jié)構(gòu)紅外焦平面探測器制造領(lǐng)域，探測器本身和封裝結(jié)構(gòu)，涉及多種金屬與非金屬材料；又由于探測器必須在液氮溫度下工作，而通常探測器是在室溫下集成、加工和封裝的，在如此大的溫度變化范圍內(nèi)，材料之間熱失配必然比較嚴(yán)重，熱失配導(dǎo)致探測器內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，相應(yīng)引起探測器的失效，這在很大程度上制約了大規(guī)模紅外焦平面探測器的發(fā)展，因此對類似工作在低溫環(huán)境條件下的光電探測器進行熱失配和熱應(yīng)力的分析一直以來都是關(guān)注的重點。材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等參數(shù)一般都是隨著溫度變化而變化的，不同的溫度區(qū)間其相應(yīng)的值也不同。在進行產(chǎn)品的設(shè)計和應(yīng)力分析時，必須采用材料的低溫參數(shù)進行分析和計算模擬。另外，由于材料的來源和不同制造工廠的產(chǎn)品的制造工藝存在差異。因此，對所用的材料在從室溫至液氮溫度（77K）的低溫溫度區(qū)間，測試材料的熱膨脹系數(shù)就特別重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種測量精度高，在室溫到液氮溫度范圍內(nèi)溫度可變的簡單快捷的材料線膨脹系數(shù)的測量方法。本方法釆用間接測試的方案，即通過選取適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)片與待測材料組成疊狀雙層結(jié)構(gòu)，結(jié)合兩不同材料之間雙金屬效應(yīng)的撓度計算理論公式，利用實際所測得的不同溫度點下雙層結(jié)構(gòu)的撓度形變值推導(dǎo)出未知材料的相應(yīng)的線膨脹系數(shù)。雙層結(jié)構(gòu)樣品由于熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致的平面形變由光學(xué)精密高度測試儀對樣品表面上X、Y坐標(biāo)固定的一系列點的Z向高度進行測量，經(jīng)過相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后得到，其上溫度由溫度可調(diào)可監(jiān)控的專用變溫杜瓦控制。

實現(xiàn)上述方案搭建的測試裝置：由X-Y二維移動平臺1、激光高度測距儀2以及控溫杜瓦3組成；控溫杜瓦3包括L型杜瓦外殼3-1、內(nèi)膽3-2、隔熱真空腔3-5、冷平臺3-11、活塞3-12、拉桿3-13和加熱電阻3-14。L型杜瓦外殼3-1左半豎起部分上端靠外側(cè)有一真空排氣口3-3，右半橫放部分上端有一專用杜瓦窗口3-7，與外殼真空密封連接；活塞3-12位于杜瓦內(nèi)膽3-2中，拉桿3-13穿過內(nèi)膽左半豎起部分上端的液氮灌注口3-4與之相連接，活塞3-12在杜瓦加工期間制作放置，杜瓦變溫使用時拉桿與活塞首先分離，活塞滑落在內(nèi)殼底部，液氮3-6注滿后，拉桿與活塞再進行連接；樣品安裝冷平臺3-11左端與液氮相接觸，且與內(nèi)膽殼密封連接，冷平臺頂面與杜瓦窗口3-7相對應(yīng)；冷平臺頂面上有一溫度傳感器3-8，底面裝有加熱電阻3-14，溫度傳感器和加熱電阻引線從杜瓦的穿墻接線柱3-9引出與外部儀表相連接。在進行溫度調(diào)節(jié)時，利用拉桿3-13提拉活塞3-12控制液氮3-6與冷平臺3-11接觸的面積，對冷平臺上溫度進行粗調(diào)節(jié)，后由加熱電阻3-14實現(xiàn)冷平臺上溫度的精調(diào)節(jié)。

在上述測試裝置下，低溫下材料線膨脹系數(shù)的測量實施過程如下：

1）樣品制作：選取一種在各溫度點上線膨脹系數(shù)已經(jīng)標(biāo)定的石英、硅或藍(lán)寶石材料作為標(biāo)準(zhǔn)材料，將其切割成長L寬W厚t₀的長方形片狀結(jié)構(gòu)，表面平整度優(yōu)于±1um，作為標(biāo)準(zhǔn)片4，其中：長L取15-30mm，寬W取3-6mm，厚t₀取0.4-0.7mm；待測材料5加工成與標(biāo)準(zhǔn)片同樣大小和厚度的長方形片狀結(jié)構(gòu)，兩者通過環(huán)氧低溫膠粘接成疊狀的雙層結(jié)構(gòu)，從而完成樣品3-10的制作；

2）樣品安裝：將樣品3-10的待測材料5用銅箔膠6粘接固定在杜瓦冷平臺3-11上，粘結(jié)帶位于待測片5底面的中心位置處，長度為樣品長度的1/4；

3）樣品安裝好后將杜瓦抽真空至真空度低于1x10^-3Pa，然后向杜瓦中注入液氮，待溫度傳感器3-8實時監(jiān)測到冷平臺3-11的溫度穩(wěn)定后將杜瓦固定在激光高度測距儀2的X-Y二維移動平臺1上；