[發明專利]多功能薄膜材料動態力學分析儀及其分析方法

有效

• 申請號: 201310070065.9
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN104034653B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 莊重;程幟軍;王先平;郭麗君;吳兵;方前鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

?本發明涉及一種多功能薄膜材料動態力學分析儀及其分析方法，屬于測量設備技術領域。

背景技術

材料的缺陷（如點缺陷、位錯、界面、表面等）和微觀結構是影響該材料性能的重要因素，通過測量材料在外界交變作用條件下的響應可以探測該材料的缺陷和微觀結構的特性和動力學演化過程。動態力學技術是通過對材料施加周期交變應力，測量材料動力學響應，即應變和滯后角（內耗動態力學方法通過測量材料的復模量和相角（內耗），不僅能反映材料的力學性質，還可以獲得其他手段無法提供的物理信息（缺陷濃度與分布、擴散激活能、相變動力學等），而這些缺陷動力學參數直接關系到材料的光、熱、電、磁、聲學等性能，是一種有效的研究材料缺陷和微觀結構的實驗方法。針對當前市場上缺乏表征薄膜材料模量與缺陷的測量裝置，我們研制了多功能薄膜動態力學分析儀。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種結構簡單、易于測量、且測量精確的多功能薄膜材料動態力學分析儀及其分析方法。

本發明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現。

多功能薄膜材料動態力學分析儀，其特征在于：該分析儀是由上部腔體和下部腔體構成，所述的上部腔體通過支撐架固定在底座上，所述的上部腔體頂部設有真空轉接頭，其側面設有氣閥，所述的上部腔體內部中間位置設有試樣支架，在所述的上部腔體內部的試樣支架旁還設有一根熱電偶；

所述的下部腔體固定在絲桿上，并通過絲桿來帶動下部腔體作上下運動來改變測量的環境，在所述的下部腔體一側的上方設有冷卻管出口，其下方設有冷卻管進口，所述的下部腔體內壁設有螺旋狀冷卻管，所述的冷卻管一端與冷卻管出口相連，另一端與冷靜卻管進口相連。

所述的上部腔體和下部腔體相結合后形成真空腔體。

所述下部腔體四周設有保溫層，所述保溫層與下部腔體的外壁之間還設有鎧裝電阻絲。

所述的試樣支架呈中空的長方體，其上方開有三個扁平的通孔，下方開兩個扁平的通孔，在所述的試樣支架上方的扁平通孔內安插有三根金屬條，其中，中間的金屬條為激發極，兩邊的金屬條為檢測極；所述試樣支架下方的扁平通孔內分安插有待測試樣和參考試樣。

多功能薄膜材料動態力學分析方法，該方法是通過靜電激發的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式，驅動待測試樣和參考試樣或對比試樣同時進行機械振動，通過高頻載波獲取試樣的振幅，經過運算獲得薄膜的模量和內耗，其方法如下：

靜電激發是由計算機發的信號經模數轉換和放大后產生的交激發信號和直流偏壓加和而成的振動激發信號，并對待測試樣和參考試樣同時進行的周期性振動，直流偏壓是由手動調節穩壓器或是電腦控制程控穩電源產生；

強迫振動測量模式：是由高頻信號發生器發出的高頻載波加載在待測試樣和參考試樣上，薄膜試樣運動時引起待測試樣或參考試樣與檢測電極之間電容變化，會導致通過檢測極的載波的幅度變化，這對應著薄膜振幅的變化，，這對應著振幅的變化，振動信號通過檢測極并經過解調后，獲得試樣振動信號，將試樣振動信號與高頻信號發生器的信號同時接入鎖相放大器的輸入信號端和參考信號端，處理獲得試樣振動的振幅與相位信息后，在計算機中保存結果，參考試樣可以是模量已知的某種材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通過測量標注試樣的模量和內耗可用于標定出薄膜的模量和內耗，所述高頻載波的頻率在0.5~4MHz，幅度為0~20V；

自由衰減模式：該模式是將試樣振動信號經過正反饋電路加載到激發極上，使試樣在共振頻率進行振動，然后程序控制斷開驅動信號，使試樣自由衰減，通過高頻載波加載在待測試樣上，薄膜試樣運動時引起待測試樣與檢測電極之間電容變化，導致通過檢測電極的高頻載波的幅度變化。將高頻信號經過解調和隔直后接入計算機的模數轉換板卡上，來計算薄膜的模量和內耗，所述數模轉換和模數轉換的精度為16~24位，轉換速率最大為100MB/s。

所述上部腔體與下部腔體之間設有密封膠圈。

所述的上部腔體采用不銹鋼材料制作而成。

所述試樣支架采用絕緣陶瓷材料制成。

所述的參考試樣為模量已知的某種材料，或者是與待測試樣所采用的空白基底材料。

本發明的有益效果是：結構簡單，易于測量，且測量精確，通過靜電激發的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式，驅動待測試樣和參考試樣或對比試樣同時進行機械振動，通過高頻載波獲取試樣的振幅，經過運算獲得薄膜的模量和內耗。