[發(fā)明專(zhuān)利]一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010628069.4
• 申請(qǐng)日: 2020-07-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111650237A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦元斌;張朋誠(chéng);解德剛;付琴琴;單智偉;劉南君
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N25/16
• 分類(lèi)號(hào): G01N25/16
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 王晶

一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的裝置，包括下加熱臺(tái)與上加熱臺(tái)，所述的下加熱臺(tái)上表面設(shè)置有硅片，硅片的正中心上表面放置有樣品，位于硅片上表面樣品外側(cè)設(shè)置有支撐物體，所述的支撐物體頂部設(shè)置上加熱臺(tái)，位于樣品上方的上加熱臺(tái)之間留有空隙，為鏤空結(jié)構(gòu)，穿過(guò)空隙設(shè)置有壓頭，所述的壓頭位于樣品上方。該裝置結(jié)合納米力學(xué)測(cè)試儀和高溫臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了利用納米力學(xué)測(cè)試儀對(duì)熱膨脹系數(shù)的測(cè)量，拓展了納米力學(xué)測(cè)試儀的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體材料熱學(xué)性能評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的裝置。

背景技術(shù)

物體的熱脹冷縮現(xiàn)象在自然界普遍存在。衡量物體熱膨脹的主要參數(shù)是組成該物體材料的熱膨脹系數(shù)。材料的熱膨脹系數(shù)是物質(zhì)的基本熱物理參數(shù)之一,是表征材料性質(zhì)的重要特征量。準(zhǔn)確測(cè)量材料的熱膨脹系數(shù),對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、工程應(yīng)用都具有重要的意義。目前對(duì)材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法有很多，例如千分表法、光杠桿法、機(jī)械杠桿法、電感法、電容法、直接觀測(cè)法、光干涉法、X射線法、密度測(cè)量法等。

隨著科技的快速發(fā)展，功能器械日益小型化，微小材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。以薄膜材料為例，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，薄膜材料已廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。薄膜材料也存在熱脹冷縮現(xiàn)象，在變溫過(guò)程中，由于薄膜與基底熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致的薄膜熱應(yīng)力，不僅會(huì)影響薄膜器件的性能，而且會(huì)造成器件變形、開(kāi)裂甚至破壞、失效，嚴(yán)重影響薄膜器件的性能和使用壽命。因此，研究薄膜材料熱膨脹性能對(duì)于優(yōu)化薄膜器件結(jié)構(gòu)、提高器件熱穩(wěn)定性和使用壽命都具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。大量研究工作表明薄膜材料的熱膨脹系數(shù)與塊體材料的熱膨脹系數(shù)并不完全相同,因此不可相互替代，而且同一種薄膜材料經(jīng)不同工藝，熱膨脹系數(shù)也可能不同，因此很有必要對(duì)薄膜材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

針對(duì)類(lèi)似薄膜材料的微小試樣熱膨脹系數(shù)的測(cè)試需求，人們開(kāi)發(fā)了一系列的方法，其中最常用的是X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)法和熱誘導(dǎo)彎曲(ThermallyInduced Bending，TIB)法。仍以薄膜材料的測(cè)試為例，X射線衍射法是通過(guò)測(cè)量不同溫度下薄膜的X射線衍射圖譜，得到特征峰的2θ角隨溫度的變化關(guān)系，然后根據(jù)公式計(jì)算薄膜的熱膨脹系數(shù)，該方法要求被測(cè)對(duì)象必須是晶體結(jié)構(gòu)，不適用于非晶體薄膜,且測(cè)試過(guò)程較繁瑣，對(duì)測(cè)試儀器的要求也較高；熱誘導(dǎo)彎曲法是一種間接的測(cè)試方法，通過(guò)測(cè)量薄膜-基片系統(tǒng)升溫前后的曲率半徑變化，并采用Stony公式計(jì)算得出溫度變化產(chǎn)生的臨界熱應(yīng)力，然后再根據(jù)熱應(yīng)力公式計(jì)算薄膜熱膨脹系數(shù)，該方法需要預(yù)知薄膜和基片的楊氏模量、泊松比以及基片的熱膨脹系數(shù)等。其它測(cè)試方法也多有自身的局限性，或只適用于某些特殊材料，或?qū)υ嚇有螤钣刑厥庖螅蛐枰獙?duì)試樣表面進(jìn)行特殊處理，或需要預(yù)知很多其它力學(xué)參量，或樣品制備復(fù)雜，因此亟需發(fā)展新的測(cè)試方法。為此，我們發(fā)展了一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的方法，詳見(jiàn)專(zhuān)利“一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的方法”，申請(qǐng)?zhí)枮?01910462583.2。然而，納米力學(xué)測(cè)試儀并不具備熱膨脹系數(shù)測(cè)試功能，其原有的高溫裝置不能實(shí)現(xiàn)樣品在加熱過(guò)程中的自由膨脹，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)的測(cè)量，因此亟需一種適用于納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試熱膨脹系數(shù)的裝置。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的裝置，該裝置結(jié)合納米力學(xué)測(cè)試儀和高溫臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了利用納米力學(xué)測(cè)試儀對(duì)熱膨脹系數(shù)的測(cè)量，拓展了納米力學(xué)測(cè)試儀的應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種利用納米力學(xué)測(cè)試儀測(cè)試微小試樣熱膨脹系數(shù)的裝置，包括下加熱臺(tái)1與上加熱臺(tái)2，所述的下加熱臺(tái)1上表面設(shè)置有硅片6，硅片6的正中心上表面放置有樣品3，位于硅片6上表面樣品3外側(cè)設(shè)置有支撐物體4，所述的支撐物體4頂部設(shè)置上加熱臺(tái)2，位于樣品3上方的上加熱臺(tái)2之間留有空隙，為鏤空結(jié)構(gòu)，穿過(guò)空隙設(shè)置有壓頭5，所述的壓頭5位于樣品3上方。

所述的支撐物體4大于樣品3膨脹后的高度。