专利名称：低维材料热膨胀系数测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，涉及一维线材和二维带材在低温下的热膨胀系数测量装置。
背景技术：
随着温度的变化，材料的体积会发生膨胀或收缩，热膨胀系数表示单位温度变化时材料产生的应变量。在航天和超导等领域，热膨胀系数是进行材料选择和结构设计的一个非常关键的参数。航天器在太空中运行的环境温度要远远低于室温，但航天器是在地面环境进行装配的，在太空运行时，由于不同材料组成的零件热膨胀系数的差别，其收缩变形程度不同，有可能造成密封件失效或连接件“抱死”，严重的可能造成某些部件整体失效，导致灾难性后果。超导磁体线圈与线圈之间要用环氧树脂或绝缘薄膜进行支承和绝缘，由于其使用过程中要承受多次冷热冲击，如果超导磁体线圈与绝缘薄膜的热膨胀系数相差太大，就会由于产生很大的热应力而导致绝缘薄膜断裂而失去绝缘功能。
因此，准确测量不同材料的热膨胀系数是航天和超导等领域中大型工程项目进行材料选择和结构设计的前提。对于具有一定厚度的三维结构材料，目前有多种测量热膨胀系数的方法。其中应变片法是一种较为简单且常用的方法。但由于低维材料(一维线材和二维带材)不能承压和自身强度低，目前只有测量薄膜厚度方向热膨胀系数的方法，无法对薄膜面内热膨胀系数进行有效测量。为了使用的需要，许多生产设计单位往往简单地采用三维块状试件代替薄膜进行热膨胀系数的测定，而忽略材料厚度的影响。但大量研究显示，由于表面效应的影响，低维材料的许多物理性质都与其对应的三维材料有很大区别。因此，准确测量低维材料的热膨胀系数既有科学研究的意义，又有工程应用的背景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能直接测量低维材料(一维线材和二维带材)热膨胀系数的装置。
本发明的技术方案考虑到低维材料，不能承受压力但可以承受拉力，利用该性质设计了气体传热、两套加热系统(其中一套加热丝安装在输液管内)、真空夹层和保温屏双层保温、两个石英杆垂直安装(其中移动杆依靠自重压紧千分表头)。
本实用新型的有益效果低维材料热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，可以用来研究表面效应和尺寸效应对材料参数的影响。这里设计了一套测量低维材料热膨胀系数的有效装置，该装置可在液氮温度(-196℃)～室温范围内对低维材料的热膨胀系数进行精确测量。同时，只要对该装置作简单改造，例如在保温屏周围缠绕加热电阻丝，就可以将测试温度扩展到高温，另外如果采用数字光栅尺代替千分表，就可以将位移信号和控温仪的温度信号同时传到计算机，通过编写简单的程序，可以实现自动控温、自动数据记录和处理，直接得到连续光滑的温度～热膨胀系数的关系曲线。
图1低维材料热膨胀系数测量装置结构示意图图中加热棒1、液氮杜瓦2、导线3、输液管内管4、恒流源5、接线端子6、快接头7、输液管绝热夹层8、输液管外套管9、热电阻丝10、控温仪11、真空夹层12、连接头13、温度计14、抽气孔15、保温屏16、试件17、固定石英杆18、出气孔19、固定支座20、移动石英杆21、支承底座22、千分表23。
具体实施方式
以附图为实施方式对本实用新型作进一步说明低维材料热膨胀系数测量装置，包括加热棒1、液氮杜瓦2、导线3、输液管内管4、恒流源5、接线端子6、快接头7、输液管绝热夹层8、输液管外套管9、热电阻丝10、控温仪11、真空夹层12、连接头13、温度计14、抽气孔15、保温屏16、固定石英杆18、出气孔19、固定支座20、移动石英杆21、支承底座22、千分表23。其上各零部件间的连接加热棒1安置在液氮杜瓦2的底部，加热棒1通过导线3、接线端子6与恒流源5连接。恒流源5选用Y-20。
在输液管内管4的一端的表面缠绕热电阻丝10，液管外套管9与输液管内管4之间设有绝热夹层8；输液管内管4的一端插入液氮杜瓦2内，其下端位于液氮的液平面的上方，输液管外套管9一端通过快接头7与液氮杜瓦2连接。
控温仪11一端与热电阻丝10连接，另一端与通过接线端子6与粘贴在固定石英杆18端部的温度计14相连。控温仪11选用TCK-100。
输液管外套管(9)的另一端自由插入真空夹层(12)，其内的输液管内管4的另一端伸入保温屏16中。保温屏16通过连接头13与真空夹层12连接。真空夹层12的上部设有抽气孔15，保温屏16的右侧设出气孔19经真空夹层12通大向气。保温屏16的材料选用耐低温且导热系数较小的材料制成。
固定石英杆18通过固定支座20固定在真空夹层12内，移动石英杆21的上端与测试件17粘接，下端穿过保温屏16和真空夹层12内下边的孔，自由悬挂并与千分表23紧密接触；真空夹层12下端的孔径与移动石英杆21的直径接近(比石英杆直径仅大0.2mm)，真空夹层12的孔径侧面密封焊接，保证夹层真空度。
固定千分表23的支承底座22有3～5mm的垂直调节量，千分表23初始处于压缩状态。
测试件17利用机械压紧或环氧粘结两种方法分别与固定石英杆18和移动石英杆21端部牢固连接，千分表23通过一机械结构固定在支承底座22上，但有一定的垂直方向调节量，移动石英杆20依靠自身重量与千分表23表头指针紧密接触。
实验前将千分表23上调，产生一定的初始压紧量。然后从液氮杜瓦2中通过输液管内管4往保温屏16中喷冷氮气，随着温度的降低，试件收缩，提升移动石英杆20，千分表23指针回转。如果实际温度比预定温度高，可以通过加热液氮杜瓦2中的加热棒1，使流出的冷氮气量增大，降低温度；如果实际温度比预定温度低，加热与控温仪11相连接的输液管内的热电阻丝10，升高温度。由于同一高度温度场基本均匀，两石英杆收缩变形除连接试件部分，其它部分可以相互抵销。因此，两石英杆在变温过程中的收缩量差别为ΔS＝L×0.51×10-6×ΔT其中L为试件长度，0.51×10-6为石英材料的热膨胀系数，ΔT为温度变化量。
因此，变温过程中，如果千分表的读数变化量为S，则材料在该温区内的平均热膨胀系数为α=SL·ΔT+0.51×10-6]]>这样，通过连续控温，可以得到试件从液氮温度(-196℃)～室温的热膨胀系数。
权利要求1.一种低维材料热膨胀系数测量装置，其特征在于构成该测量装置的零部件之间的连接为加热棒(1)安置在液氮杜瓦(2)的底部，加热棒(1)通过导线(3)、接线端子(6)与恒流源(5)连接；在输液管内管(4)一端的表面缠绕热电阻丝(10)，输液管外套管9与输液管内管(4)之间设有绝热夹层(8)；输液管内管(4)的一端插入液氮杜瓦(2)内，输液管外套管(9)的一端通过快接头(7)与液氮杜瓦(2)连接；控温仪(11)一端与热电阻丝(10)连接，另一端与通过接线端子(6)与粘贴在固定石英杆(18)端部的温度计(14)相连；输液管外套管(9)的另一端自由插入真空夹层(12)，其内的输液管内管(4)的另一端伸入保温屏(16)中；保温屏(16)通过连接头(13)与真空夹层(12)连接；真空夹层(12)的上部设有抽气孔(15)；保温屏(16)的右侧设出气孔(19)经真空夹层(12)通向大气；固定石英杆(18)通过固定支座(20)固定在真空夹层(12)内，移动石英杆(21)的上端与测试件(17)粘接，下端穿过保温屏(16)和真空夹层(12)内下边的孔，自由悬挂并与千分表(23)紧密接触；固定千分表(23)的支承底座(22)有3～5mm的垂直调节量，千分表(23)初始处于压缩状态；测试件(17)利用机械压紧或环氧粘结两种方法分别与固定石英杆(18)和移动石英杆(21)端部牢固连接，千分表(23)通过一机械结构固定在支承底座(22)上，移动石英杆(20)依靠自身重量与千分表(23)表头指针紧密接触。
专利摘要一种低维材料热膨胀系数测量装置，可实现对一维线材和二维带材的热膨胀系数进行测量。冷氮气从液氮杜瓦通过输液管对安装在保温屏(16)中的试件(17)进行降温，温度调节通过安置在液氮杜瓦(2)底部的加热棒(1)和缠绕在输液管内管(4)内表面的热电阻丝(10)进行调节，可实现从液氮温度至室温连续控温。被测试件(17)一端与固定石英杆(18)连接，通过固定支座(20)固定在真空夹层(12)内；另一端与移动石英杆(21)连接，通过保温屏(16)和真空夹层(12)内下边的孔与千分表(23)紧密接触，通过千分表(23)读数的变化反应被测试件(17)长度随温度变化发生的变化。
文档编号G01N25/16GK2660523SQ200320126700
公开日2004年12月1日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者王正道, 康爱健, 许子龙, 汪越胜 申请人:北京交通大学