热膨胀系数的测定方法
【专利摘要】本发明涉及一种热膨胀系数的测定方法。该测定方法包括确定待测样品的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为χF；将待测样品和聚合物进行混合得到混合物，将混合物超声分散得到复合材料；用应变测定装置及用光谱系统测定复合材料在表面应变值下的第二光谱值，将表面应变值及第二光谱值进行线性拟合，确定待测样品的由单位应变引起的、平行于应变方向的光谱峰移动量，计为S0；用光谱系统测定复合材料确定复合材料中的待测样品的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为χc；若聚合物的热膨胀系数αE已知，则可根据下式计算待测样品的热膨胀系数αF：αF=αE-(χC-χF)/S0。该测定方法简单，测定方便，能够较为快速、准确地测定待测样品的热膨胀系数。
【专利说明】热膨胀系数的测定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料参数测定【技术领域】，特别是涉及一种热膨胀系数的测定方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米材料，如碳纳米管、石墨烯等由于其优异的物理化学性质，具有广阔的应用前景。对于材料加工成型过程中或工况条件下温度变化较大的场合，如果碳纳米材料与其接触的基体热膨胀系数不匹配将导致残余应力产生，严重时会使两相间发生界面滑移或剥落。然而碳纳米材料的热膨胀系数的测量一直是困扰学术与工业界的难题。
[0003]线性热膨胀系数描述的是单位温度变化引起的材料伸长量与原长度的比值，即应变。直接测量碳纳米材料的应变随温度的变化关系非常困难。迄今为止，碳纳米材料的应变随温度的变化关系主要由理论计算来确定，然而基于各种理论模型预测的结果相差很大，在室温下碳纳米材料受热时发生膨胀还是收缩尚无定论。现在已开发的实验测定手段主要是通过X射线衍射测量晶粒尺寸随温度的变化，这种方法精度高，但是可测定样品小、测定速度慢，仪器复杂昂贵。同样，半导体行业用的大量溶剂型聚合物浆料最后都加工成薄膜的形式，无法制备出规则形状的块体样品，要测定这些材料的热膨胀系数也需要开发更简洁高效的测定方法。开发快速测量碳纳米材料及聚合物薄膜材料的热膨胀系数具有重要的科学意义与应用背景。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要提供一种热膨胀系数的测定方法，以快速、准确地测量碳纳米材料或聚合物等材料的热膨胀系数。
[0005]一种热膨胀系数的测定方法，包括如下步骤:
[0006]分别测定待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第一光谱值，将所述不同温度值及所述多个第一光谱值进行线性拟合，确定所述待测样品的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为xF;
[0007]将所述待测样品和聚合物进行混合得到混合物，将所述混合物超声分散得到复合材料；
[0008]对所述复合材料施加不同的形变，用应变测定装置测定所述复合材料的多个表面应变值，并测定所述复合材料中的待测样品在不同的表面应变值下的光谱得到多个第二光谱值，将所述多个表面应变值及所述多个第二光谱值进行线性拟合，确定所述待测样品的由单位应变引起的、平行于应变方向的光谱峰移动量，计为Stl ；
[0009]测定所述复合材料中的待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第三光谱值，将所述不同温度值及所述多个第三光谱值进行线性拟合，确定所述复合材料中的待测样品的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为X。；及
[0010]根据如下公式计算得到所述待测样品的热膨胀系数:
[0011 ] a F= a E- ( X c- X F) /S0 ;[0012]其中，所述CIf表示所述待测样品的热膨胀系数，所述CIeS所述聚合物的热膨胀系数；
[0013]所述第一光谱值、第二光谱值和第三光谱值均为拉曼光谱值、荧光发射光谱值或红外光谱值。
[0014]在其中一个实施例中，所述分别测定待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第一光谱值的步骤具体为:以步长为10°c，分别测定所述待测样品从22°C起至高于所述聚合物的玻璃化转变温度60°C的温度的多个温度值下的多个光谱得到多个第一光谱值。
[0015]在其中一个实施例中，所述聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、聚苯乙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯并咪唑、聚醚醚酮或聚酰亚胺。
[0016]在其中一个实施例中，所述混合物中，所述待测样品和聚合物的质量比为1:50?1:5000。
[0017]在其中一个实施例中，将所述混合物超声分散的时间为0.5小时?24小时。
[0018]在其中一个实施例中，所述对所述复合材料施加不同的形变，用应变测定装置测定所述复合材料的多个表面应变值的步骤具体为:将所述聚合物固化后切割成条状树脂，并将所述复合材料于固化前涂覆于所述条状树脂的表面，所述复合材料固化后在所述条状树脂的表面形成涂层，在所述涂层的边沿贴上应变片，所述应变片与所述应变测定装置电连接，对所述条状树脂施加不同的形变。
[0019]在其中一个实施例中，对所述条状树脂施加形变的范围为O?0.4%，步长为0.04%ο
[0020]在其中一个实施例中，所述测定所述复合材料中的待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第三光谱值的步骤具体为:以步长为10°c，分别测定所述复合材料中的待测样品从22°C起至高于所述聚合物的玻璃化转变温度60°C的温度的多个温度值下的多个光谱得到多个第三光谱值。
[0021]在其中一个实施例中，所述聚合物的热膨胀系数α Ε按如下方法进行测定:
[0022]分别测定纤维材料在不同温度值下的光谱得到多个纤维材料的光谱值，将所述不同温度值及所述多个纤维材料的光谱值进行线性拟合，确定所述纤维材料的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为xF1;
[0023]将所述聚合物固化后切割成条状树脂，将所述纤维材料放置于所述条状树脂上，并另称取所述聚合物，将另称取的所述聚合物于固化前涂覆在所述纤维材料上，固化后得到复合物；
[0024]对所述复合物施加不同的形变，用应变测定装置测定所述复合物多个表面应变值，并测定所述复合物中的纤维材料在不同的表面应变值下的多个光谱值得到多个复合物中的纤维材料的第一光谱值，将所述多个表面应变值及所述多个复合物中的纤维材料的第一光谱值进行线性拟合，确定所述纤维材料的单位应变引起的、平行于应变方向的光谱峰移动量，计为S01 ；
[0025]测定所述复合物中的纤维材料在不同温度值下的光谱得到多个复合物中的纤维材料的第二光谱值，将所述不同温度值及所述多个复合物中的纤维材料的第二光谱值进行线性拟合，确定所述复合物中的纤维材料的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为
Xcl ;及[0026]根据下式计算得到所述聚合物的热膨胀系数:
【权利要求】
1.一种热膨胀系数的测定方法，包括如下步骤: 分别测定待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第一光谱值，将所述不同温度值及所述多个第一光谱值进行线性拟合，确定所述待测样品的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为X F ； 将所述待测样品和聚合物进行混合得到混合物，将所述混合物超声分散得到复合材料； 对所述复合材料施加不同的形变，用应变测定装置测定所述复合材料的多个表面应变值，并测定所述复合材料中的待测样品在不同的表面应变值下的光谱得到多个第二光谱值，将所述多个表面应变值及所述多个第二光谱值进行线性拟合，确定所述待测样品的由单位应变引起的、平行于应变方向的光谱峰移动量，计为Stl ； 测定所述复合材料中的待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第三光谱值，将所述不同温度值及所述多个第三光谱值进行线性拟合，确定所述复合材料中的待测样品的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为X。；及 根据如下公式计算得到所述待测样品的热膨胀系数:
a f— α ε_ ( X c_ X f) /Sq ; 其中，所述aF表示所述待测样品的热膨胀系数，所述Cie为所述聚合物的热膨胀系数； 所述第一光谱值、第二光谱值和第三光谱值均为拉曼光谱值、荧光发射光谱值或红外光谱值。·
2.根据权利要求1所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述分别测定待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第一光谱值的步骤具体为:以步长为10°C，分别测定所述待测样品从22°C起至高于所述聚合物的玻璃化转变温度60°C的温度的多个温度值下的多个光谱得到多个第一光谱值。
3.根据权利要求1所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述聚合物为环氧树月旨、酚醛树脂、聚苯乙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯并咪唑、聚醚醚酮或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1或3所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述混合物中，所述待测样品和聚合物的质量比为1:50~1:5000。
5.根据权利要求1所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，将所述混合物超声分散的时间为0.5小时~24小时。
6.根据权利要求1所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述对所述复合材料施加不同的形变，用应变测定装置测定所述复合材料的多个表面应变值的步骤具体为:将所述聚合物固化后切割成条状树脂，并将所述复合材料于固化前涂覆于所述条状树脂的表面，所述复合材料固化后在所述条状树脂的表面形成涂层，在所述涂层的边沿贴上应变片，所述应变片与所述应变测定装置电连接，对所述条状树脂施加不同的形变。
7.根据权利要求6所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，对所述条状树脂施加形变的范围为O~0.4%，步长为0.04%ο
8.根据权利要求1所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述测定所述复合材料中的待测样品在不同温度值下的光谱得到多个第三光谱值的步骤具体为:以步长为.10°c，分别测定所述复合材料中的待测样品从22°C起至高于所述聚合物的玻璃化转变温度60 0C的温度的多个温度值下的多个光谱得到多个第三光谱值。
9.根据权利要求1所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述聚合物的热膨胀系数α Ε按如下方法进行测定: 分别测定纤维材料在不同温度值下的光谱得到多个纤维材料的光谱值，将所述不同温度值及所述多个纤维材料的光谱值进行线性拟合，确定所述纤维材料的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为xF1; 将所述聚合物固化后切割成条状树脂，将所述纤维材料放置于所述条状树脂上，并另称取所述聚合物，将另称取的所述聚合物于固化前涂覆在所述纤维材料上，固化后得到复合物； 对所述复合物施加不同的形变，用应变测定装置测定所述复合物多个表面应变值，并测定所述复合物中的纤维材料在不同的表面应变值下的多个光谱值得到多个复合物中的纤维材料的第一光谱值，将所述多个表面应变值及所述多个复合物中的纤维材料的第一光谱值进行线性拟合，确定所述纤维材料的单位应变引起的、平行于应变方向的光谱峰移动量，计为S01 ； 测定所述复合物中的纤维材料在不同温度值下的光谱得到多个复合物中的纤维材料的第二光谱值，将所述不同温度值及所述多个复合物中的纤维材料的第二光谱值进行线性拟合，确定所述复合物中的纤维材料的由单位温度变化引起的光谱峰移动量，计为Xel '及 根据下式计算得到所述聚合物的热膨胀系数:
Q El- Q Fl+ ( X Cl- X FI) /Soi ； 其中， 所述αΕ1表示所述聚合物的热膨胀系数，所述CIfi为所述纤维材料的热膨胀系数； 所述多个纤维材料的光谱值、多个复合物中的纤维材料的第一光谱值及多个复合物中的纤维材料的第二光谱值均为拉曼光谱值、荧光发射光谱值或红外光谱值。
10.根据权利要求9所述的热膨胀系数的测定方法，其特征在于，所述纤维材料为氧化铝纤维、碳纤维或芳纶纤维。
【文档编号】G01N25/16GK103713009SQ201310724546
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】孙蓉, 邓立波, 张国平 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院