专利名称：一种低温下材料线膨胀系数测量装置的制作方法
技术领域：
本专利涉及材料热物理性能的表征领域，具体是指测量固体材料从室温(300K)至液氮温度(77K)范围内线膨胀系数的装置。
背景技术：
对于材料热膨胀系数测量的方法主要有顶杆法、光干涉法、电容法以及电阻测量法等机械、光学和电学的测量方法，通常这些方法都在室温下进行，难以获得材料的低温参数。而在低温应用领域，由于测试困难等原因，相应的测试方法和数据也就较少。因此，对于特殊应用领域的特定材料，对材料的热物理特性准确测试非常重要。例如，在混成结构红外焦平面探测器制造领域，探测器本身和封装结构，涉及多种金属与非金属材料；又由于探测器必须在液氮温度下工作，而通常探测器是在室温下集成、加工和封装的，在如此大的温度变化范围内，材料之间热失配必然比较严重，热失配导致探测器内部应力的产生，相应引起探测器的失效，这在很大程度上制约了大规模红外焦平面探测器的发展，因此对类似工作在低温环境条件下的光电探测器进行热失配和热应力的分析一直以来都是关注的重点。材料的热膨胀系数、弹性模量等参数一般都是随着温度变化而变化的，不同的温度区间其相应的值也不同。在进行产品的设计和应力分析时，必须采用材料的低温参数进行分析和计算模拟。另外，由于材料的来源和不同制造工厂的产品的制造工艺存在差异。因此，对所用的材料在从室温至液氮温度(77K)的低温温度区间，测试材料的热膨胀系数就特别重要。
发明内容本专利的目的是提供一种测量精度高，在室温到液氮温度范围内温度可变的简单快捷的材料线膨胀系数的装置。釆用间接测试的方案，即通过选取适当的标准片与待测材料组成叠状双层结构，结合两不同材料之间双金属效应的挠度计算理论公式，利用实际所测得的不同温度点下双层结构的挠度形变值推导出未知材料的相应的线膨胀系数。双层结构样品由于热膨胀系数差异而导致的平面形变由光学精密高度测试仪对样品表面上X、Y坐标固定的一系列点的Z向高 度进行测量，经过相应数据处理后得到，其上温度由温度可调可监控的专用变温杜瓦控制。测试装置由X-Y 二维移动平台1、激光高度测距仪2以及控温杜瓦3组成；控温杜瓦3包括L型杜瓦外壳3-1、内胆3-2、隔热真空腔3-5、冷平台3_11、活塞3_12、拉杆3_13和加热电阻3-14 ;L型杜瓦外壳3-1左半竖起部分上端靠外侧有一真空排气口 3-3，右半横放部分上端有一专用杜瓦窗口 3-7，与外壳真空密封连接；活塞3-12位于杜瓦内胆3-2中，拉杆3-13穿过内胆左半竖起部分上端的液氮灌注口 3-4与之相连接，活塞3-12在杜瓦加工期间制作放置，杜瓦变温使用时拉杆与活塞首先分离，活塞滑落在内壳底部，液氮3-6注满后，拉杆与活塞再进行连接；样品安装冷平台3-11左端与液氮相接触，且与内胆壳密封连接，冷平台顶面与杜瓦窗口 3-7相对应；冷平台顶面上有一温度传感器3-8，底面装有加热电阻3-14，温度传感器和加热电阻引线从杜瓦的穿墙接线柱3-9引出与外部仪表相连接；在进行温度调节时，利用拉杆3-13提拉活塞3-12控制液氮3-6与冷平台3_11接触的面积，对冷平台上温度进行粗调节，后由加热电阻3-14实现冷平台上温度的精调节。在上述测试装置下，低温下材料线膨胀系数的测量实施过程如下:I)样品制作:选取一种在各温度点上线膨胀系数已经标定的石英、硅或蓝宝石材料作为标准材料，将其切割成长L宽W厚h的长方形片状结构，表面平整度优于土 lum，作为标准片4，其中:长L取15-30臟，宽W取3-6臟，厚tQ取0.4-0.7mm ;待测材料5加工成与标准片同样大小和厚度的长方形片状结构，两者通过环氧低温胶粘接成叠状的双层结构，从而完成样品3-10的制作；2)样品安装:将样品3-10的待测材料5用铜箔胶6粘接固定在杜瓦冷平台3_11上，粘结带位于待测片5底面的中心位置处，长度为样品长度的1/4 ；3)样品安装好后将杜瓦抽真空至真空度低于lxlO_3Pa，然后向杜瓦中注入液氮，待温度传感器3-8实时监测到冷平台3-11的温度稳定后将杜瓦固定在激光高度测距仪2的X-Y 二维移动平台I上；4)在稳定温度下通过激光高度测距仪2对样品的弯曲形变进行测量，测量时，首先设置测量的坐标系统，选取标准片4顶表面的长边、短边分别为测量的X轴、Y轴，以长边X轴方向为扫描方向。激光高度测距仪2激光穿过杜瓦窗口 3-7，对样品表面点坐标进行测量，在二维移动平台I的带动下，完成对标准片4顶表面X轴向中心线处一系列点(X，Y，Z)坐标值的测量，经过相应数据处理后，得到双层结构样品3-10由两不同材料热膨胀系数差异导致的弯曲形变曲线，记录中心处最大挠度值Cl1 ；5)通过拉杆3-13调整液氮与冷平台3-11的接触面积，以及调整加热电阻3_14上电流，将测量温度稳定在另一个点，重复步骤4)测量一系列温度从77K至300K之间样品中心处最大挠度 值屯i为测量序号；6)计算待测材料5相应测量温度Ti下的线膨胀系数α i:
SZtft9aI = Λβ + _T9)(y + 4 # + i*e}其中Ttl为环境温度；a ^别为标准材料4于温度Ti时线膨胀系数Atl为两层材料各自的厚度，L为双层结构横向长度。本专利的优点:1.利用了不同热膨胀系数材料之间常见的双金属效应，实验原理简单；2.测量双层结构于不同温度时的挠度形变，测试量直观且易于测量，每次测量时温度稳定且精确可控；3.由双层结构的低温挠度形变值与材料线膨胀系数之间关系间接地计算出未知固体材料的线膨胀系数，计算出的两不同材料之间相对的热膨胀系数值准确；4.测量装置搭建容易，灵活，可选用的符合要求的光学测量设备类型较多；5.适用于大部分的固体材料线膨胀系数的测量，样品加工简单，原材料消耗少。
图1是本专利的测量装置剖面结构示意图。图中I是X-Y 二维移动平台；2是激光高度测距仪；3是控温杜瓦，3-1是L型杜瓦外壳、3-2是杜瓦内胆、3-3是真空排气口、3_4是液氮灌注口、3-5是隔热真空腔、3_6是液氮、3_7是杜瓦窗口、3_8是温度传感器、3_9是穿墙接线柱、3-10是样品、3_11是冷平台、3_12是活塞、3_13是拉杆、3_14是加热电阻。图2是本专利中叠状双层结构样品剖面示意图。图中4是标准片，5是待测片。图3是双层结构系统低温下产生的挠度形变示意图。图中4是标准片，5是待测片。图4是双层结构样品在杜瓦冷平台上的安装示意图。图中4是标准片，5是待测片，6是铜箔胶。
具体实施方式
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以下结合附图，对本专利的具体实施方式
作进一步的详细说明:1、在图2所示的双层结构中，待测片5热膨胀系数小于标准片4，当系统上的温度降低时，由于标准片热膨胀系数相对较大，收缩程度剧烈，系统产生由中间向下凹进的形变，如图3所示；图中曲率半径R、中心处最大形变挠度d和顶层标准片厚度h之间满足关系:
权利要求1.一种低温下材料线膨胀系数测量装置，由X-Y二维移动平台(I)、激光高度测距仪(2)以及控温杜瓦(3)组成，其特征在于: 所述的控温杜瓦(3)包括L型杜瓦外壳(3-1)、内胆(3-2)、隔热真空腔(3-5)、冷平台(3-11)、活塞(3-12)、拉杆(3-13)和加热电阻(3-14), L型杜瓦外壳(3_1)左半竖起部分上端靠外侧有一真空排气口(3-3),右半横放部分上端有一专用杜瓦窗口(3-7),与外壳真空密封连接；活塞(3-12)位于杜瓦内胆(3-2)中，拉杆(3-13)穿过内胆左半竖起部分上端的液氮灌注口(3-4)与之相连接，活塞(3-12)在杜瓦加工期间制作放置，杜瓦变温使用时拉杆与活塞首先分离，活塞滑落在内壳底部，液氮(3-6)注满后，拉杆与活塞再进行连接；样品安装冷平台(3-11)左端与液氮相接触，且与内胆壳密封连接，冷平台顶面与杜瓦窗口(3-7)相对应；冷平台顶面上有一温度传感器(3-8)，底面装有加热电阻(3-14)，温度传感器和加热电阻引线从杜瓦的穿墙接线柱(3-9)引出与外部仪表相连接，在进行温度调节时，利用拉杆(3-13)提拉活塞(3-12)控制液氮(3-6)与冷平台(3-11)接触的面积，对冷平台上温度进行粗调 节，后由加热电阻(3-14)实现冷平台上温度的精调节。
专利摘要本专利公开了一种低温下材料线膨胀系数的测量装置，它涉及材料热物理性能的测试与表征领域，该方法通过专用变温杜瓦实现液氮温度至300K温度区间内，标准材料和待测材料组成的叠状双层结构样品上温度的控制，利用三维坐标测量系统对各个温度点下双层结构的表面进行坐标扫描，获得需测量温度点处双层结构中心处的最大挠度形变值，结合双金属效应的挠度理论计算公式，由标准已知的材料参数推导出待测材料相应温度时的线膨胀系数。本专利方法原理简单、样品制备容易，测试量直观、易于测量，测试装置搭建不繁琐，具有很强的可操作性和实用性。
文档编号G01N25/16GK203133002SQ20132005653
公开日2013年8月14日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者陈星 , 何凯, 王建新, 吴云, 张勤耀 申请人:中国科学院上海技术物理研究所