[发明专利]一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于固体材料热膨胀特征参数测量技术领域，涉及一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法，具体地说，涉及一种在不同温度下对固体材料的热膨胀系数进行测定的装置及方法。

背景技术

材料热膨胀系数是物质的基本物理性质之一，准确测量材料的热膨胀系数，对于基础科学研究、技术创新、工程应用都具有重要的意义。上世纪60年代，随着激光器和计算机的诞生以及各学科的进步，材料的热膨胀系数的研究向着更精确，更方便，测量范围更大的方向发展。在2000年，日本的M.Okaji和他的同事用顶杆膨胀仪在-50～250℃的温度范围内对一些硅玻璃进行了测量，标准不确定度为2～4×10^-8K^-1。这种方法机构简单、操作容易、适合于各种形状的样品，但是这种方法是一种非绝对测量方法，需要进一步校准工作。他们也对激光干涉膨胀仪做了改进，测量范围在300～1300K，测量结果不确定度为1.1×10^-8K^-1，但是由于干涉装置中样品表面反射测量光的能力受到温度的限制。2005年，美国的E.G.Wolff和J.E.Sharp也利用激光设计了衍射膨胀装置来测量材料热膨胀系数，它的测量精度不亚于干涉，偏差在2％以内，但是由于衍射狭缝的限制，膨胀量不是很大，所以测量范围有所限制。2000年，我国台湾的Chi Hsiang Pan发明了一种测量薄片物体材料的线性热膨胀系数装置，利用两个长度不同的薄片材料在相同温度变化下的膨胀量不一样，根据游标尺的读数来间接测得材料的膨胀量。但当膨胀量很大的时候，游标尺的读数与膨胀量的关系是非线性的，很难得到准确的数值，所以这个装置的测量范围有限。因此，精确测量材料的热膨胀系数的意义重大。

通常测定材料热膨胀系数有很多装置或方法，例如：激光干涉膨胀仪、顶杆膨胀仪、衍射膨胀仪装置、显微膨胀装置和瞬态法等。其中，光学测量的精度最高，对材料的影响也最小。自准直仪是一种能发射平行光束的精密光学仪器，也是装校和调整光学仪器的重要工具之一。自准直仪测量角度的微小变化。准确度高，能很好地应用于材料膨胀或者收缩之后引起的装置结构上的角度变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法，该装置可实时改变样品材料的温度，从而测出不同温度下的固体材料的热膨胀系数，该装置结构简单，不需要搭建复杂的光路，所需要的装置较少，具有成本低廉、操作方便的特点，适合推广应用。

其具体技术方案为：

一种固体材料热膨胀系数的测量装置，包括自准直仪1、真空仓窗口2、真空仓3、平面反射镜4、变温样品5、变温载物平台6、导热铜带7、常温载物平台8和常温样品9，真空仓3作为隔绝空气和真空环境的装置，平面反射镜4、变温样品5、变温载物平台6、导热铜带7、常温载物平台8和常温样品9都置于真空仓3中，其连接关系为变温载物平台6与常温载物平台8之间有一定的间隔，导热铜带7置于真空仓3底部，导热铜带7与变温载物平台6相连，变温样品5置于变温载物平台6上，常温样品9置于常温载物平台8上，平面反射镜4安装在变温样品5和常温样品9的顶端；真空仓窗口2设置在真空仓3顶部；自准直仪1位于真空仓3外部，安装在真空仓窗口2正上方，后面用于测量平面反射镜4的倾斜角度；所述变温载物平台6和常温载物平台8位于真空仓3底部，变温载物平台6和常温载物平台8下面是绝热支撑，这样能隔绝变温载物平台6、常温载物平台8和样品仓3这三者之间的热传导。样品的升降由一个电动升降机构11驱动。

优选地，所述自准直仪1的出射光经平面反射镜4反射，达到测角目的。

优选地，根据不同的温度范围，所述导热铜带7分为升温加热和降温制冷过程，在升温加热过程中，利用导热铜带7输入真空仓3外热源所产生的热量，使变温样品5的温度升高；而在降温制冷过程中，利用导热铜带7输入真空仓3外冷源产生的冷量，使变温样品5的温度降低。

优选地，所述的真空仓3是真空测量环境下的绝热装置，抽真空采用所述的机械真空泵，能达到10^-1Pa以下的真空度。

优选地，所述的自准直仪1在测量过程中实时测量，然后进行实时调节校正，提高测量精度。

优选地，所述绝热支撑由多层聚四氟乙烯材料加工而成。