材料低温膨胀性能检测装置

何 珺, 刘洪旺, 陈学广,4 , 彭会芬,4, 马晓莉

(1. 河北工业大学 材料科学与工程学院, 天津 300130; 2. 中芯北方集成电路制造(北京)有限公司, 北京 100176；3. 河北省功能材料重点实验室, 天津 300130; 4. 天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室, 天津 300130)

随着大型LNG船用罐体材料的开发以及深海探测技术的进步,对材料和器件的低温膨胀性能研究显得十分必要[1-5]。室温以上材料膨胀的原因早就有明确的科学解释：磁致伸缩理论[6-8]、价键理论[9]、电子-声子相互作用理论[10],但对低温状态下材料膨胀的原因却一直没有给予合理的解释[11]。这是由于材料低温特性测试装置的研发相对滞后,限制了人们对材料在低温状态下行为的深入理解。

目前,测定材料线性膨胀系数的方法主要有：应变片法、石英膨胀计法、双线法、光干涉法等。应变片法因其灵敏系数随温度变化而变化,在材料非均匀变形的条件下,其具有一定的局限性[12]。双线法虽然简单易行,但是其具有一定的局限性,主要适用于玻璃及料器等材料[13]。光干涉法对于光路的系统稳定性和激光频率稳定性要求较高,操作较为繁琐[14],干涉法测量材料线膨胀系数的精度最高,但其精度易受到诸如温度、压力、湿度等因素的影响[15],因此对测量环境和试件尺寸要求较为苛刻,且仪器价格昂贵,操作复杂。

目前,市场上测定材料低温特性的膨胀仪比较少。制冷的方式一般有两种：一种是机械制冷,温度可达-60 ℃；另一种是液氮制冷,温度可达-150 ℃。前者适用面窄,后者虽然测试温度范围宽,但设备价格极为昂贵。德国Leica-J11万能膨胀仪是我校20世纪60年代购买的一台高精度材料膨胀系数测试仪,该仪器具有精确的光学放大光路系统,测试系统较为准确；但由于年代久远以及当时技术条件的限制,仅凭人的视觉读数,容易引起较大误差。另外，其测定的温度范围仅在室温以上,无法测定低温性能。针对上述问题,我们对Leica-J11万能膨胀仪进行了改装,设计了一种石英膨胀计法，并结合光放大技术测试材料低温膨胀性能的设备,以弥补当前条件下仪器缺乏以及测试成本高昂的不足。

1 实验原理

1.1 理论计算方法

线膨胀系数是因瓦合金的材料和结构设计中一个非常重要的物理参数。膨胀系数是表征物体热膨胀性质的物理量,即表征物体受热时其长度、面积、体积增大程度的物理量,长度的增加称“线膨胀”。

根据美国标准ASTM E228-11和ASTM E 831-86,材料热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)的计算公式如下[16-17]:

(1)

L0为试样的原始长度,mm；T0为试样的初始温度,K；ΔL为-T1和T0温度之间的长度差值,mm；ΔT为-T1和T0之间的温度差,K。

样品、测试的炉体和顶杆等整个系统有一个补偿参数ATi(T0

(2)

因此,最终的膨胀系数CTE的公式如下:

(3)

1.2 膨胀放大原理

低温膨胀仪结构如图1所示。试样受热膨胀,推动顶杆,顶杆推动反光镜,光杠杆将试样的膨胀量放大2 000倍,并通过显示屏显示,通过100倍带标尺的观测目镜进行数据读取。观测目镜可将显示屏上1 mm的刻度值通过螺旋装置分成100份。因此,可将设备的精度提高至10 mm。观测目镜实物见图2。

图1 膨胀仪机械结构

图2 观测目镜实物图

2 低温结构设计

将待测试样放到石英腔体中,试样正中心位置放置T型热电偶(铜-康铜热电偶,测量范围-200～350 ℃),热电偶通过高精度数字单通道温度表进行温度记录,石英顶杆将试样顶紧。将上述系统置于杜瓦瓶中,并通过杜瓦瓶上的气阀间接控制升温速度。低温设备结构见图3。

图3 低温设备结构图

3 测试过程

首先对无氧铜棒的线性膨胀系数进行测量。试件尺寸为Φ3.5 mm×59.06 mm。将待测试样放置在石英管内,用石英棒将其顶住,热电偶(T偶)放在待测试样中心位置正上方。试件的温度通过连接腔体的气流阀进行控制,温度由热电偶温度计读出。样品的膨胀量通过原有的放大光路放大2 000倍后,显示在屏上,再经观测目镜放大100倍后进行读数。

具体操作过程：

(1) 将待测试样放置在测试部位,用石英杆将其顶住,防止其打滑,影响测试；

(2) 将杜瓦瓶腔体闭合,使整个测试系统和待测试样处于低温容器中，然后向杜瓦瓶腔体中输入适量的液氮作为制冷剂；

(3) 试样开始初期,最低的测试温度稳定在-150 ℃左右，需要稳定5 min左右,将试样完全冷透，直至试样和整个测试系统稳定后,开启气流阀,使液氮缓慢挥发,此时的试件温度逐渐升高,保证升温速度为3～4 K/min,测试温度可至室温；

(4) 通过读取采集的温度和膨胀量的数据,显示出相应的测试曲线。

4 测试结果与分析

为验证该低温装置的可靠性与准确性,在此设备上进行基线测定与重复性测试。

(1) 基线测试。石英棒(尺寸与被测试样一样)放入低温装置中，从液氮温度至室温升温过程中,测试出相应的系统膨胀系数5×10-7/K。当进行样品测试时,测定的膨胀系数应根据公式(3)扣除系统膨胀系数,才能得到样品实际的膨胀系数。

(2) 重复性测试。所用试件尺寸为Φ3.5 mm×59.06 mm,分别进行3次重复性测试,结果见表1。可以看出,测试数据重复性较好,具有良好的线性特征,且与文献报道的数值误差在5%之内。图4为测试1的实验数据,在126.2～172.7 K之间出现明显的2%～5%误差,这是由于第一次测试时,气阀漏气,升温速度不稳定造成的。

表1 无氧铜材料在不同温度条件下的尺寸变化

图4 无氧铜热膨胀的第1次测试值与文献值[18]

上述实验结果表明：本装置所测的无氧铜热膨胀数据与美国国家标准和技术研究所(NIST)资料[18]基本吻合,误差范围在5%以内, 精度高,且重复性良好。因此,利用该装置测试材料在77～300 K范围内热膨胀系数的准确性较好。

5 结论

(1) 本文采用廉价金属制成的T偶,T偶转变电信号进行采集,价格便宜,操作简单,精度高。

(2) 通过气阀控制液氮外挥发,进而控制升温速度,操作简单,价格便宜。

(3) 通过实验测试,本装置测试77～300 K范围内材料热膨胀系数的准确性较好。