激光干涉法测量材料线膨胀系数的实验研究硕士论文.pdf

摘要摘要随着科技的发展，现代科技实力的竞争更表现为科技综合能力的竞争。热膨胀在各项科学研究中处于重要的基础地位，是科学研究和创新的基础，越来越受到国家的重视。本文是在国家“十五”重大科研专项“重要技术标准研究”课题一“建立我国材料热物性测量标准体系“的支持下，在中国计量科学研究院参与完成的。本文主要对激光干涉法测量材料线膨胀系数的实验装置、实验方法及热膨胀理论模型作了理论和实验研究。在中国计量科学研究院设计和初步建立的激光干涉法材料线膨胀系数测量装置的基础上改进完善该装置，最终实现了从240K到1200K范围的测量。分温区对NlST提供的材料SRM731、SIu订738和单晶硅进行了线膨胀系数测量，并把测量结果进行了对比。对测量结果进行了不确定度分析，并对测量结果的主要影响因素做了实验测试，不确定度分析结果为相对合成扩展不确定度为34x104，说明测量结果准确可信。实验过程采用分段加热，以比较快的速度把试样加热到设定温度，实验结果表明硼硅酸盐和不锈钢试样实验过程符合热膨胀动态过程理论，单晶硅在同样的加热速度下仍符合热膨胀的准简谐振动模型理论。用单晶硅作为试样，采用缓慢加热方式使试样的温升和膨胀同步实验。实验结果表明，在缓慢加热使试样温升和膨胀条件下的测量结果和采用分段加热情况下测的结果相差在1以内，表明单晶硅熟膨胀过程比较好的符合了热膨胀的准简谐振动模型理论。通过该课题的研究，建立了一套温度测量范围宽，测量精度高的基于绝对法测量线膨胀系数的装置，为我国采用激光干涉法测量材料线膨胀系数及其热物性标准装置体系建立打下很好的基础。关键词线膨胀系数；激光干涉法；单频干涉仪；热膨胀动态过程北京工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentandoftheScierW,g,scienceandtechnologyincompetitionisbehaved船comprehensivescienceabilitiesTheresearchontheexpansioncoe伍cientformaterialis也ebasicofthesciCIIcoresearchandthefoundationoftheInnovation,SOitismoreandmoteemphasizedinourcountryUndertheNationalFifteenGreatResearchProjcI吐TheResearchoncreatingOurCountrysmeasurementtechnologyoftheheatphysicalpropertyStandardsSystem”，thispaperiscompletedintheNIMmationalInstituteofMetrology)Thispaperismainlyimprovedandperfectedthedilatometerbytheexperiment，anddosomeresearchoftheoryandexperimentstudiesonexperimentalequipment、experimentalmethodsandthetheoryoftheexpansioncoefficientOnthebasisofthelaserinterferometricdilatometerformeasuringlinearexpansioncoefficientwhichisdesignedbyNIM,improvedandperfectedthedilatometerandachievedmeasuringthelinearexpansioncoefficientformaterialOVerthetemperaturerangingfrom240KtO1200KbythisdilatometerTheperformanceofthenewdevicehasbeenexaminedbytestingthereferencematerialsSRM731、SRM738andsiliconindifferenttemperatureInordertoanalyzethereliabilityoftheresult,weanalyzedtheinfluencefactorsoftheresultAndthestandarduncertaintyatroomtemperatureis34xl酽(K=2)Intheexperimentweheatthesampletothetargettemperatureinaquickspeed，theresultsshowedthatforSRM738andSRM731，thelengthchangeofthesampleisbehindthetemperaturechange；forsilicon,thelengthchangeofthesamplekeepsupwiththetemperaturechangeTheSRM738andSRM731samplearesuitsofthedynamicproceessofthenualexpansionByheatthesiliconsampleinaveryslowspeedtomakethelengthchangeofthesamplekeepupwiththetemperaturechange,andmeasuresthelinearexpansioncoefficientofsiliconThemeasurementresultagreeswiththevaluesmeasuredbynormalheatingmethodsoftherelativedeviationlessthan1thethermalexpansionofsiliconissuitofthetypicaltheoryofthethermalexpansion.Aö"d#GDPGRFGDPGRFjØnó¤*6?ÇGDPGRFWDREDRFRP44#摘要KEYWORDSlinearexpansioncoefficient：laserinterferometricdilatometersignalfrequencydilatomcter：dynamicproceessofthermalexpansion111.Aö"d#GDPGRFGDPGRFjØnó¤*6?ÇGDPGRFWDREDRFRP44#第1章绪论11课题背景第1章绪论本课题是激光干涉法测量材料线膨胀系数的实验研究，是国家“十五”重大科研专项“重要技术标准研究”课题一建立我国材料热物性测量标准装置体系子课题“材料热膨胀系数测量标准装置”的重要部分。国家“十五重大科技专项“重要技术标准研究”报告指出，技术标准已经成为世界各国发展贸易、保护民族产业、规范市场次序、推动技术进步和实现高新技术产业化的重要手段，世界发达国家纷纷制定一系列重要的技术标准和相关的贸易技术措施，以保持在激烈的市场竞争中的优势地位。我国由于长期缺乏对技术标准的足够重视，导致我国技术标准总体水平偏低，对我国企业参与全球经济竞争带来十分不利的影响。因此，尽快制定完善我国各种技术标准，对于提高我国产业的竞争力，促进科技成果商品化产业化，打破贸易技术壁垒促进贸易发展，维护国家和企业利益都具有极其重要的作用。12热膨胀系数测量的意义温度盼变化在生产中随处可见，研究材料热变形规律并加以利用也就伴随人类社会发展而发展。材料热膨胀率是物质的基本热物理参数之一，是表征材料性质的重要特征量。热膨胀现象和作用在我们的生活中很常见，例如用水银温度计测量温度，夏天电线一般会呈现弧形形状，扭曲的公路，固死的吊桥等。在工程技术中，对于那些处于温度变化条件下使用的结构材料，热膨胀系数不仅是材料的重要使用性能，而且是进行结构设计的关键参数。在日常的桥梁、铁轨、建筑、以及高速公路的混凝土等工程设计中，必须要考虑到热膨胀因素，造的实际长度比他们应有的长度短。材料的热膨胀性能的重要性还表现在它与材料抗热震的能力，受热后的热应力分布和大小密切相关。在军事领域，所有航天飞行器均经历发射、入轨、飞行乃至再入大气的过程，经受不同程度的气动加热阶段，温度变化非常大，考虑到发动机和其他精密仪器仪表的安全高效运转，精确了解其热膨胀情况非常重要。在材料科学技术中，新材料的开发必然是为某些物理性质的改善，开发出热膨胀系数不同的材料，来适应生活、科研中的各种需要。此外，通过对材料热膨胀系数随温度变化曲线的测定，还可以进行材料相变、微裂纹的愈合和扩展等基础理论的研究。