用激光干涉仪测定材料特性

　　一、前言

　　材料的特性都涉及到材料的各种特性值。本文将介绍用激光干涉仪测量材料温度线膨胀系数、弹性模数、尺寸稳定性和导热系数的方法。

　　激光干涉仪的特点是可以非接触地、高灵敏度地测量物体的位移。最重要的是由于激光波长数多少与位移量大小是直接相关的，因而干涉条纹的数完全与传感器位移的量相对应，不必作自身校正。下面就各种特性的测定方法作一介绍。

　　二、各种特性的测定方法

　　.温度线膨胀系数

　　固体的温度线膨胀系数“是指每1k温度变化所对应的长度变化率，以下式定义:

　　L。是试件在室温下的长度，dT是温度变化，dL是试件对应于dT的长度变化。

　　实际上材料的温度线膨胀系数跨越的范围非常大，高分子材料为10-4-10 -SK '，金属材料和无机材料为10一10-61}'，低膨胀率材料(石英玻璃、殷钢、结晶化玻璃等)为10-6--10一 8}' o假设温度线膨胀系数为lx10-SIC 1，试件长度为1 OI111T1,温度变化为lOK，这样，试件的长度变化为1}m。因此，要使温度线膨胀系数的测定精度达到1%,就必需使位移测定精度为l Onm，它随测定条件和要求的精度不同而不同。总之，温度线膨胀系数的测定必需要求相当高的位移测定精度。下面，将目前已研制出的温度线膨胀系数测定装置举几例介绍。

　　(1)采用斐索干涉仪的测定装置

　　美国标准技术研究所(N1ST)很早就开始研希I}用干涉仪测定温度线膨胀系数。NIST测定装置的原理是利用斐索法，图1是它的结构图。

　　斐索干涉仪具有结构简单、光学调整容易等优点。它的测长分辨率约为1 / 30fringe(约20nm ) ,标准试件以溶融石英为例，温度线膨胀系数a = -0.5一0.5 x 10 61}}，对应的温度范围为80-- 1000K，其标淮偏差为0.25x l0一aK y

　　(2)采用迈克尔逊分光干涉仪的测定装置

　　为了在特别高的温度(10003000K)下进行测定，NIST利用对担和钨等耐热金属通电加热的方法进行了测定研究。图2是光学系统的结构图，将圆柱状试件的两侧平面上，同时通电加热，检测出试件侧面的尺寸变化，温度是用辐射温度计测定的。虽然超高温领域测定是瞬态过程的测定，但它在3000K的分辨率仍可达到1 fringe。

　　(3)未用双层尤路干涉仪的温度线膨胀系数浏定装里(NPL)

　　英国国家物理研究所(NPL)开发研制出的干涉仪如图3所示，由于光路是双层的，因而提高了灵敏度。该装置的基本构件是偏振光分束器和直角反射镜，为了防止光损失，设置了1 / 4Z板。为获得两束平行光，将2个光束分离器分别装在人射侧和出射侧。采用最常用的方法，即用监控器监测干涉光强度的变化，从而检测出位移。它的测量精度与KIST装置·样。