激光干涉法测量材料线膨胀系数的实验研究

　　0　引言

　　材料热膨胀系数是材料的热物性之一,是表征材料性质的重要特征量,尤其对常温以上材料线膨胀系数的测量在实际工程中更具有重要意义。采用激光干涉法测量材料线膨胀系数和传统的顶杆法相比具有测量准确,测量分辨力高等优点,美国、日本一些发达国家在利用激光干涉法的测量材料线膨胀方面已经掌握了成熟的技术。为了提供高我国材料线膨胀率测量水平,发展我国自己的参考物质,为低一级准确度装置的检定提供传递标准,中国计量科学研究院自行设计建立了一套基于激光干涉法材料线膨胀率的高准确度测量装置,该装置由真空炉、激光干涉仪、电测系统等几部分构成,其分辨力优于1nm。我们在300~770K温度范围内,用该装置美国国家标准技术研究院(NIST)的SRM738不锈钢样品进行测量,其测量结果与NIST的公布值的相对偏差在1.7%以内。

　　1　测量原理[2]

　　在温度T时,材料的线膨胀系数定义为:

　　这里L0为常温下样品长度。实际测量中,材料线膨胀系数采用一定的温度间隔ΔT内的平均线膨胀率系数,即:

　　式中,代表平均线膨胀率系数,ΔL为温度变化ΔT样品的线性热膨胀量。

　　对ΔL的测量可采用激光干涉法。根据干涉原理可知,产生干涉条纹的条件为:

　　式中,n为两个反射表面之间大气的折射率;θ为入射光束与表面法线之间的夹角;N为干涉级数;λ为单色光在真空中的波长。

　　所以,在真空及入射光与反射面垂直的条件下,样品的线膨胀系数为:

　　式中,ΔN为通过的干涉条纹的数目。

　　一般干涉仪系统都有测量光路和参考光路,参考光路光程不变,测量光路光程发生变化引起干涉条纹移动,应用到线膨胀系数测量上,样品形变量引起测量光程发生变化,导致干涉条纹移动,干涉条纹移动数目对应样品形变量。根据式(4),只要知道温升ΔT下的干涉条纹数目就可得到这段温升下平均的线膨胀率系数。

　　2　测量装置

　　该测量装置主要由真空炉、激光干涉仪和电测系统等组成。

　　2.1　真空炉

　　图1为真空炉结构简图。整个装置为不锈钢结构。光学系统放置在内外罩之间的低膨胀率石英台上。样品炉为三段加热炉,置于内罩里的不锈钢架上。样品炉及光学系统都处于真空环境下,可以保证测量光路和参考光路工作环境相同以及减少对流换热。样品水平放置,其两端可以自由伸缩,长度应为50mm左右, 直径10mm左右,放置在炉子中部,且两截面为高反射率镜面,一般对于透光性材料采取表面镀银膜,所镀膜的厚度一般为几百个埃的量级,对测量的影响可以忽略不计;非透光性材料表面要进行研磨。