多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀及其分析方法
【專利摘要】多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀及其分析方法，其特征在于：該分析儀是由上部腔體和下部腔體構(gòu)成，所述的上部腔體通過支撐架固定在底座上；所述的下部腔體固定在絲桿上，并通過絲桿來帶動下部腔體作上下運動來改變測量的環(huán)境；所述的上部腔體和下部腔體相結(jié)合后形成真空腔體。該方法是通過靜電激發(fā)的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式，驅(qū)動待測試樣和參考試樣或?qū)Ρ仍嚇油瑫r進行機械振動，通過高頻載波獲取試樣的振幅，經(jīng)過運算獲得薄膜的模量和內(nèi)耗。
【專利說明】多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀及其分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀及其分析方法，屬于測量設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的缺陷(如點缺陷、位錯、界面、表面等)和微觀結(jié)構(gòu)是影響該材料性能的重要因素，通過測量材料在外界交變作用條件下的響應(yīng)可以探測該材料的缺陷和微觀結(jié)構(gòu)的特性和動力學(xué)演化過程。動態(tài)力學(xué)技術(shù)是通過對材料施加周期交變應(yīng)力，測量材料動力學(xué)響應(yīng)，即應(yīng)變和滯后角(內(nèi)耗動態(tài)力學(xué)方法通過測量材料的復(fù)模量和相角(內(nèi)耗)，不僅能反映材料的力學(xué)性質(zhì)，還可以獲得其他手段無法提供的物理信息(缺陷濃度與分布、擴散激活能、相變動力學(xué)等)，而這些缺陷動力學(xué)參數(shù)直接關(guān)系到材料的光、熱、電、磁、聲學(xué)等性能，是一種有效的研究材料缺陷和微觀結(jié)構(gòu)的實驗方法。針對當(dāng)前市場上缺乏表征薄膜材料模量與缺陷的測量裝置，我們研制了多功能薄膜動態(tài)力學(xué)分析儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于測量、且測量精確的多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀及其分析方法。
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。
[0005]多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:該分析儀是由上部腔體和下部腔體構(gòu)成，所述的上部腔體通過支撐架固定在底座上，所述的上部腔體頂部設(shè)有真空轉(zhuǎn)接頭，其側(cè)面設(shè)有氣閥，所述的上部腔體內(nèi)部中間位置設(shè)有試樣支架，在所述的上部腔體內(nèi)部的試樣支架旁還設(shè)有一根熱電偶；
所述的下部腔體固定在絲桿上，并通過絲桿來帶動下部腔體作上下運動來改變測量的環(huán)境，在所述的下部腔體一側(cè)的上方設(shè)有冷卻管出口，其下方設(shè)有冷卻管進口，所述的下部腔體內(nèi)壁設(shè)有螺旋狀冷卻管，所述的冷卻管一端與冷卻管出口相連，另一端與冷靜卻管進口相連。
[0006]所述的上部腔體和下部腔體相結(jié)合后形成真空腔體。
[0007]所述下部腔體四周設(shè)有保溫層，所述保溫層與下部腔體的外壁之間還設(shè)有鎧裝電阻絲。
[0008]所述的試樣支架呈中空的長方體，其上方開有三個扁平的通孔，下方開兩個扁平的通孔，在所述的試樣支架上方的扁平通孔內(nèi)安插有三根金屬條，其中，中間的金屬條為激發(fā)極，兩邊的金屬條為檢測極；所述試樣支架下方的扁平通孔內(nèi)分安插有待測試樣和參考試樣。
[0009]多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析方法，該方法是通過靜電激發(fā)的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式，驅(qū)動待測試樣和參考試樣或?qū)Ρ仍嚇油瑫r進行機械振動，通過高頻載波獲取試樣的振幅，經(jīng)過運算獲得薄膜的模量和內(nèi)耗，其方法如下:
靜電激發(fā)是由計算機發(fā)的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大后產(chǎn)生的交激發(fā)信號和直流偏壓加和而成的振動激發(fā)信號，并對待測試樣和參考試樣同時進行的周期性振動，直流偏壓是由手動調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器或是電腦控制程控穩(wěn)電源產(chǎn)生；
強迫振動測量模式:是由高頻信號發(fā)生器發(fā)出的高頻載波加載在待測試樣和參考試樣上，薄膜試樣運動時引起待測試樣或參考試樣與檢測電極之間電容變化，會導(dǎo)致通過檢測極的載波的幅度變化，這對應(yīng)著薄膜振幅的變化，，這對應(yīng)著振幅的變化，振動信號通過檢測極并經(jīng)過解調(diào)后，獲得試樣振動信號，將試樣振動信號與高頻信號發(fā)生器的信號同時接入鎖相放大器的輸入信號端和參考信號端，處理獲得試樣振動的振幅與相位信息后，在計算機中保存結(jié)果，參考試樣可以是模量已知的某種材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通過測量標(biāo)注試樣的模量和內(nèi)耗可用于標(biāo)定出薄膜的模量和內(nèi)耗，所述高頻載波的頻率在
0.5?4MHz，幅度為0?20V ；
自由衰減模式:該模式是將試樣振動信號經(jīng)過正反饋電路加載到激發(fā)極上，使試樣在共振頻率進行振動，然后程序控制斷開驅(qū)動信號，使試樣自由衰減，通過高頻載波加載在待測試樣上，薄膜試樣運動時引起待測試樣與檢測電極之間電容變化，導(dǎo)致通過檢測電極的高頻載波的幅度變化。將高頻信號經(jīng)過解調(diào)和隔直后接入計算機的模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡上，來計算薄膜的模量和內(nèi)耗，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為16?24位，轉(zhuǎn)換速率最大為lOOMB/s。
[0010]所述上部腔體與下部腔體之間設(shè)有密封膠圈。
[0011]所述的上部腔體采用不銹鋼材料制作而成。
[0012]所述試樣支架采用絕緣陶瓷材料制成。
[0013]所述的參考試樣為模量已知的某種材料，或者是與待測試樣所采用的空白基底材料。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:結(jié)構(gòu)簡單，易于測量，且測量精確，通過靜電激發(fā)的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式，驅(qū)動待測試樣和參考試樣或?qū)Ρ仍嚇油瑫r進行機械振動，通過高頻載波獲取試樣的振幅，經(jīng)過運算獲得薄膜的模量和內(nèi)耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明上部腔體與底座位置關(guān)系圖；
圖3為本發(fā)明試樣支架結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明工作原理圖。
【具體實施方式】
[0016]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
[0017]如圖1-3所示，多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，該分析儀是由上部腔體I和下部腔體2構(gòu)成，上部腔體I通過支撐架3固定在底座4上，上部腔體I頂部設(shè)有真空轉(zhuǎn)接頭5，其側(cè)面設(shè)有氣閥6，上部腔體I內(nèi)部中間位置設(shè)有試樣支架7，上部腔體I內(nèi)部的試樣支架7旁還設(shè)有一根熱電偶8 ；
下部腔體2固定在絲桿9上，并通過絲桿9來帶動下部腔體2作上下運動來改變測量的環(huán)境，下部腔體2—側(cè)的上方設(shè)有冷卻管出口 10，其下方設(shè)有冷卻管進口 11，下部腔體2內(nèi)壁設(shè)有螺旋狀冷卻管12，冷卻管12 —端與冷卻管出口 10相連，另一端與冷靜卻管進口11相連。
[0018]上部腔體I和下部腔體2相結(jié)合后形成真空腔體。
[0019]下部腔體2四周設(shè)有保溫層13，保溫層13與下部腔體2的外壁之間還設(shè)有鎧裝電阻絲14。
[0020]試樣支架3呈中空的長方體，其上方開有三個扁平的通孔，下方開兩個扁平的通孔，試樣支架3上方的扁平通孔內(nèi)安插有三根金屬條，其中，中間的金屬條為激發(fā)極15，兩邊的金屬條為檢測極16 ;試樣支架3下方的扁平通孔內(nèi)分安插有待測試樣17和參考試樣18。
[0021]如圖4所示，多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析方法，該方法是通過靜電激發(fā)的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式，驅(qū)動待測試樣17和參考試樣18或?qū)Ρ仍嚇油瑫r進行機械振動，通過高頻載波獲取試樣的振幅，經(jīng)過運算獲得薄膜的模量和內(nèi)耗，其方法如下:
靜電激發(fā)是由計算機發(fā)的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大后產(chǎn)生的交激發(fā)信號和直流偏壓加和而成的振動激發(fā)信號，并對待測試樣17和參考試樣18同時進行的周期性振動，直流偏壓是由手動調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器或是電腦控制程控穩(wěn)電源產(chǎn)生；
強迫振動測量模式:是由高頻信號發(fā)生器發(fā)出的高頻載波加載在待測試樣17和參考試樣18上，薄膜試樣運動時引起待測試樣或參考試樣與檢測電極16之間電容變化，會導(dǎo)致通過檢測極16的載波的幅度變化，這對應(yīng)著薄膜振幅的變化，這對應(yīng)著振幅的變化，振動信號通過檢測極16并經(jīng)過解調(diào)后，獲得試樣振動信號，將試樣振動信號與高頻信號發(fā)生器的信號同時接入鎖相放大器的輸入信號端和參考信號端，處理獲得試樣振動的振幅與相位信息后，在計算機中保存結(jié)果，參考試樣可以是模量已知的某種材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通過測量標(biāo)注試樣的模量和內(nèi)耗可用于標(biāo)定出薄膜的模量和內(nèi)耗，所述高頻載波的頻率在0.5?4MHz，幅度為(T20V ；
自由衰減模式:該模式是將試樣振動信號經(jīng)過正反饋電路加載到激發(fā)極15上，使試樣在共振頻率進行振動，然后程序控制斷開驅(qū)動信號，使試樣自由衰減，通過高頻載波加載在待測試樣17上，薄膜試樣運動時引起待測試樣17與檢測電極16之間電容變化，導(dǎo)致通過檢測電極16的高頻載波的幅度變化，將高頻信號經(jīng)過解調(diào)和隔直后接入計算機的模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡上，來計算薄膜的模量和內(nèi)耗，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為16?24位，轉(zhuǎn)換速率最大為lOOMB/s。
[0022]上部腔體I與下部腔體2之間設(shè)有密封膠圈19。
[0023]上部腔體I采用不銹鋼材料制作而成。
[0024]試樣支架3采用絕緣陶瓷材料制成。
[0025]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:該分析儀是由上部腔體和下部腔體構(gòu)成，所述的上部腔體通過支撐架固定在底座上，所述的上部腔體頂部設(shè)有真空轉(zhuǎn)接頭，其側(cè)面設(shè)有氣閥，所述的上部腔體內(nèi)部中間位置設(shè)有試樣支架，在所述的上部腔體內(nèi)部的試樣支架旁還設(shè)有一根熱電偶； 所述的下部腔體固定在絲桿上，并通過絲桿來帶動下部腔體作上下運動來改變測量的環(huán)境，在所述的下部腔體一側(cè)的上方設(shè)有冷卻管出口，其下方設(shè)有冷卻管進口，所述的下部腔體內(nèi)壁設(shè)有螺旋狀冷卻管，所述的冷卻管一端與冷卻管出口相連，另一端與冷靜卻管進口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:所述的上部腔體和下部腔體相結(jié)合后形成真空腔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:所述下部腔體四周設(shè)有保溫層，所述保溫層與下部腔體的外壁之間還設(shè)有鎧裝電阻絲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:所述的試樣支架呈中空的長方體，其上方開有三個扁平的通孔，下方開兩個扁平的通孔，在所述的試樣支架上方的扁平通孔內(nèi)安插有三根金屬條，其中，中間的金屬條為激發(fā)極，兩邊的金屬條為檢測極；所述試樣支架下方的扁平通孔內(nèi)分安插有待測試樣和參考試樣。
5.多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析方法，其特征在于:該方法是通過靜電激發(fā)的方式，在一定頻率范圍、溫度范圍和真空氣氛下，采用強迫振動測量模式和自由衰減模式兩種方式,驅(qū)動待測試樣 和參考試樣或?qū)Ρ仍嚇油瑫r進行機械振動,通過高頻載波獲取試樣的振幅，經(jīng)過運算獲得薄膜的模量和內(nèi)耗，其方法如下: 靜電激發(fā)是由計算機發(fā)的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和放大后產(chǎn)生的交流激發(fā)信號和直流偏壓加和而成的振動激發(fā)信號，并對待測試樣和參考試樣同時進行的周期性振動，直流偏壓是由手動調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器或是電腦控制程控穩(wěn)電源產(chǎn)生； 強迫振動測量模式:是由高頻信號發(fā)生器發(fā)出的高頻載波加載在待測試樣和參考試樣上，薄膜試樣運動時引起待測試樣或參考試樣與檢測電極之間電容變化，會導(dǎo)致通過檢測極的載波的幅度變化，這對應(yīng)著薄膜振幅的變化，振動信號通過檢測極并經(jīng)過解調(diào)后，獲得試樣振動信號，將試樣振動信號與高頻信號發(fā)生器的信號同時接入鎖相放大器的輸入信號端和參考信號端，處理獲得試樣振動的振幅與相位信息后，在計算機中保存結(jié)果，參考試樣可以是模量已知的某種材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通過測量標(biāo)注試樣的模量和內(nèi)耗可用于標(biāo)定出薄膜的模量和內(nèi)耗，所述高頻載波的頻率在0.5~4MHz，幅度為(T20V ； 自由衰減模式:該模式是將試樣振動信號經(jīng)過正反饋電路加載到激發(fā)極上，使試樣在共振頻率進行振動，然后程序控制斷開驅(qū)動信號，使試樣自由衰減，通過高頻載波加載在待測試樣上，薄膜試樣運動時引起待測試樣與檢測電極之間電容變化，導(dǎo)致通過檢測電極的高頻載波的幅度變化，將高頻信號經(jīng)過解調(diào)和隔直后接入計算機的模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡上，來計算薄膜的模量和內(nèi)耗，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為16~24位，轉(zhuǎn)換速率最大為lOOMB/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:所述上部腔體與下部腔體之間設(shè)有密封膠圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能薄膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:所述的上部腔體采用不銹鋼材料制作而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能薄 膜材料動態(tài)力學(xué)分析儀，其特征在于:所述試樣支架采用絕緣陶瓷材料制成。
【文檔編號】G01N19/00GK104034653SQ201310070065
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月6日
【發(fā)明者】莊重, 程幟軍, 王先平, 郭麗君, 吳兵, 方前鋒 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院