本發(fā)明屬于材料熱膨脹性能測試領(lǐng)域，具體涉及一種頂桿法測試固體材料線膨脹系數(shù)測試技術(shù)。

背景技術(shù)：

熱膨脹是指物體的體積或長度隨著溫度改變而存在的脹縮現(xiàn)象，通過等壓條件下單位溫度變化所導(dǎo)致的材料體積或長度變化率來定量表征，其中體積或長度的變化率即為：熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)是材料的主要物理性能之一，影響著材料的抗熱震能力、熱應(yīng)力的大小以及熱致變形的程度，因此，熱膨脹系數(shù)是材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。

熱膨脹系數(shù)分為體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)兩種，其中，線膨脹系數(shù)表示單位溫度變化量下材料長度的增加量與原長度的比值，數(shù)學表達式為：α＝δl/(l×δt)，式中α表示線膨脹系數(shù)，δl為樣品長度的變化量，l為樣品的初始長度，δt是溫度變化量。

頂桿法又被稱作位移感應(yīng)法，是通過端面為平面的石英桿與樣品接觸得到被測樣品在加熱時長度隨溫度的變化來測得材料的線膨脹系數(shù)。目前這種測量方法已經(jīng)具有很高的測量精度，然而在測量存在固態(tài)相變的樣品時，不均勻固態(tài)相變會導(dǎo)致樣品變形，可能會因樣品變形而造成測量失真。另外，在測量樣品線膨脹系數(shù)的實際操作中，部分樣品的端面難以做到與軸線完全垂直，并且部分樣品的兩個端面也不可能是完全平行的，端面為平面的石英頂桿與樣品的接觸點將偏離樣品軸線，有使樣品翻轉(zhuǎn)的趨勢。同時，由于外界震動或氣流突變的擾動可能會引起樣品晃動，因此，導(dǎo)致樣品的線膨脹系數(shù)測試失敗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的頂桿法線膨脹系數(shù)測試裝置測試結(jié)果易失真以及測試穩(wěn)定性差的問題，提出一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置。

本發(fā)明所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置，包括測量系統(tǒng)、爐體、石英管、熱電偶和石英頂桿；

所述爐體位于測量系統(tǒng)一側(cè)；爐體用于對樣品進行升降溫操作；

所述石英管位于爐體內(nèi)部，石英管的一端為開口端，另一端為封閉端，樣品放置在石英管的封閉端，并且樣品的一端與石英管的封閉端緊密接觸；

所述石英頂桿的一端通過石英管的開口端延伸到石英管的內(nèi)部與樣品的另一端緊密接觸,石英頂桿的另一端與測量系統(tǒng)的位移數(shù)據(jù)輸入端相連，并且，樣品的軸線與石英頂桿的軸線重合；

所述熱電偶用于測量樣品的溫度，熱電偶的溫度信號輸出端與測量系統(tǒng)的溫度信號輸入端相連；

石英管封閉端具有半球狀突起，且位于石英管封閉端的石英頂桿一端的端面為球面。

本發(fā)明的工作原理：樣品的一端與石英管的封閉端緊密接觸，樣品的另一端與石英頂桿的一端緊密接觸，通過爐體對樣品進行升溫操作或降溫操作，當樣品的溫度改變時，樣品的長度就會隨著樣品溫度的變化而變化，樣品的長度改變會令石英頂桿的位移發(fā)生變化，測量系統(tǒng)記錄石英頂桿位移發(fā)生的變化量，同時熱電偶將石英頂桿位移發(fā)生的變化量對應(yīng)的樣品溫度信號傳送到測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)通過計算機繪圖，然后計算出樣品的線膨脹系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：由于位于石英管封閉端的石英頂桿一端的端面為球面且石英管封閉端具有半球狀突起，因此，石英頂桿對樣品作用力的作用點更接近于樣品的中軸線，使樣品翻轉(zhuǎn)的趨勢減小，從而測試結(jié)果不易失真；同時，石英頂桿對樣品作用力的作用點更接近于樣品的中軸線，會減少外界震動或氣流突變的擾動對樣品的影響，從而使測試結(jié)果更穩(wěn)定。

本發(fā)明適用于測量端面與軸線不垂直的樣品的線膨脹系數(shù)。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為具體實施方式一中石英頂桿對樣品作用力的示意圖與現(xiàn)有的頂桿法線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿對樣品作用力的示意圖；其中，圖(a)表示的是現(xiàn)有的頂桿法線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿對樣品作用力的示意圖，圖(b)表示的是具體實施方式一中石英頂桿對樣品作用力的示意圖，f表示石英頂桿對樣品的作用力，o點為與石英管的封閉端緊密接觸的樣品底面中心，la表示的是現(xiàn)有的頂桿法線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿對樣品作用力相對于o點的力臂，lb表示的是具體實施方式一中石英頂桿對樣品作用力相對于o點的力臂。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置，包括測量系統(tǒng)1、爐體2、石英管3、熱電偶4和石英頂桿5；

所述爐體2位于測量系統(tǒng)1一側(cè)；爐體2用于對樣品7進行升降溫操作；

所述石英管3位于爐體2內(nèi)部，石英管3的一端為開口端，另一端為封閉端，樣品7放置在石英管3的封閉端，并且樣品7的一端與石英管3的封閉端緊密接觸；石英管3用于支撐樣品7；

所述石英頂桿5的一端通過石英管3的開口端延伸到石英管3的內(nèi)部與樣品7的另一端緊密接觸,石英頂桿5的另一端與測量系統(tǒng)1的位移數(shù)據(jù)輸入端相連，并且，樣品7的軸線與石英頂桿5的軸線重合；石英頂桿5用于得出樣品7隨溫度的變化而改變的長度；

所述熱電偶4用于測量樣品7的溫度，熱電偶4的溫度信號輸出端與測量系統(tǒng)1的溫度信號輸入端相連；測量系統(tǒng)1用于測試石英頂桿5的位移及記錄熱電偶4采集的樣品7的溫度信號數(shù)據(jù)；

石英管3封閉端具有半球狀突起，且位于石英管3封閉端的石英頂桿5一端的端面為球面。

在本實施方式中，樣品7的一端與石英管3的封閉端緊密接觸，樣品7的另一端與石英頂桿5的一端緊密接觸，通過爐體2對樣品7進行升溫操作或降溫操作，當樣品7的溫度改變時，樣品7的長度就會隨著樣品7溫度的變化而變化，樣品7的長度改變會令石英頂桿5的位移發(fā)生變化，測量系統(tǒng)1記錄石英頂桿5位移發(fā)生的變化量，同時熱電偶4將石英頂桿5位移發(fā)生的變化量對應(yīng)的樣品7的溫度信號傳送到測量系統(tǒng)1，測量系統(tǒng)1通過計算機繪圖，然后計算出樣品7的線膨脹系數(shù)。

本實施方式所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿5對樣品作用力與現(xiàn)有的頂桿法線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿5對樣品作用力大小相等，方向相同，但石英頂桿5對樣品作用力的作用點不同；現(xiàn)有的頂桿法線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿5與樣品7作用力的力矩用ma表示，本實施方式所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置中石英頂桿5與樣品7作用力的力矩用mb表示，如圖2所示可知，ma＝f×la，mb＝f×lb；由于本實施方式中，位于石英管3封閉端的石英頂桿5一端的端面為球面，因此，本實施方式中石英頂桿5對樣品作用力的作用點更接近于樣品7的軸線，即，lb<la；

根據(jù)lb<la可知：mb<ma；

綜上所述，本實施方式所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置使樣品的翻轉(zhuǎn)力矩更小，從而達到測試結(jié)果不易失真的目的；同時本實施方式中石英頂桿5對樣品7作用力的作用點更接近于樣品7的中軸線，這樣會減少外界震動或氣流突變的擾動對樣品7的影響，從而使測試結(jié)果更穩(wěn)定。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置進一步限定，在本實施方式中，還包括石英支架6；

所述石英支架6設(shè)置在石英管3的側(cè)壁上，石英支架6用于支撐樣品7。

在本實施方式中，通過增設(shè)石英支架6，能夠更好的調(diào)整樣品7軸線的高度，有利于使得樣品7的軸線與石英頂桿5的軸線重合，從而減少測試時間。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置進一步限定，在本實施方式中，爐體2按照1k-10k/min的速率對樣品7進行升溫或降溫，并且，在測試過程中保持升溫或降溫的速率恒定。

在本實施方式中，由于溫度存在滯后性，因此，通過對樣品7進行升溫或降溫的速率進行限定，以避免升溫或降溫過慢，導(dǎo)致做實驗的時間過長，以及升溫或降溫過快，導(dǎo)致測試的樣品線膨脹系數(shù)不準確；在測試過程中保持升溫或降溫的速率恒定，能夠減小測試數(shù)據(jù)波動，從而得出的樣品線膨脹系數(shù)更準確。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種固體材料線膨脹系數(shù)測試裝置進一步限定，在本實施方式中，石英頂桿5對樣品7施加0.1n-0.5n的壓力，并且，在測試過程中保持壓力恒定。

在本實施方式中，通過對樣品7施加一定的微小壓力，更好的保證了樣品7的長度改變量與石英頂桿5的位移變化量相同，且樣品7不會因施加的壓力發(fā)生變形，從而使得測試結(jié)果更精確。保證測試過程中對樣品7施加壓力恒定，能夠減小測試數(shù)據(jù)波動，從而得出的樣品線膨脹系數(shù)更準確。