[发明专利]玻璃膨胀系数的测试方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试技术，特别是涉及一种对低膨胀甚至零膨胀玻璃系数的高精度测试方法及其装置。

背景技术

广泛运用于制造各种工业产品的微晶玻璃，由于其内部玻璃态与晶态的完美平衡，其热膨胀系数相对于普通光学玻璃的要小很多，近乎于零。它的零热膨胀优异特性使其成为测量设备中最理想的参考标准。零膨胀微晶玻璃是天文学、微光刻技术、测量技术、机械构造和光学系统等应用领域的理想材料，被广泛运用于制造激光陀螺仪、手机、摄影摄像机、计算机和电视机的液晶显示屏等。热膨胀系数是低膨胀、零膨胀玻璃材料的热物性值中的一个重要参数，是在进行设计、制造选材中不可缺少的信息，对工程技术应用和科学技术研究工作都有重要意义。

目前通常采用干涉法热膨胀仪和顶杆法热膨胀仪对玻璃膨胀系数进行测试。前者虽然为非接触测量，测量准确度相对高，但造价昂贵，仪器结构及操作都很复杂，对样品要求苛刻；另外，虽然干涉计本身的测长很准，但组装在膨胀仪上后，因热系统的各部份的热变形等原因，对于样品的随温度变化的真正伸长量的测量准确度会随温度升高而下降，一般只有为建立热膨胀标准的权威机构才采用，不适用于生产、工程应用等。后者作为最传统的热膨胀系数的测量手段，使用容易，结构简单，适用各种形状的样品，但是现有的顶杆法热膨胀仪采用线性可变差动变压器（LVDT，Linear Variable Differential Transformer）实现位移信号测量，LVDT属于直线位移传感器，用于标定LVDT的是螺旋测微仪，目前螺旋测微仪的准确度最高只能达到±1μm，所有的被定标的仪器的测量准确度不可能超过用于定标的仪器的测量准确度，所以即使用最好的螺旋测微仪定标，常用的顶杆法热膨胀仪的LVDT也不可能得到优于1μm的准确度。

另外，LVDT的相关测试电路对电压、温度等极其敏感，实际测量过程时间跨度大，其间温差变化大，易引起漂移，其nm量级的读数会被掩盖在噪声之中，需要经常进行定标。一般并没有对LVDT的线性度进行修正，nm量级的读数并不准确。

目前，对玻璃膨胀系数的测试通常采用动态升温来测试样品某一温度范围内的膨胀系数，即：将样品从起始温度以一定的速率升温到目标温度的过程中测试膨胀系数，对于微晶玻璃来说，由于其内部存在玻璃态与晶态，在一定温度范围内其热物性表现出弛豫现象，膨胀变化与温度变化不能一致对应。上述动态测试方法没有考虑微晶玻璃的弛豫影响，也容易受起始炉温不同的影响，尤其是测试从负温度到正温度范围的膨胀系数，微晶玻璃（尤其是零膨胀玻璃）在0℃附近有低弛豫现象，会由此引进误差，这个误差可以达到10^-7的数量级，对于微晶玻璃来说这个误差就太大了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效消除驰豫影响，测试精度高的玻璃膨胀系数的测试方法。

本发明还要提供一种实现上述测试方法的测试装置，可以较为简便、准确、稳定地测试玻璃膨胀系数。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：玻璃膨胀系数的测试方法，该方法包括以下步骤：首先，将样品从室温加热到目标温度T₂，并在目标温度T₂下恒温一段时间T1段，然后以0.5～5℃/min的降温速率将样品温度降至起始温度T₁，该段为降温段T2段，然后在起始温度T₁下恒温一段时间T3段，在T3段快结束时，样品的膨胀变化调整到零，随后将样品再次加热到目标温度T₂，在目标温度T₂下恒温一段时间T5段之后，测量样品长度的相对变化量，利用膨胀系数的理论计算公式（1)，计算出样品在该起始温度T₁到目标温度T₂间的膨胀系数