多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法
【专利摘要】多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法，其特征在于：该分析仪是由上部腔体和下部腔体构成，所述的上部腔体通过支撑架固定在底座上；所述的下部腔体固定在丝杆上，并通过丝杆来带动下部腔体作上下运动来改变测量的环境；所述的上部腔体和下部腔体相结合后形成真空腔体。该方法是通过静电激发的方式，在一定频率范围、温度范围和真空气氛下，采用强迫振动测量模式和自由衰减模式两种方式，驱动待测试样和参考试样或对比试样同时进行机械振动，通过高频载波获取试样的振幅，经过运算获得薄膜的模量和内耗。
【专利说明】多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法，属于测量设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]材料的缺陷(如点缺陷、位错、界面、表面等)和微观结构是影响该材料性能的重要因素，通过测量材料在外界交变作用条件下的响应可以探测该材料的缺陷和微观结构的特性和动力学演化过程。动态力学技术是通过对材料施加周期交变应力，测量材料动力学响应，即应变和滞后角(内耗动态力学方法通过测量材料的复模量和相角(内耗)，不仅能反映材料的力学性质，还可以获得其他手段无法提供的物理信息(缺陷浓度与分布、扩散激活能、相变动力学等)，而这些缺陷动力学参数直接关系到材料的光、热、电、磁、声学等性能，是一种有效的研究材料缺陷和微观结构的实验方法。针对当前市场上缺乏表征薄膜材料模量与缺陷的测量装置，我们研制了多功能薄膜动态力学分析仪。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、易于测量、且测量精确的多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法。
[0004]本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。
[0005]多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:该分析仪是由上部腔体和下部腔体构成，所述的上部腔体通过支撑架固定在底座上，所述的上部腔体顶部设有真空转接头，其侧面设有气阀，所述的上部腔体内部中间位置设有试样支架，在所述的上部腔体内部的试样支架旁还设有一根热电偶；
所述的下部腔体固定在丝杆上，并通过丝杆来带动下部腔体作上下运动来改变测量的环境，在所述的下部腔体一侧的上方设有冷却管出口，其下方设有冷却管进口，所述的下部腔体内壁设有螺旋状冷却管，所述的冷却管一端与冷却管出口相连，另一端与冷静却管进口相连。
[0006]所述的上部腔体和下部腔体相结合后形成真空腔体。
[0007]所述下部腔体四周设有保温层，所述保温层与下部腔体的外壁之间还设有铠装电阻丝。
[0008]所述的试样支架呈中空的长方体，其上方开有三个扁平的通孔，下方开两个扁平的通孔，在所述的试样支架上方的扁平通孔内安插有三根金属条，其中，中间的金属条为激发极，两边的金属条为检测极；所述试样支架下方的扁平通孔内分安插有待测试样和参考试样。
[0009]多功能薄膜材料动态力学分析方法，该方法是通过静电激发的方式，在一定频率范围、温度范围和真空气氛下，采用强迫振动测量模式和自由衰减模式两种方式，驱动待测试样和参考试样或对比试样同时进行机械振动，通过高频载波获取试样的振幅，经过运算获得薄膜的模量和内耗，其方法如下:
静电激发是由计算机发的信号经模数转换和放大后产生的交激发信号和直流偏压加和而成的振动激发信号，并对待测试样和参考试样同时进行的周期性振动，直流偏压是由手动调节稳压器或是电脑控制程控稳电源产生；
强迫振动测量模式:是由高频信号发生器发出的高频载波加载在待测试样和参考试样上，薄膜试样运动时引起待测试样或参考试样与检测电极之间电容变化，会导致通过检测极的载波的幅度变化，这对应着薄膜振幅的变化，，这对应着振幅的变化，振动信号通过检测极并经过解调后，获得试样振动信号，将试样振动信号与高频信号发生器的信号同时接入锁相放大器的输入信号端和参考信号端，处理获得试样振动的振幅与相位信息后，在计算机中保存结果，参考试样可以是模量已知的某种材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通过测量标注试样的模量和内耗可用于标定出薄膜的模量和内耗，所述高频载波的频率在
0.5?4MHz，幅度为0?20V ；
自由衰减模式:该模式是将试样振动信号经过正反馈电路加载到激发极上，使试样在共振频率进行振动，然后程序控制断开驱动信号，使试样自由衰减，通过高频载波加载在待测试样上，薄膜试样运动时引起待测试样与检测电极之间电容变化，导致通过检测电极的高频载波的幅度变化。将高频信号经过解调和隔直后接入计算机的模数转换板卡上，来计算薄膜的模量和内耗，所述数模转换和模数转换的精度为16?24位，转换速率最大为lOOMB/s。
[0010]所述上部腔体与下部腔体之间设有密封胶圈。
[0011]所述的上部腔体采用不锈钢材料制作而成。
[0012]所述试样支架采用绝缘陶瓷材料制成。
[0013]所述的参考试样为模量已知的某种材料，或者是与待测试样所采用的空白基底材料。
[0014]本发明的有益效果是:结构简单，易于测量，且测量精确，通过静电激发的方式，在一定频率范围、温度范围和真空气氛下，采用强迫振动测量模式和自由衰减模式两种方式，驱动待测试样和参考试样或对比试样同时进行机械振动，通过高频载波获取试样的振幅，经过运算获得薄膜的模量和内耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明结构示意图；
图2为本发明上部腔体与底座位置关系图；
图3为本发明试样支架结构示意图；
图4为本发明工作原理图。
【具体实施方式】
[0016]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0017]如图1-3所示，多功能薄膜材料动态力学分析仪，该分析仪是由上部腔体I和下部腔体2构成，上部腔体I通过支撑架3固定在底座4上，上部腔体I顶部设有真空转接头5，其侧面设有气阀6，上部腔体I内部中间位置设有试样支架7，上部腔体I内部的试样支架7旁还设有一根热电偶8 ；
下部腔体2固定在丝杆9上，并通过丝杆9来带动下部腔体2作上下运动来改变测量的环境，下部腔体2—侧的上方设有冷却管出口 10，其下方设有冷却管进口 11，下部腔体2内壁设有螺旋状冷却管12，冷却管12 —端与冷却管出口 10相连，另一端与冷静却管进口11相连。
[0018]上部腔体I和下部腔体2相结合后形成真空腔体。
[0019]下部腔体2四周设有保温层13，保温层13与下部腔体2的外壁之间还设有铠装电阻丝14。
[0020]试样支架3呈中空的长方体，其上方开有三个扁平的通孔，下方开两个扁平的通孔，试样支架3上方的扁平通孔内安插有三根金属条，其中，中间的金属条为激发极15，两边的金属条为检测极16 ;试样支架3下方的扁平通孔内分安插有待测试样17和参考试样18。
[0021]如图4所示，多功能薄膜材料动态力学分析方法，该方法是通过静电激发的方式，在一定频率范围、温度范围和真空气氛下，采用强迫振动测量模式和自由衰减模式两种方式，驱动待测试样17和参考试样18或对比试样同时进行机械振动，通过高频载波获取试样的振幅，经过运算获得薄膜的模量和内耗，其方法如下:
静电激发是由计算机发的信号经模数转换和放大后产生的交激发信号和直流偏压加和而成的振动激发信号，并对待测试样17和参考试样18同时进行的周期性振动，直流偏压是由手动调节稳压器或是电脑控制程控稳电源产生；
强迫振动测量模式:是由高频信号发生器发出的高频载波加载在待测试样17和参考试样18上，薄膜试样运动时引起待测试样或参考试样与检测电极16之间电容变化，会导致通过检测极16的载波的幅度变化，这对应着薄膜振幅的变化，这对应着振幅的变化，振动信号通过检测极16并经过解调后，获得试样振动信号，将试样振动信号与高频信号发生器的信号同时接入锁相放大器的输入信号端和参考信号端，处理获得试样振动的振幅与相位信息后，在计算机中保存结果，参考试样可以是模量已知的某种材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通过测量标注试样的模量和内耗可用于标定出薄膜的模量和内耗，所述高频载波的频率在0.5?4MHz，幅度为(T20V ；
自由衰减模式:该模式是将试样振动信号经过正反馈电路加载到激发极15上，使试样在共振频率进行振动，然后程序控制断开驱动信号，使试样自由衰减，通过高频载波加载在待测试样17上，薄膜试样运动时引起待测试样17与检测电极16之间电容变化，导致通过检测电极16的高频载波的幅度变化，将高频信号经过解调和隔直后接入计算机的模数转换板卡上，来计算薄膜的模量和内耗，所述数模转换和模数转换的精度为16?24位，转换速率最大为lOOMB/s。
[0022]上部腔体I与下部腔体2之间设有密封胶圈19。
[0023]上部腔体I采用不锈钢材料制作而成。
[0024]试样支架3采用绝缘陶瓷材料制成。
[0025]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:该分析仪是由上部腔体和下部腔体构成，所述的上部腔体通过支撑架固定在底座上，所述的上部腔体顶部设有真空转接头，其侧面设有气阀，所述的上部腔体内部中间位置设有试样支架，在所述的上部腔体内部的试样支架旁还设有一根热电偶； 所述的下部腔体固定在丝杆上，并通过丝杆来带动下部腔体作上下运动来改变测量的环境，在所述的下部腔体一侧的上方设有冷却管出口，其下方设有冷却管进口，所述的下部腔体内壁设有螺旋状冷却管，所述的冷却管一端与冷却管出口相连，另一端与冷静却管进口相连。
2.根据权利要求1所述多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:所述的上部腔体和下部腔体相结合后形成真空腔体。
3.根据权利要求1所述多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:所述下部腔体四周设有保温层，所述保温层与下部腔体的外壁之间还设有铠装电阻丝。
4.根据权利要求1所述多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:所述的试样支架呈中空的长方体，其上方开有三个扁平的通孔，下方开两个扁平的通孔，在所述的试样支架上方的扁平通孔内安插有三根金属条，其中，中间的金属条为激发极，两边的金属条为检测极；所述试样支架下方的扁平通孔内分安插有待测试样和参考试样。
5.多功能薄膜材料动态力学分析方法，其特征在于:该方法是通过静电激发的方式，在一定频率范围、温度范围和真空气氛下，采用强迫振动测量模式和自由衰减模式两种方式,驱动待测试样 和参考试样或对比试样同时进行机械振动,通过高频载波获取试样的振幅，经过运算获得薄膜的模量和内耗，其方法如下: 静电激发是由计算机发的信号经模数转换和放大后产生的交流激发信号和直流偏压加和而成的振动激发信号，并对待测试样和参考试样同时进行的周期性振动，直流偏压是由手动调节稳压器或是电脑控制程控稳电源产生； 强迫振动测量模式:是由高频信号发生器发出的高频载波加载在待测试样和参考试样上，薄膜试样运动时引起待测试样或参考试样与检测电极之间电容变化，会导致通过检测极的载波的幅度变化，这对应着薄膜振幅的变化，振动信号通过检测极并经过解调后，获得试样振动信号，将试样振动信号与高频信号发生器的信号同时接入锁相放大器的输入信号端和参考信号端，处理获得试样振动的振幅与相位信息后，在计算机中保存结果，参考试样可以是模量已知的某种材料，或者是未涂覆薄膜的基底材料，通过测量标注试样的模量和内耗可用于标定出薄膜的模量和内耗，所述高频载波的频率在0.5~4MHz，幅度为(T20V ； 自由衰减模式:该模式是将试样振动信号经过正反馈电路加载到激发极上，使试样在共振频率进行振动，然后程序控制断开驱动信号，使试样自由衰减，通过高频载波加载在待测试样上，薄膜试样运动时引起待测试样与检测电极之间电容变化，导致通过检测电极的高频载波的幅度变化，将高频信号经过解调和隔直后接入计算机的模数转换板卡上，来计算薄膜的模量和内耗，所述数模转换和模数转换的精度为16~24位，转换速率最大为lOOMB/s。
6.根据权利要求1所述多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:所述上部腔体与下部腔体之间设有密封胶圈。
7.根据权利要求1所述多功能薄膜材料动态力学分析仪，其特征在于:所述的上部腔体采用不锈钢材料制作而成。
8.根据权利要求1所述多功能薄 膜材料动态力学分析仪，其特征在于:所述试样支架采用绝缘陶瓷材料制成。
【文档编号】G01N19/00GK104034653SQ201310070065
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2013年3月6日
【发明者】庄重, 程帜军, 王先平, 郭丽君, 吴兵, 方前锋 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院