綜合物性測量系統(tǒng)在超導(dǎo)材料應(yīng)變測量上應(yīng)用

《綜合物性測量系統(tǒng)在超導(dǎo)材料應(yīng)變測量上應(yīng)用》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。

1、綜合物性測量系統(tǒng)在超導(dǎo)材料應(yīng)變測量上應(yīng)用　　摘要：綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）提供材料應(yīng)變測試中的低溫和強(qiáng)磁場環(huán)境條件，加上應(yīng)變計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料在1.9-300K背景下可靠的應(yīng)變測量，此方法簡便、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。實(shí)驗(yàn)采用銅、鐵等材料對應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，并用此方法對Bi2223超導(dǎo)帶材的應(yīng)變特性進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：綜合物性測量系統(tǒng)應(yīng)變片低溫超導(dǎo)帶材中圖分類號：O348文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0105-02美國QuantumDesign公司的綜合物性測量系統(tǒng)（PhysicsPropertyM

2、easurementSystem，PPMS）提供了一個(gè)可以完美控制的低溫和強(qiáng)磁場（1.9～300K，0～9T）平臺，對于絕大多數(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，PPMS已經(jīng)設(shè)計(jì)好了全自動的測量軟件、具有標(biāo)準(zhǔn)測量功能以硬件，如電阻率、磁阻、微分電阻、霍爾系數(shù)、伏安特性、臨界電流、磁滯回線、比熱、熱磁曲線、熱電效應(yīng)、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率等等。這些測量方法的可靠性和便捷性在過去的十幾年中已經(jīng)得到世界科學(xué)界的認(rèn)可。7應(yīng)變是材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的物理參數(shù)，超導(dǎo)材料易脆的材料特性和極端的應(yīng)用條件決定了應(yīng)變測量在其實(shí)際應(yīng)用中的必要性?，F(xiàn)在常規(guī)環(huán)境下應(yīng)變測量設(shè)備

3、及方法已經(jīng)發(fā)展的極為成熟并得到了廣泛的應(yīng)用，但對于極端條件（如低溫、強(qiáng)磁場環(huán)境）下的應(yīng)變測量目前尚欠缺一個(gè)令人滿意地解決方案，現(xiàn)有的如中子衍射等方案設(shè)備昂貴，難以做到普及應(yīng)用。尤其是目前超導(dǎo)材料相關(guān)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用的極端條件對應(yīng)變測量的要求更加迫切。用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測量是非常成熟的測量方法，可以滿足在各種復(fù)雜環(huán)境下（如高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)、強(qiáng)磁場等環(huán)境）的測量要求，并且具有較好的穩(wěn)定性和令人滿意的測量精度。利用應(yīng)變計(jì)測量方法配合PPMS的良好兼容性可以很好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的簡易測量，具有經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。本文通過整合PPMS和應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)，

4、實(shí)現(xiàn)了材料在低溫、強(qiáng)磁場背景下的應(yīng)變測量。文中針對低溫對應(yīng)變片的影響在該儀器環(huán)境下做了標(biāo)定，并得出了應(yīng)變片在該條件下溫度補(bǔ)償[1-3]的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。1實(shí)驗(yàn)方法及原理本實(shí)驗(yàn)選用中航電測公司生產(chǎn)的卡瑪箔式應(yīng)變片，為適應(yīng)在PPMS較小的樣品腔中測量，我們選用的應(yīng)變片型號為：BB（BAB）300-1AA-W250（11），靈敏度系數(shù)為K=1.87±1%，敏感柵尺寸為：1.1×1.0mm。貼片膠水采用環(huán)氧樹脂。7因?yàn)閼?yīng)變片小而薄，便于貼在結(jié)構(gòu)材料上，當(dāng)材料因溫度改變而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，貼在其上的應(yīng)變片也隨之而產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，則材料應(yīng)

5、變ε可以表示為：ε=ΔL/L=ΔR/（K×R）（1）其中，L為材料初始的長度，ΔL為材料長度的變化，R為應(yīng)變片的初始電阻，ΔR為應(yīng)變片電阻的變化，文中設(shè)定初始狀態(tài)為溫度為293K時(shí)的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，我們利用綜合物性測量系統(tǒng)提供的可以完美控制的低溫強(qiáng)磁場環(huán)境，以應(yīng)變片作為傳感器，通過直流電橋放大信號，經(jīng)過數(shù)字萬用表測量并由電腦采集和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了低溫的極端條件下應(yīng)變的測量。利用以上方法，我們使用傳統(tǒng)的1/2橋進(jìn)行測量。如圖1所示，選取一已知應(yīng)變參數(shù)的參照樣品接于電橋AB間，待測樣品接于電橋BC間。測試前，先調(diào)節(jié)電橋平衡使數(shù)字萬用表顯示值

6、為0mV，測量過程中，通過PPMS程序控制溫度以3K/min的速度從300K降到10K以消除殘余應(yīng)力影響，保溫10min使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，然后以1K/min的速度升溫到300K，選取升溫時(shí)的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。則我們可由下式得到待測樣品應(yīng)變?yōu)椋害?[εref×（1-2Vr）]/（1+2Vr）-4Vr/[K×（1+2Vr）]（2）其中，Vr=Vout/Vin，Vout為數(shù)字萬用表測得的輸出電壓，Vin為直流電橋輸入電壓，εref為參照樣品的應(yīng)變參數(shù)。7在實(shí)際測量中，應(yīng)變片的電阻不僅是應(yīng)變的函數(shù)，也是溫度的函數(shù)。以上方法雖然可以有效地回

7、避了溫度對應(yīng)變片的影響而直接可得到我們所需的結(jié)果，但測量時(shí)必須同時(shí)在PPMS的樣品托上接一參照樣品，而我們知道，樣品托可以同時(shí)接三個(gè)樣品，采取以上方法則每次只能測量一個(gè)樣品。為使設(shè)備資源得到有效利用，我們對以上方法進(jìn)行了改進(jìn)，使用1/4電橋，樣品接于BC間，則相應(yīng)的應(yīng)變公式為：ε=-4Vr/[K×（1+2Vr）]-εT（3）其中，Vr=Vout/Vin，Vout為數(shù)字萬用表測得的輸出電壓，Vin為直流電橋輸入電壓，εT為溫度對應(yīng)變片的影響。即我們只需對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測出溫度對應(yīng)變片的影響，得到溫度補(bǔ)償參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行三個(gè)樣品的應(yīng)變

8、測量。（如圖1）經(jīng)過大量試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)測得溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)后通過公式（3）得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)與常規(guī)方法通過公式（2）得出的數(shù)據(jù)具有同樣的可靠性。然后，我們充分考慮到實(shí)用性，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的簡化，得到了一套直接利用PPMS原有