綜合物性測量系統(tǒng)在超導材料應變測量上應用

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1、綜合物性測量系統(tǒng)在超導材料應變測量上應用　　摘要：綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）提供材料應變測試中的低溫和強磁場環(huán)境條件，加上應變計就可以實現(xiàn)超導材料在1.9-300K背景下可靠的應變測量，此方法簡便、經(jīng)濟、實用。實驗采用銅、鐵等材料對應變測量系統(tǒng)進行了標定，并用此方法對Bi2223超導帶材的應變特性進行了研究。關(guān)鍵詞：綜合物性測量系統(tǒng)應變片低溫超導帶材中圖分類號：O348文獻標識碼：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）提供了一個可以完美控制的低溫和強磁場（1.9～300K，0～9T）平臺，對于絕大多數(shù)常規(guī)實驗項目，PPMS已經(jīng)設(shè)計好了全自動的測量軟件、具有標準測量功能以硬件，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、塞貝克系數(shù)和熱導率等等。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)得到世界科學界的認可。7應變是材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個非常重要的物理參數(shù)，超導材料易脆的材料特性和極端的應用條件決定了應變測量在其實際應用中的必要性?，F(xiàn)在常規(guī)環(huán)境下應變測量設(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用，但對于極端條件（如低溫、強磁場環(huán)境）下的應變測量目前尚欠缺一個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，難以做到普及應用。尤其是目前超導材料相關(guān)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，其應用的極端條件對應變測量的要求更加迫切。用應變計進行應變測量是非常成熟的測量方法，可以滿足在各種復雜環(huán)境下（如高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)、強磁場等環(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。利用應變計測量方法配合PPMS的良好兼容性可以很好地實現(xiàn)應變的簡易測量，具有經(jīng)濟適用的特點。本文通過整合PPMS和應變計的特點，

4、實現(xiàn)了材料在低溫、強磁場背景下的應變測量。文中針對低溫對應變片的影響在該儀器環(huán)境下做了標定，并得出了應變片在該條件下溫度補償[1-3]的統(tǒng)計規(guī)律。1實驗方法及原理本實驗選用中航電測公司生產(chǎn)的卡瑪箔式應變片，為適應在PPMS較小的樣品腔中測量，我們選用的應變片型號為：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因為應變片小而薄，便于貼在結(jié)構(gòu)材料上，當材料因溫度改變而產(chǎn)生應變時，貼在其上的應變片也隨之而產(chǎn)生應變，進而應變片的電阻發(fā)生變化，則材料應

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為應變片的初始電阻，ΔR為應變片電阻的變化，文中設(shè)定初始狀態(tài)為溫度為293K時的狀態(tài)。實驗中，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磁場環(huán)境，以應變片作為傳感器，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)，實現(xiàn)了低溫的極端條件下應變的測量。利用以上方法，我們使用傳統(tǒng)的1/2橋進行測量。如圖1所示，選取一已知應變參數(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以消除殘余應力影響，保溫10min使系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，然后以1K/min的速度升溫到300K，選取升溫時的數(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為參照樣品的應變參數(shù)。7在實際測量中，應變片的電阻不僅是應變的函數(shù)，也是溫度的函數(shù)。以上方法雖然可以有效地回

7、避了溫度對應變片的影響而直接可得到我們所需的結(jié)果，但測量時必須同時在PPMS的樣品托上接一參照樣品，而我們知道，樣品托可以同時接三個樣品，采取以上方法則每次只能測量一個樣品。為使設(shè)備資源得到有效利用，我們對以上方法進行了改進，使用1/4電橋，樣品接于BC間，則相應的應變公式為：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為溫度對應變片的影響。即我們只需對系統(tǒng)進行標定，測出溫度對應變片的影響，得到溫度補償參數(shù)就可實現(xiàn)同時進行三個樣品的應變

8、測量。（如圖1）經(jīng)過大量試驗，我們發(fā)現(xiàn)測得溫度補償數(shù)據(jù)后通過公式（3）得到的應變數(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，我們充分考慮到實用性，對實驗進行了進一步的簡化，得到了一套直接利用PPMS原有