Оптический дилатометр
Оптический дилатометр представляет собой бесконтактное устройство, способное измерять термическое расширение или кинетику спекания любых материалов. В отличие от традиционного дилатометра с толкателем, он может способствовать дилатометрическому размягчению образца. Это устройство для измерения изменений размеров образца. С оптической точки зрения достигаемое разрешение может давать более высокие значения, чем у обычного дилатометра с толкателем. Монохроматический источник света , например лазер , освещает образец. Часть света отражается образцом и интерферирует с падающим светом, создавая оптические интерференционные полосы . Когда образец сжимается или расширяется, происходит пропорциональное движение интерференционных полос, которое можно измерить с помощью системы камер. Разрешение измерения определяется длиной волны света и обычно составляет 0,5 мкм для синего света. Оптические дилатометры используются для измерения теплового расширения .
Оптический дилатометр фактически дополняет традиционный дилатометр с толкателем с более высоким разрешением , когда речь идет об измерении изменений размеров материалов в зависимости от температуры, и не требуется контакта между образцом и инструментом.
Структура и виды
[ редактировать ]В самых последних типах оптических дилатометров используется система прямого луча, чтобы избежать проблем, связанных с контактом, путем измерения изображения, которое образец проецирует на датчик изображения при облучении световым лучом. Используя одиночный луч света с короткой длиной волны и с очень высоким разрешением, датчик изображения можно достичь хорошего разрешения, хотя и не сравнимого с разрешением стандартных дилатометров. Например, используя синий свет с длиной волны менее 1500 микрометров, можно получить изображения с фактическим разрешением около 1500 микрометров на пиксель камеры (не интерполированное разрешение, а фактическое разрешение). Используя два световых луча, которые освещают две небольшие части материала на краях образца, расположенные перпендикулярно направлению лучей, можно добиться абсолютного измерения продольного отклонения во время термообработки образца.
В настоящее время используются два основных типа оптических дилатометров:
- Горизонтальный оптический дилатометр: стержень-образец укладывается горизонтально на держатель образца и во время термической обработки в печи он совершенно свободно расширяется и сжимается. Смещение держателя образца не влияет на результат измерения , поскольку оптическая система отслеживает горизонтальные перемещения небольших частей образца на его концах.
- Вертикальный оптический дилатометр: стержень-образец устанавливается вертикально на держателе образца (тонкая пластина из оксида алюминия), и пока одна камера «следит» за верхней частью пластины, другая отслеживает вертикальные смещения верхнего края образца. Эта система до сих пор используется для определения характерных температур (фазовых переходов, максимальной скорости спекания, набухания и т. д.) керамических материалов. Фактически фазовые переходы всегда связаны с изменением размеров материала: спекание сопровождается высокими усадками, связанными с уменьшением пористости – при высоких температурах обычно появляется набухание . После спекания вязкость . керамического состава сильно снижается, и захваченный газ может свободно выйти
История
[ редактировать ]Первый оптический дилатометр был изобретен Аббе и Физо во второй половине XIX века. Эта конструкция имеет отраженный луч монохроматического света , и измерение смещения осуществляется путем подсчета интерференционных полос между идущим вперед лучом и отраженным лучом. После изобретения Аббе в исходную конструкцию было внесено множество улучшений, и теперь на рынке доступно множество моделей, в которых используется современная оптика и конструкция.
За последние пять десятилетий возрос интерес к использованию термомеханических технологий для определения характеристик материалов в различных областях науки и техники. В частности, использование оптических методов играет важную роль в области керамики и используется для измерения коэффициента теплового расширения тел и глазурей , чтобы обеспечить оптимальное соответствие их термомеханического поведения.
Приложения и области исследований
[ редактировать ]Для измерения теплового расширения до высоких температур испытуемый материал необходимо поместить на держатель образца внутри печи, которая имеет собственное тепловое расширение. Для достижения хорошей точности необходимо измерить расширение держателя образца и вычесть его из фактического расширения образца. Наилучший подход — разделить лазерный луч на два луча света, которые отражаются от верхнего края образца и верхнего края держателя образца или от обоих продольных краев образца. Путем обнаружения продольных изменений на обоих концах образца достигается абсолютное измерение, и нет необходимости в дальнейших поправках. Это наиболее точный способ измерения теплового расширения, и он может достигать нанометрического разрешения. Это тип инструмента, используемый поставщиками сертифицированных стандартных материалов. Например, Национальный институт стандартов и технологий использует двухлучевой интерферометр Физо для сертификации тепловое расширение их сертифицированных эталонных материалов . Этот метод оказался очень точным, с разрешением в доли длины волны падающего света, но он ограничен отражательной способностью поверхности образца. Если образец не является отражающим или становится неотражающим во время испытания, необходимо использовать зеркало, которое приводится в контакт с образцом с помощью огнеупорного толкателя. При этом такой метод теряет преимущество бесконтактности и становится существенно похожим на электронный дилатометр .
Оптические дилатометры используются наряду с традиционными дилатометрами в керамике для неразрушающего контроля поведения образца во время термической обработки. Оптические дилатометры используются для термического анализа различных типов материалов, таких как некогерентные материалы (расширение и сжатие несвязной зернистой фритты , нанесенной, например, на необработанную плитку ) и полимеры (поведение выше температуры стеклования , когда поверхность напряжение начинает растягивать края и вызывать усадку образца), а также для анализа различных процессов в производстве материалов, например, спекания кинетики , теплового расширения и поведения при спекании тонкого слоя глазури или тонких полимерных пленок.