激光干涉法热膨胀测试系统

本文介绍了材料热物理性能的标准测试方法和参考材料的定义，特别介绍了参考材料的三种分类：验证过的参考材料、传递标准和参考材料。本文还详细列出了目前国际上能购买到的各种热物理性能测试用的验证过的参考材料清单。

在当下材料性能测试领域还存在这大量“无能之错”，尽管在人、机、料、法、环方面做了大量努力，但还是存在着缺少具体操作手册这一具体环境，缺少操作人员如何在众多机、料、法、环中做出正确选择和操作的指导。这个重要环节的补充，需要发挥全领域的力量，建立材料性能检测试验操作清单和数据库类型的操作手册。这种操作清单不是一个简单的操作流程的罗列，而是一种思维和行为方式的改变，需要集思广益、形成体系、不断迭代，才能真正将材料性能检测试验持续、正确、安全的做好。

摘要：碳纤维单丝热膨胀系数是碳纤维复合材料设计、生产与可靠性和寿命评估的重要参数，本文针对单丝径向高温热膨胀系数测试这一难题提出了相应的解决方案。解决方案的核心内容是基于激光衍射法和高温辐射加热，并采用衍射轮廓拟合技术以及相应的校准、真空温度控制等技术，可实现几个纳米的测量分辨率。此解决方案不仅可以测量各种粗细单丝的直径及其热膨胀，还可以拓展应用于细丝的直径分布、截面形状和径向热膨胀测量。

本文针对航天器尺寸高稳定性复合材料桁架结构的热变形测试，从样品的热膨胀系数测试到桁架全场大尺寸热变形测试，全方位提出了相应的解决方案。特别针对激光干涉法在大气环境下的高精度热变形测量，介绍了上海依阳公司开展的方案性试验结果，证明了激光干涉法完全可以用于大气环境下的位移测量，尽管测量精度有所降低，但完全可以满足百纳米量级的全场热变形测量，同时也证明了此方案的可行性，为打通整个技术路线奠定了基础。　

本文根据公开文献报道，介绍国内在航天器尺寸高稳定性复合材料桁架结构热变形测试技术方面的研究进展，分析国内现有技术手段存在的不足和问题，并明确了尺寸高稳定性复合材料桁架的技术要求，为下一步热变形测试技术明确发展目标。

太空望远镜用各种大尺寸复合材料桁架管件和镜筒普遍要求超低热膨胀系数以保证太空望远镜的热稳定性，传统热膨胀系数测试中的小尺寸试样已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数（-8量级）测量，需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文基于成熟的激光干涉法微位移测试技术，根据复合材料桁架管件工艺质量控制技术要求，提出了大尺寸构件超低热膨胀系数测试系统设计方案。

航天器用各种大尺寸构件都普遍要求超低膨胀系数以保证构件尺寸的稳定性，传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文对国外在大尺寸构件热膨胀系数整体测量方面的研究工作进行了综述，以了解国外技术的发展状况，给今后开展此方面工作提供参考和借鉴。

航天器用各种大尺寸构件都普遍要求超低膨胀系数以保证构件尺寸的稳定性，传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足长度1m以上大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，多数航天器用大尺寸构件需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文对美国波音公司在太空望远镜大尺寸桁架超低热膨胀系数整体测量方面的研究工作进行了综述，以了解国外技术发展状况，给今后开展此方面工作提供参考和借鉴。

航天器用各种大尺寸构件都普遍要求超低膨胀系数以保证构件尺寸的稳定性，传统热膨胀系数测试只针对长度100mm以下的小试样，已无法满足大尺寸构件的超低热膨胀系数测量，需要精确测量整个构件的超低热膨胀系数。本文对国内在大尺寸构件热膨胀系数整体测量方面的研究工作进行了综述，以了解国内目前的发展状况，给今后开展此方面工作提供参考和借鉴。

本文对肖特公司的ZERODUR零膨胀陶瓷的热膨胀性能进行了全面的描述。首先对线膨胀系数的测量进行了描述，然后详细说明了平均线膨胀系数和线膨胀系数的均匀性，并对约200片ZERODUR镜片进行了测试评价并给出了质量统计分析。本文最后对热循环和低温环境对热膨胀系数的影响进行了总结。

比较系统和全面的介绍了部分常用铝合金材料在低温下的热物理性能参数随温度的变化曲线，并给出了拟合公式，便于模拟分析和设计计算中的使用。

在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中，需要对真空度进行准确控制，否则会因变形、折射率和温度等因素的影响带来巨大波动，甚至会造成测量无法进行。本文介绍了真空度的自动化控制技术，详细介绍了具体实施方案。

为了实现阶梯光栅光谱仪的高精度测量，要在全过程中对温度和压力进行长时间的精密恒定控制。本文将针对阶梯光栅光谱仪中压力的精密控制，介绍压力的自动化控制技术，并详细介绍了具体实施方案，其中特别介绍了控制效果更好的双向控制模式。

目前微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统中的真空压力控制装置普遍采用美国MKS公司的控制阀和控制器。本文介绍了采用MKS公司产品在实际应用中存在控制精度差和价格昂贵的现象，介绍了为解决这些问题的国产化替代方案，介绍了最新研发的真空压力控制装置国产化替代产品，并验证了国产化替代产品具有更高的控制精度和价格优势。

激光干涉测试方法常用于高精度测量和定位，这是由于这种方法具有较高的测量分辨率和精度，甚至可以用于大尺寸范围的测量。 本文重点讨论了外差式和单频式干涉仪的基本原理，并进行了相应的计量分析来描述激光干涉法的优势和局限性。 本文还讨论了光纤耦合式微型干涉仪的设计和功能，以及在显微技术、纳米技术和高精度机电一体化等方面的广泛应用。

本方案设计了一种高速热膨胀仪用于固体试样热膨胀和热收缩的高精度测量。试样长度的测量采用差分干涉法，具有0.3nm的分辨率和30nm的测量重复性。温度控制则采用感应加热和气体冷却方式实现，最大加热速度约为100K/s，最大冷却速度为50K/s。对于非导体试样的加热则在试样周围增加金属环的间接加热方式。整个测试系统可以在不同气氛环境下进行运行，包括氧气环境气氛，最大温度可以达到1600℃。

本文介绍了一种在室温附近测试各种量块和其它相似形状材料的高精度热膨胀系数测试仪器的研究开发。量块热膨胀所引起的长度变形通过一个差分平面镜干涉仪进行测量，采用特殊的干涉相位检测技术来补偿极化混合带来的非线性误差，再结合电子相位计可以实现纳米量级的精度。由于是在真空中进行量块热膨胀测量，从而无需进行空气折射率补偿。对于导热系数较高的被测试样，缓慢的辐射热交换使得试样上的温度梯度很小并具有很好的热平衡稳定性。在所获得典型的10～30℃温度之间热膨胀测试曲线，其线性和二次方热膨胀系数都等于在20℃参考温度时的热膨胀系数。本文对此激光干涉法热膨胀仪的测量不确定进行了详细分析，而且此测量不确定度也通过国际比对得到了验证。

等离子熔融工艺是目前国际上生产高纯度熔融石英玻璃圆筒最先进的工艺之一，在产品的低羟基浓度、低缺陷浓度、成品率、生产效率和节能环保等方面具有非常突出的优势。本文针对石英玻璃等离子熔融工艺成型设备，设计并提出了一种真空过程实现方案，可进行等离子加热过程中的炉内真空度（气压）实时控制和监测，以满足高纯度熔融石英等离子工艺过程中的不同需要。