26. Методы исследования теплового расширения.

26.1. Классификация методов измерений

Все методы исследования теплового расширения можно разделить на два класса: макроскопический и микроскопический.

В макроскопических, или дилатометрических, методах исследуются изменения объема или длины образца при изменении температуры. Коэффициент расширения при этом вычисляется из классического соотношения.

С помощью микроскопических (рентгеновских) методов изучают температурную зависимость периодов решетки. В этом случае линейный коэффициент расширения вычисляется из соотношения

(26.1)

где - период решетки.

Измерение ТКЛР материалов представляет собой совместное измерение удлинения исследуемого образца и изменения температуры, вызвавшего это удлинение.

Приборы для измерения ТКЛР - дилатометры разделяют по принципу действия устройств для измерения длины и удлинения на несколько групп: интерференционные, компараторные, рентгеновские, механические с толкателями, использующие различные способы регистрации перемещения толкателя; другие дилатометры с различными принципами действия, как правило, оптимизированные для специальных задач и использующиеся преимущественно в исследовательской практике (емкостные, лазерные и т. д.).

Интерференционные дилатометры используют монохроматические источники света с большой длиной когерентности и высокой стабильностью длины волны излучения и обеспечивают максимальную точность в определении размеров и изменения размеров образцов. Существуют прецизионные интерференционные дилатометры, построенные по схеме Физо, Майкельсона, Фабри-Перо, поляризационные лазерные интерферометры. СКО измерения удлинения интерференционных дилатометров составляет величину порядка 0,01 - 0,003 мкм.

Компараторные дилатометры используются для измерения ТКЛР образцов больших размеров, в особенности при высоких температурах. Компараторный метод реализуется как абсолютный, так и относительный метод измерения ТКЛР. Относительным он является в том случае, когда измеряется разность длин двух мер, одна из которых образец, вторая - исходная мера, у которой известен ТКЛР и ее длина. Наиболее совершенные дилатометры компараторного типа, созданные в ряде метрологических институтов различных стран, обеспечивают возможность измерения удлинения с СКО порядка 0,6 мкм.

Рентгеновские дилатометры применяются для измерений ТКЛР кристаллических тел, в т. ч. у микрообразцов. Выполненный анализ точности измерений на наиболее совершенных рентгеновских дилатометрах показал, что они могут обеспечить СКО результата измерения относительного удлинения порядка 10^-5.

Механические дилатометры реализуют относительное измерение ТКЛР. Для относительных дилатометров является обязательным наличие либо промежуточного звена, передающего удлинение, либо меры, относительно которой ведется измерение удлинения образца. Относительные дилатометры наиболее широко распространены в практике лабораторных и промышленных измерений, так как они более производительны и в большинстве случаев не требуют операторов высокой квалификации.

По принципу действия устройства, преобразующие удлинение испытуемого образца, относительные дилатометры подразделяются на механические, оптические и оптикоэлектрические и электромеханические. При измерении удлинения на подобных дилатометрах тепловое расширение образца вызывает перемещение рычага, которое механически передается либо стрелке показывающего прибора (индикаторы, оптикаторы), либо автоматически регистрируются. Такого типа дилатометры могут работать в атмосфере, вакууме или защитной среде.

Точность дилатометра, в котором реализуется относительное измерение ТКЛР, ограничивается точностью, с которой известен ТКЛР меры сравнения - передающего устройства, и погрешностями измерения температуры всех звеньев кинематической цепи дилатометра. Для лучших типов относительных дилатометров погрешность измерения ТКЛР составляет (2-3)10^-7 К^-1.