SAXS实验的原位双向拉伸功能扩展

2013-04-09  来源:

立项年度:2011    负责人:蔡泉

完成年度:2012    完成单位:中国科学院高能物理研究所

一、项目简要说明

科学意义、主要作用:

物质材料的性能,特别是力学性能与其在纳米尺度上的结构息息相关,其内部纳米团簇和空穴的大小、形状、分布与取向影响着宏观力学性能。小角X射线散射(SAXS)技术可以辨识纳米级上的电子密度变化,从而得到纳米尺度的团簇或孔洞的尺度信息,是研究纳米结构的重要方法和手段。但之前SAXS方法普遍局限于静态研究,不能完全再现真实条件下的内部结构变化。我们所研制的双向拉伸机实现了对SAXS实验的功能扩展,即对样品进行原位拉伸的同时做SAXS测量,以达到获取真实条件下材料的实时演化规律的目的。

仪器部件构成:

拉伸机主体由运动部件、测力单元、测距单元、控制软件等几大部分组成,其主体结构如图1所示。电机通过减速机构带动丝杠旋转,进而拉动台面上下运动;样品夹持于双台面之间,随之受到拉伸;测力计与台面相连,读出当前拉力,由计算机采集并通过闭环反馈给电机,实现恒定拉力的运行模式。

图1. 拉伸机概念设计图。其中1为步进电机,2丝杠,3滑块,4夹具,5测力计,6光栅尺

主要指标或先进功能性

该仪器的主要技术指标:

最大拉力:500N

拉力分辨率:1%

拉伸行程:100mm

行程分辨率:10μm

二、在科研工作中发挥的作用

该型双向拉伸机在SAXS实验,特别是碳纤维材料的微观结构研究方面发挥了重要作用。由于碳纤维材料的强度与其内部孔洞的尺度、取向高度相关,特别需要材料内部微观结构与力学性能间的实时描述。而碳纤维的高强度使其不同于一般的多聚物样品,需要较大的拉力以模拟其在真实条件下的受力。以往常用的仪器如Linkam冷热台(主要设计为显微镜用)不能提供超过200N的拉力;而工业拉伸机为单向拉伸,在拉伸过程中样品点位置漂移,不适合用于光路固定的同步辐射实验。我们开发的双向拉伸机较好地实现了这一功能的扩展,在同步辐射专用光实验中受到用户好评,实验结果正在整理和发表中。

 

图2. 拉伸机实物图(摄于北京同步辐射装置SAXS实验站)。该样机由电动光学平台改造而成。通过丝杠带动台面上下运动以实现对样品的拉伸,左侧银白色盒状物为光栅尺。

 

 

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