经济型高温膨胀仪：固体材料热膨胀研究的创新解决方案

技术背景与研究意义

热膨胀测量法作为一种重要的热分析技术，专门用于研究固体材料在程序控温条件下的线性热膨胀行为。该技术通过精确测量材料尺寸随温度的变化，为材料科学和工程应用提供关键数据支持。从膨胀数据中可以推导出材料的热膨胀系数、相变温度、烧结行为等重要物理化学参数，这些信息对新材料开发和工程应用具有至关重要的价值。

在现代工业应用中，材料的热膨胀特性直接影响产品的可靠性和使用寿命。特别是在核能、航空航天、电子封装等高端领域，不同材料之间的热膨胀匹配度直接决定了设备的稳定性和安全性。因此，开发精确、可靠的热膨胀测量仪器具有重要的科学价值和工程意义。

仪器设计与系统构成

N. Manoj团队成功研发了一种基于线性可变差动变压器（LVDT）的高温膨胀仪系统，工作温度范围覆盖室温至1373K。该系统的创新之处在于其简化的设计结构、高可靠性以及优异的成本效益比，为固体材料的线性热膨胀研究提供了理想的实验平台。

核心系统组成

图1 研制的膨胀仪方框图

该高温膨胀仪系统包含六个关键组成部分，形成了一个完整的测量体系：

​高温炉系统​：采用精密设计的加热装置，确保温度控制的准确性和稳定性

​可编程温度控制器​：实现精确的升温/降温程序控制，温度分辨率达到1K

样品夹持与推杆组件​：专门设计的样品固定和位移传递机构

线性位移传感器（LVDT）​​：核心测量部件，提供±1mm测量范围，100nm分辨率

炉体提升机构​：便于样品装填和位置调整的机械装置

数据采集系统​：基于微控制器的信号处理和记录系统

样品夹持系统创新设计

图2 样品夹和推杆总成原理图设计

样品夹持组件采用平端再结晶氧化铝（RCA）材料制成，确保在高温条件下的化学稳定性和机械强度。推杆设计为半球形RCA材质，直径约6mm，通过精密的机械结构实现与样品的可靠接触。保护套管采用一端封闭的RCA管状设计，有效隔离环境干扰。

样品安装部位设计了矩形切口，便于热电偶的精确定位和样品安装。使用氧化铝水泥将高度抛光的RCA圆盘（Φ≈8mm）固定在样品夹持管的封闭端，这种设计显著减少了重复实验中的基线漂移现象，提高了测量的可重复性。

数据采集与控制系统

图3 数据采集系统框图

研发团队开发了基于微控制器的专用数据采集系统，该系统集成了信号调理、多路复用、模数转换等核心功能。通过RS-232串行接口与PC机实现通信，确保了数据传输的稳定性和实时性。

软件系统基于Windows平台开发，采用Visual Basic编程语言，提供了直观的用户界面和丰富的数据处理功能。系统支持温度和位移数据的实时图形显示、表格记录、采样率设置以及数据同步存储等高级功能，大大提升了实验的便捷性和效率。

性能验证与精度测试

为验证仪器的测量精度和可靠性，研究团队使用NIST标准蓝宝石样品和高纯度金属（包括铝和镍）进行了系统的性能测试。测试结果表明，该膨胀仪系统在测量线性热膨胀时的总体精度优于NIST标准值的3%，完全满足科研和工业应用的精度要求。

校准方法与基线校正

团队开发了简单的基线校正方法，有效消除了系统误差。通过对各种标准材料进行温度和膨胀校准，建立了可靠的测量标准。仪器的自动化功能和可靠的性能表现，使其无需依赖复杂的仪器控制系统即可获得准确的测量结果。

应用领域与优势分析

在材料研究中的应用价值

该膨胀仪在多个材料研究领域展现出重要应用价值：

• ​烧结行为研究​：精确表征粉末材料在高温下的致密化过程

• ​相变分析​：检测固体材料的结构转变，包括一级相变和玻璃化转变

• ​界面反应研究​：在控制气氛下研究固-气界面化学反应动力学

• ​核材料表征​：用于核燃料及其裂变产物的热物理性能评估

技术优势与创新点

与传统膨胀仪相比，该仪器具有显著优势：

1.成本效益​：采用本地可用组件制造，显著降低设备成本

2.​操作简便​：全自动PC控制系统，用户界面友好

3.​维护便捷​：模块化设计，故障诊断和维修简单

4.​测量精度高​：100nm的分辨率满足绝大多数研究需求

5.​温度范围宽​：室温至1373K的宽温度范围覆盖大多数应用场景

在核能领域的特殊应用

在核能技术领域，膨胀测量法发挥着不可替代的作用。运行中的核反应堆内部环境复杂，燃料球团在高温运行和裂变产物积累过程中会发生显著的体积变化。该膨胀仪为核燃料、包壳材料以及结构材料的热物理表征提供了可靠手段，为确保核反应堆的安全运行和性能优化提供了重要技术支撑。

技术发展与未来展望

该经济型高温膨胀仪的成功研发，为科研院所和中小型企业提供了一种性价比优异的实验设备选择。其简化的设计理念和可靠的性能表现，使得高水平的热膨胀研究不再依赖于昂贵的大型仪器设备。

未来，随着材料科学的不断发展，对热膨胀测量技术提出了更高要求。该仪器平台的模块化设计为功能扩展提供了可能，如增加气氛控制系统、集成其他热分析功能等，将进一步拓展其应用范围。

结论

本研究成功开发了一种经济实用的高温膨胀仪系统，通过精密的机械设计、先进的控制系统和可靠的数据采集技术，实现了对固体材料热膨胀行为的高精度测量。仪器在性能测试中表现出优异的准确性和稳定性，为材料热物理性质研究提供了重要的技术手段。

该仪器的成功研发不仅满足了科学研究的需求，也为工业应用提供了一种成本效益优异的解决方案，特别适合研究机构、高等院校以及中小型企业的日常使用需求。其简化的设计和可靠的性能，标志着热分析仪器向实用化、经济化方向迈出了重要一步。

​参考文献

1. Manoj, N.;  Jain, D.;  Gautam, J. K.;  Thomas, K. C.;  Sudarsan, V.;  Pillai, C. G. S.;  Vatsa, R. K.; Tyagi, A. K., A simple, reliable and cost-effective, high temperature dilatometer for bulk thermal expansion studies on solids. Measurement 2016, 92, 318-325.

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