新型单轴机械压装置的设计探讨

新型单轴机械压装置的设计探讨

刘锦烽

（身份证：441423197311181058）

摘要：本文进行了单轴机械压装置的设计，先是阐述了简单机械压装置的原理，然后说明了材料结构相变诱导的内容，继而对的单轴机械压方法提出改进，将玻璃纤维中的树脂材料更换为PEEK，开发了一种更为简介的单轴机械压装置，即利用样品本身存在的热膨胀效应。

关键词：单轴机械压装置；玻璃纤维；聚醚醚酮和因瓦合金

1.单轴机械压装置的设计

1.1简单机械压装置

一种对于早期单轴机械压装置的简单改良是将整体装置扁平化设计,如图1。这种设计将螺丝产生的机械压均匀加在样品侧面。同时为了防止螺丝施力方向不是沿水平方向的，加压臂有特殊的形状使其仅能在水平方向移动，类似于一种导轨的设计。对于装置整体也进行了扁平化处理。为了操作方便，螺丝直径不可太小，因此将施力点放在整个装置的中心面上。使得整个装置的厚度控制在了5mm内。这种装置要求样品为精准切割的块状样品，且受力面需要有一定平整度，对样品生长的要求比较严格。但这种设计的一个显著优势是样片的一个表面完全无遮挡，可以进行中子散射测量和X射线非弹性共振散射谱(RIXS)测量。

图1 通过设置特殊形状的加压臂来限制垂直材料方向上的位移

1.2结构相变诱导

BaFe2As2具有特殊的热膨胀曲线，其在结构相变温度Ts附近会突然产生强形变。用这种性质去挤压某些结构相变温度略低于BaFe2As2的材料呢，形成单轴机械压。选取具有结构相变特性的材料作为基底，对基底材料施加单轴机械压会导致其在结构相变温度时对另一种材料产生单轴机械压。我们虽然需要用某种单轴机械压方法使基底材料发生结构相变，但是可通过这种方法对很多薄片状材料进行加压，如FeSe。需要注意的有两点，第一，基底材料的结构相变温度Ts不能过低。因为这种单轴机械压是在基底材料结构相变温度之下才存在的。第二，样品材料的晶格方向和基底材料的晶格方向需要提前标定，否则可能导致基底材料收缩方向恰好对样品材料的退孪晶无影响。这一方法的优势是具有结构相变的衬底材料及其加压装置比较容易获得，只需将样片材料沿特定方向粘连其上即可。但是要求提前对两种材料的晶向做测量，并且对于粘连的工艺要求也比较高。这种单轴机械压方法同样存在一定局限性，需要找到一组相变温度合适的孪晶材料。同时需要衬底材料可以用传统方法施加单轴机械压。

1.3玻璃纤维

一种对薄片状材料施加单轴机械压的装置是利用测量时的低温环境导致的热胀冷缩现象来完成，简单来说就是利用热胀冷缩来对材料施加机械压。选取热膨胀系数差异较大的两种材料，如玻璃和树脂，形成复合结构。在低温下的树脂剧烈收缩而玻璃相比较而言几乎无形变。使得收缩具有很强的各向异性特征，甚至可以说是单一方向的收缩。利用这种单一方向的收缩对材料施加机械压，形成单轴机械压装置。这一设计的巧妙之处在于只需利用合适的基座材料，将样品用胶固定在将沿单方向收缩的基座上即可施加单轴机械压，对实验操作有所简化。相比制作金属的加压装置，这种基于玻璃纤维热膨胀特性的装置成本也较低。此外该装置还能将材料的一完整表面裸露在外以供散射测量，同时满足加压装置轻薄化的要求。对于特殊生长方式形成的薄片状材料，这种加压方式也能适用。但这种装置要求玻璃纤维内部的玻璃丝单向性好，否则产生的压力将没有很好的单轴性。此外，只能用粘合剂将样品与该装置粘连也是一点不足。有些热膨胀效应明显的样品可能会在降温过程中脱落。

图2树脂玻璃纤维加压装置实物图

1.4聚醚醚酮和因瓦合金

首先我们对于图2的单轴机械压方法做出改进，将玻璃纤维中的树脂材料更换为PEEK。因为PEEK有着明显比树脂更强的热膨胀效应。之后我们开发了一种更为简介的单轴机械压装置，即利用样品本身存在的热膨胀效应。选取热膨胀系数很大或很小的特殊材料制成基座，构造样品与基座的联结方式，使得在低温下样品受到单一方向的压力，见图3。选取的两种特殊基座材料分别是因瓦合金(Invar Metal)和聚醚醚酮(PEEK)。

图3左为PEEK框架，右为Invar框架

Invar是Fe64%Ni36%的固态溶液。其最显著的特征为热膨胀效率仅为1.2×10−6/K，而常规的铁合金热膨胀效率为1.3×10−5/K(20摄氏度到100摄氏度区间内)。Invar合金因此常用于精密仪器，时钟，发动机元件的制作。聚醚醚酮，特种高分子材料，属于半结晶高分子材料。具有耐高温，高机械强度，自润滑，耐腐蚀，阻燃，易加工等优秀特点。广泛用于航空航天和汽车制造领域。其热膨胀效率约为8×10−5。

退孪晶实验中的常见样品BaFeAs的热膨胀效率为1.5×10−5，与之相比Invar和PEEK的热膨胀效率可上下相差一个数量级，因此可以作为这种单轴机械压装置的理想材料。这种实验装置的优点在于可以通过改变框架的尺寸达到更大的绝对形变量，同时单一材质材料的加工难度更低，在保留上文加压方法的优点的同时进一步简化了实验操作。但是这种加压方式的样品均需裁剪为条形，不适合做各向异性的测量。

2.检验测试

2.1热膨胀效率标定

热膨胀效率的检测是由Strain Gauge，一种通过形变造成电阻变化测量微小形变的传感器，进行的。StrainGauge表面弹簧状的导体材料在被测材料形变时也会同步发生形变，通过精确测量该导体材料的电阻，标定电阻和形变的关系后即可测量材料的微小形变。值得一提的是，Strain Gauge表面导体材料的电阻率也会随温度变化，因此需要测量该电阻率和温度的关系后对测量结果进行修正计算。上述的电阻-形变关系和电阻率-温度关系均集成在Strain Gauge原件的相关参数中。但是电阻率-温度关系对于50K以下的测量结果修正有一定问题，导致趋势出现反常。

实验表明，BaFe2As2的热膨胀曲线的值是小于玻璃纤维两方向形变量之差的，也就是说玻璃纤维加压方法是理论上可行的。BaFe2As2将会受到垂直玻璃纤维方向的很强的单轴机械压。可能是由于玻璃纤维单向性的工艺问题，PEEK树脂垂直玻璃纤维方向上的形变量反而不及传统树脂材料制作的玻璃纤维。

2.2BaFe2As2退孪晶实验

实验中选择用三种方法对BaFe2As2施加单轴机械压。PEEK对样品施加单轴压力时，在相变点附近测得的电阻率局部增大现象比玻璃纤维加压时更为明显。这可能是因为PEEK材料更强的热膨胀效应和更大的杨氏模量。Invar对样品施加拉伸力时，样品在低温的电阻率又与玻璃纤维方法中受压方向电阻率趋紧，这是一个比较奇特的现象。结论上来说，玻璃纤维方法是一种比较稳定高效的单轴机械压退孪晶方法。只用一种材料的单轴机械压元件可能不太适合用于实验测量，而更适合用于某些潜在的工业应用。

2.3BaFe2As2诱导的FeSe退孪晶

实验选取BaFe2As2样品放置在传统机械单轴压装置上进行退孪晶操作。再将FeSe材料粘在BaFe2As2材料上，试图通过BaFe2As2结构相变时产生的收缩效应对FeSe施加单轴机械压进而达到退孪晶效果。可以认为，测量到的FeSe电阻率各向异性是符合之前测量的退孪晶FeSe电阻率各向异性特征的。因此说明这一结构相变诱导退孪晶方法能够成功，至少可用于FeSe/BaFeAs这一组材料。

3.结论

通过测试结果我们可以认为这种新型单轴机械压方法具有可行性，可用于大部分样品的退孪晶实验。但上述几种新型单轴机械压方法仅仅是实验室环境下临时搭建的原件，需要用到胶粘连、材料剪裁等不可逆的实验手段。而传统的机械方法均有高度集成的泛用元件。

参考文献：

[1]朱新生, 江涛. 关于甲板机械液压装置设施的研究[J]. 微计算机信息, 2015, 000(002):81-82.

[2]王彩玲, 康仁科, 金洙吉. 一种用于化学机械抛光的加压装置设计研究[J]. 中国机械工程, 2018(7):5.