综合物性测量系统在超导材料应变测量上应用

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1、综合物性测量系统在超导材料应变测量上应用　　摘要：综合物性测量系统（PPMS）提供材料应变测试中的低温和强磁场环境条件，加上应变计就可以实现超导材料在1.9-300K背景下可靠的应变测量，此方法简便、经济、实用。实验采用铜、铁等材料对应变测量系统进行了标定，并用此方法对Bi2223超导带材的应变特性进行了研究。关键词：综合物性测量系统应变片低温超导带材中图分类号：O348文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0105-02美国QuantumDesign公司的综合物性测量系统（PhysicsPropertyM

2、easurementSystem，PPMS）提供了一个可以完美控制的低温和强磁场（1.9～300K，0～9T）平台，对于绝大多数常规实验项目，PPMS已经设计好了全自动的测量软件、具有标准测量功能以硬件，如电阻率、磁阻、微分电阻、霍尔系数、伏安特性、临界电流、磁滞回线、比热、热磁曲线、热电效应、塞贝克系数和热导率等等。这些测量方法的可靠性和便捷性在过去的十几年中已经得到世界科学界的认可。7应变是材料和结构设计中一个非常重要的物理参数，超导材料易脆的材料特性和极端的应用条件决定了应变测量在其实际应用中的必要性。现在常规环境下应变测量设备

3、及方法已经发展的极为成熟并得到了广泛的应用，但对于极端条件（如低温、强磁场环境）下的应变测量目前尚欠缺一个令人满意地解决方案，现有的如中子衍射等方案设备昂贵，难以做到普及应用。尤其是目前超导材料相关领域蓬勃发展，其应用的极端条件对应变测量的要求更加迫切。用应变计进行应变测量是非常成熟的测量方法，可以满足在各种复杂环境下（如高、低温、高速旋转、强磁场等环境）的测量要求，并且具有较好的稳定性和令人满意的测量精度。利用应变计测量方法配合PPMS的良好兼容性可以很好地实现应变的简易测量，具有经济适用的特点。本文通过整合PPMS和应变计的特点，

4、实现了材料在低温、强磁场背景下的应变测量。文中针对低温对应变片的影响在该仪器环境下做了标定，并得出了应变片在该条件下温度补偿[1-3]的统计规律。1实验方法及原理本实验选用中航电测公司生产的卡玛箔式应变片，为适应在PPMS较小的样品腔中测量，我们选用的应变片型号为：BB（BAB）300-1AA-W250（11），灵敏度系数为K=1.87±1%，敏感栅尺寸为：1.1×1.0mm。贴片胶水采用环氧树脂。7因为应变片小而薄，便于贴在结构材料上，当材料因温度改变而产生应变时，贴在其上的应变片也随之而产生应变，进而应变片的电阻发生变化，则材料应

5、变ε可以表示为：ε=ΔL/L=ΔR/（K×R）（1）其中，L为材料初始的长度，ΔL为材料长度的变化，R为应变片的初始电阻，ΔR为应变片电阻的变化，文中设定初始状态为温度为293K时的状态。实验中，我们利用综合物性测量系统提供的可以完美控制的低温强磁场环境，以应变片作为传感器，通过直流电桥放大信号，经过数字万用表测量并由电脑采集和处理数据，实现了低温的极端条件下应变的测量。利用以上方法，我们使用传统的1/2桥进行测量。如图1所示，选取一已知应变参数的参照样品接于电桥AB间，待测样品接于电桥BC间。测试前，先调节电桥平衡使数字万用表显示值

6、为0mV，测量过程中，通过PPMS程序控制温度以3K/min的速度从300K降到10K以消除残余应力影响，保温10min使系统达到一个稳定状态，然后以1K/min的速度升温到300K，选取升温时的数据为有效数据。则我们可由下式得到待测样品应变为：ε=[εref×（1-2Vr）]/（1+2Vr）-4Vr/[K×（1+2Vr）]（2）其中，Vr=Vout/Vin，Vout为数字万用表测得的输出电压，Vin为直流电桥输入电压，εref为参照样品的应变参数。7在实际测量中，应变片的电阻不仅是应变的函数，也是温度的函数。以上方法虽然可以有效地回

7、避了温度对应变片的影响而直接可得到我们所需的结果，但测量时必须同时在PPMS的样品托上接一参照样品，而我们知道，样品托可以同时接三个样品，采取以上方法则每次只能测量一个样品。为使设备资源得到有效利用，我们对以上方法进行了改进，使用1/4电桥，样品接于BC间，则相应的应变公式为：ε=-4Vr/[K×（1+2Vr）]-εT（3）其中，Vr=Vout/Vin，Vout为数字万用表测得的输出电压，Vin为直流电桥输入电压，εT为温度对应变片的影响。即我们只需对系统进行标定，测出温度对应变片的影响，得到温度补偿参数就可实现同时进行三个样品的应变

8、测量。（如图1）经过大量试验，我们发现测得温度补偿数据后通过公式（3）得到的应变数据与常规方法通过公式（2）得出的数据具有同样的可靠性。然后，我们充分考虑到实用性，对实验进行了进一步的简化，得到了一套直接利用PPMS原有