Установка для создания одноосных деформаций твердых тел и исследования их физических свойств

 

Изобретение относится к технике создания высоких направленных механических напряжений в твердых телах, в частности в кристаллах полупроводников, и измерения физических свойств в этих условиях. Цель изобретения расширение диапазона механических напряжений при одноосных сжатиях хрупких образцов, расширение диапазона температур (4 400 К) и повышение чувствительности измерительной части установки. Это обеспечивается тем, что в установке вместо гидравлической машины осевого нагружения передача плавно регулируемой в широком диапазоне нагрузки осуществляется при помощи шарнирно закрепленного рычага, на котором подвешена посредством пружины емкость для рабочей среды, а образец дополнительно центрируется в оправках из твердого сплава, снижающих краевые эффекты на его торцовых гранях. Для исследования термоградиентных эффектов одна из оправок, центрирующих образец, одновременно является электрическим нагревателем, а фиксация образца в оправках осуществляется при помощи сплава, обеспечивающего хороший тепловой контакт образца с нагревателем и охладителем. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике создания высоких направленных механических напряжений в твердых телах на пределе прочности и может быть использовано для исследования их физических свойств в условиях экстремальных значений деформаций. В частности это относится к полупроводниковым материалам и приборам, подвергающимся сильным механическим напряжениям.

Известны испытательные машины и устройства, предназначенные для создания деформаций и исследования пластичности металлов, а также для исследования ползучести алмазоподобных полупроводниковых материалов в условиях одноосного сжатия. Такие установки обеспечивают нагружение образцов с постоянными скоростями при помощи программных устройств и требуют чувствительных измерителей деформации.

Ввиду большой хрупкости и малых деформаций (до 0,01 мкм) полупроводниковых кристаллических веществ используемые способы нагружения не позволяют создавать значительные деформации и осуществлять их измерение, что ограничивает возможности исследования ползучести и получения информации о происходящих при этом физических процессах.

Установка для исследования ползучести алмазоподобных полупроводниковых материалов при комнатной температуре обеспечивает нагружение образцов с постоянными скоростями при помощи программного устройства до напряжений ≈750 кг/см² и измерения их деформаций (≈1%). Для достижения таких напряжений осуществляется пригонка нагружающих площадок установки и торцовых поверхностей образца с высокой степенью точности, устраняющей несоосность, и используются гидравлические системы осевого нагружения.

В этой установке невозможно достижение очень высоких механических одноосных сжатий хрупких образцов из-за отсутствия достаточно плавной и в широких пределах регулируемой скорости нагружения, а также из-за используемого способа фиксации исследуемого образца, при котором торцовые грани подвержены неоднородной нагрузке. Кроме того, установка позволяет проводить исследования только при комнатной температуре и не отличается высокой чувствительностью.

Целью предлагаемого изобретения является значительное расширение (на два порядка) диапазона механических напряжений при одноосных сжатиях хрупких образцов, расширение диапазона температур (4-400К) и повышение чувствительности измерительной части установки, что важно не только при измерении ползучести в кристаллах, но и при исследовании физических явлений в твердых телах при экстремально высоких направленных нагрузках (оптических, термомагнитных явлений, явлений переноса и др).

Цель достигается тем, что вместо гидравлической системы осевого нагружения в предлагаемой установке передача плавно регулируемой в широком диапазоне нагрузки осуществляется при помощи шарнирно закрепленного разноплечего рычага, на малом плече которого установлен уравновешивающий груз, а на большом подвешена посредством пружины емкость для рабочей (нагружающей) вреды, и достижение высоких напряжений определяется дополнительно фиксацией образца в специальных зажимах в виде центрирующих оправок из теплопроводного материала, снижающих краевые эффекты на его торцовых гранях и обеспечивающих создание градиента температуры.

Конструкция установки, принцип ее функционирования в совокупности с использованием оригинальной технологии изготовления образцов и их монтажа в центрирующие оправки и в измерительный модуль обеспечивают возможность проводить исследования электрофизических свойств образцов в условиях экстремально сильного одноосного сжатия и возникающей при этом ползучести в широком интервале температур (4-400К) путем помещения образца в термостат с регулируемой температурой.

На чертеже изображены предлагаемая установка и способ фиксации образца в центрирующих оправках.

Исследуемый образец 1, закрепленный при помощи сплава (например, сплава Розе) в центрирующих оправках 2, изолированных втулками 4, помещается в трубку 7 из металла с низкой теплопроводностью, которая имеет в нижней части опорный винт 3 и прорезь 5 для вывода токопроводников от образца. Труба 7 фиксируется на станине 10 и может погружаться в дюар 26 с криогенной жидкостью. Для исследования термоэлектрических и термомагнитных эффектов в качестве одной из центрирующих оправок используется электрический нагреватель 6. Отвод тепла осуществляется через опорный винт 3. Для стабилизации условий измерений узел с образцом герметизируется при помощи сильфона 11 и съемного кожуха 9, в котором создается форвакуум с давлением 10^-2 мм рт.ст.

Усилия на образец передаются через стержень 8 при помощи рычага-нагружателя 12, крепящегося на оси 13. Это устройство позволяет создавать, измерять и преобразовывать в электрический сигнал механические усилия с высокой точностью. Стабильность и линейность характеристик в широком диапазоне нагрузок обеспечивается применением в качестве упругого элемента длинной (по сравнению с диаметром) цилиндрической пружины 15. Преобразователем служит натянутая между изоляторами 16 и 22 на рейке 17 проволока 18 из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления (манганина, константана), по которой течет стабилизированный ток. Контакт 21 крепится на изоляторе 20 и жестко связан с пружиной посредством тяги (траверсы) 19. К нижней части пружины подвешена емкость 24 с клапаном 25, открывающимся, например, при помощи электромагнита 23. Противовес 14 служит для начального уравновешивания системы.

Растяжение пружины осуществляется плавной регулируемой (при помощи ЭВМ) подачей рабочей жидкости в емкость 24 и снимается при вытекании ее через клапан 25. При этом перемещается контакт 21 и изменяется напряжение на участке 21-22, которое пропорционально действующему усилия и может быть зарегистрировано на одной из осей двухкоординатного графопостроителя. При менее широком диапазоне нагрузок в качестве преобразователя механических усилий в электрический сигнал используется тензодатчик, установленный в разрыве системы передачи давлений по линии сжатия образца либо в месте подвеса нагружающей емкости.

П р и м е р. Пружина из стальной проволоки диаметром 2 мм, длиной 300 мм, витки диаметром 25 мм. Длина рычага 500 мм с соотношением плеча 10:1. Объем нагружающей емкости ≈10 л. В качестве герметизирующего кожуха используется тонкостенная нейзильберовая трубка диаметром 10 мм. Несущая трубка пресса нержавеющая сталь диаметром 6 мм с толщиной стенки 1 мм. При помощи этой установки проведены исследования пьезосопротивления, гальвано и термомагнитных явлений в полупроводниковых образцах (Ge, Si) в условиях сильных механических напряжений (до 30000-50000 кг/см²), упругих и пластических деформаций в диапазоне 4-400 К. Типичные размеры образцов, на которых проводились исследования, ≈05х1х10 мм³.

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНООСНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, содержащая сосуд для хладагента, нагружатель, размещенную в сосуде опорную трубу, установленные в трубе средства крепления образца с зажимами для его захватных частей, тягу, один конец которой связан с нагружателем, а другой со средством крепления образца, средства управления нагружением и средство исследования физических свойств образца, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения испытаний хрупких материалов при значительной величине деформации при сжатии и расширении температурного режима испытаний, нагружатель выполнен в виде шарнирно закрепленного разноплечего рычага, на малом плече которого установлен уравновешивающий груз, а на большом - подвешена посредством пружины емкость для рабочей среды, вход которой связан со средством управления нагружением, а устройство снабжено нагревателем, установленным на одном из средств крепления образца.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что зажимы выполнены в виде центрирующих оправок с фиксаторами из теплопроводного материала.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что нагреватель выполнен в виде центрирующей образец оправки с нагревательным элементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1