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材料物理性能课程设计试验项目指导参考书重庆交通大学材料科学与工程系1、直流磁特性自动测量实验目的与要求 a) 掌握电磁感应定律及电子积分器在直流磁特性测试中的应用原理；b) 了解CL-16直流磁特性测试系统的构成原理；c) 通过实验掌握软磁材料磁滞回线及相关参数的测试方法。直流磁特性测试装置的工作原理 直流磁特性测试包括直流软磁材料磁滞回线及永磁体退磁曲线的测试。本实验主要进行软磁材料直流磁特性的测试。CL-16直流磁特性测试系统的构成原理如下：计算公式：实验步骤 根据样品及检测线圈匝数的大小估计通过样品截面的总磁链数；根据初级磁化线圈的匝数N1估计所需磁化电流的大小；定标：包括B（积分器）定标及H（线圈电流）定标； B定标指对B通道的总磁链数进行标定，标定出测试曲线上每10cm所对应的总磁链数。电流I定标指对螺绕环中的初级磁化电流进行标定，标定出测试曲线上每10cm所对应的磁化电流的大小。定标调节指示中1000表示倍率1，500表示倍率0.5，300表示倍率0.3.。（记录下定标值） 调放大积分器零漂：将开关打到测量档，调零漂电位器，补偿零漂。调整的判据是使零漂显示不再变化，最后回零。测试：确定好定标值后可以进行测试，测试过程自动完成。通过X-Y记录仪画出磁滞回线。标定参数：根据定标设置，通过上面的公式计算出每10cm（纵轴）所对应的磁感应强度（T），每10cm所对应的磁场强度（横轴）（A/m）。计算出测试样品的Bs、Br、Hc等参数。实验结果及分析 1如何进行永磁材料退磁曲线的测试？2、介电常数的温度特性测试实验目的 1、 通过实验掌握类瓷介电容器介电常数的温度特性2、 学会类瓷介电容器介电常数的温度特性的一般测试方法实验仪器 电热恒温烘箱 LCR仪 温度计 测量夹具 类瓷介电容器样品实验原理 1、BaTiO3的结构与自发极化 结构rBa2+=0.135nm, rTi4+=0.068nm, rO2=0.140nm。BaTiO3为钙钛矿结构，由Ba2+离子与O2-离子一起立方堆积，Ti4+处于八个八面体之间。BaTiO3钙钛矿结构 BaTiO3的相变：三方-斜方-四方-立方-六方BaTiO3的相变及介电常数的温度特性关系自发极化产生的原因：rO2-+rTi4+=1.33+0.64=1.97A，而rBa2+大，故氧八面体间隙大，Ti4+O2-间距大（2.005A）,因而Ti4+离子能在氧八面体中震动。T120 ，Ti4+处在各方几率相同（偏离中心，几率为零），对称性高，顺电相。T120 ，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按氧八面体三组方向相互传递，偶合，形成自发极化电畴。在铁电体中的大小正比于单位电场所转向的自发极化矢量也就是说，自发极化强度Ps愈大，电畴愈容易为外电场所定向，其愈大。BaTiO3陶瓷的与材料的温度，外电场，频率有关，不论90畴180畴与外加电场，温度的高低有关。 在居里点附近纯BaTiO3瓷的介电常数有急剧变化的特性，其变化率甚至可达4-5个数量级，而当温度高于居里点Tc后，随着温度升高，介电系数下降，介电系数随温度的变化遵从居里-外斯定律： 式中： t0-特性温度，它一般低于居里温度（对BaTiO3来说约低1011）； k-居里常数（对BaTiO3来说，k=1.61.7105）； 0-表示电子极化对介电常数的贡献，一般情况下，0所占比重很小，可忽略。 从式1可以看出在居里点以上，随温度T的升高，介电系数迅速下降：距离居里温度愈近，下降的程度就愈大。造成这种现象的原因主要是BaTiO3晶体结构所引起的：以BaTiO3为代表的铁电晶体是一种ABO3型钙钛矿结构。A位为低价、半径较大的Ba离子，它和氧离子一起按面心立方密堆；B位为高价、半径较小的Ti离子，处于氧八面体的体心位置。依据斯莱特-德文希尔理论：当温度低于1460高于120时BaTiO3属于立方晶系，所有的氧八面体均以顶角相连，构成了三维氧八面体族。这种具有对称性较高的立方BaTiO3并不具铁电性，属于一般的顺电介质。当温度降至120以下时，结构转变为四方对称，c轴略有伸长，a,b轴略有缩短。c/a1.01，因此具有沿c轴自发极化的铁电性。这是由于在钛氧八面体中，正负电荷的作用中心产生位移，出现电偶极矩，按氧八面体三维方向相互传递、耦合的结果。在一定的空间范围内，这些偶极子都按照统一方向排列，形成所谓自发极化电畴 。 2、铁电体的介电性能铁电体中的大小，可以简约地认为是：正比于能为单位电场所反转(或所定向)的自发极化矢量，即： =1+4Ps/E （2）其中，Ps为自发极化矢量，E为所加外电场强度。所以，只要自发极化强度大，而且又容易为外电场所转向时，其才大。在居里点附近的相变区域，由于晶格结构的不稳定，其自发极化强度Ps定向激活能和畴壁运动激活能最小，很容易被外电场所定向，因而在居里点出现的峰值；而0120之间的下陷，则是由于结构相对稳定，畴壁难于运动的缘故。这就导致居里点附近值有十分强烈的变化。针对实际电路的使用要求并利用陶瓷的不同介电特性，可以制备不同比容特性、温度特性、频率特性、功率特性的电容器。电容器容量C与陶瓷介电常数 之间的基本关系是:式中， 为真空下的介电常数；S为电极面积；d为介质厚度。 类瓷介电容器介电常数的温度特性可用下式来表示： 由于对于同一样品， 、S、d不变，所以，介电常数的温度特性可以用电容量温度特性来表示：对不同温度特性的类瓷介电容器，其介电常数的温度特性有其具体的要求。例如：（根据EIA标准）X7R陶瓷材料的X7R是指一种温度特性。X表示温度为-55，7表示温度为+125，R表示在-55-+125的温度范围内，室温（25）下的电容量（介电系数）与-55及+125时的电容量（或介电系数）之差被25时的电容量（或介电系数）除所得商值15%，具体为（C25-C-55）/C25，（C25-C125）/C2515%。Y5V表示表示在-30-+85的温度范围内，相对25介电系数的变化率下限为-82%，上限为+30%。 从测定的C-T 曲线，可得到以下数据：(1)C25-对应于温度为趋于25时的电容值(2)Ct-对应于温度为t时的电容值(3)根据 C25、Ct带入（5）式就可以计算出类瓷介电容器介电常数的温度特性实验步骤 1、 将被测样品安放在测试夹具上，然后将夹具放入烘箱中；2、 将LCR仪通上电源，并设置在1KHz频率、0.1V电压下，准备测试；3、 将烘箱从室温加热到150C，在25C，测一次电容值，然后每升高5C测一次电容值。4、 做好实验数据记录，按照实验指导老师要求，整理仪器、电源。实验数据分析与讨论 实验数据记录（1） 容量与温度关系数据表1 容量与温度关系（2）根据上述数据画出对应的C/C()()曲线 曲线如下所示：3、饱和磁化强度的测量实验目的与要求 磁化强度M是指磁性材料单位体积内的磁矩矢量和，定义为，通过测量材料的饱和磁化强度Ms，加深对自发磁化的理解是本实验的主要目的。实验主要仪器： FMA磁天平实验用磁天平实验原理及方法 根据磁性物质在非均匀磁场中的受力原理实现Ms的测量，其方法为磁天平法，如图2所示。设一小球样品处在非均匀磁场中，样品质量为m、体积V，则样品在此非均匀磁场中沿任意轴向(=x.y.z)所受的力为： 其中d为试样密度,如果磁场的不均匀只表现在Z方向。则， 实际测量中，即磁场梯度难以精确测量，因而，一般采用相对法测量，如图所示，无磁场时，天平平衡时砝码重量(W1),加磁场后，由于Fz的作用，需要增加砝码来达到新的平衡，当天平重新平衡时(W2)有：图2 磁天平工作原理示意图将标准样品置于同样的非均匀磁场中，则有：标准式样一般采用密度为8.90g.cm3，纯度99.9的Ni球，其饱和磁化强度Ms0485.6KA.m1。同样的原理，对于圆柱形样品，如果其一端处于电磁铁两极的中心，此处磁场强度最大，而另一端离磁场中心较远，磁场很弱，则可推得材料体积磁化率。 式中 Mst为样品管中装上样品后加磁场时的砝码质量（mH）和无磁场时的砝码质量（mo）之差, Mt为样品管加磁场时的砝码质量(mtH)和无磁场时砝码质量(mto)之差。S为样品截面积, XAir为空气磁化率(XAir=3.64*10-7), H为电磁铁两极中心处的磁场强度。 实验步骤 1、接通FMA电源，预热10分钟2、检查电流和磁场指示，用调零旋纽将电流和磁场置于零点。3、放入标准样品，调节分析天平，测出磁场H0时的重量并记录4、调节电流线圈电流，增加磁场H(400mT、500mT、600mT等)，调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的重量并记录，算出公式W。5、将磁场恢复到零，放入待测小球样品，重复步骤3、4，算出W6、代入标准样品参数，算出代测小球样品的s(或Ms)7、将磁场恢复到零，取出待测小球样品，调节分析天平测出空样品管在H0时的重量并记录8、调节电流线圈电流，增加磁场H(200mT、300mT、400mT等)调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的空样品管重量并记录，算出公式中mt9、将磁场恢复到零，放入代测圆柱形样品，调节分析天平，测出H0时的重量并记录。10、调节电流增加磁场H(200mT、300mT、400mT等)调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的重量并记录，算出公式中mst11、用游标卡尺测出圆柱形样品的直径，算出截面积S12、算出代测样品体积磁化率13、写出实验报告并进行结果分析。实验注意事项 1、调节电流及磁场旋纽应轻缓2、不可在分析天平处于测量状态时增减砝码3、微量的铁磁性杂质对测量结果影响很大，所以应特别注意防止样品管内外杂质的沾染4、磁天平处于水平状态，所以不得挪动仪器5、测试样品时，应关闭玻璃门窗，对整机不得振动4、电介质的介电系数及损耗角正切的频率特性实验目的 1通过实验了解电桥法测量电介质介电系数 与介质损耗角正切tgQ 的方法，熟悉用LCR仪直接测量电容器的电容量及介质损耗角正切的测试原理与使用方法。2通过实验了解不同类型的介质材料其 、tgQ 随频率的变化特性。实验仪器 1、 LCR仪, 2、测量夹具 3、电容器样品实验原理及方法 根据电介质理论，各种电介质在电场作用下都要发生极化过程，其宏观表现可以用电介质的介电系数来 表征，不同类型（中性、极性、离子型、无定形等等）的介质材料。由于发生极化的微观机构不同，不仅 的数值有明显差别，而且 与频率的关系也有很大不同。同样地，由于产生介质损耗的来源不同，各类电介质的tg 数值及其与频率的关系都表现出各不相同的特点。例如，对中性电介质，由于只有电子位移极化，这就决定了此类电介质具有较小的 且一般不随频率变化。但对于极性电介质或无定形电介质而言，在交变电场作用下，除具有电子位移极化外，还会产生松弛极化过程。松弛极化的出现，既增加了对 的贡献，又使得 对频率有明显的依赖关系，同时还引起了松弛损耗。在一定温度下，当所加电场的变化周期与建立松弛极化所需要的时间相比拟时，则有tg 的最大值出现，如图2-1所示。实际电介质由于电阻不能无穷大，存在漏导，因此实验时要计及漏导损耗。实验时，选用要测定的电介质制成电容器作为测量样品，利用直接测定电容量的大小及其与频率的关系的方法来研究介质的极化特性。在已知电极面积（S）和电介质厚度（d）的条件下，由公式 就能计算出相应的介电系数 。测试不同频率下电介质的介电系数 和损耗角正切tgQ ，常用电桥法，其工作原理如图2-2所示。将试样等效成电容CX和电阻RX并联，调节R4和CN，使电桥平衡，根据平衡条件可求得： 改变测试频率，可获得不同频率下的介电系数和损耗角正切。其中CN、R3为已知标准平衡元件。实验内容 测试电介质的介电系数 和tg 与频率的关系，并按表2-1的要求录入数据。电介质名称： 电介质厚度： 电极面积：测试频率： 实验步骤 1. 用千分尺测量被测样品的厚度和电极直径。2. 打开LCR测试仪的电源，选择好测试电压和测试参数。3. 将被测样品安放在测试夹具上，改变测试频率，由低到高，分别记录下其电容量和损耗角正切。实验结果及分析 1. 绘出被测电容器的电容量、介电系数及tgQ 的频率特性。2. 对所得曲线进行理论分析。5、材料热膨胀系数的测定实验目的掌握熔石英膨胀仪测定玻璃膨胀系数的基本原理和过程。学习根据膨胀曲线确定玻璃特征温度的方法。了解影响测定结果的主要因素。懂得膨胀系数对材料评价的重要性。 实验原理典型的玻璃膨胀曲线材料的热膨胀性能与其组成、结构及热历史有关。当安装在熔石英膨胀支架上样品受热时，长度会发生变化，通过伸长测量机构测得其伸长量，便可计算一定温度范围内材料的线平均膨胀系数，还可确定玻璃材料的转变温度Tg和软化温度Tf。 实验仪器3.1.待测样品；2.电炉；3.热电偶； 4.熔石英膨胀管（K=5.710-7/）；5.千分表；6千分表托架；7.小车；8.小车手柄；9.导轨线实验准备准备试样，应具有合乎要求的材质与尺寸，试样长度为50mm，直径为35mm，两端面平行。 l用游标卡尺量取试样长度，精度为0.02mm，测量时转动试棒，三次取平均值。 l将试样放入样品槽内，将石英膨胀管推入炉中，并使试样处于电炉中部。 l插入热电偶，热端固定在试样中部，冷端导线接入温度程序控制仪的测温端。注意正负极。 l千分表装入托架，使其顶针与金属连动棒适当接触，轻轻敲击台面，使指针稳定。实验步骤1、接通电源，打开温控仪，设定温控仪升温程序，升温速度控制在35/min，30以下升温速度控制在2 3/min。 2、记录下室温和千分表初始数读（通常调节L0=0），启动（Run）温控程序开始升温。对于金属样品每升高或降低10记录一次温度T及千分表读数Lt（样品伸长量L=Lt- L0）；对于玻璃样品在Tg以下每上升10记录一次温度T及千分表读数Lt，Tg以上每5记录一次，当发现千分表指针倒转，再测两点后停止（Stop）温控程序。 3、关闭温控仪开关和电源，样品在炉膛内随炉冷却。数据处理（1）根据实验所得数据，以DL/L0对T作图，得试样的膨胀曲线.确定玻璃样品的Tg和Tf温度，并按公式计算样品30 300以及300400的平均线膨胀系数。根据DL/L0T膨胀曲线，计算金属样品在升温（30230）和降温过程（220100）的平均线膨胀系数，并加以比较说明；注意事项1、玻璃试样必须经过良好退火，以保证膨胀曲线具有很好的重复性。2、玻璃棒放入炉中，长度方向的温差须小于2，以保证受热均匀。 3、玻璃与连接杆，连接杆与千分表之间必须保持良好地接触，以免因振动改变伸长读数。预习题目1、对膨胀系数测定结果有较大影响的是升温（ ） A速度；B范围 2、实验用膨胀头应采用（A） A熔融石英玻璃；B与试样膨胀系数相近的玻璃 3、组成相同的淬火玻璃与退火玻璃，在Tg温度以下 退（B）淬 千分表读数（B）试样的实际膨胀值 A；B；C A；B；C 4、测量热膨胀的试样（ ）经过良好的退火 A必须；B不须6、材料折射率和色散测定实验目的1、了解光在玻璃中发生折射和色散的原理 2、掌握V棱镜折射仪测定玻璃折射率和色散系数的方法 3、分析影响测定结果的主要因素 4、了解折射率和色散系数对光学玻璃重要性实验原理1、由于光线在空气中传播的速度与在玻璃中传播的速度不同，所以在它们的界面处光的传播方向会发生变化，称为光的折射。折射率随入射光波长的增大而减小形成光的色散2、当某一单色平行光垂直入射V棱镜，经V棱镜和样品的多次折射后产生光线偏折，通过测定偏折角可计算玻璃试样的折射率实验仪器 1.光源；2聚光镜；3.滤色镜；4.平行光管分划板；5.平行光管分划板上的透光狭缝(中心有一根单丝)；6.平行光管；7.V棱镜；8.样品；9.转向棱镜；10.望远镜；11.望远镜分划板；12.望远镜瞄准目镜；13.度盘读数目镜；14.度盘视准分划板；15.金属度盘；16.测微手轮；17.刹车手轮；18.微动手轮；19.读数照明开关；20.读数照明灯 V棱镜 折射仪实验准备1、选择没有结石、条纹的玻璃样品，加工成边长大于10mm的直角棱镜，直角精度为901，两直角面须经过细磨或抛光 2、配制与样品折射率相近的浸油，折射率差值应小于0.02 3、选择合适的V块和零块，折射率与样品的差值小于0.2实验步骤1、打开光源和读数系统照明开关，选择合适的滤色片套入平行光管 2、将V块放在托架上，旋紧底部螺杆，用酒精棉球擦净V块及零块，并在V槽内滴入少许浸油，然后将零块放入V槽内，排除气泡 3、放松刹车手轮，转动望远镜筒，在瞄准目镜中找狭缝单丝像，锁紧刹车手轮，转动微动手轮，使单丝平分双分线（见上图左）。 4、观察读数目镜，转动测微手轮，至瞄准窗内一组或两组单线平分双分线后，方可读数。读数示例见上图右。若读数不为00.00，请记下该初始读数0 l取待测样品，用酒精棉球擦干净，重复以上测试步聚并读取偏折角数据处理1、折射率n与色散系数按以下公式计算：样品编号光谱谱线DFCe偏折角（0校正后）注意事项1、在测定不同样品时，样品和棱镜V槽内的浸油要擦洗干净，以免影响测定结果 2、浸油可以排除样品与棱镜间的空气，但浸油量不可过多，以免影响单丝成像的清晰度 3、零块与V块折射率相同，入射光在它们界面上不会发生折射，所以初始偏折角应为零，若偏离零位可采用机械调零方法，也可采用初始数校正的方法 预习题目1、试样的直角精度对测试结果（ B ）影响 A无；B有 2、测定折射率所用光源为汞灯和钠灯，试比较 ND（B）Ne 零点调整与光源是否有关（ B） A；B；C A有关；B无关3、玻璃的不同品种应使用（B）的V块及浸油 A相应；B相同 4、浸油的折射率应与（A）的折射率相近 A样品 BV块 7、材料透射光谱曲线测定实验目的1、了解722分光光度计的工作原理 2、掌握玻璃透过率测定方法，以及影响测试结果的主要因素 3、学会通过透射光谱曲线，判断玻璃着色特性和机理 4、掌握玻璃光吸收系数的定义和计算方法实验原理1、光线透过玻璃时将产生光吸收效应，导致光能的降低。而光能损失的大小与波长有关，即玻璃的光吸收具有选择性。波长与其透过率或光密度的关系曲线称为透射光谱曲线 2、一定波长光通过空白窗口，其光强度为I0，而通过一定厚度的试样，光强度下降为I，I/I0即为玻璃的透射率T实验仪器实验准备1、用测微计测量玻璃试样各处厚度，取平均值为试样平均厚度d（mm）。再用擦镜纸或酒精棉擦净玻璃表面 2、接通仪器电源，将试样插入暗箱内试样座上，预热20min后方可测试，测试波长从380780nm，每各20nm测定一次实验步骤1、选择所用的单色光波长，打开暗箱盖，拉动试样座的调节杆，使光门对准空白位置，揿调“0”按纽；合上暗箱盖，揿调“100%”按纽，反复调节数次直至稳定2、拉动试样座，使光门对准待测样品，每一试样在相同波长下重复测定两次，取平均值 3、改变波长，重复上述步骤，记录波长和透过率T读数，实验结束，关闭电源数据处理1、用Excel作图制表。以透过率T对波长l作图，再将透过率换算成5mm厚度玻璃的透过率，并计算出不同波长下玻璃的光吸收系数（1/mm），计算公式如下： R为玻璃的单面反射率，通常为4% ；d为玻璃的厚度(mm)注意事项1、样品制备要求厚度均匀，表面必须抛光，以免产生漫反射 2、样品必须垂直插入样品座，以免增加表面反射率 3、拉动试样座必须小心，以免试样倾倒实验准备1、用测微计测量玻璃试样各处厚度，取平均值为试样平均厚度d（mm）。再用擦镜纸或酒精棉擦净玻璃表面 2、接通仪器电源，将试样插入暗箱内试样座上，预热20min后方可测试，测试波长从380780nm，每各20nm测定一次实验步骤1、选择所用的单色光波长，打开暗箱盖，拉动试样座的调节杆，使光门对准空白位置，揿调“0”按纽；合上暗箱盖，揿调“100%”按纽，反复调节数次直至稳定2、拉动试样座，使光门对准待测样品，每一试样在相同波长下重复测定两次，取平均值 3、改变波长，重复上述步骤，记录波长和透过率T读数，实验结束，关闭电源数据处理1、用Excel作图制表。以透过率T对波长l作图，再将透过率换算成5mm厚度玻璃的透过率，并计算出不同波长下玻璃的光吸收系数（1/mm），计算公式如下： R为玻璃的单面反射率，通常为4% ld为玻璃的厚度(mm)注意事项1、样品制备要求厚度均匀，表面必须抛光，以免产生漫反射 2、样品必须垂直插入样品座，以免增加表面反射率 3、拉动试样座必须小心，以免试样倾倒预习题目1、本实验所测得的透过率，（ A ）忽略了反射部分 A并未；B已经 2、测定两片不同厚度的红色玻璃的透射光谱曲线时 两条曲线吸收峰波长的位置是（ A ） A一致的；B不一致的，因厚度不同；C无法比较 两条曲线在同一波长的透射率（C） A不同；用公式不能换算的；B相同；C不同，用公式可以换算的8.体积电阻和表面电阻的测定实验目的1、了解材料电学性能的测试方法、常用设备 2、了解电学测试中标准样的制备 3、学会材料电学性能测试常用仪器高阻计的基本操作实验原理（1）仪器：ZC36型高阻计外观图（2）仪器结构直流高压测试电源放电测试装置试样及电极箱高阻抗直流放大器指示仪表电源高阻计测量原理图直流高压测试电源UR0放大器实验试样及制备根据材料的不同要求，将试样制成如图所示形状。实验步骤1、使用前：（1）前面板上的各开关位置：测试电压开关置于“10V”处；倍率开关置于最低档；“放电-测试”开关置于“放电”位置；电源开关置于“断”位置；输入短路开关置于“短路”位置；极性开关置于“0”位置。(2) 检查测试环境的温度及湿度应在“202，6515%”允许范围内； (3) 检查交流电压是否为22010%； (4) 将仪器接地端用导线接好；(5) 将仪器接通电源，合上电源开关，指示灯亮，并有蜂鸣声；(6) 接通电源预热30min后，将极性开关置于“+”； (7) 调零实验步骤（1）采用三电极系统测试材料的体积电阻（Rv）和表面电阻(Rs)时可按下图接线：（2）开始测试（3）将Rv或Rs读书平均值乘以倍率开关所指示的倍率及测试电压所指的系数（4）结束时，先关闭总电源，取出试样，并将面板上各开关恢复到测试前的位置。数据处理（1）求体积系数v(2)求表面电阻系数s