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日志

光机械材料的基本性能介绍

热度 2已有 308 次阅读2016-3-21 16:25 |系统分类:业界视点| 机械

常见的光机械有镜座、支架、光纤维对准器、导轨、底座、标杆、光齿轮、微距计、旋转平台等,光机械广泛应用于光学实验中,合适的光机械能够让您快速而准确的搭建光学实验,实现设计方案。在我们在搭建光学实验时,如何选择合适的光机械?需要考虑哪些因素呢?本文将会从材料的角度给您提供一些参考。


大多数光机械部件是由铝、黄铜或不锈钢制成的。材料的特性直接影响了光机械的整体性能,因此,我们将在下面的讨论中对这些材料的属性做一些对比。

刚度

刚度是指材料或结构在受力时抗弹性形变的能力,是材料或结构弹性变形难易程度的表征,可以用引起一个特定应变所需应力的大小来描述。应力与应变成比例关系,并通过方程式 σ = Eε 联系起来,式中σ 和ε分别为应力和应变,E 为材料的杨氏弹性模量。材料越硬,E 的值越大;反之越小。例如,不锈钢的刚度大约是铝的三倍。当考虑稳定性或抗振的性能时,比刚度(杨氏弹性模量除以材料密度)很重要。具有相同形状和比刚度的部件将会有相同的基本共振频率。比刚度越高,产生的共振频率就越高,振动稳定时间就越快,振动的干扰就会越低。

热膨胀

温度改变可引起一个机械件大小和形状的改变。机械件的大小和形状的改变量取决于该部件的大小、温度改变量及所用材料,方程式ΔL = αLΔT描述了三者的关系,式中α为材料的热膨胀系数,L为部件长度,ΔT为温度变化量。不锈钢的热膨胀系数大约是铝的一半。当把该部件用于一个需要干涉测量级别的稳定性的应用时,热膨胀系数将是考虑重点。

当部件温度变化不均匀时,铝是最好的选择。这种情况出现在安装一个电源的时候,例如一个激光二极管。因为二极管的温度比周围环境温度高,所以它可通过调节架散热,从而沿该部件形成一个温度梯度。铝的导热性比不锈钢强十倍,因此铝更容易散热,从而可降低热梯度值与形变量。不均匀的温度变化引起的形变与热膨胀系数和热导系数有关。因此,在一个温度变化不均匀的环境中,铝可以比不锈钢少近三倍的形变。尽管黄铜的热膨胀系数与铝接近,但黄铜的热导系数几乎比铝的热导系数差两倍,因此,在该情况下铝是最佳选择。

如果部件的环境操作温度远不同于室温,那么应多加注意由一种以上的材料制成的部件。例如,在一个线性移动台中,如果一个平台是铝制的,而轴承是不锈钢制的,当温度改变时,铝和不锈钢将以不同的速率膨胀,平台的轴承可能失去预紧力或者移动台可能因铝和不锈钢分界面处形成的应力而弯曲。

不稳定性

材料的不稳定性是指外形尺寸可随时间改变,即所谓的冷变形或蠕变。您可能需要几个月或者几年才能看到铝、黄铜与不锈钢的蠕变。通常,部件的机械设计对不稳定性所起影响比材料的选择对不稳定性的影响大。例如,随时间的迁移,千分尺螺纹上的润滑剂开始移动,并可引起千分尺轻微的移动。同样的,如果一个平移台的轴承没有进行充分的硬化,当轴承在接触点处局部偏转时,会导致平移台发生微小位移。

铝:铝为一种轻质材料,可抵抗冷变形或蠕变,具有良好的刚度-密度比。铝不仅具有相对较高的热膨胀系数,还具有高导热系数,此特征使铝在有温度梯度或者需要快速适应温度变化的应用中成为一个不错的选择。铝可快速加工,成本较低,可广泛应用到部件的结构中。在实验室环境中,即使表面无防护,铝也不易生锈,并且较耐腐蚀。阳极处理的铝有一层很好的氧化膜。然而,铝的阳极氧化膜外层多孔,这使它们不适合在高真空环境中使用。

不锈钢:钢具有较高的弹性模量,这使它具有很好的刚度(大约是铝的三倍),以及良好的机械稳定性。同时,它的热膨胀系数大约是铝的一半,这使它在均匀温度变化的实验环境中成为不错的选择。加工钢要比加工铝缓慢地多,这使的钢部件相对昂贵。钢的腐蚀是一个严重的问题。不锈钢合金可避免其它种类钢的腐蚀问题。真空环境中通常使用不锈钢材料。

黄铜:黄铜是重金属材料,比钢的密度大,可快速加工,它的刚度/密度的比率却不如铝或钢令人满意。黄铜的热膨胀系数与铝相似,但是它的导热性比铝差大约两倍。然而,它是一种良好的耐磨损材料。黄铜用于一些有极高的抗蠕变要求的高精度应用中,并可经金刚石打磨形成光滑的表面。

以ALIO的纳米真空运动系统为例,纳米定位应用要求非常苛刻,当运功处于真空下,或要求延长行程、重复性更精密、速度更高、正常运行时间更长、成本更低时,就更加增加了复杂程度,在加工和选择组件上的挑战不容低估了,对于材料的选择就更加的谨慎。

设计者首要考虑导轨材料和机构。材料通常选择6061裸铝和300或400系列的不锈钢。没有研磨或抛光的加工铝能吸收空气或污染物,可很好地工作,是最具成本效益的材料。甚至阳极氧化平台也能用于低真空应用,鉴于真空下最精密的导轨是由400不锈钢制成,因此在一些温度会变化的应用或实验中,运动系统推荐使用300或400不锈钢。这样导轨和结构就会以同一膨胀系数变化,以保持轨道的预压力。


真空下的平台所使用的其他常用材料包括铁、铜、镍、钛和陶瓷,这些材料在真空下都能良好的工作,但由于热膨胀系数的原因会导致轨道偏离而降低精度。定位部件中使用的每种材料都有自身独特的优点与缺点,符合所有要求的完美材料并不存在,南京光研可根据实际应用环境和预算为您选择适合的光机械。


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