RU2040785C1

RU2040785C1 - Installation for creation of single-axis deformations of solids and for examination of their physical properties

Info

Publication number: RU2040785C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Коломоец; Богдан Арсентьевич Сусь; Валерий Николаевич Ермаков; Валерий Евгеньевич Радионов
Original assignee: Владимир Васильевич Коломоец; Богдан Арсентьевич Сусь; Валерий Николаевич Ермаков; Валерий Евгеньевич Радионов
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1995-07-25

Abstract

FIELD: testing equipment. SUBSTANCE: installation uses hinged lever from which vessel for working medium is suspended with the aid of spring employed for transmission of load smoothly controlled within wide range instead of hydraulic machine. Sample is additionally centered in mandrels produced from hard alloy diminishing edge effects over its butt faces. For examination of thermal gradient effects one of mandrels centering sample is simultaneously electric heater. Registration of sample in mandrels is carried out by means of alloy providing good thermal contact with heater and cooler. EFFECT: expanded range of mechanical strains under single-axis compressions of fragile samples, expanded temperature range (4-400 K) and increased sensitivity of measuring part of installation. 3 cl, 1 dwg

Description

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. The invention relates to techniques for creating high directed mechanical stresses in solids at the ultimate strength and can be used to study their physical properties under conditions of extreme strain values. In particular, this applies to semiconductor materials and devices subjected to strong mechanical stresses.

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. Known testing machines and devices designed to create deformations and study the ductility of metals, as well as to study the creep of diamond-like semiconductor materials under uniaxial compression. Such installations provide loading of samples with constant speeds using software devices and require sensitive strain gauges.

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. Due to the large brittleness and small deformations (up to 0.01 μm) of semiconductor crystalline substances, the used loading methods do not allow creating significant strains and measuring them, which limits the possibilities of studying creep and obtaining information about the physical processes that occur during this.

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.A setup for studying the creep of diamond-like semiconductor materials at room temperature provides loading of samples with constant speeds using a software device to stresses ≈750 kg / cm ² and measuring their deformations (≈1%). To achieve such stresses, the loading areas of the installation and the end surfaces of the sample are fitted with a high degree of accuracy that eliminates misalignment, and hydraulic axial loading systems are used.

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. It is impossible to achieve very high uniaxial mechanical compressions of brittle samples in this installation due to the lack of a sufficiently smooth and within a wide range of controlled loading speed, and also because of the method used for fixing the test sample, in which the end faces are subjected to an inhomogeneous load. In addition, the installation allows you to conduct research only at room temperature and is not very sensitive.

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). The aim of the invention is to significantly expand (by two orders of magnitude) the range of mechanical stresses under uniaxial compression of brittle samples, expand the temperature range (4-400K) and increase the sensitivity of the measuring part of the installation, which is important not only when measuring creep in crystals, but also when studying physical phenomena in solids at extremely high directed loads (optical, thermomagnetic phenomena, transport phenomena, etc.).

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. The goal is achieved by the fact that instead of the hydraulic axial loading system in the proposed installation, the transmission is continuously variable over a wide load range by means of a pivotally mounted different-leverage lever, on the small shoulder of which a balancing load is installed, and on the large shoulder, a container for working (loading) harm is suspended, and the achievement of high stresses is additionally determined by fixing the sample in special clamps in the form of centering mandrels of a heat-conducting material, reducing x at its edge effects of end faces and ensuring the creation of a temperature gradient.

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. The design of the installation, the principle of its operation, together with the use of original technology for the manufacture of samples and their installation in centering mandrels and in the measuring module, provide the opportunity to study the electrophysical properties of samples under conditions of extremely strong uniaxial compression and creep that occurs in a wide temperature range (4-400K ) by placing the sample in a temperature-controlled thermostat.

На чертеже изображены предлагаемая установка и способ фиксации образца в центрирующих оправках. The drawing shows the proposed installation and method of fixing the sample in centering mandrels.

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.The test sample 1, mounted using an alloy (for example, a Rose alloy) in centering mandrels 2, insulated by bushings 4, is placed in a tube 7 made of metal with low thermal conductivity, which has a support screw 3 and a slot 5 in the lower part for removing current conductors from the sample. The pipe 7 is fixed on the frame 10 and can be immersed in the duar 26 with cryogenic liquid. An electric heater 6. Heat removal is carried out through the support bolt 3. In order to stabilize the conditions of measurement unit sample is sealed by means of bellows 11 and a removable casing 9, wherein the generated pump vacuum with a pressure of 10 To investigate the thermoelectric and thermomagnetic effects as one of the centering mandrels used ^{- 2} mmHg

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. The forces on the sample are transmitted through the rod 8 with the help of the loading lever 12, mounted on the axis 13. This device allows you to create, measure and convert into an electrical signal mechanical effort with high accuracy. Stability and linearity of characteristics over a wide range of loads is ensured by the use of a long (compared to the diameter) coil spring 15. The wire 18 stretched between insulators 16 and 22 on rail 17 is a transducer. It is made of wire 18 made of a material with a low temperature coefficient of resistance (manganin, constantan) through which a stabilized current flows. The contact 21 is mounted on the insulator 20 and is rigidly connected to the spring by means of a traction (traverse) 19. A container 24 is suspended from the bottom of the spring with a valve 25 that opens, for example, by means of an electromagnet 23. The counterweight 14 serves to initially balance the system.

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. The spring is stretched by a smoothly regulated (by means of a computer) supply of working fluid to the tank 24 and is removed when it flows out through the valve 25. In this case, the contact 21 moves and the voltage changes in the section 21-22, which is proportional to the acting force and can be registered on one of the axes of a two-axis plotter. With a less wide range of loads, a strain gauge installed in the gap of the pressure transmission system along the compression line of the sample or in the place of suspension of the loading capacitance is used as a converter of mechanical forces into an electrical signal.

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.PRI me R. Spring made of steel wire with a diameter of 2 mm, length 300 mm, turns with a diameter of 25 mm. Lever length 500 mm with a shoulder ratio of 10: 1. The volume of the loading tank is ≈10 l. A thin-walled neisilber tube with a diameter of 10 mm is used as a sealing casing. The supporting tube of the press is stainless steel with a diameter of 6 mm and a wall thickness of 1 mm. With the help of this setup, piezoresistance, galvanic and thermomagnetic phenomena in semiconductor samples (Ge, Si) were studied under conditions of strong mechanical stresses (up to 30000-50000 kg / cm ² ), elastic and plastic deformations in the range of 4-400 K. Typical sizes of samples on which studies were carried out, ≈05х1х10 mm ³ .

Claims

1. INSTALLATION FOR CREATION OF UNIAXIAL DEFORMATIONS OF SOLID BODIES AND RESEARCH OF THEIR PHYSICAL PROPERTIES, containing a vessel for refrigerant, a loader, a support pipe placed in the vessel, installed in the pipe of the sample fastener with clamps for its gripping parts, a rod, one end of which is connected to the load and the other with means for fixing the sample, means for controlling the load and means for studying the physical properties of the sample, characterized in that, in order to ensure testing of brittle materials with a significant amount of deformation When compressing and expanding the temperature regime of tests, the loader is made in the form of a pivotally mounted different-leverage lever, on the small shoulder of which a balancing load is installed, and on the large shoulder, a medium tank is suspended by means of a spring, the input of which is connected to the load control means, and the device is equipped with a heater mounted on one of the sample mounts.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the clamps are made in the form of centering mandrels with clamps of heat-conducting material.

3. Installation according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the heater is made in the form of a centering sample mandrel with a heating element.