一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，通过获得对多个陶瓷试样施加不同大小的压力而产生不同的拉曼光谱图，确定拉曼光谱图的波峰位置，根据应力和拉曼光谱图波峰位置的频移量关系图可以获得陶瓷材料的拉曼应力系数，利用拉曼应力系数和内应力未知的陶瓷试样对应的拉曼光谱主峰频移量可以计算内应力未知的陶瓷试样的内应力大小。该方法还提出了一种能对陶瓷材料施加恒定应力的装置，能够保证陶瓷试样拉曼应力系数X的得出，从而根据内应力未知的陶瓷试样对应的拉曼光谱主峰频移量可以直接计算未知应力的大小，操作简便，广泛使用于脆性陶瓷材料，并且拉曼光谱不易受外界干扰，可以提高测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法
本专利技术涉及陶瓷材料力学测量领域，特别是涉及一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法。
技术介绍
现有技术中，常用XRD测量法对陶瓷类材料应力进行测量。XRD测量法是通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。XRD测量应力的基本原理为：当试样内部存在应力时，晶体的晶格间距会产生改变，导致X射线衍射角改变，结合布拉格衍射方程与弹性力学公式可以得到应力与X射线入射角、衍射角的关系公式：σψ＝K·M，其中当测试衍射面不变时，K值为定值，M为(2θ)-sin2ψ直线的斜率。多次改变X射线入射角可以得到一系列的衍射角2θ，由此可得斜率M并最终计算得出试样中的应力值。由于XRD测量法需要多次改变X射线入射角，使得该方法测量过程复杂，并且因为X射线衍射峰峰强较弱，且易受外界干扰，使得测量精度不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，达到操作简便、提高测量精度的效果。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，所述方法包括：获得不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；对多个所述陶瓷试样施加不同大小的力，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；根据所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和对应的所述不同大小的力，计算所述陶瓷试样的拉曼应力系数；选择与所述陶瓷试样材料相同但内应力未知的陶瓷试样，获得所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图，确定所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置；根据所述应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和所述陶瓷试样的拉曼应力系数，计算所述内应力未知的陶瓷试样内应力的值。可选的，所述获得不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置具体包括：将所述陶瓷试样放置于应力保持装置中，调整所述应力保持装置，使所述陶瓷试样受力为零，记录所述应力保持装置的弹簧的长度x0；将所述应力保持装置放置于拉曼光谱测试仪的物镜探头下，设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图；确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置ω0。可选的，所述调整所述应力保持装置，使所述陶瓷试样受力为零的具体步骤为：满足所述弹簧为自由无变形状态。可选的，所述对多个所述陶瓷试样施加不同大小的力，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置具体包括：将所述陶瓷试样放置于所述应力保持装置中，调整所述应力保持装置，对多个所述陶瓷试样施加所述不同大小的力，记录所述应力保持装置的弹簧的长度xi；将所述应力保持装置放置于所述拉曼光谱测试仪的物镜探头下，设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图；确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置ωi。可选的，所述根据所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和对应的所述不同大小的力，计算所述陶瓷试样的拉曼应力系数具体包括：根据胡克定律ΔFi＝k·Δxi计算所述应力保持装置对所述陶瓷试样施加压力的大小，其中ΔFi为所述陶瓷试样的受力值，k为所述弹簧的劲度系数，Δxi为所述弹簧的形变量，Δxi＝x0-xi，其中x0表示所述陶瓷试样不受力时所述弹簧的长度，xi表示对所述述陶瓷试样施加不同大小力时所述弹簧的长度；根据公式σi＝ΔFi/S计算所述陶瓷试样的应力，其中σi表示所述陶瓷试样的应力大小，S表示所述陶瓷试样的受力面积的大小；测量所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的所述拉曼频移量Δωi；以所述陶瓷试样的应力为横轴，以所述拉曼频移量为纵轴建立直角坐标系，在所述立直角坐标系中绘制所述陶瓷试样的应力大小与所述拉曼频移量对应的点，确定所述点对应的直线，计算所述直线的斜率，确定所述斜率为所述陶瓷试样的拉曼应力系数X。可选的，所述选择与所述陶瓷试样材料相同但内应力未知的陶瓷试样，获得所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图，确定所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置具体包括：选择一个与所述陶瓷试样材料相同但内应力未知的陶瓷试样；将所述内应力未知的陶瓷试样放置于所述拉曼光谱测试仪的物镜探头下，设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得所述内应力未知的陶瓷试样的拉曼光谱图；确定所述内应力未知的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置ωx。可选的，所述根据所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和所述陶瓷试样的拉曼应力系数，计算所述内应力未知的陶瓷试样内应力的值具体包括：将所述内应力未知的陶瓷试样放置于所述拉曼光谱测试仪的物镜探头下设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得所述内应力未知的陶瓷试样的拉曼光谱图；测量所述内应力未知的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的所述拉曼频移量Δωx＝|ωx-ω0|，其中ωx为所述内应力未知的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置，ω0为所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；根据公式计算所述内应力未知的陶瓷试样未知应力的大小，其中X为所述陶瓷试样的拉曼应力系数。可选的，获得拉曼光谱图之前需要进行硅片矫正。一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量系统，包括应力保持装置和拉曼光谱测试仪，所述应力保持装置包括：弹簧、螺杆、螺母、均力片和基体，所述螺杆固定在所述基体上，所述螺母、所述均力片和所述弹簧依次套在所述螺杆上，所述弹簧、所述均力片和所述螺母在同一水平轴线上，所述弹簧的一端与所述均力片接触，所述弹簧的另一端与陶瓷试样接触；旋转所述螺母使所述均力片压缩所述弹簧产生形变，所述弹簧对所述陶瓷试样施加应力，将所述应力保持装置放置于所述拉曼光谱测试仪的物镜探头下，设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得施加所述力的所述陶瓷试样的拉曼光谱图，利用上述任一项所述基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法对所述陶瓷材料的应力进行测量。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术通过获得对多个陶瓷试样施加不同大小的压力而产生不同的拉曼光谱图，确定拉曼光谱图的波峰位置，根据应力和拉曼光谱图波峰位置的频移量关系图可以获得陶瓷材料的拉曼应力系数，利用拉曼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：获得不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；对多个所述陶瓷试样施加不同大小的力，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；根据所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和对应的所述不同大小的力，计算所述陶瓷试样的拉曼应力系数；选择与所述陶瓷试样材料相同但内应力未知的陶瓷试样，获得所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图，确定所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置；根据所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和所述陶瓷试样的拉曼应力系数，计算所述内应力未知的陶瓷试样内应力的值。

【技术特征摘要】
1.一种基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：获得不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；对多个所述陶瓷试样施加不同大小的力，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置；根据所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和对应的所述不同大小的力，计算所述陶瓷试样的拉曼应力系数；选择与所述陶瓷试样材料相同但内应力未知的陶瓷试样，获得所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图，确定所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置；根据所述内应力未知的陶瓷试样拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和所述陶瓷试样的拉曼应力系数，计算所述内应力未知的陶瓷试样内应力的值。2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，其特征在于，所述获得不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置具体包括：将所述陶瓷试样放置于应力保持装置中，调整所述应力保持装置，使所述陶瓷试样受力为零，记录所述应力保持装置的弹簧的长度x0；将所述应力保持装置放置于拉曼光谱测试仪的物镜探头下，设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图；确定所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置ω0。3.根据权利要求2所述的基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，其特征在于，所述调整所述应力保持装置，使所述陶瓷试样受力为零的具体步骤为：满足所述弹簧为自由无变形状态。4.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，其特征在于，所述对多个所述陶瓷试样施加不同大小的力，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图，确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置具体包括：将所述陶瓷试样放置于所述应力保持装置中，调整所述应力保持装置，对多个所述陶瓷试样施加所述不同大小的力，记录所述应力保持装置的弹簧的长度xi；将所述应力保持装置放置于所述拉曼光谱测试仪的物镜探头下，设置所述拉曼光谱测试仪的激发波长为355nm或532nm，设置所述激发波长的范围为100-1000cm-1，获得施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图；确定所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置ωi。5.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的陶瓷材料应力测量方法，其特征在于，所述根据所述施加所述不同大小的力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置与所述不受力的陶瓷试样的拉曼光谱图的主峰位置的拉曼频移量，和对应的所述不同大小的力，计算所述陶瓷试样的拉曼应力系数具体包括：根据胡克定律ΔFi＝k·Δxi计算所述应力保持装置对所述陶瓷试样施加压力的大小，其中ΔFi为所述陶瓷试样的受力值，k为所述弹簧的劲度系数，Δxi为所述弹簧的形变量，Δxi＝x0-xi，其中x0表示所述陶瓷试样不受力时所述弹簧的长度，xi表示对所述述陶瓷试样施加不...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉文，张佳露，李岚茜，章超，鲁雄刚，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31