常用光機械材料的比較

常用光機械材料的比較

光機械廣泛應用于光學實驗中，合適的光機械能夠讓您快速而準確的搭建光學實驗，實現(xiàn)設計方案。我們在搭建光學實驗時，如何選擇合適的光機械？需要考慮哪些因素呢？本文將會從材料的角度給您提供一些參考。

大多數(shù)光機械部件是由鋁、黃銅或不銹鋼制成的。材料的特性直接影響了光機械的整體性能，因此，我們將在下面的討論中對這些材料的屬性做一些對比。

剛度

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抗彈性形變的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征，可以用引起一個特定應變所需應力的大小來描述。應力與應變成比例關(guān)系，并通過方程式 σ = Eε 聯(lián)系起來，式中σ 和ε分別為應力和應變，E 為材料的楊氏彈性模量。材料越硬，E 的值越大；反之越小。例如，不銹鋼的剛度大約是鋁的三倍。當考慮穩(wěn)定性或抗振的性能時，比剛度（楊氏彈性模量除以材料密度）很重要。具有相同形狀和比剛度的部件將會有相同的基本共振頻率。比剛度越高，產(chǎn)生的共振頻率就越高，振動穩(wěn)定時間就越快，振動的干擾就會越低。

 脹

溫度改變可引起一個機械件大小和形狀的改變。機械件的大小和形狀的改變量取決于該部件的大小、溫度改變量及所用材料，方程式ΔL = αLΔT描述了三者的關(guān)系，式中α為材料的熱膨脹系數(shù)，L為部件長度，ΔT為溫度變化量。不銹鋼的熱膨脹系數(shù)大約是鋁的一半。當把該部件用于一個需要干涉測量級別的穩(wěn)定性的應用時，熱膨脹系數(shù)將是考慮重點。

當部件溫度變化不均勻時，鋁是hao的選擇。這種情況出現(xiàn)在安裝一個電源的時候，例如一個激光二極管。因為二極管的溫度比周圍環(huán)境溫度高，所以它可通過調(diào)節(jié)架散熱，從而沿該部件形成一個溫度梯度。鋁的導熱性比不銹鋼強十倍，因此鋁更容易散熱，從而可降低熱梯度值與形變量。不均勻的溫度變化引起的形變與熱膨脹系數(shù)和熱導系數(shù)有關(guān)。因此，在一個溫度變化不均勻的環(huán)境中，鋁可以比不銹鋼少近三倍的形變。盡管黃銅的熱膨脹系數(shù)與鋁接近，但黃銅的熱導系數(shù)幾乎比鋁的熱導系數(shù)差兩倍，因此，在該情況下鋁是jia選擇。

如果部件的環(huán)境操作溫度遠不同于室溫，那么應多加注意由一種以上的材料制成的部件。例如，在一個線性移動臺中，如果一個平臺是鋁制的，而軸承是不銹鋼制的，當溫度改變時，鋁和不銹鋼將以不同的速率膨脹，平臺的軸承可能失去預緊力或者移動臺可能因鋁和不銹鋼分界面處形成的應力而彎曲。

不穩(wěn)定性

材料的不穩(wěn)定性是指外形尺寸可隨時間改變，即所謂的冷變形或蠕變。您可能需要幾個月或者幾年才能看到鋁、黃銅與不銹鋼的蠕變。通常，部件的機械設計對不穩(wěn)定性所起影響比材料的選擇對不穩(wěn)定性的影響大。例如，隨時間的遷移，千分尺螺紋上的潤滑劑開始移動，并可引起千分尺輕微的移動。同樣的，如果一個平移臺的軸承沒有進行充分的硬化，當軸承在接觸點處局部偏轉(zhuǎn)時，會導致平移臺發(fā)生微小位移。

鋁：鋁為一種輕質(zhì)材料，可抵抗冷變形或蠕變，具有良好的剛度-密度比。鋁不僅具有相對較高的熱膨脹系數(shù)，還具有高導熱系數(shù)，此特征使鋁在有溫度梯度或者需要快速適應溫度變化的應用中成為一個不錯的選擇。鋁可快速加工，成本較低，可廣泛應用到部件的結(jié)構(gòu)中。在實驗室環(huán)境中，即使表面無防護，鋁也不易生銹，并且較耐腐蝕。陽極處理的鋁有一層很好的氧化膜。然而，鋁的陽極氧化膜外層多孔，這使它們不適合在高真空環(huán)境中使用。

不銹鋼：鋼具有較高的彈性模量，這使它具有很好的剛度（大約是鋁的三倍），以及良好的機械穩(wěn)定性。同時，它的熱膨脹系數(shù)大約是鋁的一半，這使它在均勻溫度變化的實驗環(huán)境中成為不錯的選擇。加工鋼要比加工鋁緩慢地多，這使的鋼部件相對昂貴。鋼的腐蝕是一個嚴重的問題。不銹鋼合金可避免其它種類鋼的腐蝕問題。真空環(huán)境中通常使用不銹鋼材料。

黃銅：黃銅是重金屬材料，比鋼的密度大，可快速加工，它的剛度/密度的比率卻不如鋁或鋼令人滿意。黃銅的熱膨脹系數(shù)與鋁相似，但是它的導熱性比鋁差大約兩倍。然而，它是一種良好的耐磨損材料。黃銅用于一些有*的抗蠕變要求的高精度應用中，并可經(jīng)金剛石打磨形成光滑的表面。

定位部件中使用的每種材料都有自身*的優(yōu)點與缺點，符合所有要求的完美材料并不存在。Newport有數(shù)百種光機械部件，您可根據(jù)實際應用環(huán)境和預算選擇適合的光機械。

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