常用光機(jī)械材料的比較

光機(jī)械廣泛應(yīng)用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，合適的光機(jī)械能夠讓您快速而準(zhǔn)確的搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。我們?cè)诖罱ü鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何選擇合適的光機(jī)械？需要考慮哪些因素呢？本文將會(huì)從材料的角度給您提供一些參考。

大多數(shù)光機(jī)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(jī)械的整體性能，因此，我們將在下面的討論中對(duì)這些材料的屬性做一些對(duì)比。

剛度

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)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(gè)特定應(yīng)變所需應(yīng)力的大小來描述。應(yīng)力與應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)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(dāng)考慮穩(wěn)定性或抗振的性能時(shí)，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(huì)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(dòng)穩(wěn)定時(shí)間就越快，振動(dòng)的干擾就會(huì)越低。

 脹

溫度改變可引起一個(gè)機(jī)械件大小和形狀的改變。機(jī)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(zhǎng)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(dāng)把該部件用于一個(gè)需要干涉測(cè)量級(jí)別的穩(wěn)定性的應(yīng)用時(shí)，熱膨脹系數(shù)將是考慮重點(diǎn)。

當(dāng)部件溫度變化不均勻時(shí)，鋁是hao的選擇。這種情況出現(xiàn)在安裝一個(gè)電源的時(shí)候，例如一個(gè)激光二極管。因?yàn)槎O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(gè)溫度梯度。鋁的導(dǎo)熱性比不銹鋼強(qiáng)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(dǎo)系數(shù)有關(guān)。因此，在一個(gè)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(dǎo)系數(shù)幾乎比鋁的熱導(dǎo)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(yuǎn)不同于室溫，那么應(yīng)多加注意由一種以上的材料制成的部件。例如，在一個(gè)線性移動(dòng)臺(tái)中，如果一個(gè)平臺(tái)是鋁制的，而軸承是不銹鋼制的，當(dāng)溫度改變時(shí)，鋁和不銹鋼將以不同的速率膨脹，平臺(tái)的軸承可能失去預(yù)緊力或者移動(dòng)臺(tái)可能因鋁和不銹鋼分界面處形成的應(yīng)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(shí)間改變，即所謂的冷變形或蠕變。您可能需要幾個(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)不穩(wěn)定性所起影響比材料的選擇對(duì)不穩(wěn)定性的影響大。例如，隨時(shí)間的遷移，千分尺螺紋上的潤(rùn)滑劑開始移動(dòng)，并可引起千分尺輕微的移動(dòng)。同樣的，如果一個(gè)平移臺(tái)的軸承沒有進(jìn)行充分的硬化，當(dāng)軸承在接觸點(diǎn)處局部偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致平移臺(tái)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(duì)較高的熱膨脹系數(shù)，還具有高導(dǎo)熱系數(shù)，此特征使鋁在有溫度梯度或者需要快速適應(yīng)溫度變化的應(yīng)用中成為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。鋁可快速加工，成本較低，可廣泛應(yīng)用到部件的結(jié)構(gòu)中。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，即使表面無防護(hù)，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(jī)械穩(wěn)定性。同時(shí)，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(shí)驗(yàn)環(huán)境中成為不錯(cuò)的選擇。加工鋼要比加工鋁緩慢地多，這使的鋼部件相對(duì)昂貴。鋼的腐蝕是一個(gè)嚴(yán)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(dǎo)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(yīng)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(diǎn)與缺點(diǎn)，符合所有要求的完美材料并不存在。Newport有數(shù)百種光機(jī)械部件，您可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和預(yù)算選擇適合的光機(jī)械。

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