CN101226121A - 材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置 - Google Patents

材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101226121A
CN101226121A CNA2008100503490A CN200810050349A CN101226121A CN 101226121 A CN101226121 A CN 101226121A CN A2008100503490 A CNA2008100503490 A CN A2008100503490A CN 200810050349 A CN200810050349 A CN 200810050349A CN 101226121 A CN101226121 A CN 101226121A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure head
mechanical properties
flexible hinge
pedestal
material nano
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2008100503490A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101226121B (zh
Inventor
赵宏伟
秦俊杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CHANGCHUN BANGDA PRECISION TECHNOLOGY CO., LTD.
Original Assignee
赵宏伟
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 赵宏伟 filed Critical 赵宏伟
Priority to CN2008100503490A priority Critical patent/CN101226121B/zh
Publication of CN101226121A publication Critical patent/CN101226121A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101226121B publication Critical patent/CN101226121B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

本发明涉及一种材料性能测试装置，特别是涉及超精密加工领域中的一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置。其目的在于提高加载机构的驱动精度和分辨率，准确测量加载力大小，降低结构的复杂性及尺寸。该装置主要由基座、压头、驱动元件和载物台组成，所说的压头(8)由多个薄壁柔性铰链(5、6、7)连接到基座(3)上；所说的基座(3)一端通过柔性铰链(2)与一个刚体(1)连接起来，所说的基座(3)另一端通过柔性铰链(10)与另一个刚体(11)连接起来，所说的驱动元件(4)采用压电叠堆，驱动原件(4)安装在压头(8)和预紧机构之间，所说的载物台(9)固定在另一个刚体(11)上。

Description

材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置
技术领域
本发明涉及一种材料性能测试装置，特别是涉及超精密加工领域中的一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置。本发明可应用于微机电系统、纳米科学、精密光学、飞机汽车制造业、生物医学工程、航空航天、新材料新工艺等领域。
技术背景
近年来，随着微电子学、生物医学、半导体、光学、数据存储、超精密机械及其制造等学科的迅猛发展，人们对材料纳米力学性能的评价和测试方法提出了越来越高的要求。因此各种具有精密定位或有精密加载驱动功能的加载机构被研发出来，以便满足材料纳米力学性能的测试需求。但传统的微加载装置在检测加载力方面存在着无法检测或检测精度不高的问题，或者检测装置存在结构复杂、造价较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于为解决传统的微加载装置在检测加载力方面存在着无法检测或检测精度不高的问题，或者检测装置存在结构复杂、造价较高等问题，而提供一种材料纳米尺度料弯曲力学性能测试中的精密加载装置，使之具有加载分辨率高、响应迅速、结构小的特点。
本发明实用新型的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，该装置主要由基座、压头、驱动元件和载物台组成，所说的压头8由多个薄壁柔性铰链5、6、7连接到基座3上；所说的基座3一端通过柔性铰链2与一个刚体1连接起来，所说的基座3另一端通过柔性铰链10与另一个刚体11连接起来，所说的驱动元件4采用压电叠堆，驱动原件4安装在压头8和预紧机构之间，所说的载物台9固定在另一个刚体11上，压头8在驱动原件4作用下，可以沿x轴作正向精密运动。
所说的三组薄壁柔性铰链5、6、7、基座3和压头8之间的连接方式为同一整体，并通过电火花线切割方式加工而成。
所说的预紧机构采用由一个刚体1，柔性铰链2和装在基座3一端的螺钉12组成，对驱动原件4实施的预紧力由螺栓12提供。
所说的连接于压头8和基座3之间的柔性铰链5、6、7均为对称布置，压头8受驱动力作用，只沿x向运动而不产生y向偏移。
应用公式F＝KX，通过测量柔性铰链10的变形矢量X，能够间接地计算出施加力F的大小，其中K为系统的刚度矩阵；通过压头8和刚体11的相对位移，可以计算出压头压入深度Δs。
对于微悬臂梁弯曲试验，可以通过公式Δs＝Fl3/3EI，计算出杨氏模量E，其中l为悬臂梁长度，I为悬臂梁的惯性矩。
压电叠堆结构为5×5×20(mm3)的立方体结构，结构紧凑微小，具有结构紧凑、承载能力强、变形精确、乡应迅速的特点。
本发明可提高加载机构的驱动精度和分辨率，准确地测量出加载力的大小，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高、精度高等优点；同时测试系统结构微小，可以借助扫描电子显微镜或透射电子显微镜在线监测被测试件载荷作用下的力学行为和损伤机制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3a是柔性铰链2的局部放大图；
图3b是柔性铰链2的局部放大受力变形图；
图4是载物台9的轴测图。
图中：1、11为刚体，2、5、6、7、10为柔性铰链，3为基座，4为驱动原件，8为压头，9为载物台12为螺钉。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容。
参阅图1、2、3、4，纳米材料弯曲力学性能测试中的精密加载装置由基座3、压头8、驱动元件4、载物台9和螺钉12等组成，压头8由多个薄壁柔性铰链5、6、7连接到刚性基座3上；所说的基座3一端连接有一个刚体1和柔性铰链2组成的预紧机构，用来预紧压电叠堆；所说的基座3另一端连接有柔性铰链10和另一个刚体11组成的位移测试机构10、11；所说的驱动元件4为压电叠堆，压电叠堆安装在压头8和预紧机构之间，通过螺钉12来预紧压电叠堆；所说的载物台9焊在另一个刚体11上。具体工作过程如下：
初始状态：压电叠堆不带电，通过螺钉12预紧压电叠堆，将待测试件装到载物台9上，载物台9为一个特制的长v型块，保证试件的两端固定中间悬空；将装上试件的载物台9固结到刚体11上，通过不同的载物台9的尺寸来调整压头和试件之间的距离，以便进行微弯曲试验；压电叠堆得电，推动压头8运动，进行弯曲试验。加载行程的大小通过测量压头8和刚体11的位移得到；应用公式F＝KX，通过测量柔性铰链10的变形矢量X，能够间接地计算出施加力矢量F的大小，其中K为柔性铰链10的变形刚度。通过压头8和刚体11的相对位移，可以计算出压头压入深度Δs。进而根据公式Δs＝Fl3/3EI，计算出被测试件材料的杨氏模量E，其中l为悬臂梁长度，I为悬臂梁的惯性矩。由于测试系统结构微小，整个测试过程中可以借助扫描电子显微镜或透射电子显微镜在线监测被测试件载荷作用下的力学行为和损伤机制。

Claims (8)

1.一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，该装置主要由基座、压头、驱动元件和载物台组成，其特征在于所说的压头(8)由多个薄壁柔性铰链(5、6、7)连接到基座(3)上；所说的基座(3)一端通过柔性铰链(2)与一个刚体(1)连接起来，所说的基座(3)另一端通过柔性铰链(10)与另一个刚体(11)连接起来，所说的驱动元件(4)采用压电叠堆，驱动原件(4)安装在压头(8)和预紧机构之间，所说的载物台(9)固定在另一个刚体(11)上，压头(8)在驱动原件(4)作用下，可以沿x轴作正向精密运动。
2.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于所说的三组薄壁柔性铰链(5、6、7)、基座(3)和压头(8)之间的连接方式为同一整体，并通过电火花线切割方式加工而成。
3.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于所说的预紧机构采用由一个刚体(1)，柔性铰链(2)和装在基座(3)一端的螺钉(12)组成，对驱动原件(4)实施的预紧力由螺栓(12)提供。
4.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于所说的连接于压头(8)和基座(3)之间的柔性铰链(5、6、7)均为对称布置，压头(8)受驱动力作用，只沿x向运动而不产生y向偏移。
5.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于应用公式F＝KX，通过测量柔性铰链(10)的变形矢量X，能够间接地计算出施加力F的大小，其中K为柔性铰链(10)的变形刚度；通过压头(8)和刚体(11)的相对位移，可以计算出压头压入深度Δs。
6.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于对于微悬臂梁弯曲试验，可以通过公式Δs＝fl3/3EI，计算出杨氏模量E，其中l为悬臂梁长度，I为悬臂梁的惯性矩。
7.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于所说的柔性铰链是直角薄壁柔性铰链，对外部弯曲载荷敏感，在该载荷作用下能发生精密的弯曲变形，完成材料力学测试中的定位和加载。
8.根据权利要求1所述的材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，其特征在于测试系统结构微小，可以借助扫描电子显微镜或透射电子显微镜在线监测被测试件载荷作用下的力学行为和损伤机制。
CN2008100503490A 2008-01-30 2008-01-30 材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置 Expired - Fee Related CN101226121B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008100503490A CN101226121B (zh) 2008-01-30 2008-01-30 材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008100503490A CN101226121B (zh) 2008-01-30 2008-01-30 材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101226121A true CN101226121A (zh) 2008-07-23
CN101226121B CN101226121B (zh) 2010-06-02

Family

ID=39858241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100503490A Expired - Fee Related CN101226121B (zh) 2008-01-30 2008-01-30 材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101226121B (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102139459A (zh) * 2011-04-02 2011-08-03 赵宏伟 一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置
CN102252924A (zh) * 2011-04-28 2011-11-23 吉林大学 基于双位移检测的微纳米尺度原位压痕测试装置
CN101706396B (zh) * 2009-11-12 2011-12-21 北京航空航天大学 一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载测试仪
CN102331376A (zh) * 2011-06-24 2012-01-25 赵宏伟 跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台
CN102384875A (zh) * 2011-11-09 2012-03-21 吉林大学 显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置
CN102862949A (zh) * 2012-09-07 2013-01-09 清华大学 基于倒置工艺的双臂梁mems器件及其形成方法
CN103018491A (zh) * 2012-11-27 2013-04-03 北京大学 可用于原子力显微镜的薄膜材料微挠曲加载装置及方法
CN104614196A (zh) * 2015-02-11 2015-05-13 重庆大学 压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置
CN107297602A (zh) * 2017-08-04 2017-10-27 北京首钢股份有限公司 一种落锤试样专用压刀的加工方法
CN108418465A (zh) * 2018-05-14 2018-08-17 西安科技大学 一种亚微米级精密柔性微动系统
CN108871972A (zh) * 2018-07-11 2018-11-23 合肥工业大学 具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置
CN109283066A (zh) * 2018-09-29 2019-01-29 昆明理工大学 一种材料微观组织弯曲压缩性能动态高通量测量装置
CN113030109A (zh) * 2021-03-23 2021-06-25 广西师范大学 一种用于物体表面检测的微探针系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10249767B4 (de) * 2002-10-24 2006-11-23 Asmec Advanced Surface Mechanics Gmbh Probentisch für die Messung lateraler Kräfte und Verschiebungen
CN2762105Y (zh) * 2005-03-25 2006-03-01 北京工业大学 一种用于测试微电子机械系统材料力学性能的测控系统
CN2890888Y (zh) * 2006-03-29 2007-04-18 郑祖元 材料弯折抗压试验机

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101706396B (zh) * 2009-11-12 2011-12-21 北京航空航天大学 一种适用于microCT的生物样本四点弯曲加载测试仪
CN102139459A (zh) * 2011-04-02 2011-08-03 赵宏伟 一种用于微纳米级切削加工的刀具伺服补偿驱动装置
CN102252924A (zh) * 2011-04-28 2011-11-23 吉林大学 基于双位移检测的微纳米尺度原位压痕测试装置
CN102331376A (zh) * 2011-06-24 2012-01-25 赵宏伟 跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台
CN102384875B (zh) * 2011-11-09 2013-04-24 吉林大学 显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置
CN102384875A (zh) * 2011-11-09 2012-03-21 吉林大学 显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置
CN102862949B (zh) * 2012-09-07 2014-11-26 清华大学 基于倒置工艺的双臂梁mems器件及其形成方法
CN102862949A (zh) * 2012-09-07 2013-01-09 清华大学 基于倒置工艺的双臂梁mems器件及其形成方法
CN103018491A (zh) * 2012-11-27 2013-04-03 北京大学 可用于原子力显微镜的薄膜材料微挠曲加载装置及方法
CN104614196A (zh) * 2015-02-11 2015-05-13 重庆大学 压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置
CN104614196B (zh) * 2015-02-11 2017-11-10 重庆大学 压电陶瓷叠堆执行器刚度测量装置
CN107297602A (zh) * 2017-08-04 2017-10-27 北京首钢股份有限公司 一种落锤试样专用压刀的加工方法
CN108418465A (zh) * 2018-05-14 2018-08-17 西安科技大学 一种亚微米级精密柔性微动系统
CN108418465B (zh) * 2018-05-14 2024-02-27 西安科技大学 一种亚微米级精密柔性微动系统
CN108871972A (zh) * 2018-07-11 2018-11-23 合肥工业大学 具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置
CN108871972B (zh) * 2018-07-11 2021-03-09 合肥工业大学 具有大量程高精度的柔性铰链微构件弯曲测试装置
CN109283066A (zh) * 2018-09-29 2019-01-29 昆明理工大学 一种材料微观组织弯曲压缩性能动态高通量测量装置
CN109283066B (zh) * 2018-09-29 2024-04-02 昆明理工大学 一种材料微观组织弯曲压缩性能动态高通量测量装置
CN113030109A (zh) * 2021-03-23 2021-06-25 广西师范大学 一种用于物体表面检测的微探针系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN101226121B (zh) 2010-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101226121B (zh) 材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置
CN103353431B (zh) 基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置
CN101226120B (zh) 试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置
CN203337493U (zh) 基于拉压、疲劳复合载荷模式下的原位压痕力学测试装置
CN1297813C (zh) 微摩擦测试装置
CN101520389B (zh) 超精密跨尺度原位纳米压痕刻划测试系统
CN202903617U (zh) 原位三点弯曲试验装置
CN101876609A (zh) 微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统
CN102288501B (zh) 精密纳米压痕测试装置
CN104568740A (zh) 一种微摩擦测量装置
CN100489485C (zh) 微力学测试仪及其测试方法
CN100480667C (zh) 附加弹性梁的微拉伸试样结构
CN101261206B (zh) 材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置
CN101957246A (zh) 一种用于微力微位移测量系统的集成探测器
CN201976028U (zh) 内置应变片式自检测压电驱动平台
CN113063538B (zh) 分布式多维力传感器
CN202599978U (zh) 一种三扫描器原子力显微扫描检测装置
CN201159704Y (zh) 试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置
US9021897B2 (en) Versatile, flexible, and robust MEMS/NEMS sensor for decoupled measuring of three-dimensional forces in air or liquids
CN204374047U (zh) 一种微摩擦测量装置
CN103293065A (zh) 微结构力学性能片外弯曲测试装置
CN201277930Y (zh) 材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置
CN110148436B (zh) 一种大行程、可转动的三自由度并联柔性微动平台
CN101458187A (zh) 可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器
CN202195992U (zh) 精密纳米压痕测试装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: CHANGCHUN BANGDA PRECISION TECHNOLOGY CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: ZHAO HONGWEI

Effective date: 20110810

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 130025 CHANGCHUN, JILIN PROVINCE TO: 130012 CHANGCHUN, JILIN PROVINCE

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20110810

Address after: 301, room 3355, 130012 Silicon Valley Avenue, hi tech Development Zone, Jilin, Changchun

Patentee after: CHANGCHUN BANGDA PRECISION TECHNOLOGY CO., LTD.

Address before: 130025 School of mechanical engineering, Nanling campus, Jilin University, 5988 Renmin Street, Changchun, Jilin

Patentee before: Zhao Hongwei

C56 Change in the name or address of the patentee
CP03 Change of name, title or address

Address after: 301, room 3355, 130012 Silicon Valley Avenue, hi tech Development Zone, Jilin, Changchun

Patentee after: CHANGCHUN BANGDA PRECISION TECHNOLOGY CO., LTD.

Address before: 301, room 3355, 130012 Silicon Valley Avenue, hi tech Development Zone, Jilin, Changchun

Patentee before: CHANGCHUN BANGDA PRECISION TECHNOLOGY CO., LTD.

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100602

Termination date: 20140130