CN101261206A - 材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置 - Google Patents

材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明是涉及材料纳米尺度性能测试的装置，特别是涉及材料纳米尺度力学性能测试中的微加载装置。该装置主要由基座，x轴向运动机构、压头、驱动元件和预紧机构组成，压头由多个薄壁柔性铰链连接到x轴向运动机构上；x轴正向运动机构由多个薄壁柔性铰链连接到刚性基座上；所说的驱动元件由压电叠堆组成，其中的一个压电叠堆整体安装于x轴向预紧机构和x轴向运动机构之间，另一个压电叠堆整体安装于压头和压头预紧机构之间，压头的下方为放置被测材料的刚体上，刚体通过与其连接的柔性铰链连接在刚性基座上。本发明为了解决了现有技术无法检测加载力或检测精度不高以及系统结构复杂，造价昂贵等问题，具有结构简单紧凑、成本低等优点。

Description

材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试、超精密加工装备、微机电系统、精密光学元件加工、超精密机械加工设备、汽车制造业、航空航天纳米科学和生物医学工程等领域，特别涉及纳米尺度材料力学性能和力学行为测试中的精密加载装置，特别涉及利用扫描电子显微镜或透射电子显微镜等仪器设备进行纳米尺度材料力学性能测试中的原位(In Situ)加载装置。
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、测试方法和力学行为的研究提出了越来越高的要求。各类具有精密定位或精密加载功能的测试系统被研发出来，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无法检测或检测精度不高的问题，同时由于检测系统结构较大且复杂，导致造价昂贵且装配环节较多而影响测试精度。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有原位(In Situ)力学性能测试系统中的微加载装置无法检测检测加载力或检测精度不高以及检测系统结构复杂，造价昂贵等问题，提供一种材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置。该装置具有加载分辨率高、响应迅速、体积小等优点，并且可以实现两自由度精密直线的载荷输出。由于结构微小可以实现在扫描电子显微镜、透射电子显微镜等高分辨率测试仪器上进行力学性能测试的原位监测，这里所谓的原位力学性能测试指的是在测试材料力学性能的过程中，在显微镜下在线监测被测试件载荷作用下的力学行为和损伤机制。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
一种材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，主要由基座，x轴向运动机构、压头、驱动元件和预紧机构组成，所说的压头9由多个薄壁柔性铰链6、7、8连接到x轴向运动机构17上；所说的x轴正向运动机构17由多个薄壁柔性铰链16、19连接到刚性基座2上；所说的驱动元件由相互垂直布置的压电叠堆组成，其中的一个压电叠堆15整体安装于x轴向预紧机构和x轴向运动机构17之间，另一个压电叠堆5整体安装于压头9和压头预紧机构之间，压头9的下方为放置被测材料的刚体11上，刚体11通过与其连接的柔性铰链10连接在刚性基座2上。
所说的x轴向预紧机构由装在压电堆15端部的刚体12，向刚体12提供预紧力的螺钉13和柔性铰链14组成，柔性铰链14既与刚体12连接又与刚性基座2连接，所说的压头预紧机构由装在压电堆5端部的刚体3，柔性铰链4和向刚体3提供预紧力的螺钉20组成，柔性铰链4既与刚体3连接又与刚性基座2连接。
所说的柔性铰链16、19具有位移放大的功能，将压电叠堆15的输出放大。
所说的压电叠堆为可控面型的精密致动元件，通过对压电叠堆施加不同的电压信号，可以实现不同的加载方式。
所说的薄壁柔性铰链与基座2，压头9和x轴向运动机构17的连接方式为同一整体，通过电火花线切割方式加工而成，在驱动元件的推力作用下，发生微小弯曲变形，既可使压头9沿y向产生精密直线运动，还可使压头9和x轴向运动机构17一起产生沿x向的精密直线运动的同时，压头9沿y向产生精密直线运动，压头9和x轴向运动机构17受到压电叠堆的推动而与基座2发生相对运动时不产生摩擦和磨损。
通过测量所述的柔性铰链10的变形矢量X，可应用公式F＝KX间接地计算出施加力F的大小，其中K为系统的刚度矩阵。
该两自由度材料纳米力学性能测试中的加载装置采用薄壁柔性铰链与基座连接，以降低压头直线方向重复定位误差，提高系统定位精度。
本发明的积极效果是：本可大大提高加载机构的驱动精度，并实现复杂合成运动方式，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高等优点。
附图说明
图1是纳米材料力学性能测试中的两自由度加载装置全剖视图；
图2是图1的俯视图；
图3a是柔性铰链14局部放大视图；
图3b是柔性铰链14局部放大后的受力变形图。
图中：1、4、6、7、8、10、14、16、19为薄壁柔性铰链，2为基座，3、11、12、18为刚体，5、15为压电叠堆，9为压头，13、20为螺钉，17为x轴向运动机构。
具体实施方式
参见图1、2，压头9由多个薄壁柔性铰链6、7、8连接到x轴向运动机构17上；所说的x轴正向运动机构17有多个薄壁柔性铰链16、19连接到刚性基座2上；所说的驱动元件由压电叠堆组成，其中的压电叠堆5整体安装于x轴向预紧机构12、13、14和x轴向运动机构17之间，其中的压电叠堆15整体安装于压头9和压头预紧机构3、4、20之间；所说的x轴向预紧机构12、13、14由刚体12，螺钉13和柔性铰链14组成；所说的压头预紧机构3、4、20由刚体3，柔性铰链4和螺钉20组成。
具体工作过程如下：
初始状态压电叠堆均不带电，系统处于自由状态，通过调整预紧机构可以粗略地调整压头9x向和y向的位置。压电叠堆5得电，压电叠堆的伸长的将被测材料压在刚体11上，和刚体11相连的柔性铰链10产生一定的变形，通过测量刚体11的位移，应用柔性铰链理论，即可求取加载力的大小，同时压头的位移也可以测量出来，这样并可以求出压入的深度，即可以用于材料的纳米压痕试验。如果在压电叠堆5得电的情况下，压电叠堆15得电，这样就会产生一个垂直于压头9加载方向的位移，这样并可以将机构应用于划痕试验，同样加载力的大小可以通过测量x轴向运动机构位移的方法间接得到，即利用公式F＝KX，其中F为广义力向量，X为广义位移向量，K为系统的刚度矩阵。

Claims (8)

1. 一种材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，主要由基座，x轴向运动机构、压头、驱动元件和预紧机构组成，其特征在于所说的压头(9)由多个薄壁柔性铰链(6、7、8)连接到x轴向运动机构(17)上；所说的x轴正向运动机构(17)由多个薄壁柔性铰链(16、19)连接到刚性基座(2)上；所说的驱动元件由相互垂直布置的压电叠堆组成，其中的一个压电叠堆(15)整体安装于x轴向预紧机构和x轴向运动机构(17)之间，另一个压电叠堆(5)整体安装于压头(9)和压头预紧机构之间，压头(9)的下方为放置被测材料的刚体(11)上，刚体(11)通过与其连接的柔性铰链(10)连接在刚性基座(2)上。
2. 根据权利要求1所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，其特征在于所说的x轴向预紧机构由装在压电堆(15)端部的刚体(12)，向刚体(12)提供预紧力的螺钉(13)和柔性铰链(14)组成，柔性铰链(14)既与刚体(12)连接又与刚性基座(2)连接(这样理解准确，)，所说的压头预紧机构由装在压电堆(5)端部的刚体(3)，柔性铰链(4)和向刚体(3)提供预紧力的螺钉(20)组成，柔性铰链(4)既与刚体(3)连接又与刚性基座(2)连接(这样理解准确，)。
3. 根据权利要求1所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，其特征在于所说的柔性铰链(16、19)具有位移放大的功能，将压电叠堆(15)的输出放大。
4. 根据权利要求1或3所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，其特征在于所说的压电叠堆为可控面型的精密致动元件，通过对压电叠堆施加不同的电压信号，可以实现不同的加载方式。
5. 根据权利要求1至3所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，其特征在于所说的薄壁柔性铰链与基座(2)，压头(9)和x轴向运动机构(17)的连接方式为同一整体，通过电火花线切割方式加工而成，在驱动元件的推力作用下，发生微小弯曲变形，既可使压头(9)沿y向产生精密直线运动，还可使压头(9)和x轴向运动机构(17)一起产生沿x向的精密直线运动的同时，压头(9)沿y向产生精密直线运动，压头(9)和x轴向运动机构(17)受到压电叠堆的推动而与基座(2)发生相对运动时不产生摩擦和磨损。
6. 根据权利要求1所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，其特征在于通过测量所述的柔性铰链(10)的变形矢量X，可应用公式F＝KX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。
7. 根据权利要求1所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，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所述的材料纳米力学性能测试中的两自由度加载装置，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。
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