CN101825542B - 一种小载荷表面划痕测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳基薄膜的表面机械性能测试领域，更具体地说，公开了一种小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，包括表面形貌仪(8)，试验台(1)，设置在试验台(1)上的一维自动位移台(2)，固定在一维自动位移台(2)上的试样夹持台(3)，以及设置在试验台(1)上并位于一维自动位移台(2)两侧的用于夹持表面形貌仪的第一三维手动平移台(8)和用于夹持刻划装置(5)的第二三维手动平移台(4)。

Description

一种小载荷表面划痕测试装置
技术领域
本发明涉及碳基薄膜的表面机械性能测试领域，更具体地说，涉及一种小载荷表面划痕测试装置。
背景技术
近年来，以碳基薄膜为代表的纳米薄膜以其优异的高硬度、低摩擦系数等机械性能，作为理想的耐磨保护涂层以及固体润滑剂，在机械、电子、磁介质保护和医学领域获得广泛的应用，引起了研究者的关注。
目前，对碳基薄膜的机械性能评价方法主要有大载荷表面划痕仪、AFM纳米划痕装置、以及摩擦磨损实验等多种方法，虽然这些分析方法能够相对准确地给出被测试材料的性能评价，但是往往存在耗时较多、价格昂贵、测试方法复杂等缺点，在寻找最佳薄膜制备参数时，无法满足快速评价要求，特别是对几百个纳米厚度的高硬度薄膜的测试中，使用直接压入薄膜施加载荷的大载荷表面划痕仪和通过电磁感应施加载荷的AFM纳米划痕仪，由于其载荷范围的限制，以及摩擦磨损实验测试时间的限制，都无法对用碳基薄膜的机械性能实现快速准确的测试。
发明内容
基于上述原因，本发明的目的在于提出一种小载荷(10mg-20g)表面划痕测试装置，它能够通过调节传感器内弹簧刚度和预变形来控制加载在被刻划表面上的刻划力的大小，通过调节一维自动位移台来调节刻划速度；能够配合表面形貌仪测量划痕深度，实现快速准确地测试被刻划表面的划痕状况。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，包括表面形貌仪，试验台，设置在试验台上的一维自动位移台，固定在一维自动位移台上的试样夹持台，以及设置在试验台上并位于一维自动位移台两侧的用于夹持表面形貌仪的第一三维手动平移台和用于夹持刻划装置的第二三维手动平移台；所述刻划装置包含金属直梁，垂直固定在金属直梁前端的刻划头，两端分别固定在金属直梁中后部的金属薄片，贴敷在金属薄片上的用于测量刻划头正压力的电阻应变片，固定在金属薄片前部的固定件，固定件的后端固定连接第二三维手动平移台，固定件的前部设置顶压金属直梁的弹簧和螺钉。
本发明的进一步改进和特点在于：所述固定件的后端通过柔性连接部件固定连接第二三维手动平移台，所述柔性连接部件包含金属基座，一端嵌有弹簧片的塑料链接头，以及过渡插件和金属插头；所述塑料链接头的另一端依次串联插接的过渡插件、和金属插头以及所述固定件的后端；所述金属基座的一端与第二三维手动平移台固定，另一端与所述弹簧片固定连接。
所述固定件上设置有用于保护金属直梁中后部和金属薄片的金属圆筒。
所述固定件上设置有用于保护金属直梁前部的细套管和保护刻划头金的套头，所述套头通过胶水粘接在细套管前端。
所述电阻应变片通过数据采集卡接入一计算机，所述计算机控制一维自动位移台。
所述刻划头为金刚石头。
本发明小载荷表面划痕测试装置，其突出的有益效果如下：可以通过调节弹簧和螺钉，弹簧的初始变形改变刻划时金刚石头和被测试表面之间的压力；可以通过调节第二三维手动位移台，使金刚石头和被测试表面之间的接触压力固定在系统设计的值，将操作人和实验环境对是实验结果的影响降到最低，同时柔性连接部件的存在可以防止套头部分破坏被测试表面；可以通过金属薄片上的电阻应变片记录刻划过程中在金刚石头与被测试表面间压力的微小变化，从而得到被测试表面划痕的大致状况；可以通过表面形貌仪对被测试表面划痕深度进行的测量，得到被测试磨损的详细状况，预测出被测试样的寿命，对被测试样做出准确的评价；可以通过控制一维自动位移台的往复运动参数，设定不同的刻划速度；同时本发明采用计算机采集电阻应变片的测量数据和控制控制一维自动位移台的往复运动参数。因此，本发明的装置能够较快速的测试出被测试样的磨损寿命，适应实现快速评价被测试表面性能要求，而且成本较低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1本发明的一种小载荷表面划痕测试装置的结构示意图；图2为安装有一维自动平移台的试验台结构示意图；图3为试样夹持台的结构示意图；图4为刻划装置部分的爆炸视图；图5为柔性夹具结构示意图；图中：1、为试验台；2、一维自动位移台；201、步进电机；202、基座；203、丝杆；204、移动平台；3、试样夹持台；301、基板；302活动板；4、第二三维手动位移台；5、刻划装置；501、固定件；502、金属直梁；503、金属薄片；504、电阻应变片；505、弹簧；506、螺钉；507、细套管；508、刻划头；509、套头；510、金属圆筒；511、金属插头；512、过渡插件；6、柔性夹具；601、金属基座；602、塑料链接头；603、弹簧片；7、刚性夹具；8、第一三维手动位移台；9、表面形貌仪器。
具体实施方案
参照图1，为本发明的一种小载荷表面划痕测试装置，主要包括：试验台1，一维自动位移台2，试样夹持台3，第二三维手动位移台4，刻划装置5，柔性夹具6，夹持柔性夹具6的刚性夹具7，第一三维手动位移台8，表面形貌仪器9。一维自动位移台1设置在试验台上，一维自动位移台上固定试样夹持台3；设置在试验台1上的用于夹持表面形貌仪9的第一三维手动平移台8和用于夹持刻划装置5的第二三维手动平移台4分别位于一维自动位移台2两侧。第二三维手动平移台4具体通过固定刚性夹具7，刚性夹具7夹持柔性夹具6，柔性夹具6连接刻划装置5来实现。
参照图2，一维自动位移台2主要包括：固定在基座202的步进电机201，与步进电机201轴相连接的丝杆203，与丝杆203通过螺纹连接的移动平台204。试验台1表面开设有用于动平台204一维直线运动的导槽，因此，步进电机201通过丝杆203转动，可以带动移动平台204直线运动。
结合图3，试样夹持台3包括通过螺栓固定在一维自动位移台2上的基板301，以及可以再基板301上调节位置的活动板302。试样放在基板301和活动板302间，通过调节活动板302，将试样固定在合适的位置。
参照图4，刻划装置5主要包含：固定件501，金属直梁502，垂直固定在金属直梁502前端的刻划头508，两端分别固定在金属直梁502中后部的金属薄片503，贴敷在金属薄片503上的用于测量刻划头508正压力的电阻应变片504，固定件501的前部设置有顶压金属直梁502的弹簧505和螺钉506。金属薄片503前部固定在固定件501，固定件501的后端固定连接第二三维手动平移台4。
电阻应变片504用来测量刻划头(金刚石头)508和被测试表面间的正压力，金属直梁502的前端通过螺纹连接固定着刻划头508，弹簧505和螺钉506用来调节初始刻划载荷；细套管507通过螺钉固定在固定件501前端用来保护金属直梁502的前部，套头509用胶水链接在细套管507端部用来保护金刚石头，金属圆筒510通过螺钉固定在固定件501用来保护金属直梁502中后部和金属薄片503。刻划装置5前段套头509的存在减小了小载荷刻划过程中的振动影响，并实现了金刚石头的保护。
结合图1、4、5，固定件501的后端具体通过柔性连接部件、刚性夹具7固定连接第二三维手动平移台4。柔性连接部件包含：由金属基座601，一端嵌有弹簧片603的塑料链接头602组成的柔性夹具，以及由过渡插件512、塑料插头511组成连接插件。塑料链接头的另一端依次串联插接的过渡插件512、和金属插头511以及所述固定件501的后端；金属基座601的一端与弹簧片603固定连接，另一端固定在刚性夹具7的一端，刚性夹具7的另一端与第二三维手动平移台4固定。
应变片504的信号通过数据采集卡接入计算机，实时记录；计算机实时控制一维自动位移台2的步进电机201，实现自动刻划试样表面；表面形貌仪测量记录划痕深度。
采用上述小载荷表面划痕测试装置的试验过程说明如下：(1)试样固定测试前，将试样放置在试样夹持台3上，通过调节试样夹持台3上的活动板303将试样固定在适当的位置。
(2)载荷速度设定测试前，通过调节刻划装置传5的弹簧505和螺钉506设定刻划试验中的所需要的载荷。同时将电阻应变片504的信号通过数据采集板接入计算机，并设定步进电机转速，设置合适的刻划速度。
(2)刻划试验通过调节第二三维手动移动台4使刻划传装置5的套头509刚刚压到被测试表面上，启动一维往复自动位移台运动，金刚石头开始刻划被测试表面，同时记录在刻划过程中金刚石头与被测试表面间压力的微小变化值。根据压力变化情况来判断被测试表面的磨损情况。
(3)划痕深度测量调节第二三维手动移动台4移开刻划装置，调节第一三维手动移动台8至合适位置，使表面形貌仪能够扫描到刻划痕迹，同时注意使划痕方向和形貌仪器扫描方向垂直，根据形貌仪扫描结果定量判断被测试表面磨损情况，从而完成一次刻划试验。
(4)重复测量调节第一二三维手动移动台8移开表面形貌仪，更换新的试样或通过调节第二三维手动位移台4更换试样的刻划位置，完成多次测量。

Claims (6)

1.一种小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，包括表面形貌仪(8)，试验台(1)，设置在试验台(1)上的一维自动位移台(2)，固定在一维自动位移台(2)上的试样夹持台(3)，以及设置在试验台(1)上并位于一维自动位移台(2)两侧的用于夹持表面形貌仪的第一三维手动平移台(8)和用于夹持刻划装置(5)的第二三维手动平移台(4)；
所述刻划装置(5)包含金属直梁(502)，垂直固定在金属直梁(502)前端的刻划头(508)，两端分别固定在金属直梁(502)中后部的金属薄片(503)，贴敷在金属薄片(503)上的用于测量刻划头正压力的电阻应变片(504)，固定在金属薄片(503)前部的固定件(501)，固定件(501)的后端固定连接第二三维手动平移台(4)，固定件(501)的前部设置顶压金属直梁的弹簧(505)和螺钉(506)。
2.根据权利要求1所述的小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，所述固定件(501)的后端通过柔性连接部件固定连接第二三维手动平移台(4)，所述柔性连接部件包含金属基座(601)，一端嵌有弹簧片(603)的塑料链接头(602)，以及过渡插件(512)和金属插头(511)；所述塑料链接头(602)的另一端依次串联插接的过渡插件(512)和金属插头(511)以及所述固定件(501)的后端；所述金属基座(601)的一端通过刚性夹具(7)与第二三维手动平移台(4)固定，另一端与所述弹簧片(603)固定连接。
3.根据权利要求1所述的小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，所述固定件(501)上设置有用于保护金属直梁(502)中后部和金属薄片(503)的金属圆筒(510)。
4.根据权利要求1所述的小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，所述固定件上设置有用于保护金属直梁(502)前部的细套管(507)和保护刻划头(508)的套头(509)，所述套头(509)通过胶水粘接在细套管(507)前端。
5.根据权利要求1所述的小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，所述电阻应变片(504)通过数据采集卡接入一计算机，所述计算机控制一维自动位移台(2)。
6.根据权利要求1所述的小载荷表面划痕测试装置，其特征在于，所述刻划头(508)为金刚石头。
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