CN102221499A - 一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置 - Google Patents

Abstract

一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置，由反向螺纹对中加载框架和柔顺铰链加载传感部件构成；反向螺纹对中加载框架包括底板、立板、导向杆、滑板、导向槽块、调节丝杠和手轮，位于两块立板之间的调节丝杠设有左右旋丝杠螺纹，两个滑板上的中心丝杠螺孔分别与调节丝杠上的左右旋丝杠螺纹配合并沿两根导向杆作同步相对移动；柔顺铰链加载传感部件为整体式框架结构，其中间为对称设置的两个用于粘贴应变片的“S”型传感件。本发明的优点是：结构紧凑、体积小，适用于显微镜下直接观察测量；采用柔顺铰连接框架结构并与传感器做成一体，可提高测量精度并有效地测量和评价纳、微级薄膜基底结构试件的界面结合性能和薄膜的拉伸断裂性能。

Description

一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置

技术领域

本发明涉及纳微、米级材料力学性能测试设备，特别是一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置。

背景技术

纳米科技是从20世纪80年代末、90年代初开始发展起来的新兴科学，引起了国内外的高度重视，特别是在纳米材料方面取得了重要进展。纳米科技的重要意义首先将促使人类认知的革命，同时将引发新的工业革命，从而对我国的社会、经济及国家安全产生重大影响。

纳米材料的设计开发以及性能研究是高技术发展的基础。力学、热学性能是评价纳米材料质量的主要指标，也是进行纳米机构设计与计算的主要依据。近年来，随着材料的合成和制造工艺的提高，其特征尺寸越来越小。现代科技及研究方向逐渐迈向轻、小、薄的技术装置，在衍射栅、绝缘介质覆膜以及电子封装中越来越多地得到应用。虽然薄膜技术得到越来越多的应用，但是传统的测量装置通常不能测量薄膜的一些力学、热学参量。微、纳米压痕方法在陶瓷和金属中得到了成功的应用，但是对于软的材料，尤其是超微的材料，它们表现出一定的粘弹性行为，所以这种方法的应用受到了限制。隧道扫描显微镜方法常用来测量聚合物薄膜的参量，但是这种方法在尖端尺寸或者是接触面积上常常限制了这种方法的准确程度。对于尺度在纳、微米级以下的样品，会给常规的拉伸和压缩实验带来一系列的困难。如何制作、夹持、对中(保持样品与载荷方向的同轴) 纳、微米级样品，如何提高载荷和位移测量的分辨率，都是目前人们的关注的课题。

薄膜/基底二元结构系统在信息科学以及微电子机械系统技术（Micro Electro-Mechanical System， MEMS）中有着十分重要的地位。例如：在数据存储器和处理系统的集成电路中就有大量的导体、半导体和绝缘薄膜，在磁盘存储系统中起关键作用的是磁性薄膜等等。这些厚度一般为几十纳米到几十微米的薄膜，可以通过溶胶－凝胶、真空蒸发、磁控溅射、分子束外延镀膜等不同的制作工艺来制得。薄膜中均会有或压或拉的残余应力，因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力和热应力以及外加应力的联合作用下。在服役过程中，由于薄膜和基底材料在力学、热学等性能方面上存在着差异，在机械、热等各种载荷的作用下会表现出两种材料在应力、应变上上的失配，最终引起薄膜在基底上的剥落而导致结构或零部件的失效。这类薄膜的第一类破坏形式是断裂；第二类则是屈曲、散裂。薄膜在纳米尺度上的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命，因此，将薄膜/基底作为一个基本结构，对其中薄膜的力学、热学行为进行研究，具有其必要性和紧迫性。

实验技术在薄膜的性能研究方面有着独特的优势，通过实验可以定量地测取材料在纳、微米尺度下的力、电、磁、热等性能，测取纳、微米尺度元件在多场作用下的力学、热学等响应，同时这方面的研究也将促进纳、微米力学、热学和材料科学研究的进行。纳、微米力学性能可以与宏观的应力-应变行为联系起来。通过这些知识，可以帮助研究人员来设计材料。

目前,薄膜的力学性能测试方法主要包括单轴拉伸试验、弯曲试验、共振试验、鼓气试验、压痕试验等。拉伸法研究薄膜/基底的力学性能，至今仍是一种比较重要和可靠的方法。拉伸法的优势在于可以很好地控制薄膜/基底变形，薄膜开裂的裂纹特征，同时也可以方便地利用显微镜技术实现实时观察薄膜表面的变形开裂情况。

目前，国内外对纳、微米级尺度薄膜的拉伸装置的研究已取得了一定成果：M.A.Haque 和M.T.A.Saif[M.A.Haque and M.T.A.Saif, In-suit tensile testing of nano-scale specimens in SEM and TEM, Experimental mechanics, Vol.42, No.1, March 2002, PP.123-128.]、[M.A.Haque and M.T.A.Saif, A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing, Society for experimental mechanics, Vol.43, No.3, September 2003, PP.248-255.]研究了基于MEMS的纳米拉伸和弯曲装置，这个装置用于在SEM和TEM下测试，用静电梳驱动执行器，用力悬臂梁施加载荷。执行器最大允许轴向位移是10um，同时可进行弯曲测量，不足是装置和实验试件制作繁琐，试件制作成本高，非对中加载。C.Seguineau[C.Seguineau, M.Ignat, C.Malhaire, Micro-tensile tests on micromachined metal on polymer specimens: elasticity, plasticity and rupture, DTIP of MEMS & MOEMS 9-11 April 2008.]等人设计了一个直流微电机控制的夹具，用激光位移传感器测量相对位移，此装置用压电元件测量力，并可做疲劳测试，但此装置结构复杂，制造成本高，只用于测量自由膜。Jong-Eun Ha[Jong-Eun Ha, Jun-Hyub Park and Dong-Joong Kang, New strain measurement method at axial tensile test of thin films through direct imaging, J. Phys. D: Appl. Phys.41 (2008) 175406]等人设计了可以直接通过图像处理的微米样本拉伸测量装置，缺点是非对中加载，只用于微米自由膜测量。H.Ogawa[H.Ogawa, K.Suzukl, S. Kaneko, Y.Nakano, Y.Ishlkawa, T.Kltahara, Tensile testing of microfabricated thin films, Microsystem Technologies (1997)117-121]等人设计了可以直接在光学显微镜观察的拉伸加载装置，但此装置也不能对中加载。

应用原子力显微镜（AFM）观测薄膜拉伸是研究的趋势，国外高水平的论文大多是应用原子力显微镜对薄膜的拉伸形貌进行分析研究。原子力显微镜（AFM），多是探头移动的一类，观测视场位置的调整都是通过调整探头中压电晶体的偏置电压，从而带动针尖移动实现，这相当于针尖的位置按照一个向下凸的曲面调整，所以视场水平调整的范围有限，对于底部试件移动的一类AFM，位置调整也是通过底座内的压电晶体实现的，调整范围同样有限。因此应用AFM观测薄膜的拉伸形貌，对于加载装置的性能要求很高，即在不同的外部载荷下视场面内的整体位移必须控制在AFM针尖的调整范围之内，以便实现受载荷试件的原位观测。

同时，应用光学显微镜观测薄膜形貌，也是必不可少的实验手段。由于显微镜在高倍数工作时，其视场范围有限，这对试件加载装置的要求也是很高的。这就要求，在不同的外力作用下，原视场的观察位置仍然保留在视场内，不会因为载荷的变化而偏离视场。基于以上的背景和原因，设计一种成本低，制作和使用操作方便，体积小并且能够应用于光学显微镜下直接观察，适用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置非常重要。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置，该装置使纳、微米级薄膜/基底试件能构直接在光学显微镜下观察，并且制作和操作方便、加工成本低，在承受轴向载荷时，观测位置会在显微镜视场内不发生平移的问题。

本发明的技术方案：

一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置，由反向螺纹对中加载框架和柔顺铰链加载传感部件构成，反向螺纹对中加载框架包括底板、两块立板、两根导向杆、两个滑板、两个导向槽块、调节丝杠和手轮，两块立板和底板固定构成凹型框体，两块立板上分别设有中心孔并设置轴承，两根导向杆位于凹型框体的两侧并分别与两块立板固定，两个滑板均呈“T”型并相对设置，滑板上设有两个圆孔和一个中心丝杠螺孔，两个圆孔与两根导向杆滑动配合，两个导向槽块设有“U”型导向槽并分别固定于底板的两侧，调节丝杠固定于两块立板中心孔轴承内，位于两块立板之间的调节丝杠以中点为界两边分别为左右旋丝杠螺纹，两个滑板上的中心丝杠螺孔分别与调节丝杠上的左右旋丝杠螺纹配合并沿两根导向杆作同步相对移动，调节丝杠的一端通过立板限定，另一端伸出立板并固定有手轮；柔顺铰链加载传感部件采用柔顺铰连接并与传感件做成一体的整体式框架结构，通过两个边框搭设于两个滑板的“T”型横撑上，柔顺铰链加载传感部件的中间为对称设置的两个用于粘贴应变片的“S”型传感件，两个“S”型传感件的端面分离用于检测，两个“S”型传感件与柔顺框架做成一体，其一端上部分别设有用于固定试件的螺钉，另一端框架底部分别设有导向柱，两个导向柱分别与两个导向槽块上的导向槽滑动配合。

本发明的工作原理：

在实际操作时，首先将试片通过螺钉固定于两个“S”型传感元件上，然后将柔顺铰链加载传感部件通过两个边框搭设于两个滑板的“T”型横撑上；调节手轮，在丝杠两边的左右旋丝杠螺纹的驱动下使两个滑板做对称向内运动，给柔顺铰链加载传感部件施加载荷并通过两个“S”型传感件把压缩载荷转化成试件所受的拉伸载荷，拉伸载荷对两个“S”型传感件上的应变片产生的变化通过导线传递给应变仪。采用柔顺铰链转化，可消除采用轴销结构时产生的间隙空行程影响，也可消除螺纹结构直接拉伸产生的间隙空行程影响，提高精度，同时在加载过程中试件两端位移相同，试件中心的位置基本不动，能够实现原位观察测量。

本发明的优点是：结构紧凑、体积小，适用于显微镜下直接观察测量；采用柔顺铰链框架代替螺纹结构直接施加载荷，可消除螺纹间隙空行程影响；同时柔顺铰替代轴销的连接方式，可消除轴销连接而产生的空行程，提高测量精度；把传感器“S”型部分做成与框架一体，保证载荷测量的同时减小结构空间尺寸；应变可达到50%，可有效测量纳微观薄膜基底结构试件破坏时的轴向拉力值；可有效地评价纳、微级薄膜基底结构试件的界面结合性能和薄膜的拉伸断裂性能。

附图说明

图1为该加载装置的俯视结构示意图。

图2为该加载装置中的柔顺铰链加载传感部件结构示意图。

图3为该加载装置的三维结构示意图。

图中：1.底板  2-Ⅰ、2-Ⅱ.立板   3-Ⅰ、3-Ⅱ.导向杆  4-Ⅰ、4-Ⅱ.滑板     5-Ⅰ、5-Ⅱ.导向槽块    6.调节丝杠    7.手轮    8.柔顺铰链加载传感部件

9-Ⅰ、9-Ⅱ.“S”型传感件      10.试件       11-Ⅰ、11-Ⅱ.螺钉

12-Ⅰ、12-Ⅱ.导向柱。

具体实施方式

实施例：

一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置，由反向螺纹对中加载框架和柔顺铰链加载传感部件构成；反向螺纹对中加载框架包括底板1、两块立板2-Ⅰ、2-Ⅱ、两根导向杆3-Ⅰ、3-Ⅱ、两个滑板4-Ⅰ、4-Ⅱ、两个导向槽块5-Ⅰ、5-Ⅱ、调节丝杠6和手轮7，两块立板2-Ⅰ、2-Ⅱ和底板1固定构成凹型框体，两块立板2-Ⅰ、2-Ⅱ上分别设有中心孔并设置轴承，两根导向杆3-Ⅰ、3-Ⅱ位于凹型框体的两侧并分别与两块立板2-Ⅰ、2-Ⅱ固定，两个滑板4-Ⅰ、4-Ⅱ均呈“T”型并相对设置，滑板4-Ⅰ、4-Ⅱ上设有两个圆孔和一个中心丝杠螺孔，两个圆孔与两根导向杆3-Ⅰ、3-Ⅱ滑动配合，两个导向槽块5-Ⅰ、5-Ⅱ设有“U”型导向槽并分别固定于底板1的两侧，调节丝杠6固定于两块立板板2-Ⅰ、2-Ⅱ中心孔轴承内，位于两块立板板2-Ⅰ、2-Ⅱ之间的调节丝杠6以中点为界两边分别为左右旋丝杠螺纹，两个滑板4-Ⅰ、4-Ⅱ上的中心丝杠螺孔分别与调节丝杠6上的左右旋丝杠螺纹配合并沿两根导向杆3-Ⅰ、3-Ⅱ作同步相对移动，调节丝杠6的一端通过立板2-Ⅱ限定，另一端伸出立板2-Ⅰ并固定有手轮7；柔顺铰链加载传感部件8采用柔顺铰连接并与传感件做成一体的整体式框架结构，通过两个边框搭设于两个滑板4-Ⅰ、4-Ⅱ的“T”型横撑上，柔顺铰链加载传感部件8的中间为对称设置的两个用于粘贴应变片的“S”型传感件9-Ⅰ、9-Ⅱ，两个“S”型传感件9-Ⅰ、9-Ⅱ的端面分离用于检测，两个“S”型传感件9-Ⅰ、9-Ⅱ与柔顺框架做成一体，其一端上部分别设有用于固定试件10的螺钉11-Ⅰ、11-Ⅱ，另一端框架底部分别设有导向柱12-Ⅰ、12-Ⅱ，两个导向柱12-Ⅰ、12-Ⅱ分别与两个导向槽块5-Ⅰ、5-Ⅱ上的导向槽滑动配合。

Claims (1)

1.一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置，其特征在于：由反向螺纹对中加载框架和柔顺铰链加载传感部件构成，反向螺纹对中加载框架包括底板、两块立板、两根导向杆、两个滑板、两个导向槽块、调节丝杠和手轮，两块立板和底板固定构成凹型框体，两块立板上分别设有中心孔并设置轴承，两根导向杆位于凹型框体的两侧并分别与两块立板固定，两个滑板均呈“T”型并相对设置，滑板上设有两个圆孔和一个中心丝杠螺孔，两个圆孔与两根导向杆滑动配合，两个导向槽块设有“U”型导向槽并分别固定于底板的两侧，调节丝杠固定于两块立板中心孔轴承内，位于两块立板之间的调节丝杠以中点为界两边分别为左右旋丝杠螺纹，两个滑板上的中心丝杠螺孔分别与调节丝杠上的左右旋丝杠螺纹配合并沿两根导向杆作同步相对移动，调节丝杠的一端通过立板限定，另一端伸出立板并固定有手轮；柔顺铰链加载传感部件采用柔顺铰连接并与传感件做成一体的整体式框架结构，通过两个边框搭设于两个滑板的“T”型横撑上，柔顺铰链加载传感部件的中间为对称设置的两个用于粘贴应变片的“S”型传感件，两个“S”型传感件的端面分离用于检测，两个“S”型传感件与柔顺框架做成一体，其一端上部分别设有用于固定试件的螺钉，另一端框架底部分别设有导向柱，两个导向柱分别与两个导向槽块上的导向槽滑动配合。

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