CN102230865A - 跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位纳米力学测试的跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，可进行原位拉伸/压缩试验并可同步进行载荷/位移信号的检测与分析。本发明由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元、装夹及支撑单元组成。其中密驱动单元中的直流伺服电机通过联轴器与两级涡轮蜗杆机构连接；信号检测单元包括位移传感器、力传感器和固连在直流伺服电机上的编码器；三自由度手动调整单元包括：与X-Y手动平台下层主体基座连接的Y向手动调整旋钮、与X-Y手动平台上层主体基座连接的X向手动调整旋钮和与Z向调整下楔形块连接的Z向手动调整螺钉，Z向调整下楔形块与Z向调整上楔形块滑动配合。

Description

跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台

技术领域

本发明涉及一种跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台。可对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供测试方法。

技术背景

原位纳米力学测试是指在纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、硬度、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学量产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法，扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/压缩测试方法能较全面的反应构件的强度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

当前原位纳米拉伸/压缩测试的研究尚处萌芽状态，具体表现在：(1)受到原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间的限制，目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸(薄膜材料或三维试件)的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；(2)从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原为纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧的拉压两用的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。

在原为纳米拉伸/压缩测试技术应用之前，拉伸试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均匀地拉伸试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应力应变曲线图，因此，最初的拉伸机是将材料拉断后，得出材料的屈服极限及强度极限。传统拉伸机针对的都是宏材尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。

因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的拉伸/压缩平台已十分必要。

发明内容

针对上述问题和可利用的技术手段，本发明的目的在于针对上述问题提供一种用于跨尺度原位纳米力学测试的拉伸/压缩平台，该平台具有体积小，结构紧凑，测试精度高，刚度高的特点，可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服极限和强度极限等力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试手段。

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：

一种跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台，主要由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元和装夹及支撑单元组成，所述的精密驱动单元中的直流伺服电机1通过联轴器32与一级蜗杆22连接，一级蜗杆22与二级蜗杆20垂直布置，且与固定在二级蜗杆20上的一级涡轮18-3相啮合，二级蜗杆20与固定在左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2上的左、右二级蜗轮18-1、18-2相啮合，左、右方螺母13-2、13-1分别与左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2螺纹连接，并固定在方螺母上架12上，左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2和一、二级蜗杆22、20分别通过丝杠固定支撑和蜗杆轴承座固定在Z向调整上楔形块33上，所述的信号检测单元包括位移传感器15、力传感器4和固连在直流伺服电机1上的编码器3，所述的三自由度手动调整单元包括：与X-Y手动平台下层主体基座30连接的Y向手动调整旋钮25-2、与X-Y手动平台上层主体基座28连接的X向手动调整旋钮25-1和与Z向调整下楔形块29连接的Z向手动调整螺钉21，Z向调整下楔形块29与Z向调整上楔形块33滑动配合。

所述的位移传感器15采用接触式电容位移传感器，它通过位移传感器支座14固定于方螺母上架12上，位移传感器15前端弹性探头与刚性连接在左、右丝杠前固定支撑2-3、2-4上的丝杠固定支撑上架16相接触；所述的力传感器4采用拉压力传感器，它分别与力传感器前端挡板7和后端挡板5通过力传感器紧固螺钉6-1、6-2刚性连接，力传感器前端挡板7置于左、右丝杠后固定支撑2-2、2-1上，后端挡板5与z向调整上楔形快33为同一整体；所述的编码器3与直流伺服电机1紧固连接并固定安装于z向调整上楔形块33上。

装卡及支撑单元中的试件后夹头8-1和试件前夹头8-2通过夹头紧固销钉11分别固定在力传感器前端挡板7和方螺母上架12上的凹槽内，试件9通过短销装夹在在试件后夹头8-1和试件前夹头8-2对应端的凹槽内，试件前、后夹头8-1、8-2视试件9不同的结构与形状进行配套更换。

位移传感器15的前端弹性探头的伸缩方向与试件9在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移信号检测的准确性，所述的力传感器4的受力方向与试件9受力方向相同，以保证载荷信号检测的准确性。

所述的左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2结构相同且与二级蜗杆20垂直布置，左、右方螺母13-2、13-1结构相同。

所述的X向手动调整旋钮25-1通过左万向节24-1和左连接销轴23-1连接驱动X-Y手动平台下层主体基座30内部的齿轮齿条机构，调整测试平台前后水平位移，Y向手动调整旋钮25-2通过右万向节24-2、右连接销轴23-2、相互啮合的主动导向锥齿轮27-1和从动导向锥齿轮27-2以及销轴26连接驱动X-Y手动平台上层主体基座28内部的齿轮齿条机构，调整测试平台左右水平位移；Z向调整下楔形块29由与其连接的Z向手动调整螺钉21驱动前后移动调整测试平台高度。X-Y手动平台下层主体基座30与底板31固连，并通过紧固螺钉与电镜腔体密封挡板的底层支架刚性连接。

本发明与现有技术相比，本发明体积小巧，结构紧凑，测试精度高，应变速率可控，与各种主流电子显微镜真空腔体匹配，应用范围广泛，可以对各种材料的宏观试件进行跨尺度原位试验，并可实现连续、间歇等多种拉伸和压缩加载方式，对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线。综上所述，本发明对丰富原位纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。

附图说明

图1是该测试平台整体外观结构图。

图2是该测试平台的主视图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2的左视图。

其中：1.直流伺服电机  2-2、2-1.左右丝杠后固定支撑  2-3、2-4.左右丝杠前固定支撑  3.编码器  4.力传感器  5.力传感器后端挡板  6-2、6-1.力传感器紧前后固螺钉  7.力传感器前端挡板  8-2、8-1.试件前后夹头  9.试件  10-1、10-2.左右精密滚珠丝杠  11.夹头紧固销钉  12.方螺母上架  13-1、13-2.左右方螺母  14.位移传感器支座  15.位移传感器  16.丝杠固定支撑上架  17-1.方螺母上架紧固螺钉  17-2.精密滚珠丝杠紧固螺钉17-3.一级蜗杆轴承座紧固螺钉  17-4.丝杠固定支撑紧固螺钉  17-5.底板紧固螺钉18-1、18-2.二级左右涡轮  18-3.一级涡轮  19-1、19-2.二级蜗杆左右轴承座  19-3.一级蜗杆轴承座  20.二级蜗杆  21.楔形快调整螺钉  22.一级蜗杆  23-1左连接销轴  23-2.右连接销轴  24-1.左万向节组  24-2.右万向节组  25-1.左手动调整旋钮  25-2.右手动调整旋钮  26.销轴  27-1.主动导向锥齿轮  27-2.从动导向锥齿轮  28.x-y手动平台上层主体基座  29.Z向调整下楔形块  30.x-y手动平台下层主体基座  31.底板  32.联轴器33.Z向调整上楔形块

具体实施方式

下面结合附图所示实例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参阅附图1、2、3、4，本发明所述的一种跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台，主要由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元、装夹及支撑单元组成。其中的精密驱动单元由直流伺服电机1通过联轴器32与一级蜗轮18-3蜗杆22连接，并由二级左右蜗轮18-1、18-2、二级蜗杆20及左右精密滚珠丝杠10-1、10-2将直流伺服电机1输出的旋转运动进行减速增距以提供大的拉伸/压缩力和超低应变速度，其中一级蜗杆22和二级蜗杆20分别通过一级蜗杆轴承座19-3和二级蜗杆左右轴承座19-1、19-2固定安装在z向调整上楔形块33上，左右精密滚珠丝杠10-1、10-2分别通过左右丝杠前固定支撑2-3、2-4和左右丝杠后固定支撑2-2、2-1固定安装在z向调整上楔形块33上，左右方螺母13-2、13-1通过8组方螺母上架紧固螺钉17-1连接于方螺母上架12上。其中的信号检测单元由位移传感器15通过位移传感器支座14通过粘接方式连接在方螺母上架12上，位移传感器15的前端弹性探头与通过精密滚珠丝杠紧固螺钉17-2刚性连接在左右丝杠前固定支撑2-3、2-4上的丝杠固定支撑上架16相接触，其中力传感器4分别与力传感器前端挡板7和后端挡板5通过力传感器前后紧固螺钉6-2、6-1刚性连接，力传感器后端挡板5与z向调整上楔形快33为同一整体，其中编码器3与直流伺服电机1紧固连接并固定安装于z向调整上楔形块33上。其中的的三自由度手动调整单元由x-y手动调整平台上下层主体基座28、30、主动导向锥齿轮27-1、从动导向锥齿轮27-2、左右手动调整旋钮25-1、25-2及Z向调整上、下楔形块33、29、楔形快调整螺钉21等组成，其中楔形块调整螺钉21与z向调整下楔形块29接触，左右手动调整旋钮25-1、25-2分别通过左右万向节组24-1、24-2及左右连接销轴23-1、23-2与Z向调整上、下楔形块33、29连接，销轴26与Z向调整下楔形块33连接用于安装从动导向锥齿轮27-2。其中的装夹及支撑单元由前后试件夹头8-2、8-1、左右丝杠前固定支撑2-3、2-4和左右丝杠后固定支撑2-2、2-1、位移传感器支座14及力传感器后端挡板5、试件9、一级蜗杆轴承座19-3和二级蜗杆左右轴承座19-1、19-2等组成，其中前后试件夹头8-2、8-1通过八组夹头紧固销钉11固定在方螺母上架12上，其固定沟槽和短销结构用于安装试件9，通过紧固螺钉在z向调整上楔形块33上分别固定安装有三组蜗杆轴承座和四组丝杠固定支撑。x-y手动平台下层主体基座固定安装在底板31上并通过锁紧螺钉17-5与显微成像系统腔体密封挡板的底层支架刚性连接。

所述的直流伺服电机1为精密可控驱动单元，配合高线数的编码器3和一级涡轮蜗杆副和二级涡轮蜗杆副，可实现超低速的精确旋转运动输出，结合两组小导程左右精密滚珠丝杠10-1、10-2，可实现超低速转静态加载方式，给定直流伺服电机1脉冲，亦可实现连续超低速加载和步进加载等模式。

所述的一级涡轮蜗杆副和二级涡轮蜗杆副可实现驱动运动的正向加载和逆向自锁，可以在直流伺服电机1停止转动或突然掉电的情况下保持自锁的机械特性，确保了原有的测试位置。

所述的方螺母上架12和力传感器前端挡板7的等宽、等深凹槽结构用于放置相同工艺加工的等宽、等厚的前后试件夹头8-2、8-1，并在前后试件夹头8-2、8-1上端铣削出带有短销的凹槽用以装夹试件9，以保证拉伸/压缩过程的同轴性和共面性，同时，针对不同形状和结构的试件9，可配套更换一组前后试件夹头8-2、8-1，保证对不同形状被测试件的通用性。

所述的三自由度手动调整单元可实现水平面和高度的自由调节。其中大直径左右手动调整旋钮25-1、25-2通过电镜腔体密闭挡板上的光孔，在真空腔体外分别通过左右万向节组24-1、24-2及左右连接销轴23-1、23-2与x-y手动平台上下层主体基座28、30内部的齿轮齿条副连接，即可方便的在电镜的真空腔体外手动自由调节测试平台的水平位置。此外，通过采用、通过调整楔形快调整螺钉21的旋入长度，可推动Z向调整上楔形块33输出直线运动，进而调整Z向调整上楔形块29的高度，以符合不同类型显微成像系统对成像的水平区域和竖直高度要求。

所述的信号检测单元包括用于检测纳米级位移信号的位移传感器15(型号为WYM-1型)和高精度力传感器4(型号为UNCLB-5000型)，位移传感器15的主体结构固定安装于通过粘接方式连接在方螺母上架12上的位移传感器支座14上，位移传感器15的前端探头的伸缩与固定连接在左右丝杠前支撑2-3、2-4上的大刚度丝杠固定支撑上架16相接触，位移传感器15的探头的伸缩方向与试件9的拉伸/压缩方向相同，以保证位移信号检测的准确性，力传感器4的通过前后连接螺母6-2、6-1与大刚度前后端挡板刚性连接，其受力方向与试件9受拉伸/压缩方向相同，亦可保证载荷信号检测的准确性。

所述的原位纳米拉伸/压缩测试平台的体积能够满足主流电子显微镜真空腔体的尺寸要求，同时与原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、光学显微镜等各种商业化显微成像设备兼容。此外，通过位移传感器15和力传感器4同步采集到的位移/载荷信号，通过相关控制算法可自行拟合拉伸/压缩过程中的应力应变曲线，从而获得材料在拉伸/压缩载荷作用下的屈服极限、弹性模量、破坏极限等重要力学参数。

本发明所涉及的一种可用于原位纳米力学测试的跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台，是根据Hitachi TM-1000型扫描电镜设计的，该装置主体部分的整体尺寸为93mm×85mm×105mm，可方便的安装在各种主流扫描电子显微镜和其他纤维成像系统的腔体内部。进行原位拉伸/压缩测试时，将测试平台的主体结构通过x-y手动平台下层主体基座固定安装在底板31上并通过底板锁紧螺钉17-5与电镜腔体密封挡板的底层支架刚性连接，并可通过左右手动调整旋钮25-1、25-2对平台进行水平位置调节。直流伺服电机1的型号为maxon RE-MAX型，在200r/min的转速下输出扭矩为11.9N·mm，综合考虑各级组件的传动效率，通过两级蜗轮蜗杆副(每级减速比均为i＝40)的减速增矩可驱动左右紧密滚珠丝杠10-1、10-2上的左右方螺母13-2、13-1输出4360N的拉伸/压缩力，被测试件9为铜基非晶合金材料，其总长度为16mm，最小宽度为1mm，编码器3为HEDL9140-500线的高性能光电编码器，配合EPOS型伺位置控制单元可对伺服电机1进行精确控制，进而保证拉伸/压缩过程的应变速率可调。方螺母上架12和力传感器前端挡板7的等宽、等深凹槽结构用于放置相同工艺线切割机床加工的等宽、等厚的前后试件夹头8-2、8-1，并在前后试件夹头8-1、8-2上端铣削出带有短销的凹槽用以装夹试件9，用以保证拉伸/压缩过程的同轴性和共面性。位移传感器15(型号为WYM-1型)和高精度力传感器4(型号为UNCLB-5000型)用以同步检测拉伸/压缩过程中的位移/载荷信号，位移传感器15的主体结构固定安装于通过粘接方式连接在方螺母上架12上的位移传感器支座14上，位移传感器15的前端探头的伸缩与固定连接在左右丝杠前固定支撑2-3、2-4上的大刚度丝杠固定支撑上架16相接触，位移传感器15的探头的伸缩方向与试件9的拉伸/压缩方向相同，以保证位移信号检测的准确性，力传感器4的通过前后连接螺母6-2、6-1与大刚度前后端挡板刚性连接，其受力方向与试件9受拉伸/压缩方向相同，亦可保证载荷信号检测的准确性。此外，HitachiTM-1000型扫描电镜的水平成像区域为电子枪中央的15mmX18mm的矩形区域，竖直方向的成像高度为据电子枪1.5mm-3.5mm范围内，三自由度手动调整单元可实现水平面和高度的自由调节，其中大直径左右手动调整旋钮25-1、25-2通过电镜腔体密闭挡板上的光孔，在真空腔体外分别通过左右万向节组24-1、24-2及左右连接销轴23-1、23-2与x-y手动平台上下层主体基座28、30内部的齿轮齿条副连接，即可方便的在电镜的真空腔体外手动自由调节测试平台的水平位置。此外，通过采用、通过调整楔形快调整螺钉21的旋入长度，可推动下楔形快33输出直线运动，进而调整Z向调整上楔形快29的高度，以符合不同型号电镜对成像的水平区域和竖直高度要求。

与此同时，通过位移传感器15和力传感器4同步采集到的位移/载荷信号，通过相关控制算法可自行拟合拉伸/压缩过程中的应力应变曲线，从而获得材料在拉伸/压缩载荷作用下的屈服极限、弹性模量、破坏极限等重要力学参数。

Claims (6)

1.一种跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，主要由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元和装夹及支撑单元组成，其特征在于，所述的精密驱动单元中的直流伺服电机(1)通过联轴器(32)与一级蜗杆(22)连接，一级蜗杆(22)与二级蜗杆(20)垂直布置，且与固定在二级蜗杆(20)上的一级涡轮(18-3)相啮合，二级蜗杆(20)与固定在左、右精密滚珠丝杠(10-1、10-2)上的左、右二级蜗轮(18-1、18-2)相啮合，左、右方螺母(13-2、13-1)分别与左、右精密滚珠丝杠(10-1、10-2)螺纹连接，并固定在方螺母上架(12)上，左、右精密滚珠丝杠(10-1、10-2)和一、二级蜗杆(22、20)分别通过丝杠固定支撑和蜗杆轴承座固定在Z向调整上楔形块(33)上，所述的信号检测单元包括位移传感器(15)、力传感器(4)和固连在直流伺服电机(1)上的编码器(3)，所述的三自由度手动调整单元包括：与X-Y手动平台下层主体基座(30)连接的Y向手动调整旋钮(25-2)、与X-Y手动平台上层主体基座(28)连接的X向手动调整旋钮(25-1)和与Z向调整下楔形块(29)连接的Z向手动调整螺钉(21)，Z向调整下楔形块(29)与Z向调整上楔形块(33)滑动配合。

2.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，其特征在于，所述的位移传感器(15)采用接触式电容位移传感器，它通过位移传感器支座(14)固定于方螺母上架(12)上，位移传感器(15)前端弹性探头与刚性连接在左、右丝杠前固定支撑(2-3、2-4)上的丝杠固定支撑上架(16)相接触；所述的力传感器(4)采用拉压力传感器，它分别与力传感器前端挡板(7)和后端挡板(5)通过力传感器紧固螺钉(6-1、6-2)刚性连接，力传感器前端挡板(7)置于左、右丝杠后固定支撑(2-2、2-1)上，后端挡板(5)与z向调整上楔形快(33)为同一整体；所述的编码器(3)与直流伺服电机(1)紧固连接并固定安装于z向调整上楔形块(33)上。

3.根据权利要求2所述的跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，其特征在于，装卡及支撑单元中的试件后夹头(8-1)和试件前夹头(8-2)通过夹头紧固销钉(11)分别固定在力传感器前端挡板(7)和方螺母上架(12)上的凹槽内，试件(9)通过短销装夹在在试件后夹头(8-1)和试件前夹头(8-2)对应端的凹槽内，试件前、后夹头(8-1、8-2)视试件(9)不同的结构与形状进行配套更换。

4.根据权利要求2或3所述的跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，其特征在于，位移传感器(15)的前端弹性探头的伸缩方向与试件(9)在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移信号检测的准确性，所述的力传感器(4)的受力方向与试件(9)受力方向相同，以保证载荷信号检测的准确性。

5.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，其特征在于，所述的左、右精密滚珠丝杠(10-1、10-2)结构相同且与二级蜗杆(20)垂直布置，左、右方螺母(13-2、13-1)结构相同。

6.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台，其特征在于，所述的X向手动调整旋钮(25-1)通过左万向节(24-1)和左连接销轴(23-1)连接驱动X-Y手动平台下层主体基座(30)内部的齿轮齿条机构，调整测试平台前后水平位移，Y向手动调整旋钮(25-2)通过右万向节(24-2)、右连接销轴(23-2)、相互啮合的主动导向锥齿轮(27-1)和从动导向锥齿轮(27-2)以及销轴(26)连接驱动X-Y手动平台上层主体基座(28)内部的齿轮齿条机构，调整测试平台左右水平位移；Z向调整下楔形块(29)由与其连接的Z向手动调整螺钉(21)驱动前后移动调整测试平台高度，X-Y手动平台下层主体基座(30)与底板(31)固连，并通过紧固螺钉与电镜腔体密封挡板的底层支架刚性连接。

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