CN102384878B - 显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，属于机械类。包括液压精密驱动控制单元、测试执行单元、三自由度调整工作台、测试检测单元、连接及支撑单元；伺服液压缸Ⅰ~Ⅳ的输出端分别与移动车架组相连，所述移动车架组与基板滑动连接；所述伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ分别固定在前侧板上，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ分别固定在测力车架组上，卡具Ⅰ、Ⅱ分别固定在移动车架组及测试车架组的上方。优点在于：体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，并且能够在线监测试件微观变形以及损伤断裂过程，可提供的测试内容丰富等特点，可得材料的弹性模量、屈服极限及断裂强度等重要力学参数，也可获得样品的抗疲劳性能。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域，特别涉及材料结构测试与原位观测测试领域，尤指一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，其安装在显微组件下跨尺度原位微纳米固体材料进行拉伸/压缩液压驱动测试和微观晶体形态变形观测的液压驱动装置。可以将各种材料的微观变形机制和力学性能直接对应起来，揭示跨尺度材料力学性能与宏观性能的关系。
背景技术
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，通过多种显微组件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、纳米压痕发和鼓膜法等，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（AFM）、扫描电子显微镜和透射电子显微镜（TEM）等的腔体空间的限制，目前的多数研究都集中在以MEMS/NEMS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借助商业化的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电子显微镜成像系统下的原位观测。
通常，人们从拉伸实验和微观结构检测两种实验手段中得到的实验数据进行分析，进而优化了纳米功能材料的制作工艺，但是在此过程中，机械性能的测量和微观形貌的观测是独立的、分离的过程，这大大阻碍了研究的继续进行。如果能将这两个方面结合，不但能够在机理上深入分析材料失效等理论问题，还能进一步提高材料的加工制作工艺过程。然而这些问题的研究都需要动态观察试件在受力情况下的微观形貌的变化。因此制约这个领域发展的根源在于一种将试件加载和在此过程中观察试件微观形态变化合二为一的检测技术和检测仪器。
此外，国外公司自主研发了一系列SEM原位力学拉/压测试装置，测试范围涵盖微纳米级试件和宏观试件，但依然存在装置体积过大，价格昂贵，并且未发现针对毫米级尺度试件的跨尺度测试装备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，解决了现在技术存在的费用昂贵、体积大、结构复杂及兼容性差，以及现有实验测试设备在材料的机械力学性能测试和在此过程中观察试件微观形态变化是独立的、分离的、跨尺度的问题，进而提供一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置。本发明具有体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，并且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以及损伤断裂过程，可提供的测试内容丰富等特点，可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服极限及断裂强度等重要力学参数，也可通过反复多次的对材料或制品进行加载和卸载，从而获得样品的抗疲劳性能。本发明解决了当前测试装置在试验中性能测试和微观形态的检测部分是相互独立、互相分离为两个过程的问题，并且通过位移、载荷的高精度控制算法对加载测试过程进行补偿并对测试数据进行修正。能够在多种显微组件下进行原位拉伸/压缩测试试验并同步进行位移、载荷测量、数据分析及检测修正的测试系统。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，包括液压精密驱动控制单元、测试执行单元、三自由度调整工作台、测试检测单元、连接及支撑单元；所述的液压精密驱动控制单元、测试执行单元是：伺服液压缸Ⅰ~Ⅳ4、36、31、34的输出端分别与移动车架组5相连，所述移动车架组5与基板14滑动连接，在外部液压伺服控制系统的作用下，所述伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ4、36与伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ31、34的运动方向相反，推动移动车架组5沿固定在基板14上的导轨直线前后运动；所述伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ4、36分别通过螺钉固定安装在测试平台的前侧板30上，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ31、34分别固定在测力车架组9上，所述测力车架组9分别与光杠Ⅰ、Ⅱ3、13滑动套接；卡具Ⅰ、Ⅱ6、8分别通过固定块Ⅰ、Ⅱ35、33固定在移动车架组5及测试车架组9的上方。
所述的移动车架组5是由移动滑块39、固定块Ⅰ35及卡具Ⅰ6组成，所述移动滑块39与基板14上的导轨滑动连接，所述固定块Ⅰ35通过螺钉固定连接在移动滑块39上方的凹槽中，试件夹持的卡具Ⅰ6固定连接在固定块Ⅰ35上面，可通过更换不同的试件夹持卡具来对不同试件7进行不同的力学性能测试。
所述的测力车架组9是由测力滑块37、固定块Ⅱ33、卡具Ⅱ8组成，所述测力滑块37与光杠Ⅰ3滑动套接，可以沿着光杠Ⅰ、Ⅱ3、13的方向进行直线移动；所述固定块Ⅱ33通过螺钉固定连接在测力滑块37上的凹槽中，所述卡具Ⅱ8固定在固定块Ⅱ33上面。
所述的测试检测单元由测力传感器11和位移传感器38组成，所述测力传感器11的一端与连接块Ⅰ32螺纹固定连接，进而与测力车架组9上的固定块Ⅱ33固定连接，另一端与后侧板10上的连接块Ⅱ12连接，所述位移传感器38的一端固定在前侧板30上，另一端与移动车架组5连接，用于测量移动车架组5的相对位置。
所述的三自由度调整工作台是由楔形块15、楔形导轨16、调整块17、调整螺钉Ⅰ、Ⅱ23、27、X、Y方向调整工作台19、18及锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ21、22组成，在基板14下方通过螺钉固定有楔形块15，可通过装置右侧的手动调整螺钉Ⅰ、Ⅱ23、27对测试执行单元进行Z方向的调整，X、Y方向调整工作台19、18是由在X、Y方向具有两个自由度的平移动的工作台基底构成，其X方向的调整丝杠通过一组X方向万向节26与仪器外部的X方向操纵手轮25b连接，Y方向的调整丝杠通过一对啮合的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ21、22和一组Y方向万向节24与外部的Y方向操纵手轮25a连接；所述的X、Y方向调整工作台19、18通过螺钉分别于与上部的楔形导轨16和底部的固定支座20连接，固定支座20与显微组件的载物台相连接。
所述的卡具Ⅰ、Ⅱ6、8与试件7相配合；可以根据试件7形状更换不同形式的卡具，同时也可根据试验性质的不同，更改测试执行单元执行元件，可将显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置改变成为弯曲测试等力学实验装置。
所述的伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ4、36分别通过液压管Ⅱ2及三通28与外部的伺服液压阀连接，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ31、34分别通过液压管Ⅰ1及两通29与所述外部的伺服液压阀连接；液压油通过两根分别控制不同方向的液压管Ⅰ、Ⅱ1、2分别连接至四个伺服液压缸，液压管Ⅰ、Ⅱ1、2从测试平台的一侧统一输送，液压油通过外部的伺服液压阀的控制，使测试试验部分的加载方式丰富多样化，既可以为连续加载，也可以为间歇加载。
本发明的有益效果在于：本发明具有体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，并且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以及损伤断裂过程，可提供的测试内容丰富等特点，可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服极限及断裂强度等重要力学参数，也可通过反复多次的对材料或制品进行加载和卸载，从而获得样品的抗疲劳性能。与现有测试设备相比，本发明不仅体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，而且可提供丰富的测试内容和方式，可与各种显微组件真空腔体的载物平台兼容，亦可与原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、光学显微镜等成像设备兼容使用，应用范围广泛，可以对各种材料及制品的宏观试件进行跨尺度原位拉伸/压缩力学测试，并可实现连续、间歇等多种加载方式，对材料及其制品在拉伸/压缩载荷在下的微观变形进行同步在线观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤断裂机制。通过载荷/位移信号的同步检测，应用相关算法，可进行数据收集和误差分析，能够实现测试实验与动态在线观测相结合，实用性强。综上所述，本发明对丰富原位微纳米力学性能测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备的发展，具有重要的理论指导意义和良好的应用开发前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的俯视示意图。
1、液压管Ⅰ； 2、液压管Ⅱ； 3、光杠Ⅰ； 4、伺服液压缸Ⅰ； 5、移动车架组；
6、卡具Ⅰ； 7、试件； 8、卡具Ⅱ； 9、测力车架组； 10、后侧板；
11、测力传感器；12、连接块Ⅱ； 13、光杠Ⅱ； 14、基板； 15、楔形块；
16楔形导轨； 17、调整块； 18、Y方向调整工作台； 19、X方向调整工作台；
20、固定支座； 21、锥齿轮组Ⅰ； 22、锥齿轮组Ⅱ； 23、调整螺钉Ⅰ；
24、Y方向万向节； 25a、Y方向操纵手轮； 25b、X方向操纵手轮； 26、X方向万向节； 27、调整螺钉Ⅱ； 28、三通； 29、两通； 30、前侧板； 31、伺服液压缸Ⅲ；
32、连接块Ⅰ； 33、固定块Ⅱ； 34、伺服液压缸Ⅳ； 35、固定块Ⅰ；
36、伺服液压缸Ⅱ； 37、测力滑块 38、位移传感器； 39、移动滑块。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1及图2，本发明的显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，包括液压精密驱动控制单元、测试执行单元、三自由度调整工作台、测试检测单元、连接及支撑单元；所述的液压精密驱动控制单元、测试执行单元是：伺服液压缸Ⅰ~Ⅳ4、36、31、34的输出端分别与移动车架组5相连，所述移动车架组5与基板14滑动连接，在外部液压伺服控制系统的作用下，所述伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ4、36与伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ31、34的运动方向相反，推动移动车架组5沿固定在基板14上的导轨直线前后运动；所述伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ4、36分别通过螺钉固定安装在测试平台的前侧板30上，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ31、34分别固定在测力车架组9上，所述测力车架组9分别与光杠Ⅰ、Ⅱ3、13滑动套接；卡具Ⅰ、Ⅱ6、8分别通过固定块Ⅰ、Ⅱ35、33固定在移动车架组5及测试车架组9的上方。
所述的移动车架组5是由移动滑块39、固定块Ⅰ35及卡具Ⅰ6组成，所述移动滑块39与基板14上的导轨滑动连接，所述固定块Ⅰ35通过螺钉固定连接在移动滑块39上方的凹槽中，试件夹持的卡具Ⅰ6固定连接在固定块Ⅰ35上面，可通过更换不同的试件夹持卡具来对不同试件7进行不同的力学性能测试。
所述的测力车架组9是由测力滑块37、固定块Ⅱ33、卡具Ⅱ8组成，所述测力滑块37与光杠Ⅰ3滑动套接，可以沿着光杠Ⅰ、Ⅱ3、13的方向进行直线移动；所述固定块Ⅱ33通过螺钉固定连接在测力滑块37上的凹槽中，所述卡具Ⅱ8固定在固定块Ⅱ33上面。
所述的测试检测单元由测力传感器11和位移传感器38组成，所述测力传感器11的一端与连接块Ⅰ32螺纹固定连接，进而与测力车架组9上的固定块Ⅱ33固定连接，另一端与后侧板10上的连接块Ⅱ12连接，所述位移传感器38的一端固定在前侧板30上，另一端与移动车架组5连接，用于测量移动车架组5的相对位置。
所述的三自由度调整工作台是由楔形块15、楔形导轨16、调整块17、调整螺钉Ⅰ、Ⅱ23、27、X、Y方向调整工作台19、18及锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ21、22组成，在基板14下方通过螺钉固定有楔形块15，可通过装置右侧的手动调整螺钉Ⅰ、Ⅱ23、27对测试执行单元进行Z方向的调整，X、Y方向调整工作台19、18是由在X、Y方向具有两个自由度的平移动的工作台基底构成，其X方向的调整丝杠通过一组X方向万向节26与仪器外部的X方向操纵手轮25b连接，Y方向的调整丝杠通过一对啮合的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ21、22和一组Y方向万向节24与外部的Y方向操纵手轮25a连接；所述的X、Y方向调整工作台19、18通过螺钉分别于与上部的楔形导轨16和底部的固定支座20连接，固定支座20与显微组件的载物台相连接。
所述的卡具Ⅰ、Ⅱ6、8与试件7相配合；可以根据试件7形状更换不同形式的卡具，同时也可根据试验性质的不同，更改测试执行单元执行元件，可将显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置改变成为弯曲测试等力学实验装置。
所述的伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ4、36分别通过液压管Ⅱ2及三通28与外部的伺服液压阀连接，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ31、34分别通过液压管Ⅰ1及两通29与所述外部的伺服液压阀连接；液压油通过两根分别控制不同方向的液压管Ⅰ、Ⅱ1、2分别连接至四个伺服液压缸，液压管Ⅰ、Ⅱ1、2从测试平台的一侧统一输送，液压油通过外部的伺服液压阀的控制，使测试试验部分的加载方式丰富多样化，既可以为连续加载，也可以为间歇加载。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，其特征在于：包括液压精密驱动控制单元和测试执行单元、三自由度调整工作台、测试检测单元、连接及支撑单元；所述的液压精密驱动控制单元和测试执行单元是：伺服液压缸Ⅰ~Ⅳ（4、36、31、34）的输出端分别与移动车架组（5）相连，所述移动车架组（5）与基板（14）滑动连接；所述伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ（4、36）分别通过螺钉固定安装在测试平台的前侧板（30）上，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ（31、34）分别固定在测力车架组（9）上，所述测力车架组（9）分别与光杠Ⅰ、Ⅱ（3、13）滑动套接；卡具Ⅰ、Ⅱ（6、8）分别通过固定块Ⅰ、Ⅱ（35、33）固定在移动车架组（5）及测试车架组（9）的上方；
所述的移动车架组（5）是由移动滑块（39）、固定块Ⅰ（35）及卡具Ⅰ（6）组成，所述移动滑块（39）与基板（14）上的导轨滑动连接，所述固定块Ⅰ（35）通过螺钉固定连接在移动滑块（39）上方的凹槽中，试件夹持的卡具Ⅰ（6）固定连接在固定块Ⅰ（35）上面；
所述的测力车架组（9）是由测力滑块（37）、固定块Ⅱ（33）、卡具Ⅱ（8）组成，所述测力滑块（37）与光杠Ⅰ（3）滑动套接；所述固定块Ⅱ（33）通过螺钉固定连接在测力滑块（37）上的凹槽中，所述卡具Ⅱ（8）固定在固定块Ⅱ（33）上面；
所述的测试检测单元由测力传感器（11）和位移传感器（38）组成，所述测力传感器（11）的一端与连接块Ⅰ（32）螺纹固定连接，进而与测力车架组（9）上的固定块Ⅱ（33）固定连接，另一端与后侧板（10）上的连接块Ⅱ（12）连接，所述位移传感器（38）的一端固定在前侧板（30）上，另一端与移动车架组（5）连接；
所述的三自由度调整工作台是由楔形块（15）、楔形导轨（16）、调整块（17）、调整螺钉Ⅰ、Ⅱ（23、27）、X、Y方向调整工作台（19、18）及锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ（21、22）组成，在基板（14）下方通过螺钉固定有楔形块（15），X、Y方向调整工作台（19、18）是由在X、Y方向具有两个自由度的平移动的工作台基底构成，其X方向的调整丝杠通过一组X方向万向节（26）与仪器外部的X方向操纵手轮（25b）连接，Y方向的调整丝杠通过一对啮合的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ（21、22）和一组Y方向万向节（24）与外部的Y方向操纵手轮（25a）连接；所述的X、Y方向调整工作台（19、18）通过螺钉分别于与上部的楔形导轨（16）和底部的固定支座（20）连接，固定支座（20）与显微组件的载物台相连接。
2.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，其特征在于，所述的卡具Ⅰ、Ⅱ（6、8）与试件（7）相配合。
3.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，其特征在于，所述的伺服液压缸Ⅰ、Ⅱ（4、36）分别通过液压管Ⅱ（2）及三通（28）与外部的伺服液压阀连接，伺服液压缸Ⅲ、Ⅳ（31、34）分别通过液压管Ⅰ（1）及两通（29）与所述外部的伺服液压阀连接。
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