CN102494955A - 显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置 - Google Patents
显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置 Download PDFInfo
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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三点/四点弯曲测试装置，属于机械类。包括精密驱动控制单元、具有三自由度的调整单元、传动及执行单元、信号检测单元和连接支撑单元。其中精密驱动直流伺服电机通过柔性联轴器与一级涡轮相连，一级涡轮通过涡轮蜗杆传动副与二级涡轮相连，并且二级涡轮通过涡轮蜗杆传动副分别与引导杠Ⅰ、Ⅱ相连，进而带动弯曲测试冲头完成测试动作。本发明结构紧凑，功能可靠，安装方便，便于操作，并且可以通过位移、载荷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，能够放置在体积限制的多种商业化显微测试装置中，精确进行微小尺度材料试件弯曲性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域，涉别涉及材料结构测试与原位测试领域，尤指一种显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置。安装在显微组件下对跨尺度原位纳米固体材料进行原位三点/四点弯曲力学测试和微观变形形貌、晶体形态变形观测的装置。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中，通过电子显微镜等观测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，针对这些力学属性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，其中以原位弯曲测试能够反映构件材料的弯曲强度特性，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。
当前原位微纳米三点/四点弯曲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弯曲测试上，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尺寸较大的微小结构材料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，体积小巧的三点、四点弯曲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。
此外，国外公司自主研发了一系列SEM原位力学弯曲测试装置，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三点/四点弯曲测试装置，解决了现有机械设备在材料的机械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，以及现有测试设备体积大、结构复杂、费用昂贵及兼容性差等问题，通过不同的载荷加载方式对材料试件进行微观材料力学性能测试，进而提供一种电镜下跨尺度原位微微纳米三点/四点弯曲装置。
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三点/四点弯曲测试装置，包括精密驱动控制单元、三自由度调整单元、传动及执行单元、信号检测单元和连接支撑单元；所述的精密驱动控制单元、传动及执行单元，包括直流伺服电机（30）、柔性联轴器Ⅰ、Ⅱ31-1、31-2、一级蜗杆24、一级蜗轮25、二级蜗杆26、二级涡轮Ⅰ、Ⅱ3-1、3-2及引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2，所述精密直流伺服电机30通过电机后部的支座法兰盘28与机架底板12连接，所述直流伺服电机30的输出轴与柔性联轴器Ⅰ31-1的一端螺钉紧固连接，所述柔性联轴器Ⅰ31-1的另一端通过柔性联轴器Ⅱ31-2、一级蜗杆支座32与一级蜗杆24螺钉紧固连接，所述一级蜗杆24与固定在二级蜗杆27中部的一级涡轮25相互配合，二级涡轮Ⅰ、Ⅱ3-1、3-2分别紧固在引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2上；通过涡轮蜗杆传动副将直流伺服电机30的动力传至二级蜗杆27上，分别通过紧固在引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2上的二级涡轮3-1、3-2带动的引导杠2-1、2-2的转动，二级蜗杆27两端分别由固定在机架12左右两侧的二级蜗杆支座1中的轴承支撑，引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2分别通过机架前、后、左、右侧板35、10、6-1、6-2内的紧固于后侧板10的轴承支撑；方螺母4与丝杠滚珠螺母33刚性固定连接，车架组上板5通过沉头螺母固定在方螺母4上方，所述丝杠滚珠螺母33分别与引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的精密滚珠丝杠部分2-B啮合，通过引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的转动带动移动车架组轴向沿引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2运动；冲头座8通过螺钉固定在滑动车架组、测力车架组的上板5、9的侧面，冲头7进而安装在冲头座8的导轨上。
所述的信号检测单元由测力传感器11、位移传感器34、光电编码器29组成，所述测力传感器11的一端固定在机架后侧板10上，另一端与测力车架组的上板9后部连接，所述位移传感器34一端通过黏贴的方式与移动车架组的车架组上板5固定连接，另一端固定在机架前侧板35上，所述光电编码器29通过螺钉固定在直流伺服电机30后部。
所述的三自由度调整单元是由机架12、楔形调整块14、楔形导轨15、x、y方向手动调整工作台16、17、锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ19-1、19-2组成，所述机架12的下方安装有楔形导轨15，可通过手动调整螺钉Ⅰ、Ⅱ13-1、13-2对精密驱动控制部分进行z方向进行微调， x、y方向手动调整工作台16、17是由在x、y方向具有两个自由度平移的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ19-1、19-2构成，其x方向的调整丝杠通过一组x方向万向节23与仪器外部的x方向操纵手轮22-2连接，y方向的调整丝杠通过一对啮合的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ19-1、19-2、连接杆20及一组y方向万向节21与外部的y方向操纵手轮22-1连接，x、y方向手动调整工作台16、17通过螺钉分别与上部的楔形导轨15和底部的底座连接板18连接，所述底座连接板18与显微组件的载物台连接。
所述的测力车架组是由方螺母4、滑动螺母36、测力车架组上板9、冲头座8组成，引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的光杠2-A部分和测力车架组的滑动螺母36的内孔紧密配合，使测力车架组沿光杠2-A做微小位移，所述的测力车架组的冲头座8后面与力传感器11的一端连接，通过测力车架组对力传感器11施加的力来测得弯曲过程中的力信号。
所述的移动车架组是由方螺母4、精密丝杠螺母33、移动车架组上板5、冲头座8组成，所述精密丝杠螺母33与引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的精密滚珠丝杠2-B部分啮合，通过引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的转动带动移动滑动组轴向沿精密滚珠丝杠2-B运动，移动车架组上板5通过沉头螺钉固定连接在方螺母4上部。
所述的冲头7与试件的形状结构相配合，冲头7是可更换的，方便了冲头7磨损后的更换，同时可以进行三点、四点微观材料的弯曲测试，也可根据试件的不同形状结构来更换不同结构的冲头7。
所述的移动车架组的运动在微米级的范围内。通过精密滚珠丝杠2-B，在一次加载过程中的运动是单向的，通过两级较大的转动比减速后配合高线数的编码器29，移动车架组的运动可以控制在微米级的范围内，可以实现超精密的动态和静态加载，同时也可以认为“准静态”情况下的材料弯曲试验。
所述的直流伺服电机30与高线数的编码器29或外部伺服驱动电路相配合，直流伺服电机30配合高线数的编码器29可使输出的运动具有多种方式，所述的直流伺服电机30可以通过外部伺服驱动电路的控制，使测试试验部分的加载方式多样化，既可以为连续加载，也可以为间歇加载。
所述的冲头7加载的观测区下方设置对试件进行加热或冷却的装置，可以进行不同温条件下的试验，观测微小尺寸材料在不同温度下的弯曲性能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出效果：本发明的电镜下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置具有结构紧凑，功能可靠，安装方便，便于操作的特点，可以方便的安装在电子显微镜、AFM、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜中等其他商业化测试观测仪器中使用，应用范围广，可以对各种跨尺度微小材料进行连续、间歇弯曲，并可以原位记录材料弹性变性区的微观结构的变化。与现有的材料力学测试装置相比，本发明在材料力学性能测试过程中可以同时利用电子显微镜、AFM、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜成像系统或其他商业化的观测仪器成像和记录材料的变形和微观结构变化，克服了现有的仪器将机械性能的测量及微观形貌的检测两个独立的、分离的过程的缺陷，将材料的力学性能和微观结构直接对接起来，具有直观性和定量检测的特性，便于发现和解释材料的力学性能及变化机制。
综上所述，本发明对跨尺度材料的机械性能的测量及微观形貌的检测具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。
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三维结构示意图；
图2为本发明不包含三自由度调整机构的底面三维仰视结构示意图；
图3为本发明的滑动车架组的结构示意图；
图4为本发明的测力车架组的结构示意图；
图5为本发明的俯视结构示意图；
图6为本发明的引导杠的精密驱动丝杠和光杠结构示意图。
图中：
1、二级蜗杆支座； 2-1、引导杠Ⅰ； 2-2、引导杠Ⅱ； 3-1、二级涡轮Ⅰ；
3-2、二级涡轮Ⅱ； 4、方螺母； 5、滑动车架组上板； 6-1、左侧板；
6-2、右侧板； 7、冲头； 8、冲头座； 9、测力车架组上板；
10、后侧板； 11、测力传感器； 12、机架； 13-1 调整螺钉Ⅰ；
13-2 调整螺钉Ⅱ； 14、楔形调整块； 15、楔形导轨； 16、x方向手动调整工作台；
17、y方向手动调整工作台；18、底座连接板； 19-1、锥齿轮组Ⅰ；19-2、锥齿轮组Ⅱ；
20、连接杆； 21、y方向万向节； 22-1、y方向操纵手轮； 22-2、x方向操纵手轮；
23、x方向万向节； 24、一级蜗杆； 25、一级涡轮； 26、二级蜗杆；
27、支撑轴承； 28、电机法兰盘； 29、光电编码盘； 30、直流伺服电机；
31-1、柔性联轴器Ⅰ；31-2、柔性联轴器Ⅱ；32、一级蜗杆支座； 33、精密滚珠螺母；
34、位移传感器； 35、前侧板； 36、光杠螺母。
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三点/四点弯曲测试装置，包括精密驱动控制单元、三自由度调整单元、传动及执行单元、信号检测单元和连接支撑单元；所述的精密驱动控制单元、传动及执行单元，包括直流伺服电机（30）、柔性联轴器Ⅰ、Ⅱ31-1、31-2、一级蜗杆24、一级蜗轮25、二级蜗杆26、二级涡轮Ⅰ、Ⅱ3-1、3-2及引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2，所述精密直流伺服电机30通过电机后部的支座法兰盘28与机架底板12连接，所述直流伺服电机30的输出轴与柔性联轴器Ⅰ31-1的一端螺钉紧固连接，所述柔性联轴器Ⅰ31-1的另一端通过柔性联轴器Ⅱ31-2、一级蜗杆支座32与一级蜗杆24螺钉紧固连接，所述一级蜗杆24与固定在二级蜗杆27中部的一级涡轮25相互配合，二级涡轮Ⅰ、Ⅱ3-1、3-2分别紧固在引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2上；通过涡轮蜗杆传动副将直流伺服电机30的动力传至二级蜗杆27上，分别通过紧固在引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2上的二级涡轮3-1、3-2带动的引导杠2-1、2-2的转动，二级蜗杆27两端分别由固定在机架12左右两侧的二级蜗杆支座1中的轴承支撑，引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2分别通过机架前、后、左、右侧板35、10、6-1、6-2内的紧固于后侧板10的轴承支撑；方螺母4与丝杠滚珠螺母33刚性固定连接，车架组上板5通过沉头螺母固定在方螺母4上方，所述丝杠滚珠螺母33分别与引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的精密滚珠丝杠部分2-B啮合，通过引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的转动带动移动车架组轴向沿引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2运动；冲头座8通过螺钉固定在滑动车架组、测力车架组的上板5、9的侧面，冲头7进而安装在冲头座8的导轨上。
参见图1、图2及图5，所述的信号检测单元由测力传感器11、位移传感器34、光电编码器29组成，所述测力传感器11的一端固定在机架后侧板10上，另一端与测力车架组的上板9后部连接，所述位移传感器34一端通过黏贴的方式与移动车架组的车架组上板5固定连接，另一端固定在机架前侧板35上，所述光电编码器29通过螺钉固定在直流伺服电机30后部。
参见图1及图2，所述的三自由度调整单元是由机架12、楔形调整块14、楔形导轨15、x、y方向手动调整工作台16、17、锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ19-1、19-2组成，所述机架12的下方安装有楔形导轨15，可通过手动调整螺钉Ⅰ、Ⅱ13-1、13-2对精密驱动控制部分进行z方向进行微调， x、y方向手动调整工作台16、17是由在x、y方向具有两个自由度平移的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ19-1、19-2构成，其x方向的调整丝杠通过一组x方向万向节23与仪器外部的x方向操纵手轮22-2连接，y方向的调整丝杠通过一对啮合的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ19-1、19-2、连接杆20及一组y方向万向节21与外部的y方向操纵手轮22-1连接，x、y方向手动调整工作台16、17通过螺钉分别与上部的楔形导轨15和底部的底座连接板18连接，所述底座连接板18与显微组件的载物台连接。
参见图1及图4，所述的测力车架组是由方螺母4、滑动螺母36、测力车架组上板9、冲头座8组成，引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的光杠2-A部分和测力车架组的滑动螺母36的内孔紧密配合，使测力车架组沿光杠2-A做微小位移，所述的测力车架组的冲头座8后面与力传感器11的一端连接，通过测力车架组对力传感器11施加的力来测得弯曲过程中的力信号。
参见图1及图3，所述的移动车架组是由方螺母4、精密丝杠螺母33、移动车架组上板5、冲头座8组成，所述精密丝杠螺母33与引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的精密滚珠丝杠2-B部分啮合，通过引导杠Ⅰ、Ⅱ2-1、2-2的转动带动移动滑动组轴向沿精密滚珠丝杠2-B运动，移动车架组上板5通过沉头螺钉固定连接在方螺母4上部。
参见图1及图6，所述的冲头7与试件的形状结构相配合，冲头7是可更换的，方便了冲头7磨损后的更换，同时可以进行三点、四点微观材料的弯曲测试，也可根据试件的不同形状结构来更换不同结构的冲头7。所述的移动车架组的运动在微米级的范围内。通过精密滚珠丝杠2-B，在一次加载过程中的运动是单向的，通过两级较大的转动比减速后配合高线数的编码器29，移动车架组的运动可以控制在微米级的范围内，可以实现超精密的动态和静态加载，同时也可以认为“准静态”情况下的材料弯曲试验。所述的直流伺服电机30与高线数的编码器29或外部伺服驱动电路相配合，直流伺服电机30配合高线数的编码器29可使输出的运动具有多种方式，所述的直流伺服电机30可以通过外部伺服驱动电路的控制，使测试试验部分的加载方式多样化，既可以为连续加载，也可以为间歇加载。
参见图1、图2及图5，所述的冲头7加载的观测区下方设置对试件进行加热或冷却的装置，可以进行不同温条件下的试验，观测微小尺寸材料在不同温度下的弯曲性能。
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 (9)
1.一种显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：包括精密驱动控制单元、三自由度调整单元、传动及执行单元、信号检测单元和连接支撑单元；所述的精密驱动控制单元、传动及执行单元，包括直流伺服电机（30）、柔性联轴器Ⅰ、Ⅱ（31-1、31-2）、一级蜗杆（24）、一级蜗轮（25）、二级蜗杆（26）、二级涡轮Ⅰ、Ⅱ（3-1、3-2）及引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2），所述精密直流伺服电机（30）通过电机后部的支座法兰盘（28）与机架底板（12）连接，所述直流伺服电机（30）的输出轴与柔性联轴器Ⅰ（31-1）的一端螺钉紧固连接，所述柔性联轴器Ⅰ（31-1）的另一端通过柔性联轴器Ⅱ（31-2）、一级蜗杆支座（32）与一级蜗杆（24）螺钉紧固连接，所述一级蜗杆（24）与固定在二级蜗杆（27）中部的一级涡轮（25）相互配合，二级涡轮Ⅰ、Ⅱ（3-1、3-2）分别紧固在引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2）上；二级蜗杆（27）两端分别由固定在机架（12）左右两侧的二级蜗杆支座（1）中的轴承支撑，引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2）分别通过机架前、后、左、右侧板（35、10、6-1、6-2）内的紧固于后侧板（10）的轴承支撑；方螺母（4）与丝杠滚珠螺母（33）刚性固定连接，车架组上板（5）通过沉头螺母固定在方螺母（4）上方，所述丝杠滚珠螺母（33）分别与引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2）的精密滚珠丝杠部分（2-B）啮合；冲头座（8）通过螺钉固定在滑动车架组、测力车架组的上板（5、9）的侧面，冲头（7）进而安装在冲头座（8）的导轨上。
2.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的信号检测单元由测力传感器（11）、位移传感器（34）、光电编码器（29）组成，所述测力传感器（11）的一端固定在机架后侧板（10）上，另一端与测力车架组的上板（9）后部连接，所述位移传感器（34）一端通过黏贴的方式与移动车架组的车架组上板（5）固定连接，另一端固定在机架前侧板（35）上，所述光电编码器（29）通过螺钉固定在直流伺服电机（30）后部。
3.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的三自由度调整单元是由机架（12）、楔形调整块（14）、楔形导轨（15）、x、y方向手动调整工作台（16、17）、锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ（19-1、19-2）组成，所述机架（12）的下方安装有楔形导轨（15），x、y方向手动调整工作台（16、17）是由在x、y方向具有两个自由度平移的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ（19-1、19-2）构成，其x方向的调整丝杠通过一组x方向万向节（23）与仪器外部的x方向操纵手轮（22-2）连接，y方向的调整丝杠通过一对啮合的锥齿轮组Ⅰ、Ⅱ（19-1、19-2）、连接杆（20）及一组y方向万向节（21）与外部的y方向操纵手轮（22-1）连接，x、y方向手动调整工作台（16、17）通过螺钉分别与上部的楔形导轨（15）和底部的底座连接板（18）连接，所述底座连接板（18）与显微组件的载物台连接。
4.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的测力车架组是由方螺母（4）、滑动螺母（36）、测力车架组上板（9）、冲头座（8）组成，引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2）的光杠（2-A）部分和测力车架组的滑动螺母（36）的内孔紧密配合，使测力车架组沿光杠（2-A）做微小位移，所述的测力车架组的冲头座（8）后面与力传感器（11）的一端连接，通过测力车架组对力传感器（11）施加的力来测得弯曲过程中的力信号。
5.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的移动车架组是由方螺母（4）、精密丝杠螺母（33）、移动车架组上板（5）、冲头座（8）组成，所述精密丝杠螺母（33）与引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2）的精密滚珠丝杠（2-B）部分啮合，通过引导杠Ⅰ、Ⅱ（2-1、2-2）的转动带动移动滑动组轴向沿精密滚珠丝杠（2-B）运动，移动车架组上板（5）通过沉头螺钉固定连接在方螺母（4）上部。
6.根据权利要求1所述的显微组件下跨尺度原位微微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的冲头（7）与试件的形状结构相配合。
7.根据权利要求1或5所述的显微组件下跨尺度原位微微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的移动车架组的运动在微米级的范围内。
8.根据权利要求1或2所述的电镜下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的直流伺服电机（30）与高线数的编码器（29）或外部伺服驱动电路相配合，直流伺服电机（30）配合高线数的编码器（29）可使输出的运动具有多种方式，所述的直流伺服电机（30）可以通过外部伺服驱动电路的控制，使测试试验部分的加载方式多样化，既可以为连续加载，也可以为间歇加载。
9.根据权利要求1或6所述的显微组件下跨尺度原位微纳米三点/四点弯曲测试装置，其特征在于：所述的冲头（7）加载的观测区下方设置对试件进行加热或冷却的装置。
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