CN102621014A - 一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，属于MEMS微电子机械系统技术基础研究领域。包括上夹具体、下夹具体、内六角螺钉和加载杆件。在装卡时，将薄膜试样的夹持部分对正放入下夹具体上表面的四个凹槽中，通过螺钉将上夹具体与下夹具体进行紧固配合，实现试样的完全装卡。加载杆件上部与微机械疲劳试验机的加载装置相连接，随后通过加载装置控制加载杆件穿过上夹具体对试样实现多轴加载。由于加载杆件和试样都具有对称的结构以及保证了两者之间良好的垂直对中性，因此通过控制加载杆件上下脉动循环加载，达到对试样的等比例双向十字拉伸疲劳试验的目的。

Description

一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，属于MEMS(Micro-Electro-Mechanical system，微电子机械系统)技术基础研究领域。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical system，微电子机械系统)它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。研究发现，许多材料在宏观尺度下与在微纳米尺度下表现出不同的特性，如在宏观状态下硅属于脆性材料，但其在微纳米尺度范围内却表现出疲劳特性。许多金属薄膜，特别是铜薄膜的疲劳强度随薄膜厚度的减少而明显升高，因此研究材料在微纳米尺度下的疲劳特性对于MEMS可靠性设计及寿命预测意义重大。
目前，国内外的一些学者主要采用微力试验机开展疲劳性能测试，并且主要集中在对微型试件的单向拉伸疲劳研究方面，在试验过程中通常会遇到试样难以操纵、装卡和对中等方面的困难。鉴于微薄膜构件常工作于双向十字拉伸的多轴应力状态下，有必要设计一种用于微薄膜构件疲劳特性研究的双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，并且能够有效利用现有的单轴疲劳试验系统进行多轴疲劳试验。
发明内容
本发明的目的在于克服了上述困难，提供了一种用于微薄膜构件疲劳特性研究的双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，本装置能够使薄膜试样处于双向十字拉伸的多轴受力环境中，对试样的双向拉伸疲劳特性进行研究。同时本装置还具有结构简单、易于加工、定位精度高的优点。
为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：基于能实现单轴拉压脉动循环加载的微机械疲劳试验机，微机械疲劳试验机包含底座以及加载装置，主要包括有上夹具体(1)、下夹具体(2)、内六角螺钉(3)和加载杆件(4)。
下夹具体(2)为一截面为正方形的长方体结构，下夹具体(2)下表面的中心位置为一螺杆，用于将下夹具体(2)固定在微机械疲劳试验机底座上；下夹具体(2)上表面中心位置设置一截面为正方形的长方体凹槽，该长方体凹槽的四边与下夹具体上表面四边平行；在下夹具体(2)上表面上开有4条相同的长方体小凹槽，该长方体小凹槽分别位于下夹具体上表面四条棱边的中间位置，且分别与下夹具体上表面的四条棱边垂直，并且贯穿下夹具体上表面；上夹具体(1)为一长方体结构，其截面与下夹具体截面大小相同；上夹具体(1)中间部分垂直贯通，且贯通部分的截面与下夹具体中间位置的长方体凹槽的截面大小一致；上夹具体(1)下表面上设有4个长方体小凸台，该小凸台与下夹具体上表面上4个长方体小凹槽配合用于固定夹紧；上夹具体(1)和下夹具体(2)通过内六角螺钉(3)固定连接；加载杆件(4)为一长方体结构，加载杆件(4)上表面中心位置为一螺杆，用于连接微机械疲劳试验机的加载装置，加载杆件(4)下表面中间位置设置一截面为正方形的凹槽，该凹槽的四边与加载杆件下表面四边平行；微机械疲劳试验机的加载装置推动加载杆件穿过上夹具体进行线接触加载，加载杆件的加载接触面为弧面。
下夹具体上表面中心位置的长方体凹槽的深度大于下夹具体上表面上开有的4条相同的长方体小凹槽的深度。这样可防止当试样在疲劳试验过程中突然断裂失效时，与加载杆件相连接的加载装置上的传感器因加载杆件下部与下夹具体中间位置的凹槽底部发生碰撞而损坏。
上夹具体和下夹具体通过均匀分布在四个顶角的内六角螺钉进行固定连接。
本发明的试验原理：该疲劳试验装置所应用的薄膜试样为十字花型，在装卡时，将试样的夹持部分对正放入下夹具体上表面的四个凹槽中，则试样水平方向的自由度被完全限制，克服了试样操纵和对中的困难。通过螺钉将上夹具体与下夹具体进行紧固配合，实现试样的完全装卡。加载杆件上部与微机械疲劳试验机的加载装置相连接，随后通过加载装置控制加载杆件穿过上夹具体对试样实现多轴加载，它的具体原理是：当加载杆件下表面四周边与十字花型薄膜试样接触下压时，由于加载杆件和试样都具有对称的结构以及保证了两者之间的良好垂直对中性，所以当仅控制加载杆件实现上下的脉动循环加载时，可以间接实现对试样的等比例双向十字拉伸疲劳试验效果。
有益效果
1)结构精巧简单，操作方便。2)上下夹具体分别采用凸台和凹槽进行装配，使试件易于装卡、对中精度高。3)上下夹具体通过内六角螺钉进行紧固，简单可靠。4)利用加载杆件与试样的良好垂直对中性，可通过设置单个加载条件实现双向十字多轴加载。
附图说明
图1是本发明上夹具体的结构示意图。
图2是本发明上夹具体的俯视图。
图3是本发明上夹具体的仰视图。
图4是本发明下夹具体的结构示意图。
图5是本发明下夹具体的俯视图。
图6是本发明下夹具体的仰视图。
图7是本发明加载杆件的结构示意图。
图8是本发明加载杆件的左视图。
图9是本发明所适用的十字花型薄膜试样的结构示意图。
图10是本发明装配完毕后的俯视图。
图11是本发明所有部件装配顺序的结构图。
图中1、上夹具体，2、下夹具体，3、内六角螺钉，4、加载杆件，5、十字花型薄膜试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明主要是由上夹具体、下夹具体、加载杆件以及内六角螺钉四个独立部分构成。进行双向十字拉伸疲劳试验时，试样(5)夹持于上下两个夹具体之间。下夹具体(2)的下表面中心位置为一螺纹杆，用于将下夹具体(2)固定在拉伸疲劳试验机底座上。下夹具体(2)上表面中心位置为一截面为正方形的长方体凹槽，该长方体凹槽的四边与下夹具体上表面四边平行，且两者中心轴重合，下夹具体(2)上表面四条棱边的中间位置开有4条相同的长方体小凹槽，这四个小凹槽分别与下夹具体上表面的四条棱边垂直，并且贯穿下夹具体上表面；此外四个螺纹孔均匀分布在上表面顶角处；上夹具体(1)中间部分垂直贯通，且贯通部分的截面与下夹具体中间位置的长方体凹槽的截面大小一致；四个顶角处开有通孔。上夹具体(1)下表面上有4个长方体小凸台，该小凸台与下夹具体(2)上4个长方体小凹槽配合用于固定夹紧加载试样(5)。上下夹具体通过四个顶角的螺纹孔、通孔和内六角螺钉(3)进行紧固。加载杆件(4)上表面中心位置为一螺杆结构，用于连接疲劳试验机的加载装置。加载杆件(4)下表面中间位置为一截面为正方形的凹槽，该凹槽的四边与加载杆件下表面四边平行；加载杆件与加载试样的接触面为弧面。
下夹具体上表面中心位置的长方体凹槽的深度大于下夹具体上表面上开有的4条相同的长方体小凹槽的深度。
进行试样装卡时，先将下夹具体(2)通过底部的螺杆固定在拉伸疲劳试验机底座上，再将加载试样(5)对中放置在下夹具体(2)的四个小凹槽内，然后将上夹具体(1)有凸台的一面与下夹具体(2)进行对正装配，落座完毕后，利用四周的螺钉孔、通孔和内六角螺钉(3)进行试样紧固。试样装卡完毕后，由于上下夹具体的高精度配合，保证了试样的定位精度和对中性。随后将加载杆件(4)连接到疲劳试验机的加载装置上，在此过程中尽量保证加载杆件(4)与下方已固定的加载试样(5)垂直对正。
最后，通过微计算机控制微机械疲劳试验机的加载装置缓缓下降到一定高度，使加载杆件(4)的下表面与加载试样(5)平行接触。然后在微计算机上设定加载条件，包括加载载荷谱、加载频率、过载保护等等，控制加载杆件(4)进行上下脉动循环加载。在这过程中，由于加载试样(5)的四条边同步承受相同的向下载荷，使得试样的中间部位受到等比例双向十字拉伸，从而间接实现对试样的双向十字拉伸多轴疲劳试验效果。

Claims (3)

1.一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，基于能实现单轴拉压脉动循环加载的微机械疲劳试验机，微机械疲劳试验机包含底座以及加载装置，其特征在于：还设置了上夹具体(1)、下夹具体(2)、内六角螺钉(3)和加载杆件(4)，下夹具体(2)为一截面为正方形的长方体结构，下夹具体(2)下表面的中心位置为一螺杆，用于将下夹具体(2)固定在微机械疲劳试验机底座上；下夹具体(2)上表面中心位置设置一截面为正方形的长方体凹槽，该长方体凹槽的四边与下夹具体上表面四边平行；在下夹具体(2)上表面上开有4条相同的长方体小凹槽，该长方体小凹槽分别位于下夹具体上表面四条棱边的中间位置，且分别与下夹具体上表面的四条棱边垂直，并且贯穿下夹具体上表面；上夹具体(1)为一长方体结构，其截面与下夹具体截面大小相同；上夹具体(1)中间部分垂直贯通，且贯通部分的截面与下夹具体中间位置的长方体凹槽的截面大小一致；上夹具体(1)下表面上设有4个长方体小凸台，该小凸台与下夹具体上表面上4个长方体小凹槽配合用于固定夹紧；上夹具体(1)和下夹具体(2)通过内六角螺钉(3)固定连接；加载杆件(4)为一长方体结构，加载杆件(4)上表面中心位置为一螺杆，用于连接微机械疲劳试验机的加载装置，加载杆件(4)下表面中间位置设置一截面为正方形的凹槽，该凹槽的四边与加载杆件下表面四边平行；微机械疲劳试验机的加载装置推动加载杆件穿过上夹具体进行线接触加载，加载杆件的加载接触面为弧面。
2.根据权利要求1所述的一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的下夹具体上表面中心位置的长方体凹槽的深度大于下夹具体上表面上开有的4条相同的长方体小凹槽的深度。
3.根据权利要求1所述的一种微薄膜结构双向十字拉伸多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述的上夹具体和下夹具体通过均匀分布在四个顶角的内六角螺钉进行固定连接。
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