CN103278386A - 薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统，它包括动态加载装置，所述的动态加载装置放置于光学显微镜下的三维精密平移台上，CCD相机安装在光学显微镜的目镜上端。本系统由步进电机和压电陶瓷构成的双系统拉伸装置，实现了集大位移、高精度于一体；可直接对薄膜材料进行静、动态加载；加载过程中可实时观测薄膜表面形貌变化，可实现非接触式局部应变的测量；本发明结构紧凑，使用方便。

Description

薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统

技术领域

本发明涉及一种适用于薄膜材料的静态拉、压加载和拉压疲劳动态加载以及测量的设备，属于材料力学、力学性能测试、光测力学技术领域。

背景技术

随着微纳米科学技术的发展，微电子机械系统（MicroElectro-MechanicalSystem，MEMS）的应用越来越广泛，各类薄膜是MEMS的基本材料形态，经常被制做成微机械结构；薄膜在工业中也有着广泛的应用，例如用于机械部件、建筑构件或装饰品的耐氧化、防腐蚀和力学性能的改善等。而这些薄膜的性能直接影响到系统的可靠性和寿命，因此对这类材料的力学特性进行准确可靠的测试至关重要，尤其现在研究的柔性器件以及传感皮肤等更是要求薄膜材料具有更大的延展性和抗疲劳性能。由于常规的手段对薄膜材料的动态性能测试无能为力，需要设计针对薄膜材料的动态加载测量系统。

为解决薄膜材料的力学性能测试问题，研究人员发明了多种微力加载装置。在此基础上，西安交通大学的孙军等发明的一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的方法[申请号200510096133.4]，其原理是将金属薄膜沉积在柔性基板上，通过微拉力试验机对试件进行加、卸载，由于基板材料和金属薄膜的弹性性能的差别实现对金属薄膜的疲劳加载；中国科学院金属研究所的张广平等发明的薄膜材料电/热/力耦合作用下性能测试系统及测试方法[申请号200610047538.3]，其原理是利用交流电所引起的金属薄膜中的焦耳热及薄膜/基体的热膨胀系数差异形成的热循环应力，实现对金属薄膜的热疲劳加载。以上提到的方法针对金属薄膜材料，同时要求基底材料和薄膜材料的物理性能（弹性性能、热膨胀性）有比较明显的差别才可以测试，并且都是通过间接方法实现对材料的动态加载，加载频率不高，无法定量描述动态加载下材料的力学参量。

哈尔滨工业大学的闫永达等发明的原位纳米拉伸实验测量检测装置[申请号200810064383.3]，使机械性能测量和微观形貌检测两个独立的过程合二为一成为可能，然而其加载位移精度较低，不利于试样的微纳加载测试；清华大学的谢惠民等发明的低维材料动态拉伸加载测量系统[申请号200910131921.0]，实现了高频率加载条件下低维材料的动态性能测试，由于压电陶瓷作为驱动元件，该系统的加载位移范围小，无法实现高精度、大位移的加载测试。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可对试件施加静态拉、压载荷和实现拉压疲劳动态加载，加载时可以满足对力和位移大小的精确控制，能够实现各种薄膜材料动态性能测试，结构合理，运动顺畅，使用方便的薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统，它包括动态加载装置，所述的动态加载装置放置于光学显微镜下的三维精密平移台上，CCD相机安装在光学显微镜的目镜上端，所述的动态加载装置包括安装在底座上的步进电机，所述的步进电机的电机轴与双向滚珠丝杠通过联轴器连接，所述的双向滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的双向滚珠丝杠螺纹上连接有左、右丝杠螺母，在所述的左、右丝杠螺母上分别安装有左、右载物台，所述的左、右载物台与安装在底座上的导轨通过滑块滑动连接以导向，在所述的左载物台上固定连接有基座和左端支撑，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的右载物台后部固定连接有右端支撑并且在位于右端支撑前方的右载物台上通过燕尾槽滑动连接有一个右夹具，在所述的右夹具上开有内槽，支撑墙设置在右夹具内槽内并固定在右载物台上，在所述的支撑墙后壁与右夹具内槽后壁间固定有压电陶瓷，在所述的右端支撑凹槽内安装有减震橡胶弹簧并且减震橡胶弹簧的前端与右夹具后壁压紧设置，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在右夹具的一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，在所述的底座侧面固定有两个限位开关，一个数据采集卡与步进电机的驱动器、力传感器的变送器、光栅尺位移传感器和限位开关相连，所述的数据采集卡、压电陶瓷的驱动电源和CCD相机与一台计算机相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器和光栅尺位移传感器以及限位开关的信号并将信号传递给计算机，所述的计算机根据采集的信号进行信号处理后，再通过数据采集卡向步进电机的驱动器发送控制指令控制步进电机的转动，通过所述计算机控制所述压电陶瓷的驱动电源的输出波形和频率以控制所述压电陶瓷的位移和加载频率，所述的CCD相机用于采集不同时刻试件表面的图像，并储存到所述的计算机中。

本系统由步进电机和压电陶瓷构成的双系统拉伸装置，实现了集大位移、高精度于一体；可直接对薄膜材料进行静、动态加载；加载过程中可实时观测薄膜表面形貌变化，可实现非接触式局部应变的测量；本发明结构紧凑，使用方便。采用本系统可对试件施加静态拉、压载荷和实现拉压疲劳动态加载，加载时可以满足对力和位移大小的精确控制，能够实现各种薄膜材料动态性能测试，结构合理，运动顺畅。

附图说明

图1为本发明的薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统的结构示意图；

图2为图1所示的加载测量系统中的动态加载装置的三维结构示意图；

图3为本发明图1中所示动态加载装置的夹具结构示意图；

图4为本发明的工作原理图；

图5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6为利用本发明对试件进行步进式静态拉伸加载得到的薄膜表面形貌变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图所示的本发明的薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统，它包括动态加载装置1，所述的动态加载装置放置于光学显微镜4下的三维精密平移台2上，CCD相机6安装在光学显微镜的目镜上端，所述的动态加载装置包括安装在底座27上的步进电机7，所述的步进电机的电机轴与双向滚珠丝杠24通过联轴器8连接，所述的双向滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座20内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的双向滚珠丝杠螺纹上连接有左、右丝杠螺母25，在所述的左、右丝杠螺母上分别安装有左、右载物台11、22，所述的左、右载物台与安装在底座上的导轨21通过滑块滑动连接以导向，在所述的左载物台上固定连接有基座13和左端支撑9，一个力传感器10安装在左端支撑和左夹具12之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的右载物台后部固定连接有右端支撑18并且在位于右端支撑前方的右载物台上通过燕尾槽滑动连接有一个右夹具23，在所述的右夹具上开有内槽，支撑墙设置在右夹具内槽内并固定在右载物台上，在所述的支撑墙15后壁与右夹具内槽后壁间固定有压电陶瓷16，在所述的右端支撑凹槽内安装有减震橡胶弹簧19并且减震橡胶弹簧19的前端与右夹具后壁压紧设置，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头14固定在右夹具的一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺17粘接在所述的基座上，在所述的底座侧面固定有两个限位开关26；一个数据采集卡与步进电机的驱动器、力传感器的变送器、光栅尺位移传感器、限位开关相连，所述的数据采集卡、压电陶瓷的驱动电源和CCD相机与一台计算机5相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器和光栅尺位移传感器以及限位开关的信号并将信号传递给计算机，所述的计算机根据采集的信号进行信号处理后，再通过数据采集卡向步进电机的驱动器发送控制指令控制步进电机的转动，通过所述计算机控制所述压电陶瓷的驱动电源的输出波形和频率以控制所述压电陶瓷的位移和加载频率，所述的CCD相机用于采集不同时刻试件表面的图像，并储存到所述的计算机中。

下面再结合每一幅图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述的薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统，主要由动态加载装置1、控制器3（图中的控制器指数据采集卡、步进电机的驱动器、压电陶瓷的驱动电源、力传感器的变送器）、计算机5、三维精密平移台2、光学显微镜4组成。动态加载装置放置于光学显微镜下的三维精密平移台上，试件夹持在动态加载装置的夹具上，通过三维精密平移台调整试件在显微镜下的位置，通过计算机向控制器发出信号控制动态加载装置对试件进行加载，利用高倍光学显微镜观测加载前、后和整个加载过程中试件表面的形貌变化，同时可以通过CCD相机6采集各个时刻的图像信息，然后将采集到的图像信息在计算机里进行后处理，可以得试件表面各个时刻的应变场信息。

如图2所示，在安装试件之前，通过计算机向步进电机驱动器发出信号控制步进电机7的转动，步进电机轴的回转运动通过联轴器8传递给双向滚珠丝杠24，再由丝杠螺母25转换成左载物台11和右载物台22的直线运动，并带动固定在左载物台上的左夹具12和固定在右载物台上的右夹具23相向或相反方向运动；同时可通过计算机向压电陶瓷驱动电源发出信号控制压电陶瓷伸长或恢复原长，用以微调左、右夹具之间的距离，使得左、右夹具之间的距离恰好为预设初值。

如图3所示，将试件28放置在左夹具12和右夹具23上，分别将左夹具压片12-1和右夹具压片23-1压在试件上，利用左夹具定位块12-2和右夹具定位块23-2定位试件和压片的位置，然后用螺钉将压片固定在夹具上。

将整个动态加载装置1平放于光学显微镜4下三维精密平移台2上，调整三维精密平移台，使试件28位于显微镜视场中心，调整物距清晰成像；设定需要的加载的路径和速度，通过调整输出脉冲的个数和频率，利用控制系统控制步进电机7和压电陶瓷动作，实现对试件的静、动态加载。

采用本发明测量时，利用安装在基座13上的光栅尺主尺17和安装在右夹具23上的光栅尺读数头14测量左夹具12和右夹具23之间的距离，得到各个时刻的位移值；利用安装在左端支撑9和左夹具12之间的力传感器10测量各个时刻力的大小，并将测得的结果通过数据采集卡存储在计算机5中；利用光学显微镜4观察各个时刻试件表面的形貌，并利用CCD相机6采集各个时刻试件表面的图像存储于计算机5中。实验结束后，对采集到的信息进行后处理，得到试件的力学性能。

动态加载装置的工作过程如下：

如图4所示，为本发明的工作原理图。利用计算机中LabVIEW软件针对动态加载装置编好的控制程序，设定加载方式、位移方向，调整输出频率和脉冲数量，通过数据采集卡发出指令给步进电机驱动器控制步进电机的转动方向、速度和转动量，步进电机轴的回转运动通过联轴器传递给双向滚珠丝杠，再由丝杠螺母转换成左、右载物台的直线运动，并带动固定在左、右载物台上的左、右夹具相向或相反方向运动，试件两端分别固定在左、右夹具上并随着夹具一起运动，实现对试件的加载；加载过程中，光栅尺主尺随安装在左载物台上的基座一起运动，光栅尺读数头随右夹具一起运动，用以测量左夹具和右夹具之间的距离，得到各个时刻的位移值，与此同时利用安装在左端支撑和左夹具之间的力传感器测量各个时刻力的大小，并将测得的结果通过数据采集卡存储在计算机中，限位开关用以防止左、右载物台移动量超出正常范围；利用光学显微镜观察各个时刻试件表面的形貌，并利用CCD相机采集各个时刻试件表面的图像存储于计算机中。实验结束后，对采集到的信息进行后处理，得到试件的力学性能。

静态加载时，以步进式拉伸加载为例：安装好试件后，通过计算机上的软件设定加载方向为拉伸，调整步进电机转动速度和进给步长，点击开始，计算机发出指令给步进电机驱动器控制步进电机的转动方向、转速和转动量，运动传递到夹具上，使左夹具带着试件左端向左运动，右夹具带着试件右端向右运动，实现一次对试件的步进拉伸加载，根据实验的需要，不断触发软件实现对试件步进拉伸加载，以完成对试件的加载。

动态加载时，安装好试件后，通过计算机上的软件设定加载方式为：动态加载，调整最大拉伸位移、最大压缩位移、循环次数以及步进电机转动的速度，点击开始，计算机发出指令给步进电机驱动器控制步进电机运转，运动传递到夹具上，使夹具带着试件做相应运动，实现对试件的动态加载。

当需要对某一阶段进行微加载时，暂停步进电机的运动，利用计算机中压电陶瓷控制软件，调整输出频率和波形向压电陶瓷驱动电源发出信号控制压电陶瓷伸长，所述的压电陶瓷一端顶着固定在右载物台上的支撑墙，另一端推着右夹具向右运动，当压电陶瓷电压消失后恢复原长，在减震橡胶弹簧的作用下，使右夹具与压电陶瓷始终紧密接触并随压电陶瓷的收缩一起向左运动，当压电陶瓷接交流电时，电压反复升高降低，则右夹具反复左右运动，实现对固定在夹具上的试件进行拉伸和收缩，从而实现对试件的动态加载。

如图5所示为利用本发明对试件进行步进式静态拉伸加载，在500倍光学显微镜下用CCD相机采集到的薄膜表面形貌变化图：图5-1为加载前试件的表面形貌图，图5-2为整体平均应变拉伸到1%时试件表面的形貌图，可以看到右侧视场中薄膜表面产生了一条与加载方向垂直的微裂纹，继续对试件进行步进式加载，左侧视场中薄膜表面新增一条裂纹如图5-3所示，进一步加载，此裂纹延伸如图5-4所示，再对试件进行加载时，又会看到有新增的裂纹，并且原有裂纹会更加明显如图5-5所示，当整体应变到1.25%时，得到薄膜表面形貌如图5-6所示。

Claims (1)

1.薄膜材料拉压疲劳动态加载测量系统，其特征在于：它包括动态加载装置，所述的动态加载装置放置于光学显微镜下的三维精密平移台上，CCD相机安装在光学显微镜的目镜上端，所述的动态加载装置包括安装在底座上的步进电机，所述的步进电机的电机轴与双向滚珠丝杠通过联轴器连接，所述的双向滚珠丝杠的两端支撑设置在支撑座内，所述的支撑座固定在底座上，在所述的双向滚珠丝杠螺纹上连接有左、右丝杠螺母，在所述的左、右丝杠螺母上分别安装有左、右载物台，所述的左、右载物台与安装在底座上的导轨通过滑块滑动连接以导向，在所述的左载物台上固定连接有基座和左端支撑，一个力传感器安装在左端支撑和左夹具之间，所述的力传感器的一端与左端支撑固定相连并且其另一端与左夹具固定相连，在所述的右载物台后部固定连接有右端支撑并且在位于右端支撑前方的右载物台上通过燕尾槽滑动连接有一个右夹具，在所述的右夹具上开有内槽，支撑墙设置在右夹具内槽内并固定在右载物台上，在所述的支撑墙后壁与右夹具内槽后壁间固定有压电陶瓷，在所述的右端支撑凹槽内安装有减震橡胶弹簧并且减震橡胶弹簧的前端与右夹具后壁压紧设置，光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在右夹具的一侧侧面上，光栅尺位移传感器的光栅尺主尺粘接在基座上，在所述的底座侧面固定有两个限位开关，一个数据采集卡与步进电机的驱动器、力传感器的变送器、光栅尺位移传感器和限位开关相连，所述的数据采集卡、压电陶瓷的驱动电源和CCD相机与一台计算机相连，所述的数据采集卡用于采集力传感器和光栅尺位移传感器以及限位开关的信号并将信号传递给计算机，所述的计算机根据采集的信号进行信号处理后，再通过数据采集卡向步进电机的驱动器发送控制指令控制步进电机的转动，通过所述计算机控制所述压电陶瓷的驱动电源的输出波形和频率以控制所述压电陶瓷的位移和加载频率，所述的CCD相机用于采集不同时刻试件表面的图像，并储存到所述的计算机中。

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