CN103543065B - 一种冰体纳米压痕试样台及相关实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种冰体纳米压痕试样台及相关实验方法。冰体纳米压痕试样台，属于微尺度力学性能测试技术领域。在试样台的台体上设有容置降温材料的容置槽I（1），容置槽I（1）内设有一层隔热材料（2），所述容置槽I(1)内设有升降台(4)，升降台(4)上安装有容置冰体材料的容置槽II(2)；所述压头压入部分同装卡部分之间有隔热层，所述装卡部分同纳米压痕仪压头卡具相配合。本专利主要采用通过降温材料对被测材料进行控温，整个实验所需材料制备简单，成本低廉，易于实现，从而优化了整个实验过程。

Description

一种冰体纳米压痕试样台及相关实验方法
技术领域
本发明涉及一种试样台，特别是涉及配合纳米压痕仪进行冰体实验时所使用的试样台。
本发明还涉及使用上述的试样台、压头进行纳米压痕实验的方法，属于微尺度力学性能测试技术领域。
背景技术
当前基于纳米压痕法的材料力学性能实验已经成为材料微结构力学性能检测的有效方法，广泛的应用于常温环境下微结构力学性能的研究。然而在室内对于冰体，通过纳米压痕仪进行微结构力学性能实验却存在着许多难题，尤其是测量薄膜冰体的力学性能尚未被报道，如低温状态下具有形状记忆效应的聚合物薄膜力学性能。第一，常规控制温度的方法是将纳米压痕仪的加载系统封闭在控温柜中，通过调节环境温度实现低温。由于加载系统无法承受过低的温度，这种方法无法将被测材料降到零度以下。
第二，常规方法通过冰将被测材料温度降低到零度左右，但冰融化会污染试样表面，使得测试结果有偏差。
第三，纳米压痕测试周期较长，要求材料在实验过程保持恒定状态。实验时压头同冰体接触，会不断传热，使得被测点温度升高，测试结果分散度很大。第四，低温制备的冰体，表面会有凸起、凹陷和气泡，使得被测表面粗糙度较大，无法进行纳米压痕实验。
发明内容
本发明的冰体纳米压痕试样台可以防止冰体在实验过程中的融化，保持冰冻状态，从而通过纳米压痕仪得到其微尺度下的力学性能。
其中冰体纳米压痕试样台，其特征在于：在试样台的台体上设有容置降温材料的容置槽I1，容置槽I1内设有一层隔热材料I2，所述容置槽I1内设有升降装置4，升降装置4上安装有容置冰体材料的容置槽II3。压头压入部分7同装卡部分5之间有隔热材料II6，所述装卡部分5同纳米压痕仪压头卡具相配合。
所述的容置槽I1的形状为矩形；所述容置槽II2位于所述台体中央位置处。
所述的升降台4采用隔热材料，防止升降装置由于低温冷冻导致的无法调节。
所述台体底部中心位置开有螺栓孔，螺栓孔内的内螺纹与升降装置的外螺纹相配合，通过螺旋从而实现升降装置上下方向高度的调节。
所述的试样台进行纳米压痕实验的方法，具体步骤如下：首先将液体注入容置槽II2内，降温材料放置于安装有隔热材料I2的容置槽I1内，当液体冻结成冰体后，通过砂纸将表面打磨，降低冰体表面粗糙度，并使得冰体同容置槽II2的边缘高度一致。将压头压入部分7装入纳米压痕仪压头卡具中，将试样台装入纳米压痕仪的试样卡具中。调节升降装置高度，保证冰体高度符合纳米压痕仪测试高度。
本专利所使用的实验方法能保证在整个实验过程中冰体处于冰冻状态，由于有效的降温材料并对冰体进行打磨，使整个实验材料的温度不会发生很大的变化并使得表面有较低的粗糙度，从而保证了实验数据的可靠性、稳定性、真实性。如果采用通过调节环境温度实现低温，这样会影响到纳米压痕仪的正常工作温度，会对仪器造成损害，本专利有效的保证了试样的温度，且通过隔热材料的保护，不会对仪器造成任何低温带来影响。增加了隔热材料的压头，实验时会不会传热，解决了被测位置温度升高的问题，也降低了测试结果的分散度。本专利主要采用通过降温材料对被测材料进行控温，整个实验所需材料制备简单，成本低廉，易于实现，从而优化了整个实验过程。
附图说明
图1本发明冰体微结构纳米压痕实验台实施例视图。
图2改装后压头形貌
图3低温环境下树脂薄膜微尺度粘弹性性能。
图4低温环境下形状记忆聚合物薄膜微尺度粘弹性性能。
图中：1、容置槽I，2、隔热材料I，3、容置槽II，4、升降装置,5、装卡部分，6、隔热材料II，7、压入部分。
具体实施方式
下面结合附图图1至图4对本发明的冰体纳米压痕试样台及相关的实验方法作进一步详细说明。
本发明的冰体纳米压痕试样台，其特征在于：在试样台的台体上设有容置降温材料的容置槽I1，容置槽I1内设有一层隔热材料I2，所述容置槽I1内设有升降装置4，升降装置4上安装有容置冰体材料的容置槽II3。所述压头压入部分同装卡部分之间有隔热材料II2，压头压入部分7同装卡部分5之间有隔热材料II6，所述装卡部分5同纳米压痕仪压头卡具相配合。
本发明相关的实验方法，其具体步骤如下：首先将液体注入容置槽II3内，降温材料放置于安装有隔热材料I2的容置槽I1内，当液体冻结成冰体后，通过砂纸将表面打磨，降低冰体表面粗糙度，并使得冰体同容置槽II3的边缘高度一致。将压头压入部分装入纳米压痕仪压头卡具中，将试样台装入纳米压痕仪的试样卡具中。调节升降台高度，保证冰体高度符合纳米压痕仪测试高度。
实例1
应用冰体纳米压痕试样台检测低温环境下树脂薄膜的力学性能时，首先将作为基底材料的玻璃块装入容置槽II3中，玻璃块高度低于容置槽II3边缘高度200微米，将搅拌均匀的树脂浇筑在玻璃块表面，树脂高度高于容置槽II3约1毫米，将降温材料干冰倒入容置槽I1内，十五分钟后通过3000目砂纸研磨表面1分钟，使得树脂高度同容置槽II3边缘高度相同，通过粗呢绒继续抛光1分钟。将压头装入纳米压痕仪压头卡具中，将试样台装入纳米压痕仪的试样卡具中。调节升降装置高度，保证冰体高度符合纳米压痕仪测试高度。保持压头压入深度为50纳米5分钟，待温度稳定后开始测试。最大加载力为10毫牛,加载完成后保持载荷大小不变300秒，得到树脂薄膜的粘弹性性能，结果如图3所示。5次实验得到在树脂薄膜上平均压入深度为278纳米，蠕变量为43纳米。
实例2
应用冰体纳米压痕试样台检测低温环境下形状记忆聚合物薄膜的力学性能时，首先将作为基底材料的玻璃块装入容置槽II3中，玻璃块高度低于容置槽II3边缘高度200微米，将搅拌均匀的形状记忆聚合物浇筑在玻璃块表面，形状记忆聚合物高度高于容置槽II31毫米左右，将降温材料干冰倒入容置槽I1内，半小时后通过1500目砂纸研磨表面1分钟，2000目砂纸研磨表面1分钟，使得形状记忆聚合物薄膜高度同容置槽II3边缘高度相同。将压头装入纳米压痕仪压头卡具中，将试样台装入纳米压痕仪的试样卡具中。调节升降台高度，保证冰体高度符合纳米压痕仪测试高度。保持压头压入深度为50纳米5分钟，待温度稳定后开始测试。最大加载力为10毫牛,加载完成后保持载荷大小不变300秒，得到形状记忆聚合物薄膜的粘弹性性能，结果如图4所示。5次实验得到在树脂薄膜上平均压入深度为1575纳米，蠕变量为427纳米。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.冰体纳米压痕试样台，其特征在于：在试样台的台体上设有容置降温材料的容置槽I(1)，容置槽I(1)内设有一层隔热材料I(2)，所述容置槽I(1)内设有升降装置(4)，升降装置(4)上安装有容置冰体材料的容置槽II(3)；压头压入部分(7)同装卡部分(5)之间有隔热材料II(6)，所述装卡部分(5)同纳米压痕仪压头卡具相配合。
2.根据权利要求1所述的冰体纳米压痕试样台，其特征在于：所述的容置槽I(1)的形状为矩形；所述容置槽II(3)位于所述台体中央位置处。
3.根据权利要求1所述的冰体纳米压痕试样台，其特征在于：所述的升降装置(4)采用绝热材料，防止升降装置由于低温冷冻导致的无法调节。
4.根据权利要求1或2所述的冰体纳米压痕试样台，其特征在于：所述台体底部中心位置开有螺栓孔，螺栓孔内的内螺纹与升降装置(4)的外螺纹相配合，通过螺旋从而实现升降装置(4)上下方向的调节。
5.利用权利要求1或2所述的试样台进行纳米压痕实验的方法，其特征在于：具体步骤如下：首先将液体注入容置槽II(3)内，降温材料放置于安装有隔热材料I(2)的容置槽I(1)内，当液体冻结成冰体后，通过砂纸将表面打磨，降低冰体表面粗糙度，并使得冰体同容置槽II(3)的边缘高度一致；将压头装入纳米压痕仪压头卡具中，将试样台装入纳米压痕仪的试样卡具中；调节升降装置(4)高度，保证冰体高度符合纳米压痕仪测试高度。
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