CN105115822B - 一种高普适性单轴滑杆式应变仪 - Google Patents
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Abstract
一种高普适性单轴滑杆式应变仪，包括双滑杆，套在双滑杆两端并固定的前部压头和尾部拉头，套在双滑杆上并位于前部压头和尾部拉头间的滑块，通过固定块上的螺丝限位固定在尾部拉头中间的直线推进器，直线推进器的顶端与滑块接触，通过直线推进器的伸缩对滑块的推动实现力的定量与高精度加载和卸载，双滑杆位于前部压头和滑块之间的一段上套有对滑块进行复位的弹簧，弹簧的长度大于等于双滑杆长度的一半；滑块一端和前部压头对应位置处布置有一对压片，滑块另一端和尾部拉头对应位置处布置有两对压片；本发明应变仪具有体积小、制造成本低的特点，试样制备简单，能够均匀单轴向施加应变、同时进行拉伸压缩实验，具有高普适性的优势。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种高普适性单轴滑杆式应变仪,可以适用多尺度样品，并能够配合其他多种分析仪器在多环境(例如不同的气氛或温度)下使用，具有极高的普适性。
背景技术
原子外层电子结构密切关系材料的物理化学性能，而原子间距离的改变(施加弹性应变)又影响外层电子结构，相应的，材料的物理、化学性能也随之改变。因此，通过施加弹性应变为可控、可逆、定量的调控材料的物理、化学性能提供了新思路，即所谓的“弹性应变工程”。然而，传统的力学加载方式主要针对的是宏观尺度的材料且难于同时测量其他材料的物理、化学性能，而当材料尺寸减小到微纳尺度时，传统的方式难以发挥作用。为了在多种不同尺度的材料上施加超大弹性应变的同时实现对材料多种物理、化学性能(如光学、热学、磁学、催化性能等)的测试，开发和发展一套简单、可靠且可以在多种实验研究仪器装置下使用的可实现多场耦合的应变产生仪就显得格外重要。
目前应用于微纳尺度材料的应变产生方式主要有MEMS(Micro-electromechanical Systems)和三/四点弯的方法。MEMS的优点在于具有测量精密程度高，单轴性能好的特点，但是其单个成本高，及易损坏且需要借助专用的样品杆来完成加载，目前主要应用在透射电子显微镜中。MEMS中现在主要使用的有PTP(Y.Oh,et al.,Micro/nano-mechanical test system employing tensile test holder with push-to-pulltransformer,EP2349913)以及H.D.Espinosa研究组设计的利用静电驱动和焦耳热驱动分别实现力控制和位移控制的测试系统(Y.Zhu,et al.,An electromechanical materialtesting system for in situ electron microscopy and applications[J],PNAS,2005)。MEMS一次只能够针对单一实验样品进行实验，同时制样方法较为困难，需借用昂贵的聚焦离子束(FIB)，利用机械手和铂沉积来完成样品的转移和固定。该过程需要较高的FIB技术才可以完成，而且整个过程耗时较长，大大增加了整个实验的成本。此外样品在FIB和TEM中也容易受到高能电子束和离子束的影响，对实验结果可能造成失真。这就需要一个制样简单并且易于与其他表征手段连用的测试样品台。
三/四点弯的应变产生方式的实施是将实验样品两端固定在金属板上，然后依靠三个或者四个力作用点使金属板形成弯曲。通过金属板表面将位移传递给实验样品的两个固定点从而实现力的传递，实现对实验样品的拉伸和压缩。如P.Yang研究组在“Giantpiezoresistance effect in silicon nanowires”文章中就使用了这种方式(R.He,P.Yang,Giant piezoresistance effect in silicon nanowires[J],NatureNanotechnology,2006)。该方法具有制样简单并且易于与其他表征手段连用的特点，但是这种应变产生方式不能够实现应变的连续可调和纯单轴拉伸。该实用新型相比于这种方式的优点就在于可实现单轴拉伸，双向应变，定量控制，加载过程中样品上下位移小，易于原位实时观察。
此外,对于宏观膜状材料的测试系统大多体积庞大，虽然在力学性能参数的测试上确实拥有不可替代的优点，但绝大多无法与其他仪器联用，无法获得对材料力学行为与结构演变的深层次的关系。相比较，该应变仪就可以和多种光谱仪、衍射仪等材料结构、性能的表征设备联用。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高普适性单轴滑杆式应变仪，该应变仪具有体积小、制造成本低、实验成本低、制样简单的特点，可以避免高能电子束和离子束影响，能够观察视野内所有样品，并能够均匀单轴向施加应变、同时进行拉伸压缩实验，适合多场合使用，因此具有高普适性的优势。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种高普适性单轴滑杆式应变仪，包括双滑杆8，套在双滑杆8两端并依靠螺母限位固定的前部压头1和尾部拉头7，套在双滑杆8上并位于前部压头1和尾部拉头7间的滑块3，通过固定块5上的螺丝限位固定在尾部拉头7中间的直线推进器6，直线推进器6的顶端与滑块3接触，通过直线推进器6的伸缩对滑块3的推动实现力的定量与高精度加载和卸载，双滑杆8位于前部压头1和滑块3之间的一段上套有对滑块3进行复位的弹簧2，所述弹簧2的长度大于等于双滑杆8长度的一半；所述滑块3一端和前部压头1对应位置处布置有一对第一压片4-2，所述滑块3另一端和尾部拉头7对应位置处布置有两对第二压片4-1，所述第二压片4-1和第一压片4-2用于固定实验样品。
所述第二压片4-1和第一压片4-2的厚度为1～2mm。
所述第二压片4-1和第一压片4-2夹住实验样品的面为粗糙面，第一压片4-2作为施加压应力的部分，配合使用与水平面成30°～89°的斜坡，增加接触面积以及拐角咬合防止样品滑动。
所述压片第二压片4-1和第一压片4-2依靠沉孔螺钉固定，以保证应变产生仪上平面平整化。
所述第二压片4-1和第一压片4-2带有沉头孔的表面与两个沉头孔连线平行的最近的边加工有与水平面成30°～45°倒角。用以留下空间，适应高倍光镜镜头或者其他探测器外形，并防止切换镜头或探测器时与应变仪擦碰。
所述滑块3与双滑杆8的接触为依靠钢珠的点接触。
所述直线推进器6采用螺旋测微头。
实验样品的制备适合多尺度样品，具有高普适性；针对微观尺度样品，利用物理或化学方法将其固定在弹性载体上，然后利用第二压片4-1或第一压片4-2进行固定；针对宏观材料，直接利用第二压片4-1或第一压片4-2进行固定。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
本发明应变仪具有体积小、制造成本低、实验成本低、制样简单的特点；能够和其他仪器联用的特点，可以弥补目前显微镜下微纳测试样品台的不足，给予新的实验手段。可以避免高能电子束和离子束影响，能够观察视野内所有样品，并能够均匀单轴向施加应变、同时进行拉伸压缩实验，适合多场合使用，因此具有高普适性的优势。
附图说明
图1是本发明应变仪结构示意图。
图2(a)是第二压片结构示意图。
图2(b)为第一压片结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种高普适性单轴滑杆式应变仪，包括双滑杆8，套在双滑杆8两端并依靠螺母限位固定的前部压头1和尾部拉头7，套在双滑杆8上并位于前部压头1和尾部拉头7间的滑块3，通过固定块5上的螺丝限位固定在尾部拉头7中间的直线推进器6，直线推进器6的顶端与滑块3接触，通过直线推进器6的伸缩对滑块3的推动实现力的定量与高精度加载和卸载，双滑杆8位于前部压头1和滑块3之间的一段上套有对滑块3进行复位的弹簧2，所述弹簧2的长度大于等于双滑杆8长度的一半；所述滑块3一端和前部压头1对应位置处布置有一对第一压片4-2，所述滑块3另一端和尾部拉头7对应位置处布置有两对第二压片4-1，所述第二压片4-1与第一压片4-2用于固定实验样品。如此能够实现三组样品的同时测试，并为仪器使用的可靠性提供保障(即使两组压片损坏也不会影响应变产生仪的使用)。
所述第二压片4-1和第一压片4-2的厚度为1～2mm，薄压片设计使样品尽可能的处于整个应变仪的最高点，从而确保了可使用短工作距离的高倍镜头进行应变过程中的实时观察。
如图2(a)和图2(b)所示，所述第二压片4-1和第一压片4-2夹住实验样品的面为粗糙面，结合螺丝固定压片的设计保证了整个加载过程中柔性基底不会发生滑动。其中第一压片4-2作为施加压应力的部分，配合使用与水平面成30°～89°的斜坡，增加接触面积以及拐角咬合防止样品滑动。
所述第二压片4-1和第一压片4-2依靠沉孔螺钉固定，以保证应变产生仪上平面平整化。
所述第二压片4-1和第一压片4-2带有沉头孔的表面将与两个沉头孔连线平行的最近的边加工有与水平面夹角成30°～45°的倒角。用以留下空间，适应高倍光镜镜头或者其他探测器外形，并防止切换镜头或探测器时与应变仪擦碰。
所述滑块3与双滑杆8的接触为依靠钢珠的点接触。从而确保滑块的水平运动、最大化地减小滑块在行进中的转动，并且该点接触的方式可以大幅度减轻直线推进器6的磨损、延长其使用寿命。
直线推进器6依靠螺钉压住固定在尾部拉头7上，可方便更换。滑块3的复位依靠它和前部压头1之间套在双滑杆8上的弹簧2来实现。
所述直线推进器6采用螺旋测微头。
实验样品的制备适合多尺度样品，具有高普适性；针对微观尺度样品，利用物理或化学方法将其固定在弹性载体上，然后利用第二压片4-1或第一压片4-2进行固定；针对宏观材料，直接利用第二压片4-1或第一压片4-2进行固定。
本发明的工作原理为：将长条状实验样品用第二压片4-1压住固定在滑块3和尾部拉头7间或者用第一压片4-2压住固定在滑块3和前部压头1间，然后用螺丝将压片固定好；伸缩直线推进器6使样品自然伸直，此时即为初始位置。然后将应变仪固定在用于观察的样品台上，并利用光镜，遵循先低倍后高倍的原则寻找合适的样品；利用直线推进器6推动滑块3向前部压头1方向推动，就能够对夹在尾部拉头7和滑块3之间的实验样品施加拉应力，而对位于滑块3和前部压头1之间的则是弯曲应力，上弯提供拉应力，下弯提供压应力。通过对直线推进器6的读数或者读数差，来获得应变的大小。通过观察仪器获得实验样品在受应力时的信息。应变仪可以固定在光学显微镜、PL、CL或者XRD的样品台上，结合这些仪器能够得到应力条件下材料的其他性质。
针对宏观材料，可直接将其制成尺寸合适的长条状。而针对微纳尺度材料，需要将样品分散在条形的柔性基底上表面，或者将样品包埋在柔性基底中。
Claims (5)
1.一种高普适性单轴滑杆式应变仪，其特征在于：包括双滑杆(8)，套在双滑杆(8)两端并依靠螺母限位固定的前部压头(1)和尾部拉头(7)，套在双滑杆(8)上并位于前部压头(1)和尾部拉头(7)间的滑块(3)，通过固定块(5)上的螺丝限位固定在尾部拉头(7)中间的直线推进器(6)，直线推进器(6)的顶端与滑块(3)接触，通过直线推进器(6)的伸缩对滑块(3)的推动实现力的定量与高精度加载和卸载，双滑杆(8)位于前部压头(1)和滑块(3)之间的一段上套有对滑块(3)进行复位的弹簧(2)，所述弹簧(2)的长度大于等于双滑杆(8)长度的一半；所述滑块(3)一端和前部压头(1)对应位置处布置有一对第一压片(4-2)，所述滑块(3)另一端和尾部拉头(7)对应位置处布置有两对第二压片(4-1)，所述第二压片(4-1)和第一压片(4-2)用于固定实验样品；所述第二压片(4-1)和第一压片(4-2)夹住实验样品的面为粗糙面，第一压片(4-2)作为施加压应力的部分，配合使用与水平面成30°～89°的斜坡，增加接触面积以及拐角咬合防止样品滑动；所述第二压片(4-1)和第一压片(4-2)依靠沉孔螺钉固定，以保证应变产生仪上平面平整化；第二压片(4-1)和第一压片(4-2)带有沉头孔的表面与两个沉头孔连线平行的最近的边加工有与水平面成30°～45°倒角。
2.根据权利要求1所述的一种高普适性单轴滑杆式应变仪，其特征在于：所述第二压片(4-1)和第一压片(4-2)的厚度为1～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种高普适性单轴滑杆式应变仪，其特征在于：所述滑块(3)与双滑杆(8)的接触为依靠钢珠的点接触。
4.根据权利要求1所述的一种高普适性单轴滑杆式应变仪，其特征在于：所述直线推进器(6)采用螺旋测微头。
5.根据权利要求1所述的一种高普适性单轴滑杆式应变仪，其特征在于：实验样品的制备适合多尺度样品，具有高普适性；针对微观尺度样品，利用物理或化学方法将其固定在弹性载体上，然后利用第二压片(4-1)或第一压片(4-2)进行固定；针对宏观材料，直接利用第二压片(4-1)或第一压片(4-2)进行固定。
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