CN105547858A - 一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置及测试方法，该装置包括底座和夹具，所述夹具包含左夹具块和右夹具块，左夹具块和右夹具块通过夹具螺杆安装在夹具机架上，夹具机架位于底座的前端，所述底座的后端安装有竖板，竖板的顶端安装有丝杠支撑座，丝杠支撑座上安装有丝杠，丝杠通过螺纹与丝杠螺母连接，丝杠螺母与运动台连接，丝杠的底端通过联轴器与位于底座内的驱动装置连接，运动台的两侧安装有滑块，竖板上设有与滑块配合的滑轨，所述运动台与传感器一端固定连接，传感器的另一端与压头连接。本发明首次将三点弯曲原理运用于测量玻璃非晶体材料弯曲性能，可测量直径在微米级别的玻璃微通道试样的弯曲性能。

Description

一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置及测试方法，属于测量脆性材料微管件或棒件的弯曲力学性能领域。

背景技术

微流体系统中，微通道承担着介质传输和单元连接的作用，是微流体系统的关键元器件。微通道的力学性能是微通道结构设计的基础，影响微通道的使用性能及寿命。

针对微通道等脆性材料微构件的力学性能研究，主要采用微弯曲法，可以得到微构件的弹性模量、弯曲强度等参数。目前，采用微弯曲法测量微构件力学性能的装置按结构组成可分为三类：第一类是采用原子力显微镜进行弯曲试验(TakahiroNamazu,YoshitadaIsono,TakeshiTanaka.PlasticDeformationofNanometricSingleCrystalSiliconWireinAFMBendingTestatIntermediateTemperatures[J].Journalofmicroelectromechanicalsystems,2002,11(2):125-134),试验平台价格昂贵，且对试验操作人的要求很高；第二类是改装纳米压入仪进行弯曲试验(H.D.Espinosa,B.C.Prorok,M.Fischer.AmethodologyfordeterminingmechanicalpropertiesoffreestandingthinfilmsandMEMSmaterials[J].JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids.2003(51):47-67)，测量装置结构复杂，操作要求高，价格昂贵；第三类是采用其他加载或测量原理进行弯曲试验(陆德仁,朱文玉,荣刚.微机械系统材料的应变测量装置[P]:中国,93225564.7,1994.01.26)，试验装置组成复杂，试验操作要求高。

现有测量装置结构组成大部分都采用压电陶瓷驱动，利用原子力显微镜或激光干涉技术辅助观察测量，结构复杂，设备昂贵，且操作要求高，不能普遍使用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置及测试方法，可测量直径在微米级别的玻璃微通道的弯曲性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，包括底座和夹具，所述夹具包含左夹具块和右夹具块，左夹具块和右夹具块上均设有V型槽，左夹具块和右夹具块通过夹具螺杆安装在夹具机架上，夹具机架位于底座的前端，所述底座的后端安装有竖板，竖板的顶端安装有丝杠支撑座，丝杠支撑座上安装有丝杠，丝杠通过螺纹与丝杠螺母连接，丝杠螺母与运动台连接，丝杠的底端通过联轴器与位于底座内的驱动装置连接，运动台的两侧安装有滑块，竖板上设有与滑块配合的滑轨，所述运动台与传感器一端固定连接，传感器的另一端与压头连接，传感器与数据采集单元连接，数据采集单元与计算机连接；玻璃微通道试样通过左夹具块和右夹具块夹紧，压头通过丝杠带动上下移动。

作为优选，所述压头为楔形状，楔形夹角为10°～120°，楔形夹角的顶部为过渡圆角，过渡圆角的半径为0.01～1mm；所述压头挤压被测玻璃微通道试样，并将挤压力传递给传感器，要求压头挤压部位为楔形，尖端采用圆弧过渡，以便适用于小尺寸跨距、小尺寸试样的弯曲试验，楔形夹角Φ为10°～120°，楔形夹角过渡圆角半径R为0.01～1mm。

作为优选，所述夹具由对称布置的差动螺旋机构组成，包括左右夹具机架、左右螺杆和左右夹具块等零件，夹具块上表面中间垂直于左右夹具块中心线方向加工有V型槽，用于玻璃微通道试样固定和支撑，要求左右夹具块两件配做，以确保夹具块V型槽共线及螺纹孔中心线重合。

作为优选，所述驱动装置与调速器连接，可实时调节加载速度，所述底座上设有导轨，左夹具块和右夹具块沿导轨运动，并通过手动调节实现跨距设定，所述数据采集单元接口连接PC机，由PC机实时显示数据采集曲线。

作为优选，所述夹具螺杆与夹具机架、左夹具块和右夹具块均为螺纹连接。通过导轨作用和差动螺纹的调节作用，使得左夹具块和右夹具块上的V型槽在同一直线上，精度高。

一种上述的玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

a)打开PC机数据采集软件，调试采集极限值，调节左右夹具块的位置及弯曲试验跨距，确定V型槽的中心与压头对中，将玻璃微通道试样放置在左夹具块和右夹具块的V型槽内固定；

b)确定加载参数，启动驱动装置，开始采集数据，玻璃微通道试样弯曲断裂时结束数据采集，关闭驱动装置；

c)从数据采集曲线中读取玻璃微通道试样弯曲时间及断裂极限力值，计算得到玻璃微通道试样的弯曲强度；

d)通过对不同尺寸的玻璃微通道试样重复a、b两个步骤，测量不同尺寸的玻璃微通道试样的弯曲强度和弹性模量。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

(1)本发明将三点弯曲原理运用于玻璃非晶体材料弯曲性能测量，选用微小压头和高精度传感器，把左右夹具块的跨距调小后，可测量微米量级玻璃微通道试样、杆件、板件等微小构件的弯曲性能，不同于传统宏观的三点弯曲测量装置和现有微构件弯曲性能测量装置，具有良好的扩展性和可靠性。

(2)本发明所述玻璃微通道试样弯曲力学性能测量装置采用差动螺旋机构调整跨距，结构组成简单易操作，传动精度高，对工作环境无特殊要求，成本低廉。

附图说明

图1是本发明正视结构示意图；

图2是图1的左视结构示意图；

图3是本发明弯曲试验时玻璃微通道试样固定俯视示意图；

图4是玻璃微通道试样弯曲力学性能测量原理图；

图5是玻璃微通道试样弯曲力学性能测量流程图；

图6为压头的主视图；

图7为压头的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，一种玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，包括驱动装置、滑轨7、运动台8、丝杠10、传感器15、压头16、夹具机构和底座组成。所述底座包含底板、侧板2和盖板3。驱动装置为电机1，所述电机1固定在盖板3下方，通过联轴器14与所述丝杠10连接，丝杠另一端与丝杠支撑座连接12。所述滑轨7、丝杠10设置在竖板11上，所述竖板11由侧板2与盖板3固定。所述运动台8固定在在丝杠螺母13与滑块9上，所述传感器15一端连接在所述运动台8上，另一端与所述压头16连接，传感器为一称重传感器，垂直于竖板平面固定在运动台上。所述夹具设置在盖板3上，夹具采用差动螺旋原理，由左夹具机架4、左夹具螺杆5、左夹具块6和右夹具机架15、右夹具螺杆14、右夹具块13组成。所述左夹具机架4和右夹具机架15固定在盖板3上，所述左夹具机架4上通过螺纹连接设置有左夹具螺杆5，所述左夹具螺杆5上通过螺纹连接设置有左夹具块6；所述右夹具机架15上通过螺纹连接设置有右夹具螺杆14，所述右夹具螺杆14上通过螺纹连接设置有右夹具块13。左夹具块6和右夹具块13上均设有用于固定支撑玻璃微通道试样的V型槽，所述左夹具块6和右夹具块13采用配做加工方法，分别通过左夹具螺杆5、右夹具螺杆14调节弯曲试验跨距，确定左右夹具块中线位置与压头中心对齐，以确保夹具块表面V型槽共线且螺纹孔中心线重合，用于固定玻璃微通道试样，如图3所示。左夹具块6和右夹具块13分别与左夹具机架4、右夹具机架15的旋向相同。

如图6和图7所示，所述压头挤压部位为楔形，尖端采用圆弧过渡，作为优选，楔形夹角Φ为60°，楔形夹角过渡圆角半径R为0.03mm。

采用上述装置测量玻璃微通道试样弯曲力学性能的原理如图4所示，夹具确定弯曲实验跨距，电机与丝杠确定加载速度，压头压入玻璃微通道试样直至断裂，数据采集卡采集弯曲试验过程数据，从PC机上读取玻璃微通道试样断裂极限力值F及压入时间t，弯曲挠度s可通过加载速度及压入时间计算得到，玻璃微通道试样直径d通过显微镜测量得到，则可通过计算得到玻璃微通道试样的弯曲强度Q及弹性模量E。

其中，玻璃微通道试样弯曲强度计算公式为：式中：Q—玻璃微通道试样试的弯曲强度(MPa)，F—玻璃微通道试样断裂极限力值(N)，L—弯曲实验跨距(mm)，弯曲实验跨距为左夹具块6和右夹具块13之间的距离，d—玻璃微通道试样直径(mm)。

其中，弹性模量计算公式为：式中，E—玻璃微通道试样的弹性模量(Mpa)，Q—玻璃微通道试样的弯曲强度(Mpa)，s—玻璃微通道试样弯曲过程中的挠度(mm)。

采用上述装置测量玻璃微通道试样弯曲力学性能的方法如图5所示，包括以下步骤：

a)打开PC机数据采集软件，调试采集极限值，旋转夹具螺杆5调节左夹具块6和右夹具块的位置，测量弯曲试验跨距，确定左右夹具中心点与压头对中，将玻璃微通道试样放置在左夹具块6和右夹具块13的V型槽内固定，如图4所示，确定加载参数；

b)启动电机1，开始采集数据，压头16逐渐靠近并压入玻璃微通道试样20直至断裂，结束数据采集，关闭电机1；

c)从数据采集曲线中读取玻璃微通道试样弯曲时间及断裂极限力值，计算得到玻璃微通道试样的弯曲强度；

通过对不同尺寸的玻璃微通道试样重复a、b两个步骤，得到不同尺寸的玻璃微通道试样的弯曲强度和弹性模量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，其特征在于：包括底座和夹具，所述夹具包含左夹具块和右夹具块，左夹具块和右夹具块上均设有V型槽，左夹具块和右夹具块通过夹具螺杆安装在夹具机架上，夹具机架位于底座的前端，所述底座的后端安装有竖板，竖板的顶端安装有丝杠支撑座，丝杠支撑座上安装有丝杠，丝杠通过螺纹与丝杠螺母连接，丝杠螺母与运动台连接，丝杠的底端通过联轴器与位于底座内的驱动装置连接，运动台的两侧安装有滑块，竖板上设有与滑块配合的滑轨，所述运动台与传感器一端固定连接，传感器的另一端与压头连接，传感器与数据采集单元连接，数据采集单元与计算机连接；玻璃微通道试样通过左夹具块和右夹具块夹紧，压头通过丝杠带动上下移动。

2.根据权利要求1所述的玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，其特征在于：所述驱动装置与调速器连接。

3.根据权利要求2所述的玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，其特征在于：所述压头为楔形状，楔形夹角为10°～120°，楔形夹角的顶部为过渡圆角，过渡圆角的半径为0.01～1mm。

4.根据权利要求3所述的玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，其特征在于：所述夹具螺杆与夹具机架、左夹具块和右夹具块均为螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置，其特征在于：所述底座上设有导轨，左夹具块和右夹具块沿导轨运动。

6.一种如权利要求5所述的玻璃微通道弯曲力学性能的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)打开PC机数据采集软件，调试采集极限值，调节左右夹具块的位置及弯曲试验跨距，确定V型槽的中心与压头对中，将玻璃微通道试样放置在左夹具块和右夹具块的V型槽内固定；

b)确定加载参数，启动驱动装置，开始采集数据，玻璃微通道试样弯曲断裂时结束数据采集，关闭驱动装置；

c)从数据采集曲线中读取玻璃微通道试样弯曲时间及断裂极限力值，计算得到玻璃微通道试样的弯曲强度；

d)通过对不同尺寸的玻璃微通道试样重复a、b两个步骤，测量不同尺寸的玻璃微通道试样的弯曲强度和弹性模量。