CN108444809A - 一种薄膜测试加载单元 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种薄膜测试加载单元，包括基板、电机、涡轮蜗杆组件、以及夹持转台，所述电机和涡轮蜗杆组件设置于所述基板上，所述电机输出的转动经过涡轮蜗杆组件转换方向和载荷放大后带动所述夹持转台转动，从而带动固定于所述夹持部上的薄膜向上、向外翻转；其中，所述夹持转台的竖直截面为45°扇形，所述涡轮一侧设有与夹持转台竖直截面外形匹配的槽，所述夹持部的一部分能够插入该槽，使得涡轮能带动夹持转台转动。

Description

一种薄膜测试加载单元

技术领域

本发明涉及薄膜材料性能测试领域，特别是软基薄膜的拉伸测试。

背景技术

近些年来，软基薄膜材料由于其制造工艺的成熟以及高柔性、高延展性等性能的优异，被广泛应用于电子、生物、航天、化工等领域中。因此，这种结构逐渐成为了学者们研究的重点。现阶段大部分相关工作都是针对膜基结构的单向受载展开的，然而在服役过程中，膜基结构往往处于更为复杂的载荷环境，简单的单轴载荷已经无法模拟其真正的应力状态。因此，在实验和测试中，引入双轴载荷能使得膜基结构的力学行为更精确地表达出来，这对于研究膜基结构的力学性能至关重要。

一台好的能模拟各种复杂载荷环境的加载设备是拉伸实验的根本。薄膜材料加载单元一般由电机、传动机构、夹持转台以及控制系统组成。目前，许多学者设计并制作了大量结构巧妙的单轴加载单元，这些装置能适用于各种复杂的载荷环境以及观测环境，达到了较好的实验效果。然而，这类设备大多采用平动拉伸方案，设备作业过程中占用空间较大导致设备难于置于显微镜的载物台上，特别是将现有的加载单元组合用于双轴拉伸实验中。

较早的双轴拉伸试验机有Ferron和Makinde于1988年提出。他们设计了一种连杆机构，将常规的单轴拉伸试验机改装成了双轴拉伸试验机。然而装置通过八个机械连杆连接，复杂的传动机构将对设备的载荷输出以及加载精度造成较大的影响。Alan Hannon在2005年的关于拉伸设备的综述中提到，Fraunhofe同样通过连杆机构，实验了双轴加载，然而设备尺寸巨大，在高度方向落差也很大，较难进行小范围的观测。近些年来，一些学者设计了尺寸较小的双轴加载设备，用以与精密显微镜以及各种现代微观测量技术如DIC、XRD相配合。Geandier G在2010年设计了一套转动式的双轴加载设备，通过四个电机控制，具有尺寸小，传动机构简单的有点。但是试件尺寸较大，实验成本较高。Namazu设计了一套适用于薄膜材料拉伸的双轴加载设备，与CCD相机配合进行观测。这套设备输出载荷较大，但是这也使其尺寸较大，总体重量也较大。2015年，牛津大学材料学院研制了一套双轴原位加载设备，通过丝杠螺母传动，可以测量薄片材料的变形。但是加载设备只在一个方向上设有电机，这样加载过程就会受到机械损耗的影响，并且设备只能进行双轴等比加载。2017年，Petegem为了缩小双轴加载设备的尺寸，一改传统的电机控制方式，采用了压电陶瓷驱动器作为动力输出，大大缩小了设备的重量和尺寸，同时又能保证极高的精度。但是缺点就是设备的载荷输出很小，难以应用于金属膜基结构等材料的拉伸。国内近些年来，也有一些学者设计了一些双轴加载设备，但是尺寸重量均较大。

总之，参考图1所示，现有的薄膜拉伸加载设备存在以下问题：a.平动拉伸导致设备整体尺寸过大，难以放置在显微镜的观测台上；b.已公开的转动拉伸装置的圆柱形转台尺寸大，且在固定安装试件过程中难以使固定试件的接触面保持水平，主要靠经验操作；c.试件固定后难以夹紧；d.针对弹性模量和厚度不同的待测式样，需要按需更换不同直径的转台，操作过程繁琐费时。

发明内容

本发明提出了一种薄膜测试加载单元，包括基板、电机、涡轮蜗杆组件、夹持转台、以及紧固夹片；所述电机固定设置于所述基板上，所述涡轮蜗杆组件可旋转地固定设置于所述基板上，所述蜗杆与电极的输出轴连接并将电机所输出的转动传递给涡轮，所述涡轮的一个侧面设置有扇形槽，夹持转台的竖直截面与该扇形槽的竖直截面形状相同，以便夹持转台的一端可以插入到该槽中，使得涡轮可以带动夹持转台同步转动，紧固夹片将待测薄膜式样固定于所述夹持转台上，使得夹持转台可以带动薄膜试样同步转动，以拉动薄膜试样向上、向外翻转。

附图说明

图1为传统薄膜拉伸加载装置的示意图；

图2为本发明的加载单元的整体示意图；

图3为设有转台定位部件的本发明的整体示意图，其中，通过定位销使得转台保持水平固定；

图4为在紧固夹片的夹紧接触面上设置缓冲层的示意图；

图5为将夹持转台的夹紧接触面设置成锯齿状以增加夹紧接触面积的示意图；

图6为具有锯齿状接触面的夹持转台和紧固夹片的示意图；

在以上附图中：(1)基板、(2)电机、(3)蜗杆、(4)涡轮、(5)夹持转台、(6)紧固夹片、(7)定位孔、(8)定位卡槽、(9)圆柱臂、(10)定位板、(11)通孔、(12)插销、(13)缓冲层。

具体实施方式

如图2所示，本发明的薄膜测试加载单元：一种薄膜测试加载单元，包括基板1、电机2、蜗杆3、涡轮4、夹持转台5，紧固夹片6，电机2固定在基板1上，电机2的输出轴与蜗杆3连接并带动蜗杆3同步转动，蜗杆3与涡轮4配合安装并驱动涡轮4转动；

涡轮一端通过定位件设置在基板1上，另一端开有槽，所述槽的竖直截面与夹持转台5的竖直截面形状相同，夹持转台5的一端可插入该槽内以使得涡轮4带动夹持转台5同步转动，夹持转台5的另一端设有与定位件连接的圆柱臂9，使得夹持转台5在转动过程中保持水平；所述定位件可以是能够使所述夹持转台5可旋转地固定在基板1上的轴承卡套和/或轴承组件。

夹持转台5和/或涡轮4的槽具有磁性，使得当夹持转台5插入涡轮4的槽中之后固定的更牢固，即所述涡轮4对夹持转台5产生轴向约束的同时还产生径向约束，以便实现快速更换夹持转台5的目的。

优选的，如图3所示，基板1上设置有定位卡槽8，可以在该定位卡槽8中插入定位板10，定位板10上设有通孔11，当夹持转台5与紧固夹片6接触的表面(以下简称夹紧面)与基板并且朝上时，通孔11与定位孔7处于同一高度并且位于同一条平行于基板1的轴线上，可以通过插入贯穿通孔11和定位孔7的插销12使得夹持转台5保持稳固，以便装夹待测薄膜试件。

优选的，通常通过在紧固夹片6上设置螺孔(惯用技术手段，未示出)，利用螺钉将待测薄膜试件紧紧夹持在夹持转台5与紧固夹片6之间，但螺钉带来的问题是显而易见的，即容易使薄膜产生破坏，并且当螺钉过紧时容易在螺孔周围产生应力集中。为了改善螺孔附近应力的分布情况，增加夹持转台5与紧固夹片6之间的夹紧力和摩擦力，本发明提出了一种新的紧固夹片6，具体方案为：夹持转台5由具有磁性的或可与磁性体相吸引的金属制成，紧固夹片6由磁钢或经过磁化的金属制成，如图4所示，紧固夹片6与夹持转台5接触的表面设置有厚度为0.1～1mm厚的缓冲层13，所述缓冲层13可由橡胶或PVC等高分子材料通过高温喷涂或溅射制成。

优选的，所述夹持转台5与紧固夹片6的接触面可以入图5所示，夹持转台5的用于接触待测薄膜试样的上表面与紧固夹片6用于接触待测薄膜式样的下面表面具有相互配合的锯齿面，所述紧固夹片6与夹持转台5的接触面设置成锯齿状，锯齿的三条棱边(顶边和两条底边)与夹持转台的轴线平行。更优选的，这两个表面上均通过喷涂、粘贴或溅射的方式设置有0.1～1mm厚的缓冲层。所述锯齿面的锯齿均匀分布，如图6所示，夹持转台5的竖直截面为45°的扇形，锯齿的倾斜角度为45°，从而最大限度的节省空间并增加薄膜试样的夹持接触面，根据实验操作，考虑到待测薄膜试样的厚度为0.01～2mm，优选将锯齿高度h设置为1～6mm。

优选的，上述加载装置还设有用于控制电机2的控制模块(未示出)，所述控制模块中可写入程序，从而控制电机2的转速、行程参数，控制其转动。

实际上，上述提到的具有磁性的或可磁化的金属在制作过程中考虑到成本问题，通常采用铸铁或锰钢或磁钢。

关于所述控制模块，可采用北京微纳公司提供的WNMC400-400B型运动控制器。其通过特定的编码方式，确保了步进电机转动时的同步性与一致性。此运动控制器为四维步进控制器，可同时控制多台电机，也可以单独控制某一台电机，因此可以实现单轴拉伸，双轴拉伸，等比拉伸，双轴任意比例的不等比拉伸甚至单侧拉伸等各种工况。此控制器可通过操作面板或者是计算机软件对转脉当量、运动速度、运动距离以及信号电平等参数进行设置，并且支持程序段运动，运动间隙停顿时间可自定，满足了薄膜材料拉伸实验中的逐步加载观测的需求。此外，配套软件中还有相应的函数库，方便进行各种运动控制程序的编制。

电机2可采用28步进电机，输出扭矩为0.12N·m，最小角度分辨率为0.09°，蜗轮蜗杆组件的传动比为18，其中，蜗杆3与电机2相连或设置于所述电机2的输出轴上。

本发明采用蜗轮蜗杆机构进行简单的二次传动，达到了如下效果：蜗轮蜗杆组件具有自锁功能，在单步拉伸加载后，电机2停转时，可以保证夹持转台5不会在薄膜的拉力作用下反向转动，实现了零回弹，保证了加载的可靠性；蜗轮蜗杆组件具有载荷放大功能，放大了电机2的输出载荷，保证了足够的动力；蜗轮蜗杆组件将待测薄膜位于较高的水平位置，给显微镜头的下探观察提供了极大便利；蜗轮蜗杆组件使处于设备边缘的加载轴向内移动，有效减小了夹持区以及试件的尺寸，提高了实验的可靠性以及经济性。

实际使用过程中，通常将本发明所提出的薄膜测试加载单元中心对称、首尾垂直相接地设置，围成用于容置待测薄膜的“口”字形空间，从而使得4个所述夹持转台5可以在水平方向上实现四个不同水平方向的两两相对的运动，以实现对待测薄膜的双轴拉伸加载。为了实现加载和观测的同步进行，可以在待测薄膜上方设置诸如CCD、CMOS等观测器件，以捕捉拍摄待测薄膜在拉伸过程中的变化，并通过DIC原理得到待测薄膜的物理参数变化。

观察测量系统为本设备的外部配套系统。本发明所提出的加载单元及其组合可以放置在Olympus共聚焦显微镜的载物台上，使用显微镜实时、原位观测薄膜表面形貌，同时下方和/或上方放置摄像头，测量薄膜拉伸过程中的实时位移。共聚焦显微镜精度高，对焦迅速，可以轻松达到亚微米级别的观测；摄像头加DIC技术，可以非接触、高响应、实时、精确测量显微镜观察区域的薄膜应变。综上所述，本发明具有控制系统同步性好，输出载荷大，传动结构简单、紧凑，试件位于设备上方且尺寸小，夹持紧固，观测系统先进等优点。

本发明的有益效果在于，本发明将传统拉伸加载单元的平动拉伸改为转动拉伸，大幅减小了设备的整体尺寸，并简化了设备构造；其次，提出了使夹紧转台固定的装置，便于在装夹试件过程中保持转台装载面(装夹面)的水平固定，提高作业效率；再次，提出了具有磁性的夹持片结构以增加夹片的夹紧力并改善螺钉周围的应力分布状态，并通过将接触面设置成锯齿状来增加状态与夹片之间的接触面积，同时通过在接触面表面设置柔性缓冲层来进一步增加夹紧摩擦力；最后，通过改进夹持转台的截面形状，省去了现有技术中常用的联轴器等部件，便于针对不同的薄膜试样更换不同的夹持转台，简化了更换作业。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种薄膜测试加载单元，包括基板、电机、涡轮蜗杆组件、夹持转台、以及紧固夹片，所述电机和涡轮蜗杆组件设置于基板上，涡轮蜗杆组件的蜗杆与电机输出轴连接并将电机输出的转动传递给涡轮，涡轮蜗杆组件的涡轮的一个侧面设置有扇形槽，夹持转台的竖直截面与该扇形槽截面形状相同使得夹持转台的一端可以插入到该槽中，以使涡轮带动夹持转台同步转动，紧固夹片将薄膜式样固定于夹持转台使得夹持转台可以带动薄膜试样转动。

2.如权利要求1所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述电机为步进电机。

3.如权利要求2所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述步进电机为28步进电机，最小角度分辨率为0.09°。

4.如权利要求1所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述扇形槽和/或夹持转台由可磁化的金属材料制成，使得所述扇形槽与夹持转台可以彼此吸引。

5.如权利要求4所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述扇形槽的竖直截面为中心角是45°的扇形。

6.如权利要求1所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述紧固夹片和夹持转台由可磁化的金属材料制成，使得所述紧固夹片与夹持转台可以彼此吸引。

7.如权利要求1所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述紧固夹片与夹持转台的接触面设置成锯齿状，锯齿的三条棱边与夹持转台的轴线平行，锯齿的倾斜角为45°。

8.如权利要求7所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述锯齿的高度为1～6mm。

9.如权利要求1至8中任一个所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述紧固夹片与夹持转台的接触面表面均设置有用于增加与薄膜试样之间摩擦力的缓冲层。

10.如权利要求9所述的薄膜测试加载单元，其特征在于，所述缓冲层的橡胶材料制成。