CN112540016A - 一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器及其使用方法，属于难加工材料的精密与超精密加工技术领域，包括底座、激光器、载物台和安装在底座两侧的立柱，载物台固定安装在所述底座上，激光器包括激光器输出组件，激光器输出组件通过水平设置横梁安装在立柱上并可沿横梁长度方向水平移动，激光器出光口位于激光器输出组件上正对载物台位置处，激光器出光口与载物台之间设置有金刚石探针。本发明的有益效果是：根据不同材料对激光吸收率的差异，选择合适的激光波长，然后将激光透过金刚石探针作用在试样的表面，试样接收激光能量使表面温度升高从而达成对试样进行加热，且仅加热金刚石探针与试样接触的部位，不影响测试区域以外的材料。

Description

一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器及其使用方法

技术领域

本发明属于难加工材料的精密与超精密加工技术领域，具体而言，涉及一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器及其使用方法。

背景技术

难加工材料如硅、锗、陶瓷（氧化铝、碳化硅）等，由于其独特的材料特性被广泛应用于集成电路、红外探测、军事技术、航空航天等领域。但是这些材料脆性大、断裂韧性低、材料的弹性极限和强度极限非常接近，如果采用传统的加工方法将材料在宏观尺度上去除，材料会发生脆性断裂，加工表面残存裂纹和凹坑。有研究表明，对上述难加工材料进行加热能够降低其硬度和脆性，提高断裂韧性，改善加工性能，因此采用加热辅助加工方法能够很好地改善硬脆材料加工表面的质量。为了更好的实现温度的辅助作用，就要深入研究材料在不同温度下的力学响应。对难加工材料加热的条件下进行纳米压痕实验，能够很好的了解材料在不同温度下的力学性能。

现有技术中加热辅助纳米压痕多利用加热板进行基底加热，试样位于加热板上方，通过热传导的方式对检测试样进行加热。这种加热方式响应较慢，加热温度上限较小，因为基底加热过程将对材料进行整体加热，若温度过高则会对整个试样造成损伤，无法进行多次试验；另外，采用加热板对试样进行加热过程会使整个设备的温度升高，影响试验结果。

发明内容

针对现有技术中热传导加热方式响应较慢，加热温度上限较小，若温度过高则会对整个试样造成损伤，无法进行多次试验；采用加热板对试样进行加热过程会使整个设备的温度升高，影响试验结果的问题，本发明提供了一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器包括底座、激光器、载物台和安装在所述底座两侧的立柱，所述载物台固定安装在所述底座上，所述激光器包括激光器输出组件，所述激光器输出组件通过水平设置横梁安装在所述立柱上并可沿所述横梁长度方向水平移动，所述激光器出光口位于所述激光器输出组件上正对所述载物台位置处，所述激光器出光口与所述载物台之间设置有金刚石探针。

根据不同材料对激光吸收率的差异，选择合适的激光波长，然后将激光透过金刚石探针作用在试样的表面，试样接收激光能量使表面温度升高从而达成对试样进行加热，且仅加热金刚石探针与试样接触的部位，不影响测试区域以外的材料，即实现对试样进行原位局部加热来取代加热板基底整体加热。

优选地，所述激光器包括激光器架体、激光器输出组件和用于控制所述激光器输出组件竖直移动的竖直移动组件，所述激光器输出组件通过所述竖直移动组件安装在所述激光器架体上。

优选地，所述竖直移动组件包括滑块和导轨，所述导轨固定在所述激光器架体上，所述滑块安装在所述导轨上并可沿所述导轨长度方向移动，所述激光器输出组件安装在所述滑块上。

优选地，所述滑块竖直方向设置有通槽，所述激光器输出组件通过盖板固定安装在所述通槽内。

优选地，所述滑块下方安装有所述金刚石探针，所述金刚石探针位于所述激光器出光口轴线上。

优选地，所述金刚石探针通过探针调节支架固定安装在所述滑块下方，所述探针调节支架竖直方向上形成有用于所述激光器出光口中激光通过的通光孔。

优选地，所述激光器出光口与所述探针调节支架通光孔同轴，确保激光穿过探针调节支架的通光孔照射到金刚石探针上，并透过探针对试样的待测位置进行加热。

优选地，所述激光器输出组件上设置有用于调节激光焦距的焦距调节器。

通过调节激光焦距来控制激光的光斑直径，以此来对加热区域进行调节，通过调节激光功率对加热温度进行控制，操作简单、响应迅速、加热区域可控且温度范围大，能够测量难加工材料在不同温度下的力学响应，测试结果有助于难加工材料切削机理的研究。

优选地，所述载物台通过基座固定安装在所述底座上。

优选地，所述载物台通过夹具固定在所述基座上。

本发明还提供了一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，将待测试样放置在载物台上；

步骤二，移动激光器输出组件在横梁上的位置，使激光器出光口正好对准待测试样；

步骤三，调节竖直移动组件，控制激光器输出组件在激光器架体上竖直方向位置，使激光器出光口与载物台保持在设定距离；

步骤四，打开激光器，调节焦距调节器来控制激光的光斑直径，以此来对加热区域进行调节，达到辅助加热的目的。

有益效果：

采用本发明技术方案产生的有益效果如下：

（1）根据不同材料对激光吸收率的差异，选择合适的激光波长，然后将激光透过金刚石探针作用在试样的表面，试样接收激光能量使表面温度升高从而达成对试样进行加热，且仅加热金刚石探针与试样接触的部位，不影响测试区域以外的材料，即实现对试样进行原位局部加热来取代加热板基底整体加热。

（2）通过调节激光焦距来控制激光的光斑直径，以此来对加热区域进行调节，通过调节激光功率对加热温度进行控制，操作简单、响应迅速、加热区域可控且温度范围大，能够测量难加工材料在不同温度下的力学响应，测试结果有助于难加工材料切削机理的研究。

（3）使用激光进行加热可以得到较高的温度，方便测量难加工材料在不同加热温度下的力学响应，实现了一种集驱动、加热、检测为一体的微纳米级力学性能测试系统，是用于测量难加工材料（如单晶硅、工程陶瓷等）在不同加热温度下纳米力学性能参数的精密仪器，还可以研究高温环境中被测材料在载荷作用下的力学行为、损伤机制以及材料变形与载荷间的相关规律，测试结果对于研究难加工材料精密与超精密加工具有极其重要的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中激光器、探针调节支架、探针以及试样位置关系的剖视图；

图3为本发明中激光的光路图。

图中：

1-激光器；11-激光器架体；12-激光器输出组件；

13-竖直移动组件；131-滑块；132-导轨；2-载物台；

3-激光器出光口；4-金刚石探针；5-通槽；6-盖板；

7-探针调节支架；8-通光孔；9-焦距调节器；10-底座；

14-立柱；15-横梁；16-基座；17-夹具；18-试样。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1至3所示，本发明提供了一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器包括底座10、激光器1、载物台2和安装在所述底座10两侧的立柱14，所述载物台2固定安装在所述底座10上，所述激光器1包括激光器输出组件12，所述激光器输出组件12通过水平设置横梁15安装在所述立柱14上并可沿所述横梁15长度方向水平移动，所述激光器出光口3位于所述激光器输出组件12上正对所述载物台2位置处，所述激光器出光口3与所述载物台2之间设置有金刚石探针4。

根据不同材料对激光吸收率的差异，选择合适的激光波长，然后将激光透过金刚石探针4作用在试样18的表面，试样18接收激光能量使表面温度升高从而达成对试样18进行加热，且仅加热金刚石探针4与试样18接触的部位，不影响测试区域以外的材料，即实现对试样18进行原位局部加热来取代加热板基底整体加热。

作为一种优选地实施方式，所述激光器1包括激光器架体11、激光器输出组件12和用于控制所述激光器输出组件12竖直移动的竖直移动组件13，所述激光器输出组件12通过所述竖直移动组件13安装在所述激光器架体11上，所述激光器出光口3位于所述激光器输出组件12上，所述激光器输出组件12可以是光缆等用于输出激光的结构。

作为一种优选地实施方式，所述竖直移动组件13包括滑块131和导轨132，所述导轨132固定在所述激光器架体11上，所述滑块131安装在所述导轨132上并可沿所述导轨132长度方向移动，所述激光器输出组件12安装在所述滑块131上。

作为一种优选地实施方式，所述滑块131竖直方向设置有通槽5，所述激光器输出组件12通过盖板6固定安装在所述通槽5内。

作为一种优选地实施方式，所述滑块131下方安装有所述金刚石探针4，所述金刚石探针4位于所述激光器出光口3轴线上。

作为一种优选地实施方式，所述金刚石探针4通过探针调节支架7固定安装在所述滑块131下方，所述探针调节支架7竖直方向上形成有用于所述激光器出光口3中激光通过的通光孔8。其中探针调节支架7可上下调节金刚石探针4以实现基本的压痕功能。

作为一种优选地实施方式，所述激光器出光口3与所述探针调节支架7通光孔8同轴，确保激光穿过探针调节支架7的通光孔8照射到金刚石探针4上，并透过探针对试样18的待测位置进行加热。

作为一种优选地实施方式，所述激光器输出组件12上设置有用于调节激光焦距的焦距调节器9。

通过调节激光焦距来控制激光的光斑直径，以此来对加热区域进行调节，通过调节激光功率对加热温度进行控制，操作简单、响应迅速、加热区域可控且温度范围大，能够测量难加工材料在不同温度下的力学响应，测试结果有助于难加工材料切削机理的研究。

作为一种优选地实施方式，所述载物台2通过基座16固定安装在所述底座10上。

作为一种优选地实施方式，所述载物台2通过夹具17固定在所述基座16上。

本实施方式还提供了一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，将待测试样放置在载物台上；

步骤二，移动激光器输出组件在横梁上的位置，使激光器出光口正好对准待测试样；

步骤三，调节竖直移动组件，控制激光器输出组件在激光器架体上竖直方向位置，使激光器出光口与载物台保持在设定距离；

步骤四，打开激光器，调节焦距调节器来控制激光的光斑直径，以此来对加热区域进行调节，达到辅助加热的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，包括底座、激光器、载物台和安装在所述底座两侧的立柱，所述载物台固定安装在所述底座上，所述激光器包括激光器输出组件，所述激光器输出组件通过水平设置横梁安装在所述立柱上并可沿所述横梁长度方向水平移动，所述激光器出光口位于所述激光器输出组件上正对所述载物台位置处，所述激光器出光口与所述载物台之间设置有金刚石探针。

2.根据权利要求1所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述激光器包括激光器架体、激光器输出组件和用于控制所述激光器输出组件竖直移动的竖直移动组件，所述激光器输出组件通过所述竖直移动组件安装在所述激光器架体上。

3.根据权利要求2所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述竖直移动组件包括滑块和导轨，所述导轨固定在所述激光器架体上，所述滑块安装在所述导轨上并可沿所述导轨长度方向移动，所述激光器输出组件安装在所述滑块上。

4.根据权利要求3所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述滑块竖直方向设置有通槽，所述激光器输出组件通过盖板固定安装在所述通槽内。

5.根据权利要求4所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述滑块下方安装有所述金刚石探针，所述金刚石探针位于所述激光器出光口轴线上。

6.根据权利要求5所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述金刚石探针通过探针调节支架固定安装在所述滑块下方，所述探针调节支架竖直方向上形成有用于所述激光器出光口中激光通过的通光孔。

7.根据权利要求6所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述激光器出光口与所述探针调节支架通光孔同轴。

8.根据权利要求2所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述激光器输出组件上设置有用于调节激光焦距的焦距调节器。

9.根据权利要求1所述的一种激光原位辅助加热的纳米压痕仪器，其特征在于，所述载物台通过基座固定安装在所述底座上。

10.根据权利要求2任一项所述激光原位辅助加热的纳米压痕仪器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将待测试样放置在载物台上；

步骤二，移动激光器输出组件在横梁上的位置，使激光器出光口正好对准待测试样；

步骤三，调节竖直移动组件，控制激光器输出组件在激光器架体上竖直方向位置，使激光器出光口与载物台保持在设定距离；

步骤四，打开激光器，调节焦距调节器来控制激光的光斑直径，以此来对加热区域进行调节，达到辅助加热的目的。

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