CN114813383B - 原位拉伸装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原位拉伸装置及其制作方法，原位拉伸装置包括拉伸机构和传感机构，拉伸机构包括第一推动件和第二推动件，第一推动件和第二推动件之间用于连接试件，第一推动件或第二推动件能够向相互远离的方向运动，第一推动件或第二推动件中的一者远离另一者的一侧上设置有抵接部。传感机构包括变形体和第一基板，变形体用于与抵接部对接，变形体连接于第一基板，变形体能够相对于第一基板发生弹性形变。原位拉伸装置不需要外接载荷传感器，使用自身的传感机构即可实现对试件所受到的力的测量，且传感机构的机构简单，使用方便。通过飞秒激光加工拉伸机构和传感机构，结构稳定性强，工艺简单、成本低且效率高、不易损坏且可重复利用。

Description

原位拉伸装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及微纳米力学及精密机械技术领域，特别是涉及一种原位拉伸装置及其制作方法。
背景技术
随着微纳米技术的发展，例如，电子显微扫描成像和透射成像技术，FIB离子束刻蚀技术等，以及各种新型微纳米尺度材料的出现，例如，石墨烯、氮化硼、碳纳米管等低维材料，使得科学研究逐渐从宏观进入到微观。一方面，研究材料在微纳米尺度下的变形行为，对于理解宏观尺度下的材料力学行为具有重要意义；另一方面，当材料本身的尺度减小到微纳米尺度时，材料本身的物理化学性能可能会发生明显变化，导致出现与宏观尺度下明显不同的尺寸相关的力学行为，因此，实验研究材料在微纳米尺度下的力学行为，对于微纳尺度下材料变形的调控以及对材料变形破坏的本质的理解至关重要。
现有的原位拉伸装置需要借助微电子线路信号输出等一系列复杂的传感装置，才能实现对试件力学行为的测试，结构复杂。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中，传感装置结构复杂的问题，提出一种原位拉伸装置及其制作方法。
一种原位拉伸装置，包括：
拉伸机构，包括第一推动件和第二推动件，所述第一推动件和第二推动件之间用于连接所述试件，所述第一推动件与第二推动件能相对运动，以使所述第一推动件连接所述试件的一侧与所述第二推动件连接所述试件的一侧能够相对远离；所述第一推动件或第二推动件沿第一方向一侧上设置有抵接部，其中，所述第一方向为所述第一推动件与第二推动件相对运动的方向；
传感机构，包括变形体和第一基板，所述变形体用于与所述抵接部对接，所述变形体连接于所述第一基板，所述变形体能够发生弹性形变；
位移检测系统，用于检测所述第一推动件与所述第二推动件的相对位移，以及所述变形体的位移。
在其中一个实施例中，所述变形体包括横梁和第一悬臂梁，所述横梁的长度方向沿第一方向，所述横梁沿第二方向的至少一侧设置有所述第一悬臂梁，所述第一悬臂梁上远离所述横梁的端部与所述第一基板连接，所述第二方向与第一方向垂直。
在其中一个实施例中，所述横梁沿第二方向的两侧分别通过所述第一悬臂梁与所述第一基板连接。
在其中一个实施例中，所述传感机构还包括限位件，所述限位件设置在所述第一基板上，且位于所述变形体远离所述拉伸机构的一端，所述限位件用于限制所述变形体的最大变形量。
在其中一个实施例中，所述拉伸机构包括第二基板和多个第二悬臂梁，所述第一推动件与所述第二基板连接，所述第二推动件通过至少一个所述第二悬臂梁与所述第二基板连接。
在其中一个实施例中，所述第二推动件套设在所述第一推动件外，所述第一推动件上开设有沿第二方向凹陷的凹槽，所述第二推动件上开设有沿第二方向凸起的凸起部，所述凸起部位于所述凹槽内，所述凹槽的侧壁与凸起部的侧壁之间用于连接所述试件，所述第一方向与所述第二方向垂直。
在其中一个实施例中，所述原位拉伸装置还包括驱动机构，所述拉伸机构设置在所述驱动机构上，所述驱动机构用于带动所述拉伸机构沿第一方向朝向所述传感机构运动。
在其中一个实施例中，所述位移检测系统包括图像采集装置，所述图像采集装置用于检测所述第一推动件和所述第二推动件的位移。
在其中一个实施例中，所述图像采集装置为光学显微镜、扫描电子显微镜或透射电子显微镜。
一种原位拉伸装置的制作方法，包括如下步骤：
制作基体；
通过超快飞秒激光刻蚀所述基体，以形成所述拉伸机构和所述传感机构。
上述的原位拉伸装置及其制作方法，可以通过沿第一方向推动第一推动件或第二推动件，从而使得第一推动件连接试件的一侧与第二推动件连接试件的一侧之间的距离变大，即试件在第一推动件和第二推动件之间被拉伸。具体的，以推动第二推动件为例，第二推动件远离第一推动件的一侧设置有抵接部。试验时，首先将试件设置在第一推动件和第二推动件之间，将抵接部与变形体对接，然后再分别将第一推动件和第一基板的位置固定，然后推动第二推动件，第二推动件用于拉伸试件，同时第二推动件上的抵接部推动变形体发生形变。位移检测系统检测出拉伸机构的变形量和以及变形体的变形量。根据虎克定律，F＝K·Δ，通过变形体的变形量可计算出施加在第二推动件上的总力F1，通过拉伸机构的变形量可计算出拉伸机构克服自身弹性形变所消耗的力F2，即试件所受到的力F3的载荷的大小即为：F3＝F1-F2。本申请通过飞秒激光加工出了对应的微尺度原位拉伸装置，结构稳定性强，工艺简单、成本低且效率高、不易损坏且可重复利用。
附图说明
图1为一实施例中的原位拉伸装置结构示意图；
图2为传感机构的结构示意图；
图3为图2中A处的放大结构示意图；
图4为拉伸机构的结构示意图；
图5为第一推动件和第二推动件连接的结构示意图；
图6为对称双悬臂结构的简化图；
图7为图6中B处的结构放大图。
附图标记：100-拉伸机构；110-第一推动件；111-凹槽；1111-第一侧壁；1112-第三侧壁；120-第二推动件；121-凸起部；1211-第二侧壁；1212-第四侧壁；130-第二基板；140-第二悬臂梁；150-抵接部；
200-传感机构；210-变形体；211-横梁；212-第一悬臂梁；220-第一基板；221-螺钉孔；230-限位件；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，本发明一实施例提供了一种原位拉伸装置，包括拉伸机构100、传感机构200以及位移检测系统，拉伸机构100包括第一推动件110和第二推动件120，第一推动件110和第二推动件120之间用于连接试件，第一推动件110或第二推动件120能够相对运动，以使第一推动件110连接试件的一侧与第二推动件120连接试件的一侧能够相对远离，第一推动件110或第二推动件120沿第一方向的一侧设置有抵接部150。传感机构200包括变形体210和第一基板220，变形体210用于与抵接部150对接，变形体210连接于第一基板220，变形体210能够发生弹性形变。位移检测系统用于检测第一推动件110与第二推动件120的相对位移，以及变形体的位移。
需要说明的是，对于低维材料，试件设置在第一推动件110和第二推动件120之间，并通过范德华力作用分别与第一推动件110和第二推动件120连接；对于体材料，通过EBID电子束沉积将试件的两端分别与第一推动件110和第二推动件120连接。
在本实施例中，可以通过沿第一方向推动第一推动件110或第二推动件120，从而使得第一推动件110连接试件的一侧与第二推动件120连接试件的一侧之间的距离变大，即试件在第一推动件110和第二推动件120之间被拉伸。具体的，以推动第二推动件120为例，第二推动件120远离第一推动件110的一侧设置有抵接部150。试验时，首先将试件设置在第一推动件110和第二推动件120之间，将抵接部150与变形体210对接，然后再分别将第一推动件110和第一基板220的位置固定，然后推动第二推动件120，第二推动件120用于拉伸试件，同时第二推动件120上的抵接部150推动变形体210发生形变。位移检测系统检测出拉伸机构的变形量和以及变形体的变形量。根据虎克定律，F＝K·Δ，通过变形体210的变形量可计算出施加在第二推动件120上的总力F1，通过拉伸机构的变形量可计算出拉伸机构100克服自身弹性形变所消耗的力F2，即试件所受到的力F3的载荷的大小即为：F3＝F1-F2。
即本申请中的原位拉伸装置不需要外接载荷传感器，使用自身的传感机构200即可实现对试件所受到的力F的测量，且传感机构200的机构简单，使用方便。
在一些实施例中，结合图2和图3，变形体210包括横梁211和第一悬臂梁212，横梁211的长度方向沿第一方向，横梁211沿第二方向的至少一侧设置有第一悬臂梁212，第一悬臂梁212上远离横梁211的端部与第一基板220连接，第二方向与第一方向垂直。其中第一方向可以是水平方向，第二方向可以是竖直方向。
在本实施例中，第一基板220上开设有螺钉孔221，传感机构200通过螺钉固定在多尺度微纳米力学测量系统的压电位移平台上。变形体210为悬臂梁结构，由于悬臂梁结构具有刚度小，变形大的特点，通过对横梁211施加沿第一方向较小的力，悬臂梁结构就可以产生沿第一方向较大的位移。且在小变形范围内，悬臂梁结构是一个线弹性系统。因此，悬臂梁结构可以作为一个微力传感单元，只要该横梁211沿第一方向的位移以及悬臂梁结构的刚度已知，就可以获得施加在传感机构200上的力。
进一步的，由于单悬臂梁的结构稳定性不够，在受力都容易发生扭转和翘曲，因此在本实施例中，横梁211沿第二方向的两侧分别通过第一悬臂梁212与第一基板220连接，且横梁211沿第二方向的同一侧通过多个第一悬臂梁212与第一基板220连接，具体的，可以是横梁211沿第二方向的同一侧通过两个第一悬臂梁212与第一基板220连接。采用对称的多悬臂既可以增加结构的稳定性，同时也能保证传感机构200的载荷分辨率。
在其他一些实施例中，变形体210还可以是弹簧、弹片。
在一些实施例中，传感机构200还包括限位件230，限位件230设置在第一基板220上，且位于变形体210远离拉伸机构100的一端，限位件230用于限制变形体210的最大变形量。
在本实施例中，由于悬臂梁结构在受到弯曲载荷时，悬臂梁的端部应力集中程度最大，因此最容易发生失效破坏。根据结构材料的信息，通过理论计算和有限元模拟，悬臂梁结构所受到的结构应力的最大值应限制在悬臂梁结构材料屈服强度的0.8倍以内。因此，为了防止悬臂梁结构过载，在第一基板220上设置限位件230，限位件230可以是一个凸台，即通过凸台可以限制横梁211的最大行程，从而起到防止悬臂梁结构变形过大，造成传感机构200损坏的作用。
在一些实施例中，结合图4和图5，拉伸机构包括第二基板130和第二悬臂梁140，第一推动件110与第二基板130连接，第二推动件120通过至少一个第二悬臂梁140与第二基板130连接。
在本实施例中，与传感机构200的原理以及作用类似，第一推动件110沿第二方向的两侧和第二推动件120沿第二方向的两侧分别通过第二悬臂梁140与第二基板130连接。
在一些实施例中，第二推动件120套设在第一推动件110外，第一推动件110上开设有沿第二方向凹陷的凹槽111，第二推动件120上开设有沿第二方向凸起的凸起部121，凸起部121位于凹槽111内，凹槽111的侧壁与凸起部121的侧壁之间用于连接试件，第一方向与第二方向垂直。
在其中一个实施例中，原位拉伸装置还包括驱动机构，拉伸机构100设置在驱动机构上。具体的，驱动机构为压电位移平台，第二基板130上开设有螺钉孔，拉伸机构100通过螺钉固定在多尺度微纳米力学测量系统的压电位移平台上。
以图1中拉伸机构100和传感机构200的相对位置为例，在试验时，当驱动机构推动拉伸机构100朝向传感机构200运动时，即驱动机构推动拉伸机构100向右运动，由于第二推动件120上的抵接部150与横梁211抵接，横梁211对于抵接部150施加向左反作用力，从而使得第二推动件120相对于第一推动件110向左运动，即凹槽111的其中一个侧壁与凸起部121的其中一个侧壁之间间距增大，当试件被设置在间距增大的两个侧壁之间时，试件能够被拉伸。
本实施例将拉伸机构100的推力转化为试件上的拉力，避免直接拉伸试件时，试件与凹槽111的侧壁和凸起部121的侧壁之间连接困难的问题。
进一步的，为了方便试件的夹持，凹槽111和凸起部121分别为矩形结构，即凹槽111和凸起部121具有四对相互平行的侧壁组，其中两对相互平行的侧壁组沿第一方向间隔设置。当第二推动件120相对于第一推动件110向左运动时，沿第一方向间隔设置的两对侧壁组中，其中一对侧壁组中的两个侧壁相互靠近，另外一对侧壁组中的两个侧壁相互远离。定义相互远离的侧壁组为第一侧壁组，相互靠近的侧壁组为第二侧壁组，第一侧壁组包括位于凹槽111的侧壁上的第一侧壁1111和位于凸起部121的侧壁上的第二侧壁1211，第一侧壁1111和第二侧壁1211的间距在3μm-10μm之间，试件设置在第一侧壁1111和第二侧壁1211之间。第二侧壁组包括位于凹槽111的侧壁上的第三侧壁1112和位于凸起部121的侧壁上的第四侧壁1212。
在另外一些实施例中，还可以是第一推动件110直接与驱动机构连接，驱动机构用于推动第一推动件110向右移动，从而使得第一侧壁1111和第二侧壁1211之间的间距增大，从而拉伸试件。
在一些实施例中，位移检测系统包括图像采集装置，图像采集装置用于检测第一推动件110和第二推动件120位移。具体的，位移检测系统用于检测第一侧壁1111与第二侧壁1211的位移。
进一步的，图像采集装置为光学显微镜、扫描电子显微镜或透射电子显微镜。
在本实施例中，光学显微镜的分辨率可以达到亚微米量级，其中扫描电子显微镜的分辨率可以达到1nm左右，透射电子显微镜的分辨率可以达到0.1nm～0.2nm，即通过使用不同的图像采集装置可实现对不同结构尺寸的试件的测量。
本申请的原位拉伸装置的测量方法，包括如下步骤：
(a)将试件安装在第一推动件110和第二推动件120之间，对拉伸机构100和传感机构200进行测试标定以及安装，安装时应保证传感机构200的变形体210与拉伸机构100的抵接部150沿第一方向对齐；
(b)调整力加载系统中合适的放大倍数、图像采集装置的成像质量，并使其处于检测状态，然后推动拉伸机构100朝向传感机构200移动，使得第一侧壁1111和第二侧壁1211相对远离，即对试件进行单轴拉伸，并对第一侧壁1111和第二侧壁1211之间的位移变化过程进行图像序列记录；
(c)通过记录的图像序列，以及对拉伸机构100和传感机构200的标定信息，可获得原位加载实验中微尺度试件拉伸的力-位移信息，以及试件的应力-应变关系。
步骤(a)中，载荷传感机构200和微尺度拉伸机构100的测试标定采用的是标准商用的微力传感器预先对其刚度进行标定。
步骤(c)中，通过记录的图像序列，以及对拉伸机构100和传感机构200的标定信息，获得微纳米尺度试件拉伸的载荷的原理为：
本申请的拉伸机构100和传感机构200分别可以简化为对称双悬臂结构，参阅图6，通过两边的对称双悬臂结构承受水平方向的推力，悬臂结构的弯曲变形转化为中间横梁的水平方向位移，根据结构力学知识，该双悬臂结构承受水平方向的推力F，产生的水平方向的位移为
Figure BDF0000024089360000111
其中参阅图7，L是双悬臂结构悬臂梁的长度，I是悬臂梁的惯性矩，
Figure BDF0000024089360000112
其中，b为悬臂梁横截面的宽度，h为悬臂梁横截面的高度，E是弹性模量。且根据虎克定律，F＝K·Δ。因此，可以得到相应的悬臂结构的弹簧常数/>
Figure BDF0000024089360000113
即根据所选材料的弹性模量E以及悬臂结构的几何结构参数，可得到相应弹性系统的弹簧常数。
结合图1和图5，在进行试验时，保持传感机构200不动，通过移动拉伸机构100缓慢向传感机构200移动，直到抵接部150与横梁211接触。这时，将图像采集装置的视场转换到第一侧壁1111和第二侧壁1211，测量第一侧壁1111的位移记为uB，测量第二侧壁1211的位移记为uA，则试件的拉伸变形量为Δu＝|uA-uB|。实验加载时，由于悬臂梁刚度小的特点，因此，大部分的变形都体现在悬臂梁部分，而中间部分(横梁211、第一推动件110和第二推动件120)变形量忽略不计，可认为是刚体运动，抵接部150与横梁211紧密接触时，它们之间无相对运动发生，且以相同的速度做刚体运动。因此，抵接部150的变形量与传感机构200的变形量相同，且均为uA。另一方面，拉伸机构100本身与试件是并联在一起，因此，该拉伸机构100的变形量也为Δu＝|uA-uB|。设拉伸机构100的刚度为k1，传感机构200的刚度为k2，则实验可以得到拉伸每一时刻试件所受的力载荷的大小，即F＝k2uA-k1Δu，通过该结构可以完整测量得到微纳米尺度下试件的变形信息。
综上，本发明通过设置高分辨的图像采集装置和在拉伸机构和传感机构中分别设置对称的悬臂结构，相比于现有的原位拉伸系统，本申请充分利用悬臂结构小变形下线弹性结构的优点，通过传感机构的设置可获得施加于拉伸机构上的总载荷，通过图像采集装置的测量值可直接计算出拉伸机构的所消耗的载荷，即通过上述两个载荷之差即可计算出试件所受的载荷，避免了使用微电子线路信号输出等一系列传感装置的繁杂。该装置还可以通过后续表面喷镀电路实现微纳米尺度下电加载，可以对一维材料碳纳米管、纳米线等，以及二维材料，如石墨烯、氮化硼等进行测量，也可以对微尺度下的三维体材料进行原位拉伸测量。
本申请还公开了一种原位拉伸装置的制作方法，包括如下步骤制作基体和通过超快飞秒激光刻蚀基体，以形成拉伸机构100和传感机构200。具体过程为：首先提供一片厚度为50μm的304镜面不锈钢，通过脉冲时间为500fs的超快飞秒激光将其切割为15mm×15mm的方形钢片。然后在钢片的一边通过激光刻蚀加工两个直径均为2mm的圆孔。最后在钢片的另一边通过激光将设计的结构加工刻蚀，形成微尺度载荷传感机构和微尺度拉伸机构的主体部分。此外，制作基体之前还包括步骤：通过结构力学方法设计拉伸机构100和传感机构200，并通过有限元进行模拟；然后通过建模软件将模型具体细节(尺寸)形成图纸。本发明采用不锈钢材料，通过飞秒激光加工出了对应的微尺度原位拉伸装置，结构稳定性强，工艺简单、成本低且效率高、不易损坏且可重复利用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种原位拉伸装置，用于对试件进行拉伸，其特征在于，包括：
拉伸机构，包括第一推动件和第二推动件，所述第一推动件与第二推动件能相对运动；第二推动件远离所述第一推动件的一侧设置有抵接部，第一方向为所述第一推动件与第二推动件相对运动的方向；所述拉伸机构包括第二基板和第二悬臂梁，所述第一推动件与所述第二基板连接，所述第二推动件通过至少一个所述第二悬臂梁与所述第二基板连接；所述第二推动件套设在所述第一推动件外，所述第一推动件上开设有沿第二方向凹陷的凹槽，所述第二推动件上开设有沿第二方向凸起的凸起部，所述凸起部位于所述凹槽内，所述凹槽具有第一侧壁，所述凸起部具有第二侧壁，所述第一侧壁与所述第二侧壁之间用于连接所述试件，所述第一方向与所述第二方向垂直；
传感机构，位于所述抵接部背离所述第一推动件的一侧，所述传感机构包括变形体和第一基板，所述变形体连接于所述第一基板，所述变形体能够发生弹性形变，所述变形体包括横梁和第一悬臂梁，所述横梁的长度方向沿第一方向且所述横梁用于与所述抵接部抵接，所述横梁沿第二方向的两侧设置有所述第一悬臂梁，所述第一悬臂梁上远离所述横梁的端部与所述第一基板连接，所述第二方向与第一方向垂直；
驱动机构，所述拉伸机构设置在所述驱动机构上，所述驱动机构用于带动所述拉伸机构沿第一方向朝向所述传感机构运动，以使所述抵接部能与所述横梁抵接，且能使所述第一侧壁与所述第二侧壁相互远离；
位移检测系统，所述位移检测系统包括图像采集装置，所述图像采集装置用于检测所述第一侧壁和所述第二侧壁的位移。
2.根据权利要求1所述的原位拉伸装置，其特征在于，所述传感机构还包括限位件，所述限位件设置在所述第一基板上，且位于所述变形体远离所述拉伸机构的一端，所述限位件用于限制所述变形体的最大变形量。
3.根据权利要求1所述的原位拉伸装置，其特征在于，所述图像采集装置为光学显微镜、扫描电子显微镜或透射电子显微镜。
4.一种权利要求1-3任意一项所述的原位拉伸装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用镜面不锈钢材制作基体；
通过超快飞秒激光刻蚀所述基体，以形成所述拉伸机构和所述传感机构。
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