CN204495648U - 一种在线检测材料微纳结构演化的sr-ct微力加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，包括X光源及光路、图像采集及重建系统，X光源的光路上设有位移驱动系统；位移驱动系统包括设于最上部的微米位移平台，微米位移平台的下部设有导轨，导轨通过支撑杆支撑在底座上，底座固定在位移及旋转平台上；导轨上在所述微米位移平台的下部设有压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的下部设有上载物台，底座上设有微力传感器，微力传感器上设有下载物台，上载物台和下载物台上分别装有上载物片和下载物片，上载物片和下载物片通过载物片夹具固定安装，上载物片与下载物片之间设有样品。能对材料实现微力加载，并实时原位观测材料宏观力学参量和微、纳尺度下的特征结构演化SR-CT微力加载。

Description

一种在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置

技术领域

本实用新型涉及一种能对材料实现微力加载的装置，尤其涉及一种在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置。

背景技术

在材料力学中，传统的检测及研究方法仅仅是做材料的宏观力学性能测试。虽然这样的方法能够得到材料的力学性能数据，但是对于力学机理并不能给出很好的解释。材料的破坏过程从本质上讲，是从微观到宏观的跨尺度行为。发展多尺度材料力学分析方法，需要实时观测材料微观特征演化规律及其宏观力学响应关系。随着科学技术的发展，材料力学的研究范畴也从宏观逐渐发展到细观乃至微观。但是目前细观材料力学的研究以理论研究为主，而实验性的研究方法和技术还比较少见。因此发展一种能够在细微条件下研究材料力学行为的方法及技术十分必要。

在观测技术上，同步辐射CT技术是一种新型的检测技术。它克服了电镜技术只能给出材料的表面信息的缺点，能够实现对材料内部结构三维、无损、实时的观测。因此设计一套SR-CT微力加载实验平台，能够直接观测宏观力学参量和材料内部微结构演化相互影响过程。这可以使材料失效机制的研究能够更加深入，进而为揭示材料深层次力学行为机理奠定基础，是微/纳尺度力学领域中的实验分析平台。目前还没有一套这样的检测装置，主要存在着以下的技术难点：

1)装置结构及其尺寸与同步辐射实验环境的匹配；2)如何保证装置既有足够的力加载极限来拉断样品，又有高精度力加载步长和高精度测量系统；3)如何实现微小样品放置、夹持及精确对中；4)如何设计支撑杆，在满足刚度足够支撑该装置的前提下尽可能的减少挡光的角度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、精度高的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，包括X光源及光路、图像采集及重建系统，所述X光源的光路上设有位移驱动系统；

所述位移驱动系统包括设于最上部的微米位移平台，所述微米位移平台的下部设有导轨，所述导轨通过支撑杆支撑在底座上，所述底座固定在位移及旋转平台上；

所述导轨上在所述微米位移平台的下部设有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器的下部设有上载物台，所述底座上设有微力传感器，所述微力传感器上设有下载物台，所述上载物台和下载物台上分别装有上载物片和下载物片，所述上载物片和下载物片通过载物片夹具固定安装，所述上载物片与下载物片之间设有样品。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，能对材料实现微力加载，并实时原位观测材料宏观力学参量和微、纳尺度下的特征结构演化SR-CT(“同步辐射CT”简称“SR-CT”)微力加载，可以应用于生物医学材料、航空材料、纳米材料等先进多相复合材料拉/压载荷作用下其微观特征演化过程的三维、无损、原位在线观测及其宏观力学响应分析，是微/纳尺度力学领域中的实验分析平台。该装置能够在大型同步辐射实验平台和工业μ-CT平台上进行工作。

附图说明

图1是基于本实用新型的SR-CT实验分析系统示意图；

图2为本实用新型实施例中位移驱动系统的结构示意图；

图3a为本实用新型实施例中支撑杆的截面结构示意图；

图3b为本实用新型实施例中支撑杆的旋转后的状态示意图；

图4为本实用新型实施例中样品被夹持状态示意图。

图中：

1.微米位移平台，2.压电陶瓷驱动器，3.上载物台，4.下载物台，5.载物片夹具，6.上载物片，7.下载物片，8.支撑杆，9.微力传感器，10.底座，11.同步辐射X射线光束，12.位移驱动系统，13.位移及旋转平台，14.X-ray CCD，15.处理系统，16.样品。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。

本实用新型的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，其较佳的具体实施方式是：

包括X光源及光路、图像采集及重建系统，所述X光源的光路上设有位移驱动系统；

所述位移驱动系统包括设于最上部的微米位移平台，所述微米位移平台的下部设有导轨，所述导轨通过支撑杆支撑在底座上，所述底座固定在位移及旋转平台上；

所述导轨上在所述微米位移平台的下部设有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器的下部设有上载物台，所述底座上设有微力传感器，所述微力传感器上设有下载物台，所述上载物台和下载物台上分别装有上载物片和下载物片，所述上载物片和下载物片通过载物片夹具固定安装，所述上载物片与下载物片之间设有样品。

所述支撑杆的截面采用半圆弧结构。所述微米位移平台设有微小步进电机。

所述图像采集及重建系统包括X-ray CCD和处理系统。

具体实施例：

在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置包括六部分：X光源及光路、位移驱动系统、微力传感器、样品夹持系统、支撑杆、图像采集及重建系统。本实用新型的改进主要在于位移驱动系统、样品夹持系统、支撑杆设计三个方面。

第一部分：X光源及光路：

如图1所示，X射线由X光源产生，并按照固定的光路传播。

第二部分：位移驱动系统：

如图2所示，位移驱动系统的主要包括以下部件：微米位移平台1、压电陶瓷驱动器2；各部件之间通过机械连接。

微米位移平台1是对样品施加微米位移量级的位移装置。产生的最大输出位移约30mm，位移分辨率0.1μm，最大驱动力20N。

压电陶瓷驱动器2位于微米位移平台的导轨之上，通过绑定于微米位移平台导轨上对样品施加纳米位移量级的位移。产生的最大输出位移约60μm，位移分辨率1nm，最大驱动力1000N。

位移驱动系统采取了双驱动的方式，将微米位移平台与压电陶瓷驱动器结合起来。微米位移平台采用微小步进电机驱动，用于粗调或者预紧，压电陶瓷驱动器用于精确位移驱动。

第三部分：微力传感器：

如图2所示，微力传感器9是测量样品所受力载荷的大小的装置。测力范围为±20N，精度0.15％；

第四部分：样品夹持系统：

如图2所示，样品夹持系统包括以下部件：载物台3、4；载物片6、7；载物片夹具5；

载物片6、7是用于固定样品端部的装置。载物片上表面用于固定样品，下表面通过螺丝安装在载物台上。

载物台3、4是用于连接载物片和位移驱动系统、微力传感器的装置。

载物片夹具5用于固定两块载物片并保持其相对位置固定。带有载物片夹具的载物片安装到载物台，能够保持安装过程中上、下载物片相对位置固定，避免样品被破坏。安装完成后拆卸载物片夹具。

第五部分：支撑杆：

如图2所示，支撑杆8用于连接上面的位移驱动装置和下面的底座。

如图3所示支撑杆使用半圆弧设计，使其在应用于同步辐射CT实验时，能够在120度的旋转角度上采集图像。

第六部分：图像采集及重建系统：

如图1所示，图像采集及重建系统包括X-ray CCD、处理系统。X-ray CCD可以接收从右侧出射的同步辐射X射线并将其转换为数字信号；处理系统可以重建出样品材料内部的、三维的微结构形貌图。

基于上述技术方案，本实用新型的机械总图及基于该实用新型的SR-CT实验分析系统如图2和图1所示。目前，基于该套测试平台，已成功实现了碳纤维复合材料在拉伸力作用下，分辨率为0.19μm的同步辐射CT在线观测。

本实用新型的优点和积极效果是：

提供一套研究跨尺度力学SR-CT微型拉/压实验装置，它可有效克服传统实验观测技术的缺点，实现在拉压载荷作用下，对生物材料、航空材料、纳米材料等先进材料的微、纳尺度结构形貌演化及其宏观力学响应进行三维、无损、原位在线的观测和分析。本实用新型将为深入研究材料宏观力学特性与微观结构及其演化过程之间力学作用机制提供有力的技术支持。

具体实施的工作原理是：

如图1所示，本实用新型具体实施时包含以下部分：X光源及光路、位移驱动系统、微力传感器、样品夹持系统、图像采集及重建系统。各部分具体实施过程和实施例如下：

一、X光源及光路：

检测过程中，X射线经过一系列光学元件后穿透样品后从右侧射出，然后由X-rayCCD接收成像。在具体实施过程中，X射线可有同步辐射光源和X射线机产生，其光束类型包括但不限于平行束和扇形束等；

二、位移驱动系统：

位移驱动系统的主要包括微米位移平台、压电陶瓷驱动器驱动两部分。位移驱动系统一方面需要高精度的位移步长，另一方面微小样品在放置于载物片时候，会存在弯曲情况时，如图4所示，又或者当其他部件结合部位有空隙而不够紧密而需要足够的行程。因此，在驱动系统上采取了双驱动的方式，即将微米位移平台与压电陶瓷驱动器结合起来。微米位移平台采用微小步进电机驱动，用于粗调或者预紧，压电陶瓷驱动器用于精确位移驱动。具体实施时，当需要对微小样品产生施加力载荷时，先调节微米精密平台，使样品拉直或接合部位的空隙消失，然后再利用压电陶瓷驱动器对样品施加力载荷。

三、微力传感器：

微力传感器能够实时和高精度的监控样品所受力载荷的大小。具体实施时，安装样品需要实时监控样品所受力载荷，防止样品在安装过程中受较大荷载而破损。样品加载后，需要根据微力传感器读数调节位移驱动系统产生位移，使样品所受载荷维持在恒定值。

四、样品夹持系统：

样品夹持系统包括载物台、载物片、载物片夹具。载物台、载物片。载物片夹具

具体实施时样品的放置和对齐通过以下步骤完成：

①将载物片放入载物片框架中相应的位置，拧紧螺钉；

②将载物片框架放置在加热台上，加热至130℃；

③用镊子将样品放置在凹槽里，将石蜡涂抹在载物片的凹槽里；

④冷却至室温，石蜡固化；

经过以上步骤后，用螺钉将载物片固定于力加载装置的载物台上，接着松开载物片框架上的螺钉，取下框架。

五、图像采集及重建系统：

图像采集及重建系统由X-ray CCD、处理系统组成。具体实施过程中，穿透样品后从右侧射出的同步辐射光被X-ray CCD接收，并存储于计算机硬盘上，然后利用处理系统得到各时刻的样品材料的三维微结构形貌图，从而实现对拉/压载荷下材料的三维、无损、实时原位探测。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，包括X光源及光路、图像采集及重建系统，其特征在于，所述X光源的光路上设有位移驱动系统；

所述位移驱动系统包括设于最上部的微米位移平台(1)，所述微米位移平台(1)的下部设有导轨，所述导轨通过支撑杆(8)支撑在底座(10)上，所述底座固定在位移及旋转平台上；

所述导轨上在所述微米位移平台(1)的下部设有压电陶瓷驱动器(2)，所述压电陶瓷驱动器(2)的下部设有上载物台(3)，所述底座(10)上所述微米位移平台(1)设有微力传感器(9)，所述微力传感器(9)上设有下载物台(4)，所述上载物台(3)和下载物台(4)上分别装有上载物片(6)和下载物片(7)，所述上载物片(6)和下载物片(7)通过载物片夹具(5)固定安装，所述上载物片(6)与下载物片(7)之间设有样品。

2.根据权利要求1所述的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，其特征在于，所述支撑杆(8)的截面采用半圆弧结构。

3.根据权利要求2所述的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，其特征在于，所述微米位移平台(1)设有微小步进电机。

4.根据权利要求1、2或3所述的在线检测材料微纳结构演化的SR-CT微力加载装置，其特征在于，所述图像采集及重建系统包括X-ray CCD和处理系统。