跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺的製作方法

2023-05-30 16:09:21 2

專利名稱：跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及原位力學性能測試領域，特別涉及一種跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺。可以在對樣品進行三點彎曲加載的同時，用電鏡等顯微成像儀器(如掃描 電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM、掃描探針顯微鏡SPM等)對加載過程中樣品的微觀變形，損傷以及斷裂過程實施原位監測；也可以對樣品進行反覆加載，用電鏡等顯微成像儀器對樣品進行在線觀測；可以實現對載荷/位移信號的採集、控制及轉換，為精確測定樣品在微納米尺度下的力學特性和揭示樣品在三點彎曲作用下的微觀變形，損傷斷裂機制提供新的測試方式。
背景技術：
原位力學性能測試是指在微/納米尺度下對試件材料進行力學性能測試的過程中，通過光學顯微鏡、電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等儀器對各種載荷作用下材料及其製品發生的微觀變形，損傷進行全程動態在線監測的一種力學測試手段。該技術從微觀層面揭示了各類材料及其製品的力學行為、損傷機理以及載荷的大小、種類與材料性能間的相關性規律。在諸多微納米力學性能測試的範疇中，彈性模量、切變模量、彎曲模量、硬度、斷裂極限等參數是微構件力學特性測試中的最主要的測試對象，針對這些力學量產生了很多種測試方法，如納米壓痕/劃痕、拉伸/壓縮法、剪切法、扭轉法、彎曲法和鼓膜法等，其中原位三點彎曲測試方法能較全面的反應材料或製品在彎曲條件下的力學特性，並能較直觀的測量材料彎曲模量、屈服極限和斷裂強度等重要力學參數；通過反覆多次的對材料或製品進行三點彎曲加載和卸載，也能從一定程度上反映出樣品的抗疲勞性能。當前對於原位三點彎曲測試的研究尚處於初級階段，具體表現如下(1)掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡等的腔體空間非常有限，以至於目前的多數研究都集中在以微/納米尺度材料和結構為基礎，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構進行單純原位納米拉伸測試上，缺少對宏觀尺寸(薄膜材料或三維試件)的跨尺度原位微/納米力學性能測試的深入研究，從而嚴重束縛了學術界對較大尺寸元件的微觀力學行為以及損傷斷裂機制的深入研究；(2)從測量儀器上來說，主要藉助於商業化的掃描電子顯微鏡(SEM)配帶彎曲加載裝置對材料及其製品進行原位微/納米力學性能測試，這種方法存在設備費用昂貴，測試範圍有限，測試內容陳舊等特點，對結構緊湊，測量範圍可調，測試內容多樣的原位三點彎曲測試裝置少有提及，極大制約了研究的深入與發展；
在原位三點彎曲力學性能測試技術應用之前，彎曲試驗一般是用大型彎曲試驗機對材料及其製品進行離位測試。試驗機按照相關標準以均勻速率對樣品進行加載，由試驗機繪出載荷_撓度曲線，進而得到載荷作用下應力-應變曲線圖，因此，最初的彎曲試驗機是將材料彎到規定的角度或者斷裂後，得出材料的彈性模量、屈服極限、斷裂極限等力學參數。 傳統彎曲試驗機針對的大都是大尺度宏材尺度試件，未涉及樣品微納米尺度範疇的力學性能研究，也未涉及到高解析度顯微成像系統下的原位在線觀測。

發明內容
本發明的目的在於提供一種跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，解決了現在技術存在的費用昂貴、體積大、結構複雜、重量重、測試精度低及兼容性差等問題。 本發明具有體積小、重量輕、剛度高、結構緊湊、測試精度高，並且能夠利用電子顯微鏡等成像系統在線監測宏觀試件在載荷作用下的微觀變形以及損傷斷裂過程，可提供的測試內容豐富等特點，可通過原位三點彎曲測試獲得材料的彎曲模量、屈服極限和斷裂強度等重要力學參數，也可通過反覆多次的對材料或製品進行三點彎曲加載和卸載，從一定程度上反映出樣品的抗疲勞性能。對材料的微觀變形、損傷及斷裂過程實施原位在線監測，為揭示材料在微納米尺度下的力學特性和損傷斷裂機制提供新的測試裝置。本發明的上述目的通過以下技術方案實現
跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，包括精密驅動單元、傳動及執行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元，所述的精密驅動單元、傳動及執行單元是無刷直流伺服電動機33通過波紋管彈性聯軸器35與一級蝸杆37連接，且通過由一級蝸杆37及一級蝸輪4所組成的一級蝸輪蝸杆傳動副與二級蝸杆軸1連接，再通過二級蝸杆套I、II 3、 27及二級蝸輪I、II 2、28組成的二級蝸輪蝸杆傳動副分別與精密滾珠絲槓I、II 13、18連接，並進一步通過方螺母I、II 7、22與錘頭12連接；其中無刷直流伺服電動機33與電機法蘭盤34緊固連接，電機法蘭盤34與平臺底座19固定連接；波紋管聯軸器35分別與電機輸出軸和一級蝸杆軸37剛性連接，該一級蝸杆37和一級蝸杆軸承組成的一級蝸杆傳動組件通過一級蝸杆軸承座36、定位銷和沉頭螺釘固定於平臺底座19上；二級蝸杆軸1和二級蝸杆軸承組成的二級蝸杆傳動組件分別與側板II、I 24、31軸承孔通過過盈配合連接；一級蝸輪4及二級蝸輪I、II 2、28分別與一級蝸杆37及精密滾珠絲槓I、II 13、18剛性連接； 二級蝸杆套I、II 3、27分別與二級蝸杆軸1剛性連接；精密滾珠絲槓I、II 13、18的絲槓固定端I、II 5、25與平臺底座19連接，絲槓支撐端16與平臺底座19連接；方螺母I、II 7、 22分別與絲槓螺母I、II 6、23剛性連接；力傳感器11分別與力傳感器連接件10和錘頭12 螺紋連接，並通過螺母緊固；力傳感器11、力傳感器連接件10和錘頭12組成的執行單元通過緊定螺釘和沉頭螺釘與方螺母I、II 7、22定位連接。所述的信號控制及檢測單元包括力傳感器11和光電編碼器32，該力傳感器11分別與力傳感器連接件10和錘頭12螺紋連接，並通過螺母緊固。所述的連接及支撐單元包括T型槽15、支撐頭I、11 14、17及輔助支撐板，該T型槽15固定在絲槓支撐端16上，支撐頭I、II 14、17在該T型槽15內移動至試驗要求的跨距後，通過T型螺栓、螺母與T型槽15緊固，輔助支撐板置於支撐頭I、II 14、17的狹槽內。所述的方螺母I、II 7、22的一側為凹槽形。所述的絲槓固定端I、II 5、25分別與導向杆I、II 8、21的一端過盈裝配，該導向杆I、II 8、21的另一端分別安裝在導向杆支撐座I、II 9,20內，並通過螺釘夾緊，直線軸承 30與方螺母I、II 7、22上的精加工孔過盈配合。所述的側板II、I 24、31分別固定在託臺29上，該託臺29斜面與底面成一定可調角度(0、0° )，該託臺29底部設置底託支撐杆26，通過兩側的耳座固定在顯微成像儀器的載物臺上。本發明的有益效果在於與現有技術相比，本發明體積小、重量輕、剛度高、結構緊湊、測試精度高，可提供的測試內容豐富，可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺相互兼容，亦可與原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、光學顯微鏡等成像設備兼容使用， 應用範圍廣泛，可以對各種材料及製品的宏觀試件進行跨尺度原位力學測試，並可實現連續、間歇等多種加載方式，對材料及其製品在彎曲載荷在下的微觀變形進行動態在線觀測， 以揭示材料在微納米尺度下的力學行為和損傷斷裂機制。通過載荷/位移信號的同步檢測，結合相關軟體算法，可自動擬合生成彎曲載荷作用下的應力應變曲線，實用性強。綜上所述，本發明對豐富原位微納米力學性能測試內容和促進材料力學性能測試技術及裝備的發展，具有重要的理論指導意義和良好的應用開發前景。


圖1為本發明的立體結構示意圖； 圖2為本發明的另一立體結構示意圖； 圖3為本發明的右視示意圖4為本發明的俯視示意圖。圖中
1、二級蝸杆軸2、二級蝸輪I 3、二級蝸杆套I 4、一級蝸輪 5、絲槓固定端I 6、絲槓螺母I 7、方螺母I 8、導向杆I 9、導向杆支承座I 10、力傳感器連接件11、力傳感器 12、錘頭 13、精密滾珠絲槓I 14、支撐頭I 15、T型槽
16、絲槓支撐端17、支撐頭II 18、精密滾珠絲槓II 19、平臺底座20、導向杆支承座 II 21、導向杆II 22、方螺母II 23、絲槓螺母II 24、側板II25、絲槓固定端
II
26、底託支撐杆II 27、二級蝸杆套釘II 28、二級蝸輪II 29、託臺 30、直線軸承 31、側板I 32、光電編碼器 33、直流伺服電動機 34、電機法蘭盤 35、波紋管聯軸器 36、一級蝸杆支撐座 37、一級蝸杆。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式
。參見圖1至圖4，本發明的跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺包括精密驅動單元、傳動及執行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元，所述的精密驅動單元、傳動及執行單元是由無刷直流伺服電動機33提供動力輸出，無刷直流伺服電動機33 通過波紋管彈性聯軸器35與一級蝸杆37連接，且通過由一級蝸杆37及緊固在二級蝸杆軸 1上的一級蝸輪4所組成的一級蝸輪蝸杆傳動副與二級蝸杆軸1連接，將動力傳至二級蝸杆軸1上，再通過緊固在二級蝸杆軸1上的二級蝸杆套I、II 3、27及二級蝸輪I、II 2、28組成的二級蝸輪蝸杆傳動副分別與精密滾珠絲槓I、11 13、18連接，將動力傳遞至精密滾珠絲槓I、11 13、18處，並進一步通過方螺母I、11 7、22與錘頭12連接，帶動錘頭12輸出精密的直線往復運動；其中無刷直流伺服電動機33通過電機緊固螺釘與電機法蘭盤34緊固連接，電機法蘭盤34通過緊定螺釘直接與平臺底座19固定連接；波紋管聯軸器35通過緊定螺釘分別與電機輸出軸和一級蝸杆軸37剛性連接，該一級蝸杆37和一級蝸杆軸承組成的一級蝸杆傳動組件通過一級蝸杆軸承座36、定位銷和沉頭螺釘準確固定於平臺底座19上；二級蝸杆軸1和二級蝸杆軸承組成的二級蝸杆傳動組件分別與側板II、I 24,31軸承孔通過過盈配合連接；一級蝸輪4及二級蝸輪I、II 2、28分別通過蝸輪連接螺釘與一級蝸杆37 及精密滾珠絲槓I、II 13、18剛性連接；二級蝸杆套I、II 3、27通過蝸杆連接螺釘分別與二級蝸杆軸1剛性連接；精密滾珠絲槓I、II 13、18的絲槓固定端I、II 5、25通過沉頭螺釘與平臺底座19連接，絲槓支撐端16通過定位銷、沉頭螺釘與平臺底座19準確定位連接；方螺母I、II 7、22通過緊固螺釘分別與絲槓螺母I、II 6、23剛性連接；力傳感器11分別與力傳感器連接件10和錘頭12螺紋連接，並通過螺母緊固；力傳感器11、力傳感器連接件10和錘頭12組成的執行單元通過緊定螺釘和沉頭螺釘與方螺母I、II 7、22定位連接。 所述的信號控制及檢測單元包括力傳感器11和光電編碼器32，可以針對直流伺服電動機33的脈衝/方向控制模式提供包括位移速率控制、力速率控制、變形速率控制在內的三種數字/模擬反饋信號源；該力傳感器11分別與力傳感器連接件10和錘頭12螺紋連接，並通過螺母緊固；該力傳感器11的受力方向與標準試件在載荷作用下的伸縮方向一致，以保證載荷/位移信號檢測的同步性和準確性。所述的連接及支撐單元包括T型槽15、支撐頭I、11 14、17及輔助支撐板，該T型槽15固定在絲槓支撐端16上，支撐頭I、II 14、17在該T型槽15內移動至試驗要求的跨距後，通過T型螺栓、螺母與T型槽15緊固，根據不同的要求，可以通過該支撐頭I、II 14、 17在該T型槽15內移動實現樣品不同跨距的原位三點彎曲力學性能測試，輔助支撐板置於支撐頭I、II 14,17的狹槽內，將標準試件置於輔助支撐板上，通過預加載，實現標準試件與支撐頭I、II 14、17的預接觸。所述的方螺母I、II 7、22的一側為凹槽形，可以通過向凹槽內加標準薄墊片來調整由於製造誤差導致的兩個方螺母間的不同步問題，從而保證了錘頭12的實際加載方向與理論加載方向一致。所述的絲槓固定端I、11 5、25分別與導向杆I、11 8、21的一端過盈裝配，該導向杆I、II 8、21的另一端分別安裝在導向杆支撐座I、II 9,20內，並通過螺釘夾緊，直線軸承 (30)與方螺母I、II 7、22上的精加工孔過盈配合，即可在誤差允許範圍內確保在整個測試過程中，絲槓方螺母I、II 7、22不會由於負載的存在而產生傾覆或者側翻現象。所述的側板II、I 24、31通過緊定螺釘分別固定在託臺29上，該託臺29斜面與底面成一定可調角度(0、0° )，該託臺29底部設置底託支撐杆26，通過兩側的耳座固定在電鏡等顯微成像儀器的載物臺上。從而保證被測試件進入電鏡等顯微成像儀器的清晰視野範圍內。
權利要求
1.一種跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，包括精密驅動單元、傳動及執行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元，其特徵在於，所述的精密驅動單元、傳動及執行單元是無刷直流伺服電動機(33)通過波紋管彈性聯軸器(35)與一級蝸杆(37)連接，且通過由一級蝸杆(37)及一級蝸輪(4)所組成的一級蝸輪蝸杆傳動副與二級蝸杆軸 (1)連接，再通過二級蝸杆套I、II (3,27)及二級蝸輪I、II (2,28)組成的二級蝸輪蝸杆傳動副分別與精密滾珠絲槓I、II (13、18)連接，並進一步通過方螺母I、II (7、22)與錘頭 (12)連接；其中無刷直流伺服電動機(33)與電機法蘭盤(34)緊固連接，電機法蘭盤(34)與平臺底座(19)固定連接；波紋管聯軸器(35)分別與電機輸出軸和一級蝸杆軸(37)剛性連接，該一級蝸杆(37)和一級蝸杆軸承組成的一級蝸杆傳動組件通過一級蝸杆軸承座(36)、 定位銷和沉頭螺釘固定於平臺底座(19)上；二級蝸杆軸(1)和二級蝸杆軸承組成的二級蝸杆傳動組件分別與側板II、I (24、31)軸承孔通過過盈配合連接；一級蝸輪(4)及二級蝸輪 I、II (2,28)分別與一級蝸杆(37)及精密滾珠絲槓I、II (13、18)剛性連接；二級蝸杆套 I、II (3,27)分別與二級蝸杆軸(1)剛性連接；精密滾珠絲槓I、II (13、18)的絲槓固定端 KII (5、25)與平臺底座(19)連接，絲槓支撐端(16)與平臺底座(19)連接；方螺母I、II (7、22)分別與絲槓螺母I、11(6、23)剛性連接；力傳感器(11)分別與力傳感器連接件(10) 和錘頭(12)螺紋連接，並通過螺母緊固；力傳感器(11)、力傳感器連接件(10)和錘頭(12) 組成的執行單元通過緊定螺釘和沉頭螺釘與方螺母I、II (7,22)定位連接。
2.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，其特徵在於所述的信號控制及檢測單元包括力傳感器(11)和光電編碼器(32)，該力傳感器(11)分別與力傳感器連接件(10)和錘頭(12)螺紋連接，並通過螺母緊固。
3.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，其特徵在於，所述的連接及支撐單元包括T型槽(15)、支撐頭I、II (14、17)及輔助支撐板，該T型槽 (15)固定在絲槓支撐端(16)上，支撐頭I、II (14、17)在該T型槽(15)內移動至設定跨距通過T型螺栓、螺母與T型槽(15)緊固，輔助支撐板置於支撐頭I、II (14、17)的狹槽內。
4.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，其特徵在於，所述的方螺母I、II (7,22)的一側為凹槽形。
5.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，其特徵在於，所述的絲槓固定端I、II (5,25)分別與導向杆I、II (8,21)的一端過盈裝配，該導向杆 I、II (8,21)的另一端分別安裝在導向杆支撐座I、II (9,20)內，並通過螺釘夾緊，直線軸承(30)與方螺母I、II (7、22)上的精加工孔過盈配合。
6.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，其特徵在於，所述的側板II、I (24、31)分別固定在託臺(29)上，該託臺(29)斜面與底面成(Γ90° 角，該託臺(29 )通過兩側的耳座固定在顯微成像儀器的載物臺上。
全文摘要
本發明涉及一種跨尺度微納米級原位三點彎曲力學性能測試平臺，屬於原位力學性能測試領域。其結構包括精密驅動單元、傳動及執行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元。無刷直流伺服電動機與一級蝸杆連接，且通過一級蝸輪蝸杆傳動副與二級蝸杆軸連接，再通過二級蝸輪蝸杆傳動副分別與精密滾珠絲槓Ⅰ、Ⅱ連接，並進一步與錘頭連接。優點在於體積小、重量輕、剛度高、結構緊湊、測試精度高，可提供的測試內容豐富，可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺相互兼容。
文檔編號G01N3/20GK102331376SQ20111017219
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者萬順光, 劉長勝, 史成利, 張霖, 張鵬, 李秦超, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:趙宏偉