跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺的製作方法

2023-05-06 17:24:21 1

專利名稱：跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及機電類，特別涉及一種跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺。 可在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)的原位監測下進行包括原位拉伸/壓縮測試、原位剪切測試、原位拉伸/剪切、壓縮 /剪切測試在內的複合載荷力學測試，即可對材料的微觀變形、損傷和破壞過程進行在線觀測，可以實現對載荷/位移信號的採集與控制，可測試材料在納米尺度下的力學特性和損傷機制。
背景技術：
原位納米力學測試是指在納米尺度下對試件材料進行力學性能測試過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡和或光學顯微鏡等儀器對載荷作用下材料發生的微觀變形損傷進行全程動態監測的一種力學測試技術。該技術深入的揭示了各類材料及其製品的微觀力學行為、損傷機理及其與載荷作用和材料性能間的相關性規律。在諸多納米力學測試的範疇中，彈性模量、硬度、斷裂極限、切變模量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多種測試方法，如拉伸/壓縮法，剪切法、扭轉法、彎曲法、 納米壓痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/壓縮測試方法能較全面的反應構件的強度特性，並能最直觀的測量材料彈性模量、屈服極限和斷裂強度等重要力學參數，同時通過剪切測試亦可獲得材料切變模量、剪切強度等相關力學參數。目前，原位納米拉伸/壓縮測試尚處萌芽狀態，具體表現在(1)受到原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等的腔體空間的限制，目前的多數都集中在以微/ 納機電系統工藝為基礎，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構的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)的跨尺度原位納米力學測試，從而嚴重阻礙了學術界對較大尺寸元件的微觀力學行為和損傷機制的新現象、新規律的發現；(2) 從測試手段和方法上來說，主要藉助商業化的納米壓痕儀進行的原位納米壓痕測試和原位納米拉伸儀進行的原位拉伸測試，兩種方法均存在設備費用昂貴，測試方法單一，測試內容乏善可陳的特點，對結構緊湊，體積小巧的拉壓兩用的原位測試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發展；(3)從測試內容上看，現有儀器設備的測試內容相對單一，兩種及兩種以上載荷類型的複合測試儀器鮮有提及，更為發現針對特徵尺寸釐米級以上試件的原位複合載荷測試儀，因此限制了複雜工況下材料的微觀力學性能及損傷機制的研究深入化。在原位納米拉伸/壓縮-剪切複合載荷力學測試技術應用之前，拉伸/壓縮試驗與剪切試驗一般是在材料試驗機上的離位測試。試驗機依規定的速率均勻地加載試樣，由試驗機繪出載荷-伸長曲線，進而得到載荷作用下應力-應變曲線圖，因此，最初的拉伸機和剪切測試機是將材料拉斷或剪斷後，得出材料的拉伸屈服極限、拉伸強度極限、剪切屈服極限、剪切極限等力學參數。傳統拉伸機和剪切測試機針對的都是宏觀尺度試件，未涉及材料納米尺度範疇的力學性能，亦未涉及到高解析度顯微成像系統下的原位觀測。因此，設計一種體積小、結構緊湊，測試精度高，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和損傷過程的拉伸/壓縮-剪切複合載荷力學測試平臺已十分必要。

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複合載荷力學性能測試平臺，解決了傳統拉伸機和剪切測試機針對的都是宏觀尺度試件，未涉及材料納米尺度範疇的力學性能研究，亦未涉及到高解析度顯微成像系統下的原位觀測；缺少對宏觀尺寸(薄膜材料或三維試件)的跨尺度原位納米力學測試，設備費用昂貴，測試方法單一，測試內容乏善可陳； 現有儀器設備的測試內容相對單一，兩種及兩種以上載荷類型的複合測試儀器鮮有提及， 更未發現針對特徵尺寸釐米級以上試件的原位複合載荷測試儀，限制了複雜工況下材料的微觀力學性能及損傷機制的研究深入化。本發明具有體積小，結構緊湊，可提供的測試內容豐富、測試精度高，剛度高的特點，可通過原位拉伸/壓縮測試、原位剪切測試及原位拉伸/ 壓縮-剪切負荷測試獲得材料的彈性模量、切變模量、屈服極限和強度極限等重要力學參數，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監測，為揭示材料在納米尺度下的力學特性和損傷機制提供了測試手段。本發明可對特徵尺寸釐米級以上三維試件實施跨尺度原位複合載荷力學測試的平臺，可進行包含原位拉伸/壓縮測試、原位純剪切測試及原位拉伸/ 壓縮與剪切複合測試在內的三種力學測試試驗，並可同步進行載荷/位移信號的檢測與分析。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複合載荷力學性能測試平臺，包括精密驅動及傳動單元、信號檢測及控制單元、裝夾、連接及支撐單元；所述的精密驅動及傳動單元是直流伺服電機1通過彈性聯軸器5與一級蝸杆7連接並提供動力輸出，且通過一級蝸輪蝸杆傳動副和二級蝸輪蝸杆傳動副將動力傳遞至精密滾珠絲槓I、II 16,21處，並進一步由絲槓方螺母I、II 51、52輸出精密的直線往復運動；
所述的信號檢測及控制單元包括精密接觸式電容位移傳感器22、拉壓力傳感器觀和光電編碼器31，根據直流伺服電機1的脈衝/方向控制模式提供包括變形速率控制、力速率控制、位移速率控制在內的三種數字/模擬反饋信號源，其中，精密接觸式電容位移傳感器 22的前端彈性探頭與位移傳感器固定擋板25相接觸實現變形過程，精密接觸式電容位移傳感器22的主體部分通過位移傳感器基座緊固螺釘42與位移傳感器基座18間隙配合，並與標準試件夾具支撐架I 19連接；拉壓力傳感器觀分別與力傳感器固定擋板沈和標準試件夾具支撐架II對通過力傳感器緊固螺釘I、11 27、45剛性連接，位移傳感器22前端彈性探頭的伸縮方向、力傳感器觀的受力方向與標準試件2在載荷作用下的伸縮方向相同， 以保證位移/載荷信號檢測的準確性；
所述的裝夾、連接及支撐單元包括標準試件夾具I、II 4、30、夾具壓板I、II 3、32及標準試件2，其中，標準試件2安裝在與其尺寸一致的燕尾槽型標準試件夾具I、II 4,30 中，並由與標準試件夾具I、Π 4、30通過壓板緊固螺釘44緊固連接的夾具壓板I、11 3、32 壓緊，防止在壓縮或剪切測試過程中標準試件2的自由移動；同時，測試平臺的整體高度保證了其在安裝於掃描電鏡等成像儀器的載物平臺之後完全符合成像的高度要求，即可與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等兼容使用；
所述的一級蝸輪蝸杆傳動副由一級蝸杆7與緊固在二級蝸杆11上的一級渦輪8組成； 二級蝸輪蝸杆傳動副由二級蝸杆11與二級蝸輪I、II 9、13組成。所述的直流伺服電機1通過電機緊固螺釘48與電機法蘭盤53緊固連接，並由法蘭盤固螺釘33直接與平臺基座20緊固；一級蝸杆7與二級蝸杆11分別由一級蝸杆軸承討、一級蝸杆軸承座6及二級蝸杆軸承I、II 10、15、二級蝸杆軸承座I、II 49、14固定於平臺基座20上；一級蝸輪8與二級蝸輪9、13分別通過蝸輪連接螺釘I、11 34、50與一級蝸杆7及精密滾珠絲槓I、II 16,21剛性連接；用於安裝精密滾珠絲槓I、II 16,21的絲槓固定基座I > IKIILIV 23、36、39、46分別由絲槓固定基座緊固螺釘V、III、IV、KIKVI 43、 38、40、35、37、47與平臺基座20連接；二級蝸杆軸承座I、11 49、14的直角型凹槽與平臺基座20通過膠粘接的方式保證了兩級蝸輪蝸杆副的中心距。所述的標準試件夾具I、II 4、30通過夾具緊固螺釘四與標準試件夾具支撐架 I、II 19,24連接，標準試件夾具I、II 4,30的通孔中心位置組成的圓周中心與標準試件 2的幾何中心點重合，其結構提供四種試件裝夾模式，以保證測試平臺可分別進行原位拉伸 /壓縮測試，雙模式原位拉(壓)剪轉複合載荷測試及原位純剪切測試，即測試平臺與標準試件2拉伸/壓縮軸線方向互成0°、30°、60°或90°角的加載方式，通過變換標準試件夾具I、II 4、30的安裝位置即可實現複合載荷測試功能；標準試件夾具I、II 4、30與標準試件2的結構及尺寸相配合、更換。所述的通過線切割工藝加工的絲槓固定基座I、III、IKIV 23、39、36、46的安裝孔中分別過盈安裝有導向杆I、II 17、55，且該導向杆I、II 17,55與絲槓方螺母I、II 51、 52的通孔間隙配合，即可確保在測試過程中，絲槓方螺母51、52不會因為標準試件2測力點與滾珠絲槓16、21受力點的高度差而產生側翻和傾覆現象。測試平臺可安裝於顯微成像儀器(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)的原位監測下進行包括原位拉伸/壓縮測試、原位剪切測試、原位拉伸/剪切、壓縮/剪切測試在內的複合載荷力學測試，即可對材料的微觀變形、損傷和破壞過程進行在線觀測，可以實現對載荷/位移信號的採集與控制，可測試材料在納米尺度下的力學特性和損傷機制。本發明的有益效果在於與現有技術相比，本發明體積小巧，結構緊湊，測試精度高，可提供的測試內容豐富、變形/位移/載荷速率可控，可安裝於各種主流電子顯微鏡真空腔體的載物平臺上，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，對材料及其製品在載荷在下的微觀變形進行動態觀測，以揭示材料在納米尺度下的力學行為和損傷機制。並通過載荷/位移信號的同步檢測，結合相關算法，亦可自動擬合生成載荷作用下的應力應變曲線。綜上所述，本發明對豐富原位納米力學測試內容和促進材料力學性能測試技術及裝備具有重要的理論意義和良好的應用開發前途。


圖1為本發明的立體外觀結構示意圖；圖2為本發明的主視示意圖； 圖3為本發明的俯視示意圖； 圖4為本發明的左視示意圖5至圖9為本發明複合載荷測試原理示意圖；其中圖6為純拉伸/壓縮測試模式； 圖7為純剪切測試模式；圖8及圖9為拉伸/壓縮-剪切負荷測試模式。圖中1、直流伺服電機2、標準試件3、夾具壓板I 4、標準試件夾具I 5、彈性聯軸節6、一級蝸杆軸承座7、一級蝸杆8、一級蝸輪 9、二級蝸輪I 10、二級蝸杆軸承I 11、二級蝸杆12、一級蝸輪連接螺釘13、二級渦輪II 14、二級蝸杆軸承座II 15、二級蝸杆軸承16、精密滾珠絲槓I 17、導向杆I 18、位移傳感器基座19、標準試件夾具支撐架 I 20、平臺基座21、精密滾珠絲槓II 22、精密接觸式電容位移傳感器23、絲槓固定基座 I 24、標準試件夾具支撐架II 25、位移傳感器固定擋板26、力傳感器固定擋板27、力傳感器緊固螺釘I 28、拉壓力傳感器29、夾具緊固螺釘30、標準試件夾具II 31、光電編碼器32、夾具壓板II 33、法蘭盤緊固螺釘34、二級蝸輪連接螺釘I 35、絲槓固定基座緊固螺釘I 36、絲槓固定基座II 37、絲槓固定基座緊固螺釘II 38、絲槓固定基座緊固螺釘III 39、絲槓固定基座III 40、絲槓固定基座緊固螺釘IV 41、支撐架緊固螺釘42、位移傳感器基座緊固螺釘43、絲槓固定基座緊固螺釘V 44、壓板緊固螺釘45、力傳感器緊固螺釘II 46、絲槓固定基座IV 47、絲槓固定基座緊固螺釘VI 48、電機緊固螺釘49、二級蝸杆軸承座 I 50、二級蝸輪連接螺釘II 51、絲槓方螺母I 52、絲槓方螺母II 53、電機法蘭盤54、一級蝸杆軸承55、導向杆II。
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9，本發明的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，包括精密驅動及傳動單元、信號檢測及控制單元、裝夾、連接及支撐單元；所述的精密驅動及傳動單元是直流伺服電機1通過彈性聯軸器5與一級蝸杆7連接並提供動力輸出，且通過一級蝸輪蝸杆傳動副和二級蝸輪蝸杆傳動副將動力傳遞至精密滾珠絲槓I、II 16,21處，並進一步由絲槓方螺母I、II 51,52輸出精密的直線往復運動；
所述的信號檢測及控制單元包括精密接觸式電容位移傳感器22、拉壓力傳感器觀和光電編碼器31，根據直流伺服電機1的脈衝/方向控制模式提供包括變形速率控制、力速率控制、位移速率控制在內的三種數字/模擬反饋信號源，其中，精密接觸式電容位移傳感器 22的前端彈性探頭與位移傳感器固定擋板25相接觸實現變形過程，精密接觸式電容位移傳感器22的主體部分通過位移傳感器基座緊固螺釘42與位移傳感器基座18間隙配合，並與標準試件夾具支撐架I 19連接；拉壓力傳感器觀分別與力傳感器固定擋板沈和標準試件夾具支撐架II對通過力傳感器緊固螺釘I、11 27、45剛性連接，位移傳感器22前端彈性探頭的伸縮方向、力傳感器觀的受力方向與標準試件2在載荷作用下的伸縮方向相同， 以保證位移/載荷信號檢測的準確性；
所述的裝夾、連接及支撐單元包括標準試件夾具I、II 4、30、夾具壓板I、II 3、32及標準試件2，其中，標準試件2安裝在與其尺寸一致的燕尾槽型標準試件夾具I、II 4,30 中，並由與標準試件夾具I、Π 4、30通過壓板緊固螺釘44緊固連接的夾具壓板I、11 3、32壓緊，防止在壓縮或剪切測試過程中標準試件2的自由移動；同時，測試平臺的整體高度保證了其在安裝於掃描電鏡等成像儀器的載物平臺之後完全符合成像的高度要求，即可與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等兼容使用；
所述的一級蝸輪蝸杆傳動副由一級蝸杆7與緊固在二級蝸杆11上的一級渦輪8組成； 二級蝸輪蝸杆傳動副由二級蝸杆11與二級蝸輪I、II 9、13組成。所述的直流伺服電機1通過電機緊固螺釘48與電機法蘭盤53緊固連接，並由法蘭盤固螺釘33直接與平臺基座20緊固；一級蝸杆7與二級蝸杆11分別由一級蝸杆軸承討、一級蝸杆軸承座6及二級蝸杆軸承I、II 10、15、二級蝸杆軸承座I、II 49、14固定於平臺基座20上；一級蝸輪8與二級蝸輪9、13分別通過蝸輪連接螺釘I、11 34、50與一級蝸杆7及精密滾珠絲槓I、II 16,21剛性連接；用於安裝精密滾珠絲槓I、II 16,21的絲槓固定基座I > IKIILIV 23、36、39、46分別由絲槓固定基座緊固螺釘V、III、IV、KIKVI 43、 38、40、35、37、47與平臺基座20連接；二級蝸杆軸承座I、11 49、14的直角型凹槽與平臺基座20通過膠粘接的方式保證了兩級蝸輪蝸杆副的中心距。所述的標準試件夾具I、II 4,30通過夾具緊固螺釘四與標準試件夾具支撐架 I、II 19,24連接，標準試件夾具I、II 4,30的通孔中心位置組成的圓周中心與標準試件 2的幾何中心點重合，其結構提供四種試件裝夾模式，以保證測試平臺可分別進行原位拉伸 /壓縮測試，雙模式原位拉(壓)剪轉複合載荷測試及原位純剪切測試，即測試平臺與標準試件2拉伸/壓縮軸線方向互成0°、30°、60°或90°角的加載方式，通過變換標準試件夾具I、II 4、30的安裝位置即可實現複合載荷測試功能；標準試件夾具I、II 4、30與標準試件2的結構及尺寸相配合、更換。所述的通過線切割工藝加工的絲槓固定基座I、III、IKIV 23、39、36、46的安裝孔中分別過盈安裝有導向杆I、11 17、55，且該導向杆I、11 17、55與絲槓方螺母I、11 51、 52的通孔間隙配合，即可確保在測試過程中，絲槓方螺母51、52不會因為標準試件2測力點與滾珠絲槓16、21受力點的高度差而產生側翻和傾覆現象。測試平臺可安裝於顯微成像儀器(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)的原位監測下進行包括原位拉伸/壓縮測試、原位剪切測試、原位拉伸/剪切、壓縮/剪切測試在內的複合載荷力學測試，即可對材料的微觀變形、損傷和破壞過程進行在線觀測，可以實現對載荷/位移信號的採集與控制，可測試材料在納米尺度下的力學特性和損傷機制。本發明所述的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，主要由精密驅動及傳動單元、信號檢測及控制單元、裝夾、連接及支撐單元組成。其中的精密驅動單元由直流伺服電機1、彈性聯軸器5、一級蝸輪蝸杆副、二級蝸輪蝸杆副、精密滾珠絲槓I、II 16、 21等組成，兩級蝸輪蝸杆副均可提供1:50的極大減速比，即通過上述傳動環節可將直流伺服電機1輸出的精密驅動轉矩實現較大程度的減速增矩，最終輸出超低應變速率，以滿足超低速準靜態加載的測試要求。其中的信號檢測及控制單元主要由精密接觸式電容位移傳感器22、拉壓力傳感器觀和光電編碼器31構成，可針對直流伺服電機1的脈衝/方向控制模式提供包括變形速率控制、力速率控制、位移速率控制在內的三種數字/模擬反饋信號源。測試平臺的精巧結構可使其安裝於各種主流電子顯微鏡真空腔體的載物平臺上，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，並且完全符合上述儀器設備對成像的具體要求，其中涉及的由直流伺服電機1、精密接觸式電容位移傳感器22、拉壓力傳感器觀和光電編碼器31和相關供電及信號引線可通過上述儀器設備的封閉擋板外置於儀器的腔體之外，以便在成像設備外部人為地對測試過程進行合理控制。參閱附圖1至圖9，本發明所涉及的一種可用於原位納米力學測試的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，是根據Hitachi TM-1000型掃描電鏡設計的，該裝置主體部分的整體尺寸為93mmX34mmX99mm，同時可安裝在各種主流掃描電子顯微鏡和其他顯微成像系統的腔體內部。直流伺服電機1的型號為maxon RE-MAX型，被測標準試件2為銅基非晶合金材料，其總長度為16mm，最小寬度為1mm，光電編碼器31為HEDL9140-500線的高性能光電編碼器，配合EPOS型伺位置控制單元可對直流伺服電機1進行精確控制，進而保證測試過程的應變速率可調。精密接觸式電容位移傳感器22 (型號為WYM-I型)和高精度拉壓力傳感器28 (型號為UNCLB-5000型)用以同步檢測拉伸/壓縮過程中的位移/ 載荷信號，可針對直流伺服電機1的脈衝/方向控制模式提供包括變形速率控制、力速率控制、位移速率控制在內的三種數字/模擬反饋信號源。本發明在具體的測試過程中，首先，將被測標準試件2裝夾在用於原位拉伸(壓縮) 剪切複合載荷測試的標準試件夾具I、II 4,30的燕尾槽型夾具中，並通過調整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測來保證試件測試過程中的共面性和準確位置。標準試件夾具 I、II 4,30的特殊結構可提供四種試件裝夾模式，以保證測試平臺可分別進行原位拉伸/ 壓縮測試，雙模式原位拉(壓)剪轉複合載荷測試及原位純剪切測試，詳見附圖5至9說明， 即測試平臺可分別實現與標準試件2拉伸/壓縮軸線方向互成0°、30°、60°及90°的加載方式，通過變換夾具的安裝位置即可實現複合載荷測試功能。精密拉壓力傳感器觀和精密接觸式電容位移傳感器22與標準試件2的受載方向平行布置。然後，關閉掃描電子顯微鏡真空腔密閉擋板並通過X、Y向精密驅動工作檯的運動，在XOY平面內擬定測試點的準確位置。然後，給定複合載荷測試的變形或載荷控制方式，以脈衝輸出的方式驅動開始測試過程，即通過測試算法程序設定測試條件和參數，在時序脈衝控制信號作用下精密直流伺服電機1輸出精確角位移，最終實現對標準試件2的超低速準靜態加載，測試過程中精密拉壓力傳感器觀對拉伸壓縮軸向的載荷F進行檢測，並通過算法程序作必要的修正處理；同時試件的變形量h由精密接觸式電容位移傳感器22同步拾取，兩路信號通過模數轉換並進行必要的信號調理後送入計算機。在測試的整個過程中，被測標準試件2在載荷作用下材料的變形損傷情況由高放大倍率的掃描電子顯微鏡成像系統進行動態監測，並同時保存所捕獲圖像或錄像，通過上位機調試軟體亦可實時獲取表徵材料力學性能的應力-應變曲線、 彈性模量、屈服強度、切變模量及破壞強度等重要力學參數。此外，通過時序脈衝信號的控制，亦可實現步進加載，拉(壓)剪疲勞測試等多模式測試方法，進而對材料在載荷作用下的變形損傷機制及力學服役行為進行深入研究。
權利要求
1.一種跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，其特徵在於包括精密驅動及傳動單元、信號檢測及控制單元、裝夾、連接及支撐單元；所述的精密驅動及傳動單元是直流伺服電機(1)通過彈性聯軸器(5 )與一級蝸杆(7 ) 連接並提供動力輸出，且通過一級蝸輪蝸杆傳動副和二級蝸輪蝸杆傳動副將動力傳遞至精密滾珠絲槓I、II (16、21)處，並進一步由絲槓方螺母I、II (51,52)輸出精密的直線往復運動；所述的信號檢測及控制單元包括精密接觸式電容位移傳感器(22)、拉壓力傳感器 (28 )和光電編碼器(31)，根據直流伺服電機(1)的脈衝/方向控制模式提供包括變形速率控制、力速率控制、位移速率控制在內的三種數字/模擬反饋信號源；該精密接觸式電容位移傳感器(22)的前端彈性探頭與位移傳感器固定擋板(25)相接觸實現變形過程，精密接觸式電容位移傳感器(22)的主體部分通過位移傳感器基座緊固螺釘(42)與位移傳感器基座(18)間隙配合，並與標準試件夾具支撐架I (19)連接；拉壓力傳感器(28)分別與力傳感器固定擋板(26)和標準試件夾具支撐架II (24)通過力傳感器緊固螺釘I、II (27、45)剛性連接，位移傳感器(22)前端彈性探頭的伸縮方向、力傳感器(28)的受力方向與標準試件 (2)在載荷作用下的伸縮方向相同；所述的裝夾、連接及支撐單元包括標準試件夾具I、II (4、30)、夾具壓板I、II (3,32) 及標準試件(2)，該標準試件(2)安裝在與其尺寸一致的燕尾槽型標準試件夾具I、II (4、 30)中，並由與標準試件夾具I、11(4、30)通過壓板緊固螺釘(44)緊固連接的夾具壓板I、 II (3、32)壓緊。
2.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，其特徵在於所述的直流伺服電機(1)通過電機緊固螺釘(48)與電機法蘭盤(53)緊固連接，並由法蘭盤固螺釘(33)直接與平臺基座(20)緊固；一級蝸杆(7)與二級蝸杆(11)分別由一級蝸杆軸承(54)、一級蝸杆軸承座(6)及二級蝸杆軸承I、II (10、15)、二級蝸杆軸承座I、II (49、14)固定於平臺基座(20)上；一級蝸輪(8)與二級蝸輪(9、13)分別通過蝸輪連接螺釘 I、II (34,50)與一級蝸杆(7)及精密滾珠絲槓I、11(16,21)剛性連接；用於安裝精密滾珠絲槓I >11 (16,21)的絲槓固定基座I、II、III、IV(23、36、39、46)分別由絲槓固定基座緊固螺釘V、III、IV、I、II、VI(43、38、40、35、37、47)與平臺基座(20)連接；二級蝸杆軸承座 I >11(49,14)的直角型凹槽與平臺基座(20)通過膠粘接的方式保證了兩級蝸輪蝸杆副的中心距。
3.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，其特徵在於所述的一級蝸輪蝸杆傳動副由一級蝸杆(7)與緊固在二級蝸杆(11)上的一級渦輪(8) 組成；二級蝸輪蝸杆傳動副由二級蝸杆(11)與二級蝸輪I、II (9,13)組成。
4.根據權利要求1所述的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，其特徵在於所述的標準試件夾具I、II (4,30)通過夾具緊固螺釘(29)與標準試件夾具支撐架I、 11(19,24)連接，標準試件夾具I、II (4,30)的通孔中心位置組成的圓周中心與標準試件 (2)的幾何中心點重合；測試平臺與標準試件(2)拉伸/壓縮軸線方向互成0°、30°、60° 或90°角的加載方式，通過變換標準試件夾具I、11 (4,30)的安裝位置即可實現複合載荷測試功能；標準試件夾具I、II (4,30)與標準試件(2)的結構及尺寸相配合。
5.根據權利要求2所述的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，其特徵在於所述的絲槓固定基座I、III、II、IV(23、39、36、46)的安裝孔中分別過盈安裝有導向杆 I、11 (17、55)，且該導向杆I、11 (17、55)與絲槓方螺母I、II (51,52)的通孔間隙配合。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺，其特徵在於測試平臺安裝於顯微成像儀器內。
全文摘要
本發明涉及的跨尺度微納米級原位複合載荷力學性能測試平臺屬於機電類。由精密驅動及傳動單元、信號檢測及控制單元、裝夾、連接及支撐單元組成。其中精密驅動及傳動單元由直流伺服電機提供動力輸出，並由兩級大減速比蝸輪蝸杆機構和精密滾珠絲槓機構進行動力傳遞；信號檢測及分析單元由精密位移傳感器、精密拉壓力傳感器及與直流伺服電機同軸剛性連接的編碼器組成；裝夾、連接及支撐單元包括用於定位及安裝標準試件的夾具組件等。本發明可與成像儀器兼容，並在其觀測下開展針對宏觀試件的跨尺度原位微納米複合載荷測試，對材料的微觀變形、損傷與斷裂過程進行原位監測，為揭示材料在微納米尺度下的力學特性和損傷機制提供了嶄新的測試方法。
文檔編號G01N3/08GK102262016SQ20111010925
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:吉林大學