顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置的製作方法

2023-12-11 18:07:07 2

專利名稱：顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械領域，特別涉及材料結構測試與原位觀測測試領域，尤指一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其安裝在顯微組件下跨尺度原位微納米固體材料進行拉伸/壓縮液壓驅動測試和微觀晶體形態變形觀測的液壓驅動裝置。可以將各種材料的微觀變形機制和力學性能直接對應起來，揭示跨尺度材料力學性能與宏觀性能的關係。
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，通過多種顯微組件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，扭轉法、彎曲法、納米壓痕發和鼓膜法等，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。當前原位納米拉伸/壓縮測試的研究尚處萌芽狀態，具體表現在(1)受到原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡(TEM)等的腔體空間的限制，目前的多數研究都集中在以MEMS/NEMS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，缺少對宏觀尺寸的跨尺度原位納米力學測試的深入研究，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藉助商業化的原為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。在原為納米拉伸/壓縮測試技術應用之前，拉伸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拉伸試樣，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，最初的拉伸機是將材料拉斷後，得出材料的屈服極限及強度極限。傳統拉伸機針對的都是宏材尺度試件，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電子顯微鏡成像系統下的原位觀測。通常，人們從拉伸實驗和微觀結構檢測兩種實驗手段中得到的實驗數據進行分析，進而優化了納米功能材料的製作工藝，但是在此過程中，機械性能的測量和微觀形貌的觀測是獨立的、分離的過程，這大大阻礙了研究的繼續進行。如果能將這兩個方面結合，不但能夠在機理上深入分析材料失效等理論問題，還能進一步提高材料的加工製作工藝過程。然而這些問題的研究都需要動態觀察試件在受力情況下的微觀形貌的變化。因此制約這個領域發展的根源在於一種將試件加載和在此過程中觀察試件微觀形態變化合二為一的檢測技術和檢測儀器。此外，國外公司自主研發了一系列SEM原位力學拉/壓測試裝置，測試範圍涵蓋微納米級試件和宏觀試件，但依然存在裝置體積過大，價格昂貴，並且未發現針對毫米級尺度試件的跨尺度測試裝備。

發明內容
本發明的目的在於提供一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，解決了現在技術存在的費用昂貴、體積大、結構複雜及兼容性差，以及現有實驗測試設備在材料的機械力學性能測試和在此過程中觀察試件微觀形態變化是獨立的、分離的、跨尺度的問題，進而提供一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置。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，可通過原位拉伸/壓縮測試獲得材料的彈性模量、屈服極限及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加載和卸載，從而獲得樣品的抗疲勞性能。本發明解決了當前測試裝置在試驗中性能測試和微觀形態的檢測部分是相互獨立、互相分離為兩個過程的問題，並且通過位移、載荷的高精度控制算法對加載測試過程進行補償並對測試數據進行修正。能夠在多種顯微組件下進行原位拉伸/壓縮測試試驗並同步進行位移、載荷測量、數據分析及檢測修正的測試系統。本發明的上述目的通過以下技術方案實現
顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，包括液壓精密驅動控制單元、測試執行單元、三自由度調整工作檯、測試檢測單元、連接及支撐單元；所述的液壓精密驅動控制單元、測試執行單元是伺服液壓缸I IV 4、36、31、34的輸出端分別與移動車架組5相連，所述移動車架組5與基板14滑動連接，在外部液壓伺服控制系統的作用下，所述伺服液壓缸I、II 4、36與伺服液壓缸III、IV 31,34的運動方向相反，推動移動車架組5沿固定在基板14上的導軌直線前後運動；所述伺服液壓缸I、II 4、36分別通過螺釘固定安裝在測試平臺的前側板30上，伺服液壓缸III、IV31、34分別固定在測力車架組9上，所述測力車架組9分別與光槓I、II 3、13滑動套接；卡具I、II 6、8分別通過固定塊I、II 35,33固定在移動車架組5及測試車架組9的上方。所述的移動車架組5是由移動滑塊39、固定塊I 35及卡具I 6組成，所述移動滑塊39與基板14上的導軌滑動連接，所述固定塊I 35通過螺釘固定連接在移動滑塊39上方的凹槽中，試件夾持的卡具I 6固定連接在固定塊I 35上面，可通過更換不同的試件夾持卡具來對不同試件7進行不同的力學性能測試。所述的測力車架組9是由測力滑塊37、固定塊II 33、卡具II 8組成，所述測力滑塊 37與光槓I 3滑動套接，可以沿著光槓I、II 3、13的方向進行直線移動；所述固定塊II 33 通過螺釘固定連接在測力滑塊37上的凹槽中，所述卡具II 8固定在固定塊II 33上面。所述的測試檢測單元由測力傳感器11和位移傳感器38組成，所述測力傳感器11 的一端與連接塊I 32螺紋固定連接，進而與測力車架組9上的固定塊II 33固定連接，另一端與後側板10上的連接塊II 12連接，所述位移傳感器38的一端固定在前側板30上，另一端與移動車架組5連接，用於測量移動車架組5的相對位置。所述的三自由度調整工作檯是由楔形塊15、楔形導軌16、調整塊17、調整螺釘I、 II 23、27、X、Y方向調整工作檯19、18及錐齒輪組I、11 21、22組成，在基板14下方通過螺釘固定有楔形塊15，可通過裝置右側的手動調整螺釘I、II 23,27對測試執行單元進行Z 方向的調整，X、Y方向調整工作檯19、18是由在X、Y方向具有兩個自由度的平移動的工作檯基底構成，其X方向的調整絲槓通過一組X方向萬向節沈與儀器外部的X方向操縱手輪 25b連接，Y方向的調整絲槓通過一對嚙合的錐齒輪組I、II 21、22和一組Y方向萬向節M 與外部的Y方向操縱手輪2 連接；所述的X、Y方向調整工作檯19、18通過螺釘分別於與上部的楔形導軌16和底部的固定支座20連接，固定支座20與顯微組件的載物臺相連接。所述的卡具I、11 6、8與試件7相配合；可以根據試件7形狀更換不同形式的卡具，同時也可根據試驗性質的不同，更改測試執行單元執行元件，可將顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置改變成為彎曲測試等力學實驗裝置。所述的伺服液壓缸I、II 4、36分別通過液壓管II 2及三通28與外部的伺服液壓閥連接，伺服液壓缸III、IV 31,34分別通過液壓管I 1及兩通四與所述外部的伺服液壓閥連接；液壓油通過兩根分別控制不同方向的液壓管I、II 1、2分別連接至四個伺服液壓缸， 液壓管I、11 1、2從測試平臺的一側統一輸送，液壓油通過外部的伺服液壓閥的控制，使測試試驗部分的加載方式豐富多樣化，既可以為連續加載，也可以為間歇加載。本發明的有益效果在於本發明具有體積小、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，可通過原位拉伸/壓縮測試獲得材料的彈性模量、屈服極限及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加載和卸載，從而獲得樣品的抗疲勞性能。與現有測試設備相比，本發明不僅體積小、重量輕、 剛度高、結構緊湊、測試精度高，而且可提供豐富的測試內容和方式，可與各種顯微組件真空腔體的載物平臺兼容，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拉伸 /壓縮力學測試，並可實現連續、間歇等多種加載方式，對材料及其製品在拉伸/壓縮載荷在下的微觀變形進行同步在線觀測，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，應用相關算法，可進行數據收集和誤差分析，能夠實現測試實驗與動態在線觀測相結合，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。


此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。圖1為本發明的整體外觀結構示意圖； 圖2為本發明的俯視示意圖。1、液壓管I ； 2、液壓管II ； 3、光槓I ； 4、伺服液壓缸I ； 5、移動車架組；6、卡具I ； 7、試件；8、卡具II ； 9、測力車架組； 10、後側板；
11、測力傳感器；12、連接塊II ； 13、光槓II ； 14、基板；15、楔形塊；
16楔形導軌；17、調整塊； 18、Y方向調整工作檯；19、X方向調整工作檯； 20、固定支座；21、錐齒輪組I ； 22、錐齒輪組II ；23、調整螺釘I ；
24、Y方向萬向節；25a、Y方向操縱手輪；方向操縱手輪；^、Χ方向萬向節； 27、調整螺釘II ； 28、三通； 29、兩通； 30、前側板； 31、伺服液壓缸III ； 32、連接塊I ； 33、固定塊II ； 34、伺服液壓缸IV; 35、固定塊I; 36、伺服液壓缸II ； 37、測力滑塊38、位移傳感器；39、移動滑塊。
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及圖2，本發明的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，包括液壓精密驅動控制單元、測試執行單元、三自由度調整工作檯、測試檢測單元、連接及支撐單元；所述的液壓精密驅動控制單元、測試執行單元是伺服液壓缸I IV 4、36、 31,34的輸出端分別與移動車架組5相連，所述移動車架組5與基板14滑動連接，在外部液壓伺服控制系統的作用下，所述伺服液壓缸I、II 4、36與伺服液壓缸III、IV 31,34的運動方向相反，推動移動車架組5沿固定在基板14上的導軌直線前後運動；所述伺服液壓缸I、 II 4、36分別通過螺釘固定安裝在測試平臺的前側板30上，伺服液壓缸III、IV 31,34分別固定在測力車架組9上，所述測力車架組9分別與光槓I、II 3、13滑動套接；卡具I、II 6、8 分別通過固定塊I、II 35,33固定在移動車架組5及測試車架組9的上方。所述的移動車架組5是由移動滑塊39、固定塊I 35及卡具I 6組成，所述移動滑塊39與基板14上的導軌滑動連接，所述固定塊I 35通過螺釘固定連接在移動滑塊39上方的凹槽中，試件夾持的卡具I 6固定連接在固定塊I 35上面，可通過更換不同的試件夾持卡具來對不同試件7進行不同的力學性能測試。所述的測力車架組9是由測力滑塊37、固定塊II 33、卡具II 8組成，所述測力滑塊 37與光槓I 3滑動套接，可以沿著光槓I、II 3、13的方向進行直線移動；所述固定塊II 33 通過螺釘固定連接在測力滑塊37上的凹槽中，所述卡具II 8固定在固定塊II 33上面。所述的測試檢測單元由測力傳感器11和位移傳感器38組成，所述測力傳感器11 的一端與連接塊I 32螺紋固定連接，進而與測力車架組9上的固定塊II 33固定連接，另一端與後側板10上的連接塊II 12連接，所述位移傳感器38的一端固定在前側板30上，另一端與移動車架組5連接，用於測量移動車架組5的相對位置。所述的三自由度調整工作檯是由楔形塊15、楔形導軌16、調整塊17、調整螺釘I、 II 23、27、X、Y方向調整工作檯19、18及錐齒輪組I、11 21、22組成，在基板14下方通過螺釘固定有楔形塊15，可通過裝置右側的手動調整螺釘I、II 23,27對測試執行單元進行Z 方向的調整，X、Y方向調整工作檯19、18是由在X、Y方向具有兩個自由度的平移動的工作檯基底構成，其X方向的調整絲槓通過一組X方向萬向節沈與儀器外部的X方向操縱手輪 25b連接，Y方向的調整絲槓通過一對嚙合的錐齒輪組I、II 21、22和一組Y方向萬向節M 與外部的Y方向操縱手輪2 連接；所述的X、Y方向調整工作檯19、18通過螺釘分別於與上部的楔形導軌16和底部的固定支座20連接，固定支座20與顯微組件的載物臺相連接。
所述的卡具I、11 6、8與試件7相配合；可以根據試件7形狀更換不同形式的卡具，同時也可根據試驗性質的不同，更改測試執行單元執行元件，可將顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置改變成為彎曲測試等力學實驗裝置。所述的伺服液壓缸I、II 4、36分別通過液壓管II 2及三通28與外部的伺服液壓閥連接，伺服液壓缸III、IV 31,34分別通過液壓管I 1及兩通四與所述外部的伺服液壓閥連接；液壓油通過兩根分別控制不同方向的液壓管I、II 1、2分別連接至四個伺服液壓缸， 液壓管I、11 1、2從測試平臺的一側統一輸送，液壓油通過外部的伺服液壓閥的控制，使測試試驗部分的加載方式豐富多樣化，既可以為連續加載，也可以為間歇加載。以上所述僅為本發明的優選實例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於包括液壓精密驅動控制單元、測試執行單元、三自由度調整工作檯、測試檢測單元、連接及支撐單元；所述的液壓精密驅動控制單元、測試執行單元是伺服液壓缸I IV(4、36、31、34) 的輸出端分別與移動車架組(5)相連，所述移動車架組(5)與基板(14)滑動連接；所述伺服液壓缸I、II (4,36)分別通過螺釘固定安裝在測試平臺的前側板(30)上，伺服液壓缸III、 IV (31、34)分別固定在測力車架組(9)上，所述測力車架組(9)分別與光槓I、11(3、13)滑動套接；卡具I、II (6、8)分別通過固定塊I、II (35、33)固定在移動車架組(5)及測試車架組(9)的上方。
2.根據權利要求1所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於所述的移動車架組(5)是由移動滑塊(39)、固定塊I (35)及卡具I (6)組成，所述移動滑塊(39)與基板(14)上的導軌滑動連接，所述固定塊I (35)通過螺釘固定連接在移動滑塊(39)上方的凹槽中，試件夾持的卡具I (6)固定連接在固定塊I (35)上面。
3.根據權利要求1所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於，所述的測力車架組(9)是由測力滑塊(37)、固定塊II (33)、卡具II (8)組成，所述測力滑塊(37)與光槓I (3)滑動套接；所述固定塊II (33)通過螺釘固定連接在測力滑塊(37)上的凹槽中，所述卡具II (8)固定在固定塊II (33)上面。
4.根據權利要求1所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於，所述的測試檢測單元由測力傳感器(11)和位移傳感器(38)組成，所述測力傳感器(11)的一端與連接塊I (32)螺紋固定連接，進而與測力車架組(9)上的固定塊II (33)固定連接，另一端與後側板(10)上的連接塊II (12)連接，所述位移傳感器(38)的一端固定在前側板(30 )上，另一端與移動車架組(5 )連接。
5.根據權利要求1所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於，所述的三自由度調整工作檯是由楔形塊(15)、楔形導軌(16)、調整塊 (17)、調整螺釘I、11 (23、27)、X、Y方向調整工作檯(19、18)及錐齒輪組I、11 (21、22)組成，在基板(14)下方通過螺釘固定有楔形塊(15)，X、Y方向調整工作檯(19、18)是由在X、 Y方向具有兩個自由度的平移動的工作檯基底構成，其X方向的調整絲槓通過一組X方向萬向節(26)與儀器外部的X方向操縱手輪(2 )連接，Y方向的調整絲槓通過一對嚙合的錐齒輪組I、11(21、22)和一組Y方向萬向節(24)與外部的Y方向操縱手輪(2 )連接；所述的X、Y方向調整工作檯(19、18)通過螺釘分別於與上部的楔形導軌(16)和底部的固定支座(20 )連接，固定支座(20 )與顯微組件的載物臺相連接。
6.根據權利要求1所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於，所述的卡具I、II (6、8)與試件(7)相配合。
7.根據權利要求1所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，其特徵在於，所述的伺服液壓缸I、II (4、36)分別通過液壓管II (2)及三通(28)與外部的伺服液壓閥連接，伺服液壓缸III、IV(31、34)分別通過液壓管I (1)及兩通(29)與所述外部的伺服液壓閥連接。
全文摘要
本發明涉及一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅動測試裝置，屬於機械類。包括液壓精密驅動控制單元、測試執行單元、三自由度調整工作檯、測試檢測單元、連接及支撐單元；伺服液壓缸Ⅰ~Ⅳ的輸出端分別與移動車架組相連，所述移動車架組與基板滑動連接；所述伺服液壓缸Ⅰ、Ⅱ分別固定在前側板上，伺服液壓缸Ⅲ、Ⅳ分別固定在測力車架組上，卡具Ⅰ、Ⅱ分別固定在移動車架組及測試車架組的上方。優點在於體積小、重量輕、剛度高、結構緊湊、測試精度高，並且能夠在線監測試件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，可得材料的彈性模量、屈服極限及斷裂強度等重要力學參數，也可獲得樣品的抗疲勞性能。
文檔編號G01N3/36GK102384878SQ20111035341
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者史成利, 張霖, 王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:吉林大學