用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮裝置的製作方法
2023-12-11 18:13:32 3
專利名稱:用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮裝置的製作方法
技術領域:
本實用新型涉及在多種光源下材料拉伸與受壓性能的測量技術領域, 具體涉及到在高精度位移、不同速率範圍以及相應溫度條件下測量材料的 結構與力學性能的裝置。
背景技術:
材料的結構與力學性能的關係是材料科學與工程的研究和應用領域的 中心課題。通常,研究人員在常規的拉伸實驗機如萬能拉力機上檢測材料 的力學性能。另一方面,通過一些光譜,散射和成像的微觀結構表徵手段 獲得結構信息。在分別獲得結構和力學性能後,再努力尋找它們之間的關 系。由於結構和力學性能檢測不是同時原位進行,因此很難獲得一個非常 明確的對應關係。材料拉伸或壓縮等檢測是一個動態過程,不同拉伸長度 下結構不斷發生變化。解決這一 問題的辦法是將拉伸或壓縮等力學測試裝 置直接安裝在微觀結構檢測的儀器上,在拉伸和壓縮等力學性能的測試過 程中對原位檢測材料不同尺度的微觀結構和力學性能進行同時原位檢測, 直接給出它們的對應關係。與原位不同尺度微觀結構檢測的儀器連用的力 學測試裝置必須滿足一些基本條件。第一,在拉伸或壓縮過程保證微觀結 構的檢測點不變。通常的拉伸或壓縮等力學性能測試儀都是單個方向拉伸 即固定測試樣品的一端,拉伸另一端。這一測試過程中,樣品上沒有一個 固定點供結構測試。兩個方向同時等速拉伸過程中樣品中心位置不變,是 理想的結構檢測點。第二,拉伸或壓縮裝置整體不能太大。商品化微觀結 構檢測儀器的樣品臺空間都較小,如果力學性能測試裝置過大就無法安裝 在這些儀器上。第三,^皮拉伸或壓縮的樣品最好能在可控環境中進行檢測, 溫度控制是其中一個基本的條件。第四,適用於不同的微觀結構檢測儀器。 由於材料的力學性能是由其不同尺度的微觀結構決定的,這些結構檢測需要採用不同的儀器。總結以上四點,我們可以得出材料研究人員需要的是 一臺體積小、可雙向同步拉伸或壓縮,溫度可控,同步記錄樣品的幾何結 構變化,能用於不同微觀結構檢測儀器上的裝置。
目前國內沒有類似商品化儀器,部分實驗有過相應探索,但都有很多缺
P舀。國際上Gatan, Deben和Linkam等公司有商品化產品。但Gatan, Deben 的加熱採用夾具加熱,Linkam的加熱是採用單個加熱片,這些加熱方式使 樣品溫度不均勻,不適合在較大範圍的拉伸。特別對高分子其它軟物質而 言,均勻加熱是必須的。通常拉力機配的是力口熱爐的方式,通過空氣加熱, 使樣品受熱均勻。 發明內容
為了克服上述現有技術存在的不足,本實用新型提供一種可以在多種 光源和相應溫度條件下測量材料的拉伸與受壓情況,並進行同步結構檢測 的裝置,即用於多光源原位結構^r測的材料4立伸和壓縮裝置。
實現上述目的的具體結構如下
用於多光源原位結構;險測的材料拉伸和壓縮裝置包括底板,所述底板 上一側設有帶減速器的伺服電機,帶減速器的伺服電機輸出軸通過聯軸器 連接著主動齒輪的齒輪軸,與主動齒輪軸平行底板上設有雙向螺杆,雙向 螺杆的一端設有從動齒輪,從動齒輪與主動齒輪配合,雙向螺杆上兩側分 別通過螺母連接著固定支架,固定支架另一端分別連接著滑塊,與滑塊對 應配合的滑動導軌設於底板上,兩固定支架相對的一側面分別設有夾頭, 一側固定支架的另一側面設有力傳感器; 一對夾頭之間的底板上設有通光 孔,通光孔處對應設有光源,與光源對應設有高頻率攝像機,高頻率攝像 機通過導線與計算機連接。
所述一對夾頭外側設有可拆卸加熱套。
所述一側夾頭上"^殳有熱電偶。
所述減速器為1: 100高精度行星齒輪變速器。
該裝置整體長、寬、高尺寸為24. 4x18. 2x7cm3。
所述光源為鉬靶,或X射線,或紅外光源。本裝置採用高精度伺服電機做為位移掃描平臺的控制器,前極裝有1: 100的高精度行星齒輪變速器,這樣可以很好的控制掃描平臺得到操作要求 的位移量,而在材料受力與對應溫度採集方面,本裝置可以利用Labview 軟體的編寫將高精度伺服電機控制系統、力傳感器和溫度傳感器的控制與 採集進行集成化,使本裝置在位移及速度控制、溫度控制、數據採集(包 括拉力或壓力採集、溫度採集)上達到採樣速率快以及數據採樣同步實時 並可以在線分析的目的(其中力採集可以使用10k/s的高速採集系統)。
高精度的特點體現在伺服電機本身的參數為勻速轉動範圍為1一3000 轉/分鐘、單步轉動精度為65536步/轉,而採用傳動的兩個精細齒輪傳動 比為1: 1,精細傳動螺杆轉速為1. 5mm/轉,在加上伺服電機前極裝有1: 100的高精度行星齒輪變速器,當選擇伺服電機在1轉/分鐘的勻速轉動時, 掃描平臺做出500納米/秒的勻速拉伸或擠壓運動。選擇伺服電機的單步運 轉時可以通過調整伺服電機的單步位移大小和單步間隔時間使本裝置達到 更慢的速度,在電機往復位移運動的過程中,通過設定高精度伺服電機的 自身的轉動精度,可以使掃描平臺達到更為精確的位移與定位。
高頻率攝像機在線實時記錄樣品幾何形狀變化,通過計算機在控制拉 伸裝置的同時實驗人員可以觀察被檢測樣品的形貌,屈服、細頸、斷裂等 力學行為,拉伸過程中高頻率攝像機CCD按設置的頻率和暴光時間記錄樣 品的變化情況,以高解析度的圖片格式儲存,通過分析軟體,得到樣品的 真應力應變曲線。
實現同步高速採樣,並可在線分析。本裝置可以通過USB接口把高速 採集系統與計算機連接,把每一個傳感器信號進行運算放大,經過單片機 處理後通過指定的端 口直接傳送給計算機,再由計算機進行數據分析,這 樣就可以實現多通道數據的同步釆集,而不同通道的採樣時間由Labview 編寫的程序進行控制並且可以實時在線的調整採樣點,使得採集到的數據 更有利於分析與計算。
由於可以採用同步高速採樣和在線分析系統,本裝置可以實時調整拉 伸或擠壓速度使得壓力或拉力在相應的小範圍內變化,從而達到恆力拉伸或擠壓的效果。
本實用新型的有益技術效果是,可實現兩個方向同時等速拉伸過程中
樣品中心位置不變,取得理想的結構檢測點; 一對夾頭外側設有可拆卸加 熱套,可實現對被拉伸或壓縮樣品的溫度的調節控制;本裝置體積小、位
移精度高、恆定速度可調節、可以採用多通道實時數據採集,在不同的光 源條件下可以調整實驗溫度,改變力探測器來實現不同拉伸(壓縮)速度和 不同的拉伸(壓縮)比的情況下在線測量材料的結構變化,從而得到在特定 微小位移和不同溫度下拉伸(或受壓)對材料結構的影響,並紀錄材料的力 學性能。由於拉伸速率的可控性與穩定性,可以得到在不同溫度下以某一 恆定的拉伸(壓縮)速率進行拉伸時材料的幾何形狀變化和結構的變化,並
紀錄其力學特徵;也可以調整為對應溫度曲線控制下通過拉力反饋而形成 的以恆定拉力或壓力運動的恆力運動裝置,從而測量相應材料的結構和對 應力學性能。
圖l是本實用新型結構示意圖。 圖2是本實用新型裝置示意圖。
圖3是本實用新型測量彈簧拉伸過程受力變化示意圖。
圖4是本實用新型拉伸速率分別為A: 2. 93um/s;B: 5. 87um/s時,非晶硫 樣品所受拉力隨採集點(時間)變化趨勢示意圖。
圖5是本實用新型中文名稱(WAXD)在線觀測,拉伸速率為2. 93um/s時 非晶硫的衍射圖變化情況。
圖6是本實用新型中文名稱(SPP)樣品在拉伸速率為l. 16um/s時的工 程應力應變曲線示意圖。
圖7是通過光強分析,得到中文名稱(SPP)樣品的寬度變化示意圖。
圖8是中文名稱(SPP)樣品在拉伸過程中的真應力應變曲線示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本實用新型作進一步地說明。 實施例1
用於多光源原位結構^r測的材料拉伸和壓縮裝置包括底板9,底板9 上一側固定安裝有帶減速器的伺服電機1,減速器為1: IOO高精度行星齒 輪變速器;帶減速器的伺服電機1輸出軸通過聯軸器2連接著主動齒輪的 齒輪軸,與主動齒輪軸平行底板9上設有雙向螺杆4,雙向螺杆4的一端安 裝有從動齒輪,從動齒輪與主動齒輪嚙合傳動,雙向螺杆4上兩側分別通 過螺母連接著固定支架5,固定支架5另一端分別連接著滑塊,與滑塊對應 配合的滑動導軌安裝於底板上,兩固定支架5相對的一側面分別安裝有夾 頭6, 一側固定支架5上安裝有力傳感器8; —對夾頭6之間的底板上設有 通光孔,通光孔處對應安裝有光源,與光源對應處安裝有高頻率攝像機14; 帶減速器的伺服電機1、高頻率攝像機14分別通過導線與計算機13連接; 帶減速器的伺服電機1通過導線連接著控制箱11,控制箱11通過導線連接 著計算機13。
一對夾頭6外側安裝有可拆卸加熱套7, —側夾頭6上安裝有熱電偶; 可拆卸加熱套7和熱電偶通過導線連接著溫度控制器12,溫度控制器12通 過導線連接著計算機13。
該裝置整體長、寬、高尺寸為24. 4x18. 2x7cm3。
工作過程中,將材料樣品10固定在夾頭6之間,由計算機13下達指 令給控制箱ll,控制箱ll把工作信號傳輸給伺服電機l,通過行星減速器 以100:1的比率減小轉速,通過一對傳輸齒輪3傳遞給雙向螺杆4;帶動 固定支架5同時向相反方向平動,提供給材料樣品10外力(拉伸力或壓縮 力),材料樣品10在拉伸或壓縮過程中產生形變,對加頭6產生反作用力, 通過拉力傳感器8的放大傳輸給控制箱11,再經過控制箱處理信號,最後 傳反饋給計算機13。可拆卸加熱套7用於材料樣品10的環境加熱,材料樣 品熱信號由熱電阻(或熱電偶)反饋給溫度控制器12,溫度控制器12把溫度 信號傳輸給計算機13,通過電腦程式控制材料樣品10的環境溫度。高頻率 攝相機14通過計算機13控制曝光時間,圖象解析度,曝光頻率等,可以連續採集。測得的數據給出材料樣品io形變過程中的幾何形狀變化,通過
光強分析,獲得樣品在形變過程中的橫截面積變化,通過計算得出真應力
應變曲線(true stress-true strain )。這樣,才羊品溫度、所受到力、樣 品的形變量等參數可在電腦上同時給出。
參見圖2,將彈簧作為測試樣品對力傳感器性能進行測試,結果表明力 傳感器工作狀態良好,拉力變化與相應位移量基本為線性關係。
工程應力-應變(engineering stress-strain )和真應力-應變(true stress-strain)兩種不同的檢測方法將分別在下面的實施例2和3給出。 將拉伸裝置與其他表徵設備(如二維寬角x散射儀、小角雷射光散射、紅外 光譜儀、紫外圓二色光譜儀等)配套檢測時,檢測光通過固定底板9上的通 光孔(材料樣品10處)直接透過樣品,實現實時檢測的目的。
實施例2
二維寬角(WAXD-Mar345)在線測量無定形單質石克拉伸過程中的結構變
化
(1) 根據不同的實驗需要,選擇不同的測力器,本裝置採用可換式力 傳感器,希望能滿足不同的實驗需要。本實驗使用的是小量程力傳感器(量 程為10N),其精度在O. 2N左右;另外還配有量程為200N(精度2N左右)的力
傳感器,主要是針對強度較高的材料使用。由於設計時考慮到更換力傳感 器的問題,更換時非常方便。
(2) 接通計算機與控制箱的串口 A、將帶減速器的伺服電機l控制輸 出線接入計算機串口4; B、力傳感器8信號輸出線聯接計算機串口1。接通 控制箱與拉伸裝置的串口 A、接通控制箱與伺服電機的串口; B、接通壓 電器與控制箱中力傳感器的串口。計算機開機後,打開控制箱電源(即可同 時啟動伺服電機1和力傳感器8。按照實驗需要的大小調整夾頭的位置。兩 夾頭間最小距離為1 Omm (加熱套本身的限制)。
注意由於力傳感器本身為壓電裝置,在實驗過程中要保證拉伸裝置 的絕緣性,否則會影響力信號的採集。
9(3) 材料樣品10 (amorphous sulfur)力口工成大小為lmmx2mmxl5mm工形 條狀,固定夾裝於一對夾頭6上。材料樣品位於夾具的中心位置,.條狀樣品 的長軸平行與拉伸方向。旋緊夾頭螺絲,確保在拉伸過程中樣品不會脫落。
(4) 裝樣完畢後,將拉伸裝置固定在升降底座上,整體放置於二維寬 角檢測臺上。通過升降底座調整高度,使二維寬角衍射儀中出射X射線通過 通光孔穿過樣品中心。樣品是否對中,可以通過測得的WAXD圖像確定。
(5) 開啟WAXD檢測儀(光源為鉬靶,波長O. 7107埃;樣品距感光屏的間 距302. 009mm^使用連續採集模式,曝光時間200s)。同時啟動拉伸裝置, 設定不同的拉伸速率(0. 58um/s —0. 35mm/s )進行實驗,本事例採用2種不 同的拉伸速率,得到拉力隨時間的變化趨勢如圖(3)所示,橫坐標為採集 點的個數(1秒對應5個點),縱坐標為拉力大小。位移隨時間的變化為線性 變化,即數據處理後可以直接得到拉力隨材料拉伸長度的變化趨勢,對 應應力一應變關係。圖(4)為WAXD檢測儀採集的樣品拉伸過程中的X射線 散射圖譜隨時間的變化情況,明顯觀察到非晶硫的結晶和取向行為。通過 簡單的數據處理,可以將應力、應變、非晶硫的結構和某一時間段對應起 來,實現在線觀測樣品的結構變化。實驗結果表明本裝置能精確控制樣 品的拉伸長度,並給出相應的力值變化,與其他檢測設備配套能實現在線 觀測被檢測樣品的結構變化,具有很好的實用性。
實施例3
二維寬角在線測量間規聚丙烯結構變化(本實驗在室溫下進行)
(1) 本實施例使用的是大量程力傳感器(量程為200N),其精度在2N 左右,主要是針對強度較高的材料使用。由於設計時考慮到更換力傳感器 的問題,更換時非常方便。
(2) 開啟計算機,開啟拉伸裝置控制箱,實驗操作如實施例2中 步驟2。打開高頻率攝像機,設定連續採集頻率為8張/秒,設定分辨 率為1024 x 1024,採集時間無限。
(3) 材料樣品IO(SPP)加工成大小為l咖x4mmx27mm啞鈴形條狀,固定於加頭處。
(4) 如實施例2中步驟(4)方法校準光心。
(5) 開啟WAXD檢測儀(光源為鉬耙,波長O. 7107埃;樣品距感光屏的 間距241.00mm使用連續採集模式,曝光時間200s/張。同時啟動拉伸裝置, 設定拉伸速率為1.16um/s,啟動高頻率攝像機,曝光時間為8s/張,連續 記錄材料樣品的幾何形狀變化。
本實施例採用固定的的拉伸速率,拉伸速度為l. 16 |Lim/s,得到的工程 應力隨時間變化曲線如圖(5)。通過光強分析,得到樣品的寬度變化如圖(6) 所示,假設拉伸過程中樣品體積沒有改變,利用仿射形變原理得到樣品的 厚度變化。計算,樣,的橫截面積的連續變化情況,連續樣品通過簡單的 數據處理,a==;^ cr為某一形變量下樣品單位面積上受到的拉力;/ 為樣品此時受到的總拉力;^為SPP啞鈴行樣品的橫截面積;6,d分別為樣品 此時的寬度和厚度。如此可以得到樣品在拉伸過程中的真應力應變曲線(圖 7)。圖8為SPP樣品在拉伸過程中的二維衍射圖和一維衍射曲線變化圖。實 驗結果表明本裝置能精確控制材料樣品的拉伸長度,通過高頻率攝像機 CCD在線測量樣品的幾何形狀變化,可以給出真應力應變曲線,與其他檢測 設備配套能實現在線觀測被檢測樣品的結構變化,具有很好的實用性。
權利要求1、用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮裝置,其特徵在於包括底板,所述底板上一側設有帶減速器的伺服電機,帶減速器的伺服電機輸出軸通過聯軸器連接著主動齒輪的齒輪軸,與主動齒輪軸平行底板上設有雙向螺杆,雙向螺杆的一端設有從動齒輪,從動齒輪與主動齒輪配合,雙向螺杆上兩側分別通過螺母連接著固定支架,固定支架另一端分別連接著滑塊,與滑塊對應配合的滑動導軌設於底板上;兩固定支架相對應的一側面分別設有夾頭,一側固定支架上設有力傳感器;一對夾頭之間的底板上設有通光孔,通光孔處對應設有光源,與光源對應設有高頻率攝像機;帶減速器的伺服電機、高頻率攝像機分別通過導線與計算機連接;帶減速器的伺服電機通過導線連接著控制箱,控制箱通過導線連接著計算機。
2、 根據權利要求1所述的用於多光源原位結構;險測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於所述一對夾頭外側設有可拆卸加熱套。
3、 根據權利要求2所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於所述一側夾頭上設有熱電偶。
4、 根據權利要求1所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於所述減速器為1: 100高精度行星齒輪變速器。
5、 根據權利要求1所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於該裝置整體長、寬、高尺寸為24. 4 x 18. 2 x 7cm3。
6、 根據權利要求1所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於所述光源為鉬靶,或X射線,或紅外光源。
7、 根據權利要求1所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於所述伺服電機的勻速轉動範圍為1 — 3000轉/分鐘、單 步轉動精度為655 36步/轉。
8、 根據權利要求1所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮裝置,其特徵在於所述主動齒輪和從動齒輪的傳動比為1: 1。
9、根據權利要求1所述的用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮 裝置,其特徵在於所述雙向螺杆的轉速為1. 5mm/轉。
專利摘要本實用新型涉及用於多光源原位結構檢測的材料拉伸和壓縮裝置。該裝置底板上設有帶減速器的伺服電機、雙向螺杆和滑動導軌,伺服電機輸出端與雙向螺杆對應端設有一對齒輪副,雙向螺杆上兩側分別通過螺母連接著固定支架,固定支架另一端分別通過滑塊與滑動導軌配合;兩固定支架上分別對應設有夾頭,一側固定支架上設有力傳感器;一對夾頭之間的底板上設有通光孔,還設有高頻率攝像機和計算機。本實用新型體積小、位移精度高、恆定速度可調節,可以在不同的實驗溫度下,配套多種光源,高速實時檢測材料在拉伸(壓縮)過程中力學性能與不同尺度的微觀結構對應關係。
文檔編號G01N3/08GK201237567SQ20082003888
公開日2009年5月13日 申請日期2008年8月1日 優先權日2008年8月1日
發明者姚傳榮, 李良彬, 嘯 汪, 洪義麟, 趙佰金, 邵春光 申請人:中國科學技術大學