專利名稱：基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種集超精密驅(qū)動(dòng)加載、載荷信號(hào)與變形信號(hào)檢測(cè)、微納米尺度壓痕/刻劃測(cè)試以及材料變性損傷狀況原位監(jiān)測(cè)等功能為一體的高性能材料力學(xué)性能精密測(cè)試裝置，尤其涉及材料試件的微觀力學(xué)性能測(cè)試中的壓痕測(cè)試、特別是原位納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)試的裝置，屬集光機(jī)電一體化的精密科學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
微納米尺度材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)主要有納米壓痕、納米劃痕、微拉伸、微彎曲以及微機(jī)電系統(tǒng)專用測(cè)試技術(shù)及相關(guān)支撐技術(shù)等。按照測(cè)試中是否可通過電子顯微鏡等儀器在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的變形和損傷狀況，又可分為原位測(cè)試和非原位測(cè)試。所謂的原位(或在位)測(cè)試，是指對(duì)被測(cè)件力學(xué)性能測(cè)試中進(jìn)行的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)和分析；與之對(duì)應(yīng)的是非原位測(cè)試(又稱異位或移位測(cè)試)，是指利用實(shí)驗(yàn)前或?qū)嶒?yàn)后的試件進(jìn)行力學(xué)性能分析。目前絕大多數(shù)的納米力學(xué)研究停留在非原位測(cè)試技術(shù)上。微型機(jī)電系統(tǒng)/納米機(jī)電系元件專用測(cè)試技術(shù)應(yīng)用范圍存在局限性；而傳統(tǒng)力學(xué)性能測(cè)試手段因其測(cè)試精度難以達(dá)到納米級(jí)。在非原位納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)中，以納米壓痕、納米劃痕等最具代表性。納米壓痕測(cè)試中，通過分析載荷力、試件變形和“載荷-變形曲線”，可以測(cè)得試件的硬度、彈性模量等參數(shù)。在納米壓痕儀等技術(shù)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了納米劃痕技術(shù)；與納米壓痕不同之處在于納米劃痕技術(shù)增加了在劃痕方向上的精密定位與位移檢測(cè)功能。目前，我國(guó)還不具備具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的這類技術(shù)。就納米壓痕、納米劃痕等非原位力學(xué)測(cè)試技術(shù)，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的A. M. Minor等人指出了其存在的不足由于無法在電子掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡下進(jìn)行高分辨率原位監(jiān)測(cè)，因此不能研究變形、損傷狀況與載荷作用和材料性能參數(shù)間的相關(guān)性規(guī)律；清華大學(xué)溫詩(shī)鑄教授也指出目前對(duì)于材料變形和損傷機(jī)制及其與性能參數(shù)間的相關(guān)性規(guī)律方面缺乏深入的研究，而這又是微小元件設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)迫切需要的。此外，這類儀器對(duì)溫度等因素較敏感，工作環(huán)境苛刻，也無法研究溫度效應(yīng)對(duì)材料加工性能的影響；設(shè)備價(jià)格昂貴、測(cè)試成本高，國(guó)外出于軍事和高技術(shù)附加值領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用考慮，高端儀器設(shè)備還對(duì)我國(guó)封銷、禁運(yùn)。通過原位納米壓痕實(shí)驗(yàn)，可以觀察到在載荷作用下試樣的變形機(jī)理，這樣就能將載荷-位移變化曲線與材料變性損傷狀況有機(jī)的結(jié)合起來，如鍍膜剝離現(xiàn)象、龜裂形成和延伸、剪切帶形成表面都與單一不連續(xù)的載荷位移曲線有關(guān)。有不少研究采用壓痕技術(shù)來確定各種材料的力學(xué)性能，并用SEM來觀測(cè)表面變形。Gane和Bowden率先報(bào)道了原位納米壓痕實(shí)驗(yàn)，將探針壓入金屬晶體里面，觀察固體的表面變形，但他們沒有采用載荷和位移傳感器，沒能獲得載荷位移曲線。Bangert、Wagendristel設(shè)計(jì)并構(gòu)造出了一種壓痕裝置，該裝置可以放于掃描電鏡真空腔內(nèi)，但他們并沒有進(jìn)行實(shí)際壓痕過程的原位監(jiān)測(cè)，實(shí)際上，他們?cè)O(shè)計(jì)的儀器是為了克服種種限制因素，如定位精度以及對(duì)微小載荷(50μΝ-20πιΝ)下壓痕痕跡的檢測(cè)問題。國(guó)外這些研究工作的主要缺陷在于缺少載荷和位移傳感器，這樣就無法得到材料的力學(xué)機(jī)械性能與微觀組織演變的關(guān)系。2004年，Rabe等人引入了一種原位壓痕裝置，這種裝置一出現(xiàn)，便促進(jìn)了微米壓痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，值得一提的是，此裝置能夠同步記錄壓痕實(shí)驗(yàn)的載荷-位移數(shù)據(jù)，同時(shí)，掃描電鏡中的數(shù)字成像可以記錄壓頭壓入被測(cè)試樣中的過程。通過對(duì)納米復(fù)合材料TiN/SiN涂層的壓痕實(shí)驗(yàn)以及對(duì)類金剛石碳薄膜的壓痕/ 刻劃實(shí)驗(yàn)，Rabe等人發(fā)現(xiàn)了壓頭附近區(qū)域材料試件在載荷作用下的變性損傷情況。綜上所述，原位納米力學(xué)測(cè)試被國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界普遍認(rèn)為是嶄新的、最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯坎牧霞{米尺度力學(xué)性能和損傷機(jī)制的有效方法，近幾年受到國(guó)際工程界、學(xué)術(shù)界和有關(guān)政府部門的高度重視。本實(shí)用新型以研究試件材料微觀力學(xué)性能、損傷機(jī)制的精密高效測(cè)試技術(shù)為對(duì)象，提出針對(duì)特征尺寸毫米級(jí)以上三維試件的原位納米壓痕測(cè)試的新技術(shù)和新方法，開展研究開發(fā)并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，迅速填補(bǔ)我國(guó)這一領(lǐng)域的空白，并在國(guó)際范圍內(nèi)占據(jù)一席之地。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)量檢測(cè)裝置，本實(shí)用新型在掃描電鏡 (SEM)監(jiān)測(cè)下開展壓痕試驗(yàn)，獲取材料力學(xué)性能參數(shù)，通過對(duì)載荷作用下材料變形損傷進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，研究其變形損傷機(jī)制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律，解決了現(xiàn)有的機(jī)械性能的測(cè)量及微觀形貌的檢測(cè)是獨(dú)立的、分離的兩個(gè)過程的問題和裝置總體尺寸大、在線檢測(cè)不易實(shí)現(xiàn)的問題。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，主要由試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密微位移加載單元、精密位移檢測(cè)單元和金剛石工具頭組件構(gòu)成，所述的試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和金剛石工具頭組件安裝在底座3上；精密微位移加載單元通過支承座9安裝在試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑臺(tái)組件6上；精密位移檢測(cè)單元的兩個(gè)位移傳感器嵌入在精密微位移加載單元中；所述的試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括步進(jìn)電機(jī)1、法蘭盤2、聯(lián)軸器4、調(diào)整旋鈕 5、滑臺(tái)組件6、驅(qū)動(dòng)擋板7和固定導(dǎo)軌8，法蘭盤2和固定導(dǎo)軌8安裝在底座3上，步進(jìn)電機(jī) 1通過螺栓安裝在法蘭盤2上，聯(lián)軸器4 一端與步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸相連接，另一端與調(diào)節(jié)旋鈕5相連接，步進(jìn)電機(jī)1通過聯(lián)軸器4將扭矩傳遞到調(diào)節(jié)旋鈕5，驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)組件6沿著固定導(dǎo)軌8直線運(yùn)動(dòng)。所述的調(diào)整旋鈕5、滑臺(tái)組件6、驅(qū)動(dòng)擋板7和固定導(dǎo)軌8組成手動(dòng)位移臺(tái)，當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕5時(shí)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕5，驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)組件6沿固定導(dǎo)軌7直線移動(dòng)。所述的精密微位移加載單元包括支撐座9、柔性鉸鏈12、壓電疊堆13、壓塊14、彈性敏感元件和載物臺(tái)15，柔性鉸鏈12通過螺釘連接在支撐座9上；彈性敏感元件及載物臺(tái) 15通過壓塊14安裝在柔性鉸鏈12的前端；壓電疊堆13嵌入在柔性鉸鏈12內(nèi)部，在逆壓電效應(yīng)的作用下壓電疊堆13發(fā)生伸縮變形，并通過柔性鉸鏈12進(jìn)行傳遞，驅(qū)動(dòng)彈性敏感元件及載物臺(tái)15做精密直線運(yùn)動(dòng)。所述的彈性敏感元件及載物臺(tái)15兩端的連接部分為圓弧形，中部為方形的載物臺(tái)，兩端與中部方形載物臺(tái)之間的薄板為彈性敏感元件，彈性敏感元件及載物臺(tái)15在工作中的作用是通過融化的石蠟或者其他粘結(jié)劑將試件安裝在方形載物臺(tái)靠近壓頭一側(cè)；測(cè)試過程中，彈性敏感元件在載荷作用下發(fā)生線性變形，變形量的大小由精密位移傳感器II檢測(cè)，通過胡克定律換算得到載荷的大小。所述的精密位移檢測(cè)單元由安裝座10、精密位移傳感器I 11、精密位移傳感器II 16和檢測(cè)極板18構(gòu)成，精密位移傳感器II 16安裝在柔性鉸鏈12的孔中，并通過螺釘鎖緊，其中心線與金剛石壓頭17的中心線重合；精密位移傳感器I 11通過安裝座10固定在支撐座9上，并由相應(yīng)的螺釘鎖緊，檢測(cè)極板18通過膠粘的方式固定安裝在柔性鉸鏈12的下方，與柔性鉸鏈12前端實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)位移的大小由精密位移傳感器I 11檢測(cè)。所述的金剛石工具頭組件由金剛石壓頭17、壓頭安裝座19、螺栓組件20和定位銷 21組成，壓頭安裝座19由定位銷21定位并通過螺栓安裝在底座3上，在其中心位置處有凹槽；金剛石壓頭17通過其左側(cè)階梯軸和臺(tái)階面與壓頭安裝座19實(shí)現(xiàn)定位，并通過螺栓組件 20進(jìn)行夾緊。原位納米壓痕測(cè)試的試件為特征尺寸在毫米級(jí)以上的三維試件。所述的底座3的底面為楔形，其作用是連接在電鏡真空腔內(nèi)的載物臺(tái)上，其楔形結(jié)構(gòu)為材料試件與金剛石壓頭17的接觸作用區(qū)域的原位觀測(cè)提供良好的視角。采用兩個(gè)精密位移傳感器測(cè)量的位移值來?yè)Q算得到壓痕過程中的壓入載荷和壓入深度值。本實(shí)用新型是用于測(cè)定表征各類試件材料及其制成品試件微觀力學(xué)性能的專用測(cè)試儀器，借助本實(shí)用新型還可在掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、三維高景深測(cè)試系統(tǒng)、X射線衍射儀、拉曼光譜儀等儀器設(shè)備原位監(jiān)測(cè)下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究被測(cè)材料試件在載荷作用下的力學(xué)行為、損傷機(jī)制，藉此探索材料變性損傷與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律，對(duì)新材料新工藝、精密光學(xué)、微電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)、汽車飛機(jī)關(guān)鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫(yī)學(xué)工程、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、納米工程和國(guó)防軍工等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展具有極為重要的支撐推動(dòng)作用和廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)用新型的技術(shù)效果是為特征尺寸毫米級(jí)以上三維試件材料(最大尺寸達(dá) IOmmX IOmmX 5mm)的硬度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的測(cè)定表征提供更為精準(zhǔn)的納米壓痕測(cè)試方法，本實(shí)用新型提出的測(cè)試技術(shù)或方法加載位移分辨率達(dá)到納米級(jí)、加載力分辨率達(dá)到微牛級(jí)；本實(shí)用新型提出的測(cè)試裝置可以安置在空間尺寸受限的掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜儀、高分辨率光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀等儀器的載物臺(tái)上進(jìn)行在這類儀器原位監(jiān)測(cè)下的原位納米壓痕測(cè)試，在線監(jiān)測(cè)材料的變形損傷狀況，為建立載荷作用下材料的變形損傷及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律提供技術(shù)手段。本實(shí)用新型對(duì)材料科學(xué)、微電子技術(shù)、精密光學(xué)、薄膜技術(shù)、超精密加工技術(shù)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵苿?dòng)促進(jìn)作用。

附圖1是原位納米力學(xué)壓痕測(cè)試裝置的立體圖。附圖2是原位納米力學(xué)壓痕測(cè)試裝置的正視圖。附圖3是原位納米力學(xué)壓痕測(cè)試裝置的俯視圖。附圖4是宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖。附圖5是圖3的A-A剖視圖。附圖6是圖2中的B向視圖。[0026]1.步進(jìn)電機(jī)，2.法蘭盤，3.底座，4.聯(lián)軸器，5.調(diào)節(jié)旋鈕，6.滑臺(tái)組件，7.驅(qū)動(dòng)擋板，8.固定導(dǎo)軌，9.支撐座，10.安裝座，11.精密位移傳感器I，12.柔性鉸鏈，13.壓電疊堆，14.壓塊，15.彈性敏感元件及載物臺(tái)，16.精密位移傳感器II，17.金剛石壓頭，18.檢測(cè)極板，19.壓頭安裝座，20.螺栓組件，21.定位銷。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。本實(shí)用新型主要由對(duì)壓痕加載進(jìn)行位移粗調(diào)的宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)及用于驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的高精度步進(jìn)電機(jī)1、基于壓電疊堆13和柔性鉸鏈12系統(tǒng)的精密微位移調(diào)整裝置、 用于檢測(cè)柔性鉸鏈行進(jìn)位移的基于精密位移傳感器11和16的精密位移檢測(cè)裝置、固定在底座3上的壓頭組件以及試件組件構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸與聯(lián)軸器4連接，宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)由調(diào)整軸5、滑動(dòng)支撐板6、擋板7和固定在底座3上的固定支撐板8組成，精密微位移調(diào)整裝置由柔性鉸鏈12、壓電疊堆13和支撐座9組成，壓頭18通過鎖緊螺釘21與固定在底座3上的壓頭基座20連接，試件17通過彈簧片15、壓塊14固定在柔性鉸鏈12上，精密位移傳感器11和16分別固定在支撐基座10和柔性鉸鏈12上。本實(shí)用新型促進(jìn)了對(duì)樣品在受力狀態(tài)下微觀形貌變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察的研究和發(fā)展，對(duì)材料的機(jī)械性能的測(cè)量及微觀形貌的檢測(cè)具有重要的理論意義和良好的應(yīng)用前景。參閱圖1 5，試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在裝置的底座3上，主要包括步進(jìn)電機(jī)1、法蘭盤2、聯(lián)軸器4、調(diào)整旋鈕5、滑臺(tái)組件6、驅(qū)動(dòng)擋板7、固定導(dǎo)軌8等。法蘭盤2和固定導(dǎo)軌 8安裝在底座3上，步進(jìn)電機(jī)1通過螺栓安裝在法蘭盤2上，聯(lián)軸器4 一端與步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸相連接，另一端與調(diào)節(jié)旋鈕5相連接。調(diào)整旋鈕5、滑臺(tái)組件6、驅(qū)動(dòng)擋板7和固定導(dǎo)軌8組成市面上可以購(gòu)置的手動(dòng)位移臺(tái)，具有以下功能當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕5時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)組件6沿固定導(dǎo)軌7的直線移動(dòng)。這里通過步進(jìn)電機(jī)1代替手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)組件 6的宏動(dòng)調(diào)整。參閱圖1 3，圖5及圖6，精密微位移加載單元通過支承座9安裝在試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑臺(tái)組件6上，主要包括支撐座9、柔性鉸鏈12、壓電疊堆13、壓塊14、彈性敏感元件及載物臺(tái)15。柔性鉸鏈12通過螺釘連接在支撐座9上；彈性敏感元件及載物臺(tái)15通過壓塊14安裝在柔性鉸鏈12的前端；壓電疊堆13嵌入在柔性鉸鏈12內(nèi)部。在逆壓電效應(yīng)的作用下壓電疊堆13發(fā)生伸縮變形，并通過柔性鉸鏈12進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)15的精密直線運(yùn)動(dòng)。參閱圖1 3，圖5及圖6，精密位移檢測(cè)單元由安裝座10、精密位移傳感器I 11、 精密位移傳感器II 16、檢測(cè)極板18構(gòu)成。精密位移傳感器II 16安裝在柔性鉸鏈12的孔中，并通過螺釘鎖緊，其中心線與金剛石壓頭17的中心線基本重合；精密位移傳感器I 11 通過安裝座10固定在支撐座9上，并由相應(yīng)的螺釘鎖緊。檢測(cè)極板18安裝在柔性鉸鏈12 的下方，與柔性鉸鏈12前端實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)位移的大小由精密位移傳感器I 11實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。參閱圖1 3，圖5及圖6，金剛石工具頭組件由金剛石壓頭17、壓頭安裝座19、螺栓組件20、定位銷21組成。壓頭安裝座19由定位銷21定位并通過螺栓安裝在底座3上， 在其中心位置處有凹槽；金剛石壓頭17通過其左側(cè)階梯軸和臺(tái)階面與壓頭安裝座19實(shí)現(xiàn)定位，并通過螺栓組件20進(jìn)行夾緊。本實(shí)用新型為一種基于雙位移檢測(cè)技術(shù)的原位納米壓痕測(cè)試裝置，主要包括試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密微位移加載單元、精密位移檢測(cè)單元、金剛石工具頭組件等部分構(gòu)成。 下面結(jié)合圖1 6說明本實(shí)用新型的工作原理通過融化的石蠟或者其他粘結(jié)劑將試件安裝在方形載物臺(tái)靠近壓頭一側(cè)，彈性敏感元件及載物臺(tái)15的兩端分別用兩個(gè)壓塊14固定安裝在柔性鉸鏈12上，金剛石壓頭17由壓頭安裝座19和螺栓組件20定位和夾緊，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1，步進(jìn)電機(jī)1通過聯(lián)軸器4驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕5，調(diào)節(jié)旋鈕5推動(dòng)滑臺(tái)組件6實(shí)現(xiàn)宏動(dòng)調(diào)整，調(diào)整位移大小由電鏡觀察得到，當(dāng)金剛石壓頭17和試件的相對(duì)位移調(diào)整合適之后， 開始實(shí)施精密微位移調(diào)整，此時(shí)宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)不工作并且自鎖，通過壓電疊堆13的伸縮推動(dòng)柔性鉸鏈12實(shí)施精密微位移進(jìn)給，此時(shí)金剛石壓頭17與試件接觸并逐漸壓入與壓出試件，同時(shí)根據(jù)胡克定律，彈性敏感元件及載物臺(tái)15因受力而產(chǎn)生撓度，彈性敏感元件及載物臺(tái)15向右產(chǎn)生的撓度a可以通過精密位移傳感器II 16測(cè)得，而壓電疊堆13推動(dòng)柔性鉸鏈12向左運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的同時(shí)，柔性鉸鏈12帶動(dòng)安裝在柔性鉸鏈12下側(cè)的檢測(cè)極板18同步運(yùn)動(dòng)，而檢測(cè)極板18的位移量b可以通過位于檢測(cè)極板18右側(cè)的精密位移傳感器I 11 測(cè)得，因此柔性鉸鏈12的位移量也是b，最終，金剛石壓頭18實(shí)際壓入試件的深度h可由下式換算得到，h = b-a金剛石壓頭17在壓入的過程中，試件所受的壓入載荷P可通過胡克定律和彈性敏感元件及載物臺(tái)15產(chǎn)生的撓度a彈性敏感元件的各種參數(shù)已知計(jì)算得到。根據(jù)計(jì)算得到的壓入載荷P和壓入深度h，可以繪制出試件的載荷-深度曲線。在納米壓痕測(cè)試中，由于金剛石工具頭與試件間的接觸力通常為毫牛級(jí)甚至更低，機(jī)械系統(tǒng)各環(huán)節(jié)變形量十分微小，工具頭壓入試件的深度可通過精密位移測(cè)試裝置測(cè)得，這里用h表示壓頭的壓入深度；而壓痕過程中金剛石工具頭施加給試件表面的接觸載荷P可通過微型力傳感器拾取(或通過簡(jiǎn)單換算得到)。根據(jù)接觸力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，試件的接觸剛度S可表示為
權(quán)利要求1.一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，主要由試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、 精密微位移加載單元、精密位移檢測(cè)單元和金剛石工具頭組件構(gòu)成，其特征在于，所述的試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和金剛石工具頭組件安裝在底座C3)上；精密微位移加載單元通過支承座(9)安裝在試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑臺(tái)組件(6)上；精密位移檢測(cè)單元的兩個(gè)位移傳感器嵌入在精密微位移加載單元中；所述的試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括步進(jìn)電機(jī)(1)、法蘭盤 (2)、聯(lián)軸器(4)、調(diào)整旋鈕(5)、滑臺(tái)組件(6)、驅(qū)動(dòng)擋板(7)和固定導(dǎo)軌(8)，法蘭盤(2)和固定導(dǎo)軌(8)安裝在底座C3)上，步進(jìn)電機(jī)(1)通過螺栓安裝在法蘭盤( 上，聯(lián)軸器(4) 一端與步進(jìn)電機(jī)⑴的輸出軸相連接，另一端與調(diào)節(jié)旋鈕(5)相連接，步進(jìn)電機(jī)⑴通過聯(lián)軸器(4)將扭矩傳遞到調(diào)節(jié)旋鈕(5)，驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)組件(6)沿著固定導(dǎo)軌(8)直線運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，其特征在于，所述的調(diào)整旋鈕(5)、滑臺(tái)組件(6)、驅(qū)動(dòng)擋板(7)和固定導(dǎo)軌(8)組成手動(dòng)位移臺(tái)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)整旋鈕(5)，驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)組件(6)沿固定導(dǎo)軌(8)直線移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，其特征在于，所述的精密微位移加載單元包括支撐座(9)、柔性鉸鏈(12)、壓電疊堆(13)、壓塊 (14)、彈性敏感元件及載物臺(tái)(15)，柔性鉸鏈(1 通過螺釘連接在支撐座(9)上；彈性敏感元件及載物臺(tái)(1 通過壓塊(14)安裝在柔性鉸鏈(1 的前端；壓電疊堆(1 嵌入在柔性鉸鏈(1 內(nèi)部，在逆壓電效應(yīng)的作用下壓電疊堆(1 發(fā)生伸縮變形，并通過柔性鉸鏈 (12)進(jìn)行傳遞，驅(qū)動(dòng)彈性敏感元件及載物臺(tái)(1 做精密直線運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，其特征在于，所述的彈性敏感元件及載物臺(tái)(1 兩端的連接部分為圓弧形，中部為方形的載物臺(tái)，兩端與中部方形載物臺(tái)之間的薄板為彈性敏感元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，其特征在于，所述的金剛石工具頭組件由金剛石壓頭(17)、壓頭安裝座(19)、螺栓組件00)和定位銷組成，壓頭安裝座(19)由定位銷定位并通過螺栓安裝在底座(3)上，在其中心位置處有凹槽；金剛石壓頭(17)通過其左側(cè)階梯軸和臺(tái)階面與壓頭安裝座(19)實(shí)現(xiàn)定位，并通過螺栓組件OO)進(jìn)行夾緊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置， 其特征在于，所述的精密位移檢測(cè)單元由安裝座(10)、精密位移傳感器I (11)、精密位移傳感器II (16)和檢測(cè)極板(18)構(gòu)成，精密位移傳感器II (16)安裝在柔性鉸鏈(12)的孔中， 并通過螺釘鎖緊，其中心線與金剛石壓頭(17)的中心線重合；精密位移傳感器I (11)通過安裝座(10)固定在支撐座(9)上，并由相應(yīng)的螺釘鎖緊，檢測(cè)極板(18)通過膠粘的方式固定安裝在柔性鉸鏈(1 的下方，與柔性鉸鏈(1 前端實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)位移的大小由精密位移傳感器I (11)檢測(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于雙位移檢測(cè)的微納米尺度原位壓痕測(cè)試裝置，該裝置的技術(shù)方案是試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和金剛石工具頭組件安裝在裝置的底座上；精密微位移加載單元通過支承座安裝在試件宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑臺(tái)上；精密位移檢測(cè)單元的兩個(gè)位移傳感器嵌入在精密微位移加載單元中，通過位移變化得到壓入過程中的壓入載荷和壓入深度值，最終結(jié)合壓入理論計(jì)算出材料的力學(xué)參數(shù)。本裝置結(jié)構(gòu)緊湊、小型化，克服了現(xiàn)有測(cè)試裝置由于使用載荷力傳感器導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸大，無法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)變形損傷過程的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82Y35/00GK202057559SQ201120131128
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者萬順光, 史成利, 張霖, 楊潔, 王小月, 米杰, 胡磊磊, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)