專利名稱：顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機械領(lǐng)域，特別涉及材料結(jié)構(gòu)測試與原位觀測測試領(lǐng)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(qū)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(qū)動測試和微觀晶體形態(tài)變形觀測的液壓驅(qū)動裝置?？梢詫⒏鞣N材料的微觀變形機制和力學(xué)性能直接對應(yīng)起來，揭示跨尺度材料力學(xué)性能與宏觀性能的關(guān)系。
背景技術(shù)：
原位納米力學(xué)測試是指在納米尺度下對試件材料進行力學(xué)性能測試，通過多種顯微組件對載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷進行全程動態(tài)監(jiān)測的一種力學(xué)測試技術(shù)。該技術(shù)深入的揭示了各類材料及其制品的微觀力學(xué)行為、損傷機理及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。在諸多納米力學(xué)測試的范疇中，彈性模量、硬度、斷裂極限等參數(shù)是微構(gòu)件力學(xué)特性測試中的最主要的測試對象，針對這些力學(xué)量產(chǎn)生了多種測試方法，如拉伸/ 壓縮法，扭轉(zhuǎn)法、彎曲法、納米壓痕發(fā)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(yīng)構(gòu)件的強度特性，并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(xué)參數(shù)。當(dāng)前原位納米拉伸/壓縮測試的研究尚處萌芽狀態(tài)，具體表現(xiàn)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(shù)研究都集中在以MEMS/NEMS工藝為基礎(chǔ)，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結(jié)構(gòu)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(xué)測試的深入研究，從而嚴重阻礙了學(xué)術(shù)界對較大尺寸元件的微觀力學(xué)行為和損傷機制的新現(xiàn)象、新規(guī)律的發(fā)現(xiàn);
(2)從測試手段和方法上來說，主要借助商業(yè)化的納米壓痕儀進行的原位納米壓痕測試和借助商業(yè)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(shè)備費用昂貴，測試方法單一，測試內(nèi)容乏善可陳的特點，對結(jié)構(gòu)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(fā)展。在原為納米拉伸/壓縮測試技術(shù)應(yīng)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(guī)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(yīng)力應(yīng)變曲線圖，因此，最初的拉伸機是將材料拉斷后，得出材料的屈服極限及強度極限。傳統(tǒng)拉伸機針對的都是宏材尺度試件，未涉及材料納米尺度范疇的力學(xué)性能研究， 亦未涉及到高分辨率電子顯微鏡成像系統(tǒng)下的原位觀測。通常，人們從拉伸實驗和微觀結(jié)構(gòu)檢測兩種實驗手段中得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析，進而優(yōu)化了納米功能材料的制作工藝，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(xù)進行。如果能將這兩個方面結(jié)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制作工藝過程。然而這些問題的研究都需要動態(tài)觀察試件在受力情況下的微觀形貌的變化。因此制約
3這個領(lǐng)域發(fā)展的根源在于一種將試件加載和在此過程中觀察試件微觀形態(tài)變化合二為一的檢測技術(shù)和檢測儀器。此外，國外公司自主研發(fā)了一系列SEM原位力學(xué)拉/壓測試裝置，測試范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，并且未發(fā)現(xiàn)針對毫米級尺度試件的跨尺度測試裝備。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，解決了現(xiàn)在技術(shù)存在的費用昂貴、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及兼容性差，以及現(xiàn)有實驗測試設(shè)備在材料的機械力學(xué)性能測試和在此過程中觀察試件微觀形態(tài)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(qū)動測試裝置。本實用新型具有體積小、重量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、測試精度高，并且能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)在線監(jiān)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(nèi)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(xué)參數(shù)，也可通過反復(fù)多次的對材料或制品進行加載和卸載，從而獲得樣品的抗疲勞性能。本實用新型解決了當(dāng)前測試裝置在試驗中性能測試和微觀形態(tài)的檢測部分是相互獨立、互相分離為兩個過程的問題，并且通過位移、載荷的高精度控制算法對加載測試過程進行補償并對測試數(shù)據(jù)進行修正。能夠在多種顯微組件下進行原位拉伸/壓縮測試試驗并同步進行位移、載荷測量、數(shù)據(jù)分析及檢測修正的測試系統(tǒng)。本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，包括液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)行單元、三自由度調(diào)整工作臺、測試檢測單元、連接及支撐單元；所述的液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)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(tǒng)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(dǎo)軌直線前后運動；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(cè)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分別與光杠I、113、13滑動套接；卡具I、116、8分別通過固定塊I、11 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(dǎo)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(xué)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與光杠I 3滑動套接，可以沿著光杠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，另一端與后側(cè)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(cè)板30上，另一端與移動車架組5連接，用于測量移動車架組5的相對位置。所述的三自由度調(diào)整工作臺是由楔形塊15、楔形導(dǎo)軌16、調(diào)整塊17、調(diào)整螺釘I、 II 23、27、X、Y方向調(diào)整工作臺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(cè)的手動調(diào)整螺釘I、II 23,27對測試執(zhí)行單元進行Z 方向的調(diào)整，X、Y方向調(diào)整工作臺19、18是由在X、Y方向具有兩個自由度的平移動的工作臺基底構(gòu)成，其X方向的調(diào)整絲杠通過一組X方向萬向節(jié)26與儀器外部的X方向操縱手輪 25b連接，Y方向的調(diào)整絲杠通過一對嚙合的錐齒輪組I、11 21、22和一組Y方向萬向節(jié)24 與外部的Y方向操縱手輪25a連接；所述的X、Y方向調(diào)整工作臺19、18通過螺釘分別于與上部的楔形導(dǎo)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(jù)試件7形狀更換不同形式的卡具，同時也可根據(jù)試驗性質(zhì)的不同，更改測試執(zhí)行單元執(zhí)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(qū)動測試裝置改變成為彎曲測試等力學(xué)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 I及兩通29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(cè)統(tǒng)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(xù)加載，也可以為間歇加載。本實用新型的有益效果在于本實用新型具有體積小、重量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、 測試精度高，并且能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)在線監(jiān)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(nèi)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(xué)參數(shù)，也可通過反復(fù)多次的對材料或制品進行加載和卸載，從而獲得樣品的抗疲勞性能。與現(xiàn)有測試設(shè)備相比，本實用新型不僅體積小、重量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、測試精度高，而且可提供豐富的測試內(nèi)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(xué)顯微鏡等成像設(shè)備兼容使用，應(yīng)用范圍廣泛，可以對各種材料及制品的宏觀試件進行跨尺度原位拉伸/壓縮力學(xué)測試，并可實現(xiàn)連續(xù)、間歇等多種加載方式，對材料及其制品在拉伸/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(xué)行為和損傷斷裂機制。通過載荷/位移信號的同步檢測，應(yīng)用相關(guān)算法，可進行數(shù)據(jù)收集和誤差分析，能夠?qū)崿F(xiàn)測試實驗與動態(tài)在線觀測相結(jié)合，實用性強。綜上所述，本實用新型對豐富原位微納米力學(xué)性能測試內(nèi)容和促進材料力學(xué)性能測試技術(shù)及裝備的發(fā)展，具有重要的理論指導(dǎo)意義和良好的應(yīng)用開發(fā)前景。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。圖I為本實用新型的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的俯視示意圖。I、液壓管I ; 2、液壓管II ; 3、光杠I ; 4、伺服液壓缸I ; 5、移動車架組；[0021]6、卡具I ; 7、試件；8、卡具II ; 9、測力車架組； 10、后側(cè)板；11、測力傳感器；12、連接塊II ; 13、光杠II ; 14、基板；15、楔形塊；16楔形導(dǎo)軌；17、調(diào)整塊； 18、Y方向調(diào)整工作臺；19、X方向調(diào)整工作臺；20、固定支座；21、錐齒輪組I ; 22、錐齒輪組II ;23、調(diào)整螺釘I ;24、Y方向萬向節(jié)；25a、Y方向操縱手輪；25b、X方向操縱手輪；26、X方向萬向節(jié)；27、調(diào)整螺釘II ; 28、三通； 29、兩通； 30、前側(cè)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。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的詳細內(nèi)容及其具體實施方式
。參見圖I及圖2，本實用新型的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，包括液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)行單元、三自由度調(diào)整工作臺、測試檢測單元、連接及支撐單元；所述的液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)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(tǒng)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(dǎo)軌直線前后運動；所述伺服液壓缸I、11 4、36分別通過螺釘固定安裝在測試平臺的前側(cè)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分別與光杠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。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(dǎo)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(xué)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與光杠I 3滑動套接，可以沿著光杠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，另一端與后側(cè)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(cè)板30上，另一端與移動車架組5連接，用于測量移動車架組5的相對位置。所述的三自由度調(diào)整工作臺是由楔形塊15、楔形導(dǎo)軌16、調(diào)整塊17、調(diào)整螺釘I、
II23、27、X、Y方向調(diào)整工作臺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(cè)的手動調(diào)整螺釘I、II 23,27對測試執(zhí)行單元進行Z 方向的調(diào)整，X、Y方向調(diào)整工作臺19、18是由在X、Y方向具有兩個自由度的平移動的工作臺基底構(gòu)成，其X方向的調(diào)整絲杠通過一組X方向萬向節(jié)26與儀器外部的X方向操縱手輪 25b連接，Y方向的調(diào)整絲杠通過一對嚙合的錐齒輪組I、11 21、22和一組Y方向萬向節(jié)24 與外部的Y方向操縱手輪25a連接；所述的X、Y方向調(diào)整工作臺19、18通過螺釘分別于與上部的楔形導(dǎo)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(jù)試件7形狀更換不同形式的卡具，同時也可根據(jù)試驗性質(zhì)的不同，更改測試執(zhí)行單元執(zhí)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(qū)動測試裝置改變成為彎曲測試等力學(xué)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 I及兩通29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(cè)統(tǒng)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(xù)加載，也可以為間歇加載。以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)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(qū)動測試裝置，其特征在于包括液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)行單元、三自由度調(diào)整工作臺、測 試檢測單元、連接及支撐單元；所述的液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)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(cè)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)分別與光杠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(jù)權(quán)利要求I所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，其特征在于所述的移動車架組(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(dǎo)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(jù)權(quán)利要求I所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，其特征在于，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)與光杠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(jù)權(quán)利要求I所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，其特征在于，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，另一端與后側(cè)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(cè)板(30)上，另一端與移動車架組(5)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，其特征在于，所述的三自由度調(diào)整工作臺是由楔形塊(15)、楔形導(dǎo)軌(16)、調(diào)整塊 (17)、調(diào)整螺釘I、11 (23、27)、X、Y方向調(diào)整工作臺(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(diào)整工作臺(19、18)是由在X、 Y方向具有兩個自由度的平移動的工作臺基底構(gòu)成，其X方向的調(diào)整絲杠通過一組X方向萬向節(jié)(26)與儀器外部的X方向操縱手輪(25b)連接，Y方向的調(diào)整絲杠通過一對嚙合的錐齒輪組I、11 (21、22)和一組Y方向萬向節(jié)(24)與外部的Y方向操縱手輪(25a)連接；所述的X、Y方向調(diào)整工作臺(19、18)通過螺釘分別于與上部的楔形導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求I所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，其特征在于，所述的卡具I、II (6、8)與試件(7)相配合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，其特征在于，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 (I)及兩通(29)與所述外部的伺服液壓閥連接。
專利摘要本實用新型涉及一種顯微組件下跨尺度原位微納米拉伸/壓縮液壓驅(qū)動測試裝置，屬于機械類。包括液壓精密驅(qū)動控制單元、測試執(zhí)行單元、三自由度調(diào)整工作臺、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(cè)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(yōu)點在于體積小、重量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、測試精度高，并且能夠在線監(jiān)測試件微觀變形以及損傷斷裂過程，可提供的測試內(nèi)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(xué)參數(shù)，也可獲得樣品的抗疲勞性能。
文檔編號G01N3/36GK202351139SQ20112044202
公開日2012年7月25日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)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(xué)