[实用新型]微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及集驱动、精密加载与检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观测为一体的精密自动化试验测试系统，特别是对于各类试件或材料的微观力学性能测试中的纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验和微纳米级原位金刚石刻划加工的装置，属于光机电一体化的精密测试仪器。精密仪器是推动科技进步，社会发展的重要保证，本实用新型是用于测定各类试件或材料的微观力学性能参数的专用测试仪器，可以对精密元件的力学性能、服役行为进行测试评估，在设计制造环节优化工艺、改善其性能甚至提高其使用寿命，并可在高分辨率数字显微成像系统下实时观测被测试件或材料的变形、损伤过程，有助于对材料损伤机理的研究与分析，并可用于金刚石的精密刻划痕加工，对我国精密仪器、微电子技术、信息科学、冶金制造、微机电系统、生物医学工程、汽车飞机关键零部件设计制造等产业技术领域的发展将具有广泛的实用价值，是拓宽光学元件、微电子元件、冶金材料等领域设计-制造-改进这一瓶颈的有效途径。 

背景技术

微纳米级材料力学性能的测试技术主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米划痕(Nanoscratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电系统(MEMS)专用测试技术(如微拉伸等)及相关支撑技术等。按照测试中是否可通过电子显微镜等仪器在线实时监测材料的变形和损伤状况，又可分为原位(In situ)测试和非原位(Ex situ)测试。所谓的原位(或在位)测试，是指对被测件力学性能测试中进行的在线连续监测和分析；与之对应的是非原位测试(又称异位或移位测试)，是指利用实验前或实验后的试件进行力学性能分析。目前绝大多数的纳米力学研究停留在非原位测试技术上。 

(1)纳米力学性能测试中的支撑技术-精密驱动与检测技术 

纳米尺度的力学性能测试是以超精密驱动和载荷力/位移(或变形)的精密检测为支撑技术发展起来的。微纳米级精密驱动单元是现代高科技领域的重要工作单元，自上世纪中后期以来，出现了利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料实现精密驱动的研究。由于压电元件在“逆压电效应”作用下可产生精密可控的变形，并具有结构紧凑、承载能力强、分辨率高、能量转换效率高和无电磁干扰等优点，以压电元件作为动力转换元件的精密驱动研究成为近些年的热点，并对惯性冲击式、尺蠖式、粘滑式驱动机构和微位移工作台等多种压电驱动器进行了深入的研究，这些研究成果在超精加工、微细操作、精密仪 器、生物医学工程等领域展现了较为广阔的应用前景。在纳米级变形的检测上，目前主要通过光学三角法、干涉法、电容式检测等手段实现；而在微载荷的检测上，研究人员主要利用敏感元件将载荷力转换为弹性元件的微变形，进而通过对变形量或由变形引起的电容(或应变)变化量进行检测得到加载力。 

(2)非原位(Ex situ)纳米压痕/刻划测试技术 

纳米力学测试中如不能通过电子显微镜等仪器动态监视材料的变形损伤，即为“非原位(Ex-situ)纳米力学测试”。目前决大多数的纳米力学测试停留在非原位测试上，其中以纳米压痕和纳米刻划最具代表性。纳米压痕测试通过检测分析金刚石工具头施加给试件的加载力、试件变形和载荷-压深曲线，可测材料硬度和弹性模量等参数。纳米刻划可用来研究三维试件和薄膜等的界面强度以及刻划抗力等特性。现在这两项技术已较为成熟，美国MTS和Hysitron、瑞士CSM、英国MML等公司都有商业化产品.目前，我国还不具备具有自主知识产权的这类技术。 

但这些商业化测试仪器无法动态监视测试中材料发生的变形损伤状况，制约了研究的深入；它们通过多个单自由度的运动模块组装起来实现多自由度的运动输出，导致结构庞大、传动环节复杂，增加了测试误差、削弱了系统的抗干扰性；由于大都采用电磁或静电驱动方式实现精密驱动加载，造成这类仪器在工作中存在较显著的电磁干扰。当前我国还没有该技术的自主知识产权产品。进口国外设备价格昂贵、维护使用费用高，且出于军事和高技术附加值领域的产业化应用考虑，国外高端技术设备对我国还封销禁运，以致在很大程度上制约了我国材料科学和微电子技术等学科和产业的发展。 

(3)原位(In situ)纳米力学性能测试技术