[发明专利]跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台。可对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供测试方法。

技术背景

原位纳米力学测试是指在纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、硬度、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学量产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法，扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/压缩测试方法能较全面的反应构件的强度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

当前原位纳米拉伸/压缩测试的研究尚处萌芽状态，具体表现在：(1)受到原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间的限制，目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸(薄膜材料或三维试件)的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；(2)从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原为纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧的拉压两用的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。

在原为纳米拉伸/压缩测试技术应用之前，拉伸试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均匀地拉伸试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应力应变曲线图，因此，最初的拉伸机是将材料拉断后，得出材料的屈服极限及强度极限。传统拉伸机针对的都是宏材尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。

因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的拉伸/压缩平台已十分必要。

发明内容

针对上述问题和可利用的技术手段，本发明的目的在于针对上述问题提供一种用于跨尺度原位纳米力学测试的拉伸/压缩平台，该平台具有体积小，结构紧凑，测试精度高，刚度高的特点，可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服极限和强度极限等力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试手段。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台，主要由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元和装夹及支撑单元组成，所述的精密驱动单元中的直流伺服电机1通过联轴器32与一级蜗杆22连接，一级蜗杆22与二级蜗杆20垂直布置，且与固定在二级蜗杆20上的一级涡轮18-3相啮合，二级蜗杆20与固定在左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2上的左、右二级蜗轮18-1、18-2相啮合，左、右方螺母13-2、13-1分别与左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2螺纹连接，并固定在方螺母上架12上，左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2和一、二级蜗杆22、20分别通过丝杠固定支撑和蜗杆轴承座固定在Z向调整上楔形块33上，所述的信号检测单元包括位移传感器15、力传感器4和固连在直流伺服电机1上的编码器3，所述的三自由度手动调整单元包括：与X-Y手动平台下层主体基座30连接的Y向手动调整旋钮25-2、与X-Y手动平台上层主体基座28连接的X向手动调整旋钮25-1和与Z向调整下楔形块29连接的Z向手动调整螺钉21，Z向调整下楔形块29与Z向调整上楔形块33滑动配合。