[发明专利]多场耦合加载微纳米压入测试系统和测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测试电磁固体薄膜材料在电场、磁场、热场耦合作用下物理力学性能的测试系统和测试方法，属于材料分析仪器及微纳米力学测试技术领域。

背景技术

铁电、压电、铁磁等电磁功能材料及其复合材料具备优良的力电磁转换功能、快速的响应速度、以及体积小等优点，目前广泛应用于传感器、致动器、换能器、存储器、电容器、热阻器等领域。随着微纳米材料制备和加工技术的发展，越来越多的电磁功能材料的特征尺寸进入微纳米尺度，例如，铁电薄膜、压电薄膜、超磁致伸缩薄膜、磁电薄膜等，引起了学术界和工程界的空前关注，针对此类材料在微纳米尺度下物理力学性质的异常性与尺寸效应的研究工作正在广泛开展。为了探究微纳米尺度下电磁固体材料的多场耦合规律和机理、优化电磁功能材料设计，检测电磁固体薄膜在电场、磁场、热场作用下的压入行为，不仅对于微机电系统中功能器件的安全性和可靠性起到至关重要作用，而且对于智能材料科学的研究也有重要的学术和应用价值。

目前尚无能够直接进行电场、磁场、热场耦合加载条件下的微纳米压入仪器。究其原因，主要有四条：第一，材料测试中可变磁场的施加通常采用线圈，然而，由于电流的热效应引起的发热问题，将导致线圈周围温度升高，这对于热敏感的微纳米测试技术将是极为不利的，直接影响了测试结果的精度；第二，热场的施加通常采用电阻丝加热，然而，由于电流通过电阻丝时必然产生磁场，从而影响到试件区欲加磁场的大小和均匀度，因此需要开发与磁场互不干扰的热场施加方式；第三，压入仪的空间设计一般遵循紧凑设计原则，而电场、磁场、热场的施加装置和相应的冷却循环装置必然占据一定的空间，从而导致系统柔度的增加，不利于减小机架柔度；第四，电场、磁场、热场、各精密致动和传感元件，以及仪器其它各部件之间，往往存在电、磁的相互干扰，磁场周围往往只能采用抗磁性材料，同时保证热膨胀系数足够低，由此带来了仪器选材和加工的困难。因此，如何有效的实现互不干扰的力-电-磁-热耦合加载与测试的微纳米压入系统成为电磁固体薄膜材料多场耦合行为研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多场耦合加载微纳米压入测试系统，解决现有技术难以直接简便地实现对材料微纳米尺度多场耦合性质的测量，本发明测试精度高，能够实现测量和数据分析的自动化。

本发明提供的技术方案如下：

一种多场耦合加载微纳米压入测试系统，其特征是，所述系统包括：机械加载与测量子系统，电场加载与测量子系统，磁场加载与测量子系统，热场加载与测量子系统；

所述机械加载与测量子系统(图1)，包括：主机架2；为测试提供水平位置调整的横向粗调移动台3、横向精密移动台4，为测试提供竖直位置粗调的电机驱动单元26，所述的电机驱动单元26通过连接面板27与主机架2相连，下端与压电堆驱动单元25串联，压电堆驱动单元25下端分别接精密力传感器24和电容式位移传感器23，以及连接在压头连接杆上的压头42；

所述电场加载与测试子系统(图2)，包括：高精度稳压电源36，参考电容37和电荷放大器38，所述的高精度稳压电源36与带电极35的试样16以及参考电容37串联，所述的参考电容37与电荷放大器38并联，电荷放大器38通过A/D采集卡39和数据处理系统40连接；

所述磁场加载与测试子系统(图2)，包括：电源29，电磁铁32，含有循环冷却剂30的冷却壳层31，热电偶28，磁轭33，试样区的磁场强度由磁传感器34采集，经A/D采集卡39与数据处理系统40相连；

所述热场加载与测试子系统(图1和图3)，包括：油浴腔11，高温绝缘硅油12，试样台13与高温绝缘硅油12直接接触，通过热传递对试样16进行加热，试样区的温度由热电偶15测量，反馈给控制箱44，由控制箱44控制加热丝43来调节对高温绝缘硅油12的加热功率，油浴腔11中的高温绝缘硅油12通过进油管47和出油管41与高温油槽48内的高温绝缘硅油12连通，由热电偶45测量硅油温度，通过电路反馈信号给控制箱44，由控制箱44控制加热丝43来调节加热功率。

优选的，所述多场耦合加载微纳米压入测试系统还包括隔热和循环冷却子系统，该子系统包括：冷却层5，冷却剂6，隔热层7，陶瓷衬垫10，热反射层18，绝缘层19，冷却层20，冷却剂21；传感器附件的温度由热电偶22测量，反馈信号给控制箱44，进行冷却剂的功率调节。这样做的好处是可以避免试样区的高温传递到传感器和仪器其它部位，引起的测试误差和热漂移增大。

其中，所述冷却层5、20由金属制成。