[发明专利]扫描电子显微镜内应变检测型原位划痕测试装置及方法

说明书

 

技术领域

    本发明涉及材料性能原位测试领域，特别涉及一种扫描电子显微镜内应变检测型原位划痕测试装置及方法。本发明不仅能实现材料划痕过程的原位动态监测，而且可以实现划痕过程中横向力与轴向力的同步测量，为研究材料划痕过程中变形、损伤机理有重要作用，在材料学、精密加工、摩擦学等领域具有潜在的应用前景。

背景技术

材料的去除过程与去除机理是精密/超精密加工、材料学（特别是薄膜材料和涂层材料）、摩擦学等领域的热点研究话题。研究材料的去除过程与去除机理，并借此选择合适的材料成分、使用条件与场合，对于提高材料的使用寿命，保障设备、元器件使用过程中的可靠性和安全性具有重要意义。

划痕测试法是研究材料去除过程与去除机理的一种重要方法，该方法利用划痕过程中得到的测试曲线并结合划痕测试后拍摄的残余划痕形貌，在研究材料去除过程与去除机理方面发挥了重要作用。然而，研究人员在利用划痕测试法研究材料的去除过程与去除机理时，亦发现了一些难以解释的现象，最为典型的即是划痕测试曲线上间断性的波动。考虑到划痕测试为动态测试过程，涉及的物理过程复杂，结合拍摄的残余划痕形貌能在一定程度上对划痕测试曲线上间断性的波动进行推理性解释，但是缺乏对其完全的、可信的直接解释。由此，研究人员对划痕过程中压头与试件表面真实的物理作用过程产生了极大的研究兴趣，并提出了新的测试技术手段去直接地观测二者之间的相互作用过程，也就是扫描电子显微镜内原位划痕测试技术。

《Journal of materials science letters》于1984第3卷133-136页设计了一种扫描电子显微镜内原位划痕测试方法，该方法将应变式传感器安装在扫描电子显微镜真空腔舱门上，原理上可以开展扫描电子显微镜内原位划痕测试，但是文献中并未给出相关的试验结果和试验曲线，而且该文献中的装置没有独立的运动定位单元，完全依靠扫描电子显微镜载物台的运动能力，给测试带来了一定的困难，与此同时测试控制方式可能相对单一。《Wear》于2005年第259卷18-26页，《AIP ADVANCES》于2012年第2卷042193文章中分别报道了一种原位压痕/划痕测试装置。从试验结果看，这2种测试装置可安装在扫描电子显微镜载物台上，而且各自具有独立的划痕运动和定位单元，可以实现扫描电子显微镜内的划痕过程的原位观测，但是由于未集成横向力传感器，无法实现对划痕过程中横向力和轴向力的同步测量，仅仅能实现划痕过程的原位观测。从以上分析可以看出，目前具有独立定位和控制功能，且可实现扫描电子显微镜内定量地原位划痕测试的小型化划痕测试装置鲜有报道。现有技术虽然可以在扫描电子显微镜内实现材料划痕过程的动态监测，但是却难以实现划痕测试过程中横向力和轴向力的同步定量测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描电子显微镜内应变检测型原位划痕测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明的原位划痕测试装置结构紧凑，具有独立的运动定位能力，可方便的安装在主流扫描电子显微镜载物台上，实现材料划痕过程的原位观测，同时设计了横向力与轴向力测试传感器实现对划痕过程中横向力与轴向力的同步测量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

扫描电子显微镜内应变检测型原位划痕测试装置，包括基座、横向力与轴向力测试传感器、定位部分，压头杆及金刚石压头7通过锁紧螺钉安装在横向力与轴向力测试传感器前端圆孔中，被测试件8通过导电胶带粘贴在粘滑驱动器B9上。

所述的定位部分包括粘滑驱动器A3、粘滑驱动器B9和粘滑驱动器C10，并分别通过螺钉与基座1连接；

所述的横向力与轴向力测试传感器由弹性体5、x向/横向力测量应变片组4和y向/轴向力测量应变片组6组成，并通过连接件2与滑驱动器A3连接，其中弹性体5包含十字交叉布置的2个凹槽，x向/横向力测量应变片组、y向/轴向力测量应变片组4、6分别对应粘贴在2个凹槽薄弱环节。

本发明中所述的粘滑驱动器A3、粘滑驱动器B9和粘滑驱动器C10为现有技术中已有的，可以实现被测试件8和横向力与轴向力测试传感器的定位或实现划痕过程中金刚石压头与被测试件之间的相对运动。

本发明的另一目的在于提供一种利用扫描电子显微镜内应变检测型原位划痕测试装置进行原位测试的方法，该方法包括以下步骤：

1）将被测试件8通过导电胶带粘贴在粘滑驱动器B9上，之后将原位划痕测试装置通过螺钉安装在扫描电子显微镜载物台上，按照扫描电子显微镜操作流程打开扫描电子显微镜；