[发明专利]一种材料全温度段多场耦合性能的压痕系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料性能测试的相关技术，尤其涉及一种材料全温度段多场耦合性能的压痕系统及方法。

背景技术

近年来，微电子技术得到了长足的发展，许多微小结构的材料得到了实际的应用。材料在微小尺度下的力学性能也逐渐成为人们关注的对象，材料的微观力学性能研究也随之开展起来。

随着材料尺寸的减小，材料的微小结构表现出了与材料的宏观结构迥异的性能，因此受到了人们的极大关注。但是，由于技术上的限制，对于低维纳米材料的力学性质的研究却处于相对落后的状态。

近年来人们更为关注的是材料的真实服役情况，也就是材料在实际环境(包括力场、温度场、电场等)下的可靠性，可靠性的高低将决定材料的应用前景。因此，研究材料在动态原子尺度下力场、热场耦合作用下的结构变化是考察材料性能稳定性和可靠性的关键。经过几十年的努力，人们已经开发了多种纳米材料力学性能测试技术。其中，发展最为成熟的就是纳米压痕技术。由于纳米压痕技术的日渐完善，纳米压痕技术对纳米线、纳米颗粒、纳米薄膜等材料的力学测试试验以及对材料模量、硬度等基本物理量的精确表征使得纳米压痕技术成为一种非常流行的原位测试技术。例如，Hysitron公司制备的TI-950型纳米压痕仪，除了常规测试之外还可以实现不同温度下的力学性能测试。安捷伦公司生产的G200型纳米压痕仪也已经形成了比较成熟的技术。但是，由于纳米压痕技术不能给出原位原子尺度的信息，很多情况下，现有纳米压痕技术都需要通过后位的观察(后位的观察是指不能实时观测，只能在实验结束后利用可以实现原子尺度观测的其他仪器对样品进行的观察)来推测材料应变及不同温度环境下的变形机制，这就给人们正确理解材料变形机理造成了障碍。要想获得原子尺度的结构信息，需要借助透射电镜来弥补纳米压痕仪的不足，但是由于透射电镜的样品室空间非常狭小，在如此狭小的样品室空间内，要在不同温度下既要实现对材料应力的施加，同时，又要实现对材料变形过程中原位、原子尺度下结构信息的揭示以及电学等其他性能的检测，这是一项非常困难的事情。因此，当前的难题是如何在透射电镜中实现原位压痕变形操作的同时，对被测量材料施加力场、温度场和电场等耦合作用，系统考察材料的可靠性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种材料全温度段多场耦合性能的压痕系统及方法，至少能解决透射电镜无法对同时处于力场、温度场和电场的材料进行性能测量的缺陷。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种材料全温度段多场耦合性能的压痕系统，所述系统包括：

驱动装置，用于利用温度得到推动力；

压痕装置，用于通过所述驱动装置产生的推动力对被测量材料施加压力；所述压痕装置上设置有第一电极；

样品定位装置，用于放置被测量材料；所述样品定位装置上设置有第二电极；

支撑装置，用于为所述驱动装置、压痕装置和样品定位装置提供支撑；所述支撑装置置于透射电镜内；

所述驱动装置与所述压痕装置接触；所述驱动装置、压痕装置和样品定位装置固定在所述支撑装置上；所述第一电极和第二电极分别与外部电源连接。

优选地，所述驱动装置包括热双金属片；所述热双金属片的第一端固定在所述支撑装置上，所述热双金属片的第二端悬空；所述热双金属片包括第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和第二金属片接触；所述第一金属片和第二金属片的线膨胀系数不同；所述第一金属片和第二金属片利用温度产生形变，通过所述形变得到推动力。

优选地，所述压痕装置包括三悬梁部件；所述三悬梁部件包括第一绝缘块、第一驱动触球、第二驱动触球、空载梁、驱动梁和测力悬臂梁，第二驱动触球与空载梁之间间隔第一设定距离；

所述第一绝缘块固定在所述支撑装置上，所述第一绝缘块为绝缘材料；

所述空载梁的第一端固定在所述第一绝缘块上；

所述第一驱动触球设置在所述空载梁的第二端上靠近所述驱动装置的一侧；所述第一驱动触球与所述驱动装置接触，用于将所述驱动装置产生的推动力通过所述空载梁传递给第二驱动触球；

所述驱动梁的第一端固定在所述第一绝缘块上，所述驱动梁为导电材料；所述驱动梁上设置有第一电极，所述第一电极与外部电源连接；

所述第二驱动触球设置在所述驱动梁的第二端上靠近所述空载梁的一侧；所述第二驱动触球被所述空载梁推动，进而带动所述驱动梁向所述样品定位装置移动；