[实用新型]原位微纳米压痕/划痕测试仪

说明书

技术领域

    本实用新型涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种集驱动、精密加载、检测为一体的原位微纳米压痕/划痕测试仪，属于机电一体化的精密检测仪器。精密仪器是推动科技进步，社会发展的重要保证，在超精密加工、材料科学、半导体技术等领域具有较好的应用前景。

背景技术

材料微观力学性能测试技术是近几年发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。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。绝大多数的材料微观力学性能测试停留在非原位测试技术上，原位测试技术成为国际上的一个研究热点。

非原位纳米压痕/划痕测试无法实时观测材料的损伤过程，相比之下，纳米压痕/划痕测试仪能够得到更多有关材料变形损伤的信息；但是原位纳米压痕/划痕测试主要集中在透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)中开展，两者都具有非常有限的工作腔体，并且需要保证测试装置的兼容性。在国内，原位测试技术尚未成型，而且在高端科技和军事领域，国外对中国的技术封锁，超精密驱动和载荷力/位移精密检测技术发展非常慢，与国外发展相差甚远，这些原因都限制了我国原位纳米压痕/划痕测试技术的快速发展，阻碍了我国材料科学领域的发展。

总体来看，研究高精度、大测试范围、低成本的原位纳米压痕/划痕测试装置依然是具有挑战性的工作，同时也是一项紧迫性的工作。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种原位微纳米压痕/划痕测试仪，解决了非原位压痕/划痕测试技术无法在线观测材料损伤过程，我国压痕/划痕测试技术非常落后的现状，严重阻碍我国材料领域发展等问题。针对技术上存在的问题，本实用新型提出了一种原位微纳米压痕/划痕测试仪，本实用新型包括具有粗进给和精进给的载物台；Z轴方向的宏动调整机构、用于检测金刚石压头压入深度的精密位移传感器以及用于检测金刚石压头压入材料内部压力的精密力学传感器。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

原位微纳米压痕/划痕测试仪，包括定位平台和驱动单元，具体是压电叠堆9安装在柔性铰链10内部凹槽中，通过压电叠堆9驱动柔性铰链10，进而带动载物台13实现精密进给完成压痕实验；柔性铰链10紧固在连接板a6上，所述连接板a6安装在精密定位平台a23上，通过手柄a7带动连接板a6从而实现载物台13的粗进给；激光位移传感器22安装在精密定位平台b20上，激光位移传感器22通过挡板5实现对载物台13的位移检测，精密定位平台b20紧固在底座18上，手柄b19、手柄c21带动精密定位平台b20实现激光位移传感器22的微调；精密定位平台a23安装在连接板b8上，伺服电机1驱动涡轮2带动蜗杆3，蜗杆3通过紧固螺钉4与丝杠12连接，丝杠12与连接板b8相连，伺服电机 1安装在底座18上，由伺服电机 1带动精密导轨滑块11进而带动连接板b8从而实现载物台13横向进给，完成划痕实验。

所述的底座18上固定安装二维微位移平台17，连接板c16紧固在二维微位移平台17上，精密力传感器15紧固在连接板c16上，精密力传感器15的前端安装金刚石压头14，通过二维微位移平台17调整金刚石压头14的高度。

所述的精密力传感器15为二维应变片式传感器，可以同时测量横向力和纵向力，由于二维力传感器和柔性铰链串联，因而其分辨力高，误差较小。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪分别设计粗进给和精密进给机构，粗进给由伺服电机驱动，精密进给由压电叠堆驱动柔性铰链进行。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪的总体尺寸为178mm×165 mm×80mm。

所述的原位微纳米压痕/划痕测试仪置于扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM下进行实时观测。