[发明专利]连续调温式高真空低温微纳米压痕测试方法与装置

权利要求书

1.一种连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：置于定制真空箱（39）中，实现真空环境下样品温度在77K~500K连续变化时的微纳米压痕测试；置于空气中，实现常温微纳米压痕测试；机架整体呈L型，采用压电叠堆驱动实现微纳米压痕的精密压入，通过低温恒温器对样品进行精确接触调温；由X向精密调整模块、Z向精密压入驱动模块、位移信号和力信号精密检测模块、变温载物平台（11）、低温恒温器（22）和支撑模块组成；对材料进行连续精确变温，再现材料的低温工作环境，进行真空环境下的低温微纳米压痕测试，并对压入位移信号和力信号进行实时采集，研究低温时材料的力学性质及其随温度的变化特性；所述X向精密调整模块通过底板Ⅰ（28）固定在立座（20）上，通过连接件Ⅰ（37）、连接板Ⅰ（18）与Z向精密压入驱动模块直接相连，实现压头的X向精密运动，以调整压入位置；所述Z向精密压入驱动模块通过交流伺服电机Ⅱ（33）驱动，实现宏观进给，通过压电驱动单元实现微观精密压入；

所述的X向精密调整模块由交流伺服电机Ⅰ（24）、法兰Ⅰ（26）、联轴器Ⅰ（25）、滚珠丝杠组件Ⅰ（34）、连接件Ⅰ（37）、丝杠支撑Ⅰ（27）、连接板Ⅰ（18）、导轨Ⅰ（29）和底板Ⅰ（28）组成，所述交流伺服电机Ⅰ（24）通过法兰Ⅰ（26）固定在底板Ⅰ（28）上，并驱动滚珠丝杠组件Ⅰ（34），带动连接板Ⅰ（18）运动，进而实现X向精密调整；

所述的Z向精密压入驱动模块通过底板Ⅱ（30）固定在连接板Ⅰ（18）上，包括交流伺服电机Ⅱ（33）、法兰Ⅱ（32）、联轴器Ⅱ（1）、滚珠丝杠组件Ⅱ（2）、连接件Ⅱ（38）、丝杠支撑Ⅱ（3）、连接板Ⅱ（4）、压电驱动单元、压杆（8）、金刚石压头（10）、导轨Ⅱ（31）和底板Ⅱ（30），所述交流伺服电机Ⅱ（33）通过法兰Ⅱ（32）固定在底板Ⅱ（30）上，并驱动滚珠丝杠组件Ⅱ（2），带动连接板Ⅱ（4）运动，实现压痕方向的快速宏观进给；压电驱动单元由柔性铰链（5）和压电叠堆（6）组成，用以驱动压杆（8）和金刚石压头（10）进行微观精密压入；该压杆（8）由绝热材料制成，既避免了温度的变化对力传感器（7）产生影响，又具有足够的压入刚度。

2.根据权利要求1所述的连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的位移信号和力信号精密检测模块用以完成对压入位移信号和力信号的进行精密检测，包括位移传感器（36）、安装板（16）、固定板（15）、测量板（14）、固定件（13）、微调机构（17）和力传感器（7），所述位移传感器（36）由安装板（16）和固定板（15）夹持，并通过固定板（15）安装在微调机构（17）上；测量板（14）由力传感器（7）和固定件（13）进行固定；微调机构（17）与连接板Ⅱ（4）相连，用以对位移传感器（36）和测量板（14）进行初始相对位置的微调；力传感器（7）通过螺纹连接安装在柔性铰链（5）上。

3.根据权利要求1所述的连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的变温载物平台（11）与低温恒温器（22）的变温平台（22-1）相连，进行77K~500K的连续接触变温，并通过隔热垫（35）固定在底座（12）上，以减少外界热量的流入；所述低温恒温器（22）通过法兰Ⅲ（23）、减震波纹管组件（21）与定制真空箱（39）上相应的接口进行连接，其外套有镀金防热辐射屏（19）；所述低温恒温器（22）通过液氮连续流快速获得低温，通过内置控温加热器（22-3）实现升温，采用硅二极管传感器（22-2）进行温度检测，并通过控温仪（22-4）进行温度的控制；所述真空环境避免了热对流和空气组分的气态—固态相变对变温与测试的影响，为低温压痕测试的必要条件。

4.根据权利要求1所述的连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的支撑模块由底座（12）和立座（20）构成，呈L型布置，为各模块的安装提供支撑；底座（12）上装有双面镀银防热辐射屏（9），以减小热辐射对传感器和变温载物平台（11）的影响。

5.根据权利要求1所述的连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的柔性铰链（5）由三排直角柔性铰链组合而成，并设有两个减重圆孔，减小因其自重而产生铰链的变形。