[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

说明书

技术领域

本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种连续调温式高真空低温微纳米压痕测试方法与装置。可用于研究材料在低温时的力学性能以及材料的力学性能随温度的变化规律。

背景技术

近年来，随着新材料合成和制备工艺不断提高，其特征尺寸越来越小，在使用传统的标准试验对其进行力学参数测量时，会出现夹持、对中等一系列问题。为此，研究人员借鉴传统的硬度试验，提出了纳米压痕测试的方法。

早在1961年，Stillwell和Tabor就提出了利用压入弹性回复测定力学性能的方法。1992年，Oliver和Pharr在前人工作的基础上，完善了压入测试原理，奠定了纳米压痕测试技术的基础。纳米压痕测试方法主要是通过连续记录压入载荷和压入深度，建立适当的力学模型，实现对硬度、模量、蠕变特性、断裂韧度、疲劳特性等多种力学参量的测量。由于具有操作方便、样品制备简单、测量和定位分辨力高、测试内容丰富、使用范围广泛等优点，目前该方法正逐渐成为微纳米尺度力学测量的主要方法。

传统微纳米压痕测试仪器都是在常温下对材料进行测试，由于材料的服役环境十分复杂，不可避免的会受到温度的直接作用。近年，为争取更大的生存空间和资源，人们开始频繁的对外太空和极地展开了探索。航天器构件在外太空要经受真空、低温的考验；同样，辅助人们进行极地探索的一些设备也要面临低温环境的考验。虽然英国剑桥大学Maha M Khayyat和日本岩手大学Y. Yoshino等人研制了材料在低温时的宏观压入测试装置，但都没有解决精确变温控温、位移载荷信号的精密检测等问题，并且结构较为繁杂庞大、无法满足传统意义上微纳米压痕仪器的微观精密压入的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续调温式高真空低温微纳米压痕测试方法与装置，解决现有低温压入技术中存在的精确变温控温、位移载荷信号的精密检测、微观精密压入等问题。利用本发明可开展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，研究低温时材料的力学性能及其随温度的变化规律，并且结构简单、总体尺寸较小。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置，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Ⅰ28固定在立座20上，通过连接件Ⅰ37、连接板Ⅰ18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Ⅱ33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Ⅰ24、法兰Ⅰ26、联轴器Ⅰ25、滚珠丝杠组件Ⅰ34、连接件Ⅰ37、丝杠支撑Ⅰ27、连接板Ⅰ18、导轨Ⅰ29和底板Ⅰ28组成，所述交流伺服电机Ⅰ24通过法兰Ⅰ26固定在底板Ⅰ28上，并驱动滚珠丝杠组件Ⅰ34，通过连接件Ⅰ37带动连接板Ⅰ18运动，连接板Ⅰ18与Z向精密压入驱动模块直接相连，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Ⅱ30固定在连接板Ⅰ18上，包括交流伺服电机Ⅱ33、法兰Ⅱ32、联轴器Ⅱ1、滚珠丝杠组件Ⅱ2、连接件Ⅱ38、丝杠支撑Ⅱ3、连接板Ⅱ4、压电驱动单元、压杆8、金刚石压头10、导轨Ⅱ31和底板Ⅱ30，所述交流伺服电机Ⅱ33通过法兰Ⅱ32固定在底板Ⅱ30上，并驱动滚珠丝杠组件Ⅱ2，通过连接件Ⅱ38带动连接板Ⅱ4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，由薄铜片预紧，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由机械强度和刚度较高的绝热材料制成，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。