[实用新型]具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统。在钢铁冶金、有色金属、半导体技术、先进材料与材料科学、航空航天和国防军工等领域具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景，并将丰富现有材料微观力学性能测试的技术体系。

背景技术

传统的金属材料，其力学性能通常会随外界温度场和应力场复杂作用发生改变，特别是近年来随着航空航天、国防军事、信息通讯、光电子和纳米工程等高技术产业的迅猛发展，工业界对于结构材料和功能材料的性能要求日益严苛，如热障涂层，高温合金高温玻璃等材料的的机热耦合特性等。针对此类材料的力学性能测试，传统测试技术在测试条件，测试能力方面已经无法满足现实的需求。对于材料在高温环境下的力学性能的研究，扩大了纳米压痕测试技术的应用范围，很大程度上指导了此类材料的研制与生产。

目前，国内外对材料力学性能原位测试的研究还处于开发探索阶段，但是由于发达国家的起步较早，研究相对比较深入，领先于国内该领域的研究。国外主流的商业化纳米压痕仪生产厂家，均配备有相应的温度场加载模块，如美国Hysitron公司的Triboindenter、英国MML公司的Nanotest测试系统等等。然而这种商业化的测试仪动辄上百万元人民币，许多高端技术更是对我国采取禁运禁售政策，严重限制了我过在材料微纳米尺度力学性能测试的研究。所以，研制能在高温条件下使用、高精度、操作简便、低成本的微纳米压痕测试装置依然具有广泛的需求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，解决了现有技术存在的上述问题，填补国内在变温度场环境下材料压痕硬度测试仪器的空白，提供真空环境，避免了在加热过程中试件表面被氧化对测试结果的影响，为更好的研究新兴高温材料在服役条件下的弹性模量和硬度等力学性能以及蠕变机制等提供可靠手段。本实用新型采用电机驱动与压电驱动两种驱动方式，既能保证小行程压痕试验时的加载精度，也满足了特殊材料的大加载行程压痕要求。本实用新型合理兼容温度加载模块与机械加载模块，实现在变温条件下对材料的压痕测试，利用高分辨率的载荷位移检测单元检测测试过程中的载荷位移数据，生成载荷-压入深度曲线，用以表征材料的力学参数。对于材料科学、航空航天和国防军工等领域的发展具有较为显著的促进作用。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，包括真空室系统、Z轴方向宏动调整机构、Z轴大行程精密压入驱动单元、Z轴小行程精密压入驱动单元、位移信号检测单元、载荷信号检测单元、温度加载及检测单元和X-Y精密定位平台，其中所述真空室系统48为机械加载部分提供真空氛围，Z轴方向宏动调整机构装配在大理石支撑座1上；Z轴大行程精密压入驱动单元安装在Z轴方向宏动调整机构上，由伺服电机Ⅱ19、蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29、蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28及丝杠螺母Ⅱ35组成；Z轴小行程精密压入驱动单元装配在Z轴大行程精密压入驱动单元上，由压电叠堆38带动柔性铰链37推动其下部结构实现精密位移；位移信号检测单元通过精密微动平台39安装在底板Ⅱ34上，载荷信号检测单元串联在柔性铰链37与冷却管46之间，温度加载及检测单元固定在X-Y精密定位平台上，X-Y精密定位平台连接在大理石基座2上。

所述的真空室系统48为其他加载模块提供防护性真空氛围，将测试装置置于真空环境中，保证在高温下压头不会因为被氧化尖端钝化，降低使用寿命，同时也防止试样材料表面因氧化而变质，而发生力学性能变化，将环境中气体抽出，同样能够防止热对流的产生，影响实验结果，大大提高了测试的温度上限。

所述的Z轴方向宏动调整机构包括伺服电机Ⅰ27、电机法兰Ⅰ30、联轴器Ⅰ49、丝杠支座Ⅰ53、导轨滑块组Ⅰ52、丝杠螺母Ⅰ51、工作平台Ⅰ50和底板Ⅰ54，其中，伺服电机Ⅰ27固定在电机法兰Ⅰ30上，通过联轴器Ⅰ49与丝杠螺母Ⅰ51相连接，带动工作平台Ⅰ50实现Z轴方向运动，所述Z轴大行程精密压入驱动单元安装在工作平台Ⅰ50上，实现压痕模块的宏动调整。

所述的Z轴大行程精密压入驱动单元包括伺服电机Ⅱ19、电机法兰Ⅱ21、蜗杆Ⅰ、Ⅱ22、29、蜗轮Ⅰ、Ⅱ23、28、蜗杆轴26、轴承座Ⅰ、Ⅱ25、31、轴承Ⅰ、Ⅱ24、32、丝杠支座Ⅱ33、丝杠螺母Ⅱ35、导轨滑块组Ⅱ20、工作平台Ⅱ36和底板Ⅱ34，伺服电机Ⅱ19通过两级蜗轮蜗杆传动机构，带动丝杠螺母Ⅱ35，实现大减速比，带动工作平台Ⅱ36实现Z轴精密压入驱动。