[发明专利]一种微纳米划痕仪及其应用方法

说明书

本发明公开的一种微纳米划痕仪，包括有由底座和垂直固定于底座上的立柱构成的支撑机构，在立柱的一个侧壁上设置有Z轴大行程调节装置，在Z轴大行程调节装置上分别设置有Z轴小行程调节装置、刀具驱动装置；Z轴小行程调节装置上连接有刀具夹持装置，且刀具夹持装置与刀具驱动装置连接；在底座上且靠近立柱设置有Z轴大行程调节装置的侧壁处设置有精密调节平台，精密调节平台上设置有工件夹持装置，底座上还设置有显微观察装置。本发明还公开了该微纳米划痕仪的应用方法。本发明的微纳米划痕仪及应用方法具有操作简单、稳定性好及成本较低的优点。

技术领域

本发明属于精密仪器及应用技术领域，具体涉及一种微纳米划痕仪，本发明还涉及上述微纳米划痕仪的应用方法。

背景技术

随着扫描电子显微镜、原子力显微镜等显微设备的快速发展，人们有了探索物体在微小划痕作用下的工具，因此一种能适应于不同材料的具有纳米级别分辨率的精密划痕仪就显得尤为重要。

近年来，在研究脆性材料的变形及损伤机理时，科学家发现在很小载荷的作用下，脆性材料会产生一定的塑性变形，当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，产生脆性裂纹，脆塑转变的深度即为临界切削深度。基于此理论，科学家提出了硬脆材料的塑性域加工方法。硬脆材料的临界切削深度往往是在微纳级别，以碳化硅材料为例，近年来的研究表明：其临界切削深度为几十纳米。

目前，英国、德国及美国等发达国家的微纳划痕技术日益成熟，精密微纳米划痕仪已经完成商业化运营，但是价格比较高昂。由于我国在该领域起步较晚，对微纳米划痕相关的研究较少，阻碍了其在相关技术领域的发展。

现有的微纳米划痕仪大多采用微小平动的方式，即刀具轴线与被划物体法线方向之间呈微小的夹角，在两者相对运动时，形成由小到大的楔形划痕。采用该方式的微纳米划痕仪运动副较多，对于设备本身加工要求非常高，操作维护也极为不便。因此，研制一种具有高精度、结构紧凑及低成本的微纳米划痕仪具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微纳米划痕仪，解决了现有划痕仪存在的精度较低、结构复杂及无法精密定位的问题，该微纳米划痕仪采用柔顺机构实现工作台的微动，便于更好的研究脆性材料变形及损伤机理、薄膜/涂层厚度。

本发明的另一目的在于提供该微纳米划痕仪的应用方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种微纳米划痕仪，包括有由底座和垂直固定于底座上的立柱构成的支撑机构，在立柱的一个侧壁上设置有Z轴大行程调节装置，在Z轴大行程调节装置上分别连接有Z轴小行程调节装置、刀具驱动装置；Z轴小行程调节装置上连接有刀具夹持装置，且刀具夹持装置与刀具驱动装置连接；在底座上且靠近立柱处设置有Z轴大行程调节装置的侧壁处设置有精密调节平台，精密调节平台上设置有工件夹持装置，底座上还设置有显微观察装置。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

精密调节平台，包括有设置于底座上的X向微进给装置，X向微进给装置通过连接板Ⅰ与设置于X向微进给装置上方的Y向微进给装置连接，Y向微进给装置与设置于Y向微进给装置上方的调平柔顺机构连接，工件夹持装置设置于调平柔顺机构的上表面上；

X向微进给装置和Y向微进给装置的结构相同，且X向微进给装置与Y向微进给装置在空间中平行且呈正交分布。

X向微进给装置由柔顺调节机构和设置于柔顺调节机构上的位移驱动装置、复位弹簧Ⅰ及固定螺栓构成；

柔顺调节机构，包括有基座、运动平台及柔性铰链，且基座固定于底座上，运动平台通过四组对称分布的铰链连接于基座内，位移驱动装置设置于柔顺调节机构一侧壁外表面的中央，复位弹簧Ⅰ和固定螺栓均设置于柔顺调节机构的另一侧壁上，且复位弹簧Ⅰ位于该侧壁内表面的中央，固定螺栓位于该侧壁外表面的中央，使位移驱动装置与复位弹簧Ⅰ、固定螺栓相对设置，位移驱动装置、复位弹簧Ⅰ及固定螺栓位于柔顺调节机构的水平中轴线上。