[发明专利]用于微纳样品的原位复合加载与测量装置

说明书

本发明提供了一种用于微纳样品的原位复合加载与测量装置，在以X、Y、Z为坐标轴的空间直角坐标系中，该装置包括沿X坐标轴的正方向依次设置的左加载调节组件和右加载调节组件，所述左加载调节组件含有沿X坐标轴的正方向依次连接的左部旋转压电陶瓷电机(3)、左部垂直直线压电陶瓷电机(4)和左部水平直线压电陶瓷电机(5)，所述右加载调节组件含有沿Z坐标轴的方向依次连接的右部连接块(12)和右部推进直线压电陶瓷电机(13)。该用于微纳样品的原位复合加载与测量装置体积小巧，结构紧凑，测试精度高，可以对各种材料的特征尺寸纳米级以上试件进行跨尺度原位拉伸弯曲扭转试验。

技术领域

本发明涉及一种用于微纳样品的原位复合加载与测量装置。

背景技术

随着纳米技术的发展，微纳米材料被广泛的应用于航空航天、汽车工业、半导体、生物医学、MEMS、高分子、太阳能/燃料电池化工、石油、岩石、微电子、微型传感器、半导体材料、自动控制、航空航天、汽车工业及机械工具中。材料的微观力学性能与宏观的经典力学性能存在很大的差异。材料的微纳米力学测试的诸多性能参数中材料的拉伸、弯曲和扭转力学性能测试是非常重要的测试对象之一。

原位微纳米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。相比于宏观的测试技术，原位测试技术可以在电子显微镜的观测下对试件进行原位加载，可以同时对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察等诸多优势。然而，现阶段的原位测试技术及仪器，只能实现单个功能的测试，同时多集中在材料的拉伸和弯曲变形上，对材料的扭转测试以及复合加载情况下材料微观变形和损伤关注较少。主要原因在于多功能集成的力学测试平台设计相对复杂，多自由度的机构对于平台控制有着极高的要求，同时原位扭转测试平台对设备的小型化、精度、材料装配等有苛刻的要求，并且在实验过程中需要保证测试装置与工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，这些原因限制了微纳米尺度多功能原位力学测试平台的发展。

发明内容

为了解决现有微纳米尺度多功能原位力学测试平台体积大、结构复杂的问题，本发明提供了一种用于微纳样品的原位复合加载与测量装置，该用于微纳样品的原位复合加载与测量装置体积小巧，结构紧凑，测试精度高，能够与各种主流电子显微镜真空腔体匹配，应用范围广泛，可以对各种材料的特征尺寸纳米级以上试件进行跨尺度原位拉伸弯曲扭转试验，同时还能进行复合加载测试，通过对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于微纳样品的原位复合加载与测量装置，在以X、Y、Z为坐标轴的空间直角坐标系中，该用于微纳样品的原位复合加载与测量装置包括沿X坐标轴的正方向依次设置的左加载调节组件和右加载调节组件，所述左加载调节组件含有沿X坐标轴的正方向依次连接的左部旋转压电陶瓷电机、左部垂直直线压电陶瓷电机和左部水平直线压电陶瓷电机，左部旋转压电陶瓷电机能够驱动左部垂直直线压电陶瓷电机和左部水平直线压电陶瓷电机以X坐标轴为轴旋转，左部垂直直线压电陶瓷电机能够驱动左部水平直线压电陶瓷电机沿Z坐标轴的方向移动，所述右加载调节组件含有沿Z坐标轴的方向依次连接的右部连接块和右部推进直线压电陶瓷电机，右部推进直线压电陶瓷电机能够驱动右部连接块沿X坐标轴的方向移动。

本发明的有益效果是：

1、右部连接块可以在基座上水平滑动并能锁紧，因而直径为微纳尺寸的试样的初始长度可以自行设定。

2、在测试过程中，试样的对中对扭矩测试是非常关键，本发明提出采用精密压电陶瓷电机完成对试样的对中。

3、在测试过程中，试样一直处于装置的中间位置附近，也是处于显微镜便于观察的范围内，这避免了现有测试装置中试样固定在一端进而出现测试图像偏移的缺陷，使测试过程便于进行。

4、整个测试装置结构简单，体积较小，便于在扫描电子显微镜SEM等成像仪器的狭小空间中工作，具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。