[发明专利]一种模块化广温域多气氛原位环境应力仪

说明书

一种模块化广温域多气氛原位环境应力仪，包括力学加载模块，变温模块，光学成像与定位模块、气氛模块以及传感器系统，该应变仪可以切换高温低温模块实现广温域极端温度下力学测试，可以在密闭外壳内通入不同气氛实现多气氛环境下单轴原位力学测试，可以即时实现位移测量、温度测量、以及力学测量。该应变仪主要针对同步辐射原位力学实验设计，具有模块化，广温域、多环境、多场耦合、即时进行力学、位移、温度测量及反馈的特点。

技术领域

本发明涉及测量领域，具体涉及一种模块化广温域多气氛原位环境应力仪，可以切换高温低温模块实现广温域极端温度下力学测试，可以在密闭外壳内通入不同气氛实现多气氛环境下单轴原位力学测试，可以即时实现位移测量、温度测量、以及力学测量。该应变仪主要针对同步辐射及电子显微镜原位力学实验设计，具有模块化，广温域、多环境、多场耦合、即时进行力学、位移、温度测量及反馈的特点。

背景技术

原子外层电子结构密切关系材料的物理化学性能，而通过施加弹性应变改变原子间距离又影响外层电子结构，随之，实现对材料的物理、化学性能的改变。因此，通过施加弹性应变为可控、可逆、定量的调控材料的物理、化学性能提供了新思路，即所谓的“弹性应变工程”，而对弹性应变工程进行深入研究必不可少原位力学加载设备实现施加弹性应变的同时监测材料的相关性能。

另一方面，材料的服役环境是多样化的，包括高温环境、低温环境、干燥环境、湿润环境、受应力、通电等等在内，如果想要研究材料在这些环境下的服役行为，就需要在实验中给予材料相似的实验条件，此外还需要显微设备对材料微观结构来提供机理方面的研究。因此，多环境多场耦合的原位实验设备外加表征设备是材料研究必须的条件。

此外，对于显微设备，传统用于表征微观结构的手段有透射电子显微镜(TEM)，传统的X射线衍射(XRD)，电子背散射衍射(EBSD)，中子衍射等。如果想要准确得到材料中微观结构，包括晶体取向、缺陷、孪晶等等，就需要很高的空间分辨率，在晶粒内部尺度范围内对缺陷进行表征与识别。显然，中子衍射和传统的XRD的分辨率不能满足要求，TEM虽然分辨率非常高但效率非常低，要得到大范围内的缺陷分布相当困难。EBSD的空间分辨率很高但是难以定量地表征局部的应变分布，且对样品表面要求很高，样品制备是个难题。同时这些设备需要高真空环境来进行实验，对于提供与原服役环境相当或者目标测试的实验条件是不现实的。

鉴于以上传统表征技术的局限性，近年来，基于同步辐射的X射线微束衍射(μXRD)技术迅速发展，其空间分辨率和角分辨率已经分别达到亚微米尺度(M.Kunz,N.Tamura,K.Chen,et al,Review of Scientific Instruments,2009)和～0.01°(N.Tamura,A.A.MacDowell,R.S.Celestre,et al.,Applied Physics Letters,2002)级别。对于样品尺寸、样品(18)表面等也没有严格的要求，可以减少在制样过程中引入影响因素。由于X射线穿透能力比电子强，可以对一些多层膜异质结构进行无损分析。同步辐射光源亮度很高，比普通XRD光源要亮一亿倍以上，因而可以在很短时间内采集到足够的衍射信息，具有很高的时间和空间分辨率。由于Laue衍射斑点的形状对晶格常数的变化非常敏感，因而对局部应变的分辨率很高(～10^‐4)(J.D.Budai,W.Yang,N.Tamura,et al.,Nature Materials,2003)，从而基于同步辐射的劳厄衍射技术对材料微观结构演变的研究具有十分现实的意义。但是目前基于同步辐射X微衍射材料学研究，需要实验台来提供实验条件，当下现有的实验台只有单一的加热台以及冷却台，缺乏能够实现多环境多场耦合的原位力学实验台。

发明内容