[发明专利]一种基于安培力的微纳米材料原位力学性能的测试装置及方法

说明书

本发明提供的一种基于安培力的微纳米材料原位力学性能的测试装置及方法，包括透射电子显微镜和力电耦合样品杆，其中，力电耦合样品杆置于透射电子显微镜中，在测试时，导电体和力电耦合样品杆中的导电压头串联，形成电回路，且在通电时产生安培力，所述安培力大于微纳尺度样品的静摩擦力；同时，力电耦合样品杆中的力学控制器通过导电压头向导电体施加定值载荷；本发明满足了微纳米材料的原位力学性能的测试要求；且在测试时，使得微纳米材料的原位力学性能测试试验所需的横向力可控；该装置克服了现有的微纳米材料的原位力学性能测试所存在的技术问题；同时，将整个试验置于透射电子显微镜中，可实时观察试验过程。

技术领域

本发明属于透射电子显微镜原位力学研究领域，具体涉及一种基于安培力的微纳米材料原位力学性能的测试装置及方法。

背景技术

由于社会发展对功能器械小型化的强劲需求，微纳米尺度材料结构和性能的研究成为一个新兴且蓬勃发展的研究方向(Nix,W.D.,Thin Solid Films(2007))。然而，微纳尺度材料的性能不能通过外推基于宏观块体材料的知识体系得到，因此亟需新的力学测试工具和方法来满足该尺度材料的测试要求(单智伟，中国材料进展(2013))。而系统、精确地研究微纳尺度材料的力学特性及其内在机理，首先需要数万至数十万放大倍数的监测平台；其次还需要空间分辨率在纳米级别，力学测试精度在纳牛级别的原位测试技术。

电子显微镜是利用电子束成像的显微镜，其放大倍数高达数百万倍，为微纳尺度材料的研究提供了基础的观测平台。而原位透射电子显微镜(in situ TEM)技术通过对透射电镜和样品杆进行改造以实现在力、热、电等外界刺激下实时观察样品形貌和结构的动态变化过程。

对样品杆进行改造是实现微纳尺度材料力学性能测试的主要途径。在商用化的样品杆中，美国的Hysitron公司以三平板电容传感器为技术核心开发出的PI 95系列样品杆，通过机械控制粗调、压电陶瓷细调以及力、位移传感器精调的三级控制系统可以精确调节压头的位置并输出定量的力、位移关系。然而由于透射电镜中空间的限制，PI 95系列样品杆只能施加轴向力，这大大限制了其在摩擦等需要横向力的研究中的应用。而且受到反馈控制的影响，位移和力的施加都存在一定的时间滞后效应，因而施加循环载荷时，载荷频率便会受到一定的限制。

另外，Nanofactory公司的样品杆主要利用惯性滑动原理，压头通过金属爪连接在蓝宝石球上，当压电陶瓷控制蓝宝石球移动时，金属爪会沿着蓝宝石球的表面发生惯性滑移，进而使压头产生三维方向的位移。然而依靠惯性滑动无法提供精确、定量的位移，而且横向位移还受到压头长度以及金属爪与蓝宝石球之间相对位置的影响，可控性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于安培力的微纳米材料原位力学性能的测试装置及方法，解决了现有的力电耦合样品杆无法施加横向位移，或在微纳米材料的力学测试时提供的横向力存在可控性差的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于安培力的微纳米材料原位力学性能的测试装置，包括透射电子显微镜和力电耦合样品杆，其中，力电耦合样品杆置于透射电子显微镜中，在测试时，导电体和力电耦合样品杆中的导电压头串联，形成电回路，且在通电时产生安培力；同时，力电耦合样品杆中的力学控制器通过导电压头向导电体施加定值载荷。

优选地，导电体和导电压头的串联电路上还串联有电流表和电流控制器。

一种基于安培力的测试装置的微纳米材料原位力学性能的测试方法，包括以下步骤：

第一步，将导电体通过力电耦合样品杆安装在透射电子显微镜中，且导电体与力电耦合样品杆中的导电压头相接触；

第二步，将导电体和导电压头电连接，形成电回路；

第三步，开始测试，力电耦合样品杆中的力学控制器通过导电压头向导电体施加定值载荷；