[实用新型]量程可调式原位微纳米压痕/划痕测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种量程可调式原位微纳米压痕/划痕测试装置。对新材料新工艺、固体力学、精密光学、汽车飞机关键零部件制造、钢铁冶金、有色金属、无机非金属、生物医学工程、纳米工程和国防军工等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。

背景技术

随着科学技术的发展和电子显微学技术的进步，原位微纳米力学测试技术应用而生。纳米压痕/划痕测试技术主要是通过连续记录载荷和压入深度从未获得载荷-深度关系曲线，最终通过分析曲线获得被测材料的硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、疲劳特性、粘附性等参数。原位压痕/划痕测试技术的显著优势在于实现压痕/划痕过程的实时在线观测，进而研究载荷作用下材料表面的变形、损伤机理。国内外对原位纳米力学测试的研究还处于开发探索阶段，但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，目前原位力学测试的商业化产品主要有美国Hysitron等公司生产，价格十分昂贵。在原位力学测试方面，比较经典的包括微柱压缩、微结构拉伸、微弯曲等测试，针对三维试件的原位力学测试研究，目前有瑞士联邦理工学院Michler 和R. Rabe、日本东北大学W.Gao和本项目组等。现有的仪器也都存在着无法调节量程、无法实现较大行程的缺点，而且国内外关于量程可变的纳米压痕/划痕装置目前还鲜有报道。所以，研制具有大行程、量程可变、高精度、结构紧凑、低成本的原位微纳米压痕/划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量程可调式原位微纳米压痕/划痕测试装置，解决了现有技术存在的量程不可调以及大行程等问题。本实用新型具有结构紧凑、小型化、一体化、大行程的特点，在克服了现有测试装置无法调节量程、无法实现较大行程的不足的同时，更好的保证装配精度，有效提升整体的刚度和动态特性，提升了整体的测试精度。本测试装置的位移分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到亚微牛级，量程可调并可实现较大行程，测试装置可得到材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、蠕变特性等基本力学参数。特别是测试装置与扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性和电磁兼容性，可安装在扫描电子显微镜的真空腔内，实现对尺寸毫米级以上三维试件的原位微纳米压痕/划痕测试，借助扫描电子显微镜动态监测压入力（或划痕力）作用下被测试件材料的微观变形行为和损伤机制。本实用新型将在材料科学、固体科学、精密光学、生物医学工程、钢铁冶金、有色金属等领域具有广阔的发展前景和应用价值。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

量程可调式原位微纳米压痕/划痕测试装置，包括X、Y轴精密划痕单元、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元、压痕量程调节单元、位移信号检测单元与载荷信号检测单元；其中，X、Y轴精密划痕单元通过Z轴宏动调整机构安装在压痕杠杆支点底座19上，Z轴宏动调整机构与压痕量程调节单元安装在压痕杠杆支点底座19上，精密压入驱动单元与位移信号检测单元安装在底座20上，载荷信号检测单元安装在X、Y轴精密划痕单元上。

所述的X、Y轴精密划痕单元是：X向柔性铰链17、Y向柔性铰链15的凹槽内部分别安装有X向压电叠堆18、Y向压电叠堆16，通过载物台13和精密力传感器14在X轴、Y轴方向上位置的精密微动调整，实现沿X轴、Y轴方向的精密划痕功能。

所述的Z轴宏动调整机构是：Z轴手动平台3通过连接板Ⅰ4与X、Y轴精密划痕单元连接，Z轴手动平台3固定安装在压痕杠杆支点底座19上，实现Z轴方向的载物台13和精密力传感器14位置的宏动调整。

所述的精密压入驱动单元是：音圈电机21通过连杆22驱动滑块Ⅰ23沿导轨Ⅰ1移动，通过压痕量程调节单元使滑块Ⅱ9沿导轨Ⅱ7移动，通过连接板Ⅲ5、辊轴6、恒力弹簧8使滑块Ⅱ9保持位置，滑块Ⅱ9上下移动的高度能够使恒力弹簧8多余的部分始终缠绕在辊轴6上，恒力弹簧8自身缠绕到辊轴6上的力恒定，压头连接件11和金刚石压头12通过连接板Ⅱ10与滑块Ⅱ9连接，实现金刚石压头12的精密压入。

所述的压痕量程调节单元是：压痕杠杆24上设有凹扣槽27，并在压痕杠杆24上套装压痕杠杆支撑套管2，在压痕杠杆支撑套管2的管壁上设有锁定螺钉29，在压痕杠杆支撑套管2的内壁上设有与所述凹扣槽27相配合的凸扣28，压痕杠杆支撑套管2固定在压痕杠杆支点底座19上，实现量程可调的功能。