[发明专利]压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台

说明书

本发明涉及一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，属于精密原位测试领域。试验压力加载单元由精密伺服电机提供动力，经由两级蜗轮蜗杆减速机构配合丝杠螺母副完成精确压力加载；高频往复单元布置在下侧，采用先进的压电陶瓷驱动技术，配合自主设计的柔性铰链输出高频微动位移；低温精密夹持单元由上下夹具配合实现精准夹持，并通过下夹具中的液氮管道实现低温加载；数据采集单元包括拉力传感器、压力传感器、双比色红外测温仪。本发明原理可靠，体积小巧，结构紧凑，频率高，与主流光学显微镜，拉曼光谱仪以及X射线衍射仪等具有开放式空间结构的显微成像系统具有良好的兼容性。

技术领域

本发明涉及精密原位测试领域，特别涉及微动摩擦磨损试验设计领域，尤指一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台。用于试件在低温环境下高频往复微动摩擦磨损过程中原位试验，可对特定材料在此过程中的摩擦磨损行为进行监测，为揭示其在微观尺度下的摩擦特性和损伤办法提供测试方法。

背景技术

材料作为一切高新技术的支撑和先导，对科学的发展有至关重要的意义，提高材料各类性能的测试水平，特别是提高服役条件下材料的微观变形损伤机制和性能演变规律的测试能力，是提升材料及其制品性能稳定性和使用寿命的关键，也是国家经济建设和科技进步的重要保障。

摩擦磨损是材料失效的主要方式之一，摩擦普遍发生在两个相互接触并相对运动的表面之间，摩擦导致的表面材料逐渐损失的现象称为磨损。摩擦磨损会导致零件的表面形状和尺寸缓慢而连续地损坏，从而使得整个设备的工作性能和可靠性降低。

特别的，在螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等紧配合的接触表面间会发生微米量级振幅运动而产生磨损，这种在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的复合形式的磨擦称为微动摩擦。微动摩擦不仅可以造成接触表面间的摩擦磨损，引起构件咬合、松动或形成污染源等，而且可以加速裂纹的萌生、扩展，使构件的疲劳寿命大大降低，普遍存在于机械行业、航空航天、核反应堆、电力工业、桥梁工程、交通运输工具，甚至人工植入器官等领域的紧配合部件中。随着高科技领域对高精度、长寿命和高可靠性的要求，以及各种工况条件的苛刻，微动损伤的危害日益凸现，已成为一些关键零部件失效的主要原因之一。

温度在0~-150℃的条件下的摩擦磨损属于低温摩擦磨损，在低温条件下，摩擦系数、摩擦特性等都会发生改变。有研究表明，材料在低温条件下会更容易产生脆性破坏。开展低温条件下材料的微动摩擦试验有利于深入揭示极端环境零部件失效机理和相关性规律。传统的摩擦磨损试验技术已经比较成熟，但是对于磨损区的分析都是基于离线的测试手段，并不能对摩擦试验过程中试件的微观组织形貌进行动态的监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，结合原位测试技术，通过光学显微镜、X射线衍射仪等成像仪器对试件在摩擦磨损测试过程中的微观变形、内部损伤的过程进行全程动态监测，揭示低温微动摩擦条件下材料的摩擦磨损性能及损伤失效机制。研究特殊专用材料在低温高频微动条件下的磨损失效机制，填补相关领域的空白。本发明突破性地将微动摩擦与原位测试相结合，并且通过压电驱动技术实现精确、高频控制，此外，还创新性地加入低温单元，是一种综合的、多功能的摩擦磨损精密原位试验装置。本发明设计了高频往复支撑平台，平台通入液氮后为试件提供低温环境，双比色红外测温仪可直接对试件中心位置的温度进行测量，光学显微镜，X射线衍射仪等对试件进行实时损伤裂纹观测。

本发明结构布局合理，整体分为上下结构，上部主要布置压力加载单元，结合精密伺服电机以及精密蜗轮蜗杆减速增扭机构，可实现压力动态加载；利用低温压电陶瓷和柔性铰链实现高频往复精密驱动，其频率在30kHz左右，位移达到20um；借助于现有的精密传感测试技术可实时监测，反馈，进行后期处理。该测试平台结构小巧，传动精密平稳，可实现动态加载，并可借助多种成像仪器，对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行动态监测，对材料在微动摩擦磨损试验中的微观力学行为和损伤机制做深入研究。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：