[发明专利]一种扫描电镜下的超高温断裂原位观测装置

说明书

本发明公开了一种扫描电镜下的超高温断裂原位观测装置，包括微型机械加载系统和高温环境模块；其中，微型机械加载系统包括微型电机及传动装置基座，高温模块及传动模块基座，微型力传感器和短距高精度激光位移传感器，以及设置在微型电机及传动装置基座上的微型电机和传动装置；高温环境模块包括设置在高温模块及传动模块基座上的高温加载模块隔热外壳，高温加载模块隔热外壳内用于设置被测试样，且高温加载模块隔热外壳内还设置有用于对被测试样进行超高温加热的加热装置，高温模块及传动模块基座与微型电机及传动装置基座安装在一起，且微型机械加载系统中通过微型电机带动传动装置用于对高温加载模块隔热外壳中的被测试样进行拉伸。

技术领域

本发明涉及一种扫描电镜下的超高温断裂原位观测装置，适用于超高温陶瓷复合材料在超高温服役环境下的实时原位断裂行为观测，属于力学实验领域特殊服役环境下的模拟装置。

背景技术

随着航空航天等高科技领域的飞速发展，能服役于高温甚至是超高温环境的关键热端部件材料得到了广泛的关注。目前，世界上最先进的航空涡轮发动机的推重比可达20:1，其发动机热端进气温度接近2000℃；近年来多个大国竞相研发的高超音速飞行器，其飞行速度通常大于5个马赫，当高超音速飞行器以高速在大气内飞行时，周围的空气受到压缩并产生巨大的摩擦作用，使飞行器的动能大部分转化为热能，在飞行器舵/翼前缘等关键部位的表面温度可达1400℃以上。面对如此恶劣的服役环境，在关键热端部件处使用或涂覆抗高温材料是保障航空航天构件安全性及可靠性的关键。以先进超高温陶瓷复合材料为代表的关键热端部件材料具有耐高温、抗腐蚀及高强度等诸多优异的性能，然而，其断裂韧性往往较低，容易在高温服役过程中发生不可预料的灾难性的断裂破坏，这极大地影响了关键热端部件的安全服役性能，严重制约着航空航天结构与装备的发展。了解以超高温陶瓷复合材料为代表的关键热端部件材料在超高温环境下的原位在线断裂行为，对其安全设计、性能评估和寿命预测有着至关重要的作用。

目前，能够实现高温环境下实时在线观测断裂行为的装置大多采用电阻丝或硅钼棒加热炉，同时使用高精度CCD摄像头透过炉体上的石英玻璃窗采集断裂图像。然而，由于CCD技术自身的限制，其采集图像的可放大倍数及分辨率通常较低(1000倍左右)，无法实现更微观的断裂行为图像捕捉，也无法采集到断裂破坏早期的裂纹萌生过程。而且，现有装置大多在非真空环境下进行试验，在高温试验过程中的气流扰动对CCD摄像机的图像采集造成了极大的干扰，严重影响其采集图像的质量。

工作于真空环境下的扫描电子显微镜是已知的最有效的裂纹观测设备，其放大倍数可到15万倍以上，分辨率可达20nm以上。然而，目前基于扫描电子显微镜的断裂行为观测平台，仅能实现常温下的原位在线拉伸/弯曲加载和500℃高温下的单独观测(无机械加载)，还未见到能将超高温环境(1700℃以下)和机械加载同时集成于扫描电子显微镜并实现超高温-力耦合加载的原位在线实验平台。

综上所述，将超高温环境(1700℃以下)与机械加载功能集成于扫描电子显微镜十分必要，需要开发一种扫描电镜下的超高温断裂原位观测装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种扫描电镜下的超高温断裂原位观测装置。该装置可以将超高温环境(1700℃以下)与机械加载功能集成于扫描电子显微镜，在真空环境中利用扫描电子显微镜实现高倍数高分辨率的原位在线观测。此外，该装置还能实现同步的力学性能测试，结合原位在线断裂行为，为理解材料的失效过程提供更多有益的信息。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种扫描电镜下的超高温断裂原位观测装置，包括微型机械加载系统和高温环境模块；其中，

微型机械加载系统包括微型电机及传动装置基座，高温模块及传动模块基座，微型力传感器和短距高精度激光位移传感器，以及设置在微型电机及传动装置基座上的微型电机和传动装置，高温模块及传动模块基座与微型电机及传动装置基座在同一平面上安装在一起；