[发明专利]一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统

说明书

本发明公开了一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，包括CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和拉伸台；CT成像单元包括X射线源和X射线探测器，多维台安装在X射线光源和X射线探测器的中间；力学试验单元包括加载机构、力传感器、光源和CCD相机，CCD相机的中心位置和光源、试样在同一高度上；加载机构的动力输出端通过力传感器连接拉伸台；拉伸台的外罩将加载机构整体包裹在内部；拉伸台的支撑座用于包裹拉力杆；支撑座的顶部为上夹具用于对试样的上部进行夹持，在支撑座的侧壁为蓝宝石窗口用于通过透X射线和可见光；加热单元包括激光器、热电偶和温控仪构成控制回路，对试样温度进行控制，实现高温力学特性研究。

技术领域

本发明属于分析测试仪器领域，提供了一种可以与X射线显微镜相结合，用于材料力学特性研究的原位装置。

背景技术

X射线显微镜，也叫X射线显微CT，是一种利用X射线投影再构，无损检测物体内部结构的分析仪器。结构材料是生产和生活中最常见的材料种类之一，其力学性能和失效行为的研究一直是工业应用和科学研究上最关注的内容。X射线显微镜作为一种新兴的材料分析测试技术，以其高分辨率、高穿透性和无损检测的优点，十分适合于结构材料在外力作用下结构与缺陷的演化机制的原位研究。由于X射线显微镜试样台承载小，空间有限，常规力学性能研究设备无法在X射线显微镜上应用，小型化的试验台是利用X射线显微镜进行原位力学实验的关键设备。在实验过程中无法准确测量材料的应力-应变曲线是目前已有的用于X射线CT或同步辐射X光成像的小型化原位力学试验装置的共同的不足，这极大限制了X射线显微镜CT在材料不同变形阶段与其微观组织结构演化关系的研究的潜力发挥。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，可以准确测量材料应力-应变曲线的小型原位力学试验系统，结合激光加热和液氮制冷附件，可以测量材料从液氮温区到1000℃范围内材料的力学特性，可以广泛的应用于航天、航空、核电、空间等领域的结构材料性能研究。

本发明所采用的技术方案如下：

一种适用于X射线显微镜的原位力学研究系统，包括CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和拉伸台；所述CT成像单元、多维台、力学试验单元、加热单元和冷却单元均设置在水平工作台面上；

CT成像单元包括X射线源和X射线探测器，X射线光源和X射线探测器设置在同一根滑轨上；

多维台安装在X射线光源和X射线探测器的中间；

力学试验单元包括加载机构、力传感器、光源和CCD相机，加载机构的动力输出端通过力传感器连接拉伸台；

拉伸台包括外罩和固定在外罩上的支撑座，外罩将加载机构整体包裹在内部；支撑座设置在外罩的上部，用于包裹拉力杆；支撑座的顶部为上夹具用于对试样的上部进行夹持，在支撑座(相对的两个)侧壁设置蓝宝石窗口，用于通过透X射线和可见光；拉力杆的底部通过力传感器连接加载机构的动力输出端；

加热单元包括激光器、热电偶和温控仪构成控制回路，对试样温度进行控制，实现高温力学特性研究。

进一步，加载机构包括在框架上自下往上设置的一级蜗轮、一级蜗杆、二级蜗轮、二级蜗杆、梯形螺纹杆、梯形螺纹螺母、承载横梁、力传感器和拉力杆；一级蜗杆与电机的动力输出轴连接，由电机带动一级蜗杆旋转；一级蜗杆与一级蜗轮啮合传动；一级蜗轮与二级蜗杆同轴设置(键传动等方式)，由一级蜗轮带动二级蜗杆同步转动；二级蜗杆同时啮合2个二级蜗轮，即二级蜗轮平行设置在二级蜗杆的两侧。上述二级蜗轮水平设置且每个二级蜗轮套装在梯形螺纹杆的底部，由二级蜗轮带动梯形螺纹杆同步转动；在该竖直轴的上部套装有梯形螺纹螺母。2根二级蜗轮轴上的梯形螺纹旋向相反。梯形螺纹螺母与承载横梁固定连接，由梯形螺纹螺母将旋转运动转为直线上下运动，并由螺母带动承载横梁沿竖直方向直线运动。