[實用新型]材料納米力學性能測試中的兩自由度加載裝置

無效

• 申請號: 200820071332.9
• 申請日: 2008-01-30
• 公開（公告）號: CN201277930Y
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 趙宏偉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N13/10;G01B21/32;H01J37/26
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 朱世林

技術領域

本實用新型涉及材料力學性能測試、超精密加工裝備、微機電系統、精密光學元件加工、超精密機械加工設備、汽車制造業、航空航天納米科學和生物醫學工程等領域，特別涉及納米尺度材料力學性能和力學行為測試中的精密加載裝置，特別涉及利用掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡等儀器設備進行納米尺度材料力學性能測試中的原位(In?Situ)加載裝置。

技術背景

近年來，隨著微電子學、生物醫學、半導體、光學、數據存儲、超精密機械及其制造等學科的迅猛發展，人們對材料納米力學性能的評價、測試方法和力學行為的研究提出了越來越高的要求。各類具有精密定位或精密加載功能的測試系統被研發出來，以便滿足材料納米力學性能的測試需求。但傳統的微加載裝置在檢測加載力方面存在無法檢測或檢測精度不高的問題，同時由于檢測系統結構較大且復雜，導致造價昂貴且裝配環節較多而影響測試精度。

發明內容

本實用新型的目的在于：為了解決現有原位(In?Situ)力學性能測試系統中的微加載裝置無法檢測檢測加載力或檢測精度不高以及檢測系統結構復雜，造價昂貴等問題，提供一種材料納米力學性能測試中的兩自由度加載裝置。該裝置具有加載分辨率高、響應迅速、體積小等優點，并且可以實現兩自由度精密直線的載荷輸出。由于結構微小可以實現在掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等高分辨率測試儀器上進行力學性能測試的原位監測，這里所謂的原位力學性能測試指的是在測試材料力學性能的過程中，在顯微鏡下在線監測被測試件載荷作用下的力學行為和損傷機制。

本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現，結合附圖說明如下：

一種材料納米力學性能測試中的兩自由度加載裝置，主要由基座，x軸向運動機構、壓頭、驅動元件和預緊機構組成，所說的壓頭9由多個薄壁柔性鉸鏈6、7、8連接到x軸向運動機構17上；所說的x軸正向運動機構17由多個薄壁柔性鉸鏈16、19連接到剛性基座2上；所說的驅動元件由相互垂直布置的壓電疊堆組成，其中的一個壓電疊堆15整體安裝于x軸向預緊機構和x軸向運動機構17之間，另一個壓電疊堆5整體安裝于壓頭9和壓頭預緊機構之間，壓頭9的下方為放置被測材料的剛體11上，剛體11通過與其連接的柔性鉸鏈10連接在剛性基座2上。

所說的x軸向預緊機構由裝在壓電堆15端部的剛體12，向剛體12提供預緊力的螺釘13和柔性鉸鏈14組成，柔性鉸鏈14既與剛體12連接又與剛性基座2連接，所說的壓頭預緊機構由裝在壓電堆5端部的剛體3，柔性鉸鏈4和向剛體3提供預緊力的螺釘20組成，柔性鉸鏈4既與剛體3連接又與剛性基座2連接。

所說的柔性鉸鏈16、19具有位移放大的功能，將壓電疊堆15的輸出放大。

所說的壓電疊堆為可控面型的精密致動元件，通過對壓電疊堆施加不同的電壓信號，可以實現不同的加載方式。

所說的薄壁柔性鉸鏈與基座2，壓頭9和x軸向運動機構17的連接方式為同一整體，通過電火花線切割方式加工而成，在驅動元件的推力作用下，發生微小彎曲變形，既可使壓頭9沿y向產生精密直線運動，還可使壓頭9和x軸向運動機構17一起產生沿x向的精密直線運動的同時，壓頭9沿y向產生精密直線運動，壓頭9和x軸向運動機構17受到壓電疊堆的推動而與基座2發生相對運動時不產生摩擦和磨損。

通過測量所述的柔性鉸鏈10的變形矢量X，可應用公式F＝KX間接地計算出施加力F的大小，其中K為系統的剛度矩陣。

該兩自由度材料納米力學性能測試中的加載裝置采用薄壁柔性鉸鏈與基座連接，以降低壓頭直線方向重復定位誤差，提高系統定位精度。

本實用新型的積極效果是：本實用新型可大大提高加載機構的驅動精度，并實現復雜合成運動方式，降低結構的復雜性及尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優點。

附圖說明

圖1是納米材料力學性能測試中的兩自由度加載裝置全剖視圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3a是柔性鉸鏈14局部放大視圖；

圖3b是柔性鉸鏈14局部放大后的受力變形圖。

圖中：1、4、6、7、8、10、14、16、19為薄壁柔性鉸鏈，2為基座，3、11、12、18為剛體，5、15為壓電疊堆，9為壓頭，13、20為螺釘，17為x軸向運動機構。

具體實施方式