[發(fā)明專利]于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測試平臺

有效

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• 申請日: 2011-10-11
• 公開（公告）號: CN102359912A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙宏偉;馬志超;李秦超;王開廳;胡曉利;黃虎;萬順光
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/06
• 代理公司: 吉林長春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機電類，特別涉及一種基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測試平臺。本發(fā)明與掃描電子顯微鏡SEM、原子力顯微鏡AFM、拉曼光譜儀及光學(xué)顯微鏡等具有良好的兼容性，結(jié)合上述成像儀器，對材料的微觀變形、損傷和破壞過程進行在線觀測，可以實現(xiàn)對載荷/位移信號的采集與控制，為揭示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機制提供了測試方法。

背景技術(shù)

彈性模量、屈服強度、抗拉強度、硬度、切變模量等參數(shù)是材料力學(xué)特性測試中的最主要的研究對象，在多種測試方法中，相對于納米壓痕法、三點彎曲法等，拉伸/壓縮測試方法通過最直接表征材料力學(xué)性能的力學(xué)測試手段。掃描電鏡下的原位拉伸測試技術(shù)作為原位微納米力學(xué)測試的重要手段，是指在對試件材料進行拉伸測試過程中，通過引入光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等儀器對拉伸過程中材料組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生的微觀變形、損傷失效的過程進行在線觀測的一種技術(shù)，這種測試技術(shù)勢必可以揭示出外界載荷作用下材料變形損傷的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)更為新穎的現(xiàn)象和規(guī)律，就較大尺寸試件所開展的有關(guān)測試將更有利于研究材料及其制品服役狀態(tài)下的真實力學(xué)行為與變形損傷機制。

目前，原位微納米米拉伸/壓縮測試手段尚有待萬倍，具體表現(xiàn)為：（1）從測試儀器上來說，主要借助商業(yè)化的拉伸儀進行的原位拉伸測試，且表現(xiàn)出設(shè)備費用昂貴，并只能與特定型號的成型設(shè)備兼容使用，測試方法單一，，對結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧并能與主流成像儀器均能兼容使用的原位測試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發(fā)展。（2）受各種成像儀器的腔體的空間限制，如掃描電子顯微鏡的腔體空間的限制，光學(xué)顯微鏡的焦距限制，目前的多數(shù)都集中在以微機電系統(tǒng)工藝為基礎(chǔ)，對薄膜材料以及納米管、線等極微小結(jié)構(gòu)的力學(xué)測試上，缺少對宏觀試件的跨尺度原位納米力學(xué)測試，因尺寸效應(yīng)的存在，對微構(gòu)件的研究制約了對較大尺寸元件的力學(xué)性能的評價；（3）從觀測手段上看，因受限于掃描電子顯微鏡的真空使用條件，針對宏觀試件，多局限于光學(xué)顯微鏡及原子力顯微鏡下的原位拉伸測試，光學(xué)顯微鏡存在著明顯的放大倍率不足的問題，原子力顯微鏡則具有成像速度過慢的缺點，兩種觀測方法均難以深入研究載荷變化對材料力學(xué)行為和損傷機制的影響規(guī)律。

因此，設(shè)計一種體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，測試精度高，能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)在線監(jiān)測宏觀試件在載荷作用下的微觀變形和損傷過程的基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的拉伸/壓縮力學(xué)測試平臺已十分必要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測試平臺，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。相對于傳統(tǒng)拉伸試驗機的離位測試，本發(fā)明可實現(xiàn)高分辨率顯微成像系統(tǒng)下針對特征尺寸厘米級以上宏觀試件的原位觀測，同時解決了現(xiàn)有的原位拉伸研究中大多針對納米管、線及薄膜材料的局限，由于試件尺寸與力學(xué)測試和原位觀測的尺度跨越很大，即可避免已有研究中因尺度效應(yīng)等因素帶來的問題。測試平臺可實現(xiàn)“超低速準(zhǔn)靜態(tài)”的拉伸/壓縮模式加載，載荷/位移信號的同步采集和精密閉環(huán)控制，并可實現(xiàn)與Hitachi?TM-1000型掃描電鏡及各類具有腔體及載物臺結(jié)構(gòu)的成像儀器兼容使用。可通過原位拉伸/壓縮測試獲得材料的彈性模量、屈服強度和抗拉強度等力學(xué)參數(shù)，對材料的微觀變形、損傷和斷裂過程進行原位監(jiān)測，為揭示材料在微納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機制提供了測試方法。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

基于準(zhǔn)靜態(tài)加載的掃描電鏡下原位拉伸/壓縮材料力學(xué)測試平臺，包括精密驅(qū)動單元、精密傳動單元、載荷/位移信號檢測及控制單元以及夾持及連接單元；

所述的精密驅(qū)動單元是：精密直流伺服電機1通過電機法蘭盤2與測試平臺基座14連接，并可通過脈沖/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩動力輸出及角位移輸出；