[發(fā)明專利]雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置

無效

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• 申請日: 2012-04-12
• 公開（公告）號: CN102645370A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設計）人: 趙宏偉;馬志超;李秦超;王開廳;胡曉利;黃虎;張霖
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

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技術領域

????本發(fā)明涉及機電類的材料性能測試儀器，特別涉及一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置。

背景技術

雙軸向拉伸作為材料力學性能測試的重要手段，主要采用兩個方向同時施加載荷的方法對有較大泊松比和各向異性的非均勻材料進行測試，一般要求測試中有多種測量模式可供選擇，如雙軸定拉力比、定伸長比、定蠕變比和定松弛比等模式，并可結合載荷/位移傳感器和相關算法，獲取彈性模量、屈服強度、抗拉強度、泊松比等重要力學參數。其中，彈性模量、屈服強度、抗拉強度等參數均可通過單軸拉伸等實驗方法測定。此外，泊松現象是指材料沿載荷方向產生伸長(或縮短)變形的同時，在垂直于載荷的方向會產生縮短(或伸長)變形，垂直方向上的應變與載荷方向上的應變之比稱為材料的泊松比。

目前，雙軸向拉伸的材料力學性能測試儀器沒有相關的國家標準，國際上也處于草案修訂階段。已有的雙軸向拉伸試驗機主要用于平面織物或者涂層復合材料的雙軸向力學性能測試，亦有針對巖土等建筑或地質材料所進行測試的相關報道，缺乏對特征尺寸毫米或者厘米級以上三維宏觀金屬材料、高分子材料等的相關研究，且此類儀器多通過步進電機帶動滾珠絲杠結合直線軸承或導軌組件實現的雙軸向拉伸，被測試件寬度與夾頭協調對應。與此同時，原位微納米力學測試技術是指在微納米尺度下對試件材料進行力學性能測試過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡和或光學顯微鏡等成像儀器對載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進行全程動態(tài)監(jiān)測的一種力學測試技術。因此，一些現有雙軸向拉伸儀器通常配備有連續(xù)變倍的長焦距光學鏡頭和反射光源、透射光源，可對被測材料的組織紋理結構的形態(tài)及其變化進行觀測，且被測材料的應變值亦往往通過光學方法標定測量。此類儀器往往因其較大的結構尺寸限制，無法內置于掃描電子顯微鏡的真空腔體內，因此受限于光學顯微成像系統的成像原理及放大倍率，無法深入揭示材料的微觀變形、損傷機制。此外，由于材料尺寸效應的存在，微構件與宏觀試件的力學性能迥然不同，因此開展特征尺寸毫米級以上宏觀試件的力學測試，更符合各類材料實際工況下服役性能測試的要求。

綜上所述，掃描電鏡下雙軸拉伸/壓縮材料力學性能測試裝置尚屬萌芽狀態(tài)，具體表現為：從在結構上，此類儀器多通過驅動、傳動的串聯布局，往往造成整機結構尺寸較大，且在一定程度上削弱系統剛度；從觀測手段上看，因受限于掃描電子顯微鏡的真空腔體積限制，此類儀器尚無法實現與掃描電鏡的結構兼容，且與掃描電鏡的真空兼容性及電磁兼容性尚無法確定。同時，光學顯微鏡因其成像原理的問題，存在著明顯的放大倍率不足的缺點，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行為和損傷機制的影響規(guī)律。相比這類常用儀器，掃描電鏡擁有成像高度高，放大倍率高，成像效果清晰等優(yōu)點。

因此，設計一種體積小巧、結構緊湊，測試精度高，且能與電子顯微鏡實現兼容使用的雙軸向拉伸/壓縮模式材料力學性能測試裝置可為原位力學測試領域提供新的研究手段，即可對材料在雙軸向載荷作用下的微觀力學行為及變形損傷機制進行深入研究。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，解決了現有技術存在的上述問題。本發(fā)明是一種可與Zeiss?EVO?18型掃描電子顯微鏡兼容使用的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，屬材料力學性能測試類儀器。基于由高精度伺服電機、三級大減速比減速機構、小導程滾珠絲杠螺母副及導軌機構組成的精密驅動單元及精密傳動單元，該測試裝置可以極低速的準靜態(tài)模式實現載荷的精密施加，同時通過四路載荷/位移信號的同步精密采集并結合以載荷、位移及變形信號作為反饋量的閉環(huán)控制策略，該測試裝置亦可開展涵蓋單軸拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速同步拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速異步拉伸/壓縮模式等多種類型的材料力學性能測試模式，且各軸驅動、傳動及檢測單元獨立，互不干涉，即各軸加載次序及應變速率可控。此外，該測試裝置結構緊湊、精巧，亦可安裝于光學顯微成像系統或X射線衍射儀的載物平臺上，可在上述多類儀器的觀測下開展二維或三維宏觀試件的原位力學測試，對雙軸應力作用下各類材料的各向異性力學性能與損傷機制相關性進行深入研究。因雙軸可獨立驅動，且雙軸載荷/位移信號的檢測獨立，可以進行協調控制，即拉伸過程中動態(tài)控制各軸的應力/應變比，故亦屬于復合試驗機類。該裝置可廣泛用于金屬材料、薄膜材料、高分子材料等的各項異性力學性能分析。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現：