[發明專利]原位壓/劃痕測試裝置

無效

• 申請號: 201210418066.3
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102928307A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 趙宏偉;米杰;黃虎;邵明坤
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/40
• 分類號: G01N3/40
• 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

技術領域

本發明涉及機電一體化精密科學儀器領域，特別涉及一種集驅動、加載、檢測為一體的原位壓/劃痕測試裝置。

背景技術

近年來，隨著工業的現代化、規模化、產業化，以及高新技術和國防技術的發展，對各種材料表面性能的要求越來越高。20世紀80年代，現代表面技術被國際科技界譽為最具發展前途的十大技術之一，世界各國都非常重視材料的納米級表層的物理、化學、機械性能及其檢測方法的研究。目前，薄膜的厚度己經達到了微米級，甚至于納米級的層次，傳統的材料力學性能測試方法顯然己經無法解決該層次內的力學性能，故微納米技術應運而生。

微納米技術（MEMS,nano?technology）為微機電系統(MEMS)技術和納米科學技術（nano?science?and?technology,?nano?ST）的簡稱，是20世紀80年代末在美國、日本等發達國家興起的高新科學技術。由于其巨大的應用前景，因此自問世以來微納米技術受到了各國政府和學者的普遍重視，是當前科技界的熱門研究領域之一。其主要包括納米壓痕（Nanoindentation）、納米劃痕（Nanoscratch）、原子力顯微鏡（AFM）、微機電系統（MEMS）專用測試技術（如微拉伸等）及相關支撐技術等。

其中的納米壓痕、劃痕試驗方法是一種在傳統的布氏和維氏硬度試驗基礎上發展起來的新的力學性能試驗方法。它通過連續控制樣品上壓頭加載和卸載過程并記錄載荷和位移數據，通過對這些數據進行分析從而得出材料的力學性能指標。該測試方法優點在于可以從載荷—位移曲線中直接測出材料的力學性能而不需要測量壓痕的面積。故即便深度在納米范圍，只要載荷和深度位移的測量精度足夠高也可以得到材料的力學性能。近年來，利用連續載荷和深度方法來確定硬度和模量的壓入技術迅速發展，尤其是納米壓痕測試技術和納米劃痕測試技術的日趨成熟，基于該技術而發展起來的納米壓痕/劃痕測試儀器，逐漸成為了微/納米尺度材料和結構的力學行為測試中的標準設備。

按照是否可進行實時在線連續監測與分析，微納米級材料力學性能的測試技術又可分為原位（In?situ）測試和非原位（Ex?situ）測試。目前的微納米及材料力學性能測試多停留在非原位階段，無法在電子掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡下進行高分辨率原位監測，因此不能研究變形、損傷狀況與載荷作用和材料性能參數間的相關性規律。

目前，英國、美國、瑞士、俄羅斯等國的納米壓痕、劃痕技術日益成熟，并實現了于納米壓痕/劃痕測試裝置的商業化。而我國缺少核心技術僅處于起步階段，而且對于納米壓痕、劃痕測試裝置的開發研究少之又少。很多領域的發展都受到了嚴重的限制，阻礙了我國在相關領域內的發展。因此，有必要研究與開發擁有原位測試功能的納米壓痕、劃痕測試裝置。

發明內容

本發明的目的在于提供一種原位壓/劃痕測試裝置，解決了現有技術存在的上述問題。本發明是一種結構小巧、定位精確可用于原位測試的鋁質納米壓痕、劃痕測試裝置，使在電子顯微鏡下直接進行原位監測并研究變形、損傷狀況與載荷作用和材料性能參數間的相關性規律成為可能。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

原位壓/劃痕測試裝置，包括X、Y方向精密定位平臺、Z方向精密線性定位平臺、精密壓入驅動單元、載荷信號檢測和位移信號檢測單元，其中，所述X、Y方向精密定位平臺通過連接板Ⅱ3固定在底座13上，載物臺5通過X、Y向壓電疊堆17、14與X、Y方向精密定位平臺連接；Z方向精密線性定位平臺由Z向壓電疊堆12和Z向柔性鉸鏈9構成并裝配在底座13上；精密壓入驅動單元由步進電機1、連接板Ⅰ2及導軌16組成，所述步進電機1、導軌16分別固定在底座13上；載荷信號檢測和位移信號檢測單元的八片電阻應變片Ⅰ~Ⅷ7a、7b、8a、8b、10a、10b、11a、11b分別固定在Z向柔性鉸鏈9上，所述載荷信號檢測和位移信號檢測單元通過Z向柔性鉸鏈9固定在底座13上。

所述的X、Y方向精密定位平臺由X、Y向壓電疊堆17、14以及X、Y向柔性鉸鏈18、15組成，所述X向壓電疊堆17嵌入X向柔性鉸鏈18構成X向驅動鉸鏈，Y向壓電疊堆14嵌入Y向柔性鉸鏈15構成Y向驅動鉸鏈，Y向驅動鉸鏈通過螺釘固定在X向驅動鉸鏈之上，X向驅動鉸鏈并通過連接板Ⅱ2固定在底座13上；X、Y向壓電疊堆17、14驅動載物臺5，從而實現X、Y方向的精密定位和劃痕測試中的劃入。