[實用新型]力磁耦合加載的材料拉伸/壓縮力學性能原位測試平臺

有效

• 申請號: 201320325594.4
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN203337460U
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 趙宏偉;程虹丙;張鵬;董曉龍;方岱寧;裴永茂;周浩;莊慶偉;范輝;馬慶春
• 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

技術領域

????本實用新型涉及光機電一體化的精密科學儀器，力磁耦合加載的材料拉伸/壓縮力學性能原位測試平臺。

背景技術

目前國際工業界中存在諸多功能性薄膜樣品和固態功能材料，它們具有金屬材料所不具備的力、磁、電、熱、光以及化學性能，因為其特殊性質已廣泛應用于高性能傳感器、微電子器件、磁存儲器等領域，在精密光學、半導體技術、以及微機電系統（MEMS）技術等高技術產業中發揮著不可替代的重要作用。近年來快速發展的層狀電磁復合智能薄膜樣品由于具有獨特的熱力電磁多場耦合性能而日益受到人們的密切關注。因此，如何在多場耦合環境下有效測試和表征這類功能性薄膜材料的力學特性和損傷機理對于提高其可靠性具有重要意義，也已成為這些領域中迫切需要解決的關鍵問題。

通常對于這類功能性薄膜材料的機械性能檢測采用原位拉伸力學性能測試方法，原位微納米力學性能測試是指在微/納米尺度下對試件進行力學性能測試的過程中，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）或者光學顯微鏡等儀器對各種載荷作用下材料發生的微觀變形和損傷進行原位監測的一種力學測試方法。該技術可從微觀上揭示各類材料及其制品在受某種類型載荷作用下的力學特性、損傷破壞機理。通過獲得實時的應力—應變曲線來分析材料的斷裂特性、彈性模量等機械性能參數。

在原位拉伸力學性能測試技術應用之前，拉伸試驗一般是依靠大型材料試驗機對試件進行離位測試。試驗機按照規定標準以均勻速率對試件進行加載，由與試驗機相連的計算機繪出載荷-撓度曲線，進而得到在相關載荷作用下應力-應變曲線圖。因此，傳統材料試驗機所采用的試件都是大尺寸的，并且都是將試件拉斷之后，才得出材料的拉伸屈服極限、拉伸強度極限等力學參數，未能在高分辨率顯微成像系統下進行原位觀測，無法對材料的微觀力學行為及變性損傷過程進行實時研究。

因此，設計一種結構小巧緊湊、性能可靠、精度高的并能與顯微成像設備兼容的在力磁耦合環境下的原位拉伸/壓縮力學性能測試平臺有十分重要的意義。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種力磁耦合加載的材料拉伸/壓縮力學性能原位測試平臺，較好解決了目前原位力學測試技術存在的上述問題。本實用新型是集驅動、加載、檢測、力磁耦合環境下拉伸/壓縮力學性能測試以及原位觀測于一體的高性能綜合精密實驗測試平臺，可針對各類材料試件在磁場環境下進行雙向拉伸/壓縮力學性能測試，集成在光學顯微鏡系統中對試件進行原位監測，即可對材料在磁場作用下的微觀變形和損傷實現在線觀測，通過對載荷/位移信號的采集與控制，從而揭示材料在磁場作用下微納米尺度下的力學特性和損傷機理，為材料在多場耦合模式下的材料的微觀力學性能測試提供了新的方法。

本實用新型具有集成力磁耦合環境、體積小巧、結構緊湊、剛度高、測試精度高等優點。相對于傳統拉伸試驗機的離位測試，本實用新型可在光學顯微鏡的動態監測下開展拉伸模式下的原位觀測微觀變形和損傷破壞過程，并可同步進行載荷/位移信號的精密檢測。在進行原位拉伸/壓縮測試同時，結合相關軟件算法，自動擬合生成拉伸/壓縮載荷作用下的應力應變曲線，即可得到材料的彈性模量和拉伸/壓縮屈服/斷裂極限等重要力學參數。

為了實現在力磁兩場耦合下利用原位拉伸/壓縮方法來表征材料的力磁耦合性能，填補儀器空白，本實用新型通過集成力磁耦合試驗環境與原位拉伸/壓縮技術，可對不同類型功能性材料在力磁場耦合條件下進行原位拉伸/壓縮力學性能測試，配合光學顯微系統對材料的微觀變形、損傷及斷裂過程實施原位觀測，為力磁耦合環境下材料的力學性能測試提供了新的方法。

本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：

力磁耦合加載的材料拉伸/壓縮力學性能原位測試平臺，包括精密驅動及傳動單元，信號檢測及控制單元，磁場施加單元，裝夾、連接及支撐單元；

所述精密驅動及傳動單元是：雙輸出軸直流伺服電機3軸兩端分別通過彈性聯軸器Ⅰ、Ⅱ40、2與一級蝸桿軸Ⅰ、Ⅱ41、37連接并提供動力輸出，經過一、二級蝸輪蝸桿傳動副的動力傳遞，動力分別傳至精密左旋滾珠絲杠45和精密右旋滾珠絲杠27處，通過光杠Ⅰ、Ⅱ16、38的導向作用，進一步由絲杠螺母Ⅰ、Ⅱ50、27輸出雙向的精密直線位移；