[發明專利]跨尺度微納米級原位剪切力學性能測試平臺

無效

• 申請號: 201410243411.3
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN103983526A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 趙宏偉;李建平;白美琳;杜雨萌;尚濤;董景石;周曉勤;張起勛;侯鵬亮;程虹丙
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24
• 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

本發明涉及原位力學性能測試領域，特別涉及一種跨尺度微納米級原位剪切力學性能測試平臺。可以在對樣品進行剪切加載的同時，用電鏡等顯微成像儀器(如掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM、掃描探針顯微鏡SPM等)對加載過程中樣品的微觀變形，損傷以及剪切斷裂過程實施原位監測；也可以對樣品進行反復加載，用電鏡等顯微成像儀器對樣品進行在線觀測；可以實現對載荷/位移信號的采集、控制及轉換，為精確測定樣品在微納米尺度下的力學特性和揭示樣品在剪切作用下的微觀變形，損傷斷裂機制提供新的測試方式。

背景技術

原位力學性能測試是指在微/納米尺度下對試件材料進行力學性能測試的過程中，通過光學顯微鏡、電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等儀器對各種載荷作用下材料及其制品發生的微觀變形，損傷進行全程動態在線監測的一種力學測試手段。該技術從微觀層面揭示了各類材料及其制品的力學行為、損傷機理以及載荷的大小、種類與材料性能間的相關性規律。在諸多微納米力學性能測試的范疇中，彈性模量、切變模量、彎曲模量、硬度、斷裂極限等參數是微構件力學特性測試中的最主要的測試對象，針對這些力學量產生了很多種測試方法，如納米壓痕/劃痕、拉伸/壓縮法、剪切法、扭轉法、彎曲法和鼓膜法等，其中原位剪切測試方法能較全面的反應材料或制品在彎曲條件下的力學特性，并能較直觀的測量材料剪切強度、屈服極限和斷裂強度等重要力學參數；通過反復多次的對材料或制品進行剪切加載和卸載，也能從一定程度上反映出樣品的抗疲勞性能。

當前對于原位剪切測試的研究尚處于初級階段，具體表現如下：(1)掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡等的腔體空間非常有限，以至于目前的多數研究都集中在以微/納米尺度材料和結構為基礎，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結構進行單純原位納米拉伸測試上，缺少對宏觀尺寸(薄膜材料或三維試件)的跨尺度原位微/納米力學性能測試的深入研究，從而嚴重束縛了學術界對較大尺寸元件的微觀力學行為以及損傷斷裂機制的深入研究；(2)從測量儀器上來說，主要借助于商業化的掃描電子顯微鏡(SEM)配帶彎曲加載裝置對材料及其制品進行原位微/納米力學性能測試，這種方法存在設備費用昂貴，測試范圍有限，測試內容陳舊等缺點，對結構緊湊，測量范圍可調，測試內容多樣的原位剪切測試裝置少有提及，極大制約了研究的深入與發展。

在原位剪切力學性能測試技術應用之前，剪切試驗一般是用大型剪切試驗機對材料及其制品進行離位測試。試驗機按照相關標準以均勻速率對樣品進行加載，由試驗機繪出載荷一撓度曲線，進而得到載荷作用下應力——應變曲線圖，因此，最初的剪切試驗機是將材料剪切到規定的角度或者斷裂后，得出材料的彈性模量、屈服極限、斷裂極限等力學參數。傳統剪切試驗機針對的大都是大尺度宏材尺度試件，未涉及樣品微納米尺度范疇的力學性能研究，也未涉及到高分辨率顯微成像系統下的原位在線觀測。

發明內容

本發明的目的在于提供一種跨尺度微納米級原位剪切力學性能測試平臺，解決了現有技術存在的費用昂貴、體積大、結構復雜、重量重、測試精度低及兼容性差等問題。本發明具有體積小、重量輕、剛度高、結構緊湊、測試精度高，并且能夠利用電子顯微鏡等成像系統在線監測宏觀試件在載荷作用下的微觀變形以及損傷斷裂過程，可提供的測試內容豐富等特點，可通過原位剪切測試獲得材料的剪切強度、屈服極限和斷裂強度等重要力學參數，也可通過反復多次的對材料或制品進行剪切加載和卸載，從一定程度上反映出樣品的抗疲勞性能。對材料的微觀變形、損傷及斷裂過程實施原位在線監測，為揭示材料在微納米尺度下的力學特性和損傷斷裂機制提供新的測試裝置。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：