[發明專利]原位微納米壓痕/劃痕測試儀

有效

• 申請號: 201410502161.0
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN104297082A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 趙宏偉;侯鵬亮;付海雙;張鵬;范尊強;董景石;馬志超;李建平;鐘月曦;劉長宜
• 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、精密加載、檢測為一體的原位微納米壓痕/劃痕測試儀，屬于機電一體化的精密檢測儀器。精密儀器是推動科技進步，社會發展的重要保證，在超精密加工、材料科學、半導體技術等領域具有較好的應用前景。

背景技術

材料微觀力學性能測試技術是近幾年發展起來的前沿技術，受到各國政府和研究機構的高度關注。微納米級材料力學性能的測試技術主要包括納米壓痕(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。按照測試中是否可通過電子顯微鏡等儀器在線實時監測材料的變形和損傷狀況，又可分為原位(In?situ)測試和非原位(Ex?situ)測試。所謂的原位(或在位)測試，是指對被測件力學性能測試中進行的在線連續監測和分析；與之對應的是非原位測試(又稱異位或移位測試)，是指利用實驗前或實驗后的試件進行力學性能分析。絕大多數的材料微觀力學性能測試停留在非原位測試技術上，原位測試技術成為國際上的一個研究熱點。

非原位納米壓痕/劃痕測試無法實時觀測材料的損傷過程，相比之下，納米壓痕/劃痕測試儀能夠得到更多有關材料變形損傷的信息；但是原位納米壓痕/劃痕測試主要集中在透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)中開展，兩者都具有非常有限的工作腔體，并且需要保證測試裝置的兼容性。在國內，原位測試技術尚未成型，而且在高端科技和軍事領域，國外對中國的技術封鎖，超精密驅動和載荷力/位移精密檢測技術發展非常慢，與國外發展相差甚遠，這些原因都限制了我國原位納米壓痕/劃痕測試技術的快速發展，阻礙了我國材料科學領域的發展。

總體來看，研究高精度、大測試范圍、低成本的原位納米壓痕/劃痕測試裝置依然是具有挑戰性的工作，同時也是一項緊迫性的工作。

發明內容

本發明的目的在于提供一種原位微納米壓痕/劃痕測試儀，解決了非原位壓痕/劃痕測試技術無法在線觀測材料損傷過程，我國壓痕/劃痕測試技術非常落后的現狀，嚴重阻礙我國材料領域發展等問題。針對技術上存在的問題，本發明提出了一種原位微納米壓痕/劃痕測試儀，本發明包括具有粗進給和精進給的載物臺；Z軸方向的宏動調整機構、用于檢測金剛石壓頭壓入深度的精密位移傳感器以及用于檢測金剛石壓頭壓入材料內部壓力的精密力學傳感器。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

原位微納米壓痕/劃痕測試儀，包括定位平臺和驅動單元，具體是壓電疊堆9安裝在柔性鉸鏈10內部凹槽中，通過壓電疊堆9驅動柔性鉸鏈10，進而帶動載物臺13實現精密進給完成壓痕實驗；柔性鉸鏈10緊固在連接板a6上，所述連接板a6安裝在精密定位平臺a23上，通過手柄a7帶動連接板a6從而實現載物臺13的粗進給；激光位移傳感器22安裝在精密定位平臺b20上，激光位移傳感器22通過擋板5實現對載物臺13的位移檢測，精密定位平臺b20緊固在底座18上，手柄b19、手柄c21帶動精密定位平臺b20實現激光位移傳感器22的微調；精密定位平臺a23安裝在連接板b8上，伺服電機1驅動渦輪2帶動蝸桿3，蝸桿3通過緊固螺釘4與絲杠12連接，絲杠12與連接板b8相連，伺服電機?1安裝在底座18上，由伺服電機?1帶動精密導軌滑塊11進而帶動連接板b8從而實現載物臺13橫向進給，完成劃痕實驗。

所述的底座18上固定安裝二維微位移平臺17，連接板c16緊固在二維微位移平臺17上，精密力傳感器15緊固在連接板c16上，精密力傳感器15的前端安裝金剛石壓頭14，通過二維微位移平臺17調整金剛石壓頭14的高度。

所述的精密力傳感器15為二維應變片式傳感器，可以同時測量橫向力和縱向力，由于二維力傳感器和柔性鉸鏈串聯，因而其分辨力高，誤差較小。

所述的原位微納米壓痕/劃痕測試儀分別設計粗進給和精密進給機構，粗進給由伺服電機驅動，精密進給由壓電疊堆驅動柔性鉸鏈進行。

所述的原位微納米壓痕/劃痕測試儀的總體尺寸為178mm×165?mm×80mm。

所述的原位微納米壓痕/劃痕測試儀置于掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM下進行實時觀測。