[發(fā)明專利]納米壓痕典型區(qū)域微轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平臺(tái)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711132451.0
• 申請(qǐng)日: 2017-11-15
• 公開（公告）號(hào): CN107907433B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊慶生;劉志遠(yuǎn);劉扶慶;郭志明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/40
• 分類號(hào): G01N3/40;G01N3/02
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開了納米壓痕典型區(qū)域微轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平臺(tái)，將被測(cè)試樣鑲嵌于不銹耐磨的試樣杯中，磨拋后使得被測(cè)試樣上表面同試樣杯上邊緣同高，既保證了被測(cè)試樣有較高剛度，在之后頂緊過程中不發(fā)生塑性變形，也可以快速獲得高質(zhì)量的平面；常規(guī)扭矩螺絲刀主要用于防止由于用力過大而破壞設(shè)備，用其頂緊頂絲后的試樣在微納米尺度的加載過程中不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，通過普通螺絲刀繼續(xù)頂緊頂絲可以使得微區(qū)產(chǎn)生微尺度的轉(zhuǎn)動(dòng)而不會(huì)使得整個(gè)夾持結(jié)構(gòu)松動(dòng)；本發(fā)明通過機(jī)械調(diào)平方法實(shí)現(xiàn)，成本低廉、體積小，并同納米壓痕儀的卡臺(tái)相配合，節(jié)省空間便與推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的典型區(qū)域微轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平臺(tái)屬于一種微納米力學(xué)測(cè)試夾持裝置，特別是通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)時(shí)使得試樣旋轉(zhuǎn)的夾持裝置，屬于納米壓痕實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，通過壓頭壓入試樣獲得載荷-深度曲線，這一曲線體現(xiàn)了材料在壓入過程中豐富的信息。可以通過這些信息提取材料性能，比如材料的彈性模量和硬度。傳統(tǒng)硬度測(cè)試時(shí)通過實(shí)驗(yàn)后觀察獲得殘余壓痕的接觸面積，來計(jì)算材料性能，而納米壓痕法是通過接觸深度換算成的接觸面積，那么一個(gè)重要的問題就是如何精確的測(cè)量這一接觸面積。對(duì)于典型的納米壓痕法使用的壓頭，如Berkovich壓頭、球形壓頭和圓柱狀的壓頭，這些壓頭的特點(diǎn)是壓頭的形狀都是幾何自相似的。當(dāng)被測(cè)試樣垂直試樣表面時(shí)，儀器通過壓入過程中的深度變化可以直接換算接觸面積的變化。

事實(shí)上，常規(guī)納米壓痕實(shí)驗(yàn)壓入方向同試樣表面不垂直引起的誤差是不能忽略的。雖然所有的納米壓痕儀配有夾持臺(tái)，但其作用為固定被測(cè)試樣，降低結(jié)構(gòu)柔度帶來的影響。這類夾持臺(tái)使用時(shí)需要將磨拋后的柱狀試樣放入，然后頂緊側(cè)向頂絲，對(duì)于通過機(jī)械加工得到的標(biāo)準(zhǔn)柱狀試樣這類夾持臺(tái)固定效果很好，被測(cè)圓柱試樣上表面同壓入方向垂直，偏差極小，復(fù)合納米壓痕測(cè)試要求。對(duì)于常規(guī)用于納米壓痕實(shí)驗(yàn)的試件，常常需要通過機(jī)械拋光來獲得柱狀試樣。手動(dòng)或自動(dòng)拋光質(zhì)量以及被測(cè)材料非均勻性引起的耐磨程度非均勻性，都決定了常規(guī)用于納米壓痕實(shí)驗(yàn)的試件同標(biāo)準(zhǔn)試件相比有一定偏差，不如機(jī)械加工得到的試樣標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于這種不標(biāo)準(zhǔn)的圓柱狀試樣，裝入納米壓痕儀提供的單側(cè)側(cè)向頂緊的夾持臺(tái)后，無法調(diào)整測(cè)試平面的角度。這使得在測(cè)試平面選點(diǎn)時(shí)需要反復(fù)聚焦，影響工作效率。最重要的是，當(dāng)測(cè)試平面不垂直壓入方向會(huì)帶來誤差。傳統(tǒng)納米壓痕配備的加持臺(tái)對(duì)此類誤差無能為力。對(duì)于非均勻材料，由于材料內(nèi)不同相耐磨程度不同，即使在理想情況下，通過高質(zhì)量的磨拋也是無法得到完全垂直壓入方向的平面的。

納米劃痕法作為復(fù)雜磨損的簡(jiǎn)化，可以評(píng)估薄膜與基材的結(jié)合能力，測(cè)試界面結(jié)合強(qiáng)度和摩擦系數(shù)。可以用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在各種溫度條件下的力學(xué)性能和劃入特性之間的關(guān)系，分析粘彈性對(duì)劃入阻力的影響。隨著復(fù)合材料力學(xué)的迅速發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)心其表面及內(nèi)部的微觀乃至納觀力學(xué)性能。可以將納米劃痕測(cè)試做為一種原位的實(shí)驗(yàn)方法用于判斷界面相形貌，然而由于使用載荷線性增加加載方式和載荷恒定加載方式時(shí)，壓頭劃入被測(cè)試樣深度非恒定值，劃過不同相的載荷不能定量比較，所以通過反饋控制恒劃入深度的方法，來定量研究載荷變化，進(jìn)而通過其判斷基底效應(yīng)和周邊效應(yīng)的影響區(qū)，即界面相，再進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)，就可以得到不同相的測(cè)試結(jié)果。避免了壓痕實(shí)驗(yàn)的盲目性，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，可以獲得無周邊效應(yīng)影響的復(fù)合材料各組分性能。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)關(guān)鍵是如何調(diào)整被測(cè)區(qū)域，使得典型被測(cè)區(qū)域垂直壓入方向。骨-鈣化骨試樣是典型生物復(fù)合材料，由于其含水量大以及復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料特性，表面傾角是非常復(fù)雜的。在實(shí)驗(yàn)中試樣周圍的保濕液由于揮發(fā)其離子濃度會(huì)有微小的變化，這使其與試樣之間的離子交換是一直進(jìn)行的，這種離子交換會(huì)使得磨拋后的試樣不同組織相含水量發(fā)生變化，使得被測(cè)表面會(huì)發(fā)生區(qū)域性不確定的增高或者降低，也就使得被測(cè)試樣往往會(huì)在小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)不同的平面。如果需要在這些平面上進(jìn)行垂直于試樣表面的壓痕或者劃痕，一個(gè)可以調(diào)節(jié)小區(qū)域平面傾角的方法是必不可少的。

常規(guī)調(diào)平技術(shù)用于納米壓痕實(shí)驗(yàn)主要問題如下：

1、常規(guī)鑲嵌方法磨拋后試樣形狀發(fā)生改變，既無法保證被測(cè)試樣有較高剛度，在頂緊后發(fā)生塑性變形，也不能快速獲得高質(zhì)量的平面。