[實用新型]一種基于GM制冷機的納米壓痕裝置

有效

• 申請號: 201720519950.4
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN206740554U
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 王省哲;吳北民;關明智
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01N3/40
• 分類號: G01N3/40;G01B11/00;G05D27/02
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司11249
• 代理人: 高玉濱

技術領域

本實用新型涉及納米壓痕試驗技術領域，具體的說是一種基于GM制冷機的納米壓痕裝置。

背景技術

近年來，隨著新材料合成和制備工藝不斷提高，其特征尺寸越來越小，在使用傳統的標準試驗對其進行力學參數測量時，會出現夾持、對中等一系列問題。納米壓痕技術作為一種在納米尺度進行力學表征的有效手段，研究人員借鑒傳統的硬度試驗，提出了納米壓痕測試的方法。微納米壓痕測試由于具有高的載荷和位移分辨率，逐漸發展成為材料微納米力學性能測試的主流技術，在材料科學、半導體技術、薄膜、生物力學、生物醫學工程等領域展現出重要的科學意義和廣泛的應用前景。目前，美國、瑞士、英國等國掌握了該項技術，且有商業化的壓痕/劃痕測試儀器產品，而我國在壓痕/劃痕測試技術方面起步較晚，尚無自主生產的商業化壓痕儀納米壓痕測試技術主要是通過連續記錄載荷和壓入深度從而獲得載荷-壓入深度關系曲線，最終通過分析曲線獲得被測材料的硬度和彈性模量等參數。測試過程中避免了對壓痕位置的尋找和壓痕殘余面積的測量，可以大大減小測試的誤差。通過壓痕測試獲取壓入載荷和壓入深度數據，之后繪制相應的載荷-深度關系曲線，通過合適的力學模型及推導，可以從該曲線分析得到豐富的力學參數信息。

傳統微納米壓痕測試儀都是在常溫下對材料進行測試，由于新材料的工作環境十分復雜，不可避免的會受到溫度的直接作用。例如、近年來超導材料開始大量使用而超導材料在低溫下的力學性能測試就是需要迫切解決的問題；同樣，輔助人們進行極地探索的一些設備也要面臨低溫環境的考驗。日本巖手大學Y. Yoshino 等人研制了材料在低溫時的宏觀壓入測試裝置，但都沒有解決精確變溫控溫、位移載荷信號的精密檢測等問題，并且結構較為繁雜龐大、無法滿足傳統意義上微納米壓痕儀器的微觀精密壓入的要求。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服上述不足，提供一種基于GM制冷機的納米壓痕裝置，能夠精確變溫，且變溫范圍大（4.2K-300K），同時擺脫對液氦的依賴和限制，有效的解決了GM制冷機的振動對測試結果的影響。

本實用新型的目的是這樣實現的：一種基于GM制冷機的納米壓痕裝置，包括變溫單元、制冷單元、納米壓痕單元、數據采集單元和控制單元，制冷單元連接變溫單元，變溫單元連接納米壓痕單元，納米壓痕單元連接數據采集單元，控制單元分別連接變溫單元、納米壓痕單元和數據采集單元，

制冷單元包括液氮罐、外杜瓦、冷屏、冷屏冷卻管、氦氣瓶、GM制冷機、GM制冷機壓縮機、制冷機盤管、防震機構、液氦容器、冷凝器、液氦液面計、盤管換熱器和固氮容器，GM制冷機一端與GM制冷機壓縮機連接，另一端通過冷凝器與液氦容器連接，冷凝器上纏繞有制冷機盤管，制冷機盤管連接有氦氣瓶，液氦液面計垂直得安裝在液氦容器內，冷屏通過冷屏冷卻管與液氮罐連接，液氦容器和固氮容器均安裝在冷屏內，冷屏安裝在外杜瓦內，防震機構設置在GM制冷機下方并與外杜瓦相連，液氦容器與固氮容器之間通過盤管換熱器連接，GM制冷機將氦氣瓶內的室溫氦氣預冷并冷凝為液氦，傳輸到液氦容器中，液氦通過盤管換熱器與液氮進行間接換熱，將液凝固直至固氮溫度接近液氦溫度，固氮容器安裝在樣品臺下；

變溫單元包括冷指、銅編織帶和加熱器，冷指安裝在固氮容器內，加熱器安裝在樣品臺底部，加熱器通過銅編織與冷指連接；

納米壓痕單元包括真空罩、樣品臺、移動裝置、壓力傳感器、壓桿、納米壓痕探頭和原子力顯微鏡，真空罩為納米壓痕提供一個獨立的真空環境，樣品臺用來放置實驗樣品，移動裝置安裝在樣品臺上方，移動裝置用于控制壓力傳感器、壓桿和原子力顯微鏡在XYZ方向移動，壓力傳感器用來測量壓桿受力，納米壓痕探頭安裝在壓桿下端，原子力顯微鏡觀察壓痕點位置和壓痕過程；

數據采集單元采集的信息包括液氦容器內液氦液位和壓力、固氮容器內的壓力、樣品臺溫度、加熱器功率、移動裝置所獲得的位移、壓痕速度和壓力傳感器所獲得的壓力；

控制單元包括控制計算機，控制計算機分別用于顯示和控制液氦容器內液氦液位和壓力、固氮容器內的壓力、加熱器的功率、樣品臺溫度、移動裝置的位移、壓痕速度和壓桿壓力。

進一步，樣品室上設置有觀察窗，觀察窗用于觀察和測量樣品壓痕位置。

進一步，移動裝置包括X向、Y向和Z向移動伺服電機以及光柵尺傳感器和原子力顯微鏡，X向伺服電機用來調整移動裝置X向位移，Y向伺服電機用來調整移動裝置Y向位移，Z向伺服電機用來調整壓力傳感器、壓桿和原子力顯微鏡向Z向移動，光柵尺傳感器用于測量樣品壓痕位置，原子力顯微鏡觀察壓痕點位置和壓痕過程。

優選的，壓桿為不脹鋼。