[實用新型]量程可調式原位微納米壓痕/劃痕測試裝置

有效

• 申請號: 201720608349.2
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN206725476U
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 趙宏偉;趙丹;王云藝;謝英杰;吳迪;薛博然;白元元;苗淼;周明星;李瑞
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N23/225
• 分類號: G01N23/225;G01N3/42;G01N3/46
• 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

本實用新型涉及機電一體化精密科學儀器領域，特別涉及一種量程可調式原位微納米壓痕/劃痕測試裝置。對新材料新工藝、固體力學、精密光學、汽車飛機關鍵零部件制造、鋼鐵冶金、有色金屬、無機非金屬、生物醫學工程、納米工程和國防軍工等高技術產業集群的發展具有極為重要的支撐推動作用和廣闊的產業應用價值。

背景技術

隨著科學技術的發展和電子顯微學技術的進步，原位微納米力學測試技術應用而生。納米壓痕/劃痕測試技術主要是通過連續記錄載荷和壓入深度從未獲得載荷-深度關系曲線，最終通過分析曲線獲得被測材料的硬度、彈性模量、應力-應變曲線、斷裂韌性、蠕變特性、疲勞特性、粘附性等參數。原位壓痕/劃痕測試技術的顯著優勢在于實現壓痕/劃痕過程的實時在線觀測，進而研究載荷作用下材料表面的變形、損傷機理。國內外對原位納米力學測試的研究還處于開發探索階段，但由于發達國家的起步較早，研究相對比較深入，領先于國內該領域的研究，目前原位力學測試的商業化產品主要有美國Hysitron等公司生產，價格十分昂貴。在原位力學測試方面，比較經典的包括微柱壓縮、微結構拉伸、微彎曲等測試，針對三維試件的原位力學測試研究，目前有瑞士聯邦理工學院Michler 和R. Rabe、日本東北大學W.Gao和本項目組等。現有的儀器也都存在著無法調節量程、無法實現較大行程的缺點，而且國內外關于量程可變的納米壓痕/劃痕裝置目前還鮮有報道。所以，研制具有大行程、量程可變、高精度、結構緊湊、低成本的原位微納米壓痕/劃痕測試裝置依然具有廣泛的需求。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種量程可調式原位微納米壓痕/劃痕測試裝置，解決了現有技術存在的量程不可調以及大行程等問題。本實用新型具有結構緊湊、小型化、一體化、大行程的特點，在克服了現有測試裝置無法調節量程、無法實現較大行程的不足的同時，更好的保證裝配精度，有效提升整體的剛度和動態特性，提升了整體的測試精度。本測試裝置的位移分辨率達到納米級，加載力分辨率達到亞微牛級，量程可調并可實現較大行程，測試裝置可得到材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、蠕變特性等基本力學參數。特別是測試裝置與掃描電子顯微鏡具有良好的結構兼容性、真空兼容性和電磁兼容性，可安裝在掃描電子顯微鏡的真空腔內，實現對尺寸毫米級以上三維試件的原位微納米壓痕/劃痕測試，借助掃描電子顯微鏡動態監測壓入力（或劃痕力）作用下被測試件材料的微觀變形行為和損傷機制。本實用新型將在材料科學、固體科學、精密光學、生物醫學工程、鋼鐵冶金、有色金屬等領域具有廣闊的發展前景和應用價值。

本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：

量程可調式原位微納米壓痕/劃痕測試裝置，包括X、Y軸精密劃痕單元、Z軸宏動調整機構、精密壓入驅動單元、壓痕量程調節單元、位移信號檢測單元與載荷信號檢測單元；其中，X、Y軸精密劃痕單元通過Z軸宏動調整機構安裝在壓痕杠桿支點底座19上，Z軸宏動調整機構與壓痕量程調節單元安裝在壓痕杠桿支點底座19上，精密壓入驅動單元與位移信號檢測單元安裝在底座20上，載荷信號檢測單元安裝在X、Y軸精密劃痕單元上。

所述的X、Y軸精密劃痕單元是：X向柔性鉸鏈17、Y向柔性鉸鏈15的凹槽內部分別安裝有X向壓電疊堆18、Y向壓電疊堆16，通過載物臺13和精密力傳感器14在X軸、Y軸方向上位置的精密微動調整，實現沿X軸、Y軸方向的精密劃痕功能。

所述的Z軸宏動調整機構是：Z軸手動平臺3通過連接板Ⅰ4與X、Y軸精密劃痕單元連接，Z軸手動平臺3固定安裝在壓痕杠桿支點底座19上，實現Z軸方向的載物臺13和精密力傳感器14位置的宏動調整。

所述的精密壓入驅動單元是：音圈電機21通過連桿22驅動滑塊Ⅰ23沿導軌Ⅰ1移動，通過壓痕量程調節單元使滑塊Ⅱ9沿導軌Ⅱ7移動，通過連接板Ⅲ5、輥軸6、恒力彈簧8使滑塊Ⅱ9保持位置，滑塊Ⅱ9上下移動的高度能夠使恒力彈簧8多余的部分始終纏繞在輥軸6上，恒力彈簧8自身纏繞到輥軸6上的力恒定，壓頭連接件11和金剛石壓頭12通過連接板Ⅱ10與滑塊Ⅱ9連接，實現金剛石壓頭12的精密壓入。

所述的壓痕量程調節單元是：壓痕杠桿24上設有凹扣槽27，并在壓痕杠桿24上套裝壓痕杠桿支撐套管2，在壓痕杠桿支撐套管2的管壁上設有鎖定螺釘29，在壓痕杠桿支撐套管2的內壁上設有與所述凹扣槽27相配合的凸扣28，壓痕杠桿支撐套管2固定在壓痕杠桿支點底座19上，實現量程可調的功能。