[發(fā)明專(zhuān)利]一種薄膜測(cè)試加載單元

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810142355.2
• 申請(qǐng)日: 2018-02-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108444809B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李林安;王世斌;王志勇;李傳崴;李榮堅(jiān)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N3/02
• 分類(lèi)號(hào): G01N3/02;G01N3/08
• 代理公司: 北京合智同創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11545
• 代理人: 李杰

本發(fā)明提出了一種薄膜測(cè)試加載單元，包括基板、電機(jī)、渦輪蝸桿組件、以及夾持轉(zhuǎn)臺(tái)，所述電機(jī)和渦輪蝸桿組件設(shè)置于所述基板上，所述電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)渦輪蝸桿組件轉(zhuǎn)換方向和載荷放大后帶動(dòng)所述夾持轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定于所述夾持部上的薄膜向上、向外翻轉(zhuǎn)；其中，所述夾持轉(zhuǎn)臺(tái)的豎直截面為45°扇形，所述渦輪一側(cè)設(shè)有與夾持轉(zhuǎn)臺(tái)豎直截面外形匹配的槽，所述夾持部的一部分能夠插入該槽，使得渦輪能帶動(dòng)夾持轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜材料性能測(cè)試領(lǐng)域，特別是軟基薄膜的拉伸測(cè)試。

背景技術(shù)

近些年來(lái)，軟基薄膜材料由于其制造工藝的成熟以及高柔性、高延展性等性能的優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于電子、生物、航天、化工等領(lǐng)域中。因此，這種結(jié)構(gòu)逐漸成為了學(xué)者們研究的重點(diǎn)。現(xiàn)階段大部分相關(guān)工作都是針對(duì)膜基結(jié)構(gòu)的單向受載展開(kāi)的，然而在服役過(guò)程中，膜基結(jié)構(gòu)往往處于更為復(fù)雜的載荷環(huán)境，簡(jiǎn)單的單軸載荷已經(jīng)無(wú)法模擬其真正的應(yīng)力狀態(tài)。因此，在實(shí)驗(yàn)和測(cè)試中，引入雙軸載荷能使得膜基結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為更精確地表達(dá)出來(lái)，這對(duì)于研究膜基結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能至關(guān)重要。

一臺(tái)好的能模擬各種復(fù)雜載荷環(huán)境的加載設(shè)備是拉伸實(shí)驗(yàn)的根本。薄膜材料加載單元一般由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾持轉(zhuǎn)臺(tái)以及控制系統(tǒng)組成。目前，許多學(xué)者設(shè)計(jì)并制作了大量結(jié)構(gòu)巧妙的單軸加載單元，這些裝置能適用于各種復(fù)雜的載荷環(huán)境以及觀測(cè)環(huán)境，達(dá)到了較好的實(shí)驗(yàn)效果。然而，這類(lèi)設(shè)備大多采用平動(dòng)拉伸方案，設(shè)備作業(yè)過(guò)程中占用空間較大導(dǎo)致設(shè)備難于置于顯微鏡的載物臺(tái)上，特別是將現(xiàn)有的加載單元組合用于雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)中。

較早的雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)有Ferron和Makinde于1988年提出。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種連桿機(jī)構(gòu)，將常規(guī)的單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)改裝成了雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)。然而裝置通過(guò)八個(gè)機(jī)械連桿連接，復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將對(duì)設(shè)備的載荷輸出以及加載精度造成較大的影響。Alan Hannon在2005年的關(guān)于拉伸設(shè)備的綜述中提到，F(xiàn)raunhofe同樣通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)了雙軸加載，然而設(shè)備尺寸巨大，在高度方向落差也很大，較難進(jìn)行小范圍的觀測(cè)。近些年來(lái)，一些學(xué)者設(shè)計(jì)了尺寸較小的雙軸加載設(shè)備，用以與精密顯微鏡以及各種現(xiàn)代微觀測(cè)量技術(shù)如DIC、XRD相配合。Geandier G在2010年設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)動(dòng)式的雙軸加載設(shè)備，通過(guò)四個(gè)電機(jī)控制，具有尺寸小，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的有點(diǎn)。但是試件尺寸較大，實(shí)驗(yàn)成本較高。Namazu設(shè)計(jì)了一套適用于薄膜材料拉伸的雙軸加載設(shè)備，與CCD相機(jī)配合進(jìn)行觀測(cè)。這套設(shè)備輸出載荷較大，但是這也使其尺寸較大，總體重量也較大。2015年，牛津大學(xué)材料學(xué)院研制了一套雙軸原位加載設(shè)備，通過(guò)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，可以測(cè)量薄片材料的變形。但是加載設(shè)備只在一個(gè)方向上設(shè)有電機(jī)，這樣加載過(guò)程就會(huì)受到機(jī)械損耗的影響，并且設(shè)備只能進(jìn)行雙軸等比加載。2017年，Petegem為了縮小雙軸加載設(shè)備的尺寸，一改傳統(tǒng)的電機(jī)控制方式，采用了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為動(dòng)力輸出，大大縮小了設(shè)備的重量和尺寸，同時(shí)又能保證極高的精度。但是缺點(diǎn)就是設(shè)備的載荷輸出很小，難以應(yīng)用于金屬膜基結(jié)構(gòu)等材料的拉伸。國(guó)內(nèi)近些年來(lái)，也有一些學(xué)者設(shè)計(jì)了一些雙軸加載設(shè)備，但是尺寸重量均較大。

總之，參考圖1所示，現(xiàn)有的薄膜拉伸加載設(shè)備存在以下問(wèn)題：a.平動(dòng)拉伸導(dǎo)致設(shè)備整體尺寸過(guò)大，難以放置在顯微鏡的觀測(cè)臺(tái)上；b.已公開(kāi)的轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸裝置的圓柱形轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸大，且在固定安裝試件過(guò)程中難以使固定試件的接觸面保持水平，主要靠經(jīng)驗(yàn)操作；c.試件固定后難以?shī)A緊；d.針對(duì)彈性模量和厚度不同的待測(cè)式樣，需要按需更換不同直徑的轉(zhuǎn)臺(tái)，操作過(guò)程繁瑣費(fèi)時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種薄膜測(cè)試加載單元，包括基板、電機(jī)、渦輪蝸桿組件、夾持轉(zhuǎn)臺(tái)、以及緊固夾片；所述電機(jī)固定設(shè)置于所述基板上，所述渦輪蝸桿組件可旋轉(zhuǎn)地固定設(shè)置于所述基板上，所述蝸桿與電極的輸出軸連接并將電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給渦輪，所述渦輪的一個(gè)側(cè)面設(shè)置有扇形槽，夾持轉(zhuǎn)臺(tái)的豎直截面與該扇形槽的豎直截面形狀相同，以便夾持轉(zhuǎn)臺(tái)的一端可以插入到該槽中，使得渦輪可以帶動(dòng)夾持轉(zhuǎn)臺(tái)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，緊固夾片將待測(cè)薄膜式樣固定于所述夾持轉(zhuǎn)臺(tái)上，使得夾持轉(zhuǎn)臺(tái)可以帶動(dòng)薄膜試樣同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以拉動(dòng)薄膜試樣向上、向外翻轉(zhuǎn)。

附圖說(shuō)明