[實用新型]壓電驅動式低溫原位高頻往復微動摩擦磨損試驗平臺

有效

• 申請號: 201821361928.2
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN208847614U
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 李磊;劉欣;趙宏偉;秦峰;李文博;孫書博;徐博文;王趙鑫;孫一帆;王吉如
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 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

本實用新型涉及一種壓電驅動式低溫原位高頻往復微動摩擦磨損試驗平臺，屬于精密原位測試領域。試驗壓力加載單元由精密伺服電機提供動力，經由兩級蝸輪蝸桿減速機構配合絲杠螺母副完成精確壓力加載；高頻往復單元布置在下側，采用先進的壓電陶瓷驅動技術，配合自主設計的柔性鉸鏈輸出高頻微動位移；低溫精密夾持單元由上下夾具配合實現精準夾持，并通過下夾具中的液氮管道實現低溫加載；數據采集單元包括拉力傳感器、壓力傳感器、雙比色紅外測溫儀。本實用新型原理可靠，體積小巧，結構緊湊，頻率高，與主流光學顯微鏡，拉曼光譜儀以及X射線衍射儀等具有開放式空間結構的顯微成像系統具有良好的兼容性。

技術領域

本實用新型涉及精密原位測試領域，特別涉及微動摩擦磨損試驗設計領域，尤指一種壓電驅動式低溫原位高頻往復微動摩擦磨損試驗平臺。用于試件在低溫環境下高頻往復微動摩擦磨損過程中原位試驗，可對特定材料在此過程中的摩擦磨損行為進行監測，為揭示其在微觀尺度下的摩擦特性和損傷辦法提供測試方法。

背景技術

材料作為一切高新技術的支撐和先導，對科學的發展有至關重要的意義，提高材料各類性能的測試水平，特別是提高服役條件下材料的微觀變形損傷機制和性能演變規律的測試能力，是提升材料及其制品性能穩定性和使用壽命的關鍵，也是國家經濟建設和科技進步的重要保障。

摩擦磨損是材料失效的主要方式之一，摩擦普遍發生在兩個相互接觸并相對運動的表面之間，摩擦導致的表面材料逐漸損失的現象稱為磨損。摩擦磨損會導致零件的表面形狀和尺寸緩慢而連續地損壞，從而使得整個設備的工作性能和可靠性降低。

特別的，在螺紋聯接、花鍵聯接和過盈配合聯接等緊配合的接觸表面間會發生微米量級振幅運動而產生磨損，這種在相互壓緊的金屬表面間由于小振幅振動而產生的復合形式的磨擦稱為微動摩擦。微動摩擦不僅可以造成接觸表面間的摩擦磨損，引起構件咬合、松動或形成污染源等，而且可以加速裂紋的萌生、擴展，使構件的疲勞壽命大大降低，普遍存在于機械行業、航空航天、核反應堆、電力工業、橋梁工程、交通運輸工具，甚至人工植入器官等領域的緊配合部件中。隨著高科技領域對高精度、長壽命和高可靠性的要求，以及各種工況條件的苛刻，微動損傷的危害日益凸現，已成為一些關鍵零部件失效的主要原因之一。

溫度在0~-150℃的條件下的摩擦磨損屬于低溫摩擦磨損，在低溫條件下，摩擦系數、摩擦特性等都會發生改變。有研究表明，材料在低溫條件下會更容易產生脆性破壞。開展低溫條件下材料的微動摩擦試驗有利于深入揭示極端環境零部件失效機理和相關性規律。傳統的摩擦磨損試驗技術已經比較成熟，但是對于磨損區的分析都是基于離線的測試手段，并不能對摩擦試驗過程中試件的微觀組織形貌進行動態的監測。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種壓電驅動式低溫原位高頻往復微動摩擦磨損試驗平臺，結合原位測試技術，通過光學顯微鏡、X射線衍射儀等成像儀器對試件在摩擦磨損測試過程中的微觀變形、內部損傷的過程進行全程動態監測，揭示低溫微動摩擦條件下材料的摩擦磨損性能及損傷失效機制。研究特殊專用材料在低溫高頻微動條件下的磨損失效機制，填補相關領域的空白。本實用新型突破性地將微動摩擦與原位測試相結合，并且通過壓電驅動技術實現精確、高頻控制，此外，還創新性地加入低溫單元，是一種綜合的、多功能的摩擦磨損精密原位試驗裝置。本實用新型設計了高頻往復支撐平臺，平臺通入液氮后為試件提供低溫環境，雙比色紅外測溫儀可直接對試件中心位置的溫度進行測量，光學顯微鏡，X射線衍射儀等對試件進行實時損傷裂紋觀測。

本實用新型結構布局合理，整體分為上下結構，上部主要布置壓力加載單元，結合精密伺服電機以及精密蝸輪蝸桿減速增扭機構，可實現壓力動態加載；利用低溫壓電陶瓷和柔性鉸鏈實現高頻往復精密驅動，其頻率在30kHz左右，位移達到20um；借助于現有的精密傳感測試技術可實時監測，反饋，進行后期處理。該測試平臺結構小巧，傳動精密平穩，可實現動態加載，并可借助多種成像儀器，對載荷作用下材料發生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進行動態監測，對材料在微動摩擦磨損試驗中的微觀力學行為和損傷機制做深入研究。