[發明專利]一種高精度納米劃痕測試裝置與方法

在審

• 申請號: 202310371586.1
• 申請日: 2023-04-10
• 公開（公告）號: CN116202898A
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 張浩飛;吳浩翔;王博;何貴浩;劉通;劉宇欣;黃雅明;黃虎
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/46
• 分類號: G01N3/46;G01N3/06;G01N3/02
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

1.一種高精度納米劃痕測試裝置，其特征在于：由底座(1)、大理石龍門架(2)、z軸方向宏動調整單元(3)、精密壓入驅動單元(4)、橫向力檢測單元(5)、x軸方向調整單元(6)、y軸方向調整單元(7)和軸向力檢測單元(8)組成；所述大理石龍門架(2)安裝在底座(1)上，z軸方向宏動調整單元(3)通過螺釘固定在大理石龍門架(2)上，精密壓入驅動單元(4)通過螺釘安裝在z軸方向宏動調整單元(3)上，橫向力檢測單元(5)通過螺釘安裝在精密壓入驅動單元(4)上；x軸方向調整單元(6)固定在底座(1)上，y軸方向調整單元(7)固定在x軸方向調整單元(6)上，軸向力檢測單元(8)安裝在y軸方向調整單元(7)上。

2.根據權利要求1所述的高精度納米劃痕測試裝置，其特征在于：所述的精密壓入驅動單元(4)由連接板(401)、柔性鉸鏈機構(402)、壓電疊堆(403)和緊定螺釘a(404)組成；其中，連接板(401)通過螺紋連接固定在z軸方向宏動調整單元(3)上，柔性鉸鏈機構(402)通過螺紋連接固定在連接板(401)上，壓電疊堆(403)安裝在柔性鉸鏈機構(402)的方槽中，利用逆壓電效應以實現橫向力檢測單元(5)的精密壓入與壓出。

3.根據權利要求1所述的高精度納米劃痕測試裝置，其特征在于：所述的橫向力檢測單元(5)由高精度單軸力傳感器a(501)、連接件a(502)、緊定螺釘b(503)、金剛石壓頭(504)和連接件b(505)組成；高精度單軸力傳感器a(501)一端通過螺紋連接在連接件a(502)的圓柱端，金剛石壓頭(504)則安裝在連接件a(502)的方塊端并通過緊定螺釘b(503)夾緊，高精度單軸力傳感器a(501)另一端通過螺紋連接在連接件b(505)上，連接件b(505)軸端與精密壓入驅動單元(4)中的柔性鉸鏈機構(402)下端孔配合，并通過緊定螺釘a(404)夾緊，以保證金剛石壓頭(504)始終垂直于水平面。

4.根據權利要求1所述的高精度納米劃痕測試裝置，其特征在于：所述的軸向力檢測單元(8)由凸字形底座(801)、高精度單軸力傳感器b(802)和載物臺(803)組成；高精度單軸力傳感器b(802)通過凸字形底座(801)安裝在y軸方向調整單元(7)上，載物臺(803)通過螺紋連接固定在高精度單軸力傳感器b(802)上端，加工試件通過熔融石蠟粘附到載物臺(803)上。

5.根據權利要求1所述的高精度納米劃痕測試裝置，其特征在于：所述的橫向放置的高精度單軸力傳感器a(501)可實時檢測金剛石壓頭(504)在劃痕過程中壓入材料內部的軸向力，所述的縱向放置的高精度單軸力傳感器b(802)可實時檢測金剛石壓頭(504)在劃痕過程中壓入材料內部的橫向力，并將軸向力與橫向力整合，結合材料經過劃痕后表面形貌，分析材料在微納米尺度下的力學性能與損傷變形機理。

6.應用權利要求1所述的一種高精度納米劃痕測試裝置進行劃痕測試的方法，其特征在于，包括以下步驟：

a)將被測試件利用熔融石蠟粘附于載物臺(803)上，安裝過程保證試件平整整潔；

b)調整x軸方向調整單元(6)和y軸方向調整單元(7)，使得試件所需測試的位置位于金剛石壓頭(504)的正下方；

c)調整z軸方向宏動調整單元(3)使金剛石壓頭(503)緩慢靠近試件表面，利用高精度單軸力傳感器b(802)的示數來判斷金剛石壓頭(504)與試件是否接觸，當示數有變化時說明金剛石壓頭(504)與試件已經接觸，此時反向調整z軸方向宏動調整單元(3)使金剛石壓頭(504)離開試件表面一定距離(1μm至5μm)；

d)向精密壓入驅動單元(4)的壓電疊堆(403)施加電壓，使得金剛石壓頭(504)壓入材料表面，達到設定載荷后，控制x軸方向調整單元(6)的步進電機，使得其按照所設定的劃痕速度進行運動，金剛石壓頭(504)沿所設定的劃痕長度軌跡進行劃痕測試，將高精度力傳感器a(201)和高精度力傳感器b(302)所采集到的劃痕過程中橫向摩擦力與軸向壓入力的數據實時傳輸到工控機并保存，以便后續數據處理與分析。