專利名稱：跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸/壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)?？蓪?duì)材料的微觀變形、損傷和斷裂過(guò)程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，為掲示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制提供測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
原位納米力學(xué)測(cè)試是指在納米尺度下對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試中，通過(guò)電子顯微鏡、原子力顯微鏡和或光學(xué)顯微鏡等儀器對(duì)載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形損傷進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的ー種力學(xué)測(cè)試技木。該技術(shù)深入的掲示了各類材料及其制品的微觀力學(xué)行為、損傷機(jī)理及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。在諸多納米力學(xué)測(cè)試的范疇中，彈性模量、硬度、斷裂極限等參數(shù)是微構(gòu)件力學(xué)特性測(cè)試中的最主要的測(cè)試對(duì)象，針對(duì)這些 力學(xué)量產(chǎn)生了多種測(cè)試方法，如拉伸/壓縮法，扭轉(zhuǎn)法、彎曲法、納米壓痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/壓縮測(cè)試方法能較全面的反應(yīng)構(gòu)件的強(qiáng)度特性，并能最直觀的測(cè)量材料彈性模量、屈服極限和斷裂強(qiáng)度等重要力學(xué)參數(shù)。當(dāng)前原位納米拉伸/壓縮測(cè)試的研究尚處萌芽狀態(tài)，具體表現(xiàn)在(I)受到原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等的腔體空間的限制，目前的多數(shù)研究都集中在以微/納機(jī)電系統(tǒng)エ藝為基礎(chǔ)，對(duì)納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結(jié)構(gòu)的單純?cè)患{米拉伸測(cè)試上，缺少對(duì)宏觀尺寸(薄膜材料或三維試件)的跨尺度原位納米力學(xué)測(cè)試的深入研究，從而嚴(yán)重阻礙了學(xué)術(shù)界對(duì)較大尺寸元件的微觀力學(xué)行為和損傷機(jī)制的新現(xiàn)象、新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)；(2)從測(cè)試手段和方法上來(lái)說(shuō)，主要借助商業(yè)化的納米壓痕儀進(jìn)行的原位納米壓痕測(cè)試和原為納米拉伸儀進(jìn)行的原位拉伸測(cè)試，兩種方法均存在設(shè)備費(fèi)用昂貴，測(cè)試方法単一，測(cè)試內(nèi)容乏善可陳的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧的拉壓兩用的原位測(cè)試裝置鮮有提及，極大制約了研究的深入與發(fā)展。在原為納米拉伸/壓縮測(cè)試技術(shù)應(yīng)用之前，拉伸試驗(yàn)一般是在材料試驗(yàn)機(jī)上的離位測(cè)試。試驗(yàn)機(jī)依規(guī)定的速率均勻地拉伸試樣，由試驗(yàn)機(jī)繪出載荷-伸長(zhǎng)曲線，進(jìn)而得到載荷作用下應(yīng)カ應(yīng)變曲線圖，因此，最初的拉伸機(jī)是將材料拉斷后，得出材料的屈服極限及強(qiáng)度極限。傳統(tǒng)拉伸機(jī)針對(duì)的都是宏材尺度試件，未涉及材料納米尺度范疇的力學(xué)性能研究，亦未涉及到高分辨率顯微成像系統(tǒng)下的原位觀測(cè)。因此，設(shè)計(jì)ー種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試精度高，能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)宏觀試件在載荷作用下的微觀變形和損傷過(guò)程的拉伸/壓縮平臺(tái)已十分必要。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問(wèn)題和可利用的技術(shù)手段，本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)上述問(wèn)題提供一種用于跨尺度原位納米力學(xué)測(cè)試的拉伸/壓縮平臺(tái)，該平臺(tái)具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試精度高，剛度高的特點(diǎn)，可通過(guò)原位拉伸/壓縮測(cè)試獲得材料的彈性模量、屈服極限和強(qiáng)度極限等力學(xué)參數(shù)，對(duì)材料的微觀變形、損傷和斷裂過(guò)程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，為掲示材料在納米尺度下的力學(xué)特性和損傷機(jī)制提供了測(cè)試手段。本實(shí)用新型的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)跨尺度微納米級(jí)原位拉伸/壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，主要由精密驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)檢測(cè)控制単元、三自由度手動(dòng)調(diào)整単元和裝夾及支撐單元組成，所述的精密驅(qū)動(dòng)單元中的直流伺服電機(jī)I通過(guò)聯(lián)軸器32與一級(jí)蝸桿22連接，一級(jí)蝸桿22與ニ級(jí)蝸桿20垂直布置，且與固定在ニ級(jí)蝸桿20上的一級(jí)蝸輪18-3相嚙合，ニ級(jí)蝸桿20與固定在左、右精密滾珠絲杠10-1、10-2上的左、右二級(jí)蝸輪18-1、18-2相嚙合，左、右方螺母13-2,13-1分別與左、右精密滾珠絲杠10-1、10-2螺紋連接，并固定在方螺母上架12上，左、右精密滾珠絲杠10-1、10-2和一、ニ級(jí)蝸桿22、20分別通過(guò)絲杠固定支撐和蝸桿軸承座固定在Z向調(diào)整上楔形塊33上，所述的信號(hào)檢測(cè)控制単元包括位移傳感器15、力傳感器4和固連在直流伺服電機(jī)I上的編碼器3，所述的三自由度手動(dòng)調(diào)整単元包括 與X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座30連接的Y向手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-2、與X-Y手動(dòng)平臺(tái)上層主體基座28連接的X向手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1和與Z向調(diào)整下楔形塊29連接的Z向手動(dòng)調(diào)整螺釘21，Z向調(diào)整下楔形塊29與Z向調(diào)整上楔形塊33滑動(dòng)配合。 所述的位移傳感器15采用接觸式電容位移傳感器，它通過(guò)位移傳感器支座14固定于方螺母上架12上，位移傳感器15前端弾性探頭與剛性連接在左、右絲杠前固定支撐2-3,2-4上的絲杠固定支撐上架16相接觸；所述的カ傳感器4采用拉壓カ傳感器，它分別與力傳感器前端擋板7和后端擋板5通過(guò)カ傳感器緊固螺釘6-1、6-2剛性連接，力傳感器前端擋板7置于左、右絲杠后固定支撐2-2、2-1上，后端擋板5與z向調(diào)整上楔形塊33為同一整體；所述的編碼器3與直流伺服電機(jī)I緊固連接并固定安裝于z向調(diào)整上楔形塊33上。裝卡及支撐單元中的試件后夾頭8-1和試件前夾頭8-2通過(guò)夾頭緊固銷釘11分別固定在力傳感器前端擋板7和方螺母上架12上的凹槽內(nèi)，試件9通過(guò)短銷裝夾在在試件后夾頭8-1和試件前夾頭8-2對(duì)應(yīng)端的凹槽內(nèi)，試件前、后夾頭8-1、8-2視試件9不同的結(jié)構(gòu)與形狀進(jìn)行配套更換。位移傳感器15的前端彈性探頭的伸縮方向與試件9在載荷作用下的伸縮方向相同，以保證位移信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，所述的カ傳感器4的受カ方向與試件9受カ方向相同，以保證載荷信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。所述的左、右精密滾珠絲杠10-1、10-2結(jié)構(gòu)相同且與ニ級(jí)蝸桿20垂直布置，左、右方螺母13-2、13-1結(jié)構(gòu)相同。所述的X向手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1通過(guò)左萬(wàn)向節(jié)24-1和左連接銷軸23-1連接驅(qū)動(dòng)X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座30內(nèi)部的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，調(diào)整測(cè)試平臺(tái)前后水平位移，Y向手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-2通過(guò)右萬(wàn)向節(jié)24-2、右連接銷軸23-2、相互嚙合的主動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪27_1和從動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪27-2以及銷軸26連接驅(qū)動(dòng)X-Y手動(dòng)平臺(tái)上層主體基座28內(nèi)部的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，調(diào)整測(cè)試平臺(tái)左右水平位移；Z向調(diào)整下楔形塊29由與其連接的Z向手動(dòng)調(diào)整螺釘21驅(qū)動(dòng)前后移動(dòng)調(diào)整測(cè)試平臺(tái)高度。X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座30與底板31固連，并通過(guò)緊固螺釘與電鏡腔體密封擋板的底層支架剛性連接。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試精度高，應(yīng)變速率可控，與各種主流電子顯微鏡真空腔體匹配，應(yīng)用范圍廣泛，可以對(duì)各種材料的宏觀試件進(jìn)行跨尺度原位試驗(yàn)，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、間歇等多種拉伸和壓縮加載方式，對(duì)材料及其制品在載荷在下的微觀變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，以掲示材料在納米尺度下的力學(xué)行為和損傷機(jī)制。并通過(guò)載荷/位移信號(hào)的同步檢測(cè)，結(jié)合相關(guān)算法，亦可自動(dòng)擬合生成載荷作用下的應(yīng)カ應(yīng)變曲線。綜上所述，本實(shí)用新型對(duì)豐富原位納米力學(xué)測(cè)試內(nèi)容和促進(jìn)材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)及裝備具有重要的理論意義和良好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前途。

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)ー步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。圖I是該測(cè)試平臺(tái)整體外觀結(jié)構(gòu)圖。 圖2是該測(cè)試平臺(tái)的主視圖。圖3是圖2的俯視圖。圖4是圖2的左視圖。其中1.直流伺服電機(jī)2-2、2_1.左右絲杠后固定支撐 2-3、2_4.左右絲杠前固定支撐3.編碼器4.力傳感器5.力傳感器后端擋板6-2、6-1.力傳感器緊前后固螺釘7.力傳感器前端擋板8-2、8-1.試件前后夾頭9.試件10-1、10-2.左右精密滾珠絲杠11.夾頭緊固銷釘12.方螺母上架13-1、13-2.左右方螺母14.位移傳感器支座15.位移傳感器16.絲杠固定支撐上架17-1.方螺母上架緊固螺釘17-2.精密滾珠絲杠緊固螺釘17-3. —級(jí)蝸桿軸承座緊固螺釘 17-4.絲杠固定支撐緊固螺釘17-5.底板緊固螺釘18-1、18-2. ニ級(jí)左右蝸輪18-3. —級(jí)蝸輪19_1、19_2. ニ級(jí)蝸桿左右軸承座19-3. —級(jí)蝸桿軸承座20. ニ級(jí)蝸桿21.楔形塊調(diào)整螺釘22. —級(jí)蝸桿23-1左連接銷軸 23-2.右連接銷軸24-1.左萬(wàn)向節(jié)組24-2.右萬(wàn)向節(jié)組25-1.左手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-2.右手動(dòng)調(diào)整旋鈕26.銷軸27-1.主動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪 27-2.從動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪28. x-y手動(dòng)平臺(tái)上層主體基座29.Z向調(diào)整下楔形塊30.x_y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座31.底板32.聯(lián)軸器33. Z向調(diào)整上楔形塊
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參閱附圖1、2、3、4，本實(shí)用新型所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸/壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，主要由精密驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)檢測(cè)控制単元、三自由度手動(dòng)調(diào)整単元、裝夾及支撐單元組成。其中的精密驅(qū)動(dòng)單元由直流伺服電機(jī)I通過(guò)聯(lián)軸器32與一級(jí)蝸輪18-3蝸桿22連接，并由ニ級(jí)左右蝸輪18-1、18-2、ニ級(jí)蝸桿20及左右精密滾珠絲杠10-1、10-2將直流伺服電機(jī)I輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行減速增距以提供大的拉伸/壓縮カ和超低應(yīng)變速度，其中一級(jí)蝸桿22和ニ級(jí)蝸桿20分別通過(guò)一級(jí)蝸桿軸承座19-3和ニ級(jí)蝸桿左右軸承座19-1、19-2固定安裝在z向調(diào)整上楔形塊33上，左右精密滾珠絲杠10-1、10-2分別通過(guò)左右絲杠前固定支撐2-3、2-4和左右絲杠后固定支撐2-2、2-1固定安裝在z向調(diào)整上楔形塊33上，左右方螺母13-2、13-1通過(guò)8組方螺母上架緊固螺釘17-1連接于方螺母上架12上。其中的信號(hào)檢測(cè)控制単元由位移傳感器15通過(guò)位移傳感器支座14通過(guò)粘接方式連接在方螺母上架12上，位移傳感器15的前端彈性探頭與通過(guò)精密滾珠絲杠緊固螺釘17-2剛性連接在左右絲杠前固定支撐2-3、2-4上的絲杠固定支撐上架16相接觸，其中力傳感器4分別與力傳感器前端擋板7和后端擋板5通過(guò)力傳感器前后緊固螺釘6-2、6-1剛性連接，力傳感器后端擋板5與z向調(diào)整上楔形 塊33為同一整體，其中編碼器3與直流伺服電機(jī)I緊固連接并固定安裝于z向調(diào)整上楔形塊33上。其中的的三自由度手動(dòng)調(diào)整單元由x-y手動(dòng)調(diào)整平臺(tái)上下層主體基座28、30、主動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪27-1、從動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪27-2、左右手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1、25-2及Z向調(diào)整上、下楔形塊33、29、楔形塊調(diào)整螺釘21等組成，其中楔形塊調(diào)整螺釘21與z向調(diào)整下楔形塊29接觸，左右手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1、25-2分別通過(guò)左右萬(wàn)向節(jié)組24-1、24-2及左右連接銷軸23-1、23-2與Z向調(diào)整上、下楔形塊33、29連接，銷軸26與Z向調(diào)整下楔形塊33連接用于安裝從動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪27-2。其中的裝夾及支撐單元由前后試件夾頭8-2、8-1、左右絲杠前固定支撐2-3、2-4和左右絲杠后固定支撐2_2、2_1、位移傳感器支座14及力傳感器后端擋板5、試件9、一級(jí)蝸桿軸承座19-3和二級(jí)蝸桿左右軸承座19-1,19-2等組成，其中前后試件夾頭8-2、8-1通過(guò)八組夾頭緊固銷釘11固定在方螺母上架12上，其固定溝槽和短銷結(jié)構(gòu)用于安裝試件9，通過(guò)緊固螺釘在z向調(diào)整上楔形塊33上分別固定安裝有三組蝸桿軸承座和四組絲杠固定支撐。x-y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座固定安裝在底板31上并通過(guò)鎖緊螺釘17-5與顯微成像系統(tǒng)腔體密封擋板的底層支架剛性連接。所述的直流伺服電機(jī)I為精密可控驅(qū)動(dòng)單元，配合高線數(shù)的編碼器3和一級(jí)蝸輪蝸桿副和二級(jí)蝸輪蝸桿副，可實(shí)現(xiàn)超低速的精確旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出，結(jié)合兩組小導(dǎo)程左右精密滾珠絲杠10-1、10-2，可實(shí)現(xiàn)超低速轉(zhuǎn)靜態(tài)加載方式，給定直流伺服電機(jī)I脈沖，亦可實(shí)現(xiàn)連續(xù)超低速加載和步進(jìn)加載等模式。所述的一級(jí)蝸輪蝸桿副和二級(jí)蝸輪蝸桿副可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的正向加載和逆向自鎖，可以在直流伺服電機(jī)I停止轉(zhuǎn)動(dòng)或突然掉電的情況下保持自鎖的機(jī)械特性，確保了原有的測(cè)試位置。所述的方螺母上架12和力傳感器前端擋板7的等寬、等深凹槽結(jié)構(gòu)用于放置相同工藝加工的等寬、等厚的前后試件夾頭8-2、8-1，并在前后試件夾頭8-2、8-1上端銑削出帶有短銷的凹槽用以裝夾試件9，以保證拉伸/壓縮過(guò)程的同軸性和共面性，同時(shí)，針對(duì)不同形狀和結(jié)構(gòu)的試件9，可配套更換一組前后試件夾頭8-2、8-1，保證對(duì)不同形狀被測(cè)試件的通用性。所述的三自由度手動(dòng)調(diào)整單元可實(shí)現(xiàn)水平面和高度的自由調(diào)節(jié)。其中大直徑左右手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1、25-2通過(guò)電鏡腔體密閉擋板上的光孔，在真空腔體外分別通過(guò)左右萬(wàn)向節(jié)組24-1、24-2及左右連接銷軸23-1、23-2與x-y手動(dòng)平臺(tái)上下層主體基座28、30內(nèi)部的齒輪齒條副連接，即可方便的在電鏡的真空腔體外手動(dòng)自由調(diào)節(jié)測(cè)試平臺(tái)的水平位置。此外，通過(guò)采用、通過(guò)調(diào)整楔形塊調(diào)整螺釘21的旋入長(zhǎng)度，可推動(dòng)Z向調(diào)整上楔形塊33輸出直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整Z向調(diào)整上楔形塊29的高度，以符合不同類型顯微成像系統(tǒng)對(duì)成像的水平區(qū)域和豎直高度要求。所述的信號(hào)檢測(cè)控制單元包括用于檢測(cè)納米級(jí)位移信號(hào)的位移傳感器15(型號(hào)為WYM-I型)和高精度力傳感器4 (型號(hào)為UNCLB-5000型)，位移傳感器15的主體結(jié)構(gòu)固定安裝于通過(guò)粘接方式連接在方螺母上架12上的位移傳感器支座14上，位移傳感器15的前端探頭的伸縮與固定連接在左右絲杠前支撐2-3、2-4上的大剛度絲杠固定支撐上架16相接觸，位移傳感器15的探頭的伸縮方向與試件9的拉伸/壓縮方向相同，以保證位移信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，力傳感器4的通過(guò)前后連接螺母6-2、6-1與大剛度前后端擋板剛性連接，其受力方向與試件9受拉伸/壓縮方向相同，亦可保證載荷信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。所述的原位納米拉伸/壓縮測(cè)試平臺(tái)的體積能夠滿足主流電子顯微鏡真空腔體的尺寸要求，同時(shí)與原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡等各種商業(yè)化顯微成像設(shè)備兼容。此外，通過(guò)位移傳感器15和力傳感器4同步采集到的位移/載荷信號(hào)，通過(guò)相關(guān)控制算法可自行擬合拉伸/壓縮過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而獲得材料在拉伸/壓縮載荷作用下的屈服極限、彈性模量、破壞極限等重要力學(xué)參數(shù)。本實(shí)用新型所涉及的可用于原位納米力學(xué)測(cè)試的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸/壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，是根據(jù)Hitachi TM-1000型掃描電鏡設(shè)計(jì)的，該裝置主體部分的整體尺寸為93mmX85mmX 105mm,可方便的安裝在各種主流掃描電子顯微鏡和其他纖維成像系統(tǒng)的腔體內(nèi)部。進(jìn)行原位拉伸/壓縮測(cè)試時(shí)，將測(cè)試平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)通過(guò)x-y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座固定安裝在底板31上并通過(guò)底板鎖緊螺釘17-5與電鏡腔體密封擋板的底層支架 剛性連接，并可通過(guò)左右手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1、25-2對(duì)平臺(tái)進(jìn)行水平位置調(diào)節(jié)。直流伺服電機(jī)I的型號(hào)為maxon RE-MAX型，在200r/min的轉(zhuǎn)速下輸出扭矩為11. 9N mm，綜合考慮各級(jí)組件的傳動(dòng)效率，通過(guò)兩級(jí)蝸輪蝸桿副(每級(jí)減速比均為i=40)的減速增矩可驅(qū)動(dòng)左右緊密滾珠絲杠10-1、10-2上的左右方螺母13-2、13-1輸出4360N的拉伸/壓縮力，被測(cè)試件9為銅基非晶合金材料，其總長(zhǎng)度為16mm，最小寬度為1mm，編碼器3為HEDL9140-500線的高性能光電編碼器，配合EPOS型伺位置控制單元可對(duì)伺服電機(jī)I進(jìn)行精確控制，進(jìn)而保證拉伸/壓縮過(guò)程的應(yīng)變速率可調(diào)。方螺母上架12和力傳感器前端擋板7的等寬、等深凹槽結(jié)構(gòu)用于放置相同工藝線切割機(jī)床加工的等寬、等厚的前后試件夾頭8-2、8-1，并在前后試件夾頭8-1、8-2上端銑削出帶有短銷的凹槽用以裝夾試件9，用以保證拉伸/壓縮過(guò)程的同軸性和共面性。位移傳感器15 (型號(hào)為WYM-I型)和高精度力傳感器4 (型號(hào)為UNCLB-5000型)用以同步檢測(cè)拉伸/壓縮過(guò)程中的位移/載荷信號(hào)，位移傳感器15的主體結(jié)構(gòu)固定安裝于通過(guò)粘接方式連接在方螺母上架12上的位移傳感器支座14上，位移傳感器15的前端探頭的伸縮與固定連接在左右絲杠前固定支撐2-3、2-4上的大剛度絲杠固定支撐上架16相接觸，位移傳感器15的探頭的伸縮方向與試件9的拉伸/壓縮方向相同，以保證位移信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，力傳感器4的通過(guò)前后連接螺母6-2、6-1與大剛度前后端擋板剛性連接，其受力方向與試件9受拉伸/壓縮方向相同，亦可保證載荷信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，Hitachi TM-1000型掃描電鏡的水平成像區(qū)域?yàn)殡娮訕屩醒氲?5mmX18mm的矩形區(qū)域，豎直方向的成像高度為據(jù)電子槍I. 5mm-3. 5mm范圍內(nèi)，三自由度手動(dòng)調(diào)整單元可實(shí)現(xiàn)水平面和高度的自由調(diào)節(jié)，其中大直徑左右手動(dòng)調(diào)整旋鈕25-1、25-2通過(guò)電鏡腔體密閉擋板上的光孔，在真空腔體外分別通過(guò)左右萬(wàn)向節(jié)組24-1、24-2及左右連接銷軸23-1、23-2與x-y手動(dòng)平臺(tái)上下層主體基座28、30內(nèi)部的齒輪齒條副連接，即可方便的在電鏡的真空腔體外手動(dòng)自由調(diào)節(jié)測(cè)試平臺(tái)的水平位置。此外，通過(guò)采用、通過(guò)調(diào)整楔形塊調(diào)整螺釘21的旋入長(zhǎng)度，可推動(dòng)下楔形塊33輸出直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整Z向調(diào)整上楔形塊29的高度，以符合不同型號(hào)電鏡對(duì)成像的水平區(qū)域和豎直高度要求。與此同時(shí)，通過(guò)位移傳感器15和力傳感器4同步采集到的位移/載荷信號(hào)，通過(guò)相關(guān)控制算法可自行擬合拉伸/壓縮過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而獲得材料在拉伸/壓縮載荷作用下的屈服極限、彈性模量、破壞極限等重要力學(xué)參數(shù)。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等 ，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，主要由精密驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)檢測(cè)控制單元、三自由度手動(dòng)調(diào)整單元和裝夾及支撐單元組成，其特征在于，所述的精密驅(qū)動(dòng)單元中的直流伺服電機(jī)(I)通過(guò)聯(lián)軸器(32)與一級(jí)蝸桿(22)連接，一級(jí)蝸桿(22)與二級(jí)蝸桿(20)垂直布置，且與固定在二級(jí)蝸桿(20)上的一級(jí)蝸輪(18-3)相嚙合，二級(jí)蝸桿(20)與固定在左、右精密滾珠絲杠(10-1、10-2)上的左、右二級(jí)蝸輪(18-1、18-2)相嚙合，左、右方螺母(13-2、13-1)分別與左、右精密滾珠絲杠(I O-1、10-2 )螺紋連接，并固定在方螺母上架(12)上，左、右精密滾珠絲杠(10-1、10-2)和一、二級(jí)蝸桿(22、20)分別通過(guò)絲杠固定支撐和蝸桿軸承座固定在Z向調(diào)整上楔形塊(33)上，所述的信號(hào)檢測(cè)控制單元包括位移傳感器(15)、力傳感器(4)和固連在直流伺服電機(jī)(I)上的編碼器(3)，所述的三自由度手動(dòng)調(diào)整單元包括與X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座(30)連接的Y向手動(dòng)調(diào)整旋鈕(25-2)、與X-Y手動(dòng)平臺(tái)上層主體基座(28)連接的X向手動(dòng)調(diào)整旋鈕(25-1)和與Z向調(diào)整下楔形塊(29)連接的Z向手動(dòng)調(diào)整螺釘(21)，Z向調(diào)整下楔形塊(29)與Z向調(diào)整上楔形塊(33)滑動(dòng)配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，其特征在于，所述的位移傳感器(15)采用接觸式電容位移傳感器，它通過(guò)位移傳感器支座(14)固定于方螺母上架(12)上，位移傳感器(15)前端彈性探頭與剛性連接在左、右絲杠前固定支撐(2-3、2-4)上的絲杠固定支撐上架(16)相接觸；所述的力傳感器(4)采用拉壓力傳感器，它分別與力傳感器前端擋板(7)和后端擋板(5)通過(guò)力傳感器緊固螺釘(6-1、6-2)剛性連接，力傳感器前端擋板(7)置于左、右絲杠后固定支撐(2-2、2-1)上，后端擋板(5)與z向調(diào)整上楔形塊(33)為同一整體；所述的編碼器(3)與直流伺服電機(jī)(I)緊固連接并固定安裝于z向調(diào)整上楔形塊(33)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，其特征在于，裝卡及支撐單元中的試件后夾頭(8-1)和試件前夾頭(8-2)通過(guò)夾頭緊固銷釘(II)分別固定在力傳感器前端擋板(7)和方螺母上架(12)上的凹槽內(nèi)，試件(9)通過(guò)短銷裝夾在在試件后夾頭(8-1)和試件前夾頭(8-2)對(duì)應(yīng)端的凹槽內(nèi)，試件前、后夾頭(8-1、8-2)視試件(9)不同的結(jié)構(gòu)與形狀進(jìn)行配套更換。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，其特征在于，位移傳感器(15)的前端彈性探頭的伸縮方向與試件(9)在載荷作用下的伸縮方向相同，以保證位移信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，所述的力傳感器(4)的受力方向與試件(9)受力方向相同，以保證載荷信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，其特征在于，所述的左、右精密滾珠絲杠(10-1、10-2)結(jié)構(gòu)相同且與二級(jí)蝸桿(20)垂直布置，左、右方螺母(13-2、13-1)結(jié)構(gòu)相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸/壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，其特征在于，所述的X向手動(dòng)調(diào)整旋鈕(25-1)通過(guò)左萬(wàn)向節(jié)(24-1)和左連接銷軸(23-1)連接驅(qū)動(dòng)X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座(30)內(nèi)部的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，調(diào)整測(cè)試平臺(tái)前后水平位移，Y向手動(dòng)調(diào)整旋鈕(25-2)通過(guò)右萬(wàn)向節(jié)(24-2)、右連接銷軸(23-2)、相互嚙合的主動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪(27-1)和從動(dòng)導(dǎo)向錐齒輪(27-2)以及銷軸(26)連接驅(qū)動(dòng)X-Y手動(dòng)平臺(tái)上層主體基座(28)內(nèi)部的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，調(diào)整測(cè)試平臺(tái)左右水平位移；Z向調(diào)整下楔形塊(29)由與其連接的Z向手動(dòng)調(diào)整螺釘(21)驅(qū)動(dòng) 前后移動(dòng)調(diào)整測(cè)試平臺(tái)高度，X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座(30)與底板(31)固連，并通過(guò)緊固螺釘與電鏡腔體密封擋板的底層支架剛性連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種原位納米力學(xué)測(cè)試的跨尺度微納米級(jí)原位拉伸壓縮力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，可進(jìn)行原位拉伸/壓縮試驗(yàn)并可同步進(jìn)行載荷/位移信號(hào)的檢測(cè)與分析。本實(shí)用新型由精密驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)檢測(cè)控制單元、三自由度手動(dòng)調(diào)整單元、裝夾及支撐單元組成。其中密驅(qū)動(dòng)單元中的直流伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與兩級(jí)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)連接；信號(hào)檢測(cè)控制單元包括位移傳感器、力傳感器和固連在直流伺服電機(jī)上的編碼器；三自由度手動(dòng)調(diào)整單元包括與X-Y手動(dòng)平臺(tái)下層主體基座連接的Y向手動(dòng)調(diào)整旋鈕、與X-Y手動(dòng)平臺(tái)上層主體基座連接的X向手動(dòng)調(diào)整旋鈕和與Z向調(diào)整下楔形塊連接的Z向手動(dòng)調(diào)整螺釘，Z向調(diào)整下楔形塊與Z向調(diào)整上楔形塊滑動(dòng)配合。
文檔編號(hào)G01N3/08GK202548013SQ20122014446
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者李秦超, 王開(kāi)廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請(qǐng)人:趙宏偉