跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，屬于原位力學(xué)性能測試領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)包括精密驅(qū)動單元，傳動及執(zhí)行單元，信號控制及檢測單元，連接及支撐單元。無刷直流伺服電動機與一級蝸桿連接，且通過一級蝸輪蝸桿傳動副與二級蝸桿軸連接，再通過二級蝸輪蝸桿傳動副分別與精密滾珠絲杠Ⅰ連接。優(yōu)點在于：體積小，重量輕，剛度高，結(jié)構(gòu)緊湊，測試精度高，可提供的測試內(nèi)容豐富，可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺相互兼容，為接近服役條件下材料變形損傷機制的分析研究提供了新穎的測試手段。
【專利說明】跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及原位力學(xué)性能測試領(lǐng)域，特別涉及一種跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺?？梢栽趯悠愤M行剪切加載的同時，用電鏡等顯微成像儀器(如掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM、掃描探針顯微鏡SPM等)對加載過程中樣品的微觀變形，損傷以及剪切斷裂過程實施原位監(jiān)測；也可以對樣品進行反復(fù)加載，用電鏡等顯微成像儀器對樣品進行在線觀測；可以實現(xiàn)對載荷/位移信號的采集、控制及轉(zhuǎn)換，為精確測定樣品在微納米尺度下的力學(xué)特性和揭示樣品在剪切作用下的微觀變形，損傷斷裂機制提供新的測試方式。
【背景技術(shù)】
[0002]原位力學(xué)性能測試是指在微/納米尺度下對試件材料進行力學(xué)性能測試的過程中，通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等儀器對各種載荷作用下材料及其制品發(fā)生的微觀變形，損傷進行全程動態(tài)在線監(jiān)測的一種力學(xué)測試手段。該技術(shù)從微觀層面揭示了各類材料及其制品的力學(xué)行為、損傷機理以及載荷的大小、種類與材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。在諸多微納米力學(xué)性能測試的范疇中，彈性模量、切變模量、彎曲模量、硬度、斷裂極限等參數(shù)是微構(gòu)件力學(xué)特性測試中的最主要的測試對象，針對這些力學(xué)量產(chǎn)生了很多種測試方法，如納米壓痕/劃痕、拉伸/壓縮法、剪切法、扭轉(zhuǎn)法、彎曲法和鼓膜法等，其中原位剪切測試方法能較全面的反應(yīng)材料或制品在彎曲條件下的力學(xué)特性，并能較直觀的測量材料剪切強度、屈服極限和斷裂強度等重要力學(xué)參數(shù)；通過反復(fù)多次的對材料或制品進行剪切加載和卸載，也能從一定程度上反映出樣品的抗疲勞性能。
[0003]當(dāng)前對于原位剪切測試的研究尚處于初級階段，具體表現(xiàn)如下:(1)掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡等的腔體空間非常有限，以至于目前的多數(shù)研究都集中在以微/納米尺度材料和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對納米管、納米線以及薄膜材料等極微小結(jié)構(gòu)進行單純原位納米拉伸測試上，缺少對宏觀尺寸(薄膜材料或三維試件)的跨尺度原位微/納米力學(xué)性能測試的深入研究，從而嚴(yán)重束縛了學(xué)術(shù)界對較大尺寸元件的微觀力學(xué)行為以及損傷斷裂機制的深入研究；(2)從測量儀器上來說，主要借助于商業(yè)化的掃描電子顯微鏡(SEM)配帶彎曲加載裝置對材料及其制品進行原位微/納米力學(xué)性能測試，這種方法存在設(shè)備費用昂貴，測試范圍有限，測試內(nèi)容陳舊等缺點，對結(jié)構(gòu)緊湊，測量范圍可調(diào)，測試內(nèi)容多樣的原位剪切測試裝置少有提及，極大制約了研究的深入與發(fā)展。
[0004]在原位剪切力學(xué)性能測試技術(shù)應(yīng)用之前，剪切試驗一般是用大型剪切試驗機對材料及其制品進行離位測試。試驗機按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以均勻速率對樣品進行加載，由試驗機繪出載荷一撓度曲線，進而得到載荷作用下應(yīng)力——應(yīng)變曲線圖，因此，最初的剪切試驗機是將材料剪切到規(guī)定的角度或者斷裂后，得出材料的彈性模量、屈服極限、斷裂極限等力學(xué)參數(shù)。傳統(tǒng)剪切試驗機針對的大都是大尺度宏材尺度試件，未涉及樣品微納米尺度范疇的力學(xué)性能研究，也未涉及到高分辨率顯微成像系統(tǒng)下的原位在線觀測。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的費用昂貴、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重、測試精度低及兼容性差等問題。本發(fā)明具有體積小、重量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、測試精度高，并且能夠利用電子顯微鏡等成像系統(tǒng)在線監(jiān)測宏觀試件在載荷作用下的微觀變形以及損傷斷裂過程，可提供的測試內(nèi)容豐富等特點，可通過原位剪切測試獲得材料的剪切強度、屈服極限和斷裂強度等重要力學(xué)參數(shù)，也可通過反復(fù)多次的對材料或制品進行剪切加載和卸載，從一定程度上反映出樣品的抗疲勞性能。對材料的微觀變形、損傷及斷裂過程實施原位在線監(jiān)測，為揭示材料在微納米尺度下的力學(xué)特性和損傷斷裂機制提供新的測試裝置。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，包括精密驅(qū)動單元、傳動及執(zhí)行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元，其特征在于:所述精密驅(qū)動單元、傳動及執(zhí)行單元是:無刷直流伺服電動機I通過聯(lián)軸器5與一級蝸桿8連接，且通過一級蝸輪蝸桿傳動副與二級蝸桿軸11連接，再通過二級蝸輪蝸桿傳動副與精密滾珠絲杠17連接，并進一步通過方螺母1、11 20、21與剪切部件固定端23、剪切壓頭22連接；其中無刷直流伺服電動機I與電機法蘭盤4緊固連接，電機法蘭盤4與平臺底座25固定連接；聯(lián)軸器5分別與電機輸出軸和一級蝸桿8剛性連接，該一級蝸桿(8)和一級蝸桿軸6組成的一級蝸桿傳動組件通過一級蝸桿軸承座7、定位銷和沉頭螺釘固定于平臺底座25上；二級蝸桿軸11和二級蝸桿14組成的二級蝸桿傳動組件與二級蝸桿固定端1、II 12、15剛性連接并固定在平臺底座25上，同時二級蝸輪軸11與二級蝸輪固定端10通過過盈配合連接；一級蝸輪9及二級蝸輪13分別與一級蝸桿8和精密滾珠絲杠17的軸端剛性連接；二級蝸桿14與二級蝸桿軸11剛性連接；位移傳感器27分別與絲杠固定支撐座I 2和力傳感器連接件18通過螺釘連接；力傳感器19分別與力傳感器連接件18和剪切壓頭22螺紋連接，并通過螺母緊固；力傳感器19、力傳感器連接件18和剪切壓頭22組成的傳動及執(zhí)行單元通過緊定螺釘和沉頭螺釘與絲杠螺母1、11 20、21定位連接。
[0007]所述的信號控制及檢測單元是:力傳感器19分別與力傳感器連接件18和剪切壓頭22螺紋連接，并通過螺母緊固。
[0008]所述的精密滾珠絲杠17為精密雙向滾珠絲杠，設(shè)有兩段旋向相異的小導(dǎo)程滾道，導(dǎo)軌滑塊分別通過燕尾槽型機構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道1、II 24,26上，并分別與絲杠固定支撐座1、11 2、3剛性連接。
[0009]所述的絲杠固定支撐座1、11 2、3通過過盈配合固定在平臺底座25上，并與絲杠方螺母的通孔間隙配合。
[0010]所述的方螺母1、II 20,21的一側(cè)為凹槽形。
[0011]所述的一級蝸輪蝸桿傳動副由一級蝸桿8及配合在二級蝸桿上的一級蝸輪9組成，二級蝸輪蝸桿傳動副由二級蝸桿套14及二級蝸輪13組成，通過兩級蝸輪蝸桿實現(xiàn)剪切速度要求。
[0012]所述的剪切壓頭22和剪切部件固定端23采用平行槽結(jié)構(gòu)，在運動過程中向相反方向運動，能夠?qū)崿F(xiàn)對于扁平試件的剪切實驗。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明體積小、重量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、測試精度高，可提供的測試內(nèi)容豐富，可以與各種電子顯微鏡真空腔體的載物平臺相互兼容，亦可與原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡等成像設(shè)備兼容使用，應(yīng)用范圍廣泛，可以對各種材料及制品的宏觀試件進行跨尺度原位力學(xué)測試，并可實現(xiàn)連續(xù)、間歇等多種加載方式，對材料及其制品在彎曲載荷在下的微觀變形進行動態(tài)在線觀測，以揭示材料在微納米尺度下的力學(xué)行為和損傷斷裂機制。通過載荷/位移信號的同步檢測，結(jié)合相關(guān)軟件算法，可自動擬合生成加剪切作用下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，實用性強。本發(fā)明對豐富原位微納米力學(xué)性能測試內(nèi)容和促進材料力學(xué)性能測試技術(shù)及裝備的發(fā)展，具有重要的理論指導(dǎo)意義和良好的應(yīng)用開發(fā)前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0015]圖1為本發(fā)明的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的左視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中:1、無刷直流伺服電動機；2、絲杠固定支撐座I ;3、絲杠固定支撐座II ;4、電機法蘭盤；5、聯(lián)軸器；6、一級蝸桿軸；7、一級蝸桿軸承座；8、一級蝸桿；9、一級蝸輪；10、二級蝸輪固定端；11、二級蝸桿軸；12、二級蝸桿固定端I ;13、二級蝸輪；14、二級蝸桿套；15、二級蝸桿固定端II ; 16、絲杠固定端；17、精密滾珠絲杠；18、力傳感器連接件；19、力傳感器；20、方螺母I ;21、方螺母II ;22、剪切壓頭；23、剪切部件固定端；24、精密導(dǎo)軌軌道I ;25、平臺底座；26、精密導(dǎo)軌軌道II ;27、位移傳感器。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0018]參見圖1至圖4所示，本發(fā)明的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，包括精密驅(qū)動單元、傳動及執(zhí)行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元，所述的精密驅(qū)動單元、傳動及執(zhí)行單元是由無刷直流伺服電動機I通過波紋管彈性式聯(lián)軸器5與一級蝸桿8連接，且通過由一級蝸桿8及一級蝸輪9所組成的一級蝸輪蝸桿傳動副與二級蝸桿軸11連接，再通過二級蝸桿14及二級蝸輪13組成的二級蝸桿固定端1、11 12、15剛性連接并固定在平臺底座25上，同時二級蝸輪軸11與絲杠固定端10通過過盈配合連接。并進一步通過方螺母1、II 20,21與剪切壓頭22連接；其中無刷直流伺服電動機I與電機法蘭盤4緊固連接，電機法蘭盤4與平臺底座25固定連接；聯(lián)軸器5分別與電機輸出軸和一級蝸桿軸8剛性連接，該一級蝸桿8和一級蝸桿軸承組成的一級蝸桿傳動組件通過一級蝸桿軸承座7、定位銷和沉頭螺釘固定于平臺底座25上；二級蝸桿軸11和二級蝸桿軸承組成的二級蝸桿傳動組件與二級蝸桿固定端1、II 12、15通過過盈配合連接；二級蝸桿14與二級蝸桿軸11剛性連接；精密滾珠絲杠17的絲杠固定端16與平臺底座25連接，絲杠固定支撐座1、
II2、3與平臺底座25連接；力傳感器19分別與力傳感器連接件18和剪切壓頭22螺紋連接，并通過螺母緊固；力傳感器19、力傳感器連接件18和剪切壓頭22組成的傳動及執(zhí)行單元通過緊定螺釘和沉頭螺釘與方螺母1、II 20,21定位連接。
[0019]所述的信號控制及檢測單元包括力傳感器19和光電編碼器，可以針對直流伺服電動機I的脈沖/方向控制模式提供包括位移速率控制、力速率控制、變形速率控制在內(nèi)的三種數(shù)字/模擬反饋信號源；該力傳感器19分別與力傳感器連接件18和剪切壓頭22螺紋連接，并通過螺母緊固；該力傳感器19的受力方向與標(biāo)準(zhǔn)試件在載荷作用下的伸縮方向一致，以保證載荷/位移信號檢測的同步性和準(zhǔn)確性。
[0020]所述的精密雙向滾珠絲杠設(shè)有兩段旋向相異的小導(dǎo)程滾道，導(dǎo)軌滑塊分別通過燕尾槽型機構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道1、II 24,26上，并分別與絲杠固定支撐座1、II 2、3剛性連接。
[0021]所述的方螺母1、II 20,21的一側(cè)為凹槽形，可以通過向凹槽內(nèi)加標(biāo)準(zhǔn)薄墊片來調(diào)整由于制造誤差導(dǎo)致的兩個絲杠方螺母間的不同步問題，從而保證了剪切壓頭22的實際加載方向與理論加載方向一致。
[0022]所述的絲杠固定支撐座I 2與導(dǎo)向桿一端過盈裝配，該導(dǎo)向桿的另一端安裝在絲杠固定支撐座II 3，并通過螺釘夾緊，方螺母1、11 20、21上的精加工孔與絲杠間隙配合，gp可在誤差允許范圍內(nèi)確保在整個測試過程中，方螺母1、11 20、21不會由于負載的存在而產(chǎn)生傾覆或者側(cè)翻現(xiàn)象。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，包括精密驅(qū)動單元、傳動及執(zhí)行單元、信號控制及檢測單元、連接及支撐單元，其特征在于:所述精密驅(qū)動單元、傳動及執(zhí)行單元是:無刷直流伺服電動機(I)通過聯(lián)軸器(5)與一級蝸桿(8)連接，且通過一級蝸輪蝸桿傳動副與二級蝸桿軸(11)連接，再通過二級蝸輪蝸桿傳動副與精密滾珠絲杠(17)連接，并進一步通過方螺母1、11 (20、21)與剪切部件固定端(23)、剪切壓頭(22)連接；其中無刷直流伺服電動機(I)與電機法蘭盤(4)緊固連接，電機法蘭盤(4)與平臺底座(25)固定連接；聯(lián)軸器(5)分別與電機輸出軸和一級蝸桿(8)剛性連接，該一級蝸桿(8)和一級蝸桿軸(6)組成的一級蝸桿傳動組件通過一級蝸桿軸承座(7)、定位銷和沉頭螺釘固定于平臺底座(25)上；二級蝸桿軸(11)和二級蝸桿(14)組成的二級蝸桿傳動組件與二級蝸桿固定端I>11(12,15)剛性連接并固定在平臺底座(25)上，同時二級蝸輪軸11與二級蝸輪固定端(10)通過過盈配合連接；一級蝸輪(9)及二級蝸輪(13)分別與一級蝸桿(8)和精密滾珠絲杠(17)的軸端剛性連接；二級蝸桿(14)與二級蝸桿軸(11)剛性連接；位移傳感器(27)分別與絲杠固定支撐座I (2)和力傳感器連接件(18)通過螺釘連接；力傳感器(19)分別與力傳感器連接件(18)和剪切壓頭(22)螺紋連接，并通過螺母緊固；力傳感器(19)、力傳感器連接件(18)和剪切壓頭(22)組成的傳動及執(zhí)行單元通過緊定螺釘和沉頭螺釘與絲杠螺母1、II (20、21)定位連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，其特征在于:所述的信號控制及檢測單元是:力傳感器(19)分別與力傳感器連接件(18)和剪切壓頭(22)螺紋連接，并通過螺母緊固；位移傳感器(27)分別與絲杠固定支撐座I (2)和力傳感器連接件(18)通過螺釘連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，其特征在于:所述的精密滾珠絲杠(17)為精密雙向滾珠絲杠，設(shè)有兩段旋向相異的小導(dǎo)程滾道，導(dǎo)軌滑塊分別通過燕尾槽型機構(gòu)緊貼于精密導(dǎo)軌軌道1、II (24、26)上，并分別與絲杠固定支撐座I>11 (2,3)剛性連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，其特征在于:所述的絲杠固定支撐座1、11(2、3)通過過盈配合固定在平臺底座(25)上，并與絲杠方螺母的通孔間隙配合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，其特征在于:所述的方螺母1、II (20,21)的一側(cè)為凹槽形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，其特征在于:所述的一級蝸輪蝸桿傳動副由一級蝸桿(8)及配合在二級蝸桿上的一級蝸輪(9)組成，二級蝸輪蝸桿傳動副由二級蝸桿套(14)及二級蝸輪(13)組成，通過兩級蝸輪蝸桿實現(xiàn)剪切速度要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨尺度微納米級原位剪切力學(xué)性能測試平臺，其特征在于:所述的剪切壓頭(22)和剪切部件固定端(23)采用平行槽結(jié)構(gòu)，在運動過程中向相反方向運動，能夠?qū)崿F(xiàn)對于扁平試件的剪切實驗。
【文檔編號】G01N3/24GK103983526SQ201410243411
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】趙宏偉, 李建平, 白美琳, 杜雨萌, 尚濤, 董景石, 周曉勤, 張起勛, 侯鵬亮, 程虹丙 申請人:吉林大學(xué)