材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置

摘要

本发明涉及一种材料性能测试装置，特别是涉及超精密加工领域中的一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置。其目的在于提高加载机构的驱动精度和分辨率，准确测量加载力大小，降低结构的复杂性及尺寸。该装置主要由基座、压头、驱动元件和载物台组成，所说的压头(8)由多个薄壁柔性铰链(5、6、7)连接到基座(3)上；所说的基座(3)一端通过柔性铰链(2)与一个刚体(1)连接起来，所说的基座(3)另一端通过柔性铰链(10)与另一个刚体(11)连接起来，所说的驱动元件(4)采用压电叠堆，驱动原件(4)安装在压头(8)和预紧机构之间，所说的载物台(9)固定在另一个刚体(11)上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料性能测试装置，特别是涉及超精密加工领域中的一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置。本发明可应用于微机电系统、纳米科学、精密光学、飞机汽车制造业、生物医学工程、航空航天、新材料新工艺等领域。

技术背景

近年来，随着微电子学、生物医学、半导体、光学、数据存储、超精密机械及其制造等学科的迅猛发展，人们对材料纳米力学性能的评价和测试方法提出了越来越高的要求。因此各种具有精密定位或有精密加载驱动功能的加载机构被研发出来，以便满足材料纳米力学性能的测试需求。但传统的微加载装置在检测加载力方面存在着无法检测或检测精度不高的问题，或者检测装置存在结构复杂、造价较高的问题。

发明内容

本发明的目的在于为解决传统的微加载装置在检测加载力方面存在着无法检测或检测精度不高的问题，或者检测装置存在结构复杂、造价较高等问题，而提供一种材料纳米尺度料弯曲力学性能测试中的精密加载装置，使之具有加载分辨率高、响应迅速、结构小的特点。

本发明实用新型的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种材料纳米尺度弯曲力学性能测试中的精密加载装置，该装置主要由基座、压头、驱动元件和载物台组成，所说的压头8由多个薄壁柔性铰链5、6、7连接到基座3上；所说的基座3一端通过柔性铰链2与一个刚体1连接起来，所说的基座3另一端通过柔性铰链10与另一个刚体11连接起来，所说的驱动元件4采用压电叠堆，驱动原件4安装在压头8和预紧机构之间，所说的载物台9固定在另一个刚体11上，压头8在驱动原件4作用下，可以沿x轴作正向精密运动。

所说的三组薄壁柔性铰链5、6、7、基座3和压头8之间的连接方式为同一整体，并通过电火花线切割方式加工而成。

所说的预紧机构采用由一个刚体1，柔性铰链2和装在基座3一端的螺钉12组成，对驱动原件4实施的预紧力由螺栓12提供。

所说的连接于压头8和基座3之间的柔性铰链5、6、7均为对称布置，压头8受驱动力作用，只沿x向运动而不产生y向偏移。

应用公式F＝KX，通过测量柔性铰链10的变形矢量X，能够间接地计算出施加力F的大小，其中K为系统的刚度矩阵；通过压头8和刚体11的相对位移，可以计算出压头压入深度Δs。

对于微悬臂梁弯曲试验，可以通过公式Δs＝Fl³/3EI，计算出杨氏模量E，其中l为悬臂梁长度，I为悬臂梁的惯性矩。

压电叠堆结构为5×5×20(mm³)的立方体结构，结构紧凑微小，具有结构紧凑、承载能力强、变形精确、乡应迅速的特点。

本发明可提高加载机构的驱动精度和分辨率，准确地测量出加载力的大小，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高、精度高等优点；同时测试系统结构微小，可以借助扫描电子显微镜或透射电子显微镜在线监测被测试件载荷作用下的力学行为和损伤机制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3a是柔性铰链2的局部放大图；

图3b是柔性铰链2的局部放大受力变形图；

图4是载物台9的轴测图。

图中：1、11为刚体，2、5、6、7、10为柔性铰链，3为基座，4为驱动原件，8为压头，9为载物台12为螺钉。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容。

参阅图1、2、3、4，纳米材料弯曲力学性能测试中的精密加载装置由基座3、压头8、驱动元件4、载物台9和螺钉12等组成，压头8由多个薄壁柔性铰链5、6、7连接到刚性基座3上；所说的基座3一端连接有一个刚体1和柔性铰链2组成的预紧机构，用来预紧压电叠堆；所说的基座3另一端连接有柔性铰链10和另一个刚体11组成的位移测试机构10、11；所说的驱动元件4为压电叠堆，压电叠堆安装在压头8和预紧机构之间，通过螺钉12来预紧压电叠堆；所说的载物台9焊在另一个刚体11上。具体工作过程如下：

初始状态：压电叠堆不带电，通过螺钉12预紧压电叠堆，将待测试件装到载物台9上，载物台9为一个特制的长v型块，保证试件的两端固定中间悬空；将装上试件的载物台9固结到刚体11上，通过不同的载物台9的尺寸来调整压头和试件之间的距离，以便进行微弯曲试验；压电叠堆得电，推动压头8运动，进行弯曲试验。加载行程的大小通过测量压头8和刚体11的位移得到；应用公式F＝KX，通过测量柔性铰链10的变形矢量X，能够间接地计算出施加力矢量F的大小，其中K为柔性铰链10的变形刚度。通过压头8和刚体11的相对位移，可以计算出压头压入深度Δs。进而根据公式Δs＝Fl³/3EI，计算出被测试件材料的杨氏模量E，其中l为悬臂梁长度，I为悬臂梁的惯性矩。由于测试系统结构微小，整个测试过程中可以借助扫描电子显微镜或透射电子显微镜在线监测被测试件载荷作用下的力学行为和损伤机制。