跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台

摘要

本发明涉及一种跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台，属于原位力学性能测试领域。其结构包括精密驱动单元、传动及执行单元、信号控制及检测单元、连接及支撑单元。无刷直流伺服电动机与一级蜗杆连接，且通过一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴连接，再通过二级蜗轮蜗杆传动副分别与精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ连接，并进一步与锤头连接。优点在于：体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，可提供的测试内容丰富，可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容。

说明书

技术领域

本发明涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台。可以在对样品进行三点弯曲加载的同时，用电镜等显微成像仪器（如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM等）对加载过程中样品的微观变形，损伤以及断裂过程实施原位监测；也可以对样品进行反复加载，用电镜等显微成像仪器对样品进行在线观测；可以实现对载荷/位移信号的采集、控制及转换，为精确测定样品在微纳米尺度下的力学特性和揭示样品在三点弯曲作用下的微观变形，损伤断裂机制提供新的测试方式。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形，损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、弯曲模量、硬度、断裂极限等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学量产生了很多种测试方法，如纳米压痕/划痕、拉伸/压缩法、剪切法、扭转法、弯曲法和鼓膜法等，其中原位三点弯曲测试方法能较全面的反应材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能较直观的测量材料弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数；通过反复多次的对材料或制品进行三点弯曲加载和卸载，也能从一定程度上反映出样品的抗疲劳性能。

当前对于原位三点弯曲测试的研究尚处于初级阶段，具体表现如下：（1）扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间非常有限，以至于目前的多数研究都集中在以微/纳米尺度材料和结构为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位微/纳米力学性能测试的深入研究，从而严重束缚了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为以及损伤断裂机制的深入研究；（2）从测量仪器上来说，主要借助于商业化的扫描电子显微镜（SEM）配带弯曲加载装置对材料及其制品进行原位微/纳米力学性能测试，这种方法存在设备费用昂贵，测试范围有限，测试内容陈旧等特点，对结构紧凑，测量范围可调，测试内容多样的原位三点弯曲测试装置少有提及，极大制约了研究的深入与发展；

在原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，弯曲试验一般是用大型弯曲试验机对材料及其制品进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对样品进行加载，由试验机绘出载荷-挠度曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的弯曲试验机是将材料弯到规定的角度或者断裂后，得出材料的弹性模量、屈服极限、断裂极限等力学参数。传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及样品微纳米尺度范畴的力学性能研究，也未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位在线观测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台，解决了现在技术存在的费用昂贵、体积大、结构复杂、重量重、测试精度低及兼容性差等问题。本发明具有体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，并且能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形以及损伤断裂过程，可提供的测试内容丰富等特点，可通过原位三点弯曲测试获得材料的弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数，也可通过反复多次的对材料或制品进行三点弯曲加载和卸载，从一定程度上反映出样品的抗疲劳性能。对材料的微观变形、损伤及断裂过程实施原位在线监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤断裂机制提供新的测试装置。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台，包括精密驱动单元、传动及执行单元、信号控制及检测单元、连接及支撑单元，所述的精密驱动单元、传动及执行单元是：无刷直流伺服电动机33通过波纹管弹性联轴器35与一级蜗杆37连接，且通过由一级蜗杆37及一级蜗轮4所组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴1连接，再通过二级蜗杆套Ⅰ、Ⅱ3、27及二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ2、28组成的二级蜗轮蜗杆传动副分别与精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18连接，并进一步通过方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22与锤头12连接；其中无刷直流伺服电动机33与电机法兰盘34紧固连接，电机法兰盘34与平台底座19固定连接；波纹管联轴器35分别与电机输出轴和一级蜗杆轴37刚性连接，该一级蜗杆37和一级蜗杆轴承组成的一级蜗杆传动组件通过一级蜗杆轴承座36、定位销和沉头螺钉固定于平台底座19上；二级蜗杆轴1和二级蜗杆轴承组成的二级蜗杆传动组件分别与侧板Ⅱ、Ⅰ24、31轴承孔通过过盈配合连接；一级蜗轮4及二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ2、28分别与一级蜗杆37及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18刚性连接；二级蜗杆套Ⅰ、Ⅱ3、27分别与二级蜗杆轴1刚性连接；精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18的丝杠固定端Ⅰ、Ⅱ5、25与平台底座19连接，丝杠支撑端16与平台底座19连接；方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22分别与丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ6、23刚性连接；力传感器11分别与力传感器连接件10和锤头12螺纹连接，并通过螺母紧固；力传感器11、力传感器连接件10和锤头12组成的执行单元通过紧定螺钉和沉头螺钉与方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22定位连接。

所述的信号控制及检测单元包括力传感器11和光电编码器32，该力传感器11分别与力传感器连接件10和锤头12螺纹连接，并通过螺母紧固。

所述的连接及支撑单元包括T型槽15、支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17及辅助支撑板，该T型槽15固定在丝杠支撑端16上，支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17在该T型槽15内移动至试验要求的跨距后，通过T型螺栓、螺母与T型槽15紧固，辅助支撑板置于支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17的狭槽内。

所述的方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22的一侧为凹槽形。

所述的丝杠固定端Ⅰ、Ⅱ5、25分别与导向杆Ⅰ、Ⅱ8、21的一端过盈装配，该导向杆Ⅰ、Ⅱ8、21的另一端分别安装在导向杆支撑座Ⅰ、Ⅱ9、20内，并通过螺钉夹紧，直线轴承30与方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22上的精加工孔过盈配合。

所述的侧板Ⅱ、Ⅰ24、31分别固定在托台29上，该托台29斜面与底面成一定可调角度（0~90°），该托台29底部设置底托支撑杆26，通过两侧的耳座固定在显微成像仪器的载物台上。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，可提供的测试内容丰富，可以与各种电子显微镜真空腔体的载物平台相互兼容，亦可与原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、光学显微镜等成像设备兼容使用，应用范围广泛，可以对各种材料及制品的宏观试件进行跨尺度原位力学测试，并可实现连续、间歇等多种加载方式，对材料及其制品在弯曲载荷在下的微观变形进行动态在线观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤断裂机制。通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关软件算法，可自动拟合生成弯曲载荷作用下的应力应变曲线，实用性强。

综上所述，本发明对丰富原位微纳米力学性能测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备的发展，具有重要的理论指导意义和良好的应用开发前景。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的另一立体结构示意图；

图3为本发明的右视示意图；

图4为本发明的俯视示意图。

图中：

1、二级蜗杆轴  2、二级蜗轮Ⅰ  3、二级蜗杆套Ⅰ  4、一级蜗轮     5、丝杠固定端Ⅰ

6、丝杠螺母Ⅰ   7、方螺母Ⅰ   8、导向杆Ⅰ   9、导向杆支承座Ⅰ 10、力传感器连接件  11、力传感器    12、锤头     13、精密滚珠丝杠Ⅰ  14、支撑头Ⅰ  15、T型槽  

16、丝杠支撑端  17、支撑头Ⅱ 18、精密滚珠丝杠Ⅱ 19、平台底座  20、导向杆支承座Ⅱ  21、导向杆Ⅱ    22、方螺母Ⅱ  23、丝杠螺母Ⅱ   24、侧板Ⅱ      25、丝杠固定端Ⅱ  

26、底托支撑杆Ⅱ  27、二级蜗杆套钉Ⅱ 28、二级蜗轮Ⅱ  29、托台  30、直线轴承         31、侧板Ⅰ  32、光电编码器   33、直流伺服电动机   34、电机法兰盘 

35、波纹管联轴器    36、一级蜗杆支撑座    37、一级蜗杆。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4，本发明的跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台包括精密驱动单元、传动及执行单元、信号控制及检测单元、连接及支撑单元，所述的精密驱动单元、传动及执行单元是由无刷直流伺服电动机33提供动力输出，无刷直流伺服电动机33通过波纹管弹性联轴器35与一级蜗杆37连接，且通过由一级蜗杆37及紧固在二级蜗杆轴1上的一级蜗轮4所组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴1连接，将动力传至二级蜗杆轴1上，再通过紧固在二级蜗杆轴1上的二级蜗杆套Ⅰ、Ⅱ3、27及二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ2、28组成的二级蜗轮蜗杆传动副分别与精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18连接，将动力传递至精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18处，并进一步通过方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22与锤头12连接，带动锤头12输出精密的直线往复运动；其中无刷直流伺服电动机33通过电机紧固螺钉与电机法兰盘34紧固连接，电机法兰盘34通过紧定螺钉直接与平台底座19固定连接；波纹管联轴器35通过紧定螺钉分别与电机输出轴和一级蜗杆轴37刚性连接，该一级蜗杆37和一级蜗杆轴承组成的一级蜗杆传动组件通过一级蜗杆轴承座36、定位销和沉头螺钉准确固定于平台底座19上；二级蜗杆轴1和二级蜗杆轴承组成的二级蜗杆传动组件分别与侧板Ⅱ、Ⅰ24、31轴承孔通过过盈配合连接；一级蜗轮4及二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ2、28分别通过蜗轮连接螺钉与一级蜗杆37及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18刚性连接；二级蜗杆套Ⅰ、Ⅱ3、27通过蜗杆连接螺钉分别与二级蜗杆轴1刚性连接；精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ13、18的丝杠固定端Ⅰ、Ⅱ5、25通过沉头螺钉与平台底座19连接，丝杠支撑端16通过定位销、沉头螺钉与平台底座19准确定位连接；方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22通过紧固螺钉分别与丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ6、23刚性连接；力传感器11分别与力传感器连接件10和锤头12螺纹连接，并通过螺母紧固；力传感器11、力传感器连接件10和锤头12组成的执行单元通过紧定螺钉和沉头螺钉与方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22定位连接。

所述的信号控制及检测单元包括力传感器11和光电编码器32，可以针对直流伺服电动机33的脉冲/方向控制模式提供包括位移速率控制、力速率控制、变形速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源；该力传感器11分别与力传感器连接件10和锤头12螺纹连接，并通过螺母紧固；该力传感器11的受力方向与标准试件在载荷作用下的伸缩方向一致，以保证载荷/位移信号检测的同步性和准确性。

所述的连接及支撑单元包括T型槽15、支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17及辅助支撑板，该T型槽15固定在丝杠支撑端16上，支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17在该T型槽15内移动至试验要求的跨距后，通过T型螺栓、螺母与T型槽15紧固，根据不同的要求，可以通过该支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17在该T型槽15内移动实现样品不同跨距的原位三点弯曲力学性能测试，辅助支撑板置于支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17的狭槽内，将标准试件置于辅助支撑板上，通过预加载，实现标准试件与支撑头Ⅰ、Ⅱ14、17的预接触。

所述的方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22的一侧为凹槽形，可以通过向凹槽内加标准薄垫片来调整由于制造误差导致的两个方螺母间的不同步问题，从而保证了锤头12的实际加载方向与理论加载方向一致。

所述的丝杠固定端Ⅰ、Ⅱ5、25分别与导向杆Ⅰ、Ⅱ8、21的一端过盈装配，该导向杆Ⅰ、Ⅱ8、21的另一端分别安装在导向杆支撑座Ⅰ、Ⅱ9、20内，并通过螺钉夹紧，直线轴承（30）与方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22上的精加工孔过盈配合，即可在误差允许范围内确保在整个测试过程中，丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ7、22不会由于负载的存在而产生倾覆或者侧翻现象。

所述的侧板Ⅱ、Ⅰ24、31通过紧定螺钉分别固定在托台29上，该托台29斜面与底面成一定可调角度（0~90°），该托台29底部设置底托支撑杆26，通过两侧的耳座固定在电镜等显微成像仪器的载物台上。从而保证被测试件进入电镜等显微成像仪器的清晰视野范围内。