一种可观测型微纳米力学测试装置及测试方法

摘要

本发明公开一种可观测型微纳米力学测试装置及测试方法，涉及精密科学仪器技术领域；该装置包括支撑组件、驱动组件、载物组件和成像组件；所述驱动组件和成像组件分别竖直设置于所述支撑组件上，所述载物组件水平设置于所述支撑组件上，且所述载物组件位于所述驱动组件和成像组件下方；所述载物组件用于承载试样和实现试样的移动；所述驱动组件用于驱动压头在试样上施加载荷，并使试样产生压痕；所述成像组件用于观测并分析试样上的压痕。基于本发明上述测试装置所进行的测试方法，能够有效测量材料的力学性能参数，结构简单，测量结果精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及精密科学仪器技术领域，特别是涉及一种可观测型微纳米力学测试装置及测试方法。

背景技术

随着科学技术的发展，材料微观尺度下的压入实验已经逐渐成为研究其力学性能的标准试验，并广泛应用于材料表面工程、微电子器件、金属陶瓷测试、半导体研发、生物工程和医学材料等领域。对比传统力学性能测试手段，微压入实验具有操作简单、制样简单、测试内容丰富、微损伤等显著特点，已被广泛用于测试材料的硬度、模量、应力-应变曲线、断裂韧性以及蠕变松弛等特性。因此，着手研究可观测性微纳米力学测试设备，为测试材料的力学性能参数提供有效的方法及仪器，是我们亟待解决的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种可观测型微纳米力学测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效测量材料的力学性能参数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种可观测型微纳米力学测试装置，包括支撑组件、驱动组件、载物组件和成像组件；所述驱动组件和成像组件分别竖直设置于所述支撑组件上，所述载物组件水平设置于所述支撑组件上，且所述载物组件位于所述驱动组件和成像组件下方；所述载物组件用于承载试样和实现试样的移动；所述驱动组件用于驱动压头在试样上施加载荷，并使试样产生压痕；所述成像组件用于观测并分析试样上的压痕。

可选的，所述支撑组件包括支撑底板和支撑背板，所述支撑底板水平设置，所述支撑背板固定竖直设置于所述支撑底板顶部一侧；所述驱动组件和成像组件设置于所述支撑背板上，所述载物组件设置于所述支撑底板上。

可选的，所述载物组件包括X轴精密滑台，所述X轴精密滑台上水平滑动设置有滑块，所述滑块顶部固定安装有转接板，所述转接板顶部固定连接有夹台，所述夹台用于夹持试样；所述X轴精密滑台底部固定设置于所述支撑底板上。

可选的，所述驱动组件包括包括支撑模块、精密下压装置、载荷检测模块和位移检测模块；所述支撑模块包括悬臂梁和光栅固定架，所述光栅固定架固定安装在水平设置的所述悬臂梁下部，所述精密下压装置固定连接在所述悬臂梁上，且所述精密下压装置的输出轴竖直朝下设置，所述载荷检测模块螺纹固定连接在所述精密下压装置的输出轴下端，所述位移检测模块固定连接在所述光栅固定架上，所述载荷检测模块下端固定连接有压头固定器，所述压头固定器用于固定安装压头；所述悬臂梁一端与所述支撑背板固定连接。

可选的，所述成像组件包括显微镜、显微镜支架和Z轴滑台；所述显微镜采用顶丝固定在所述显微镜支架顶部，所述显微镜支架底部一侧通过螺栓固定在所述Z轴滑台上，所述Z轴滑台通过螺栓固定在所述支撑背板上。

可选的，所述精密下压装置为直线步进电机，所述精密下压装置通过螺栓固定连接在所述悬臂梁上；所述载荷检测模块为力传感器，所述力传感器顶部通过转接头与所述精密下压装置连接，所述力传感器底部与所述压头固定器连接；所述位移检测模块包括光栅尺和光栅读数头，所述光栅固定架上设有长圆孔，所述光栅读数头通过螺栓固定连接在所述光栅固定架的长圆孔上，所述光栅尺粘贴在所述压头固定器上，所述光栅尺与所述光栅读数头相对设置且所述光栅尺平行于所述光栅读数头。

可选的，所述显微镜包括物镜、点光源、镜筒和相机；所述物镜为转塔结构，所述镜筒上部通过螺纹与所述相机相连，所述镜筒下部通过螺纹与物镜相连，所述镜筒下部通过顶丝与点光源相连，所述镜筒中部通过顶丝固定在显微镜支架上；所述相机能够直接将物镜所成的像传输到控制系统上，进行实时观测。

本发明还提供一种采用上述可观测型微纳米力学测试装置的微纳米力学测试方法，包括如下步骤：

(1)将精密下压装置与计算机相连，将载荷检测模块和位移检测模块与模数转换器采集卡电连接，模数转换器采集卡与计算机电连接，X轴精密滑台、Z轴精密滑台和显微镜分别与计算机电连接；

(2)在压头固定器上安装压头，将试样固定在载物组件上，计算机驱动X轴精密滑台使试样处于压头的正下方；

(3)通过计算机设置试验试样和压头参数，选择试验加载模式，输入加载时间、保载时间和卸载时间，开始压痕试验；

(4)在压头下压过程中，当载荷检测模块检测到最小响应力值时，则判定此时压头与试样接触，根据设置的控制参数以及加载、保载和卸载的时间完成压痕试验；

(5)模数转换器采集卡采集试验过程中的载荷与位移信号，并转换成载荷和位移值，呈现在计算机软件界面上，得到试验过程的载荷-位移曲线，载荷-位移曲线包括加载过程的载荷-位移曲线和卸载过程的载荷-位移曲线；

(6)通过计算机控制X轴精密滑台移动试样至显微镜底下，然后计算机控制Z轴精密滑台将显微镜移至聚焦处，开始观测试样，并将数据传输至计算机。

可选的，步骤(5)中，载荷-位移曲线中的加载段和卸载段采用下面两个拟合公式进行表示：

P＝Ch

P＝B(h-h

式中P为压入载荷，C、B和m均为拟合值；材料的接触刚度为压痕在达到最大载荷处的斜率，即：

材料的接触深度h

式中，ε为压头形状因子；硬度为材料抵抗硬物压入的参量，其公式为：

式中，A

式中，β为压头形貌参数，E

式中，E为被测材料的弹性模量，ν为其泊松比，E

此时即可求出材料的硬度与弹性模量。

可选的，步骤(6)中，记录薄膜材料的裂纹长度c，然后可以计算得到材料的残余应力及断裂韧性：

上式变形可得：

把

式中，

通过转换得到

把

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明装置整体结构简单，测量结果精度高；驱动组件用于驱动压头在样品上施加一个载荷，产生压痕；载物组件用于承载样品和实现样品的移动；成像组件用于观测样品上的压痕，进行分析，得出各种力学参数；整体协作，无需转移样品，即可实现样品的移动、加载产生压痕、观测和分析等，工作效率高；光栅固定架上设有长圆孔，螺栓穿过长圆孔与光栅读数头螺纹连接，光栅读数头与光栅尺之间的距离便于调节，可观测范围大；物镜较为转塔结构，可在不同倍率下进行观测，实现高倍率与大视野并存，相机可以直接将物镜所成的像传输到电脑上，进行实时观测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为可观测型微纳米力学测试装置的正视图；

图2为可观测型微纳米力学测试装置的等轴侧视图；

图3为可观测型微纳米力学测试装置的基本结构图；

图4为可观测型微纳米力学测试装置支撑部件结构图；

图5为可观测型微纳米力学测试装置载物组件结构图；

图6为可观测型微纳米力学测试装置驱动组件结构图；

图7为可观测型微纳米力学测试装置成像组件结构图；

图8为采用本发明观测方法的加载卸载剖面图；

图9为采用本发明观测方法的载荷-位移曲线图；

附图标记说明：100.可观测型微纳米力学测试装置，1.支撑组件，2.驱动组件，3.载物组件，4.成像组件，5.支撑背板，6.支撑底板，7.X轴精密滑台，8.转接板，9.夹台，10.悬臂梁，11.光栅固定架，12.精密下压装置，13.转接头，14.力传感器，15.压头固定器，16.光栅读数头，17.压头，18.Z轴滑台，19.显微镜支架，20.显微镜，21.物镜，22.点光源，23.镜筒，24.相机，25.光栅尺，26.滑块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可观测型微纳米力学测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效测量材料的力学性能参数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种可观测型微纳米力学测试装置100，如图1-图9所示，包括支撑组件1、驱动组件2、载物组件3和成像组件4；驱动组件2和成像组件4分别竖直设置于支撑组件1上，载物组件3水平设置于支撑组件1上，且载物组件3位于驱动组件2和成像组件4下方；载物组件3用于承载试样和实现试样的移动；驱动组件2用于驱动压头在试样上施加载荷，并使试样产生压痕；成像组件4用于观测并分析试样上的压痕。

进一步优选的，支撑组件1包括支撑底板6和支撑背板5，支撑底板6水平设置，支撑背板5固定竖直设置于支撑底板6顶部一侧，二者用螺纹连接，主要用于支撑压痕、载物台和成像组件4；驱动组件2和成像组件4设置于支撑背板5上，载物组件3设置于支撑底板6上。支撑底板6优选的使用花岗岩材质，花岗石比钢轻，比铝重，是目前应用较为普遍的一种材料。花岗岩的主要优点是变形小、稳定性好、不生锈，易于作平面加工，易于达到比铸铁更高的平面度。内阻尼系数比钢大15倍，减震效果好。不导电，抗磁，不会和金属产生粘和或磁化。支撑背板5优选的使用钢材质，易于加工，承载能力极好，且可以有效增加重量，提升仪器稳定性。载物组件3包括X轴精密滑台7，X轴精密滑台7上水平滑动设置有滑块26，滑块26顶部固定安装有转接板8，转接板8顶部固定连接有夹台9，夹台9用于夹持试样；X轴精密滑台7底部固定设置于支撑底板6上。驱动组件2包括包括支撑模块、精密下压装置12、载荷检测模块和位移检测模块；支撑模块包括悬臂梁10和光栅固定架11，光栅固定架11固定安装在水平设置的悬臂梁10下部，精密下压装置12固定连接在悬臂梁10上，且精密下压装置12的输出轴竖直朝下设置，载荷检测模块螺纹固定连接在精密下压装置12的输出轴下端，位移检测模块固定连接在光栅固定架11上，载荷检测模块下端固定连接有压头固定器15，压头固定器15用于固定安装压头17；悬臂梁10一端与支撑背板5固定连接。悬臂梁10优选的使用钢结构，其承载力强，不易变形。其顶部用螺纹与步进电机连接，底部与光栅固定架11相连接。成像组件4包括显微镜、显微镜支架和Z轴滑台18；显微镜采用顶丝固定在显微镜支架顶部，显微镜支架底部一侧通过螺栓固定在Z轴滑台18上，Z轴滑台18通过螺栓固定在支撑背板5上。Z轴精密滑台可以通过显微镜支架带动视频显微镜完成聚焦。

具体的，精密下压装置12为直线步进电机，精密下压装置12通过螺栓固定连接在悬臂梁10上；载荷检测模块为力传感器14，力传感器14顶部通过转接头13与精密下压装置12连接，力传感器14底部与压头固定器15连接；位移检测模块包括光栅尺25和光栅读数头16，光栅固定架11上设有长圆孔，光栅读数头通过螺栓固定连接在光栅固定架11的长圆孔上，光栅尺25粘贴在压头固定器15上，光栅尺与光栅读数头16相对设置且光栅尺25平行于光栅读数头16，便于调节光栅读数头16与光栅尺25之间的距离。显微镜20为视频显微镜，包括物镜21、点光源22、镜筒23和相机24；物镜21为转塔结构，可在不同倍率下进行观测，实现高倍率与大视野并存；镜筒23上部通过螺纹与相机24相连，镜筒23下部通过螺纹与物镜21相连，镜筒23下部通过顶丝与点光源22相连，镜筒23中部通过顶丝固定在显微镜支架19上；相机24能够直接将物镜21所成的像传输到计算机等控制系统上，进行实时观测。

本发明还提供一种采用上述可观测型微纳米力学测试装置的微纳米力学测试方法，包括如下步骤：

(1)将精密下压装置12与计算机相连，将载荷检测模块和位移检测模块与模数转换器采集卡电连接，模数转换器采集卡与计算机电连接，X轴精密滑台7、Z轴精密滑台和显微镜分别与计算机电连接；

(2)在压头固定器15上安装压头17，将试样固定在载物组件3上，计算机驱动X轴精密滑台7使试样处于压头17的正下方；

(3)通过计算机设置试验试样和压头参数，包括试样材料泊松比、试样材料的厚度、薄膜的厚度、压头17类型、压头17材料参数，选择试验加载模式为载荷控制方式或者位移控制方式，设置相应控制参数为最大加载载荷值或者加载的最大位移值，输入加载时间、保载时间和卸载时间，开始压痕试验；

(4)在压头下压过程中，当载荷检测模块检测到最小响应力值时，则判定此时压头17与试样接触，根据设置的控制参数以及加载、保载和卸载的时间完成压痕试验；

(5)模数转换器采集卡采集试验过程中的载荷与位移信号，并转换成载荷和位移值，呈现在计算机软件界面上，得到试验过程的载荷-位移曲线，载荷-位移曲线包括加载过程的载荷-位移曲线和卸载过程的载荷-位移曲线；

(6)通过计算机控制X轴精密滑台7移动试样至显微镜底下，然后计算机控制Z轴精密滑台将显微镜移至聚焦处，开始观测试样，并将数据传输至计算机。如图8所示，为卸载后的压痕表面和最大载荷时的压痕表面以及初始表面对比示意图，图9为加载过程和卸载过程的载荷-位移曲线图。

可选的，步骤(5)中，载荷-位移曲线中的加载段和卸载段采用下面两个拟合公式进行表示：

P＝Ch

P＝B(h-h

式中P为压入载荷，C、B和m均为拟合值；对于卸载段的数据，本发明所研发的仪器取的是卸载段数据的20％～60％进行拟合，得到相关性较好的卸载段公式；材料的接触刚度为压痕在达到最大载荷处的斜率，即：

材料的接触深度h

式中，ε为压头形状因子；对于Berkovich压头、Vickers压头和球压头，其ε为0.75；而对于洛氏圆锥压头，其ε为0.72，对于平压头，其ε为1。根据传统的弹塑性理论可以得知，硬度为材料抵抗硬物压入的参量，其公式为：

式中，A

式中，β为压头形貌参数，对于Berkovich压头和Vickers压头，β为1.034和1.012，当压头是圆形压头时β为1。E

式中，E为被测材料的弹性模量，ν为其泊松比，E

此时即可求出材料的硬度与弹性模量。

可选的，步骤(6)中，记录薄膜材料的裂纹长度c，然后可以计算得到材料的残余应力及断裂韧性：

上式变形可得：

把

式中，

通过转换得到

把

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。