CN101776511A - 微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳米尺度薄膜材料测试，材料冲击性能测试，具体讲涉及微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置。为提供一种微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置，本发明采用的技术方案是，微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置，包括：于一定的高度作自由落体运动来冲击试件的重量可调落锤，重量可调落锤固接在两个滑块上，两个滑块通过内置直线轴承在两平行的垂直导轨上滑动，两平行的垂直导轨两端固定在导轨固定板，导轨固定板固定在落锤装置架上，落锤装置架固定在装置底板，重量可调落锤锤头安装有压电型力传感器。本发明主要用于微纳米尺度薄膜材料测试。

Description

微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置

技术领域

本发涉及微纳米尺度薄膜材料测试，材料冲击性能测试，具体涉及微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置。

背景技术

1、微纳米尺度薄膜材料测试领域

在MEMS器件中，相当多的构件以厚度几微米到几百微米的薄膜形式存在，如，压力传感器和加速度传感器中的隔膜结构、电子显微镜和原子力显微镜中的探针悬臂梁等。作为结构件，这些薄膜承担着相当大的拉伸或弯曲应力。如同宏观设计一样，构件的力学性能如杨氏模量、破坏强度等，是必不可少的设计参数，因此，考察微米级薄膜材料的力学性能对MEMS构件的性能和可靠性起着决定性的作用。薄膜的力学性能测试需要高精度地测试应力-应变或应变-时间关系。

纳米薄膜是指厚度在纳米量级的薄膜以及每层厚度都在纳米量级的多层薄膜，有时也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层薄膜。纳米薄膜是NEMS中常见的结构形式。它有着广阔的应用前景，如薄膜机械元件、薄膜光电元件、表面装饰层、耐磨层以及防腐蚀层等等。由于NEMS元器件的工作条件恶劣，常常伴随着高温差、高电磁场、高应力等情况，这对薄膜的机械强度、稳定性和可靠性等提出较高要求。残余应力严重地影响着纳米薄膜的力学性能。薄膜中的张应力过大会导致薄膜破裂，压应力过大会使薄膜起皱或屈曲。残余应力还会使通过薄膜元件传输的光电信息发生畸变，最终导致元器件的失效和破坏。这些结构的设计和应用都要考虑冲击加载引起的高应变率和高应力效应，显然静态测量的数据是有差距的。

2、材料冲击性能测试领域

材料在使用或运输过程中，经常或偶然的撞击会使其变形或断裂。冲击失效是高速负载作用下发生的力学现象。瞬时施加的冲击载荷的冲击载荷使试件具有很高的应变速率。试件的抗冲性能、冲击实验和抗冲保护。至今还是相当复杂的技术问题。

冲击实验是在冲击载荷作用下，用于测定材料抗冲性能的方法冲击强度是评价材料抵抗冲击能力或判断材料脆性与韧性程度的量度。抗冲击性能是难于准确表征力学参数之一，即使是用标准试样及标准实验方法，也只能得出在特定条件下只有相对比较意义的实验结果。材料冲击实验的方法有落锤式、落锤式。

冲击断裂形式主要分塑性和脆性两大性。在冲击下的塑性断裂有明显的屈服的现象，有颇在应变，是在颈缩中断裂。脆性断裂是一种多裂口断裂，有细小尖片，并有表面光滑的区域。冲击中首批活动裂纹，瞬时转变成不稳定生长的裂缝，触发断裂。无定形聚合物的断裂断面上，除光滑的镜面外，其余为较粗糙的指纹状。结晶型聚合物的断裂断面，多数呈麻纹状态。而纳米薄膜在冲击下会表现出不同的现象。

3、落锤实验发展现状

现有的落锤式冲击实验机适用于材料试样或制品进行冲击实验，是用以评价材料抗冲击性能的一种测试仪器。同时，也可以对同种材料、同种规格的试样进行冲击对比实验，以鉴定材料质量的优劣。其原理：在规定的冲击条件下，选择落锤质量(也可以选择一定冲击高度而变换落锤动量)，释放落锤冲击试样，测出材料冲击破坏所需的能量。试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。传统的落锤实验机所测的试件均为宏观尺度；而且其载荷过大，很难对微纳米薄膜试件进行加载；其所测量试件的破坏程度必须用肉眼观察到，无法测量微尺度的破坏。

现有的微纳米尺度薄膜材料测量，主要停留在静态测量阶段，其测量内容大多为薄膜的静态强度、薄膜硬度、杨氏模量、泊松比等材料参数，并未涉及沉积在基底上的微纳米尺度薄膜的动态冲击强度。

沉积在基底上的微纳米薄膜在动态冲击载荷下会发生破坏。其破坏形式是薄膜从基底上脱粘，并发生屈曲，随着冲击的加大和冲击次数的增多，薄膜会发生断裂。破坏后的薄膜无法继续使用，所以检测薄膜的耐冲击性能，观察薄膜在一定冲击下的破坏情况，对薄膜的使用具有非常重要的意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置，包括：于一定的高度作自由落体运动来冲击试件的重量可调落锤，重量可调落锤固接在两个滑块上，两个滑块通过内置直线轴承在两平行的垂直导轨上滑动，两平行的垂直导轨两端固定在导轨固定板，导轨固定板固定在落锤装置架上，落锤装置架固定在装置底板，重量可调落锤锤头安装有压电型力传感器。

设置有位移传感器，可对冲击端面的动态位移进行精确测量。

还设置有落锤触发装置，用于：重量可调落锤抬升后由触发装置卡住，做到瞬时触发。

本发明具有如下突出的优点：

本发明解决了原有设备无法对沉积在基底上的微纳米薄膜动态冲击性能的测试问题。同时解决了原有设备无法对薄膜破坏后的微观结构进行观察的问题。为薄膜基底二元结构在动态冲击下的破坏机理的研究提供了必要条件。

本发明是专门针对沉积在基底上的微纳米薄膜而设计，可测薄膜基底二元结构的尺寸灵活，大小多样，填补了落锤式实验机不能测量薄膜基底二元结构冲击性能的空白。

原有的落锤式实验机测量内容主要集中在宏观试件的抗冲击性能，试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。而微纳米薄膜的破坏是肉眼无法识别的，本发明则可观测出微纳米尺度的破坏。

本与原有落锤式设备均设有力传感器，可精确测量冲击力的大小，同时本发明较之原有设备增设了位移传感器，可对冲击端面的动态位移进行精确测量。

附图说明

图1落锤冲击实验装置结构示意图。

①落锤装置架，

②导轨固定板，

③装置底板，

④竖直平行导轨，

⑤内置直线轴承的滑块，

⑥重量可调落锤锤头，

⑦安装在锤头的压电型力传感器

⑧试件台

⑨触发装置

图2落锤冲击实验装置试件台示意图。

①试件台

②悬臂梁式位移传感器

③悬臂梁传感器的固定装置

④用来保证传感器和试件有相同位移的刚性薄板

⑤试件。

图3是冲击过程的时间-力曲线图。

图4是冲击过程的时间-应变曲线。

图5是本发明试件冲击前、后微观相片。

图6是试件受冲击端面位移(试件变形量)采集装置组成图。

图7是悬臂梁式位移传感器。

图8是悬臂梁式位移传感器桥路***。

图9是冲击载荷测试装置组成图。

图10是落锤触发装置。

图11是落锤锤头和配重砝码。

图12是滑块。

具体实施方式

当前国内外对于薄膜结构的实验研究多集中在静态力学性能的描述上，而薄膜结构的器械也经常用于各种冲击力作用的场合下，因此对于冲击载荷下薄膜结构力学响应的研究是非常有意义的。此设计主要目的是实时观察冲击载荷下薄膜屈曲的过程，得到此过程中薄膜端面的应力-应变关系；测试薄膜基底二元结构动态冲击下的临界载荷。

落锤冲击装置是利用具有一定质量的重锤于一定得高度作自由落体运动来冲击试件，配有锤头的滑块通过内置直线轴承在平行导轨上滑动，可以通过改变滑块的位置和锤头重量获得不同的冲击力，采用直线轴承使落锤与导轨之间具有很好的导向和较小的摩擦阻力。

本实验装置是专门针对沉积在基底上的微纳米薄膜而设计，其冲击载荷大小适用于微纳米材料的测试。可测薄膜基底二元结构的尺寸灵活，大小多样，填补了摆锤实验机不能测量薄膜基底二元结构冲击性能的空白。

利用落锤冲击实验原理，结合薄膜基底二元结构的实际情况，合理优化结构，实现了对沉积在基底上的微纳米薄膜的冲击加载过程。落锤装置主要由螺杆式可配重锤头、螺孔式配配重砝码、滑块、导轨、上板、底板、载物底座、触发装置等七部分构成。锤头为主要加载部件，直接对试件施加冲击；配重砝码可增加锤头重量，达到改变冲击载荷的目的；滑块通过导轨自由滑落，带动锤头对试件施加冲击，采用直线轴承使落锤与导轨之间具有很好的导向和较小的摩擦阻力；上板和底板起到固定导轨的作用；载物底座固定在地板上，起到夹持试件和采集位移的作用；滑块吊起时，由触发装置卡住，触发后滑块自由下落，冲击试件。

(1)适用于微纳米薄膜试件实验：以下设计保证了该功能切实有效的实施。

冲击载荷小，适用于微纳米薄膜试件的测试。可自由调整落锤下落高度，以达到调整冲击载荷大小的目的。采用多个标准重量块配重，可灵活控制落锤质量，调整冲击载荷。采用直线轴承使落锤与导轨之间具有很好的导向和较小的摩擦阻力。触发装置反应迅速，操作方便。落锤抬升后由触发装置卡住，可做到瞬时触发。使用刚性薄板和弹簧对试件进行夹持，有效防止冲击过程中试件蹦出，避免操作人员受伤。该夹持方法可避免对试件的损伤。

(2)同步采集冲击力和试件变形量。这是原有的落锤冲击实验机不具备的功能。

小冲击载荷的测量：锤头安装压电式力传感器，可获得小冲击载荷下的力时程曲线。

试件变形量：位移传感器固定在落锤冲击装置的载物底座上，用于冲击过程中测量试件的受载面位移，即试件变形量。该传感器为自行设计的悬臂梁结构，其精度可达50nm。

有益效果：

原有的落锤式实验机其测量范围为大尺度试件，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测量。而本实验装置是专门针对沉积在基底上的微纳米薄膜而设计，可测薄膜基底二元结构的尺寸灵活，大小多样，填补了落锤式实验机不能测量薄膜基底二元结构冲击性能的空白。

原有的落锤式实验机测量内容主要集中在宏观试件的抗冲击性能，试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。而微纳米薄膜的破坏是肉眼无法识别的，本实验装置则可测出微纳米尺度的破坏。

该设备与原有落锤式设备均设有力传感器，可精确测量冲击力的大小。同时较之原有设备增设了位移传感器，可对冲击端面的动态位移进行精确测量。

以厚度为500nm的钛膜进行冲击实验为例说明其有益效果。

将落锤调至特定的高度，显微镜的放大倍数调至480倍，对厚度为500nm的钛膜进行冲击实验。

在冲击过程中，都连续采集了100幅图片。冲击结束后薄膜表面产生了大量量的屈曲，并且多数屈曲都是沿着表面划痕或是裂纹生长的，多次次冲击后很多屈曲扩展后连接在一起，形成了很大的脱粘区域，此时薄膜结构已经很不稳定了。

按此操作，通过改变冲击载荷的大小，则可测出薄膜基底二元结构破坏时的冲击载荷。也可测量不同薄膜在相同冲击下的材料优劣性能。

本发明装置实验时具体实施步骤如下：

(1)安装试件，使试件镀膜的一面朝向显微镜镜头。

(2)安装位移传感器。

(3)调整显微镜位置，使镜头正对试件。调整显微镜，直至视场内获得清晰图像。

(4)按需要设置的配重质量。将滑块抬起一定高度，并用触发装置卡住。

(5)触发，并采集图像和数据。

使用时需注意以下几点

(1)提高配重砝码的加工精度，精确控制冲击载荷，以达到精确测量结构临界载荷的目的。

(2)提高力传感器的技术指标，更加及时精确地测量冲击载荷的大小。

(3)试件的加工精度会影响夹持效果。加工试件时，必须使两夹持面保持平行。

(4)控制周围环境的振动，以免引起测试数据的失真。

(5)测试试件破坏过程时，需配备高速摄像***和显微成像***。高速摄像帧率越高，测试越精准。显微成像放大倍数根据试件而定，并不是越高越好。

(6)力传感器和位移传感器在使用前必须标定，以减小数据误差。

(7)安装试件时注意不要人为破坏试件表面薄膜。

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明。

如图6所示，悬臂梁式位移传感器自由段卡在刚性薄板两端(如试件台示意图部件④所示)。进行冲击实验时，落锤直接作用在刚性薄板上，刚性薄板把冲击载荷传递给试件的受冲击面，同时把试件端面位移(即变形量)传递给悬臂梁位移传感器的自由端，并转换为悬臂梁的应变信号经动态应变仪传递给计算机。

如图7、图8所示，位移传感器：

结合已有的应变片电测技术及悬臂梁结构制作位移传感器。用它来测量冲击过程中试件冲击端面的位移变化。应变片电测技术、悬臂梁式位移传感器均为已有技术。两个传感器分别置于试件顶端刚性薄板的两端，每个传感器上下表面各贴一电阻应变片，两个传感器上的四个电阻应变片组成一个全桥的测量电路。

如图9，压电式力传感器安装在落锤锤头上，在进行冲击实验事测量冲击载荷。压电式力传感器、电荷放大器均为已有产品，可根据实验需求选定。

如图10所示，落锤触发装置：

固定部件。调整触发装置在导轨上的高度，以此控制落锤的高度。

触发杆开关：上端为触发端，下端为卡子。主抬升后的落锤被卡子固定，按下触发端后，落锤自由下落，冲击试件。

弹簧：提供固定落锤所需的力。

图11是落锤锤头和配重砝码，锤头和配重砝码都加工有螺纹。装置配备多个具有标准重量的配重砝码，可通过螺纹改变锤头重量。

图12是滑块，滑块正中小孔为安装锤头位置。两边打孔中设有轴承，可是滑块沿导轨自由滑动。

Claims (3)

1.一种微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置，其特征是，包括：于一定的高度作自由落体运动来冲击试件的重量可调落锤，重量可调落锤固接在两个滑块上，两个滑块通过内置直线轴承在两平行的垂直导轨上滑动，两平行的垂直导轨两端固定在导轨固定板，导轨固定板固定在落锤装置架上，落锤装置架固定在装置底板，重量可调落锤锤头安装有压电型力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置，其特征是，设置有位移传感器，可对冲击端面的动态位移进行精确测量。

3.根据权利要求1所述的一种微纳米薄膜冲击力学性能落锤测量装置，其特征是，还设置有落锤触发装置，用于：重量可调落锤抬升后由触发装置卡住，做到瞬时击发。

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