CN102262016A - 跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台属于机电类。由精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元组成。其中精密驱动及传动单元由直流伺服电机提供动力输出，并由两级大减速比蜗轮蜗杆机构和精密滚珠丝杠机构进行动力传递；信号检测及分析单元由精密位移传感器、精密拉压力传感器及与直流伺服电机同轴刚性连接的编码器组成；装夹、连接及支撑单元包括用于定位及安装标准试件的夹具组件等。本发明可与成像仪器兼容，并在其观测下开展针对宏观试件的跨尺度原位微纳米复合载荷测试，对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了崭新的测试方法。

Description

跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台

技术领域         

本发明涉及机电类，特别涉及一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台。可在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）的原位监测下进行包括原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试、原位拉伸/剪切、压缩/剪切测试在内的复合载荷力学测试，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。

背景技术

原位纳米力学测试是指在纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量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多种测试方法，如拉伸/压缩法，剪切法、扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/压缩测试方法能较全面的反应构件的强度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数，同时通过剪切测试亦可获得材料切变模量、剪切强度等相关力学参数。

目前，原位纳米拉伸/压缩测试尚处萌芽状态，具体表现在：（1）受到原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间的限制，目前的多数都集中在以微/纳机电***工艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的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）的跨尺度原位纳米力学测试，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；（2）从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原位纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧的拉压两用的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展；（3）从测试内容上看，现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，更为发现针对特征尺寸厘米级以上试件的原位复合载荷测试仪，因此限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。

在原位纳米拉伸/压缩-剪切复合载荷力学测试技术应用之前，拉伸/压缩试验与剪切试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均匀地加载试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的拉伸机和剪切测试机是将材料拉断或剪断后，得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切极限等力学参数。传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏观尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能，亦未涉及到高分辨率显微成像***下的原位观测。

因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像***在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的拉伸/压缩-剪切复合载荷力学测试平台已十分必要。

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复合载荷力学性能测试平台，解决了传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏观尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像***下的原位观测；缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试，设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈；现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，更未发现针对特征尺寸厘米级以上试件的原位复合载荷测试仪，限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。本发明具有体积小，结构紧凑，可提供的测试内容丰富、测试精度高，刚度高的特点，可通过原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试及原位拉伸/压缩-剪切负荷测试获得材料的弹性模量、切变模量、屈服极限和强度极限等重要力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试手段。本发明可对特征尺寸厘米级以上三维试件实施跨尺度原位复合载荷力学测试的平台，可进行包含原位拉伸/压缩测试、原位纯剪切测试及原位拉伸/压缩与剪切复合测试在内的三种力学测试试验，并可同步进行载荷/位移信号的检测与分析。

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复合载荷力学性能测试平台，包括精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元；所述的精密驱动及传动单元是：直流伺服电机1通过弹性联轴器5与一级蜗杆7连接并提供动力输出，且通过一级蜗轮蜗杆传动副和二级蜗轮蜗杆传动副将动力传递至精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21处，并进一步由丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ 51、52输出精密的直线往复运动；

所述的信号检测及控制单元包括精密接触式电容位移传感器22、拉压力传感器28和光电编码器31，根据直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源，其中，精密接触式电容位移传感器22的前端弹性探头与位移传感器固定挡板25相接触实现变形过程，精密接触式电容位移传感器22的主体部分通过位移传感器基座紧固螺钉42与位移传感器基座18间隙配合，并与标准试件夹具支撑架Ⅰ19连接；拉压力传感器28分别与力传感器固定挡板26和标准试件夹具支撑架Ⅱ 24通过力传感器紧固螺钉Ⅰ、Ⅱ 27、45刚性连接，位移传感器22前端弹性探头的伸缩方向、力传感器28的受力方向与标准试件2在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移/载荷信号检测的准确性；

所述的装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30、夹具压板Ⅰ、Ⅱ 3、32及标准试件2，其中，标准试件2安装在与其尺寸一致的燕尾槽型标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30中，并由与标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30通过压板紧固螺钉44紧固连接的夹具压板Ⅰ、Ⅱ3、32压紧，防止在压缩或剪切测试过程中标准试件2的自由移动；同时，测试平台的整体高度保证了其在安装于扫描电镜等成像仪器的载物平台之后完全符合成像的高度要求，即可与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等兼容使用；

所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆7与紧固在二级蜗杆11上的一级涡轮8组成；二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆11与二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ 9、13组成。

所述的直流伺服电机1通过电机紧固螺钉48与电机法兰盘53紧固连接，并由法兰盘固螺钉33直接与平台基座20紧固；一级蜗杆7与二级蜗杆11分别由一级蜗杆轴承54、一级蜗杆轴承座6及二级蜗杆轴承Ⅰ、Ⅱ 10、15、二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ 49、14固定于平台基座20上；一级蜗轮8与二级蜗轮9、13分别通过蜗轮连接螺钉Ⅰ、Ⅱ 34、50与一级蜗杆7及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21刚性连接；用于安装精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21的丝杠固定基座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 23、36、39、46分别由丝杠固定基座紧固螺钉Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ 43、38、40、35、37、47与平台基座20连接；二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ 49、14的直角型凹槽与平台基座20通过胶粘接的方式保证了两级蜗轮蜗杆副的中心距。

所述的标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30通过夹具紧固螺钉29与标准试件夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ19、24连接，标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30的通孔中心位置组成的圆周中心与标准试件2的几何中心点重合，其结构提供四种试件装夹模式，以保证测试平台可分别进行原位拉伸/压缩测试，双模式原位拉（压）剪转复合载荷测试及原位纯剪切测试，即测试平台与标准试件2拉伸/压缩轴线方向互成0°、30°、60°或90°角的加载方式，通过变换标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30的安装位置即可实现复合载荷测试功能；标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30与标准试件2的结构及尺寸相配合、更换。

所述的通过线切割工艺加工的丝杠固定基座Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ 23、39、36、46的安装孔中分别过盈安装有导向杆Ⅰ、Ⅱ 17、55，且该导向杆Ⅰ、Ⅱ 17、55与丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ 51、52的通孔间隙配合，即可确保在测试过程中，丝杠方螺母51、52不会因为标准试件2测力点与滚珠丝杠16、21受力点的高度差而产生侧翻和倾覆现象。

测试平台可安装于显微成像仪器（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）的原位监测下进行包括原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试、原位拉伸/剪切、压缩/剪切测试在内的复合载荷力学测试，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明体积小巧，结构紧凑，测试精度高，可提供的测试内容丰富、变形/位移/载荷速率可控，可安装于各种主流电子显微镜真空腔体的载物平台上，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，对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线。综上所述，本发明对丰富原位纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。

附图说明

图 1为本发明的立体外观结构示意图；

图 2为本发明的主视示意图；

图 3为本发明的俯视示意图；

图 4为本发明的左视示意图；

图 5至图9为本发明复合载荷测试原理示意图；其中图6为纯拉伸/压缩测试模式；图7为纯剪切测试模式；图8及图9为拉伸/压缩-剪切负荷测试模式。

图中：1、直流伺服电机 2、标准试件 3、夹具压板Ⅰ4、标准试件夹具Ⅰ5、弹性联轴节 6、一级蜗杆轴承座 7、一级蜗杆 8、一级蜗轮  9、二级蜗轮Ⅰ10、二级蜗杆轴承Ⅰ 11、 二级蜗杆12、一级蜗轮连接螺钉 13、二级涡轮Ⅱ 14、二级蜗杆轴承座Ⅱ 15、二级蜗杆轴承 16、精密滚珠丝杠Ⅰ 17、导向杆Ⅰ 18、位移传感器基座 19、标准试件夹具支撑架Ⅰ 20、平台基座 21、精密滚珠丝杠Ⅱ 22、精密接触式电容位移传感器 23、丝杠固定基座Ⅰ 24、标准试件夹具支撑架Ⅱ 25、位移传感器固定挡板 26、力传感器固定挡板 27、力传感器紧固螺钉Ⅰ 28、拉压力传感器 29、 夹具紧固螺钉 30、标准试件夹具Ⅱ 31、光电编码器 32、夹具压板Ⅱ 33、法兰盘紧固螺钉 34、二级蜗轮连接螺钉Ⅰ35、丝杠固定基座紧固螺钉Ⅰ 36、丝杠固定基座Ⅱ 37、丝杠固定基座紧固螺钉Ⅱ 38、丝杠固定基座紧固螺钉Ⅲ 39、丝杠固定基座Ⅲ 40、丝杠固定基座紧固螺钉Ⅳ 41、 支撑架紧固螺钉 42、位移传感器基座紧固螺钉 43、丝杠固定基座紧固螺钉Ⅴ 44、压板紧固螺钉45、力传感器紧固螺钉Ⅱ 46、丝杠固定基座Ⅳ 47、丝杠固定基座紧固螺钉Ⅵ 48、电机紧固螺钉 49、二级蜗杆轴承座Ⅰ 50、二级蜗轮连接螺钉Ⅱ 51、丝杠方螺母Ⅰ 52、丝杠方螺母Ⅱ  53、电机法兰盘 54、一级蜗杆轴承 55、导向杆Ⅱ。 

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9，本发明的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，包括精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元；所述的精密驱动及传动单元是：直流伺服电机1通过弹性联轴器5与一级蜗杆7连接并提供动力输出，且通过一级蜗轮蜗杆传动副和二级蜗轮蜗杆传动副将动力传递至精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21处，并进一步由丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ 51、52输出精密的直线往复运动；

所述的信号检测及控制单元包括精密接触式电容位移传感器22、拉压力传感器28和光电编码器31，根据直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源，其中，精密接触式电容位移传感器22的前端弹性探头与位移传感器固定挡板25相接触实现变形过程，精密接触式电容位移传感器22的主体部分通过位移传感器基座紧固螺钉42与位移传感器基座18间隙配合，并与标准试件夹具支撑架Ⅰ19连接；拉压力传感器28分别与力传感器固定挡板26和标准试件夹具支撑架Ⅱ 24通过力传感器紧固螺钉Ⅰ、Ⅱ 27、45刚性连接，位移传感器22前端弹性探头的伸缩方向、力传感器28的受力方向与标准试件2在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移/载荷信号检测的准确性；

所述的装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30、夹具压板Ⅰ、Ⅱ 3、32及标准试件2，其中，标准试件2安装在与其尺寸一致的燕尾槽型标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30中，并由与标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30通过压板紧固螺钉44紧固连接的夹具压板Ⅰ、Ⅱ3、32压紧，防止在压缩或剪切测试过程中标准试件2的自由移动；同时，测试平台的整体高度保证了其在安装于扫描电镜等成像仪器的载物平台之后完全符合成像的高度要求，即可与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等兼容使用；

所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆7与紧固在二级蜗杆11上的一级涡轮8组成；二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆11与二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ 9、13组成。

所述的直流伺服电机1通过电机紧固螺钉48与电机法兰盘53紧固连接，并由法兰盘固螺钉33直接与平台基座20紧固；一级蜗杆7与二级蜗杆11分别由一级蜗杆轴承54、一级蜗杆轴承座6及二级蜗杆轴承Ⅰ、Ⅱ 10、15、二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ 49、14固定于平台基座20上；一级蜗轮8与二级蜗轮9、13分别通过蜗轮连接螺钉Ⅰ、Ⅱ 34、50与一级蜗杆7及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21刚性连接；用于安装精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21的丝杠固定基座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 23、36、39、46分别由丝杠固定基座紧固螺钉Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ 43、38、40、35、37、47与平台基座20连接；二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ 49、14的直角型凹槽与平台基座20通过胶粘接的方式保证了两级蜗轮蜗杆副的中心距。

所述的标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30通过夹具紧固螺钉29与标准试件夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ19、24连接，标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30的通孔中心位置组成的圆周中心与标准试件2的几何中心点重合，其结构提供四种试件装夹模式，以保证测试平台可分别进行原位拉伸/压缩测试，双模式原位拉（压）剪转复合载荷测试及原位纯剪切测试，即测试平台与标准试件2拉伸/压缩轴线方向互成0°、30°、60°或90°角的加载方式，通过变换标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30的安装位置即可实现复合载荷测试功能；标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30与标准试件2的结构及尺寸相配合、更换。

所述的通过线切割工艺加工的丝杠固定基座Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ 23、39、36、46的安装孔中分别过盈安装有导向杆Ⅰ、Ⅱ 17、55，且该导向杆Ⅰ、Ⅱ 17、55与丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ51、52的通孔间隙配合，即可确保在测试过程中，丝杠方螺母51、52不会因为标准试件2测力点与滚珠丝杠16、21受力点的高度差而产生侧翻和倾覆现象。

测试平台可安装于显微成像仪器（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）的原位监测下进行包括原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试、原位拉伸/剪切、压缩/剪切测试在内的复合载荷力学测试，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。

本发明所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，主要由精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元组成。其中的精密驱动单元由直流伺服电机1、弹性联轴器5、一级蜗轮蜗杆副、二级蜗轮蜗杆副、精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ 16、21等组成，两级蜗轮蜗杆副均可提供1:50的极大减速比，即通过上述传动环节可将直流伺服电机1输出的精密驱动转矩实现较大程度的减速增矩，最终输出超低应变速率，以满足超低速准静态加载的测试要求。其中的信号检测及控制单元主要由精密接触式电容位移传感器22、拉压力传感器28和光电编码器31构成，可针对直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源。测试平台的精巧结构可使其安装于各种主流电子显微镜真空腔体的载物平台上，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，并且完全符合上述仪器设备对成像的具体要求，其中涉及的由直流伺服电机1、精密接触式电容位移传感器22、拉压力传感器28和光电编码器31和相关供电及信号引线可通过上述仪器设备的封闭挡板外置于仪器的腔体之外，以便在成像设备外部人为地对测试过程进行合理控制。

参阅附图1至图9，本发明所涉及的一种可用于原位纳米力学测试的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，是根据Hitachi TM-1000型扫描电镜设计的，该装置主体部分的整体尺寸为93mm×34mm×99mm，同时可安装在各种主流扫描电子显微镜和其他显微成像***的腔体内部。直流伺服电机1的型号为maxon RE-MAX型，被测标准试件2为铜基非晶合金材料，其总长度为16mm，最小宽度为1mm，光电编码器31为HEDL9140-500线的高性能光电编码器，配合EPOS型伺位置控制单元可对直流伺服电机1进行精确控制，进而保证测试过程的应变速率可调。精密接触式电容位移传感器22（型号为WYM-1型）和高精度拉压力传感器28（型号为UNCLB-5000型）用以同步检测拉伸/压缩过程中的位移/载荷信号，可针对直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源。

本发明在具体的测试过程中，首先，将被测标准试件2装夹在用于原位拉伸（压缩）剪切复合载荷测试的标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ 4、30的燕尾槽型夹具中，并通过调整夹具的位置及利用水平仪和千分表的检测来保证试件测试过程中的共面性和准确位置。标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ4、30的特殊结构可提供四种试件装夹模式，以保证测试平台可分别进行原位拉伸/压缩测试，双模式原位拉（压）剪转复合载荷测试及原位纯剪切测试，详见附图5至9说明，即测试平台可分别实现与标准试件2拉伸/压缩轴线方向互成0°、30°、60°及90°的加载方式，通过变换夹具的安装位置即可实现复合载荷测试功能。精密拉压力传感器28和精密接触式电容位移传感器22与标准试件2的受载方向平行布置。然后，关闭扫描电子显微镜真空腔密闭挡板并通过X、Y向精密驱动工作台的运动，在XOY平面内拟定测试点的准确位置。然后，给定复合载荷测试的变形或载荷控制方式，以脉冲输出的方式驱动开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精密直流伺服电机1输出精确角位移，最终实现对标准试件2的超低速准静态加载，测试过程中精密拉压力传感器28对拉伸压缩轴向的载荷F进行检测，并通过算法程序作必要的修正处理；同时试件的变形量h由精密接触式电容位移传感器22同步拾取，两路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测标准试件2在载荷作用下材料的变形损伤情况由高放大倍率的扫描电子显微镜成像***进行动态监测，并同时保存所捕获图像或录像，通过上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、切变模量及破坏强度等重要力学参数。此外，通过时序脉冲信号的控制，亦可实现步进加载，拉（压）剪疲劳测试等多模式测试方法，进而对材料在载荷作用下的变形损伤机制及力学服役行为进行深入研究。

Claims (6)

1.一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：包括精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元；

所述的精密驱动及传动单元是：直流伺服电机（1）通过弹性联轴器（5）与一级蜗杆（7）连接并提供动力输出，且通过一级蜗轮蜗杆传动副和二级蜗轮蜗杆传动副将动力传递至精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（16、21）处，并进一步由丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ（51、52）输出精密的直线往复运动；

所述的信号检测及控制单元包括精密接触式电容位移传感器（22）、拉压力传感器（28）和光电编码器（31），根据直流伺服电机（1）的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源；该精密接触式电容位移传感器（22）的前端弹性探头与位移传感器固定挡板（25）相接触实现变形过程，精密接触式电容位移传感器（22）的主体部分通过位移传感器基座紧固螺钉（42）与位移传感器基座（18）间隙配合，并与标准试件夹具支撑架Ⅰ（19）连接；拉压力传感器（28）分别与力传感器固定挡板（26）和标准试件夹具支撑架Ⅱ（24）通过力传感器紧固螺钉Ⅰ、Ⅱ（27、45）刚性连接，位移传感器（22）前端弹性探头的伸缩方向、力传感器（28）的受力方向与标准试件（2）在载荷作用下的伸缩方向相同；

所述的装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）、夹具压板Ⅰ、Ⅱ（3、32）及标准试件（2），该标准试件（2）安装在与其尺寸一致的燕尾槽型标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）中，并由与标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）通过压板紧固螺钉（44）紧固连接的夹具压板Ⅰ、Ⅱ（3、32）压紧。

2. 根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：所述的直流伺服电机（1）通过电机紧固螺钉（48）与电机法兰盘（53）紧固连接，并由法兰盘固螺钉（33）直接与平台基座（20）紧固；一级蜗杆（7）与二级蜗杆（11）分别由一级蜗杆轴承（54）、一级蜗杆轴承座（6）及二级蜗杆轴承Ⅰ、Ⅱ（10、15）、二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ（49、14）固定于平台基座（20）上；一级蜗轮（8）与二级蜗轮（9、13）分别通过蜗轮连接螺钉Ⅰ、Ⅱ（34、50）与一级蜗杆（7）及精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（16、21）刚性连接；用于安装精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（16、21）的丝杠固定基座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（23、36、39、46）分别由丝杠固定基座紧固螺钉Ⅴ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ（43、38、40、35、37、47）与平台基座（20）连接；二级蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ（49、14）的直角型凹槽与平台基座（20）通过胶粘接的方式保证了两级蜗轮蜗杆副的中心距。

3.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆（7）与紧固在二级蜗杆（11）上的一级涡轮（8）组成；二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆（11）与二级蜗轮Ⅰ、Ⅱ（9、13）组成。

4.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：所述的标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）通过夹具紧固螺钉（29）与标准试件夹具支撑架Ⅰ、Ⅱ（19、24）连接，标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）的通孔中心位置组成的圆周中心与标准试件（2）的几何中心点重合；测试平台与标准试件（2）拉伸/压缩轴线方向互成0°、30°、60°或90°角的加载方式，通过变换标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）的安装位置即可实现复合载荷测试功能；标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（4、30）与标准试件（2）的结构及尺寸相配合。

5.根据权利要求2所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：所述的丝杠固定基座Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ（23、39、36、46）的安装孔中分别过盈安装有导向杆Ⅰ、Ⅱ（17、55），且该导向杆Ⅰ、Ⅱ（17、55）与丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ（51、52）的通孔间隙配合。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：测试平台安装于显微成像仪器内。

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