CN103983526A - 跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，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，为接近服役条件下材料变形损伤机制的分析研究提供了新颖的测试手段。

Description

跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台

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剪切力学性能测试平台。可以在对样品进行剪切加载的同时，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，损伤以及剪切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剪切作用下的微观变形，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，其中原位剪切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剪切强度、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剪切加载和卸载，也能从一定程度上反映出样品的抗疲劳性能。

当前对于原位剪切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，测试内容陈旧等缺点，对结构紧凑，测量范围可调，测试内容多样的原位剪切测试装置少有提及，极大制约了研究的深入与发展。

在原位剪切力学性能测试技术应用之前，剪切试验一般是用大型剪切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，由试验机绘出载荷一挠度曲线，进而得到载荷作用下应力——应变曲线图，因此，最初的剪切试验机是将材料剪切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。传统剪切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***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剪切力学性能测试平台，解决了现有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***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，可通过原位剪切测试获得材料的剪切强度、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剪切加载和卸载，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剪切力学性能测试平台，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，其特征在于：所述精密驱动单元、传动及执行单元是：无刷直流伺服电动机1通过联轴器5与一级蜗杆8连接，且通过一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴11连接，再通过二级蜗轮蜗杆传动副与精密滚珠丝杠17连接，并进一步通过方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21与剪切部件固定端23、剪切压头22连接；其中无刷直流伺服电动机1与电机法兰盘4紧固连接，电机法兰盘4与平台底座25固定连接；联轴器5分别与电机输出轴和一级蜗杆8刚性连接，该一级蜗杆（8）和一级蜗杆轴6组成的一级蜗杆传动组件通过一级蜗杆轴承座7、定位销和沉头螺钉固定于平台底座25上；二级蜗杆轴11和二级蜗杆14组成的二级蜗杆传动组件与二级蜗杆固定端Ⅰ、Ⅱ12、15刚性连接并固定在平台底座25上，同时二级蜗轮轴11与二级蜗轮固定端10通过过盈配合连接；一级蜗轮9及二级蜗轮13分别与一级蜗杆8和精密滚珠丝杠17的轴端刚性连接；二级蜗杆14与二级蜗杆轴11刚性连接；位移传感器27分别与丝杠固定支撑座Ⅰ2和力传感器连接件18通过螺钉连接；力传感器19分别与力传感器连接件18和剪切压头22螺纹连接，并通过螺母紧固；力传感器19、力传感器连接件18和剪切压头22组成的传动及执行单元通过紧定螺钉和沉头螺钉与丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ20、21定位连接。

所述的信号控制及检测单元是：力传感器19分别与力传感器连接件18和剪切压头22螺纹连接，并通过螺母紧固。

所述的精密滚珠丝杠17为精密双向滚珠丝杠，设有两段旋向相异的小导程滚道，导轨滑块分别通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道Ⅰ、Ⅱ24、26上，并分别与丝杠固定支撑座Ⅰ、Ⅱ2、3刚性连接。

所述的丝杠固定支撑座Ⅰ、Ⅱ2、3通过过盈配合固定在平台底座25上，并与丝杠方螺母的通孔间隙配合。

所述的方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21的一侧为凹槽形。

所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆8及配合在二级蜗杆上的一级蜗轮9组成，二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆套14及二级蜗轮13组成，通过两级蜗轮蜗杆实现剪切速度要求。

所述的剪切压头22和剪切部件固定端23采用平行槽结构，在运动过程中向相反方向运动，能够实现对于扁平试件的剪切实验。

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，可自动拟合生成加剪切作用下的应力——应变曲线，实用性强。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

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的左视结构示意图；

图4为本发明的主视结构示意图。

图中：1、无刷直流伺服电动机；2、丝杠固定支撑座Ⅰ；3、丝杠固定支撑座Ⅱ；4、电机法兰盘；5、联轴器；6、一级蜗杆轴；7、一级蜗杆轴承座；8、一级蜗杆；9、一级蜗轮；10、二级蜗轮固定端；11、二级蜗杆轴；12、二级蜗杆固定端Ⅰ；13、二级蜗轮；14、二级蜗杆套；15、二级蜗杆固定端Ⅱ； 16、丝杠固定端；17、精密滚珠丝杠；18、力传感器连接件；19、力传感器；20、方螺母Ⅰ；21、方螺母Ⅱ；22、剪切压头；23、剪切部件固定端；24、精密导轨轨道Ⅰ；25、平台底座；26、精密导轨轨道Ⅱ；27、位移传感器。

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所示，本发明的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，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1通过波纹管弹性式联轴器5与一级蜗杆8连接，且通过由一级蜗杆8及一级蜗轮9所组成的一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴11连接，再通过二级蜗杆14及二级蜗轮13组成的二级蜗杆固定端Ⅰ、Ⅱ12、15刚性连接并固定在平台底座25上，同时二级蜗轮轴11与丝杠固定端10通过过盈配合连接。并进一步通过方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21与剪切压头22连接；其中无刷直流伺服电动机1与电机法兰盘4紧固连接，电机法兰盘4与平台底座25固定连接；联轴器5分别与电机输出轴和一级蜗杆轴8刚性连接，该一级蜗杆8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7、定位销和沉头螺钉固定于平台底座25上；二级蜗杆轴11和二级蜗杆轴承组成的二级蜗杆传动组件与二级蜗杆固定端Ⅰ、Ⅱ12、15通过过盈配合连接；二级蜗杆14与二级蜗杆轴11刚性连接；精密滚珠丝杠17的丝杠固定端16与平台底座25连接，丝杠固定支撑座Ⅰ、Ⅱ2、3与平台底座25连接；力传感器19分别与力传感器连接件18和剪切压头22螺纹连接，并通过螺母紧固；力传感器19、力传感器连接件18和剪切压头22组成的传动及执行单元通过紧定螺钉和沉头螺钉与方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21定位连接。

所述的信号控制及检测单元包括力传感器19和光电编码器，可以针对直流伺服电动机1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19分别与力传感器连接件18和剪切压头22螺纹连接，并通过螺母紧固；该力传感器19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。

所述的精密双向滚珠丝杠设有两段旋向相异的小导程滚道，导轨滑块分别通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道Ⅰ、Ⅱ24、26上，并分别与丝杠固定支撑座Ⅰ、Ⅱ2、3刚性连接。

所述的方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21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丝杠方螺母间的不同步问题，从而保证了剪切压头22的实际加载方向与理论加载方向一致。

所述的丝杠固定支撑座Ⅰ2与导向杆一端过盈装配，该导向杆的另一端安装在丝杠固定支撑座Ⅱ3，并通过螺钉夹紧，方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21上的精加工孔与丝杠间隙配合，即可在误差允许范围内确保在整个测试过程中，方螺母Ⅰ、Ⅱ20、21不会由于负载的存在而产生倾覆或者侧翻现象。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，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，其特征在于：所述精密驱动单元、传动及执行单元是：无刷直流伺服电动机（1）通过联轴器（5）与一级蜗杆（8）连接，且通过一级蜗轮蜗杆传动副与二级蜗杆轴（11）连接，再通过二级蜗轮蜗杆传动副与精密滚珠丝杠（17）连接，并进一步通过方螺母Ⅰ、Ⅱ（20、21）与剪切部件固定端（23）、剪切压头（22）连接；其中无刷直流伺服电动机（1）与电机法兰盘（4）紧固连接，电机法兰盘（4）与平台底座（25）固定连接；联轴器（5）分别与电机输出轴和一级蜗杆（8）刚性连接，该一级蜗杆（8）和一级蜗杆轴（6）组成的一级蜗杆传动组件通过一级蜗杆轴承座（7）、定位销和沉头螺钉固定于平台底座（25）上；二级蜗杆轴（11）和二级蜗杆（14）组成的二级蜗杆传动组件与二级蜗杆固定端Ⅰ、Ⅱ（12、15）刚性连接并固定在平台底座（25）上，同时二级蜗轮轴11与二级蜗轮固定端（10）通过过盈配合连接；一级蜗轮（9）及二级蜗轮（13）分别与一级蜗杆（8）和精密滚珠丝杠（17）的轴端刚性连接；二级蜗杆（14）与二级蜗杆轴（11）刚性连接；位移传感器（27）分别与丝杠固定支撑座Ⅰ（2）和力传感器连接件（18）通过螺钉连接；力传感器（19）分别与力传感器连接件（18）和剪切压头（22）螺纹连接，并通过螺母紧固；力传感器（19）、力传感器连接件（18）和剪切压头（22）组成的传动及执行单元通过紧定螺钉和沉头螺钉与丝杠螺母Ⅰ、Ⅱ（20、21）定位连接。

2.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，其特征在于：所述的信号控制及检测单元是：力传感器（19）分别与力传感器连接件（18）和剪切压头（22）螺纹连接，并通过螺母紧固；位移传感器（27）分别与丝杠固定支撑座Ⅰ（2）和力传感器连接件（18）通过螺钉连接。

3.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，其特征在于：所述的精密滚珠丝杠（17）为精密双向滚珠丝杠，设有两段旋向相异的小导程滚道，导轨滑块分别通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道Ⅰ、Ⅱ（24、26）上，并分别与丝杠固定支撑座Ⅰ、Ⅱ（2、3）刚性连接。

4.根据权利要求3所述的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，其特征在于：所述的丝杠固定支撑座Ⅰ、Ⅱ（2、3）通过过盈配合固定在平台底座（25）上，并与丝杠方螺母的通孔间隙配合。

5.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，其特征在于：所述的方螺母Ⅰ、Ⅱ（20、21）的一侧为凹槽形。

6.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，其特征在于：所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆（8）及配合在二级蜗杆上的一级蜗轮（9）组成，二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆套（14）及二级蜗轮（13）组成，通过两级蜗轮蜗杆实现剪切速度要求。

7.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位剪切力学性能测试平台，其特征在于：所述的剪切压头（22）和剪切部件固定端（23）采用平行槽结构，在运动过程中向相反方向运动，能够实现对于扁平试件的剪切实验。