CN109297840A - 脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法及装置，属于机械疲劳测试领域。该脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法是将薄膜材料附着在铌酸锂(LN)基体，用激光束单独照射LN基体，并施加脉冲电压，LN基体带动薄膜进行拉伸‑收缩周期变化，通过测试薄膜位移，得到机械疲劳寿命。该装置采用了激光束设备，电力***和机械疲劳测试***；该装置通过脉冲的改变来诱发薄膜材料机械疲劳，通过对薄膜材料进行位移监控，得到其机械疲劳寿命，该方法对薄膜的作用仅是铌酸锂薄膜基体变形所产生的拉力，没有其他电场、磁场、热场等影响，避免了多场耦合的影响，实验结果的精度有很大提高，该方法能够研究揭示薄膜材料在小尺度下的基本变形机制。
Description
技术领域
本发明涉及机械疲劳测试技术领域，具体涉及一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法及装置。
背景技术
薄膜材料作为结构组件广泛应用于微电机械***(MEMS，Micro ElectroMechanical Systems)中。是在微电子技术的基础上，设计和制造特征尺寸在亚微米至毫米的微型机械，是集传感、信息处理和执行于一体的集成微***。MEMS的有点在于其大批量、低成本、高可靠性等，由于这些特性所以广泛应用于电子、医疗、航空航天和汽车等领域。常见的MEMS器件有：制动器、化学反应器、微型传感器发电装置以及生物器件等。微尺度下的器件中的一些机械性能和物理性能等在微观下会出现不同于传统机械和特有规律，这种现象就是通常所说的尺寸效应。微米尺度下的器件在工作的时候发生高频率的振动，致使薄膜疲劳，从而影响其工作的稳定性。MEMS的构件尺寸一般都在微米量级，常用的设备的方法几乎不能直接用于微构件的力学性能的研究，所以寻找和发明微结构构件中薄膜材料的疲劳性能的研究方法至关重要。
铌酸锂(LiNbO3，LN)是一种具有优异电光、声光、弹光、压电、热释电和非线性特性的压电陶瓷。在压电陶瓷材料中，LN作为其中的一种具有压电陶瓷的性质的材料，即：给压电陶瓷施加脉冲电压，材料会发生变形(1％～10％)。
正常情况下，压电陶瓷材料需要足够高的电压(4KV以上)才能正常使用，如此高电压条件下，薄膜会被击穿从而受损失效，但LN材料的特殊性质，采用激光束单独对LN照射，只需提供低电压(20V以下)，就能正常使用。
随着MEMS设备和微/纳米***的不断发展，对微器件中广泛使用的无约束微米尺度金属材料的力学性能，特别是长期服役性能提出了越来越高的要求。值得注意的是，当微米尺度金属的几何尺度逐渐接近材料内部的微观结构尺度时，其往往表现出与块体材料不同的力学行为。这是因为作为二维结构材料，薄膜的一个方向尺度比其它2个方向的尺度小得多(至少小20倍以上，一般要小几百倍以上)，因此，薄膜材料的机械疲劳实验由于受到样品制备、夹持方式以及载荷位移测量精度限制而比较难于实施，常规块体材料的实验设备和方法不在适用。深入研究微米尺度金属材料的疲劳行为及其尺寸效应，不仅对微/纳米机械***及器件的可靠性设计具有实际的指导意义，且对揭示材料在小尺度下的基本变形机制具有重要的科学意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法及装置，该装置是一种研究微米尺度金属材料的疲劳行为及其尺寸效应的特殊装置，该装置通过脉冲的改变来诱发薄膜材料机械疲劳，通过对薄膜材料进行位移监控，得到其机械疲劳寿命，该方法对薄膜的作用仅是铌酸锂薄膜基体变形所产生的拉力，没有其他电场、磁场、热场等影响，避免了多场耦合的影响，实验结果的精度有很大的提高，该方法能够研究揭示薄膜材料在小尺度下的基本变形机制。
本发明的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤1：
将待测试的薄膜材料附着铌酸锂薄膜基体表面，得到附着在铌酸锂薄膜基体表面的薄膜材料；
步骤2：
用激光束单独照射铌酸锂薄膜基体，并施加脉冲电压，使铌酸锂薄膜基体的电压产生周期变化；其中，激光束的激光功率为50～100mW，铌酸锂薄膜基体的电压为从0V到5V～30V进行周期变化，周期变化频率为根据测试的薄膜材料的变形恢复周期确定；
当电压为定值UV时，电压施加在铌酸锂薄膜基体上，LN发生拉伸变形，变形传递给薄膜，薄膜受拉；其中，所述的UV为5V～30V范围中的一个固定值；
当电压为0V时，LN两端电压为0V，LN收缩，收缩传递给薄膜，薄膜收缩，经过一个周期变化，薄膜材料恢复至初始状态；
循环往复，LN在有无电压的状态作用下，发生拉伸收缩，促使薄膜材料处于“拉——零”疲劳状态；
步骤3：
通过对薄膜材料的位移进行监控，得到疲劳S-N曲线，从而得到薄膜材料的机械疲劳寿命。
所述的步骤1中，所述的待测试的薄膜材料附着铌酸锂薄膜基体表面采用的方法为：磁控溅射、离子镀、电子束沉积、离子束沉积、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种。
所述的步骤2中，所述的周期变化频率为10～40s。
所述的步骤2中，0V持续的时间为薄膜材料恢复至初始状态的时间，薄膜材料处于“零”状态。
所述的步骤2中，当电压为定值UV时，在一个周期变化频率上，铌酸锂薄膜基体具有压电陶瓷性质。
上述一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，可以采用如下脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，该脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置包括铌酸锂薄膜基体(LN薄膜基体)、激光束设备、电力***和机械疲劳测试***；
所述的电力***包括脉冲电源；
所述的激光束设备设置在未设置薄膜材料的铌酸锂薄膜基体一侧的相对应位置，激光束设备用于提供能够单独照射在铌酸锂薄膜基体上激光束；所述的脉冲电源和铌酸锂薄膜基体两端相连；所述的机械疲劳测试***设置在待测试的薄膜材料相对应位置。
所述的电力***还包括补偿电阻、电流表、电压表和导线。
所述的电力***中，电压表通过导线和铌酸锂薄膜基体两端相连，脉冲电源、补偿电阻和电流表依次串联，并连接在铌酸锂薄膜基体两端。
所述的脉冲电源提供的脉冲电压为0V～30V。
所述的机械疲劳测试***包括位移测试设备和数据接收处理显示计算机，位移测试设备和数据接收处理显示计算机相连，位移测试设备测得的位移变化数据传输至数据接收处理显示计算机，经过处理，输出测试结果。
所述的位移测试设备优选为激光位移测距传感器。
本发明的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法中，采用铌酸锂(LN)作为薄膜材料基体，薄膜附着在铌酸锂表面，通过采用激光束对LN进行照射，使其具备压电陶瓷特性，激光束对薄膜材料不产生任何作用，采用激光束对LN进行照射的同时施加脉冲电压，使得LN的电压成周期变化，从而实现LN的变形，将变形传递给薄膜材料，诱发薄膜材料发生拉伸变形，从而测试出薄膜材料的机械疲劳寿命。
本发明的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法及装置，其有益效果为：
本发明的方法对薄膜材料进行研究分析，由于薄膜的特殊性，外部因素若是直接作用在薄膜本身上，导致薄膜受损甚至失效。本发明通过借助一种材料作为薄膜的基体，使薄膜和基体粘合在一起，让基体材料成为一种媒介，这样就可以直接处理基体，间接地观察薄膜的变化。与常规直接对薄膜进行处理有所不同，本发明确保薄膜完好的性能。其次，本发明单一研究薄膜的机械疲劳，只对LN基体单独施加电压，对薄膜的作用也仅是基体变形所产生的拉力，没有其他电场、磁场、热场等影响，也避免了多场耦合的影响，实验结果的精度有很大的提高。
附图说明
图1为本发明的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置结构示意图。
图中，1为薄膜材料，2为LN薄膜基体，3为激光束设备，4为脉冲电源，5为补偿电阻，6为电流表，7为电压表，8为激光位移测距传感器，9为数据接收处理显示计算机。
图2为本发明的实施例1的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试中，周期变化时间和电压U的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤1：
将待测试的薄膜材料以磁控溅射的方法，溅射在铌酸锂薄膜基体表面，得到附着在铌酸锂薄膜基体表面的薄膜材料；
步骤2：
用激光束单独照射铌酸锂薄膜基体，并施加脉冲电压，使铌酸锂薄膜基体的电压产生周期变化；其中，激光束的激光功率为70mW，铌酸锂薄膜基体的电压为从0V到10V进行周期变化，周期变化频率为30s；
本实施例中，铌酸锂薄膜基体的电压和周期时间的关系图见图2。
当电压为定值10V时，电压施加在铌酸锂薄膜基体上，铌酸锂薄膜基体发生拉伸变形，变形传递给薄膜材料，薄膜材料受拉；
当电压为0V时，铌酸锂薄膜基体两端电压为0V，铌酸锂薄膜基体收缩，收缩传递给薄膜材料，薄膜材料收缩，经过一个周期变化30s，薄膜材料恢复至初始状态；
循环往复，铌酸锂薄膜基体在有无电压的状态作用下，发生拉伸收缩，促使薄膜材料处于“拉——零”疲劳状态；
步骤3：
通过对薄膜材料的位移进行监控，得到疲劳S-N曲线，从而得到薄膜材料的机械疲劳寿命。
其中，激光位移测距传感器8的作用是监控薄膜材料的位移变化，从而计算出不同脉冲电压诱发机械薄膜疲劳的循环应变幅。
Δε＝(l-l0)/l0，其中l为变化后的长度，l0为初始长度，Δε为循环应变幅。激光位移测距传感器8测得的位移为l-l0
所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置是应变控制的机械疲劳，得到循环应变幅和疲劳寿命，即完成测试。
薄膜材料的表面损伤行为采用显微镜观察。
本实施例的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，采用如下脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，该装置的结构示意图见图1。该脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置包括铌酸锂薄膜基体2(LN薄膜基体2)、激光束设备3、电力***和机械疲劳测试***；
所述的电力***包括脉冲电源、补偿电阻、电流表、电压表和导线。
本实施例选用的待测试的薄膜材料1为Au，将薄膜材料溅射在LN薄膜基体2的一侧。
所述的激光束设备3设置在未设置薄膜材料的铌酸锂薄膜基体2一侧的相对应位置，激光束设备3用于提供能够单独照射在铌酸锂薄膜基体2上激光束；所述的脉冲电源4和铌酸锂薄膜基体2两端相连；所述的机械疲劳测试***包括激光位移测距传感器8和数据接收处理显示计算机9，激光位移测距传感器8和数据接收处理显示计算机9相连，激光位移测距传感器8测得的位移变化数据传输至数据接收处理显示计算机9，经过处理，输出测试结果。
所述的机械疲劳测试***中的激光位移测距传感器8用于测量待测试的薄膜材料1的位移，激光位移测距传感器8设置在待测试的薄膜材料1的上方。
所述的电力***中，电压表7通过导线和铌酸锂薄膜基体两端相连，脉冲电源4、补偿电阻5和电流表6依次串联，并连接在铌酸锂薄膜基体两端。
实施例2
一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤1：
将待测试的薄膜材料以磁控溅射的方法，溅射在铌酸锂薄膜基体表面，得到附着在铌酸锂薄膜基体表面的薄膜材料；
步骤2：
用激光束单独照射铌酸锂薄膜基体，并施加脉冲电压，使铌酸锂薄膜基体的电压产生周期变化；其中，激光束的激光功率为100mW，铌酸锂薄膜基体的电压为从0V到20V进行周期变化，周期变化频率为10s；
当电压为定值20V时，电压施加在铌酸锂薄膜基体上，铌酸锂薄膜基体发生拉伸变形，变形传递给薄膜材料，薄膜材料受拉；
当电压为0V时，铌酸锂薄膜基体两端电压为0V，铌酸锂薄膜基体收缩，收缩传递给薄膜材料，薄膜材料收缩，经过一个周期变化10s，薄膜材料恢复至初始状态；
循环往复，铌酸锂薄膜基体在有无电压的状态作用下，发生拉伸收缩，促使薄膜材料处于“拉——零”疲劳状态；
步骤3：
通过对薄膜材料的位移进行监控，得到疲劳S-N曲线，从而得到薄膜材料的机械疲劳寿命。
薄膜材料的表面损伤行为采用显微镜观察。
本实施例的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，采用的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，同实施例1。
实施例3
一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤1：
将待测试的薄膜材料以磁控溅射的方法，溅射在铌酸锂薄膜基体表面，得到附着在铌酸锂薄膜基体表面的薄膜材料；
步骤2：
用激光束单独照射铌酸锂薄膜基体，并施加脉冲电压，使铌酸锂薄膜基体的电压产生周期变化；其中，激光束的激光功率为50mW，铌酸锂薄膜基体的电压为从0V到30V进行周期变化，周期变化频率为40s；
当电压为定值30V时，电压施加在铌酸锂薄膜基体上，铌酸锂薄膜基体发生拉伸变形，变形传递给薄膜材料，薄膜材料受拉；
当电压为0V时，铌酸锂薄膜基体两端电压为0V，铌酸锂薄膜基体收缩，收缩传递给薄膜材料，薄膜材料收缩，经过一个周期变化40s，薄膜材料恢复至初始状态；
循环往复，铌酸锂薄膜基体在有无电压的状态作用下，发生拉伸收缩，促使薄膜材料处于“拉——零”疲劳状态；
步骤3：
通过对薄膜材料的位移进行监控，得到疲劳S-N曲线，从而得到薄膜材料的机械疲劳寿命。
薄膜材料的表面损伤行为采用显微镜观察。
本实施例的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，采用的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，同实施例1。
实施例4
一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，包括以下步骤：
步骤1：
将待测试的薄膜材料以磁控溅射的方法，溅射在铌酸锂薄膜基体表面，得到附着在铌酸锂薄膜基体表面的薄膜材料；
步骤2：
用激光束单独照射铌酸锂薄膜基体，并施加脉冲电压，使铌酸锂薄膜基体的电压产生周期变化；其中，激光束的激光功率为80mW，铌酸锂薄膜基体的电压为从0V到5V进行周期变化，周期变化频率为20s；
当电压为定值5V时，电压施加在铌酸锂薄膜基体上，铌酸锂薄膜基体发生拉伸变形，变形传递给薄膜材料，薄膜材料受拉；
当电压为0V时，铌酸锂薄膜基体两端电压为0V，铌酸锂薄膜基体收缩，收缩传递给薄膜材料，薄膜材料收缩，经过一个周期变化20s，薄膜材料恢复至初始状态；
循环往复，铌酸锂薄膜基体在有无电压的状态作用下，发生拉伸收缩，促使薄膜材料处于“拉——零”疲劳状态；
步骤3：
通过对薄膜材料的位移进行监控，得到疲劳S-N曲线，从而得到薄膜材料的机械疲劳寿命。
薄膜材料的表面损伤行为采用显微镜观察。
本实施例的一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，采用的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，同实施例1。
Claims (10)
1.一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：
将待测试的薄膜材料附着铌酸锂薄膜基体表面，得到附着在铌酸锂薄膜基体表面的薄膜材料；
步骤2：
用激光束单独照射铌酸锂薄膜基体，并施加脉冲电压，使铌酸锂薄膜基体的电压产生周期变化；其中，激光束的激光功率为50～100mW，铌酸锂薄膜基体的电压为从0V到5V～30V进行周期变化，周期变化频率为根据测试的薄膜材料的变形恢复周期确定；
当电压为定值UV时，电压施加在铌酸锂薄膜基体上，LN发生拉伸变形，变形传递给薄膜，薄膜受拉；其中，所述的UV为5V～30V范围中的一个固定值；
当电压为0V时，LN两端电压为0V，LN收缩，收缩传递给薄膜，薄膜收缩，经过一个周期变化，薄膜材料恢复至初始状态；
循环往复，LN在有无电压的状态作用下，发生拉伸收缩，促使薄膜材料处于“拉——零”疲劳状态；
步骤3：
通过对薄膜材料的位移进行监控，得到疲劳S-N曲线，从而得到薄膜材料的机械疲劳寿命。
2.如权利要求1所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的待测试的薄膜材料附着铌酸锂薄膜基体表面采用的方法为：磁控溅射、离子镀、电子束沉积、离子束沉积、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种。
3.如权利要求1所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的周期变化频率为10～40s。
4.如权利要求1所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，其特征在于，所述的步骤2中，0V持续的时间为薄膜材料恢复至初始状态的时间，薄膜材料处于“零”状态。
5.如权利要求1所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试方法，其特征在于，所述的步骤2中，当电压为定值UV时，在一个周期变化频率上，铌酸锂薄膜基体具有压电陶瓷性质。
6.一种脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，其特征在于，该脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置包括铌酸锂薄膜基体、激光束设备、电力***和机械疲劳测试***；
所述的电力***包括脉冲电源；
所述的激光束设备设置在未设置薄膜材料的铌酸锂薄膜基体一侧的相对应位置，激光束设备用于提供能够单独照射在铌酸锂薄膜基体上激光束；所述的脉冲电源和铌酸锂薄膜基体两端相连；所述的机械疲劳测试***设置在待测试的薄膜材料相对应位置。
7.如权利要求6所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，其特征在于，所述的电力***还包括补偿电阻、电流表、电压表和导线；
所述的电力***中，电压表通过导线和铌酸锂薄膜基体两端相连，脉冲电源、补偿电阻和电流表依次串联，并连接在铌酸锂薄膜基体两端。
8.如权利要求6所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，其特征在于，所述的脉冲电源提供的脉冲电压为0V～30V。
9.如权利要求6所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，其特征在于，所述的机械疲劳测试***包括位移测试设备和数据接收处理显示计算机，位移测试设备和数据接收处理显示计算机相连。
10.如权利要求9所述的脉冲电压诱发薄膜材料机械疲劳测试装置，其特征在于，所述的位移测试设备为激光位移测距传感器。
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