CN110736672B - 常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，属于精密仪器技术领域。可实现在常压环境下对被测试验样品快速开展连续可变低温的微纳米压痕测试。包括宏定位驱动单元、微定位驱动单元、压入载荷/位移信号采集及控制单元、低温单元和夹持单元。通过宏定位驱动单元改变驱动微定位驱动单元与被测试样的相对位置，经过接触探测后，进而控制微定位驱动单元进行微纳米压痕测试；压入载荷/位移信号采集及控制单元实现压痕测试过程中的精确控制与信号采集；低温单元实现被测试样与测试压头的共同降温，夹持单元实现被测试样在低温液体中的固定。优点在于：结构简单，易于操作，能消除微纳米压痕测试中的热漂移问题。

Description

常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置
技术领域
本发明涉及精密仪器技术领域，特别涉及一种微纳米压痕响应的试验测试装置，尤指一种常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置。
背景技术
微纳米压痕测试技术通过驱动具有尖端的压头压入测量被测试件表面，同时记录压入与压出过程压头的位移值与所受的载荷值，获取载荷-位移曲线，通过对该曲线的数据处理，得到如硬度、弹性模量等诸多测试材料的力学信息，是一种操作简单、测量精准的微纳米力学测试手段。
随着材料科学的进步，能够在各种环境下的工作材料相继被开发出来，其中温度场是最常见的外部环境之一，因而与温度场相耦合的高温、低温微纳米压痕测试技术也随之相继被开发出来。其中国内外开发的低温微纳米压痕测试装置或仅能对单一温度点进行测试，或连续变温装置需要真空腔、多级杜瓦瓶等复杂且昂贵的配套装置，且操作复杂繁琐。此外，由于测试过程中低温被测试件与压头之间的温度常常存在差异，导致在二者接触过程中产生热变形，出现热漂移的现象，严重影响了低温微纳米压痕测试的准确性。若能够实现低成本、易于操作、消除接触温漂的连续变低温微纳米压痕测试，将大大降低测试成本，提高测试效率与精度，对材料在服役环境下的力学性能测试有着重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，可在常压环境下对被测试件进行连续变低温的微纳米压痕测试，解决现有低温微纳米压痕测试方法中测试装置结构复杂、存在热漂移等一系列问题。本发明涉及的测试方法与装置简单，能消除微纳米压痕测试中由温度差异导致的热漂移问题，对材料在低温下的力学性能研究提供了可靠手段，为揭示材料低温下的微观变形行为和损伤机制提供了崭新的测试方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，包括宏定位驱动单元、微定位驱动单元、压入载荷/位移信号采集及控制单元、低温单元和夹持单元；
所述宏定位驱动单元包括x向驱动平台15、y向驱动平台16和z向驱动平台1，y向驱动平台16放置于x向驱动平台15上方并固连，调控被测试件30在xy平面内的位置，z向驱动平台1调控压头29在z轴方向的位置，z向驱动平台1固定于基座25上；
所述微定位驱动单元包括柔性铰链5和压电叠堆6，其中压电叠堆6位于柔性铰链5内部并处于受压状态，保证通电后压电叠堆6无间隙推动压头29沿z轴负方向移动，柔性铰链6通过柔性铰链固定螺钉24固连在导向板I4上，导向板I4与z向驱动平台1相连，可随其沿z轴运动；
所述压入载荷/位移信号采集及控制单元包括精密力传感器23和电容式位移传感器7，其中，精密力传感器23与柔性铰链5通过螺纹固连，电容式位移传感器7通过旋转调整螺钉28夹持于夹持块8中，夹持块8通过连接螺钉27与悬臂梁3固连，悬臂梁3通过悬臂梁固定螺钉26与手动平台2固连，手动平台2与导向板I4连接，通过调整侧边旋钮可调节电容式位移传感器7与电容板9之间的间距，保证电容式位移传感器7与电容板9之间的间距时刻保持在电容式位移传感器7的量程范围内。
所述的低温单元包括被测试件腔10、帕尔贴片组18和隔热层19，其中，隔热层19平面一侧胶接于被测试件腔10x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向、y轴负方向与z轴负方向五个外表面处，凹槽侧背离试件腔10，帕尔贴片组18冷端胶接于被测试件腔10x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向、y轴负方向与z轴负方向五个外表面处，位于隔热层19凹槽中。
所述的夹持单元由压紧盖33与硅橡胶圈31组成，其中硅橡胶圈31位于压紧盖33下方凹槽内，被测试件30位于硅橡胶圈31与被测试件腔10内底部中间，并由被测试件固定螺钉32固定夹紧于硅橡胶圈31与被测试件腔10底部中间。
所述的精密力传感器23通过螺纹与隔热圆柱22固连，电容板9位于精密力传感器23与隔热圆柱22中间并被夹持固定，加热环21胶接于隔热圆柱22下方，压头夹持杆20胶接于加热环21下方，压头29胶接于压头夹持杆20下方，通过PID控制加热环21发热功率，保证由下方压头29传递过来的低温对上方的精密力传感器23不产生影响。
所述的帕尔贴片组18由直流电源供电，通过调节电源输出电压保证帕尔贴片组18的恒功率输出，在工作状态中，帕尔贴片组18与被测试件腔10相胶接一侧制冷并吸收被测试件腔10的热量，使被测试件腔10及内部组件的温度降低，帕尔贴片组18远离被测试件腔10的一侧发热，需预留空间对其进行散热。
所述的被测试件腔10放置于四根隔热空心杆14上，隔热空心杆14放置于导向板II17表面上，隔热空心杆14内部有长螺柱11穿过，长螺柱11下端旋进于导向板II17中的螺纹中，隔热圆环13套于长螺柱11上方并放置于被测试件腔10侧方平台上，螺母12旋进长螺柱11上方将被测试件腔10固定，隔热空心杆14与隔热圆环13将被测试件腔10产生的低温与金属件长螺柱11相隔离，阻值热量由下方的y向驱动平台16流向被测试件30区域。
所述的被测试件30通过硅橡胶圈31和压紧盖33紧密压合于被测试件腔10内底面上。
所述的被测试件腔10内固定被测试件30后，内部充入无水乙醇，无水乙醇的液面高于被测试件表面，且将压头29的下端浸泡，被测试件30与压头29同处于无水乙醇液体中。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：结构简单，成本低廉、易于操作，能够对腔体在常压环境下进行制冷，突破了低温压痕的苛刻环境限制；采用无水乙醇作为制冷介质，同时对被测试件与压头进行制冷，消除了测试过程中的热漂移问题，极大地提高了测试精度；采用隔热环、加热环等部件对低温部分进行了温度隔离，提升制冷效果的同时，对本发明中传感器等精密部件提供了保护作用。本发明为揭示低温下材料微观变形行为和损伤机制提供崭新的技术手段，具有良好的应用前景。
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为本发明的低温环境施加示意图；
图3为本发明涉及到的热漂移产生示意图；
图4为本发明的微定位驱动单元与压入载荷/位移信号采集及控制单元外观结构示意图；
图5为本发明的低温单元外观结构示意图；
图6为本发明的被测试件腔的外观结构示意图；
图7为本发明的帕尔贴片组的外观结构示意图；
图8为本发明的隔热层的外观结构示意图；
图9为本发明的低温单元俯视示意图；
图10为本发明的低温单元与图7对应的阶梯剖面示意图；
图11为本发明的低温单元的后视图。
图中：1、z向驱动平台；2、手动平台；3、悬臂梁；4、导向板I；5、柔性铰链；6、压电叠堆；7、电容式位移传感器；8、夹持块；9、电容板；10、被测试件腔；11、长螺柱；12、螺母；13、隔热圆环；14、隔热空心杆；15、x向驱动平台；16、y向驱动平台；17、导向板II；18、帕尔贴片组；19、隔热层；20、压头夹持杆；21、加热环；22、隔热圆柱；23、精密力传感器；24、柔性铰链固定螺钉；25、基座；26、悬臂梁固定螺钉；27、连接螺钉；28、调整螺钉；29、压头；30、被测试件；31、硅橡胶圈；32、被测试件固定螺钉；33、压紧盖。
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11所示，本发明的常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，无需真空腔、杜瓦瓶等大型复杂设备，可在常压环境下使用。可实现在常压环境下对被测试验样品快速开展连续可变低温的微纳米压痕测试。
参见图2所示，为本发明涉及的低温环境施加示意图，若干制冷器件附着于容器外表面，通过接触制冷的方式使容器的温度降低，容器内部充入无水乙醇液体，试样被固定于容器内下表面，测试压头浸没入无水乙醇液体内部，低温容器使无水乙醇液体温度降低，无水乙醇液体同时使被测试样与测试压头的温度降低，且保持相同，达到消除热漂移的效果。热漂移的产生过程如图3所示，由于现有技术大多无法精确控制测试压头与被测试样的温度，导致处于室温的压头与低温的试样之间存在温度差异，产生热量的交换。压头与试样接触后，温度降低，由于热胀冷缩，压头在压入方向上的尺寸减小Δh，该变化值将附加在测试过程中的位移变化测量内，混淆真实压入深度的测量，导致热漂移现象，严重影响微纳米压痕测试的准确性。
参见图1至图11所示，本发明中涉及到的元器件为：x向驱动平台15、y向驱动平台16、z向驱动平台1、手动平台2、压电叠堆6、电容式位移传感器7、帕尔贴片组18、精密力传感器23、压头29。电容式位移传感器7与精密力传感器23可将检测到的信息转化为电压信号，分别与电容式位移传感器7形成闭环控制后可实现位移控制模式与载荷控制模式的微纳米压痕测试过程。帕尔贴片组18外接直流电压，通过改变外接电压值调节帕尔贴片组18对被测试件腔10的制冷功率，每个帕尔贴片组18的冷端朝向被测试件腔10，热端背离被测试件腔10，由于冷端面积小于热端面积，帕尔贴片组18与被测试件腔10之间的间隙由隔热层19填充。
参见图1至图11所示，本发明的常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，包括宏定位驱动单元、微定位驱动单元、压入载荷/位移信号采集及控制单元、低温单元和夹持单元；通过控制宏定位驱动单元改变驱动微定位驱动单元与被测试样的相对位置，经过接触探测后，进而控制微定位驱动单元进行微纳米压痕测试；利用压入载荷/位移信号采集及控制单元，实现压痕测试过程中的精确控制与信号采集；利用低温单元实现被测试样与测试压头的共同降温，利用夹持单元实现被测试样在低温液体中的固定。
所述宏定位驱动单元包括x向驱动平台15、y向驱动平台16和z向驱动平台1，y向驱动平台16放置于x向驱动平台15上方并固连，可调控被测试件30在xy平面内的位置，z向驱动平台1调控压头29在z轴方向的位置，z向驱动平台1固定于基座25上。
所述微定位驱动单元包括柔性铰链5和压电叠堆6，其中压电叠堆6位于柔性铰链5内部并处于受压状态，保证通电后压电叠堆6无间隙推动压头29沿z轴负方向移动，柔性铰链6通过柔性铰链固定螺钉24固连在导向板I4上，导向板I4与z向驱动平台1相连，可随其沿z轴运动。
所述压入载荷/位移信号采集及控制单元包括精密力传感器23和电容式位移传感器7，其中，精密力传感器23与柔性铰链5通过螺纹固连，电容式位移传感器7通过旋转调整螺钉28可被夹持于夹持块8中，夹持块8通过连接螺钉27与悬臂梁3固连，悬臂梁3通过悬臂梁固定螺钉26与手动平台2固连，手动平台2与导向板I4连接，通过调整侧边旋钮可调节电容式位移传感器7与电容板9之间的间距，保证电容式位移传感器7与电容板9之间的间距时刻保持在电容式位移传感器7的量程范围内。
所述的低温单元包括被测试件腔10、帕尔贴片组18和隔热层19，其中，隔热层19平面一侧胶接于被测试件腔10x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向、y轴负方向与z轴负方向五个外表面处，凹槽侧背离试件腔10，帕尔贴片组18较小面积一侧（冷端）胶接于被测试件腔10x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向、y轴负方向与z轴负方向五个外表面处，位于隔热层19凹槽中。
所述的夹持单元由压紧盖33与硅橡胶圈31组成，其中硅橡胶圈31位于压紧盖33下方凹槽内，被测试件30位于硅橡胶圈31与被测试件腔10内底部中间，并由被测试件固定螺钉32固定夹紧于硅橡胶圈31与被测试件腔10底部中间。
所述的精密力传感器23通过螺纹与隔热圆柱22固连，电容板9位于精密力传感器23与隔热圆柱22中间并被夹持固定，加热环21胶接于隔热圆柱22下方，压头夹持杆20胶接于加热环21下方，压头29胶接于压头夹持杆20下方，可通过PID控制加热环21发热功率，保证由下方压头29传递过来的低温对上方的精密力传感器23不产生影响。
所述的帕尔贴片组18由直流电源供电，通过调节电源输出电压保证帕尔贴片组18的恒功率输出，在工作状态中，帕尔贴片组18与被测试件腔10相胶接一侧制冷并吸收被测试件腔10的热量，使被测试件腔10及内部组件的温度降低，帕尔贴片组18远离被测试件腔10的一侧发热，需预留空间对其进行散热。
所述的被测试件腔10放置于四根隔热空心杆14上，隔热空心杆14放置于导向板II17表面上，隔热空心杆14内部有长螺柱11穿过，长螺柱11下端旋进于导向板II17中的螺纹中，隔热圆环13套于长螺柱11上方并放置于被测试件腔10侧方平台上，螺母12旋进长螺柱11上方将被测试件腔10固定，隔热空心杆14与隔热圆环13将被测试件腔10产生的低温与金属件长螺柱11相隔离，阻值热量由下方的y向驱动平台16流向被测试件30区域。
所述的被测试件30通过硅橡胶圈31和压紧盖33紧密压合于被测试件腔10内底面上，硅橡胶圈具备良好的低温性能，能够保证在本装置的最低试验温度下保持足够的弹性，使被测试件30被牢固固定。
所述的被测试件腔10内固定被测试件30后，内部充入无水乙醇，并保证无水乙醇的液面高于被测试件表面，且将压头29的下端浸泡，被测试件30与压头29同处于无水乙醇液体中可保证二者的温度相同，能消除微纳米压痕测试中由温度差异导致的热漂移问题，提高测试精度，无水乙醇的凝固点为-114oC，低温性能良好，可作为传递低温的中间介质。
参见图1至图11所示，本发明在具体的测试过程中，首先，被测试件30在进行低温微纳米压痕测试前，需进行单面打磨抛光处理，使其表面达到较好的光洁度，然后将被测试件30光洁表面向上放置于试件腔10内底部中央，将压紧盖33通过被测试件固定螺钉32固定于被测试件30上方，使硅橡胶圈31与被测试件30紧固接触，达到固定被测试件30的目的。将无水乙醇注入试件腔10内部，使液面浸没试件表面超过3mm。驱动z向驱动平台1使压头29沿z轴负方向运动，并使压头29尖端部分浸没在无水乙醇中超过2mm长度。
调整x向驱动平台15、y向驱动平台16，确定压痕测试区域，接通帕尔贴片组18电源，使供电电压处于0至12V之间，保持该电压60分钟以上以达到稳定试件腔10及其内部组件温度的效果，通过调节该电压值达到不同的制冷速率与稳定温度。帕尔贴片组18工作的同时开启加热环21的PID调节控制，隔绝由下方压头29传递的低温效果，保证其上方隔热圆柱22与精密力传感器23始终保持室温状态。
通过驱动z向驱动平台1使压头29沿z轴负方向运动，接近被测试件30表面，调节压电叠堆6的输入电压控制压头29对被测试件30实施压入与压出过程，通过压电叠堆6与精密力传感器23或电容式位移传感器7的PID反馈控制实现载荷控制压入过程或位移控制压入过程，通过精密力传感器23与电容式位移传感器7记录压入与压出过程的位移值与载荷值，得到低温下该被测试件30的压痕曲线，结合上位机即可获取表征材料力学性能的硬度、弹性模量等重要力学参数。由于控制帕尔贴片组18的输入电压即可控制被测试件30与压头29所处的环境温度，故本发明所涉及的装置可连续调节微纳米压痕测试的低温状态。在测试的整个过程中，被测试件30与压头29同处同一液体介质中，具有相同的表面温度，故杜绝了在压痕测试过程中热漂移现象的产生，提高了低温微纳米压痕测试的精度与准确性。
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 (4)

1.一种常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：包括宏定位驱动单元、微定位驱动单元、压入载荷-位移信号采集及控制单元、低温单元和夹持单元；
所述宏定位驱动单元包括x向驱动平台（15）、y向驱动平台（16）和z向驱动平台（1），y向驱动平台（16）放置于x向驱动平台（15）上方并固连，调控被测试件（30）在xy平面内的位置，z向驱动平台（1）调控压头（29）在z轴方向的位置，z向驱动平台（1）固定于基座（25）上；
所述微定位驱动单元包括柔性铰链（5）和压电叠堆（6），其中压电叠堆（6）位于柔性铰链（5）内部并处于受压状态，保证通电后压电叠堆（6）无间隙推动压头（29）沿z轴负方向移动，柔性铰链（5）通过柔性铰链固定螺钉（24）固连在导向板I（4）上，导向板I（4）与z向驱动平台（1）相连，可随其沿z轴运动；
所述压入载荷-位移信号采集及控制单元包括精密力传感器（23）和电容式位移传感器（7），其中，精密力传感器（23）与柔性铰链（5）通过螺纹固连，电容式位移传感器（7）通过旋转调整螺钉（28）夹持于夹持块（8）中，夹持块（8）通过连接螺钉（27）与悬臂梁（3）固连，悬臂梁（3）通过悬臂梁固定螺钉（26）与手动平台（2）固连，手动平台（2）与导向板I（4）连接，通过调整侧边旋钮可调节电容式位移传感器（7）与电容板（9）之间的间距，保证电容式位移传感器（7）与电容板（9）之间的间距时刻保持在电容式位移传感器（7）的量程范围内；
所述的低温单元包括被测试件腔（10）、帕尔贴片组（18）和隔热层（19），其中，隔热层（19）平面一侧胶接于被测试件腔（10）x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向、y轴负方向与z轴负方向五个外表面处，凹槽侧背离被测 试件腔（10），帕尔贴片组（18）冷端胶接于被测试件腔（10）x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向、y轴负方向与z轴负方向五个外表面处，位于隔热层（19）凹槽中；
所述的帕尔贴片组（18）由直流电源供电，通过调节电源输出电压保证帕尔贴片组（18）的恒功率输出，在工作状态中，帕尔贴片组（18）与被测试件腔（10）相胶接一侧制冷并吸收被测试件腔（10）的热量，使被测试件腔（10）及内部组件的温度降低，帕尔贴片组（18）远离被测试件腔（10）的一侧发热，需预留空间对其进行散热；
所述的被测试件腔（10）内固定被测试件（30）后，内部充入无水乙醇，无水乙醇的液面高于被测试件表面，且将压头（29）的下端浸泡，被测试件（30）与压头（29）同处于无水乙醇液体中。
2.根据权利要求1所述的常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的夹持单元由压紧盖（33）与硅橡胶圈（31）组成，其中硅橡胶圈（31）位于压紧盖（33）下方凹槽内，被测试件（30）位于硅橡胶圈（31）与被测试件腔（10）内底部中间，并由被测试件固定螺钉（32）固定夹紧于硅橡胶圈（31）与被测试件腔（10）底部中间。
3.根据权利要求1所述的常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的精密力传感器（23）通过螺纹与隔热圆柱（22）固连，电容板（9）位于精密力传感器（23）与隔热圆柱（22）中间并被夹持固定，加热环（21）胶接于隔热圆柱（22）下方，压头夹持杆（20）胶接于加热环（21）下方，压头（29）胶接于压头夹持杆（20）下方，控制加热环（21）发热功率，保证由下方压头（29）传递过来的低温对上方的精密力传感器（23）不产生影响。
4.根据权利要求1或2所述的常压下浸没式连续变低温微纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的被测试件腔（10）放置于四根隔热空心杆（14）上，隔热空心杆（14）放置于导向板II（17）表面上，隔热空心杆（14）内部有长螺柱（11）穿过，长螺柱（11）下端旋进于导向板II（17）中的螺纹中，隔热圆环（13）套于长螺柱（11）上方并放置于被测试件腔（10）侧方平台上，螺母（12）旋进长螺柱（11）上方将被测试件腔（10）固定，隔热空心杆（14）与隔热圆环（13）将被测试件腔（10）产生的低温与长螺柱（11）相隔离，阻值热量由下方的y向驱动平台（16）流向被测试件（30）区域。
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