CN2890890Y - 微纳米级尺度力学性能测试仪 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及微纳米尺度力学性能的检测仪器。通过龙门架(7，14)将压痕制备装置(9)和压痕扫描装置(12)与大行程二维工作台(1)固定连接在一起，可以分别实现压痕制备和压痕扫描的功能，能提供大范围的施加载荷或压痕深度，能提供高精度的压痕三维图。被测试样品由大行程二维工作台(1)与小行程微动工作台(6)带动运动，可以实现大行程快速运动和小行程高精度运动，从而提高检测速度和检测精度。本测试仪器测试范围大、精度高、信息全面、使用方便，能促进材料微纳米尺度下的力学性能研究。

Description

微纳米级尺度力学性能测试仪
技术领域
本实用新型涉及一种力学性能检测仪器，尤其是纳米级的力学性能检测装置。
背景技术
在微纳米级尺度下，对材料的力学性能检测仪器能测试材料的硬度、杨氏模量、蠕变、断裂韧度等。目前存在三类这样的仪器，但都有一定的局限性和不足，以材料硬度测试为例，第一类测试仪器在压痕制备后，需要再到显微镜下测量压痕尺寸，这就要对试样进行重新定位和固定，必然会造成测量误差，并且有时压痕尺寸很小，根本无法找到压痕；第二类测试仪器可以通过压痕制备过程中测得载荷一压深曲线，并通过相应的算法计算得到硬度值，不需要测试压痕图，但没有压痕图，无法获得压痕的更多信息，比如裂纹、凸起和凹陷等，不利于对材料性能的进一步研究；第三类是可以通过压痕制备装置获得载荷-压深曲线，同时还可以使用同一压头，采用原子力显微镜原理测得压痕图，但由于测载荷-压深曲线和测压痕图所需的力大小不在一个数量级，采用同一个压头，限制了其在不同压痕深度或载荷下的应用范围，即其最大压痕深度比较小，一般小于2微米。为了克服目前对微纳米尺度下材料力学性能测试仪器的不足，需要研制一台测试仪器，既可以制备不同压痕深度(从100微米～10纳米)的压痕，得到载荷-压深曲线，又可以通过压痕图扫描装置得到压痕图，而且不需要将试样重新定位和固定。这就需要两个检测装置，一个装置是压痕制备装置，检测不同压深下的载荷-压深曲线，另一个装置是压痕扫描装置，可以得到压痕图，但两个装置同时安装在一个工作台上形成一个集成的检测***。此检测仪器的研制可以促进薄膜涂层技术、纳米技术、功能材料、新型材料、MEMS等相关技术和科学的发展。
发明内容
本实用新型采用压痕制备和压痕图扫描分开的两套装置，但同时固定在一个二维工作台上，由二维工作台带动试样在两个装置间运动，不需要重新定位和固定，从而达到在微纳米级尺度下，该检测仪器具有大的压痕深度范围、高精度的压痕扫描图、找到压痕位置容易，没有重复定位和安装误差，提高测试精度，使用方便的目的。
本实用新型是这样实现的：
二维工作台由一个大行程二维工作台和一个小行程二维微动工作台组成，小行程微动工作台安装在大行程工作台上，试样放置在小行程微动工作台上，由大行程工作台带动小行程微动工作台在两个检测装置之间运动，大行程工作台由压电陶瓷电机驱动，在导轨上运动，并由光栅尺检测运动位移。而小行程微动工作台带动试样在两个检测装置的压头下进行高精度的小范围运动，以便精密调整检测位置和扫描压痕图，小行程微动工作台由线切割形成柔性铰链，由压电陶瓷驱动，电容式位移传感器检测位移。
压痕制备装置与大行程二维工作台通过龙门架安装固定在一起，可以通过手动调整压头与试样之间的位置，到达一定的距离后，由电磁驱动，使压头压入试样，位移和载荷的通过电容传感器检测，通过标定的曲线，可以计算得到压痕深度和施加载荷的大小。
压痕扫描装置与大行程二维工作台也是通过龙门架安装固定在一起，并通过手动调整压头与试样之间的位置，采用原子力显微镜原理，到达一定距离后，由压电陶瓷驱动压头，与二维工作台协调运动，测得压痕的三维图。最终通过相应的算法，得到被检测材料微纳米尺度下的各种力学性能。
附图说明
图1为微纳米尺度力学性能检测仪的示意图；
图2为大行程二维工作台示意图；
图3为小行程二维微动工作台示意图。
具体实施方式
参见图1，压痕制备装置9和压痕扫描装置12分别通过龙门架7和14，与大行程二维工作台1固定连接在一起，安装后压痕制备装置9上的压头10与压痕扫描装置12上的扫描测头11之间的距离就已固定，通过大行程二维工作台1的运动可以将待测样品放置在设定的位置上。大行程二维工作台1的X向运动由它上面的压电陶瓷电机3驱动，并在导轨2上运动；Y向运动由压电陶瓷电机4驱动，在导轨5上运动；而压头10、扫描测头11与被测试样品之间Z向的距离分别由调整机构8和13完成。小行程微动工作台6通过螺栓与大行程二维工作台1固定连接在一起，被测试的试样放置在小行程微动工作台6的中间，小行程微动工作台6通过线切割形成8个柔性铰链15，并分别由压电陶瓷17和16驱动使其在X和Y向进行运动，带动试样做精密的运动。

Claims (3)

1.一种微纳米尺度力学性能测试仪，包括大行程二维工作台(1)，小行程微动工作台(6)，压痕制备装置(9)和压痕扫描装置(12)，其特征在于，小行程工作台(6)安装在大行程工作台(1)上，由大行程工作台(1)带动小行程工作台(6)在两个检测装置之间运动，大行程工作台(1)由大行程工作台压电陶瓷电机(3，4)驱动，在大行程工作台导轨(2，5)上运动，小行程微动工作台(6)由线切割形成柔性铰链，由小行程工作台压电陶瓷电机(16，17)驱动，压痕制备装置(9)和压痕扫描装置(12)通过龙门架与大行程工作台安装在一起。
2.根据权利要求1所述的微纳米尺度力学性能测试仪，其特征在于，压痕制备装置(9)和压痕扫描装置(12)相互独立地安装在小行程工作台(6)上，具有同时实现压痕制备和压痕扫描功能的不同的压头或探针。
3.根据权利要求1所述的微纳米尺度力学性能测试仪，其特征在于，具有检测大行程工作台(1)位移的光栅尺，以及检测小行程工作台(6)位移的电容式位移传感器。
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