一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台制造技术

本发明专利技术公开了一种用于一维微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，包括基体，基体中部设有开环通孔，移动台、固定台位于所述通孔内，移动台为上端为开环勾形结构，固定台下端与基体通孔的内壁相连接，柔性连接件一的水平端与移动台的侧面相连接，柔性连接件一的垂直端与基体通孔的内壁相连接，柔性连接件二一端与移动台连接，另一端与固定台连接，测试电极位于移动台、固定台上表面，测试电极通过导线引出至基体上表面后与外接电源相连接，移动台、固定台之间留有样品观察窗口。本发明专利技术能够实现弹性应变工程中一维微纳材料多场耦合测试，有效地在多种场景下对一维微纳材料施加单轴应变，同时可以精确测量材料的形变量和电学性能。

A uniaxial strain loading table for multi field coupling testing of micro nano materials

The invention discloses a method for one dimensional micro nano material multi field coupling test of uniaxial strain loading platform, including the matrix, the matrix is arranged in the middle of a ring opening hole, the mobile station and the fixed station is located in the through hole, the mobile station is the top end of the open-loop hook shaped structure, inner wall and the lower end of the through hole matrix with fixed bed is connected to the side of the flexible connector level terminal and mobile station is connected to the flexible connecting piece and a vertical end is connected with the inner wall of the through hole of the substrate, a flexible connector two is connected with the mobile station, the other end is connected with the fixed station test electrode is located on the mobile station, a fixed table surface test the electrode through a wire to the substrate surface after connected with external power supply, a sample observation window is left between the mobile station and the fixed station. The invention can realize the elastic strain engineering in one-dimensional micro nano materials of multi field coupling test, effectively in a variety of scenarios of one dimensional micro nano materials applied uniaxial strain, and deformation and accurate measurement of the electrical properties of materials.

【技术实现步骤摘要】
一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台
本专利技术涉及一维微纳材料弹性应变研究领域，涉及一种应用于微纳材料多场(力、电、热，光，磁)耦合测试的单轴应变产生的方法和装置，具体涉及一种基于微电子机械系统(MEMS)技术的用于一维微纳材料的单轴应变加载台。
技术介绍
材料的物理和化学性能都与原子的外层电子结构密切相关，而电子结构随着原子之间距离的改变(弹性应变)而变化，相应的，材料的物理、化学性能也随之改变。一维微纳材料的一个显著特点是其强度的尺寸效应，当材料的尺寸减小到微纳米尺度时，其所能承受的弹性应变往往是其块体母材的50-100倍，即学术界常说的“越小越强”。为此，近年来人们提出了，通过大范围施加弹性应变的手段，可控、可逆、定量地调控一维微纳材料的物理、化学性能这一新思路，即“弹性应变工程”(Elasticstrainengineeringforunprecedentedmaterialsproperties,J.Li,etal.,MaterialsResearchSocietyBulletin,39,2014)。然而，由于一维微纳材料尺寸极小，传统的力学加载方式在一维微纳材料的研究上不再有效。为了在纳米材料上施加超大弹性，研究人员发展了一系列的新技术，比较常见的包括晶格错配法、刚性基底弯曲法、柔性基底变形法和直接加载法等。晶格错配法的基本原理是将研究对象通过外延生长的方法叠加在另一种具有不同晶格参数的基底上，两种材料晶格参数的差异将决定应变的大小和正负(HeterostructurelaserwithlatticemismatchUS07/638,358)，但是该方法应变一经固定就无法改变而且施加的应变范围十分有限。基底弯曲法是将纳米材料两端固定在刚性基底上，通过弯曲刚性基底对纳米线施加应变，但受刚性基底的弹性范围所限所施加的应变同样非常有限(Giantpiezoresistanceeffectinsiliconnanowires,R.He,etal.,NatureNanotechnology,1,2006)。柔性基底变形法使用柔性基底代替上述刚性基底，应变范围大大增加，但是该方法的应变状态较为复杂并且施加应变精度较低(FlexiblepiezoresistivestrainsensorbasedonsingleSb-dopedZnOnanobelt,Y.Yang,etal.,AppliedPhysicsLetters,97,223107,2010)。直接加载法里程碑式的发展是1986年原子力显微镜(AFM)的专利技术，人们利用AFM实现了对纳米材料应变加载(TowardsSelf-PoweredNanosystems:FromNanogeneratorstoNanopiezotronics,Z.L.Wang,AdvancedFunctionalMaterials,18,2008)，该方法具有高的位移分辨率，但是应用环境局限于AFM中，不易于与其他表征设备联用，难以实现对微纳材料的多场耦合测试，且难以保证单轴应力的施加。随后，原位电镜变形技术(一种热双金属片驱动的透射电子显微镜载网，CN1963985A，2007.5.6)也发展了起来，该双金属片技术具有结构简单、应变施加范围大等优点，但是其应变施加连续性不佳，精度差，且样品受到温度场的影响。随着微纳电子机械系统(MEMS)的发展一些应变产生仪相应而生，使得人们在纳米尺度按照自己的意愿施加外力和应变的能力得到极大加强。美国西北大学Espinosa的研究小组研自制了具有热和电双驱动的，可用于微纳尺度样品测量的MEMS器件(Amicroelectromechanicalloadsensorforinsituelectronandx-raymicroscopytensiletestingofnanostructures，Y.Zhu，etal.,AppliedPhysicsLetters,86,2005)，该器件可以通过电容传感器测量位移和加载力，但是该器件应变施加不连续，为非准静态加载，从而样品难以承受较大的应变。美国Hysitron公司设计研制了一种名为“Push-to-Pull”的拉伸器件(Micro/nano-mechanicaltestsystememployingtensiletestholderwithPush-to-pulltransformer,US2010/0095780Al,2010.4.22)，结合该公司的原位样品杆可以实现对纳米材料的高精度单轴拉伸，对样品施加连续准静态应变；但是该器件具有以下缺点：首先，由于拉伸器件尺寸较小，难以对20微米长度以上的样品进行测试；其次，由于需要利用高分辨率电子显微镜将该MEMS器件与纳米压头进行精密对中，应用环境受到较大的局限，实验费时且成本昂贵，不易于实现多场耦合测试。第三，该器件加载负荷也有很大局限，对于较大(微米以上)的陶瓷材料很难施加较大的应；第四，该加热台属于易损耗材，国内尚未有同类商品，而从国外购买不仅价格昂贵而且由于需要清关等原因导致购买周期很长，严重制约了我国在该研究领域的发展。
技术实现思路
为了克服上述现有技术不足，本专利技术提供一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，能够实现位移的高分辨性、加载的高稳定性、加载的单轴准静态性及工作条件的高兼容性，可与多种光学显微镜、电子显微镜、光谱仪和同步辐射等仪器联用，进行多场耦合测试。该位移加载台可实现对一维微纳材料施加单轴应变，并易于进行多场耦合测试。本专利技术的技术方案是这样解决的：一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，包括基体、移动台、固定台、柔性连接件一和柔性连接件二、测试电极及导线，基体中部设有开环通孔，移动台、固定台位于所述通孔内，移动台上端为开环勾形结构，固定台下端与基体通孔的内壁相连接，柔性连接件一的水平端与移动台的侧面相连接，柔性连接件一的垂直端与基体通孔的内壁相连接，柔性连接件二一端与移动台连接，另一端与固定台连接，测试电极位于移动台、固定台上表面，测试电极与外接电源相连接。所述柔性连接件一和柔性连接件二沿运动方向(X方向)的刚度小于沿与移动台接触面内任意方向变形的刚度。移动台和固定台之间留有样品观察窗口。所述基体的上表面、移动台、固定台的上表面及柔性连接件一和柔性连接件二的上表面位于同一平面上。所述移动台的勾形结构沿X方向的刚度应远大于柔性连接件一和柔性连接二沿X方向的刚度。所述移动台与固定台的中轴线应相互重合。所述测试电极通过钛金合金或铬金合金制作。所述测试电极的数量大于等于4，能够实现对测试样品进行两点法或四点法的电学测量。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术移动台的牵引头部采用大尺寸前端勾形结构设计，可易于实现对多种压电陶瓷、步进电机等驱动器联用，可在光镜、扫描电镜等观察条件下实现与牵引头的对准，从而实现与多种测试设备的联用，进行多场耦合测试，牵引头和柔性连接件沿X方向的刚度也充分保证了该加载台可施加大载荷。本专利技术移动台与固定台位于同一平面内且中轴线重合，确保了可对一维微纳材料进行单轴加载。本专利技术移动台与固定台尺寸较大，可实现对小到几微米、大到几百微米的样品进行测试。本专利技术所述测试电极两两平行对称分布，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，包括基体(1)、移动台(3)、固定台(5)、柔性连接件一(4)和柔性连接件二(6)、测试电极(7)及导线(2)，其特征在于，基体(1)中部设有开环通孔，移动台(3)、固定台(5)位于所述通孔内，移动台(3)上端为开环勾形结构，固定台(5)下端与基体(1)通孔的内壁相连接，柔性连接件一(4)的水平端与移动台(3)的侧面相连接，柔性连接件一(4)的垂直端与基体(1)通孔的内壁相连接，柔性连接件二(6)一端与移动台(3)连接，另一端与固定台(5)连接，测试电极位于移动台(3)、固定台(5)上表面，测试电极(7)与外接电源相连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，包括基体(1)、移动台(3)、固定台(5)、柔性连接件一(4)和柔性连接件二(6)、测试电极(7)及导线(2)，其特征在于，基体(1)中部设有开环通孔，移动台(3)、固定台(5)位于所述通孔内，移动台(3)上端为开环勾形结构，固定台(5)下端与基体(1)通孔的内壁相连接，柔性连接件一(4)的水平端与移动台(3)的侧面相连接，柔性连接件一(4)的垂直端与基体(1)通孔的内壁相连接，柔性连接件二(6)一端与移动台(3)连接，另一端与固定台(5)连接，测试电极位于移动台(3)、固定台(5)上表面，测试电极(7)与外接电源相连接。2.根据权利要求1所述的一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，其特征在于，所述柔性连接件一(4)和柔性连接件二(6)沿运动方向(X方向)的刚度小于沿与移动台(3)接触面内任意方向变形的刚度。3.根据权利要求1所述的一种用于微纳材料多场耦合测试的单轴应变加载台，其特征在于，移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：单智伟，王晓光，陈凯，张西祥，沈昊，李尧，张永强，李蒙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61