基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，属于机电一体化精密仪器领域。由精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元组成，所述精密驱动单元由两组仿生压电驱动机构提供动力，信号检测及控制单元由精密光栅尺、精密压力传感器组成，装夹单元、连接单元及支撑单元包括放置被测试件的载物台、65Mn钢制压电驱动机构轨道和基座等。优点在于：驱动单元设计巧妙，装置结构紧凑，可与扫描电子显微镜等兼容，在其原位监测下进行包括原位纳米压痕、原位刻划在内的两种力学测试试验，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了有效手段。

【技术实现步骤摘要】
基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置
本专利技术涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种微纳米级的高精度力学性能测试平台，特指一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，可在扫描电子显微镜下对被测试件进行微纳米压痕/刻划力学性能测试。该装置结合了压电驱动技术及原位压痕/刻划测试技术，巧妙的结构设计使整个装置体积小巧，外围规整，可在扫描电子显微镜SEM的动态实时监测下进行原位测试，可以实现对载荷/位移信号的精密采集与控制，可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供测试方法。
技术介绍
原位纳米压痕/刻划测试(In-situnanoindentation/nanoscratchingtest)技术是指在纳米尺度范围内对试件材料在进行压痕/刻划测试过程中，利用高分辨率成像组件对载荷作用下材料所发生的微观变形和损伤过程进行在线全程动态监测的一种技术。通过原位监测，可以将材料试件所受的载荷与材料变形损伤状况结合起来，如镀膜剥离现象、裂纹形成与扩展、剪切带形成等都与材料所受的载荷密切有关。该技术的出现使得研究各类材料的微观力学行为、损伤机制及载荷作用与材料性能间的相关性规律成为可能，在多学科交叉领域彰显重要的科学意义和广泛的应用前景。目前纳米压痕/刻划技术已经比较成熟，Hysitron、MTS和MicroMaterials等国外公司都已有商业化产品。我国暂时还不具备原位纳米压痕/刻划测试技术的自主知识产权，国内尚无商业化原位纳米压痕/刻划测试仪器，所用仪器严重依赖国外进口，使得我国相关领域的研究一直滞后。且现有的压痕测试与刻划测试需要分别借助商业化的纳米压痕仪和纳米刻划仪分别进行，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的问题。因此研发具有完全自主知识产权的原位纳米压痕/刻划测试装置刻不容缓，对材料相关领域的研究具有重大的理论意义和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术是一种可在扫描电子显微镜高分辨率可视化动态监测下实现被测试件力学性能参数测试和变形损伤情况监测的原位压痕/刻划测试平台。本专利技术与传统测试方法以及纳米压痕仪和纳米刻划仪的主要区别在于，结构设计巧妙，集成压痕测试、刻划测试、原位测试手段于一体，可提供的测试内容丰富，测试仪刚度高，测试试精度高特点，可通过原位纳米压痕/刻划测试获得材料的强度和弹性模量以及材料的耐磨、抗划、粘附性等性能参数，揭示材料在纳米尺度下的力学特性，变形规律和损伤机制。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元和信号检测及控制单元通过装夹单元和连接单元安装在支撑单元上。所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C18、19、20通过作用于竖直柔性铰链29驱动竖直方向动子3，压电叠堆D~I21~26通过作用于水平柔性铰链28驱动水平方向动子8，其中，竖直方向动子3与连接板4刚性连接，并与竖直方向定子2间隙配合实现竖直方向上的直线驱动，完成金刚石压头11对被测试件27的压入压出操作，将压电叠堆A18和压电叠堆C20的驱动电源相互对换即可实现压入压出操作的相互转化；水平方向动子8与水平方向定子7所组成的轨道呈间隙配合，实现水平方向上的直线驱动，进而完成被测试件的进给与退出操作，将压电叠堆E、F22、23和压电叠堆D、G21、24的驱动电源相互对换即可实现水平方向上被测试件的进给与退出操作的相互转化；通过调整驱动电压大小即可实现驱动部分的粗调与微调的转换；连接板4通过压紧螺母与金刚石压头11刚性连接；静止平衡螺母12保证装置在非工作状态的时候竖直方向动子3不下落。所述的信号检测及控制单元由光栅尺尺片13、光栅尺读数头14和压力传感器5构成，所述光栅尺尺片13通过螺钉与连接板4刚性连接；光栅尺读数头14通过螺钉与光栅尺支架15连接，工作过程中光栅尺读数头14保持静止，光栅尺尺片13随着竖直方向动子3做竖直直线运动，由于光栅尺尺片13的相对运动，光栅尺读数头14可以读取竖直运动位移信号；压力传感器5下端通过连接孔6与水平方向动子8螺纹连接，上端与载物台10螺纹连接，通过压力传感器获得被测试件所承载的力学载荷信号；从而获取压痕/刻划深度与所受压痕/刻划力及其相互之间的对应关系，并将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制，实现闭环控制。所述的装夹单元、连接单元及支撑单元是：竖直方向定子2与上边框17刚性连接，竖直方向定子2作为竖直方向动子3的运动轨道；光栅尺支架15与上边框17固定连接，并通过调整光栅尺支架15的位置改变光栅尺尺片13与光栅尺读数头14之间的距离；水平方向定子7与下边框9刚性连接，水平方向定子7作为水平方向动子8的运动轨道；左边框1、右边框16、上边框17、下边框9通过螺钉刚性连接成一长方形框架，对整个装置起支撑作用。本专利技术的有益效果在于：与现有技术相比，本专利技术测试精度高，操作方便，可提供的测试内容丰富、变形/位移/载荷/速率可控。装置结构设计巧妙紧凑，体积小巧，外围规整，可安装于扫描电镜真空腔内的载物台上，对各种材料的宏观试件进行跨尺度原位力学测试，高分辨率动态监测被测试件在压痕/刻划载荷作用下的微观变形和损伤状态，从而揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。同时，通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力应变曲线，获取材料的强度和弹性模量以及材料的耐磨、抗划、粘附性等力学性能参数。综上所述，本专利技术对丰富原位纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的水平动子和定子结构示意图；图3为本专利技术的竖直动子结构示意图；图4为本专利技术的竖直动子和定子装配结构示意图；图5为本专利技术的竖直动子剖视示意图。图中：1、左边框；2、竖直方向定子；3、竖直方向动子；4、连接板；5、压力传感器；6、连接孔；7、水平方向定子；8、水平方向动子；9、下边框；10、载物台；11、金刚石压头；12、静止平衡螺母；13、光栅尺尺片；14、光栅尺读数头；15、光栅尺支架；16、右边框；17、上边框；18、压电叠堆A；19、压电叠堆B；20、压电叠堆C；21、压电叠堆D；22、压电叠堆E；23、压电叠堆F；24、压电叠堆G、25、压电叠堆H；26、压电叠堆I；27、被测试件；28、水平柔性铰链；29、竖直柔性铰链。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1到图5所示，本专利技术的基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元和信号检测及控制单元通过装夹单元和连接单元安装在支撑单元上。所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C18、19、20通过作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元、信号检测及控制单元通过装夹单元、连接单元安装在支撑单元上；所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C（18、19、20）通过竖直柔性铰链（29）驱动竖直方向动子（3），压电叠堆D~I（21~26）通过水平柔性铰链（28）驱动水平方向动子（8），其中，竖直方向动子（3）与连接板（4）刚性连接，并与竖直方向定子（2）间隙配合实现竖直方向上的直线驱动，完成金刚石压头（11）对被测试件（27）的压入压出操作，将压电叠堆A（18）和压电叠堆C（20）的驱动电源相互对换即可实现压入压出操作的相互转化；水平方向动子（8）与水平方向定子（7）所组成的轨道呈间隙配合，实现水平方向上的直线驱动，进而完成被测试件的进给与退出操作，将压电叠堆E、F（22、23）和压电叠堆D、G（21、24）的驱动电源相互对换即可实现水平方向上被测试件的进给与退出操作的相互转化；通过调整驱动电压大小即可实现驱动部分的粗调与微调的转换；连接板（4）通过压紧螺母与金刚石压头（11）刚性连接，静止平衡螺母（12）保证装置在非工作状态的时候竖直方向动子（3）不下落。...

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：包括精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元，精密驱动单元、信号检测及控制单元通过装夹单元、连接单元安装在支撑单元上；所述精密驱动单元是：压电叠堆A、B、C（18、19、20）通过竖直柔性铰链（29）驱动竖直方向动子（3），压电叠堆D~I（21~26）通过水平柔性铰链（28）驱动水平方向动子（8），其中，竖直方向动子（3）与连接板（4）刚性连接，并与竖直方向定子（2）间隙配合实现竖直方向上的直线驱动，完成金刚石压头（11）对被测试件（27）的压入压出操作，将压电叠堆A（18）和压电叠堆C（20）的驱动电源相互对换即可实现压入压出操作的相互转化；水平方向动子（8）与水平方向定子（7）所组成的轨道呈间隙配合，实现水平方向上的直线驱动，进而完成被测试件的进给与退出操作，将压电叠堆E、F（22、23）和压电叠堆D、G（21、24）的驱动电源相互对换即可实现水平方向上被测试件的进给与退出操作的相互转化；通过调整驱动电压大小即可实现驱动部分的粗调与微调的转换；连接板（4）通过压紧螺母与金刚石压头（11）刚性连接，静止平衡螺母（12）保证装置在非工作状态的时候竖直方向动子（3）不下落。2.根据权利要求1所述的基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，其特征在于：所述的信号检测及控制单元由光...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐利霞，赵宏伟，李丛双，孔令奇，龙腾，王松，李莉佳，王翔北，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22