显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，属于精密仪器技术领域。包括真空室系统模块、滑动式低温恒温器组件和压痕测试机械结构模块。利用精密位移驱动平台配合音圈电机的混合驱动方式，实现大行程准静态加载，利用接触制冷方式对样品和压头同时制冷，通过内嵌集成的加热元件和测温元件，实现连续变温闭环调节并削弱低温“温漂”对测试结果的影响，利用显微成像组件实现对压痕位置的精确定位与表面形貌原位观测。为开展材料在低温环境下的力学性能以及材料力学性能随温度的变化规律等研究提供试验基础，对航空航天、极地和深海科考装备以及超导传输设备等关键服役材料力学性能的研究具有显著的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统
本技术涉及精密仪器
，特别涉及一种显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统。可用于研究材料在低温环境下的力学性能以及材料力学性能随温度的变化规律，对航天发动机、极地和深海科考装备以及超导传输设备等关键服役材料力学性能的研究具有显著的应用价值。
技术介绍
近年来，随着新材料合成和制备工艺不断提高，其特征尺寸越来越小，在使用传统的标准试验对其进行力学参数测量时，可能会出现夹持、对中等一系列问题。为此，鉴于传统的宏观硬度试验，提出了微纳米压痕测试方法。微纳米压痕测试技术主要利用高分辨力的载荷和位移传感器，实时采集、显示、处理载荷和位移数据，准确可靠地测得压入载荷-深度曲线。在此基础上，建立适当的力学模型，实现对测试材料的硬度、模量、疲劳特性、断裂韧度以及蠕变性能等多种力学参量的测量。由于其不仅对测试材料表面损伤程度较小，并具有操作方便、样品制备简单、测试内容丰富等优点，目前基于该测试方法的国外商业化压入仪器已经逐渐成为研究新材料微观力学行为与组织结构演化规律等的重要科研设备。目前，传统微纳米压痕测试仪器主要都是在常温下对材料进行测试，由于实际材料服役环境极为复杂，不可避免会受到温度场的直接作用。近年来，针对航天发动机、极地和深海科考装备以及超导传输设备等关键服役材料力学性能的研究受到国内外学术界和工程界的广泛关注，但是用于研究材料在低温环境下的力学性能以及材料力学性能随温度的变化规律的微纳米压痕测试系统还不是很多，由研究机构自主研发的低温微纳米压痕测试系统普遍存在较大的低温“温漂”，且随着温度降低“温漂”现象越为显著，严重影响测试结果的准确性，同时往往无法实现大行程精密压入，如中国专利（CN104596873A），涉及一种具有真空防护性的变温微纳米压痕测试系统，利用置于真空氛围内的样品局部温度加载与检测组件，实现温度范围的扩展，并在压入载荷加载驱动方式上同时采用电机和压电两种驱动方式，实现压入行程的可调，但其在电机驱动加载模式下大行程压痕测试的加载精度不足，并且没有集成原位监测设备，不能实现对样品试验前后表面形貌的原位监测，增加人为误差及试验时间。再如中国专利（CN107421825A），涉及一种基于GM制冷机的纳米压痕装置，采用液氮和氦气作为制冷介质，极大地降低了试验成本，并集成原子力显微镜实现对样品试验前后表面形貌原位监测，但由于仅对样品进行制冷的方式会存在压头与样品的低温“温漂”问题。因此，设计开发能够实现原位监测、大行程精确加载以及低“温漂”的低温微纳米压痕测试系统将在材料科学、航空航天和超导应用等领域具有极大的发展前景和应用价值。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，解决现有低温压入技术中存在的大行程加载精度不足以及低温“温漂”影响等问题，本技术可以实现原位监测、大行程精确加载以及低“温漂”的低温微纳米压痕测试，研究在低温环境下的力学性能以及材料力学性能随温度的变化规律。本技术的上述目的通过以下技术方案实现：显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，包括真空室系统模块，滑动式低温恒温器组件2和压痕测试机械结构模块3，所述压痕测试机械结构模块3置于真空室系统模块的真空室隔振平台4上，并分别与安装在真空室上盖板1上的滑动式低温恒温器组件2和真空室侧盖板12上的软管式低温恒温组件安装孔10的制冷软管相连，构建全真空、局部低温物理环境；所述滑动式低温恒温器组件2中，低温恒温器21通过卡环组件22与柔性密封盖23相连，柔性密封盖23固定在真空室系统模块的真空室上盖板1上；耐低温直线轴承24与真空室上盖板1固连，并对冷指28起到支撑导向作用；密封波纹管25两侧法兰分别与真空室上盖板1、冷指法兰27相连，保证真空室的密封性；通过减震波纹管26对通入低温恒温器21的制冷剂减震，避免引起冷指端部连接件29的异常振动，影响压痕测试精度。所述的压痕测试机械结构模块3包括大理石底座31、样品台组件32、位移信号检测组件、压头加载组件35、连接板Ⅰ36、Z向精密位移驱动平台37、单筒光学显微成像组件38、XY大行程高精度线性位移平台39、门式大理石支座310、“L”形连接件313、隔热支撑架314，样品台组件32与固定在大理石底座31上的XY大行程高精度线性位移平台39相连，压头加载组件35经由连接板Ⅰ36固连在Z向精密位移驱动平台37，并与门式大理石支座310相连，所述门式大理石支座310通过两组“L”形连接件313与隔热支撑架314相连，并与安放在真空室隔振平台4上的大理石底座31固连，保证装配基准定位平面的垂直度；单筒光学显微成像组件38与连接板Ⅰ36相连，保证成像光路与压头加载组件35轴线之间距离不超过XY大行程高精度线性位移平台39的Y向最大行程范围，利用单筒光学显微成像组件38内置自动调焦元件实现对压痕位置的精确定位与测试前后样品表面形貌原位观测，所述连接板Ⅰ36安装在Z向精密位移驱动平台37上，实现Z向压头加载组件35与单筒光学显微成像组件38的宏观位移调整。所述的位移信号检测组件是：精密激光位移传感器311通过传感器安装支架312固定在大理石底座31上，检测样品Y向位移大小；X向光栅尺组件315A通过X向光栅尺安装组件316A固定在XY大行程高精度线性位移平台39相对移动的平台上，检测样品X向位移大小；Z向光栅尺组件315B通过Z向光栅尺安装组件316B固定在Z向精密位移驱动平台37的安装底板和连接板Ⅰ36上，检测压头加载组件35与单筒光学显微成像组件38的宏观移动位移大小；电容位移传感器33通过电容位移传感器安装架319固连在手动Z向精密位移平台34上，手动Z向精密位移平台34与连接板Ⅰ36相连，调节精密电容位移传感器33与压头加载组件35的相对位置，进而精确检测压头压入深度。所述的压头加载组件35根据载荷加载形式的不同，具体分为准静态压头加载组件和动态测试压头加载组件两种，其中，所述准静态压头加载组件是：压头3513通过螺纹将位移测量臂351压紧在导热加载杆3510上，导热加载杆3510两端设有轴肩，通过压紧螺母359分别限定两侧挠性轴承3512的位置；两侧挠性轴承3512通过内六角圆柱头螺钉Ⅰ352分别与音圈电机内圈353、导热连接套354相连，并通过与音圈电机外圈355内壁螺纹连接的隔热压套3511对挠性轴承3512进行压紧；导热连接套354通过内六角圆柱头螺钉Ⅱ358与冷指端部连接件29相连，冷指28通过挠性轴承3512、导热加载杆3510对压头3513直接制冷；音圈电机外圈355通过内六角圆柱头螺钉Ⅲ357固连在连接板Ⅰ36上；所述动态测试压头加载组件是在准静态压头加载组件的基础上，通过压紧螺母359对套在导热加载杆3510上的压电激振器3515进行预紧，并通过隔热垫片3514隔绝挠性轴承3512传递的低温，实现音圈电机准静态加载过程中交变正弦波形振动幅值的叠加。所述的样品台组件32是：恒温平台3213内嵌“回”形孔道，通过末端的恒温试剂输入/输出端口3212泵入恒温试剂，用于保证XY大行程高精度线性位移平台39处于工作温度范围内，通过连接板Ⅱ3216本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，其特征在于：包括真空室系统模块，滑动式低温恒温器组件（2）和压痕测试机械结构模块（3），所述压痕测试机械结构模块（3）置于真空室系统模块的真空室隔振平台（4）上，并分别与安装在真空室上盖板（1）上的滑动式低温恒温器组件（2）和真空室侧盖板（12）上的软管式低温恒温组件安装孔（10）的制冷软管相连，构建全真空、局部低温物理环境；所述滑动式低温恒温器组件（2）中，低温恒温器（21）通过卡环组件（22）与柔性密封盖（23）相连，柔性密封盖（23）固定在真空室系统模块的真空室上盖板（1）上；耐低温直线轴承（24）与真空室上盖板（1）固连，并对冷指（28）起到支撑导向作用；密封波纹管（25）两侧法兰分别与真空室上盖板（1）、冷指法兰（27）相连，保证真空室的密封性；通过减震波纹管（26）对通入低温恒温器（21）的制冷剂减震，避免引起冷指端部连接件（29）的异常振动，影响压痕测试精度。

【技术特征摘要】
1.一种显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，其特征在于：包括真空室系统模块，滑动式低温恒温器组件（2）和压痕测试机械结构模块（3），所述压痕测试机械结构模块（3）置于真空室系统模块的真空室隔振平台（4）上，并分别与安装在真空室上盖板（1）上的滑动式低温恒温器组件（2）和真空室侧盖板（12）上的软管式低温恒温组件安装孔（10）的制冷软管相连，构建全真空、局部低温物理环境；所述滑动式低温恒温器组件（2）中，低温恒温器（21）通过卡环组件（22）与柔性密封盖（23）相连，柔性密封盖（23）固定在真空室系统模块的真空室上盖板（1）上；耐低温直线轴承（24）与真空室上盖板（1）固连，并对冷指（28）起到支撑导向作用；密封波纹管（25）两侧法兰分别与真空室上盖板（1）、冷指法兰（27）相连，保证真空室的密封性；通过减震波纹管（26）对通入低温恒温器（21）的制冷剂减震，避免引起冷指端部连接件（29）的异常振动，影响压痕测试精度。2.根据权利要求1所述的显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的压痕测试机械结构模块（3）包括大理石底座（31）、样品台组件（32）、位移信号检测组件、压头加载组件（35）、连接板Ⅰ（36）、Z向精密位移驱动平台（37）、单筒光学显微成像组件（38）、XY大行程高精度线性位移平台（39）、门式大理石支座（310）、“L”形连接件（313）、隔热支撑架（314），样品台组件（32）与固定在大理石底座（31）上的XY大行程高精度线性位移平台（39）相连，压头加载组件（35）经由连接板Ⅰ（36）固连在Z向精密位移驱动平台（37），并与门式大理石支座（310）相连，所述门式大理石支座（310）通过两组“L”形连接件（313）与隔热支撑架（314）相连，并与安放在真空室隔振平台（4）上的大理石底座（31）固连，保证装配基准定位平面的垂直度；单筒光学显微成像组件（38）与连接板Ⅰ（36）相连，保证成像光路与压头加载组件（35）轴线之间距离不超过XY大行程高精度线性位移平台（39）的Y向最大行程范围，利用单筒光学显微成像组件（38）内置自动调焦元件实现对压痕位置的精确定位与测试前后样品表面形貌原位观测，所述连接板Ⅰ（36）安装在Z向精密位移驱动平台（37）上，实现Z向压头加载组件（35）与单筒光学显微成像组件（38）的宏观位移调整。3.根据权利要求2所述的显微组件下大行程低温漂的低温微纳米压痕测试系统，其特征在于：所述的位移信号检测组件是：精密激光位移传感器（311）通过传感器安装支架（312）固定在大理石底座（31）上，检测样品Y向位移大小；X向光栅尺组件315A通过X向光栅尺安装组件316A固定在XY大行程高精度线性位移平台（39）相对移动的平台上，检测样品X向位移大小；Z向光栅尺组件315B通过Z向光栅尺安装组件316B固定在Z向精密位移驱动平台（37）的安装底板和连接板Ⅰ（36）上，检测压头加载组件（35）与单筒光学显微成像组件（38）的宏观移动位移大小；电容位移传感器（33）通过电容位移传感器安装架（319）固连在手动Z向精密位移平台（34）上，手动Z向精密位移平台（34）与连接板Ⅰ（36）相连，调节电容位移传感器（33）与压头加载组件（35）的相对位置，进而精确检测压头压入深度。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，王赵鑫，王顺博，张萌，孙一帆，赵运来，王吉如，徐博文，刘思含，王军炎，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22