原位加热力学样品杆制造技术

本发明专利技术实施例涉及高温微纳实验力学技术领域，提供的原位加热力学样品杆，包括样品杆本体、倾转台、驱动模块以及用于为样品实现拉伸、压缩以及加热功能的原位力热耦合微机电系统；样品杆本体的内部安装有直线步进电机和驱动杆，倾转台的连接部与样品杆本体转动连接；直线步进电机与驱动杆连接，用于使得驱动杆沿着样品杆本体的长度方向往复直线运动，从而实现倾转台的安装部的旋转；驱动模块包括驱动器载台以及驱动器；驱动器载台安装于倾转台的安装部；驱动器安装于驱动器载台，驱动器的动作端与原位力热耦合微机电系统相连。该原位加热力学样品杆在原位施加应力的同时，调整样品温度，以研究样品在不同温度下的力学状态与性质。

Sample rod of in-situ heating mechanics

【技术实现步骤摘要】
原位加热力学样品杆
本专利技术实施例涉及高温微纳实验力学
，尤其涉及一种原位加热力学样品杆。
技术介绍
固体的原子结构排布决定了其宏观物理、化学和力学等性质。材料的服役行为、服役寿命与服役过程中的弹塑性变形机理与其服役条件密切相关。在外加力热偶合场的作用下，材料的力学行为会发生改变，导致其力学行为和服役寿命发生改变，研究材料在使役条件下的显微结构演化规律，揭示其微观机理，将为材料使役的安全性和稳定性提供重要保障。而透射电子显微镜作为研究材料纳米及原子尺度显微结构与物理、化学性质的强有力手段，在其中搭建外场条件下的材料结构性能相关性研究平台将极大丰富材料研究的广度和深度。目前，国际上发展的基于透射电子显微镜的高温微纳实验平台加热方式主要有四种：第一种为坩埚加热，但这种加热方式的缺点是不能对样品施加应力，且由于加热功率较大，导致样品热漂移明显，样品稳定时间较长；第二种为钨丝加热，其样品限制为颗粒样品，样品与加热丝之间无法绝缘，且不能实现应力的施加；第三种为对样品直接通电加热，但由于是直接对样品通电，引入了新的变量，且样品温度只能理论估计，可控性与精度都大为降低；第四种为MEMS加热，例如现有的一种透射/扫描电镜力、热耦合场加载的原位实验平台，其通过基于V型电热驱动梁，可实现600℃下亚埃、原子和纳米尺度样品变形过程的原位观察，但由于加热区与支撑结构材料较多，导致加热功率较大，使样品在高温下稳定时间较长，热漂移较大，且独立测温电阻由于整体温度场的干扰会使测量温度偏高，且稳定时间较长。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是提供一种热响应速率快、精确控温、热漂移小的原位加热力学样品杆，用以解决现有透射电子显微镜双轴倾转原位力学样品杆的加热区与支撑结构材料较多，样品在高温下稳定时间较长，热漂移较大的缺点。本专利技术实施例提供一种原位加热力学样品杆，包括样品杆本体、倾转台、驱动模块以及用于为样品实现拉伸、压缩以及加热功能的原位力热耦合微机电系统；所述样品杆本体的内部安装有直线步进电机和驱动杆，所述倾转台的连接部与所述样品杆本体转动连接；所述直线步进电机与所述驱动杆连接，用于驱动所述驱动杆沿着所述样品杆本体的长度方向往复直线运动，从而实现所述倾转台的安装部的旋转；所述驱动模块包括驱动器载台以及驱动器；所述驱动器载台安装于所述倾转台的安装部；所述驱动器安装于所述驱动器载台，所述驱动器的动作端与所述原位力热耦合微机电系统相连。其中，所述样品杆本体上设置有两个对称布置的运动导槽，所述运动导槽内设有用于连接所述驱动杆的驱动杆固定轴，所述驱动杆固定轴用于约束所述驱动杆在所述直线步进电机驱动下进行前后往复式直线运动。其中，所述倾转台包括U型的连接部和凸台状的安装部；所述U型的连接部与所述样品杆本体转动连接，所述安装部包括水平部分，所述水平部分一端开有凸台卡槽，且所述凸台卡槽中间开有便于电子束透过的通孔，所述水平部分嵌设在所述U型的连接部之间。其中，所述安装部还包括与所述水平部分成θ角的倾斜部分，所述倾斜部分与连杆的一端转动连接，所述连杆的另一端与所述驱动杆转动连接。其中，所述原位力热耦合微机电系统包括安装于所述驱动器载台的基体，所述基体上设置有用于限定出压改拉样品搭载区和约束样品位移的位移约束模块；所述位移约束模块的相对两侧分别连接有一个通孔加热区，任一所述通孔加热区均与一根热沉梁相连，一根所述热沉梁通过一个温度约束质量块与所述基体连接，另一根所述热沉梁通过另一个温度约束质量块与所述驱动器的动作端连接，所述驱动器的动作端用于实现位于压改拉样品搭载区的样品的原子尺度步长的驱动控制。其中，任一所述温度约束质量块均通过多组结构支撑梁与所述基体连接。其中，所述位移约束模块、所述温度约束质量块以及通孔加热区均为镂空结构。其中，所述通孔加热区包括倒三角加热本体以及设置于所述倒三角加热本体上的金属电阻加热丝，所述金属电阻加热丝通过金属粘附层与所述倒三角加热本体结合，所述金属电阻加热丝与设置于所述基体上的压焊区相连通，且所述通孔加热区采用四电极法进行温度测量。其中，所述金属电阻加热丝的拐角处采用钝角或圆角的布线方式。其中，所述原位力热耦合微机电系统使用体硅刻蚀技术一体化成型。本专利技术实施例提供的原位加热力学样品杆，将该原位加热力学样品杆插入透射电子显微镜，调整参数至最佳观测状态，通过直线步进电机驱动该驱动杆沿着样品杆本体的长度方向往复直线运动，从而实现倾转台的安装部绕倾转轴旋转，与此同时，通过原位力热耦合微机电系统实现对样品的拉伸、压缩以及加热，以完成原位观测样品的高温力学性能及显微组织演化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术原位加热力学样品杆的整体装配结构示意图；图2为本专利技术原位加热力学样品杆的底座模块的双轴倾转处放大示意图；图3为本专利技术原位加热力学样品杆的原位力热耦合微机电系统的结构示意图；图4为图3的局部放大图。附图标记说明:1-样品杆本体；2-倾转台；3-驱动杆；4-驱动器载台；5-驱动器；6-基体；7-热沉梁；8-结构支撑梁；9-温度约束质量块；10-通孔加热区；11-压改拉样品搭载区；12-位移约束模块；13-金属电阻加热丝；14-引线；15-压焊区。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。目前，在宏观尺度下已经开发出了一系列高温拉伸同步实验装置，例如西北工业大学郭伟国等人专利技术的拉伸同步实验装置，将拉伸试样的端头设计成凸沿台形式，通过两者的配合在联动发射阀组的控制下实现高温同步，并通过绝热材料将拉伸试样和拉杆隔热，用于解决高温下高应变率的拉伸性能技术问题。但当涉及到对微观形貌及微观机理的揭示时，宏观高温拉伸装置已经不能满足需求。因此透射电子显微镜作为研究材料纳米及原子尺度显微结构与物理、化学性质的强有力手段，在其中搭建外场条件下的材料结构性能相关性研究平台将极大丰富材料研究的广度和深度。例如美国ThermoFisherScientific公司的5mm陶质或石墨坩埚、Gatan公司的Model628、HummingbirdScientific公司的1500Series，其工作温度最高分别可以达到1400℃、1300℃和1000℃，但这种坩埚加热方式的缺点是不能对样品施加应力，且由于加热功率较大，导致样品热漂移明显，样品稳定时间较长；日立T.Kamino和H.Saka在1993年发表的文章Anewlydevelopedhighresolutionhotstageanditsapplicationtomaterialscharacterization中发展的高分辨透射电子显微镜加热台，其选择高温性能优异的金属丝作为加热元件，使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位加热力学样品杆，其特征在于，包括样品杆本体、倾转台、驱动模块以及用于为样品实现拉伸、压缩以及加热功能的原位力热耦合微机电系统；所述样品杆本体的内部安装有直线步进电机和驱动杆，所述倾转台的连接部与所述样品杆本体转动连接；所述直线步进电机与所述驱动杆连接，用于驱动所述驱动杆沿着所述样品杆本体的长度方向往复直线运动，从而实现所述倾转台的安装部的旋转；所述驱动模块包括驱动器载台以及驱动器；所述驱动器载台安装于所述倾转台的安装部；所述驱动器安装于所述驱动器载台，所述驱动器的动作端与所述原位力热耦合微机电系统相连。

【技术特征摘要】
1.一种原位加热力学样品杆，其特征在于，包括样品杆本体、倾转台、驱动模块以及用于为样品实现拉伸、压缩以及加热功能的原位力热耦合微机电系统；所述样品杆本体的内部安装有直线步进电机和驱动杆，所述倾转台的连接部与所述样品杆本体转动连接；所述直线步进电机与所述驱动杆连接，用于驱动所述驱动杆沿着所述样品杆本体的长度方向往复直线运动，从而实现所述倾转台的安装部的旋转；所述驱动模块包括驱动器载台以及驱动器；所述驱动器载台安装于所述倾转台的安装部；所述驱动器安装于所述驱动器载台，所述驱动器的动作端与所述原位力热耦合微机电系统相连。2.根据权利要求1所述的原位加热力学样品杆，其特征在于，所述样品杆本体上设置有两个对称布置的运动导槽，所述运动导槽内设有用于连接所述驱动杆的驱动杆固定轴，所述驱动杆固定轴用于约束所述驱动杆在所述直线步进电机驱动下进行前后往复式直线运动。3.根据权利要求1所述的原位加热力学样品杆，其特征在于，所述倾转台包括U型的连接部和凸台状的安装部；所述U型的连接部与所述样品杆本体转动连接，所述安装部包括水平部分，所述水平部分一端开有凸台卡槽，且所述凸台卡槽中间开有便于电子束透过的通孔，所述水平部分嵌设在所述U型的连接部之间。4.根据权利要求3所述的原位加热力学样品杆，其特征在于，所述安装部还包括与所述水平部分成θ角的倾斜部分，所述倾斜部分与连杆的一端转动连接，所述连杆的另一端与所述驱动杆转动连接。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛圣成，栗晓辰，韩晓东，马东锋，张剑飞，李雪峤，李志鹏，翟亚迪，张晴，马腾云，张泽，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11