一种热双金属拉压一体式驱动器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及基于透射电镜的纳米材料原位表征技术领域，提供了一种热双金属拉压一体式驱动器及其制备方法，热双金属拉压一体式驱动器包括本体和第一开口、第二开口；本体包括主动区和被动区；主动区上开设第一开口，其中一个被动区上开设第二开口，第一开口与被动区之间的连接部设为第一搭载梁，第二开口与主动区之间的连接部设为第二搭载梁；第一搭载梁与第一开口上相对第一搭载梁的侧壁之间构成拉伸驱动位置，第二搭载梁与第二开口上相对第二搭载梁的侧壁之间构成压缩驱动位置；本发明专利技术结构简单、制备方便，便于批量化生产，实现在不同温度下进行TEM原位拉伸和压缩实验，还可根据需要灵活设计驱动器结构，满足不同的驱动需求。

A hot bimetal pull press integrated driver and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种热双金属拉压一体式驱动器及其制备方法
本专利技术涉及基于透射电镜的纳米材料原位表征
，尤其涉及一种热双金属拉压一体式驱动器及其制备方法。
技术介绍
力学性能是表征材料性能的重要指标。材料在使役过程中多会受到主动或被动的应力作用。研究材料在应力作用下的弹塑性变形过程可以为失效分析、结构设计、材料改性、新材料开发等提供理论和实验依据。随着材料科学的不断发展和各行各业对材料力学性能要求的日益提升，研究工作也不断深入。透射电子显微镜(TEM)以其纳米-原子尺度的分辨能力成为材料研究的有力工具。TEM原位力学作为TEM技术的重要分支，在动态揭示材料显微结构-力学性能关系方面具有巨大的优势。TEM原位力学是指在TEM中对样品施加力学载荷，从纳米、原子尺度实时观察、记录样品上同一区域的结构和性能的动态演化过程，进而揭示材料在特定应力场下结构-性能关系。TEM原位力学实验在过去几十年中不断发展，逐渐拓宽应用材料范围，增加加载类型，提升信号输入和采集能力，取得了突出的研究成果。目前，世界各地的课题组和仪器公司以TEM样品杆为依托，先后研发了多种TEM原位力学实验平台(以下简称原位平台)。由于该类研究需要向样品施加载荷，原位平台的重要组成部分就是驱动器。按照尺寸和位置不同，原位平台的驱动器可以分为以下几类：1、大型三维驱动器，如Bruker公司的PI95纳米压痕仪和Nanofactory公司的TEM纳米压痕仪所采用的驱动器。该类实验仪通过贯穿于样品杆的精密三维移动系统，驱动探针靠近固定于样品杆前端的样品并施加压力；2、微型一维驱动器，如韩晓东课题组在《AMEMSDeviceforQuantitativeinsituMechanicalTestinginElectronMicroscope》中开发的定量化力学平台，使用微型压电陶瓷为微机电系统(MEMS)力学芯片提供驱动力和位移；3、MEMS电信号驱动器，如Chang等人在《Amicroelectromechanicalsystemforthermomechanicaltestingofnanostructures》中、Garcia等人在《In-SituTransmissionElectronMicroscopeHighTemperatureBehaviorinNanocrystallinePlatinumThinFilms》中所采用的驱动器，在驱动过程中，需要向该类驱动器施加电场，以实现电热、静电、压电等驱动输出；4、热双金属驱动器，其中，热双金属是将两种热膨胀系数不同的材料牢固结合在一起形成的条状结构，韩晓东课题组在申请号为200610144031.X的专利文件“一种热双金属片驱动的透射电子显微镜载网”中公开了一种热双金属驱动器，该热双金属驱动器是将两根双金属片间隔一定距离反向平行粘接于一个承载环上，温度变化时，两个双金属片由于两层膨胀系数不同而反向弯曲，从而为搭载在两片之间的样品提供驱动力和位移。TEM原位力学需要将精密稳定的力学加载与透射电镜的超高分辨率结合，力求从纳米、原子尺度实时动态观察样品在应力作用下的变形过程。对于晶体材料，TEM图像揭示出的信息量与特定区域晶粒与电子束之间的取向关系密切相关。TEM样品杆的双轴倾转功能就是针对上述需求，将样品倾转至最佳衍射条件，从而获得更多的纳米、原子尺度结构和缺陷信息。TEM样品杆通常是沿α轴、β轴这两个正交轴来实现对样品的双轴倾转功能，其中，α轴表示TEM样品杆的长轴方向，β轴表示在TEM样品杆前端且垂直于电子束和长轴的方向。α轴倾转可通过透射电镜测角台带动TEM样品杆沿轴向旋转实现，而β轴倾转则需要通过TEM样品杆内置的双轴倾转机构驱动前端部分结构沿β轴旋转。在TEM中，可沿β轴倾转的部分位于上下物镜极靴之间的狭窄空间内，β轴倾转角度的大小基本上取决于该部分的长度。目前各类TEM样品杆均可沿α轴倾转约±30°，但受到不同结构限制，β轴倾转能力差别较大，因而，将TEM样品倾转至最佳衍射条件的能力相差悬殊。上述各类驱动方式的力学平台对β轴倾转的影响各不相同：第一类—大型三维驱动器：该类驱动器通常贯穿于样品杆长轴方向，无法沿β轴旋转；第二类—微型一维驱动器：如韩晓东课题组设计的方案，将MEMS力学芯片与微型压电陶瓷沿样品杆长轴方向排列，实验时共同沿β轴倾转，这一部分具有一定长度，对β轴倾转有一定影响，但仍能实现约±20°的倾转；第三类—MEMS电信号驱动器：该类平台β轴倾转能力取决于所用MEMS力学芯片的长度，而部分使用复杂结构长芯片的样品杆无法沿β轴倾转，随芯片长度减小，β轴倾转角度逐渐增大；第四类—热双金属驱动器：该类驱动器尺寸最小，呈直径为3mm的圆盘状，适配于普通双轴倾转样品杆，对β轴倾转能力无影响。因而，相比较而言，使用热双金属驱动器时样品双轴倾转能力最大，最易获得高信息质量的TEM图像，从而优选热双金属驱动器来实现TEM样品杆的双轴倾转功能。除此之外，热双金属驱动器还具有其它优势：该驱动器适用于多种样品制备方式，如可直接粘接切割下的双喷、离子减薄样品薄区，可直接搭载与基底分离的薄膜材料，也可使用常规聚焦离子束块体取样技术制备样品；与此同时，该驱动器为温度驱动，不需设计专用TEM样品杆，也不需通入电信号，可直接与加热样品杆(如Gatan公司生产的652型样品杆)配合使用，实验时将热双金属加热即可实现驱动；此外，热双金属成本低廉，可有效降低TEM原位研究的成本。在过去十几年中，经过不断改进，热双金属驱动器的性能逐步提升，应用材料领域也逐渐扩大，产生了大量优秀的研究成果。现有的热双金属驱动器主要为上述韩晓东课题组所提出的热双金属驱动器。但是，这种热双金属驱动器结构复杂，制备繁琐，在制备过程中涉及大量手工操作，包括将双金属片磨抛至合适厚度，切割成合适长度并磨平端面，粘接至承载环上等，这些操作不仅耗时，而且制备效率和效果又依赖于操作者的经验和熟练程度；并且，手工制作的方式也无法做到批量化生产，这大大限制了热双金属驱动器的推广使用；与此同时，在制备过程中需要用树脂胶连接双金属片与承载环，而胶水工作温度较低，这导致热双金属驱动器无法在较高温度工作，只能用于低温TEM原位力学实验。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的之一是提供一种热双金属拉压一体式驱动器，用以解决现有的热双金属驱动器结构复杂、制备繁琐，只能用于低温TEM原位力学实验的问题。本专利技术的目的之二是提供一种制备上述热双金属拉压一体式驱动器的制备方法，用以解决现有的热双金属驱动器难以实现批量化生产的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种热双金属拉压一体式驱动器，包括本体和所述本体上开设的第一开口、第二开口；所述本体包括主动区和设置在所述主动区两侧的被动区，所述主动区所采用的材料的热膨胀系数大于所述被动区所采用的材料的热膨胀系数；所述主动区上开设所述第一开口，其中一个所述被动区上开设所述第二开口，所述第一开口与所述被动区之间的连接部设为第一搭载梁，所述第二开口与所述主动区之间的连接部设为第二搭载梁，且所述第一搭载梁与所述第二搭载梁并行连接；所述第一搭载梁与所述第一开口上相对所述第一搭载梁的侧壁之间构成拉伸驱动位置，所述第二搭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热双金属拉压一体式驱动器，其特征在于，包括本体和所述本体上开设的第一开口、第二开口；所述本体包括主动区和设置在所述主动区两侧的被动区，所述主动区所采用的材料的热膨胀系数大于所述被动区所采用的材料的热膨胀系数；所述主动区上开设所述第一开口，其中一个所述被动区上开设所述第二开口，所述第一开口与所述被动区之间的连接部设为第一搭载梁，所述第二开口与所述主动区之间的连接部设为第二搭载梁，且所述第一搭载梁与所述第二搭载梁并行连接；所述第一搭载梁与所述第一开口上相对所述第一搭载梁的侧壁之间构成拉伸驱动位置，所述第二搭载梁与所述第二开口上相对所述第二搭载梁的侧壁之间构成压缩驱动位置。

【技术特征摘要】
1.一种热双金属拉压一体式驱动器，其特征在于，包括本体和所述本体上开设的第一开口、第二开口；所述本体包括主动区和设置在所述主动区两侧的被动区，所述主动区所采用的材料的热膨胀系数大于所述被动区所采用的材料的热膨胀系数；所述主动区上开设所述第一开口，其中一个所述被动区上开设所述第二开口，所述第一开口与所述被动区之间的连接部设为第一搭载梁，所述第二开口与所述主动区之间的连接部设为第二搭载梁，且所述第一搭载梁与所述第二搭载梁并行连接；所述第一搭载梁与所述第一开口上相对所述第一搭载梁的侧壁之间构成拉伸驱动位置，所述第二搭载梁与所述第二开口上相对所述第二搭载梁的侧壁之间构成压缩驱动位置。2.根据权利要求1所述的热双金属拉压一体式驱动器，其特征在于，所述本体呈圆形片或半圆形片结构，所述第一开口与所述第二开口均呈条形结构，且所述第一开口与所述第二开口相互平行布置。3.根据权利要求2所述的热双金属拉压一体式驱动器，其特征在于，所述主动区设有一个所述第一开口，在其中一个所述被动区设有一个所述第二开口。4.根据权利要求3所述的热双金属拉压一体式驱动器，其特征在于，所述第一开口上相对所述第一搭载梁中部的侧壁上设有第一搭载端；所述第二开口上相对所述第二搭载梁中部的侧壁上设有第二搭载端。5.根据权利要求3所述的热双金属拉压一体式驱动器，其特征在于，所述第一开口与所述第二开口的其中一个同侧端通过连接通道相连通，且所述第一开口、所述第二开口分别与所述连接通道相垂直；所述第一开口的侧壁上设有相对所述第一搭载梁布置的第三搭载端，所述第二开口的侧壁上设有相对所述第二搭载梁布置的第四搭载端，且所述第三搭载端与所述第四搭载端分别靠近所述连接通道的两端布置。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛圣成，李志鹏，韩晓东，张剑飞，马东锋，翟亚迪，李雪峤，张晴，栗晓辰，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