本实用新型专利技术涉及的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台属于机电类。由精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元组成。其中精密驱动及传动单元由直流伺服电机提供动力输出，并由两级大减速比蜗轮蜗杆机构和精密滚珠丝杠机构进行动力传递；信号检测及分析单元由精密位移传感器、精密拉压力传感器及与直流伺服电机同轴刚性连接的编码器组成；装夹、连接及支撑单元包括用于定位及安装标准试件的夹具组件等。本实用新型专利技术可与成像仪器兼容，并在其观测下开展针对宏观试件的跨尺度原位微纳米复合载荷测试，对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了崭新的测试方法。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及机电类，特别涉及一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台。可在电镜等显微成像仪器(如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM等)的原位监测下进行包括原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试、原位拉伸/剪切、压缩/剪切测试在内的复合载荷力学测试，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。
技术介绍
原位纳米力学测试是指在纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的一种力学测试技术。该技术深入的揭示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等参数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些力学量产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法，剪切法、扭转法、弯曲法、 纳米压痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/压缩测试方法能较全面的反应构件的强度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数，同时通过剪切测试亦可获得材料切变模量、剪切强度等相关力学参数。目前，原位纳米拉伸/压缩测试尚处萌芽状态，具体表现在(1)受到原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间的限制，目前的多数都集中在以微/ 纳机电系统工艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸(薄膜材料或三维试件)的跨尺度原位纳米力学测试，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；(2) 从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原位纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试，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特点，对结构紧凑，体积小巧的拉压两用的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展；(3)从测试内容上看，现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，更为发现针对特征尺寸厘米级以上试件的原位复合载荷测试仪，因此限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。在原位纳米拉伸/压缩-剪切复合载荷力学测试技术应用之前，拉伸/压缩试验与剪切试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均勻地加载试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的拉伸机和剪切测试机是将材料拉断或剪断后，得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切极限等力学参数。传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏观尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的拉伸/压缩-剪切复合载荷力学测试平台已十分必要。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，解决了传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏观尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测；缺少对宏观尺寸(薄膜材料或三维试件)的跨尺度原位纳米力学测试，设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈；现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，更未发现针对特征尺寸厘米级以上试件的原位复合载荷测试仪，限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。本技术具有体积小，结构紧凑，可提供的测试内容丰富、测试精度高，刚度高的特点，可通过原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试及原位拉伸/压缩-剪切负荷测试获得材料的弹性模量、切变模量、屈服极限和强度极限等重要力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试手段。本技术可对特征尺寸厘米级以上三维试件实施跨尺度原位复合载荷力学测试的平台，可进行包含原位拉伸/压缩测试、原位纯剪切测试及原位拉伸/压缩与剪切复合测试在内的三种力学测试试验，并可同步进行载荷/ 位移信号的检测与分析。本技术的上述目的通过以下技术方案实现跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，包括精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元；所述的精密驱动及传动单元是直流伺服电机 1通过弹性联轴器5与一级蜗杆7连接并提供动力输出，且通过一级蜗轮蜗杆传动副和二级蜗轮蜗杆传动副将动力传递至精密滚珠丝杠I、II 16,21处，并进一步由丝杠方螺母I、II 51、52输出精密的直线往复运动；所述的信号检测及控制单元包括精密接触式电容位移传感器22、拉压力传感器 28和光电编码器31，根据直流伺服电机1的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、 力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源，其中，精密接触式电容位移传感器22的前端弹性探头与位移传感器固定挡板25相接触实现变形过程，精密接触式电容位移传感器22的主体部分通过位移传感器基座紧固螺钉42与位移传感器基座18间隙配合，并与标准试件夹具支撑架I 19连接；拉压力传感器观分别与力传感器固定挡板沈和标准试件夹具支撑架II对通过力传感器紧固螺钉I、11 27、45刚性连接，位移传感器 22前端弹性探头的伸缩方向、力传感器观的受力方向与标准试件2在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移/载荷信号检测的准确性；所述的装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具I、11 4、30、夹具压板I、11 3、 32及标准试件2，其中，标准试件2安装在与其尺寸一致的燕尾槽型标准试件夹具I、11 4、 30中，并由与标准试件夹具I、11 4、30通过压板紧固螺钉44紧固连接的夹具压板I、Π 3、 32压紧，防止在压缩或剪切测试过程中标准试件2的自由移动；同时，测试平台的整体高度保证了其在安装于扫描电镜等成像仪器的载物平台之后完全符合成像的高度要求，即可与电镜等显微成像仪器，如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜ΤΕΜ、扫描探针显微镜SPM等兼容使用；所述的一级蜗轮蜗杆传动副由一级蜗杆7与紧固在二级蜗杆11上的一级涡轮8 组成；二级蜗轮蜗杆传动副由二级蜗杆11与二级蜗轮I、II 9、13组成。所述的直流伺服电机1通过电机紧固螺钉48与电机法兰盘53紧固连接，并由法兰盘固螺钉33直接与平台基座20紧固；一级蜗杆7与二级蜗杆11分别由一级蜗杆轴承讨、一级蜗杆轴承座6及二级蜗杆轴承I、II 10、15、二级蜗杆轴承座I、II 49、14固定于平台基座20上；一级蜗轮8与二级蜗轮9、13分别通过蜗轮连接螺钉I、11 34、50与一级蜗杆7及精密滚珠丝杠I、II 16,21刚性连接；用于安装精密滚珠丝杠I、II 16,21的丝杠固定基座I > IKIILIV 23、36、39、46分别由丝杠固定基座紧固螺钉V、III、IV、KIKVI 43、 38、40、35、37、47与平台基座2本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于：包括精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元；所述的精密驱动及传动单元是：直流伺服电机（１）通过弹性联轴器（５）与一级蜗杆（７）连接并提供动力输出，且通过一级蜗轮蜗杆传动副和二级蜗轮蜗杆传动副将动力传递至精密滚珠丝杠Ⅰ、Ⅱ（１６、２１）处，并进一步由丝杠方螺母Ⅰ、Ⅱ（５１、５２）输出精密的直线往复运动；所述的信号检测及控制单元包括精密接触式电容位移传感器（２２）、拉压力传感器（２８）和光电编码器（３１），根据直流伺服电机（１）的脉冲／方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字／模拟反馈信号源；该精密接触式电容位移传感器（２２）的前端弹性探头与位移传感器固定挡板（２５）相接触实现变形过程，精密接触式电容位移传感器（２２）的主体部分通过位移传感器基座紧固螺钉（４２）与位移传感器基座（１８）间隙配合，并与标准试件夹具支撑架Ⅰ（１９）连接；拉压力传感器（２８）分别与力传感器固定挡板（２６）和标准试件夹具支撑架Ⅱ（２４）通过力传感器紧固螺钉Ⅰ、Ⅱ（２７、４５）刚性连接，位移传感器（２２）前端弹性探头的伸缩方向、力传感器（２８）的受力方向与标准试件（２）在载荷作用下的伸缩方向相同；所述的装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（４、３０）、夹具压板Ⅰ、Ⅱ（３、３２）及标准试件（２），该标准试件（２）安装在与其尺寸一致的燕尾槽型标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（４、３０）中，并由与标准试件夹具Ⅰ、Ⅱ（４、３０）通过压板紧固螺钉（４４）紧固连接的夹具压板Ⅰ、Ⅱ（３、３２）压紧。...
【技术特征摘要】
1.一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于包括精密驱动及传动单元、信号检测及控制单元、装夹、连接及支撑单元；所述的精密驱动及传动单元是直流伺服电机(1)通过弹性联轴器(5 )与一级蜗杆(7 ) 连接并提供动力输出，且通过一级蜗轮蜗杆传动副和二级蜗轮蜗杆传动副将动力传递至精密滚珠丝杠I、II (16、21)处，并进一步由丝杠方螺母I、II (51,52)输出精密的直线往复运动；所述的信号检测及控制单元包括精密接触式电容位移传感器(22)、拉压力传感器 (28 )和光电编码器(31)，根据直流伺服电机(1)的脉冲/方向控制模式提供包括变形速率控制、力速率控制、位移速率控制在内的三种数字/模拟反馈信号源；该精密接触式电容位移传感器(22)的前端弹性探头与位移传感器固定挡板(25)相接触实现变形过程，精密接触式电容位移传感器(22)的主体部分通过位移传感器基座紧固螺钉(42)与位移传感器基座(18)间隙配合，并与标准试件夹具支撑架I (19)连接；拉压力传感器(28)分别与力传感器固定挡板(26)和标准试件夹具支撑架II (24)通过力传感器紧固螺钉I、II (27、45)刚性连接，位移传感器(22)前端弹性探头的伸缩方向、力传感器(28)的受力方向与标准试件 (2)在载荷作用下的伸缩方向相同；所述的装夹、连接及支撑单元包括标准试件夹具I、II (4、30)、夹具压板I、II (3,32) 及标准试件(2)，该标准试件(2)安装在与其尺寸一致的燕尾槽型标准试件夹具I、II (4、 30)中，并由与标准试件夹具I、11(4、30)通过压板紧固螺钉(44)紧固连接的夹具压板I、 II (3、32)压紧。2.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，其特征在于所述的直流伺服电机(1)通过电机紧固螺钉(48)与电机法兰盘(53)紧固连接，并由法兰盘固螺钉(33)直接与平台基座(20)紧固；一级蜗杆(7)与二级蜗杆(11)分别由一级蜗杆轴承(54)、一级蜗杆轴承座(6)及二级蜗杆轴承I、II (10...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，马志超，黄虎，王开厅，胡晓利，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：实用新型
国别省市：82
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