低维材料动态拉伸加载测量系统技术方案

一种低维材料动态拉伸加载测量系统，属于光测力学、工程材料、力学性能测试技术领域。本 发明专利技术包括光学测量系统、动态加载装置、压电陶瓷及其控制系统，可以实现高频率加载条件下，各 种低维材料动态性能测试。本发明专利技术采用压电陶瓷驱动实现高频率的加载，最高频率可达数千赫兹； 通过精密加工的位移放大杠杆将压电陶瓷的微小位移放大可以适用于各种刚度材料的测试；采用高 分辨数字图像相关测量系统可以测量动态加载条件下试件表面的变形情况。系统使用方便、结构紧 凑。

【技术实现步骤摘要】

一种低维材料动态拉伸加载测量系统，属于光测力学、工程材料、力学性能测试

技术介绍
随着微纳米科学技术的发展，微电子机械系统(MEMS)的应用越来越广泛，各种硅膜、 金属薄膜等低维材料广泛的应用于微电子机械系统的生产制造。这些材料的性能直接影响着 微电子机械系统的可靠性，因此对这类材料的力学特性进行准确可靠的测试至关重要。现阶 段对于这些低维材料的静态拉伸力学性能有了比较好的研究，研制出了多种拉伸加载系统测 量其拉伸性能，如清华大学戴福隆等专利技术的悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机 等。然而微电子机械系统通常工作频率比较高，因此其动态力学性能对MEMS 的安全性和可靠性更加重要，而且对微纳米力学和材料科学的研究也有重要的学术和应用价 值。由于常规的动态测试手段对低维材料的动态性能测试无能为力，需要设计针对低维材料 的动态加载测量系统。西安交通大学的孙军等专利技术了一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的方法 ，主要原理是将金属薄膜沉积在基底材料上，通过施加试验机对基底材料 进行加载，由于基底材料和金属薄膜的弹性性能的差别实现对金属薄膜的疲劳加载，该方法 测量对象必须为金属材料，同时要求基底材料和金属薄膜的弹性性能有比较明显的差别才可 以测试，而且动态加载频率不高。中国科学院金属研究所的张广平等人专利技术了薄膜材料电/ 热/力耦合作用下性能测试系统及测试方法，该方法利用交流电引起金属线 中的焦耳热，由于金属线和薄膜基体热膨胀系数的差别实现对金属线的热疲劳加载，该方法 要求测试对象也局限于金属材料，加载方式通过热适配产生热变形，加载频率不高。上边提到的方法主要针对金属薄膜材料测试，并且都是通过间接方法实现对材料的动态 加载，加载频率不高，而且无法定量描述动态加载下材料的力学参量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低维材料动态拉伸加载测量系统，可以实现高频率加载条件下， 各种低维材料动态性能测试，使用方便、结构紧凑。本专利技术的技术方案如下一种低维材料动态拉伸加载测量系统，含有光学显微镜、动态加载装置、压电驱动系 统；所述的动态加载装置包括双悬臂杆位移加载机构、拉紧弹簧和试件夹头；所述的压电驱 动系统包括压电陶瓷和压电陶瓷控制系统；所述的双悬臂杆位移加载机构为一体式中空结构，双悬臂杆通过连接杆连接，连接杆的中部为一弹性铰链，在双悬臂杆上有外伸的压电陶瓷支 座压电陶瓷放置在压电陶瓷支座上，拉紧弹簧装卡在双悬臂杆靠近压电陶瓷支座的一端， 试件夹头装卡在双悬臂杆的另一端，试件粘贴在试件夹头上，整个动态加载装置放置于光学 显微镜的载物台上。本专利技术的技术方案中，其特征在于所述的双悬臂杆位移加载机构的弹性铰链部分的宽 度/大于零且小于连接杆宽度的1/20。本专利技术的技术方案中，其特征在于所述的光学显微镜的放大倍数至少为IOOO倍。 本专利技术的技术方案中，其特征在于于双悬臂杆位移加载机构采用刚性材料加工。 本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本专利技术采用压电陶瓷驱动可以实 现各种波形高频率的加载最高频率可达数千赫兹；本专利技术通过精密加工的位移放大杠杆将压 电陶瓷的微小位移放大可以适用于各种刚度材料的测试；本专利技术同时采用高分辨光学测量系 统可以测量动态加载条件下试件表面的变形情况；本专利技术结构紧凑，使用方便可以实现高频 率加载条件下，各种低维材料的动态性能测试。 附图说明图l为本专利技术结构示意图。图2为本专利技术所用的动态加载装置俯视图。图中1 —动态加载装置；2 —压电陶瓷；3 —压电陶瓷控制器；4一光学显微镜；5 —计算 机；6-双悬臂杆；7-连接杆；8-弹性铰链；9-陶瓷支座；IO —拉紧弹簧；ll一试件夹头；12-试件。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的具体结构及实施方式如图1所示，本专利技术所述的低维材料动态拉伸加载测量系统，主要由光学显微镜4、动态加载装置1、压电陶瓷2和压电陶瓷控制系统3组成。动态加载装置安装在光学显微镜的载 物台上，利用光学显微镜对试件表面进行高分辨率的观测。同时光学显微镜的目镜连接到CCD 图像采集系统上，采集不同加载时刻试件表面的图像，并存储到计算机5中。加载结束后对 采集到的图像进行后处理，可以得到试件表面的变形场信息。如图2所示，本专利技术中动态加载装置1包括双悬臂杆位移加载机构、拉紧弹簧7和试件 夹头8。双悬臂杆位移加载机构为一体式中空结构采用精密加工技术加工一次而成，双悬臂 杆6通过连接杆7连接，连接杆7的中部为一弹性铰链8，该弹性铰链8为采用线切割工艺 在连接杆7中部进行精细加工，将连接杆7中部宽度切割到其原始宽度的1/20以下，在双悬 臂杆6上分别有一个外伸的压电陶瓷支座9。压电陶瓷2放置在陶瓷支座9上，拉紧弹簧IO 装卡在双悬臂杆6的靠近陶瓷支座9的一端，处于绷紧状态，保证压电陶瓷2始终和双悬臂 杆位移加载机构的双悬臂杆6紧密接触无空隙，试件12粘贴在试件夹头11上，试件夹头11通过螺钉及盖板固定在双悬臂杆位移加载机构上。调整压电陶瓷控制器3的输出波形和频率，向压电陶瓷2输出电压信号。通过在压电陶 瓷2上施加电压使其伸长，从而推动双悬臂杆位移加载机构的一端移动，同时使拉紧弹簧IO 伸长，由于双悬臂杆位移加载机构的弹性铰链8，是通过线切割工艺在连接杆7中部切割形 成的，而整个结构采用刚性材料加工而成，在这个局部区域由于尺寸效应会形成类似弹簧钢 片的效果，因此双悬臂杆位移加载机构一端的移动会通过这个弹性铰链8转化为另一端的相 反方向的移动即收縮。压电陶瓷2电压消失后恢复原长，拉紧弹簧10也恢复原来长度，将双 悬臂杆位移加载机构拉回到初始位置，通过弹性铰链8可以转化为双悬臂杆位移加载机构的 另一方向的移动即拉伸。当压电陶瓷2接通交流电，电压反复增加减少，则双悬臂杆位移加 载机构的一端实现拉伸和收縮，而另一端则通过弹性铰链8的带动实现收縮和拉伸，从而对 试件12实现动态加载。采用本专利技术测量时，先将压电陶瓷2放置到双悬臂杆位移加载机构的陶瓷支座上，通过 拉紧弹簧10固定住，然后将试件12粘贴在试件夹头11上，并通过螺钉固定在双悬臂杆位移 加载机构上。再将整个动态加载装置1固定到光学显微镜的载物台上，调整物距清晰成像。 根据所需要加载的情况，通过压电陶瓷控制器3，调整压电陶瓷2的频率和波形，对试件进 行加载，同时利用CCD采集试件表面的图像输出到计算机，完成加载后利用数字图像相关系 统分析试件表面的变形场信息，得出试件的动态性能。权利要求1. 一种低维材料动态拉伸加载测量系统，其特征为含有光学显微镜、动态加载装置(1)、压电驱动系统；所述的动态加载装置(1)包括双悬臂杆位移加载机构、拉紧弹簧(10)和试件夹头(11)；所述的压电驱动系统包括压电陶瓷(2)和压电陶瓷控制系统(3)；所述的双悬臂杆位移加载机构为一体式中空结构，双悬臂杆(6)通过连接杆(7)连接，连接杆的中部为一弹性铰链(8)，在双悬臂杆上有外伸的压电陶瓷支座(9)；压电陶瓷(2)放置在压电陶瓷支座上，拉紧弹簧(10)装卡在双悬臂杆靠近压电陶瓷支座的一端，试件夹头(11)装卡在双悬臂杆的另一端，试件(12)粘贴在试件夹头(11)上；整个动态加载装置(1)放置于光学显微镜的载物台上。2. 按照权利要求l所述的低维材料动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低维材料动态拉伸加载测量系统，其特征为：含有光学显微镜、动态加载装置（１）、压电驱动系统；所述的动态加载装置（１）包括双悬臂杆位移加载机构、拉紧弹簧（１０）和试件夹头（１１）；所述的压电驱动系统包括压电陶瓷（２）和压电陶瓷控制系统（３）；所述的双悬臂杆位移加载机构为一体式中空结构，双悬臂杆（６）通过连接杆（７）连接，连接杆的中部为一弹性铰链（８），在双悬臂杆上有外伸的压电陶瓷支座（９）；压电陶瓷（２）放置在压电陶瓷支座上，拉紧弹簧（１０）装卡在双悬臂杆靠近压电陶瓷支座的一端，试件夹头（１１）装卡在双悬臂杆的另一端，试件（１２）粘贴在试件夹头（１１）上；整个动态加载装置（１）放置于光学显微镜的载物台上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，花韬，张建民，
申请(专利权)人：谢惠民，花韬，张建民，
类型：发明
国别省市：11