一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及对低维导电材料的疲劳性能测试系统的建立，具体为一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性的测试系统，解决现有技术中存在的对导电薄膜材料疲劳寿命测量误差大、无法准确测量裂纹的萌生寿命等问题。该测试系统由电磁驱动部分、疲劳加载与测量部分以及检测与记录部分组成，电磁驱动部分包括数字函数发生器、功率放大器、电磁转换器；疲劳加载与测量部分包括楔形槽震动杆、被测导电试样、试样夹具、螺旋测微器和测微器探头；检测与记录部分包括多通路数字万用表和与多通路数字万用表相连的PC机。该系统可以同时对多个被测导电试样进行疲劳性能实验，并可同时对每个被测导电试样的电阻值进行实时记录与分析，实验操作简单快捷。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及对低维导电材料的疲劳性能测试系统和测试方法的建立，具体为一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性的测试系统，及其被测试样体内裂纹萌生与扩展信息的获得和材料疲劳寿命的测试方法。
技术介绍
低维导电薄膜材料在现今电子信息、工业及医学等领域中有着广泛的应用，如微/ 纳电机械系统(MEMS/NEMQ中的微电子触发开关，以及各种心血管支架用材料等。上述器件在实际服役过程中承受往复弯曲、拉伸或扭转等复杂的交变疲劳载荷的作用，了解器件中导电薄膜材料的疲劳性能对其设计和使用寿命预测有很大的帮助。材料体内一旦有裂纹产生，其自身导电性能必然发生变化，对该构件的正常使用带来隐患。因此，测试上述导电材料的弯曲疲劳性能与裂纹萌生与扩展信息，对导电薄膜材料器件的实际应用中的可靠性设计、损伤容限设计以及薄膜材料疲劳性能的理论研究具有重要的意义。目前，在悬臂梁弯曲疲劳实验中，人们多采用直接测量试样夹头与加载端之间的电阻，由于此类疲劳实验方法在悬臂梁弯曲试样与加载头之间不可避免地因接触缝隙的存在，而产生巨大的接触电阻(千欧级)，此外还会在弯曲疲劳实验的加载过程中接触的缝隙会不断的变化，导致测量电路时断时续，给电阻测量带来不可避免的随机性，因此往往无法准确测量试样的电阻值及其变化情况；其他研究者采用配套CCD探头的高倍数显微镜对疲劳试样进行直接观察，但这类方法需要耗费大量的人力，并且实验结果只能获得被测导电试样的疲劳寿命，仍然得不到被测导电试样的裂纹萌生与扩展信息。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种精准、简单的针对微小尺寸导电薄膜、丝材等低维导电材料弯曲疲劳可靠性能测试系统及测试方法，该测试系统及测试方法能表征导电薄膜材料疲劳及裂纹萌生与扩展寿命，解决现有技术中存在的对导电薄膜材料疲劳寿命测量误差大、无法准确测量裂纹的萌生寿命等问题。基于导电薄膜材料实际工作过程遭受弯曲载荷作用的概率要多于遭受其它载荷，该疲劳系统及测试方法对被测导电试样施加与薄膜材料服役工况相一致的弯曲疲劳载荷。本技术的技术方案是一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，该测试系统由电磁驱动部分、疲劳加载与测量部分、检测与记录部分三部分组成；(1)电磁驱动部分，包括数字函数发生器、功率放大器、电磁转换器，数字函数发生器的输出端连接功率放大器，功率放大器的输出端连接电磁转换器，电磁转换器的输出端连接疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆；(2)疲劳加载与测量部分，包括楔形槽震动杆、被测导电试样、试样夹具、螺旋测微器和测微器探头，试样夹具固定在三维移动机械架上，被测导电试样通过试样夹具固定架3固定在二维平台上，螺旋测微器及测微器探头由其固定架固定在疲劳测试系统所在的二维光学平台上，楔形槽震动杆的一端与电磁转换器连接，楔形槽震动杆的另一端与螺旋测微器的测微器探头连接，楔形槽震动杆上开有楔形槽，被测导电试样的一端固定在试样夹具上，被测导电试样的另一端伸至楔形槽中，被测导电试样通过固定在试样夹具上的电阻测量接触片的外引线与多通路数字万用表相连；(3)检测与记录部分，包括多通路数字万用表和与多通路数字万用表相连的PC 机；多通路数字万用表的一端连接被测导电试样，多通路数字万用表的另一端与PC机相连。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，利用螺旋测微器前端连接的测微器探头的移动来精确测量楔形槽震动杆的振幅，量程范围为1 μ m 4mm，测量精度为 1 μ m0所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，试样夹具包括夹具主体、夹具上压片、螺栓紧固件、电阻测量接触片，被测导电试样与试样夹具通过螺栓紧固件相连接， 电阻测量接触片直接与被测导电试样相连。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，夹具主体与夹具上压片为不锈钢材料加工而成，并且通体均进行绝缘处理。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，夹具主体的一端上表面开有台阶形结构，两个电阻测量接触片的一端分别伸至台阶形结构底层的两边，被测导电试样的一端伸至台阶形结构底层的中部；夹具上压片压设于被测导电试样和两个电阻测量接触片顶部，并与夹具主体的台阶形结构接合。一种利用所述测试系统的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，具体步骤如下(1)预先测量被测导电材料的单轴的拉伸性能，获得其拉伸应力-应变曲线；(2)根据试样原始长度及所需悬臂梁长度，选择被测导电试样在试样夹具端的夹持长度；(3)通过调节固定在光学平台上的二维平台，调整被测导电试样插入楔形槽震动杆的深度，使其达到实验所需要的跨距；(4)通过调节固定在光学平台上的测微器与功率放大器，获得电磁转换器相应的振幅输出；(5)利用预先获得的拉伸应力-应变数据，结合计算机有限元模拟，计算出被测导电试样在夹持端根部相对应的疲劳应变ε及其应力σ值；(6)采用多通路数字万用表，对被测导电试样的电阻值进行实时测量与记录；(7)通过测量试样的实时电阻值，计算试样电阻变化率，获得电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线，从而得出试样的疲劳寿命与裂纹萌生及扩展的信息。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，测试过程中，数字函数发生器产生疲劳实验中所用的模拟信号疲劳加载波形，经过功率放大器进行功率放大，将电信号传输给电磁转换器，由电磁转换器将电信号变成力学信号带动疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆震动；工作过程中，电磁转换器驱动楔形槽震动杆发生上下震动，从而带动嵌入楔形槽中的被测导电试样一端产生往复震动；测微器探头用于限制并测量楔形槽震动杆的位移， 从而测量被测导电试样的震动振幅。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，多通路数字万用表用于实时检测被测导电试样的电阻值，并将信号反馈给用于数据记录的PC机；实验过程中，用导线把与被测导电试样相连的电阻测量接触片连接到多通路数字万用表上，实时采集被测导电试样的电阻值，及其电阻值的变化情况；利用与试样夹具和多通路数字万用表来精确测量被测导电试样在疲劳过程中电阻的变化值，通过PC机实时采集多通路数字万用表中的数据， 实现实验过程中的自动化采集；当被测导电试样的电阻的增量达到起始电阻的30%时，定义为被测导电试样的断裂点；当被测导电试样电阻变化到无穷大时，PC机自动停止记录数据，并将之前的数据自动存盘。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，通过设置函数发生器的参数， 使其产生多种疲劳加载的波形，对被测导电试样施加从拉-拉载荷到拉-压对称及非对称等的任意弯曲形式的疲劳载荷。本技术低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统中，所指的低维导电材料可以是通过各种目前已知的方法(物理或化学等技术)制备的有基体支持或无基体支持的导电单层或多层薄膜、箔类、二维薄板类材料或丝类导电材料等，各种可以使用该系统检测的材料为(1)各种金属丝材，以及外部做过绝缘处理的各种导电丝材，或者在绝缘丝材是外部做过导电处理的丝材；( 或者是各种导电的金属箔类，或是在绝缘基体材料上制备的各种导电材料，或者金属多层膜材料；C3)或者是各种有压电效应的箔类材料，或是制备在绝缘基体材料上的各种压电膜，或者是有压电效应的膜，本技术可以用来测量其压电性能与评价其抗疲劳能力；(4)被检测丝材的尺寸为2mm到10 μ m，薄膜状材料总厚为2mm 到10μπι;(5)如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广平，徐进，张滨，宋竹满，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：实用新型
国别省市：