腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種集宏微驅(qū)動、精密加載與位移信號檢測為一體的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)；該系統(tǒng)主要由腐蝕及加熱環(huán)境裝置、x軸方向精密定位平臺、y軸方向光學微動平臺、z軸方向的精密定位平臺和精密壓入驅(qū)動單元、載荷信號和位移信號的檢測單元組成；腐蝕及加熱環(huán)境裝置安裝在載物臺上，載物臺通過y軸方向的精密定位平臺裝配在底座上，x、y軸方向精密定位平臺裝配在底座上，z軸方向的精密定位平臺裝配在豎板上，精密壓入驅(qū)動單元、檢測金剛石工具頭壓入材料壓力的精密力學傳感器和精密位移傳感器裝配在z軸方向的精密定位平臺上。
【專利說明】
腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機電一體化精密科學儀器領(lǐng)域，特別涉及一種集驅(qū)動、加載、檢測、納米級腐蝕及加熱環(huán)境下的力學性能測試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]原位納米力學測試技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的前沿技術(shù)，受到各國政府和研究機構(gòu)的高度關(guān)注;原位納米壓痕測試技術(shù)由于具有高的載荷和位移測試分辨率，在微尺度力學測試中顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，相比于非原位納米壓痕測試技術(shù)，原位納米壓痕測試技術(shù)目前只被少數(shù)的研究人員所掌握和使用，主要原因是該項技術(shù)需要在滿足高的測試精度的同時，保證測試儀器的小型化以及與原位監(jiān)測設(shè)備的兼容性；目前原位納米壓痕測試主要集中在室溫這一單一環(huán)境下開展，很少有加熱及腐蝕多種條件下的高精度原位納米壓痕測試，由于實際生活中材料往往會在深海、真空以及其他各種復雜環(huán)境下應(yīng)用，所以室溫環(huán)境是非常有限的測試環(huán)境，這限制了原位納米壓痕測試技術(shù)的快速發(fā)展；總體來看，研究腐蝕、加熱、高精度的原位納米壓痕測試系統(tǒng)依然是具有挑戰(zhàn)性的工作，同時也是一項緊迫性的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，解決了國外儀器體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、不能同時進行腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試，很多和材料損傷破壞有關(guān)的信息無法獲取等問題，并填補了我國在該領(lǐng)域的空白。本發(fā)明的目的在于開發(fā)出結(jié)構(gòu)緊湊、高精度、具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，促進我國在高端儀器制造業(yè)的發(fā)展，并在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地。精密儀器是科技創(chuàng)新和經(jīng)濟社會發(fā)展的基石與重要保障，本發(fā)明可以對各類試件或材料的微納米級腐蝕及加熱環(huán)境下的力學性能測試，對新材料新工藝、精密力學、微電子技術(shù)及半導體技術(shù)、汽車飛機關(guān)鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫(yī)學工程、微機電技術(shù)、納米工程和國防軍工等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的發(fā)展具有極為重要的支撐推動作用和廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值。
[0004]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括腐蝕及加熱環(huán)境、X軸精密定位平臺、y軸光學微動平臺、Z軸宏動調(diào)整機構(gòu)、精密壓入驅(qū)動單元、載荷信號檢測單元和位移信號檢測單元，其中所述的腐蝕及加熱環(huán)境通過氮化硅加熱元件18與腐蝕槽16放置于載物臺17內(nèi)，載物臺17與光學微動平臺19連接，該光學微動平臺19固定在底座20上，精密壓入驅(qū)動單元通過z軸宏動調(diào)整機構(gòu)固定在豎板I上，該豎板I固定在X向滑臺25上。
[0005]所述的加熱環(huán)境包括氮化硅加熱元件18、氮化鋁熱傳導元件26、云母隔熱片27，氮化娃加熱元件18插入載物臺17的槽內(nèi)與氮化招熱傳導元件26接觸，氮化娃加熱元件18與載物臺17之間插入云母隔熱片27，被測試件15與氮化鋁熱傳導元件26接觸進行加熱。
[0006]所述的腐蝕環(huán)境由被測試件15所在的腐蝕槽16及各種酸、堿腐蝕液組成，被測試件15置于腐蝕槽16內(nèi)，通過加腐蝕液對被測試件15進行腐蝕。
[0007]所述的z軸宏動調(diào)整機構(gòu)包括伺服電機12、電機支撐座13、聯(lián)軸器14、絲杠支撐座15，精密壓入驅(qū)動單元固定在z向滑臺6上，金剛石壓頭12在z軸方向上通過伺服電機12進行宏動調(diào)整，實現(xiàn)沖擊壓痕。
[0008]所述的精密壓入驅(qū)動單元包括z向柔性鉸鏈8、z向封裝壓電陶瓷9、預緊螺釘7、力傳感器1、連接件Ill及金剛石壓頭12，該Z向柔性鉸鏈8上設(shè)有Z向封裝壓電陶瓷9，Z向封裝壓電陶瓷9通過預緊螺釘7預緊，力傳感器10后端與z向柔性鉸鏈8連接，力傳感器10前端與連接件Ill后端連接，金剛石壓頭12與連接件Ill前端連接，實現(xiàn)精密壓入驅(qū)動。
[0009]所述的精密驅(qū)動位移檢測信號由安裝在z向柔性鉸鏈8的z向封裝壓電陶瓷9進行測量，并將檢測到的位移信號作為反饋信號對z向封裝壓電陶瓷9驅(qū)動電源進行控制。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果是:機構(gòu)緊湊、體積小、精度高，可以實現(xiàn)特征尺寸毫米級以上三維試件的腐蝕及加熱環(huán)境下的力學性能測試;位移加載分辨率達到微納米級、加載力分辨率達到微牛級，可以對金屬材料、半導體材料、光學材料、生物材料等進行腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米力學測試，對其力學性能做出評價，在汽車、半導體、生物醫(yī)學、仿生學、材料科學、微電機系統(tǒng)、納米技術(shù)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用;本發(fā)明對材料學、微電子技術(shù)、精密光學、薄膜技術(shù)、超精密加工技術(shù)、生物力學、生物醫(yī)學和國防軍工等領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵苿哟龠M作用。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的軸向示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明精密壓入單元和載荷與位移信號檢測單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明的腐蝕及加熱環(huán)境裝置示意圖。
[0014]圖中:1.豎板;2.伺服電機I;3.電機支座I ;4.聯(lián)軸器I ;5.z向絲杠支座;6.z向滑臺；7.預緊螺釘;8.z向柔性鉸鏈;9.z向封裝壓電陶瓷;10.力傳感器;11.連接件I ;12.金剛石壓頭；13.z向絲杠；14.z向?qū)к墸?5.被測試件；16.腐蝕槽；17.載物臺；18.氮化硅加熱元件；19.光學微動平臺；20.底座;21.X向絲杠支座;22.電機支座II; 23.伺服電機II; 24.聯(lián)軸器II; 25.X向滑臺；26.氮化鋁熱傳導元件;27.云母隔熱片；
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖所示進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0016]參見圖1，腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括腐蝕及加熱環(huán)境、X軸精密定位平臺、y軸光學微動平臺、z軸宏動調(diào)整機構(gòu)、精密壓入驅(qū)動單元、載荷信號檢測單元和位移信號檢測單元，其中所述的腐蝕及加熱環(huán)境通過氮化硅加熱元件18與腐蝕槽16放置于載物臺17內(nèi)，載物臺17與光學微動平臺19連接，該光學微動平臺19固定在底座20上，精密壓入驅(qū)動單元通過z軸宏動調(diào)整機構(gòu)固定在豎板I上，該豎板I固定在X向滑臺25上。
[0017]參見圖3，所述的加熱環(huán)境包括氮化娃加熱元件18、氮化招熱傳導元件26、云母隔熱片27，氮化硅加熱元件18插入載物臺17的槽內(nèi)與氮化鋁熱傳導元件26接觸，氮化硅加熱元件18與載物臺17之間插入云母隔熱片27，被測試件15與氮化招熱傳導元件26接觸進行加熱。
[0018]參見圖3，所述的腐蝕環(huán)境由被測試件15所在的腐蝕槽16及各種酸、堿腐蝕液組成，被測試件15置于腐蝕槽16內(nèi)，通過加腐蝕液對被測試件15進行腐蝕。
[0019]參見圖1，所述的z軸宏動調(diào)整機構(gòu)包括伺服電機12、電機支撐座13、聯(lián)軸器14、絲杠支撐座15，精密壓入驅(qū)動單元固定在z向滑臺6上，金剛石壓頭12在z軸方向上通過伺服電機12進行宏動調(diào)整，實現(xiàn)沖擊壓痕。
[0020]參見圖2，所述的精密壓入驅(qū)動單元包括z向柔性鉸鏈8、z向封裝壓電陶瓷9、預緊螺釘7、力傳感器10、連接件Ill及金剛石壓頭12，該z向柔性鉸鏈8上設(shè)有z向封裝壓電陶瓷9，z向封裝壓電陶瓷9通過預緊螺釘7預緊，力傳感器10后端與z向柔性鉸鏈8連接，力傳感器10前端與連接件Ill后端連接，金剛石壓頭12與連接件Ill前端連接，實現(xiàn)精密壓入驅(qū)動。
[0021]參見圖2，所述的精密驅(qū)動位移檢測信號由安裝在z向柔性鉸鏈8的z向封裝壓電陶瓷9進行測量，并將檢測到的位移信號作為反饋信號對z向封裝壓電陶瓷9驅(qū)動電源進行控制。
[0022]參見圖1至圖3，被測試件15安裝在載物臺17上，被測試件15所在的腐蝕槽16加入酸、堿腐蝕液可對被測試件15進行腐蝕，氮化硅加熱元件18通過氮化鋁熱傳導元件26對被測試件15進行加熱，氮化硅加熱元件18與載物臺17之間放置云母隔熱片27進行隔熱，載物臺17裝配在光學微動平臺19上實現(xiàn)y向微動調(diào)整，伺服電機1123通過聯(lián)軸器1124帶動X向絲杠驅(qū)動X向滑臺25及其以上部分實現(xiàn)X向的宏動調(diào)整，伺服電機12從最高處快速驅(qū)動金剛石壓頭12，可實現(xiàn)對被測試件15的沖擊壓痕，通過z向封裝壓電陶瓷9測得位移，力傳感器10測得載荷，從而得到腐蝕及加熱環(huán)境下的沖擊壓痕的載荷位移曲線;通過伺服電機12的宏動調(diào)整，z向封裝壓電陶瓷9的精密驅(qū)動可實現(xiàn)對被測試件15的原位納米壓痕測試，通過z向封裝壓電陶瓷9測得位移，力傳感器10測得載荷，從而得到腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕的載荷位移曲線。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原創(chuàng)之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其特征在于:包括腐蝕及加熱環(huán)境、X軸精密定位平臺、y軸光學微動平臺、Z軸宏動調(diào)整機構(gòu)、精密壓入驅(qū)動單元、載荷信號檢測單元和位移信號檢測單元，其中所述的腐蝕及加熱環(huán)境通過氮化硅加熱元件(18)與腐蝕槽(16)放置于載物臺(17)內(nèi)，載物臺(17)與光學微動平臺(19)連接，該光學微動平臺(19)固定在底座(20)上，精密壓入驅(qū)動單元通過z軸宏動調(diào)整機構(gòu)固定在豎板(I)上，該豎板(I)固定在X向滑臺(25)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的加熱環(huán)境包括氮化硅加熱元件(18)、氮化鋁熱傳導元件(26)、云母隔熱片(27)，氮化硅加熱元件(18)插入載物臺(17)的槽內(nèi)與氮化招熱傳導元件(26)接觸，氮化娃加熱元件(18)與載物臺(17)之間插入云母隔熱片(27)，被測試件(15)與氮化鋁熱傳導元件(26)接觸進行加熱。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的腐蝕環(huán)境由被測試件(15)所在的腐蝕槽(16)及各種酸、堿腐蝕液組成，被測試件(15)置于腐蝕槽(16)內(nèi)，通過加腐蝕液對被測試件(15)進行腐蝕。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的z軸宏動調(diào)整機構(gòu)包括伺服電機1(2)、電機支撐座1(3)、聯(lián)軸器1(4)、絲杠支撐座1(5)，精密壓入驅(qū)動單元固定在z向滑臺(6)上，金剛石壓頭(12)在z軸方向上通過伺服電機1(2)進行宏動調(diào)整，實現(xiàn)沖擊壓痕。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的精密壓入驅(qū)動單元包括z向柔性鉸鏈(8)、z向封裝壓電陶瓷(9)、預緊螺釘(7)、力傳感器(10)、連接件I(Il)及金剛石壓頭(12)，該z向柔性鉸鏈(8)上設(shè)有z向封裝壓電陶瓷(9)，z向封裝壓電陶瓷(9)通過預緊螺釘(7)預緊，力傳感器(10)后端與z向柔性鉸鏈(8)連接，力傳感器(10)前端與連接件I(Il)后端連接，金剛石壓頭(12)與連接件I(Il)前端連接，實現(xiàn)精密壓入驅(qū)動。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測試系統(tǒng)，其特征在于:所述的精密驅(qū)動位移檢測信號由安裝在z向柔性鉸鏈(8)內(nèi)的z向封裝壓電陶瓷(9)進行測量，并將檢測到的位移信號作為反饋信號對z向封裝壓電陶瓷(9)驅(qū)動電源進行控制。
【文檔編號】G01N3/54GK205483876SQ201620177635
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】薛兵, 劉昱范, 薛靖雯, 常廣鋒, 雷川川, 田金坤, 賈英鋒
【申請人】鄭州大學