本發(fā)明涉及納米力學(xué)測試領(lǐng)域，具體為應(yīng)用在納米壓入儀中的一種低溫裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

隨著科技的快速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)精密系統(tǒng)應(yīng)用于低溫領(lǐng)域。工作環(huán)境的變化通常也會造成材料性能及可靠性的改變，因此，探究材料在低溫服役環(huán)境中的機(jī)械性能變化具有重要的實際意義。

儀器化納米壓入技術(shù)作為一種主要獲取材料機(jī)械性能參數(shù)的手段，得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過儀器記錄連續(xù)壓入的載荷和深度來測定硬度和彈性模量等相關(guān)參數(shù)，測量精度高，測試范圍廣且不會破壞材料。

但是該技術(shù)在低溫環(huán)境測試領(lǐng)域仍有所缺乏。在低溫環(huán)境領(lǐng)域，目前國際最先進(jìn)的低溫納米壓痕儀的測試溫度為-100℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足低溫應(yīng)用領(lǐng)域的需求，如液態(tài)氣態(tài)的存儲溫度。而且低溫環(huán)境下，環(huán)境中的水蒸氣會在低溫表面冷凝結(jié)冰，導(dǎo)致測得的性能為冰的性能。需在實驗中通過調(diào)控手段來排除水蒸氣。

因此，開發(fā)構(gòu)建一種新型的低溫納米壓痕測試平臺并準(zhǔn)確評價材料在納微尺度下的機(jī)械性能，對先進(jìn)表面復(fù)合薄膜、功能納米材料和微機(jī)電產(chǎn)品的研究、設(shè)計和開發(fā)有著極其重要的科學(xué)意義和工程價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的在于提供一種納米壓入儀用低溫裝置。所述裝置采用節(jié)流微制冷器，低溫環(huán)境可達(dá)到-150℃。可通過改變通入氣體，滿足濕度環(huán)境及氣氛環(huán)境的測試需求，工作效率高，使用方便。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種納米壓入儀用低溫裝置是以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

該裝置包括樣品臺與基底，樣品臺右部中心設(shè)置柱狀孔，該柱狀孔內(nèi)設(shè)置節(jié)流微制冷器，該柱狀孔與外接排氣口、高壓氣氛入口及開關(guān)閥相連，樣品臺的右端與實心基底相連；樣品臺左側(cè)端部設(shè)置樣品，在樣品旁設(shè)有柱狀孔便于安裝濕度傳感器；外層保護(hù)罩右側(cè)的內(nèi)壁上設(shè)置嵌入的橡膠圈，橡膠圈的內(nèi)側(cè)安裝在樣品臺的外側(cè)，外層保護(hù)罩的下側(cè)設(shè)有柱狀孔作為惰性氣體入口；內(nèi)層保護(hù)罩右側(cè)內(nèi)部設(shè)置橡膠圈，內(nèi)層保護(hù)罩外壁設(shè)置有加熱毯，內(nèi)層保護(hù)罩左側(cè)頂部設(shè)有柱狀孔作為壓頭入口，內(nèi)層保護(hù)罩下壁設(shè)置有柱狀孔，與惰性氣體入口聯(lián)通；外層保護(hù)罩左側(cè)設(shè)置密封板，在密封板中部設(shè)置壓頭入口；在外層保護(hù)罩、內(nèi)層保護(hù)罩的上側(cè)設(shè)置柱狀孔安裝密封的可視攝像頭。

所述的節(jié)流微制冷器采用等焓膨脹的焦耳-湯姆遜效應(yīng)，來快速制冷。

所述濕度傳感器埋入在樣品臺內(nèi)部。

所述加熱毯包裹在內(nèi)層保護(hù)罩外面，通過加熱毯加熱及通過惰性氣體入口通入惰性氣流的方式來排除裝置內(nèi)的水蒸氣。

所述樣品臺通過采用外層保護(hù)罩、內(nèi)層保護(hù)罩以及密封板來保證裝置的密封性。

所述密封板為多層設(shè)計的密封板結(jié)構(gòu)，在多層設(shè)計的密封板中，各密封板中的通孔大小不一致，形狀不一致。

所述密封板，各密封板中的通孔為圓形或橢圓形，各橢圓形通孔的軸線重合，橢圓形的長軸不重疊。

有益效果：本發(fā)明提供一種納米壓入儀用低溫裝置，與已有技術(shù)比較，其優(yōu)點是：

1、本發(fā)明所述裝置采用節(jié)流微制冷器，低溫環(huán)境可達(dá)到-150℃。

2、本發(fā)明所述裝置中濕度傳感器采用埋入式的方法安裝與樣品臺中，提高空間利用率。

3、本發(fā)明所述裝置采用內(nèi)外保護(hù)的方法保證裝置的密封性，排除裝置中的水蒸氣。

4、本發(fā)明所述裝置可通過改變通入氣體，滿足濕度環(huán)境及氣氛環(huán)境的測試需求，工作效率高，使用方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中的納米壓入儀用低溫裝置的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實施方式中的納米壓入儀用低溫裝置的外形整體示意圖；

圖3為本發(fā)明具體實施方式中的納米壓入儀用低溫裝置的密封板爆炸示意圖；

圖中標(biāo)記為：1基底，2節(jié)流微制冷器，3樣品臺，4橡膠圈，5外層保護(hù)罩，6濕度傳感器，7加熱毯，8可視攝像頭，9內(nèi)層保護(hù)罩，10密封板，11壓頭入口，12樣品，13惰性氣體入口，14節(jié)流微制冷器排氣口，15開關(guān)閥，16高壓氣氛入口。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不局限于具體實施例。

本實施例中的一種納米壓入儀用低溫裝置，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括樣品臺3與基底1，樣品臺右側(cè)底部中心設(shè)置柱狀孔，柱狀孔內(nèi)設(shè)置節(jié)流微制冷器2，其與外接節(jié)流微制冷器排氣口14、高壓氣氛入口16及開關(guān)閥15相連，樣品臺底部與實心基底1相連固定裝置，樣品臺左側(cè)頂部設(shè)置樣品12且側(cè)邊設(shè)置柱狀孔便于安裝濕度傳感器6，外層保護(hù)罩5右側(cè)底部內(nèi)壁上設(shè)置嵌入的橡膠圈4方便其安裝在樣品臺3上，其側(cè)壁上下設(shè)置柱狀孔，下側(cè)柱狀孔作為惰性氣體入口13，內(nèi)層保護(hù)罩9右側(cè)底部同樣設(shè)置橡膠圈4，側(cè)壁外層設(shè)置加熱毯7，且上下側(cè)壁及左側(cè)頂部設(shè)置柱狀孔，方便壓頭入口11以及惰性氣體的流入13，外層保護(hù)罩左側(cè)設(shè)置密封板10，在密封板中部設(shè)置壓頭入口11，通過內(nèi)外保護(hù)罩的上側(cè)柱狀孔設(shè)置密封的可視攝像頭8。各密封板中的通孔為圓形或橢圓形，各橢圓形通孔的軸線重合，橢圓形的長軸不重疊。

本實施例的工作原理為：低溫環(huán)境，參照圖1，按照上述具體實施方式依次安裝實驗裝置。開始工作時，在高壓氣氛入口16通入壓力氣體，通常為氮氣或氫氣，打開開關(guān)閥15與節(jié)流微制冷器排氣口14，節(jié)流微制冷器2開始工作，通過可視攝像頭8觀察納米壓入儀壓頭入口11與樣品表面預(yù)接觸，之后在惰性氣體入口13持續(xù)緩慢通入惰性氣體，打開加熱毯7開始加熱，開始排除材料表面的水蒸氣，觀察濕度傳感器6，達(dá)到所需濕度范圍時，壓頭正式接觸材料表面，開始實驗。當(dāng)關(guān)閉節(jié)流微制冷器2，通過改變惰性氣體入口13的通入氣流，如濕度氣流，觀察濕度傳感器可滿足濕度環(huán)境需求。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種納米壓入儀用低溫裝置，屬于納米力學(xué)測試領(lǐng)域。該裝置包括樣品臺(3)與基底(1)，樣品臺左側(cè)端部設(shè)置樣品(12)，外層保護(hù)罩(5)右側(cè)的內(nèi)壁上設(shè)置嵌入的橡膠圈(4)，橡膠圈(4)的內(nèi)側(cè)安裝在樣品臺(3)的外側(cè)，外層保護(hù)罩(5)的下側(cè)設(shè)有柱狀孔作為惰性氣體入口(13)；內(nèi)層保護(hù)罩(9)右側(cè)內(nèi)部設(shè)置橡膠圈(4)，內(nèi)層保護(hù)罩(9)外壁設(shè)置有加熱毯(7)，外層保護(hù)罩(5)左側(cè)設(shè)置密封板(10)，在密封板中部與內(nèi)層保護(hù)罩左側(cè)端部設(shè)置壓頭入口(11)；在外層保護(hù)罩(5)、內(nèi)層保護(hù)罩(9)的上側(cè)設(shè)置柱狀孔安裝密封的可視攝像頭(8)。本發(fā)明裝置可同時滿足橫向或縱向加載的納米壓入儀，擴(kuò)大納米力學(xué)測試范圍，具有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：陳堅;黃啟明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2019.05.17
技術(shù)公布日：2019.08.30