腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種集宏微驅(qū)動(dòng)、精密加載與位移信號(hào)檢測(cè)為一體的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)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(tái)、y軸方向光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)、z軸方向的精密定位平臺(tái)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)和位移信號(hào)的檢測(cè)單元組成；腐蝕及加熱環(huán)境裝置安裝在載物臺(tái)上，載物臺(tái)通過y軸方向的精密定位平臺(tái)裝配在底座上，x、y軸方向精密定位平臺(tái)裝配在底座上，z軸方向的精密定位平臺(tái)裝配在豎板上，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)金剛石工具頭壓入材料壓力的精密力學(xué)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(tái)上。
【專利說明】
腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)電一體化精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種集驅(qū)動(dòng)、加載、檢測(cè)、納米級(jí)腐蝕及加熱環(huán)境下的力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]原位納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的前沿技術(shù)，受到各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注;原位納米壓痕測(cè)試技術(shù)由于具有高的載荷和位移測(cè)試分辨率，在微尺度力學(xué)測(cè)試中顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相比于非原位納米壓痕測(cè)試技術(shù)，原位納米壓痕測(cè)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(xiàng)技術(shù)需要在滿足高的測(cè)試精度的同時(shí)，保證測(cè)試儀器的小型化以及與原位監(jiān)測(cè)設(shè)備的兼容性；目前原位納米壓痕測(cè)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(cè)試，由于實(shí)際生活中材料往往會(huì)在深海、真空以及其他各種復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，所以室溫環(huán)境是非常有限的測(cè)試環(huán)境，這限制了原位納米壓痕測(cè)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(cè)試系統(tǒng)依然是具有挑戰(zhàn)性的工作，同時(shí)也是一項(xiàng)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(cè)試系統(tǒng)，解決了國(guó)外儀器體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能同時(shí)進(jìn)行腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)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(bǔ)了我國(guó)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)試系統(tǒng)，促進(jìn)我國(guó)在高端儀器制造業(yè)的發(fā)展，并在國(guó)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(jì)社會(huì)發(fā)展的基石與重要保障，本發(fā)明可以對(duì)各類試件或材料的微納米級(jí)腐蝕及加熱環(huán)境下的力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)新材料新工藝、精密力學(xué)、微電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)、汽車飛機(jī)關(guān)鍵零部件制造、鋼鐵冶金、生物醫(yī)學(xué)工程、微機(jī)電技術(shù)、納米工程和國(guó)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(dòng)作用和廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
[0004]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)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(tái)、y軸光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)、Z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元和位移信號(hào)檢測(cè)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(tái)17內(nèi)，載物臺(tái)17與光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)19連接，該光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)19固定在底座20上，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元通過z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)固定在豎板I上，該豎板I固定在X向滑臺(tái)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(dǎo)元件26、云母隔熱片27，氮化娃加熱元件18插入載物臺(tái)17的槽內(nèi)與氮化招熱傳導(dǎo)元件26接觸，氮化娃加熱元件18與載物臺(tái)17之間插入云母隔熱片27，被測(cè)試件15與氮化鋁熱傳導(dǎo)元件26接觸進(jìn)行加熱。
[0006]所述的腐蝕環(huán)境由被測(cè)試件15所在的腐蝕槽16及各種酸、堿腐蝕液組成，被測(cè)試件15置于腐蝕槽16內(nèi)，通過加腐蝕液對(duì)被測(cè)試件15進(jìn)行腐蝕。
[0007]所述的z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)12、電機(jī)支撐座13、聯(lián)軸器14、絲杠支撐座15，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元固定在z向滑臺(tái)6上，金剛石壓頭12在z軸方向上通過伺服電機(jī)12進(jìn)行宏動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)沖擊壓痕。
[0008]所述的精密壓入驅(qū)動(dòng)單元包括z向柔性鉸鏈8、z向封裝壓電陶瓷9、預(yù)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(yù)緊螺釘7預(yù)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(shí)現(xiàn)精密壓入驅(qū)動(dòng)。
[0009]所述的精密驅(qū)動(dòng)位移檢測(cè)信號(hào)由安裝在z向柔性鉸鏈8的z向封裝壓電陶瓷9進(jìn)行測(cè)量，并將檢測(cè)到的位移信號(hào)作為反饋信號(hào)對(duì)z向封裝壓電陶瓷9驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行控制。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果是:機(jī)構(gòu)緊湊、體積小、精度高，可以實(shí)現(xiàn)特征尺寸毫米級(jí)以上三維試件的腐蝕及加熱環(huán)境下的力學(xué)性能測(cè)試;位移加載分辨率達(dá)到微納米級(jí)、加載力分辨率達(dá)到微牛級(jí)，可以對(duì)金屬材料、半導(dǎo)體材料、光學(xué)材料、生物材料等進(jìn)行腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米力學(xué)測(cè)試，對(duì)其力學(xué)性能做出評(píng)價(jià)，在汽車、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)、材料科學(xué)、微電機(jī)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(duì)材料學(xué)、微電子技術(shù)、精密光學(xué)、薄膜技術(shù)、超精密加工技術(shù)、生物力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵苿?dòng)促進(jìn)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(hào)檢測(cè)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(jī)I;3.電機(jī)支座I ;4.聯(lián)軸器I ;5.z向絲杠支座;6.z向滑臺(tái)；7.預(yù)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(cè)試件；16.腐蝕槽；17.載物臺(tái)；18.氮化硅加熱元件；19.光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)；20.底座;21.X向絲杠支座;22.電機(jī)支座II; 23.伺服電機(jī)II; 24.聯(lián)軸器II; 25.X向滑臺(tái)；26.氮化鋁熱傳導(dǎo)元件;27.云母隔熱片；
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖所示進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)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(cè)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(tái)、y軸光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)、z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元和位移信號(hào)檢測(cè)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(tái)17內(nèi)，載物臺(tái)17與光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)19連接，該光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)19固定在底座20上，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元通過z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)固定在豎板I上，該豎板I固定在X向滑臺(tái)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(dǎo)元件26、云母隔熱片27，氮化硅加熱元件18插入載物臺(tái)17的槽內(nèi)與氮化鋁熱傳導(dǎo)元件26接觸，氮化硅加熱元件18與載物臺(tái)17之間插入云母隔熱片27，被測(cè)試件15與氮化招熱傳導(dǎo)元件26接觸進(jìn)行加熱。
[0018]參見圖3，所述的腐蝕環(huán)境由被測(cè)試件15所在的腐蝕槽16及各種酸、堿腐蝕液組成，被測(cè)試件15置于腐蝕槽16內(nèi)，通過加腐蝕液對(duì)被測(cè)試件15進(jìn)行腐蝕。
[0019]參見圖1，所述的z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)12、電機(jī)支撐座13、聯(lián)軸器14、絲杠支撐座15，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元固定在z向滑臺(tái)6上，金剛石壓頭12在z軸方向上通過伺服電機(jī)12進(jìn)行宏動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)沖擊壓痕。
[0020]參見圖2，所述的精密壓入驅(qū)動(dòng)單元包括z向柔性鉸鏈8、z向封裝壓電陶瓷9、預(yù)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(yù)緊螺釘7預(yù)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(shí)現(xiàn)精密壓入驅(qū)動(dòng)。
[0021]參見圖2，所述的精密驅(qū)動(dòng)位移檢測(cè)信號(hào)由安裝在z向柔性鉸鏈8的z向封裝壓電陶瓷9進(jìn)行測(cè)量，并將檢測(cè)到的位移信號(hào)作為反饋信號(hào)對(duì)z向封裝壓電陶瓷9驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行控制。
[0022]參見圖1至圖3，被測(cè)試件15安裝在載物臺(tái)17上，被測(cè)試件15所在的腐蝕槽16加入酸、堿腐蝕液可對(duì)被測(cè)試件15進(jìn)行腐蝕，氮化硅加熱元件18通過氮化鋁熱傳導(dǎo)元件26對(duì)被測(cè)試件15進(jìn)行加熱，氮化硅加熱元件18與載物臺(tái)17之間放置云母隔熱片27進(jìn)行隔熱，載物臺(tái)17裝配在光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)19上實(shí)現(xiàn)y向微動(dòng)調(diào)整，伺服電機(jī)1123通過聯(lián)軸器1124帶動(dòng)X向絲杠驅(qū)動(dòng)X向滑臺(tái)25及其以上部分實(shí)現(xiàn)X向的宏動(dòng)調(diào)整，伺服電機(jī)12從最高處快速驅(qū)動(dòng)金剛石壓頭12，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試件15的沖擊壓痕，通過z向封裝壓電陶瓷9測(cè)得位移，力傳感器10測(cè)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(jī)12的宏動(dòng)調(diào)整，z向封裝壓電陶瓷9的精密驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試件15的原位納米壓痕測(cè)試，通過z向封裝壓電陶瓷9測(cè)得位移，力傳感器10測(cè)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(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種腐蝕及加熱環(huán)境下的原位納米壓痕測(cè)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(tái)、y軸光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)、Z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、載荷信號(hào)檢測(cè)單元和位移信號(hào)檢測(cè)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(tái)(17)內(nèi)，載物臺(tái)(17)與光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)(19)連接，該光學(xué)微動(dòng)平臺(tái)(19)固定在底座(20)上，精密壓入驅(qū)動(dòng)單元通過z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)固定在豎板(I)上，該豎板(I)固定在X向滑臺(tái)(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(cè)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(dǎo)元件(26)、云母隔熱片(27)，氮化硅加熱元件(18)插入載物臺(tái)(17)的槽內(nèi)與氮化招熱傳導(dǎo)元件(26)接觸，氮化娃加熱元件(18)與載物臺(tái)(17)之間插入云母隔熱片(27)，被測(cè)試件(15)與氮化鋁熱傳導(dǎo)元件(26)接觸進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)，其特征在于:所述的腐蝕環(huán)境由被測(cè)試件(15)所在的腐蝕槽(16)及各種酸、堿腐蝕液組成，被測(cè)試件(15)置于腐蝕槽(16)內(nèi)，通過加腐蝕液對(duì)被測(cè)試件(15)進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)，其特征在于:所述的z軸宏動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)1(2)、電機(jī)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(dòng)單元固定在z向滑臺(tái)(6)上，金剛石壓頭(12)在z軸方向上通過伺服電機(jī)1(2)進(jìn)行宏動(dòng)調(diào)整，實(shí)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(cè)試系統(tǒng)，其特征在于:所述的精密壓入驅(qū)動(dòng)單元包括z向柔性鉸鏈(8)、z向封裝壓電陶瓷(9)、預(yù)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(yù)緊螺釘(7)預(yù)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(shí)現(xiàn)精密壓入驅(qū)動(dòng)。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(cè)試系統(tǒng)，其特征在于:所述的精密驅(qū)動(dòng)位移檢測(cè)信號(hào)由安裝在z向柔性鉸鏈(8)內(nèi)的z向封裝壓電陶瓷(9)進(jìn)行測(cè)量，并將檢測(cè)到的位移信號(hào)作為反饋信號(hào)對(duì)z向封裝壓電陶瓷(9)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行控制。
【文檔編號(hào)】G01N3/54GK205483876SQ201620177635
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】鄭州大學(xué)