原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法技术

本发明专利技术涉及一种原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法，属于机电一体化精密科学仪器领域。X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在底座尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座中部，电机驱动单元装配在底座头部，精密压入驱动与位移信号检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入力和划痕法向力、切向力的精密三轴力传感器安装在X轴精密划痕单元上。优点在于：结构紧凑、小型化、一体化，在克服了现有测试平台无法定量检测划痕过程法向力、切向力的不足的同时，更好的保证装配精度，有效提升整体的刚度和动态特性，提升了整体的测试精度。

【技术实现步骤摘要】
原位微纳米压痕/划痕测试方法
本专利技术涉及机电一体化精密科学测试领域，特别涉及一种原位微纳米压痕/划痕测试方法。在钢铁冶金、有色金属、无机非金属、材料科学、固体力学、生物医学工程、航空航天等领域具有重要的科学意义和良好的应用前景。
技术介绍
随着科学技术的发展和电子显微学技术的进步，原位微纳米力学测试技术应用而生。原位压痕/划痕测试技术的显著优势在于可实现压痕/划痕过程的实时在线观测，进而研究载荷作用下材料表面的变形、损伤机理。国内外对材料力学性能原位测试的研究还处于开发探索阶段，但是由于发达国家的起步较早，研究相对比较深入，领先于国内该领域的研究。在原位力学测试方面，比较典型的包括微柱压缩、微结构拉伸、微弯曲等测试，针对三维试件的原位力学测试研究，目前仅见于瑞士联邦理工学院Michler和R.Rabe、日本东北大学W.Gao和本项目组等开展的工作。现有的仪器也都存在着一定的缺点，而且国内外关于定量的划痕实验目前还鲜有报道。所以，研制具有大行程、高精度、结构紧凑、低成本的原位压痕/划痕测试平台依然具有广泛的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位微纳米压痕/划痕测试方法，解决了现有原位划痕测试技术存在的无法定量检测划痕过程法向力、切向力的问题，为更好的研究材料磨损机制、去除机理、划痕力波动等提供依据。本专利技术结构具有紧凑、小型化、一体化的特点，在克服了现有测试平台无法定量检测划痕过程法向力、切向力的不足的同时，更好的保证装配精度，有效提升整体的刚度和动态特性，提升了整体的测试精度。本测试平台的位移分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到亚微牛级，测试平台可独立使用测试材料的硬度、弹性模量、蠕变特性等基本力学参数。特别是测试平台与扫描电子显微镜具有良好的结构兼容性、真空兼容性和电磁兼容性，可安装在扫描电子显微镜真空腔内，实现对特征尺寸毫米级以上三维试件的原位微纳米压痕/划痕测试，借助扫描电子显微镜动态监测压入力(或划痕力)作用下被测样品材料的微观变形行为和损伤机制。本专利技术将在材料科学、固体力学、生物医学、钢铁冶金等领域具有广阔的发展前景和应用价值。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种原位微纳米压痕/划痕测试方法，校准与试验过程包括以下步骤；a)将原位微纳米压痕/划痕测试平台装配好，连接好相应线路，标定力传感器和位移传感器；所述测试平台，包括X轴精密划痕单元、Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元与位移信号检测单元、载荷信号检测单元，其中，所述X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在底座16尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座16中部，电机驱动单元装配在底座16头部，精密压入驱动与位移信号检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入力和划痕法向力、切向力的精密三轴力传感器22安装在X轴精密划痕单元上。所述的底座16通过铸造实现一体成型式结构，然后进行机械加工，更好的保证装配精度，有效提升整体的刚度和动态特性，提升整体的测试精度。所述的X轴精密划痕单元包括柔性铰链Ⅰ18和压电叠堆Ⅰ17，所述柔性铰链Ⅰ18的凹槽内部安装有压电叠堆Ⅰ17，使载物台23和精密三轴力传感22在竖直方向上的位置，实现沿X轴方向的精密划痕功能。所述的Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件包括精密导轨滑块Ⅰ20、柔性铰链Ⅱ、Ⅲ19、32和压电叠堆Ⅱ、Ⅲ31、33，所述精密导轨滑块Ⅰ20和柔性铰链Ⅱ、Ⅲ19、32分别安装在底座16上，柔性铰链Ⅱ、Ⅲ19、32的凹槽内部分别安装有压电叠堆Ⅱ、Ⅲ31、33，柔性铰链Ⅱ、Ⅲ19、32输出端与精密导轨滑块Ⅰ20侧面实现间隙配合,通过调整压电叠堆Ⅱ、Ⅲ31、33的锯齿波电压实现划痕方向与划痕速度的控制，实现沿Y轴方向的大行程划痕过程，及实现压痕点的更换。所述的Z轴宏动调整机构包括安装座15、连接件Ⅱ14、螺杆29、螺母30和精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ13、28、伺服电机1、蜗杆Ⅰ、Ⅱ3、8、蜗轮Ⅰ、Ⅱ5、6、螺杆支撑座12等，所述安装座15和螺母30分别安装在连接件Ⅱ14上，连接件Ⅱ14安装在精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ13、28上，精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ13、28安装在底座16上；伺服电机1安装在底座16上，平行布置于精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ13、28的右侧，减小测试平台的长度尺寸，伺服电机1驱动转矩经由蜗杆Ⅰ3、蜗杆Ⅱ8和蜗轮I5、蜗轮Ⅱ6的两级减速增扭后，带动螺杆29将旋转运动转化为安装座15的直线运动，实现Z轴方向金刚石压头24位置的宏动调整。所述的精密压入驱动单元与位移信号检测单元包括金刚石压头24、压头连接件26和压电陶瓷促动器27，所述金刚石压头24通过压头连接件26与压电陶瓷促动器27连接，压电陶瓷促动器27固定在安装座15上，压电陶瓷促动器27自身带有闭环位移反馈功能，以检测金刚石压头24的压入深度。所述的载荷信号检测单元包括载物台23、精密三轴力传感器22和连接件Ⅰ21，所述载物台23安装在精密三轴力传感器22上，精密三轴力传感器22安装在连接件Ⅰ21上，可以定量检测压痕压入力和划痕法向力、切向力，在压痕过程中，将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制，实现闭环控制。b)将试件通过熔融石蜡粘贴到载物台23上，用平头圆柱代替金刚石压头，调整沿Z轴方向的宏动调整机构，在预载荷100mN基础上，模拟压痕过程，对测试数据的加载段进行处理，通过二次多项式拟合得到了压入深度h与载荷的平方根之间的关系式，初步确定测试平台的机架柔度，确保无装配误差；c)安装金刚石压头24，分载荷进行多次压痕实验，确保测试平台重复性良好；d)由于测试平台小型化造成机架柔度问题，分载荷进行校准机架柔度Cf，利用参考材料熔融石英进行压痕，根据机架柔度公式其中，P为最大压入载荷，hm为测试平台在载荷作用下最大压入深度值，ha为商业化纳米压痕仪在载荷作用下最大压入深度值；e)将被测试件通过导电胶粘贴在载物台23上，调整Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件和Z轴宏动调整机构，使被测试件处于金刚石压头24的正下方，然后将所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台安装在扫描电子显微镜(在Raman和X射线衍射下原理类似，此处不赘述)载物台37上，并打开扫描电子显微镜，调整好电子枪35位置，调好视场，方便观察；f)通过扫描电子显微镜成像，调整Z轴宏动调整机构使金刚石压头接近试件表面，使金刚石压头处于试件表面上方0.5μm～1μm位置，此时力传感器示数为零；g)根据压痕/划痕步骤，通过软件对拟定好的实验加载条件(包括压痕的载荷/位移加载函数，划痕的载荷和划痕位移加载函数)进行设置，启动程序即可进行压痕/划痕的测试，结合压痕过程的载荷压深曲线(划痕过程中法向力和切向力的曲线)，并借助扫描电子显微镜动态监测压入力(或划痕力)作用下被测样品材料的微观变形行为和损伤机制。由力传感器和位移传感器与A/D卡采集卡记录实验过程中的力与位移，得到压痕过程的载荷-压深曲线和划痕的法向力-切向力曲线，根据力学计算模型，即可得到压入硬度、接触刚度、弹性模量、划入硬度、摩擦系数等力学参数。本专利技术的原位测试是指通过显微成像仪器对被测试件在测试的过程中进行在线连续的观测、记录和分析。该方法是：首先标定力和位移传感器，然后测试平台重复性并校准机架本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：包括X轴精密划痕单元、Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元与位移信号检测单元、载荷信号检测单元，其中，所述X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在底座（16）尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座（16）中部，电机驱动单元装配在底座（16）头部，精密压入驱动与位移信号检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入力和划痕法向力、切向力的精密三轴力传感器（22）安装在X轴精密划痕单元上。

【技术特征摘要】
1.一种原位微纳米压痕/划痕测试方法，其特征在于：包括以下步骤；a)将原位微纳米压痕/划痕测试平台装配好，连接好相应线路，标定力传感器和位移传感器；所述测试平台包括X轴精密划痕单元、Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元与位移信号检测单元、载荷信号检测单元，将所述X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在一体成型式结构的底座(16)尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座(16)中部，电机驱动单元装配在底座(16)头部，精密压入驱动与位移信号检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入力和划痕法向力、切向力的精密三轴力传感器(22)安装在X轴精密划痕单元上；将所述X轴精密划痕单元的柔性铰链Ⅰ(18)的凹槽内部安装有压电叠堆Ⅰ(17)，使载物台(23)和精密三轴力传感器(22)在竖直方向上的位置，实现沿X轴方向的精密划痕功能；所述的Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件包括精密导轨滑块Ⅰ(20)、柔性铰链Ⅱ、Ⅲ(19、32)和压电叠堆Ⅱ、Ⅲ(31、33)，所述精密导轨滑块Ⅰ(20)和柔性铰链Ⅱ、Ⅲ(19、32)分别安装在底座(16)上，柔性铰链Ⅱ、Ⅲ(19、32)的凹槽内部分别安装有压电叠堆Ⅱ、Ⅲ(31、33)，柔性铰链Ⅱ、Ⅲ(19、32)输出端与精密导轨滑块Ⅰ(20)侧面实现间隙配合,通过调整压电叠堆Ⅱ、Ⅲ(31、33)的锯齿波电压实现划痕方向与划痕速度的控制，实现沿Y轴方向的大行程划痕过程，及实现压痕点的更换；将所述Z轴宏动调整机构的安装座(15)和螺母(30)分别安装在连接件Ⅱ(14)上，连接件Ⅱ(14)安装在精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ(13、28)上，精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ(13、28)安装在底座(16)上；伺服电机(1)安装在底座(16)上，平行布置于精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ(13、28)的右侧，减小测试平台的长度尺寸，伺服电机(1)驱动转矩经由蜗杆Ⅰ(3)、蜗杆Ⅱ(8)和蜗轮I(5)、蜗轮Ⅱ(6)的两级减速增扭后，带动螺杆(29)将旋转运动转化为安装座(15)的直线运动，实现Z轴方向金刚石压头(24)位置的宏动调整；将所述精密压入驱动单元与位移信号检测单元的金刚石压头(24)通过压头连接件(26)与压电陶瓷促动器(27)连接，压...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，时月，刘彦超，任露泉，范尊强，马志超，于丹阳，黄虎，李建平，于淼，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22