一种金属薄膜／箔力学性能临界特征尺度的测试系统，其特征在于，该测试系统包括： （１）用来固定加载推进器的基座； （２）推进器；加载推进器采用游标卡尺，推进器主尺朝下并固定在基座上，游标尺在上； （３）样品加载模具对模；该套对模由上模具和下模具组成，分别相对安装于推进器的游标尺和主尺上； （４）芯轴；用于夹持被测样品的芯轴安装于下模具的沟槽内。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属薄膜或金属箔力学性能临界特征尺度的测试系统的搭 建，具体为采用一种微弯曲的方法对于具有微米/亚微米厚度的金属薄膜或 金属箔测试其力学性能临界特征尺度，提供该测试系统的整套装置和具体 实施测试方法。
技术介绍
近年来，随着高科技产品的不断涌现，微电机械系统(MEMS)被大 量使用，如用于汽车安全气囊迅速展开的微加速器、医学上用于药物输运 的微齿轮和微流体器件等，而这些MEMS器件大多是由具有微米/亚微米厚 度的金属薄膜或金属箔材料制成的。由于这些微尺度材料在其微加工制备， 如溅射、沉积、刻蚀等以及随后的服役过程中不可避免地要受到力、热、 电等引起的循环应力的作用，导致其性能下降甚至破坏。例如，在微型射 频开关中，具有微米厚度的悬臂梁器件经常受到高频谐振的作用而引起损 伤，微构件中损伤的出现会逐渐改变其响应频率及电阻等参量，从而影响 了微传感器及致动器的输出量，甚至导致最终失效。因此，与块体材料一 样，微尺度材料的力学性能指标的测试研究对于保证微器件的可靠服役具 有十分重要的意义。然而，当材料的尺度小到微米量级时，适用于块体材料的许多基本力 学理论及力学性能参量已不再适用。塑性应变梯度理论认为，材料塑性变 形区内任意一点的应力不仅与应变有关，而且与应变梯度有关。对于块体 材料，应变梯度对材料强度的贡献可以忽略不计，材料的强度由应变决定； 而当材料尺度小到微米量级时，应变梯度对材料强度的贡献便不能忽略， 且材料尺度越小，应变梯度对材料强度的贡献越大。为此，在传统材料力 学的本构法则里加入了材料临界特征尺度t这一参量，用来反映微尺度材料发生非均匀塑性变形时应变梯度对材料强度贡献的大小。人们采用各种方法，如扭转法、纳米压痕法测试微尺度材料的这一临 界特征尺度力学性能参量，希望通过各种精巧的实验来获得更为准确的/c 值。本专利技术的目的在于提供一种与其它测试系统完全不同的金属薄膜或金 属箔材料的力学性能临界特征尺度t的一套测试系统及测试方法，其操作 使用方便，可以获得更准确的力学性能临界特征尺度4值。本专利技术的技术方案是一种金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试系统，该测试系统包括(1) 用来固定加载推进器的基座；(2) 推进器；加载推进器采用游标卡尺，推进器主尺朝下并固定在基 座上，游标尺在上；(3) 样品加载模具对模；该套对模由上模具和下模具组成，分别相对 安装于推进器的游标尺和主尺上；(4) 芯轴；用于夹持被测样品的芯轴安装于下模具的沟槽内。 所述的金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试系统，测试时芯轴直径的选取与被测样品的厚度有关，被测样品表面应变&值所反映的应变量不 超过10%。所述上模具由紧固件和施载件构成，施载件为两个下端具有圆弧的片 状构件，工作前将施载件穿入紧固件的滑道而被固定在紧固件上，两个施 载件的圆弧面相对，在对样品加载时，施载件中间的间隙扣在夹持有样品 的一对芯轴上。所述下模具为凹形构件，凹形两侧壁开有沟槽，工作时，夹持有样品 的芯轴放入所开沟槽内。一种金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试方法，具体的实施测试 步骤如下(1)将推进器头朝下固定在基座上；(2)选择一对直径尺寸一致的芯 轴，并将样品夹持在其间，然后一同放入样品加载模具对模的下模具中，
技术实现思路
将上模具粘在推进器游标尺上；(3)慢慢推动推进器的游标尺，将上模具 与下模具扣合，样品在加载对模中受到纯弯曲载荷的作用，直到被测样品 按照所接触的芯轴曲率发生完全弯曲变形；(4)将推进器的游标尺推出， 对样品卸载，样品发生的弹性变形部分得以完全回复而保留微量塑性变形 部分；(5)把自由弹性回复后的膜或箔样品侧立起来，拍摄微弯曲样品的 形貌；(6)将照片所记录的样品圆弧轮廓通过计算机绘图拟合出样品弯曲 的圆弧，测试该圆弧的曲率半径。所述步骤(3)中，推进器的游标尺推进速度为0.05mm/s 5mm/s。 本专利技术所述的金属薄膜或金属箔材料为目前已知方法制备的各种金属 薄膜以及经过轧制或轧制后退火等方法制备的具有微米及微米以下厚度的 金属箔材料，或者是从块体材料上经过线切割切取的材料，为保证测试精 度，切取的材料要通过机械研磨和随后的电解抛光制备出具有微米、亚微 米厚度的金属箔。本专利技术的基本原理本专利技术对金属薄膜或金属箔样品进行测试时样品处于三个不同阶段未加载、施加微弯曲载荷和卸载。被测试样品的厚度用f表示，6为样品的 宽度，d是夹持样品的芯轴直径，当样品处于受微弯曲载荷作用状态时发生 完全弯曲，其弯曲圆弧曲率半径为凡，2i^" + r (1) 这样样品测试过程中所发生的表面应变&为样品在经该状态后弹性卸载，用M表示样品的微弯曲弯矩，则样品的名义 弯矩^为&2 12(/^—/ ,)这里i /为样品卸载状态时自然弯曲的圆弧曲率半径；E为该材料平面应变 的杨氏模量。而弯矩M与表面应变&具有线性关系<formula>formula see original document page 7</formula> (4)这里义=+ ; ^为材料的有效屈服强度；五p为材料的应变硬化系数。由同种材料拉伸实验得到的真应力一应变曲线上与弯曲应变同水平部分进行线性 拟合，所得拟合直线与纵坐标轴的交点值即为 值，而该拟合直线的斜率 就是^值。联立方程(2)、 (3)、 (4)，使用Mathematica 5.0计算机数学软件进行 运算可以获得被测试样品的临界特征尺度/。值。 本专利技术的特点在于-1、 本专利技术所设计的微弯曲实验系统实施样品测试时，无需计算施加载 荷的大小。与块体材料不同，膜或箔状的金属样品因其属于二维薄膜样品， 具有极薄的厚度，在进行微弯曲实验时要精确测量所施载荷的大小以及样 品弯矩的大小是很难的，这样也就难以精密控制其应变水平。该测试系统 所提供的整套测试装置可以实现膜或箔样品的纯弯曲变形。本专利技术所设计 的微弯曲实验系统实施测试时，无需要测量施加载荷的大小，只要获得样 品微弯曲圆弧的弯矩便可以获得临界特征尺度值。2、 本专利技术所设计的微弯曲实验系统实施测试时简单易行，整套装置造 价低廉。3、 本专利技术所设计的微弯曲实验测试系统可以对各种具有一维(厚度) 方向上尺寸小的金属膜、箔状材料进行微弯曲测试，样品易于制备。4、 本专利技术在进行微弯曲实验时，样品的应变可以通过选用不同直径尺 寸的芯轴来精确控制。附图说明图1为微弯曲测试系统装置示意图。图2为测试系统加载对模上模具的示意图。其中，图2-l 图2-3为上 模具两个部件总装配图，图2-l为主视图，图2-2为俯视图，图2-3为侧视 图；图2-4 图2-6为上模具的紧固件图，图2-4为主视图，图2-5为俯视图，图2-6为侧视图；图2-7~图2-9为上模具的施载件图，图2-7为主视图，图2- 8为俯视图，图2-9为侧视图。图3为测试系统加载对模下模具的示意图。其中，图3-1为主视图；图3- 2为俯视图；图3-3为侧视图。图4为多晶铜薄膜在微弯曲实验卸载荷后弯曲曲率半径测量示意图。图中，1基座；2推进器；3上模具；4下模具；5芯轴；6样品；7 主尺；8游标尺；9紧固件；10施载件；11滑道；12沟槽。具体实施方式下面结合附图和实施例详述本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金属薄膜／箔力学性能临界特征尺度的测试系统，其特征在于，该测试系统包括：（１）用来固定加载推进器的基座；（２）推进器；加载推进器采用游标卡尺，推进器主尺朝下并固定在基座上，游标尺在上；（３）样品加载模具对模；该套对模由上模具和下模具组成，分别相对安装于推进器的游标尺和主尺上；（４）芯轴；用于夹持被测样品的芯轴安装于下模具的沟槽内。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张广平，郏义征，张滨，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。