可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，属于材料力学性能测试领域。该装置包括底座、压电精密压入单元、压电精密划痕单元、轴向力传感器和横向力传感器。压电精密压入单元、压电精密划痕单元分别固定在底座上；轴向力传感器和横向力传感器均由弹性梁与应变片组组成，分别固定在压电精密压入单元、压电精密划痕单元上。优点在于：可以同时实现横向力与轴向力的测量，且横向力和轴向力间无耦合，测量精度高；该装置结构紧凑，三维尺寸为90mm

【技术实现步骤摘要】
可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置


[0001]本技术涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种在扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置。

技术介绍

[0002]纳米划痕技术作为研究材料摩擦磨损性能、粘附特性和损伤机制的方法，一直受到广泛关注。按照在测试过程中是否可以通过电子显微镜等仪器实时观测材料和压头的接触区域，又可将其分为原位纳米划痕测试和离位纳米划痕测试。其中扫描电镜内原位纳米划痕测试可以实时观测划痕形貌，观察和了解压头与试件作用区域的变化情况，为研究材料摩擦磨损机制提供了新的技术手段。在划痕测试中，金刚石压头压入材料且金刚石压头与试样沿x轴方向发生相对移动，材料表面会产生划痕，而材料有抵抗划痕产生的倾向，具体表现为作用在金刚石压头上的轴向力与横向力。金刚石压头与试样之间的作用力（包括轴向力与横向力）伴随着划痕测试中的压入、刻划及卸载过程。在压入、刻划及卸载过程中，金刚石压头尖端压入试样，试样对外界物体金刚石压头的侵入会产生z轴方向的局部抵抗力，该抵抗力称为轴向力。在刻划过程中，固定在载物台上的试样与金刚石压头沿x轴方向发生相对移动，又因为金刚石压头尖端位于试样表面下方，金刚石压头尖端附近前方的材料会被压缩与剪切，类似于犁沟过程，在压头后方产生划痕。在划痕产生的同时，材料会产生x轴方向抵抗压缩与剪切变形的力，该抵抗力称为横向力。因此，轴向力与横向力既受材料硬度的影响，也受划痕测试中所设置参数（如划痕速度）以及实际划痕状态的影响，如果能够被测量，将为技术人员了解具体划痕过程提供更多信息。
[0003]目前，Bruker、Nanomechanics、CSM、Alemnis等公司已经开发出商用的纳米划痕仪。其中，美国Bruker公司推出的商业化原位SEM纳米力学测试仪器，可以实现原位纳米划痕试验。但是，其价格高昂，使得该产品难以在我国得到广泛推广使用，限制了我国在材料性能原位测试领域的发展。故研制具有自主知识产权的扫描电镜内原位纳米划痕仪具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于提供一种在扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本技术测量精度高，结构紧凑，三维尺寸为90mm
×
70mm
×
70mm，可满足绝大多数扫描电镜真空腔体积的限制。
[0005]本技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：包括底座1、轴向力传感器2、压电精密压入单元3、横向力传感器4和压电精密划痕单元5，所述的压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5分别固定在底座1上；所述的轴向力传感器2、横向力传感器4分别固定在压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5上。
[0007]所述的轴向力传感器2由弹性梁A201、应变片组A202、螺钉A203、金刚石压头204和
螺钉B205组成，所述的弹性梁A201加工有两个能产生应力集中的柔性结构；所述的应变片组A202粘贴到弹性梁A201柔性结构的表面；所述的金刚石压头204通过螺钉A203和螺钉B205安装在弹性梁A201的安装孔内。
[0008]所述的压电精密压入单元3由连接块A301、导轨滑块组件A302、压电叠堆303、楔形块组合304和柔性铰链机构305组成，所述的柔性铰链机构305和导轨滑块组件A302安装到底座1上；所述的压电叠堆303安装在柔性铰链机构305内，且通过楔形块组合304预紧；所述的连接块A301安装在导轨滑块组件A302上。
[0009]所述的横向力传感器4由载物台401、弹性梁B402、螺钉C403、连接块B404和应变片组B405组成，所述的载物台401通过螺钉C403安装在弹性梁B402上；所述的弹性梁B402安装在连接块B404上，连接块B404安装在压电精密划痕单元5上；所述的弹性梁B402加工有两个能产生应力集中的柔性结构，应变片组B405粘贴到弹性梁B402柔性结构的表面。
[0010]本技术中所述的压电精密划痕单元5为现有技术，可以实现试样和轴向力测试传感器的定位或实现划痕过程中金刚石压头与被测试件之间的相对运动。
[0011]本技术的有益效果在于：测量精度高，结构紧凑，体积小，可以同时实现横向力与轴向力的测量，且横向力和轴向力间无耦合，可满足绝大多数扫描电镜真空腔体积的限制，可以实现划痕过程中材料与压头形貌的动态观测，对研究材料潜在的摩擦磨损机制提供了新的技术手段。在材料科学、摩擦学等领域具有较好的应用前景。
附图说明
[0012]此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本申请的一部分并用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0013]图1为本技术的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置的整体结构示意图；
[0014]图2为本技术的轴向力传感器结构示意图；
[0015]图3为本技术的压电精密压入单元结构示意图；
[0016]图4为本技术的横向力传感器结构示意图；
[0017]图中：1、底座；2、轴向力传感器；3、压电精密压入单元；4、横向力传感器；5、压电精密划痕单元；201、弹性梁A；202、应变片组A；203、螺钉A；204、金刚石压头；205、螺钉B；301、连接块A；302、导轨滑块组件A；303、压电叠堆；304、楔形块组合；305、柔性铰链机构；401、载物台；402、弹性梁B；403、螺钉C；404、连接块B；405、应变片组B。
具体实施方式
[0018]下面结合附图进一步说明本技术的详细内容及其具体实施方式。
[0019]参见图1至图4所示，本技术中的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置包括底座1、轴向力传感器2、压电精密压入单元3、横向力传感器4和压电精密划痕单元5。所述的压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5分别固定在底座1上；所述的轴向力传感器2、横向力传感器4分别固定在压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5上。
[0020]所述的轴向力传感器2由弹性梁A201、应变片组A202、螺钉A203、金刚石压头204和螺钉B205组成，所述的弹性梁A201加工有两个能产生应力集中的柔性结构；所述的应变片
组A202粘贴到弹性梁A201柔性结构的表面；所述的金刚石压头204通过螺钉A203和螺钉B205安装在弹性梁A201的安装孔内。
[0021]所述的压电精密压入单元3由连接块A301、导轨滑块组件A302、压电叠堆303、楔形块组合304和柔性铰链机构305组成，所述的柔性铰链机构305和导轨滑块组件A302安装到底座1上；所述的压电叠堆303安装在柔性铰链机构305内，且通过楔形块组合304预紧；所述的连接块A301安装在导轨滑块组件A302上。
[0022]所述的横向力传感器4由载物台401、弹性梁B402、螺钉C403、连接块B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：包括底座(1)、轴向力传感器(2)、压电精密压入单元(3)、横向力传感器(4)和压电精密划痕单元(5)，所述的压电精密压入单元(3)、压电精密划痕单元(5)分别固定在底座(1)上；所述的轴向力传感器(2)、横向力传感器(4)分别固定在压电精密压入单元(3)、压电精密划痕单元(5)上。2.根据权利要求1所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：所述的轴向力传感器(2)由弹性梁A(201)、应变片组A(202)、螺钉A(203)、金刚石压头(204)和螺钉B(205)组成，所述的弹性梁A(201)加工有两个能产生应力集中的柔性结构；所述的应变片组A(202)粘贴到弹性梁A(201)柔性结构的表面；所述的金刚石压头(204)通过螺钉A(203)和螺钉B(205)安装在弹性梁A(201)的安装孔内。3.根据权利要求1所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何贵浩，吴浩翔，王博，张浩飞，刘通，刘宇欣，黄雅明，黄虎，
申请(专利权)人：何贵浩，
类型：新型
国别省市：