本发明专利技术涉及一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，属于机电类。测试平台可实现“超低速准静态”的拉伸/压缩模式加载，及载荷/位移信号的同步采集和精密闭环控制，并可实现与HitachiTM-1000型扫描电子显微镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。本发明专利技术由精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元组成。本发明专利技术体积小巧，结构紧凑，应变速率可控，与各类主流扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪以及光学显微镜等成像仪器具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机电类，特别涉及一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台。本专利技术与扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM、拉曼光谱仪及光学显微镜等具有良好的兼容性，结合上述成像仪器，对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。
技术介绍
弹性模量、屈服强度、抗拉强度、硬度、切变模量等参数是材料力学特性测试中的最主要的研究对象，在多种测试方法中，相对于纳米压痕法、三点弯曲法等，拉伸/压缩测试方法通过最直接表征材料力学性能的力学测试手段。扫描电镜下的原位拉伸测试技术作为原位微纳米力学测试的重要手段，是指在对试件材料进行拉伸测试过程中，通过引入光学显微镜、电子显微镜等仪器对拉伸过程中材料组织及结构发生的微观变形、损伤失效的过程进行在线观测的一种技术，这种测试技术势必可以揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的规律，发现更为新颖的现象和规律，就较大尺寸试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。目前，原位微纳米米拉伸/压缩测试手段尚有待万倍，具体表现为(1)从测试仪器上来说，主要借助商业化的拉伸仪进行的原位拉伸测试，且表现出设备费用昂贵，并只能与特定型号的成型设备兼容使用，测试方法单一，，对结构紧凑，体积小巧并能与主流成像仪器均能兼容使用的原位测试装置鲜有提及，极大制约了研究的深入与发展。(2)受各种成像仪器的腔体的空间限制，如扫描电子显微镜的腔体空间的限制，光学显微镜的焦距限制， 目前的多数都集中在以微机电系统工艺为基础，对薄膜材料以及纳米管、线等极微小结构的力学测试上，缺少对宏观试件的跨尺度原位纳米力学测试，因尺寸效应的存在，对微构件的研究制约了对较大尺寸元件的力学性能的评价；(3)从观测手段上看，因受限于扫描电子显微镜的真空使用条件，针对宏观试件，多局限于光学显微镜及原子力显微镜下的原位拉伸测试，光学显微镜存在着明显的放大倍率不足的问题，原子力显微镜则具有成像速度过慢的缺点，两种观测方法均难以深入研究载荷变化对材料力学行为和损伤机制的影响规律。因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高，能够利用电子显微镜等成像系统在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的基于准静态加载的拉伸/压缩力学测试平台已十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。相对于传统拉伸试验机的离位测试，本专利技术可实现高分辨率显微成像系统下针对特征尺寸厘米级以上宏观试件的原位观测，同时解决了现有的原位拉伸研究中大多针对纳米管、线及薄膜材料的局限，由于试件尺寸与力学测试和原位观测的尺度跨越很大，即可避免已有研究中因尺度效应等因素带来的问题。测试平台可实现“超低速准静态”的拉伸/压缩模式加载，载荷/位移信号的同步采集和精密闭环控制，并可实现与Hitachi TM-1000型扫描电镜及各类具有腔体及载物台结构的成像仪器兼容使用。可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，包括精密驱动单元、精密传动单元、载荷/位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元；所述的精密驱动单元是精密直流伺服电机1通过电机法兰盘2与测试平台基座14连接，并可通过脉冲/方向控制方式提供具有微小分辨率的扭矩动力输出及角位移输出；所述的精密传动单元包括弹性联轴器3、由一级蜗杆、一级蜗轮、二级蜗轮、二级蜗杆 5、6、8、30构成的两级二次包络型蜗轮蜗杆副及由滚珠丝杠螺母支架I、精密双向滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母支架II 17、23、31构成的精密双向滚珠丝杠螺母副，精密直流伺服电机1 通过弹性联轴器3与两级二次包络型蜗轮蜗杆副相连，该两级二次包络型蜗轮蜗杆副与精密双向滚珠丝杠螺母副通过二级蜗轮(8)相连接；精密传动单元可将精密直流伺服电机1 提供的输出扭矩经弹性联轴器3及两级二次包络型蜗轮蜗杆副实现大程度的减速、增矩目的，并最终通过精密双向滚珠丝杠螺母副将旋转运动转换为精密直线往复运动；所述一、二级蜗杆5、30分别通过蜗杆轴承10及一、二级蜗杆轴承座4J6与测试平台基座14连接，精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座25定位，滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31通过精密导轨滑块I、II 13、15及精密导轨轨道16导向；所述的载荷/位移信号检测及控制单元由精密拉压力传感器19、精密接触式位移传感器9及高线数光电编码器20组成，精密拉压力传感器(19)固定安装于力传感器基座(18) 上，精密接触式位移传感器(9 )与位移传感器基座(11)套接，高线数光电编码器(20 )与精密直流伺服电机(1)同轴连接；载荷/位移信号检测及控制单元可提供包括变形速率、载荷速率、编码器标定位移速率在内的三种模拟或数字量作为精密直流伺服电机1的脉冲/方向闭环控制模式的反馈信号源，即测试平台可实现恒变形速率、恒载荷速率及恒位移速率三种加载/卸载方式；所述的夹持及支撑单元包括试件夹具体支撑架I、II 7、21、试件压板I、II 27、29、试件观、丝杠固定支撑座25、位移传感器基座11、力传感器基座18以及轴承10组成，试件28 通过试件压板I、II 27,29及带有滚花结构的试件夹具体支撑架I、II 7、21以压紧方式夹持。本专利技术中，所述的精密双向滚珠丝杠23设有两段旋向相异的小导程滚道，即可确保在拉伸或压缩测试过程中，滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31可实现同步的反向运动，从而保证试件观的几何中心位置始终处于成像区域的最中央，便于观测及图像记录。所述的精密接触式位移传感器9的基体部分安装于与试件夹具体支撑架I 7刚性连接的位移传感器基座11内，并通过螺纹紧固，前端探头部分与试件夹具体支撑架II 21的5L形连接板弹性接触，即精密接触式位移传感器9实际检测到的变形为试件夹具体支撑架 KII 7、11之间的相对变形；精密拉压力传感器19两端设有轴颈为M5的外螺纹，分别与力传感器基座18和试件夹具体支撑架II 21刚性连接，该精密接触式位移传感器9及精密拉压力传感器19均与试件观共面安装，且受载方向与试件观受拉伸/压缩方向相同。所述的精密导轨滑块I、II 13、15分别与滚珠丝杠螺母支架I、II 17,31刚性连接， 并且通过燕尾槽型机构紧贴于精密导轨轨道16，对精密双向滚珠丝杠螺母副所输出的往复运动起到精密导向作用。所述的试件夹具体支撑架I、II 7、21及试件压板I、II 27,29与试件观的接触面均采用线切割方式加工为滚花状结构，可提高试件夹持的可靠性，具体的方法是在两个侧面分别加工成锯齿状结构。所述的试件夹具体支撑架II 21与力传感器基座18均设有半圆形的凹槽，并在凹槽中内嵌钢球22，通过钢球22减小其接触过程中的传动摩擦。本专利技术所述的测试平台主体尺寸约为105mmX34mmX88mm，与Hitachi TM-10本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸／压缩材料力学测试平台，其特征在于：包括精密驱动单元、精密传动单元、载荷／位移信号检测及控制单元以及夹持及连接单元；所述的精密驱动单元是：精密直流伺服电机（１）通过电机法兰盘（２）与测试平台基座（１４）连接；所述的精密传动单元包括弹性联轴器（３）、由一级蜗杆、一级蜗轮、二级蜗轮、二级蜗杆（５、６、８、３０）构成的两级二次包络型蜗轮蜗杆副及由滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、精密双向滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母支架Ⅱ（１７、２３、３１）构成的精密双向滚珠丝杠螺母副，精密直流伺服电机（１）通过弹性联轴器（３）与两级二次包络型蜗轮蜗杆副相连，该两级二次包络型蜗轮蜗杆副与精密双向滚珠丝杠螺母副通过二级蜗轮（８）相连接；一、二级蜗杆（５、３０）分别通过蜗杆轴承（１０）及一、二级蜗杆轴承座（４、２６）与测试平台基座（１４）连接，精密双向滚珠丝杠螺母副通过丝杠固定支撑座（２５）定位，滚珠丝杠螺母支架Ⅰ、Ⅱ（１７、３１）通过精密导轨滑块Ⅰ、Ⅱ（１３、１５）及精密导轨轨道（１６）导向；所述的载荷／位移信号检测及控制单元由精密拉压力传感器（１９）、精密接触式位移传感器（９）及高线数光电编码器（２０）组成，精密拉压力传感器（１９）固定安装于力传感器基座（１８）上，精密接触式位移传感器（９）与位移传感器基座（１１）套接，高线数光电编码器（２０）与精密直流伺服电机（１）同轴连接；所述的夹持及支撑单元包括试件夹具体支撑架Ⅰ、Ⅱ（７、２１）、试件压板Ⅰ、Ⅱ（２７、２９）、试件（２８）、丝杠固定支撑座（２５）、位移传感器基座（１１）、力传感器基座（１８）以及轴承（１０）组成，试件（２８）通过试件压板Ⅰ、Ⅱ（２７、２９）及带有滚花结构的试件夹具体支撑架Ⅰ、Ⅱ（７、２１）以压紧方式夹持。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，马志超，李秦超，王开厅，胡晓利，黄虎，万顺光，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82
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