本实用新型专利技术涉及一种原位纳米力学测试的跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，可进行原位拉伸/压缩试验并可同步进行载荷/位移信号的检测与分析。本实用新型专利技术由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元、装夹及支撑单元组成。其中密驱动单元中的直流伺服电机通过联轴器与两级蜗轮蜗杆机构连接；信号检测控制单元包括位移传感器、力传感器和固连在直流伺服电机上的编码器；三自由度手动调整单元包括：与X-Y手动平台下层主体基座连接的Y向手动调整旋钮、与X-Y手动平台上层主体基座连接的X向手动调整旋钮和与Z向调整下楔形块连接的Z向手动调整螺钉，Z向调整下楔形块与Z向调整上楔形块滑动配合。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及ー种跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台。可对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为掲示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供测试方法。
技术介绍
原位纳米力学测试是指在纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形损伤进行全程动态监测的ー种力学测试技木。该技术深入的掲示了各类材料及其制品的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。在诸多纳米力学测试的范畴中，弹性模量、硬度、断裂极限等參数是微构件力学特性测试中的最主要的测试对象，针对这些 力学量产生了多种测试方法，如拉伸/压缩法，扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，其中以原位拉伸/压缩测试方法能较全面的反应构件的強度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂強度等重要力学參数。当前原位纳米拉伸/压缩测试的研究尚处萌芽状态，具体表现在(I)受到原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间的限制，目前的多数研究都集中在以微/纳机电系统エ艺为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构的单纯原位纳米拉伸测试上，缺少对宏观尺寸(薄膜材料或三维试件)的跨尺度原位纳米力学测试的深入研究，从而严重阻碍了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为和损伤机制的新现象、新规律的发现；(2)从测试手段和方法上来说，主要借助商业化的纳米压痕仪进行的原位纳米压痕测试和原为纳米拉伸仪进行的原位拉伸测试，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法単一，测试内容乏善可陈的特点，对结构紧凑，体积小巧的拉压两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。在原为纳米拉伸/压缩测试技术应用之前，拉伸试验一般是在材料试验机上的离位测试。试验机依规定的速率均匀地拉伸试样，由试验机绘出载荷-伸长曲线，进而得到载荷作用下应カ应变曲线图，因此，最初的拉伸机是将材料拉断后，得出材料的屈服极限及强度极限。传统拉伸机针对的都是宏材尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能研究，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。因此，设计ー种体积小、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拉伸/压缩平台已十分必要。
技术实现思路
针对上述问题和可利用的技术手段，本技术的目的在于针对上述问题提供一种用于跨尺度原位纳米力学测试的拉伸/压缩平台，该平台具有体积小，结构紧凑，测试精度高，刚度高的特点，可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服极限和强度极限等力学參数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为掲示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试手段。本技术的上述目的通过以下技术方案实现跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩力学性能测试平台，主要由精密驱动单元、信号检测控制単元、三自由度手动调整単元和装夹及支撑单元组成，所述的精密驱动单元中的直流伺服电机I通过联轴器32与一级蜗杆22连接，一级蜗杆22与ニ级蜗杆20垂直布置，且与固定在ニ级蜗杆20上的一级蜗轮18-3相啮合，ニ级蜗杆20与固定在左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2上的左、右二级蜗轮18-1、18-2相啮合，左、右方螺母13-2,13-1分别与左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2螺纹连接，并固定在方螺母上架12上，左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2和一、ニ级蜗杆22、20分别通过丝杠固定支撑和蜗杆轴承座固定在Z向调整上楔形块33上，所述的信号检测控制単元包括位移传感器15、力传感器4和固连在直流伺服电机I上的编码器3，所述的三自由度手动调整単元包括 与X-Y手动平台下层主体基座30连接的Y向手动调整旋钮25-2、与X-Y手动平台上层主体基座28连接的X向手动调整旋钮25-1和与Z向调整下楔形块29连接的Z向手动调整螺钉21，Z向调整下楔形块29与Z向调整上楔形块33滑动配合。 所述的位移传感器15采用接触式电容位移传感器，它通过位移传感器支座14固定于方螺母上架12上，位移传感器15前端弾性探头与刚性连接在左、右丝杠前固定支撑2-3,2-4上的丝杠固定支撑上架16相接触；所述的カ传感器4采用拉压カ传感器，它分别与力传感器前端挡板7和后端挡板5通过カ传感器紧固螺钉6-1、6-2刚性连接，力传感器前端挡板7置于左、右丝杠后固定支撑2-2、2-1上，后端挡板5与z向调整上楔形块33为同一整体；所述的编码器3与直流伺服电机I紧固连接并固定安装于z向调整上楔形块33上。装卡及支撑单元中的试件后夹头8-1和试件前夹头8-2通过夹头紧固销钉11分别固定在力传感器前端挡板7和方螺母上架12上的凹槽内，试件9通过短销装夹在在试件后夹头8-1和试件前夹头8-2对应端的凹槽内，试件前、后夹头8-1、8-2视试件9不同的结构与形状进行配套更换。位移传感器15的前端弹性探头的伸缩方向与试件9在载荷作用下的伸缩方向相同，以保证位移信号检测的准确性，所述的カ传感器4的受カ方向与试件9受カ方向相同，以保证载荷信号检测的准确性。所述的左、右精密滚珠丝杠10-1、10-2结构相同且与ニ级蜗杆20垂直布置，左、右方螺母13-2、13-1结构相同。所述的X向手动调整旋钮25-1通过左万向节24-1和左连接销轴23-1连接驱动X-Y手动平台下层主体基座30内部的齿轮齿条机构，调整测试平台前后水平位移，Y向手动调整旋钮25-2通过右万向节24-2、右连接销轴23-2、相互啮合的主动导向锥齿轮27_1和从动导向锥齿轮27-2以及销轴26连接驱动X-Y手动平台上层主体基座28内部的齿轮齿条机构，调整测试平台左右水平位移；Z向调整下楔形块29由与其连接的Z向手动调整螺钉21驱动前后移动调整测试平台高度。X-Y手动平台下层主体基座30与底板31固连，并通过紧固螺钉与电镜腔体密封挡板的底层支架刚性连接。本技术与现有技术相比，本技术体积小巧，结构紧凑，测试精度高，应变速率可控，与各种主流电子显微镜真空腔体匹配，应用范围广泛，可以对各种材料的宏观试件进行跨尺度原位试验，并可实现连续、间歇等多种拉伸和压缩加载方式，对材料及其制品在载荷在下的微观变形进行动态观测，以掲示材料在纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应カ应变曲线。综上所述，本技术对丰富原位纳米力学测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前途。附图说明此处所说明的附图用来提供对本技术的进ー步理解，构成本申请的一部分，本技术的示意性实例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。图I是该测试平台整体外观结构图。 图2是该测试平台的主视图。图3是图2的俯视图。图4是图2的左视图。其中1.直流伺服电机2-2、2_1.左右丝杠后固定支撑 2-3、2_4.左右丝杠前固定支撑3.编码器4.力传感器5.力传感器后端挡板6-2、6-1.力传感器紧前后固螺钉7.力传感器前端挡板8-2、8-1.试件前后夹头9.试件10-1、10-2.左右精密滚珠丝杠11.夹头紧固销钉12.方螺母上架13-1、13-2.左右本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种跨尺度微纳米级原位拉伸压缩力学性能测试平台，主要由精密驱动单元、信号检测控制单元、三自由度手动调整单元和装夹及支撑单元组成，其特征在于，所述的精密驱动单元中的直流伺服电机（1）通过联轴器（32）与一级蜗杆（22）连接，一级蜗杆（22）与二级蜗杆（20）垂直布置，且与固定在二级蜗杆（20）上的一级蜗轮（18？3）相啮合，二级蜗杆（20）与固定在左、右精密滚珠丝杠（10？1、10？2）上的左、右二级蜗轮（18？1、18？2）相啮合，左、右方螺母（13？2、13？1）分别与左、右精密滚珠丝杠（10？1、10？2）螺纹连接，并固定在方螺母上架（12）上，左、右精密滚珠丝杠（10？1、10？2）和一、二级蜗杆（22、20）分别通过丝杠固定支撑和蜗杆轴承座固定在Z向调整上楔形块（33）上，所述的信号检测控制单元包括位移传感器（15）、力传感器（4）和固连在直流伺服电机（1）上的编码器（3），所述的三自由度手动调整单元包括：与X？Y手动平台下层主体基座（30）连接的Y向手动调整旋钮（25？2）、与X？Y手动平台上层主体基座（28）连接的X向手动调整旋钮（25？1）和与Z向调整下楔形块（29）连接的Z向手动调整螺钉（21），Z向调整下楔形块（29）与Z向调整上楔形块（33）滑动配合。...
【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，
申请(专利权)人：赵宏伟，
类型：实用新型
国别省市：
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