專利名稱：微納米級尺度力學性能測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種力學性能檢測儀器，尤其是納米級的力學性能檢測裝置。
背景技術：
在微納米級尺度下，對材料的力學性能檢測儀器能測試材料的硬度、楊氏模量、蠕變、斷裂韌度等。目前存在三類這樣的儀器，但都有一定的局限性和不足，以材料硬度測試為例，第一類測試儀器在壓痕制備后，需要再到顯微鏡下測量壓痕尺寸，這就要對試樣進行重新定位和固定，必然會造成測量誤差，并且有時壓痕尺寸很小，根本無法找到壓痕；第二類測試儀器可以通過壓痕制備過程中測得載荷一壓深曲線，并通過相應的算法計算得到硬度值，不需要測試壓痕圖，但沒有壓痕圖，無法獲得壓痕的更多信息，比如裂紋、凸起和凹陷等，不利于對材料性能的進一步研究；第三類是可以通過壓痕制備裝置獲得載荷-壓深曲線，同時還可以使用同一壓頭，采用原子力顯微鏡原理測得壓痕圖，但由于測載荷-壓深曲線和測壓痕圖所需的力大小不在一個數(shù)量級，采用同一個壓頭，限制了其在不同壓痕深度或載荷下的應用范圍，即其最大壓痕深度比較小，一般小于2微米。為了克服目前對微納米尺度下材料力學性能測試儀器的不足，需要研制一臺測試儀器，既可以制備不同壓痕深度(從100微米～10納米)的壓痕，得到載荷-壓深曲線，又可以通過壓痕圖掃描裝置得到壓痕圖，而且不需要將試樣重新定位和固定。這就需要兩個檢測裝置，一個裝置是壓痕制備裝置，檢測不同壓深下的載荷-壓深曲線，另一個裝置是壓痕掃描裝置，可以得到壓痕圖，但兩個裝置同時安裝在一個工作臺上形成一個集成的檢測系統(tǒng)。此檢測儀器的研制可以促進薄膜涂層技術、納米技術、功能材料、新型材料、MEMS等相關技術和科學的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型采用壓痕制備和壓痕圖掃描分開的兩套裝置，但同時固定在一個二維工作臺上，由二維工作臺帶動試樣在兩個裝置間運動，不需要重新定位和固定，從而達到在微納米級尺度下，該檢測儀器具有大的壓痕深度范圍、高精度的壓痕掃描圖、找到壓痕位置容易，沒有重復定位和安裝誤差，提高測試精度，使用方便的目的。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的二維工作臺由一個大行程二維工作臺和一個小行程二維微動工作臺組成，小行程微動工作臺安裝在大行程工作臺上，試樣放置在小行程微動工作臺上，由大行程工作臺帶動小行程微動工作臺在兩個檢測裝置之間運動，大行程工作臺由壓電陶瓷電機驅(qū)動，在導軌上運動，并由光柵尺檢測運動位移。而小行程微動工作臺帶動試樣在兩個檢測裝置的壓頭下進行高精度的小范圍運動，以便精密調(diào)整檢測位置和掃描壓痕圖，小行程微動工作臺由線切割形成柔性鉸鏈，由壓電陶瓷驅(qū)動，電容式位移傳感器檢測位移。
壓痕制備裝置與大行程二維工作臺通過龍門架安裝固定在一起，可以通過手動調(diào)整壓頭與試樣之間的位置，到達一定的距離后，由電磁驅(qū)動，使壓頭壓入試樣，位移和載荷的通過電容傳感器檢測，通過標定的曲線，可以計算得到壓痕深度和施加載荷的大小。
壓痕掃描裝置與大行程二維工作臺也是通過龍門架安裝固定在一起，并通過手動調(diào)整壓頭與試樣之間的位置，采用原子力顯微鏡原理，到達一定距離后，由壓電陶瓷驅(qū)動壓頭，與二維工作臺協(xié)調(diào)運動，測得壓痕的三維圖。最終通過相應的算法，得到被檢測材料微納米尺度下的各種力學性能。


圖1為微納米尺度力學性能檢測儀的示意圖；圖2為大行程二維工作臺示意圖；圖3為小行程二維微動工作臺示意圖。
具體實施方式
參見圖1，壓痕制備裝置9和壓痕掃描裝置12分別通過龍門架7和14，與大行程二維工作臺1固定連接在一起，安裝后壓痕制備裝置9上的壓頭10與壓痕掃描裝置12上的掃描測頭11之間的距離就已固定，通過大行程二維工作臺1的運動可以將待測樣品放置在設定的位置上。大行程二維工作臺1的X向運動由它上面的壓電陶瓷電機3驅(qū)動，并在導軌2上運動；Y向運動由壓電陶瓷電機4驅(qū)動，在導軌5上運動；而壓頭10、掃描測頭11與被測試樣品之間Z向的距離分別由調(diào)整機構(gòu)8和13完成。小行程微動工作臺6通過螺栓與大行程二維工作臺1固定連接在一起，被測試的試樣放置在小行程微動工作臺6的中間，小行程微動工作臺6通過線切割形成8個柔性鉸鏈15，并分別由壓電陶瓷17和16驅(qū)動使其在X和Y向進行運動，帶動試樣做精密的運動。
權利要求1.一種微納米尺度力學性能測試儀，包括大行程二維工作臺(1)，小行程微動工作臺(6)，壓痕制備裝置(9)和壓痕掃描裝置(12)，其特征在于，小行程工作臺(6)安裝在大行程工作臺(1)上，由大行程工作臺(1)帶動小行程工作臺(6)在兩個檢測裝置之間運動，大行程工作臺(1)由大行程工作臺壓電陶瓷電機(3，4)驅(qū)動，在大行程工作臺導軌(2，5)上運動，小行程微動工作臺(6)由線切割形成柔性鉸鏈，由小行程工作臺壓電陶瓷電機(16，17)驅(qū)動，壓痕制備裝置(9)和壓痕掃描裝置(12)通過龍門架與大行程工作臺安裝在一起。
2.根據(jù)權利要求1所述的微納米尺度力學性能測試儀，其特征在于，壓痕制備裝置(9)和壓痕掃描裝置(12)相互獨立地安裝在小行程工作臺(6)上，具有同時實現(xiàn)壓痕制備和壓痕掃描功能的不同的壓頭或探針。
3.根據(jù)權利要求1所述的微納米尺度力學性能測試儀，其特征在于，具有檢測大行程工作臺(1)位移的光柵尺，以及檢測小行程工作臺(6)位移的電容式位移傳感器。
專利摘要本實用新型涉及微納米尺度力學性能的檢測儀器。通過龍門架(7，14)將壓痕制備裝置(9)和壓痕掃描裝置(12)與大行程二維工作臺(1)固定連接在一起，可以分別實現(xiàn)壓痕制備和壓痕掃描的功能，能提供大范圍的施加載荷或壓痕深度，能提供高精度的壓痕三維圖。被測試樣品由大行程二維工作臺(1)與小行程微動工作臺(6)帶動運動，可以實現(xiàn)大行程快速運動和小行程高精度運動，從而提高檢測速度和檢測精度。本測試儀器測試范圍大、精度高、信息全面、使用方便，能促進材料微納米尺度下的力學性能研究。
文檔編號G01N13/00GK2890890SQ20062001238
公開日2007年4月18日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權日2006年4月14日
發(fā)明者周亮, 姚英學 申請人:哈爾濱工業(yè)大學