一種在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的sr-ct微力加載裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，包括X光源及光路、圖像采集及重建系統(tǒng)，X光源的光路上設(shè)有位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括設(shè)于最上部的微米位移平臺(tái)，微米位移平臺(tái)的下部設(shè)有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌通過支撐桿支撐在底座上，底座固定在位移及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上；導(dǎo)軌上在所述微米位移平臺(tái)的下部設(shè)有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的下部設(shè)有上載物臺(tái)，底座上設(shè)有微力傳感器，微力傳感器上設(shè)有下載物臺(tái)，上載物臺(tái)和下載物臺(tái)上分別裝有上載物片和下載物片，上載物片和下載物片通過載物片夾具固定安裝，上載物片與下載物片之間設(shè)有樣品。能對(duì)材料實(shí)現(xiàn)微力加載，并實(shí)時(shí)原位觀測(cè)材料宏觀力學(xué)參量和微、納尺度下的特征結(jié)構(gòu)演化SR-CT微力加載。
【專利說明】一種在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能對(duì)材料實(shí)現(xiàn)微力加載的裝置，尤其涉及一種在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在材料力學(xué)中，傳統(tǒng)的檢測(cè)及研究方法僅僅是做材料的宏觀力學(xué)性能測(cè)試。雖然這樣的方法能夠得到材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，但是對(duì)于力學(xué)機(jī)理并不能給出很好的解釋。材料的破壞過程從本質(zhì)上講，是從微觀到宏觀的跨尺度行為。發(fā)展多尺度材料力學(xué)分析方法，需要實(shí)時(shí)觀測(cè)材料微觀特征演化規(guī)律及其宏觀力學(xué)響應(yīng)關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料力學(xué)的研究范疇也從宏觀逐漸發(fā)展到細(xì)觀乃至微觀。但是目前細(xì)觀材料力學(xué)的研究以理論研究為主，而實(shí)驗(yàn)性的研究方法和技術(shù)還比較少見。因此發(fā)展一種能夠在細(xì)微條件下研究材料力學(xué)行為的方法及技術(shù)十分必要。
[0003]在觀測(cè)技術(shù)上，同步輻射CT技術(shù)是一種新型的檢測(cè)技術(shù)。它克服了電鏡技術(shù)只能給出材料的表面信息的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維、無損、實(shí)時(shí)的觀測(cè)。因此設(shè)計(jì)一套SR-CT微力加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠直接觀測(cè)宏觀力學(xué)參量和材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化相互影響過程。這可以使材料失效機(jī)制的研究能夠更加深入，進(jìn)而為揭示材料深層次力學(xué)行為機(jī)理奠定基礎(chǔ)，是微/納尺度力學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)分析平臺(tái)。目前還沒有一套這樣的檢測(cè)裝置，主要存在著以下的技術(shù)難點(diǎn):
[0004]I)裝置結(jié)構(gòu)及其尺寸與同步輻射實(shí)驗(yàn)環(huán)境的匹配；2)如何保證裝置既有足夠的力加載極限來拉斷樣品，又有高精度力加載步長(zhǎng)和高精度測(cè)量系統(tǒng)；3)如何實(shí)現(xiàn)微小樣品放置、夾持及精確對(duì)中；4)如何設(shè)計(jì)支撐桿，在滿足剛度足夠支撐該裝置的前提下盡可能的減少擋光的角度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，包括X光源及光路、圖像采集及重建系統(tǒng)，所述X光源的光路上設(shè)有位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
[0008]所述位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括設(shè)于最上部的微米位移平臺(tái)，所述微米位移平臺(tái)的下部設(shè)有導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌通過支撐桿支撐在底座上，所述底座固定在位移及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上；
[0009]所述導(dǎo)軌上在所述微米位移平臺(tái)的下部設(shè)有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的下部設(shè)有上載物臺(tái)，所述底座上設(shè)有微力傳感器，所述微力傳感器上設(shè)有下載物臺(tái)，所述上載物臺(tái)和下載物臺(tái)上分別裝有上載物片和下載物片，所述上載物片和下載物片通過載物片夾具固定安裝，所述上載物片與下載物片之間設(shè)有樣品。
[0010]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，能對(duì)材料實(shí)現(xiàn)微力加載，并實(shí)時(shí)原位觀測(cè)材料宏觀力學(xué)參量和微、納尺度下的特征結(jié)構(gòu)演化SR-CT( “同步輻射CT”簡(jiǎn)稱“SR-CT”)微力加載，可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料、航空材料、納米材料等先進(jìn)多相復(fù)合材料拉/壓載荷作用下其微觀特征演化過程的三維、無損、原位在線觀測(cè)及其宏觀力學(xué)響應(yīng)分析，是微/納尺度力學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)分析平臺(tái)。該裝置能夠在大型同步輻射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和工業(yè)μ-CT平臺(tái)上進(jìn)行工作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是基于本發(fā)明的SR-CT實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中支撐桿的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中支撐桿的旋轉(zhuǎn)后的狀態(tài)示意圖；
[0015]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中樣品被夾持狀態(tài)示意圖。
[0016]圖中:
[0017]1.微米位移平臺(tái)，2.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，3.上載物臺(tái)，4.下載物臺(tái)，5.載物片夾具，
6.上載物片，7.下載物片，8.支撐桿，9.微力傳感器，10.底座，11.同步輻射X射線光束，12.位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，13.位移及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，14.X-ray (XD，15.處理系統(tǒng)，16.樣品。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0019]本發(fā)明的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0020]包括X光源及光路、圖像采集及重建系統(tǒng)，所述X光源的光路上設(shè)有位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
[0021]所述位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括設(shè)于最上部的微米位移平臺(tái)，所述微米位移平臺(tái)的下部設(shè)有導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌通過支撐桿支撐在底座上，所述底座固定在位移及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上；
[0022]所述導(dǎo)軌上在所述微米位移平臺(tái)的下部設(shè)有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的下部設(shè)有上載物臺(tái)，所述底座上設(shè)有微力傳感器，所述微力傳感器上設(shè)有下載物臺(tái)，所述上載物臺(tái)和下載物臺(tái)上分別裝有上載物片和下載物片，所述上載物片和下載物片通過載物片夾具固定安裝，所述上載物片與下載物片之間設(shè)有樣品。
[0023]所述支撐桿的截面采用半圓弧結(jié)構(gòu)。所述微米位移平臺(tái)設(shè)有微小步進(jìn)電機(jī)。
[0024]所述圖像采集及重建系統(tǒng)包括X-ray CXD和處理系統(tǒng)。
[0025]具體實(shí)施例:
[0026]在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置包括六部分-X光源及光路、位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微力傳感器、樣品夾持系統(tǒng)、支撐桿、圖像采集及重建系統(tǒng)。本發(fā)明的改進(jìn)主要在于位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、樣品夾持系統(tǒng)、支撐桿設(shè)計(jì)三個(gè)方面。
[0027]第一部分:X光源及光路:
[0028]如圖1所示，X射線由X光源產(chǎn)生，并按照固定的光路傳播。
[0029]第二部分:位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):
[0030]如圖2所示，位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要包括以下部件:微米位移平臺(tái)1、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2 ;各部件之間通過機(jī)械連接。
[0031]微米位移平臺(tái)I是對(duì)樣品施加微米位移量級(jí)的位移裝置。產(chǎn)生的最大輸出位移約30mm,位移分辨率0.1 μ m，最大驅(qū)動(dòng)力20N。
[0032]壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2位于微米位移平臺(tái)的導(dǎo)軌之上，通過綁定于微米位移平臺(tái)導(dǎo)軌上對(duì)樣品施加納米位移量級(jí)的位移。產(chǎn)生的最大輸出位移約60 μ m，位移分辨率lnm，最大驅(qū)動(dòng)力1000N。
[0033]位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取了雙驅(qū)動(dòng)的方式，將微米位移平臺(tái)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)合起來。微米位移平臺(tái)采用微小步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于粗調(diào)或者預(yù)緊，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器用于精確位移驅(qū)動(dòng)。
[0034]第三部分:微力傳感器:
[0035]如圖2所示，微力傳感器9是測(cè)量樣品所受力載荷的大小的裝置。測(cè)力范圍為±20N，精度 0.15% ；
[0036]第四部分:樣品夾持系統(tǒng):
[0037]如圖2所示，樣品夾持系統(tǒng)包括以下部件:載物臺(tái)3、4 ;載物片6、7 ;載物片夾具5 ；
[0038]載物片6、7是用于固定樣品端部的裝置。載物片上表面用于固定樣品，下表面通過螺絲安裝在載物臺(tái)上。
[0039]載物臺(tái)3、4是用于連接載物片和位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微力傳感器的裝置。
[0040]載物片夾具5用于固定兩塊載物片并保持其相對(duì)位置固定。帶有載物片夾具的載物片安裝到載物臺(tái)，能夠保持安裝過程中上、下載物片相對(duì)位置固定，避免樣品被破壞。安裝完成后拆卸載物片夾具。
[0041]第五部分:支撐桿:
[0042]如圖2所示，支撐桿8用于連接上面的位移驅(qū)動(dòng)裝置和下面的底座。
[0043]如圖3所示支撐桿使用半圓弧設(shè)計(jì)，使其在應(yīng)用于同步輻射CT實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠在120度的旋轉(zhuǎn)角度上采集圖像。
[0044]第六部分:圖像采集及重建系統(tǒng):
[0045]如圖1所示，圖像采集及重建系統(tǒng)包括X-ray (XD、處理系統(tǒng)。X_ray CXD可以接收從右側(cè)出射的同步輻射X射線并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；處理系統(tǒng)可以重建出樣品材料內(nèi)部的、三維的微結(jié)構(gòu)形貌圖。
[0046]基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明的機(jī)械總圖及基于該發(fā)明的SR-CT實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)如圖2和圖1所示。目前，基于該套測(cè)試平臺(tái)，已成功實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料在拉伸力作用下，分辨率為0.19 μ m的同步輻射CT在線觀測(cè)。
[0047]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0048]提供一套研究跨尺度力學(xué)SR-CT微型拉/壓實(shí)驗(yàn)裝置，它可有效克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在拉壓載荷作用下，對(duì)生物材料、航空材料、納米材料等先進(jìn)材料的微、納尺度結(jié)構(gòu)形貌演化及其宏觀力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行三維、無損、原位在線的觀測(cè)和分析。本發(fā)明將為深入研究材料宏觀力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)及其演化過程之間力學(xué)作用機(jī)制提供有力的技術(shù)支持。
[0049]具體實(shí)施的工作原理是:
[0050]如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)包含以下部分:X光源及光路、位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微力傳感器、樣品夾持系統(tǒng)、圖像采集及重建系統(tǒng)。各部分具體實(shí)施過程和實(shí)施例如下:
[0051]一、X光源及光路:
[0052]檢測(cè)過程中，X射線經(jīng)過一系列光學(xué)元件后穿透樣品后從右側(cè)射出，然后由X-rayCCD接收成像。在具體實(shí)施過程中，X射線可有同步輻射光源和X射線機(jī)產(chǎn)生，其光束類型包括但不限于平行束和扇形束等；
[0053]二、位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):
[0054]位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要包括微米位移平臺(tái)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩部分。位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一方面需要高精度的位移步長(zhǎng)，另一方面微小樣品在放置于載物片時(shí)候，會(huì)存在彎曲情況時(shí)，如圖4所示，又或者當(dāng)其他部件結(jié)合部位有空隙而不夠緊密而需要足夠的行程。因此，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上采取了雙驅(qū)動(dòng)的方式，即將微米位移平臺(tái)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)合起來。微米位移平臺(tái)采用微小步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于粗調(diào)或者預(yù)緊，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器用于精確位移驅(qū)動(dòng)。具體實(shí)施時(shí)，當(dāng)需要對(duì)微小樣品產(chǎn)生施加力載荷時(shí)，先調(diào)節(jié)微米精密平臺(tái)，使樣品拉直或接合部位的空隙消失，然后再利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器對(duì)樣品施加力載荷。
[0055]三、微力傳感器:
[0056]微力傳感器能夠?qū)崟r(shí)和高精度的監(jiān)控樣品所受力載荷的大小。具體實(shí)施時(shí)，安裝樣品需要實(shí)時(shí)監(jiān)控樣品所受力載荷，防止樣品在安裝過程中受較大荷載而破損。樣品加載后，需要根據(jù)微力傳感器讀數(shù)調(diào)節(jié)位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生位移，使樣品所受載荷維持在恒定值。
[0057]四、樣品夾持系統(tǒng):
[0058]樣品夾持系統(tǒng)包括載物臺(tái)、載物片、載物片夾具。載物臺(tái)、載物片。載物片夾具
[0059]具體實(shí)施時(shí)樣品的放置和對(duì)齊通過以下步驟完成:
[0060]①將載物片放入載物片框架中相應(yīng)的位置，擰緊螺釘；
[0061]②將載物片框架放置在加熱臺(tái)上，加熱至130°C ；
[0062]③用鑷子將樣品放置在凹槽里，將石蠟涂抹在載物片的凹槽里；
[0063]④冷卻至室溫，石蠟固化；
[0064]經(jīng)過以上步驟后，用螺釘將載物片固定于力加載裝置的載物臺(tái)上，接著松開載物片框架上的螺釘，取下框架。
[0065]五、圖像采集及重建系統(tǒng):
[0066]圖像采集及重建系統(tǒng)由X-ray (XD、處理系統(tǒng)組成。具體實(shí)施過程中，穿透樣品后從右側(cè)射出的同步輻射光被X-ray CCD接收，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤上，然后利用處理系統(tǒng)得到各時(shí)刻的樣品材料的三維微結(jié)構(gòu)形貌圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)拉/壓載荷下材料的三維、無損、實(shí)時(shí)原位探測(cè)。
[0067]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，包括X光源及光路、圖像采集及重建系統(tǒng)，其特征在于，所述X光源的光路上設(shè)有位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 所述位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括設(shè)于最上部的微米位移平臺(tái)(I)，所述微米位移平臺(tái)(I)的下部設(shè)有導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌通過支撐桿(8)支撐在底座(10)上，所述底座固定在位移及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上； 所述導(dǎo)軌上在所述微米位移平臺(tái)(I)的下部設(shè)有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(2)的下部設(shè)有上載物臺(tái)(3)，所述底座(10)上所述微米位移平臺(tái)(I)設(shè)有微力傳感器(9)，所述微力傳感器(9)上設(shè)有下載物臺(tái)(4)，所述上載物臺(tái)(3)和下載物臺(tái)(4)上分別裝有上載物片(6)和下載物片(7)，所述上載物片(6)和下載物片(7)通過載物片夾具(5)固定安裝，所述上載物片(6)與下載物片(7)之間設(shè)有樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，其特征在于，所述支撐桿(8)的截面采用半圓弧結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，其特征在于，所述微米位移平臺(tái)(I)設(shè)有微小步進(jìn)電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的在線檢測(cè)材料微納結(jié)構(gòu)演化的SR-CT微力加載裝置，其特征在于，所述圖像采集及重建系統(tǒng)包括X-ray CXD和處理系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK104330308SQ201410640378
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】許峰, 胡小方, 王羅斌, 方健 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)