本發(fā)明屬于基于納米尺度的顯微學和宏觀力學行為的結合表征領域，尤其涉及一種基于原子力顯微鏡及電動力學拉伸機的材料測試裝置。

背景技術：

原子力顯微鏡是一種精密的納米尺度下的顯微鏡，能觀測生物材料，無機材料，金屬材料，或者高分子材料的表面，獲得材料表面的微納觀形貌信息。而原子力顯微鏡在觀測樣品時不需像sem一樣要對樣品環(huán)境保持高度真空，對于不導電材料也并不需要特殊處理，這是原子力顯微鏡的優(yōu)勢。

電動力學拉伸系統(tǒng)，能通過拉伸，壓縮，彎曲，剪切等方式給予材料以加載應力，可使材料處于不同復雜的應力環(huán)境下獲得材料應力應變的響應，以及宏觀的表現(xiàn)行為。這樣連接上電腦，結合配套的軟件能很好的獲得力學和形變信號的輸出。

但是，有什么辦法能使以上兩者的功用相結合，實現(xiàn)更廣，更新的需求呢，本申請在此做的工作是將電動力學拉伸系統(tǒng)，以合理的尺寸，以及并不影響原子力顯微鏡觀測的前提下將之搭建在原子力顯微鏡之上。這樣，當兩者共同工作的時候，通過設計步進式拉伸及掃描，可以獲得每一個時間間隔的應力應變表現(xiàn)以及實時的原子力顯微鏡掃描圖片，較之其它只能對比材料力學處理前后狀態(tài)的觀測系統(tǒng)，本平臺具有實時準連續(xù)的特征，這樣以求獲得材料整個受力過程中更詳細，更真實的原位表現(xiàn)信息。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有觀測技術手段的局限性，比如只能測量施力前后材料表面形貌的變化，而難以測得受力過程中材料形貌的具體變化以及受力表現(xiàn)?；谠恿︼@微鏡搭建上的電動力學拉伸系統(tǒng)的新型材料力學觀測平臺，克服了以上所陳述的不足，即可以在邊給材料施加應力的條件下同時通過步進式的方法近似實時地給出材料受力整個過程的變化。也就是說，新搭建的力學測試平臺能同時輸出應力應變曲線以及當時材料原位表面的形貌。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種基于原子力顯微鏡及電動力學拉伸機的材料測試裝置，包括底座、原子力顯微鏡，還包括設置在所述底座上的電動力學拉伸機，所述原子力顯微鏡固定設置在所述電動力學拉伸機上，所述電動力學拉伸機包括：控制主機、加載框架、兩根橫梁、兩個夾具，所述加載框架上設置有傳動連接的絲杠、同步帶、伺服電機，以及用于檢測橫梁位移的位移傳感器和用于檢測橫梁所受載荷的載荷傳感器；所述兩根橫梁平行設置且與絲桿螺紋配合，所述的兩個夾具彼此相對地固定設置在兩根橫梁上，所述的控制主機通過電路連接伺服電機、位移傳感器、載荷傳感器及原子力顯微鏡，用于設置加載方式和參數(shù)、顯示應力應變曲線及原子力顯微鏡的掃描圖像。

進一步地，所述加載方式包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切；所述的加載參數(shù)包括樣品尺寸、載荷形式、載荷大小、加載速率、步進式的間隔時間。

進一步地，所述的控制主機通過伺服驅(qū)動器與伺服電機控制連接。

進一步地，還包括多通道閉環(huán)控制器，用于根據(jù)反饋信息實時控制伺服電機。

進一步地，所述伺服電機的最大轉速為24r/min，最大扭矩為7.2n·m。

進一步地，所述的位移傳感器采用位移精度達0.1μm的光柵位移傳感器。

進一步地，所述的多通道閉環(huán)控制器具有10khz閉環(huán)控制速度、16位ad采集系統(tǒng)分辨率，4通道全閉環(huán)控制。

進一步地，所述伺服驅(qū)動器的最高輸出電壓為48v，最大輸出電流為5a，導通電阻小于0.05歐姆。

進一步地，所述加載框架內(nèi)還設置有支撐絲桿轉動的絲杠支撐。

進一步地，所述加載框架的一側設置有用于電路連接伺服電機、位移傳感器、載荷傳感器、控制主機及原子力顯微鏡的插頭，基本快速連接及拆除，提高系統(tǒng)的緊湊性和操作性。

相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明所提供的材料測試裝置的原子力顯微鏡和電動力學拉伸機兩者共同工作的時候，通過設計步進式拉伸及掃描，可以獲得每一個時間間隔的應力應變表現(xiàn)以及實時的原子力顯微鏡掃描圖片，較之其它只能對比材料力學處理前后狀態(tài)的觀測系統(tǒng)，本平臺具有實時準連續(xù)的特征，這樣以求獲得材料整個受力過程中更詳細，更真實的原位表現(xiàn)信息。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結構立體示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的電動力學拉伸機外部主視示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的電動力學拉伸機外部側視示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的電動力學拉伸機外部仰視示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例的電動力學拉伸機原理示意圖。

圖中所示為：1-橫梁；2-夾具；3-絲杠；4-絲杠支撐；5-同步帶；6-插頭；7-載荷傳感器號；8-位移傳感器；9-伺服電機；10-加載框架；11-原子力顯微鏡；12-底座。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。

如圖1至圖5所示，一種基于原子力顯微鏡及電動力學拉伸機的材料測試裝置，包括底座12、原子力顯微鏡11，還包括設置在所述底座12上的電動力學拉伸機，所述原子力顯微鏡11固定設置在所述電動力學拉伸機上，所述電動力學拉伸機包括：控制主機、加載框架10、兩根橫梁1、兩個用于固定樣品及傳遞載荷的夾具2，所述加載框架10上設置有傳動連接的絲杠3、同步帶5、伺服電機9，以及用于檢測橫梁位移的位移傳感器和用于檢測橫梁所受載荷的載荷傳感器7；所述兩根橫梁1平行設置且與絲桿3螺紋配合，絲杠3與同步帶5構成了力的傳輸機構，將伺服電機9的原始驅(qū)動力傳遞到橫梁1，使其做線性運動。所述的兩個夾具2彼此相對地固定設置在兩根橫梁1上，所述加載框架10的一側設置有用于電路連接伺服電機9、位移傳感器8、載荷傳感器7、控制主機及原子力顯微鏡11的插頭6，可輸出檢測到的信號，所述的控制主機通過插頭6連接伺服電機9、位移傳感器8、載荷傳感器7及原子力顯微鏡11，用于設置加載方式和參數(shù)、顯示應力應變曲線及原子力顯微鏡11的掃描圖像。所述加載方式包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切；所述的加載參數(shù)包括樣品尺寸、載荷形式、載荷大小、加載速率、步進式的間隔時間。

本實施例中，所考慮到加工的實驗材料為骨骼，設計時將加載框架10的額定載荷設定為300n，而最大載荷為500n，框架不能與原子力顯微鏡機架有空間上的沖突。

本實施例中，所述的控制主機通過伺服驅(qū)動器與伺服電機9控制連接，所述伺服驅(qū)動器采用care伺服驅(qū)動器，型號為cd-3.3，為了使控制器理想運作起來，我們設定care伺服驅(qū)動器的最高輸出電壓48v，最大輸出電流5a，導通電阻：小于0.05歐姆。

本實施例中，還包括care多通道閉環(huán)控制器，型號為cc-3.1用于根據(jù)反饋信息實時控制伺服電機9，其具有10khz閉環(huán)控制速度、16位ad采集系統(tǒng)分辨率，4通道全閉環(huán)控制。

本實施例中，所述伺服電機9的型號為fz-3257，考慮到實驗過程中不僅有拉伸，可能還需要更加復雜的載荷，所以，在設計時將測量扭矩的功能加入了進來，同時為了兼顧了實驗材料的種類，裝置的強度，設定最大轉速24r/min，最大扭矩7.2n·m。

本實施例中，所述的位移傳感器8采用位移精度達0.1μm的光柵位移傳感器，型號為rl-0.1，以滿足微納米尺度下材料在受力過程中形貌變化的研究需要。

本實施例中，所述載荷傳感器采用美國進口高品質(zhì)載荷傳感器，型號為fu-500，為了記錄得到材料的應力應變曲線，并且與系統(tǒng)兼容，設計選擇這種型號的載荷傳感器，最大載荷440n。

本實施例中，所述的控制主機采用pc電腦，所述的pc電腦安裝carestudio力學測試軟件包，型號為studio-1.2.2，為了兼容控制器，其中有4種試驗測試模式；包括多種控制參數(shù)的設置，比如樣品的長，寬，高，拉伸速率等；方便管理和維護用戶數(shù)據(jù)；同時能測試拉伸、壓縮、彎曲、剪切及復雜的波形。

本實施例中，所述夾具2采用原位-單拉夾具，型號為c-i-01，專門的夾具與拉伸機配套，最大載荷也是440n，并且為了能在兩端更牢固地固定住樣品，設計時在內(nèi)面設計有防滑紋，以便固定表面摩擦系數(shù)小的樣品。

另外，本實施例中，所述加載框架10內(nèi)還設置有支撐絲桿3轉動的絲杠支撐4，提高絲桿的剛度，防止彎曲變形。

本實施例在電動力學拉伸機上搭建原子力顯微鏡11組成材料測試裝置，實現(xiàn)聯(lián)動配套，搭建及調(diào)試過程包括：

(1)對于選定的原子力顯微鏡的測試平臺進行精確的測量，誤差在2mm以內(nèi)，其中包括原子力顯微鏡測試平臺三腳架與探針的位置關系，比如長，寬，并且測量平臺距離測設平面的高度，以便設計電動力學拉伸機的高度。

(2)在原子力顯微鏡11為平臺的基礎上在上搭建電動力學拉伸機，在對材料進行力學測試獲得力學信號輸出的同時，能獲得材料表面形貌變化原位的信息。

測試時，需要將材料的加工成必要的規(guī)格，固定于搭建的材料測試裝置上，測試的過程主要包括：

（1）將所測材料進行打磨拋光加工，保持表面干凈，干燥，這樣獲得的原子力顯微鏡圖像才能有很好的信噪比，排除雜質(zhì)等的干擾。

（2）設置加載方式，控制加載速率，調(diào)控設置合適的參數(shù)，使得電動力學拉伸機以步進式方式正常工作。

（3）原子力顯微鏡下觀測材料表面的形貌變化，因為是步進式的，而且可用軟件設置的時間間隔很短如0.2s所以形貌近似是實時的材料表面形貌。

（4）設定原子力顯微鏡11的掃描方式，選擇非接觸式或者接觸式掃描，獲得所需要的形貌信息。

下面以軸向骨骼樣品為例詳細說明在拉伸載荷下的原位測量過程：

（1）選用的材料為牛大腿骨，并用切割機沿軸向方向切取其密質(zhì)骨部分，加工樣品規(guī)格為長40mm，寬4mm，厚度為2mm。

（2）對加工的骨骼樣品進行打磨拋光，切割得到的樣品數(shù)量擬為3個，都將這三個包埋于水晶膠中。包埋的過程為，將3個切割得到的骨骼樣品，并列放置于模具的底部，量取適量的水晶膠，并在其中按大約10:1:1的比例加入催化劑與固化劑，使用玻璃棒攪拌，并在其凝固前將加入催化劑與固化劑的水晶膠倒入磨具中，等待水晶膠凝固。

（3）待水晶膠凝固時，從模具中取出水晶膠固定的骨骼，選擇砂紙為2000目，3000目，選擇拋光液為1μm，0.05μm。打磨過程為，先將2000目砂紙固定于機器上，調(diào)節(jié)水流量，控制轉速在100r／min以上，將水晶膠固定的樣品置于機器上，并且施以適當?shù)膲毫?，打磨時間至少10min。之后清洗樣品，換3000目砂紙于機器上，以至少100r／min的轉速打磨至少10min。接下來的步驟是拋光，選擇合適的拋光布，量取大約10ml的拋光液，首先選擇1μm拋光液，控制轉速約為100r／min，此時無需施加壓力，使得樣品在上面至少拋光5min，最后是粒度最小的拋光液，同樣選擇合適的拋光布，量取10ml粒度為0.05μm的拋光液，此時轉速可以降低為70r／min至90r／min，同樣拋光5min。

（4）完成以上拋光過程后，為了使得樣品表面整潔，需要將樣品置于超聲振蕩機中超聲處理10min。取出樣品，干燥。

（5）接下來需要從水晶膠中取出樣品，使用工具為手術刀，在火焰上加熱，從邊緣切下取出骨骼樣品，過程需小心，以免破壞樣品表面。

（6）將樣品兩端固定于夾具2上，并保持打磨拋光處理的一面朝上，以便于原子力顯微鏡11觀測。仔細調(diào)整樣品平行于臺面，之后小心將原子力顯微鏡11的探測器放置于電動力學拉伸機之上。

（7）調(diào)節(jié)原子力顯微鏡11的探測器，首先在pc電腦上實現(xiàn)圖像的清晰掃描。

（8）設置樣品的參數(shù)，受力樣品長30mm，寬4mm，厚2mm；設置加載速率為0.03/min，設置加載方式為拉伸，設置步進式間隔為2s，啟動機器。

（9）這樣，每隔2s拉伸機便會自動停止一次，此時通過開啟原子力顯微鏡11測量表面形貌，測量完畢后繼續(xù)開啟拉伸機，如此反復，可得骨骼表面形貌在受拉伸載荷下的原位信息。

綜上所述，當原子力顯微鏡11和電動力學拉伸機兩者共同工作的時候，通過設計步進式拉伸及掃描，可以獲得每一個時間間隔的應力應變表現(xiàn)以及實時的原子力顯微鏡掃描圖片，較之其它只能對比材料力學處理前后狀態(tài)的觀測系統(tǒng)，本平臺具有實時準連續(xù)的特征，這樣以求獲得材料整個受力過程中更詳細，更真實的原位表現(xiàn)信息。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內(nèi)。