[发明专利]显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及材料结构测试与原位观测测试领域，尤指一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，其安装在显微组件下跨尺度原位微纳米固体材料进行拉伸/压缩液压驱动测试和微观晶体形态变形观测的液压驱动装置。可以将各种材料的微观变形机制和力学性能直接对应起来，揭示跨尺度材料力学性能与宏观性能的关系。

背景技术

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，通过多种显微组件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一种力学测试技术。该技术深入的揭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、断裂极限等参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、纳米压痕发和鼓膜法等，其中以原位拉伸/压缩测试方法能较全面的反应构件的强度特性，并能最直观的测量材料弹性模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数。

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：（1）受到原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜和透射电子显微镜（TEM）等的腔体空间的限制，目前的多数研究都集中在以MEMS/NEMS工艺为基础，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借助商业化的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，测试方法单一，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力应变曲线图，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电子显微镜成像系统下的原位观测。

通常，人们从拉伸实验和微观结构检测两种实验手段中得到的实验数据进行分析，进而优化了纳米功能材料的制作工艺，但是在此过程中，机械性能的测量和微观形貌的观测是独立的、分离的过程，这大大阻碍了研究的继续进行。如果能将这两个方面结合，不但能够在机理上深入分析材料失效等理论问题，还能进一步提高材料的加工制作工艺过程。然而这些问题的研究都需要动态观察试件在受力情况下的微观形貌的变化。因此制约这个领域发展的根源在于一种将试件加载和在此过程中观察试件微观形态变化合二为一的检测技术和检测仪器。

此外，国外公司自主研发了一系列SEM原位力学拉/压测试装置，测试范围涵盖微纳米级试件和宏观试件，但依然存在装置体积过大，价格昂贵，并且未发现针对毫米级尺度试件的跨尺度测试装备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置，解决了现在技术存在的费用昂贵、体积大、结构复杂及兼容性差，以及现有实验测试设备在材料的机械力学性能测试和在此过程中观察试件微观形态变化是独立的、分离的、跨尺度的问题，进而提供一种显微组件下跨尺度原位微纳米拉伸/压缩液压驱动测试装置。本发明具有体积小、重量轻、刚度高、结构紧凑、测试精度高，并且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以及损伤断裂过程，可提供的测试内容丰富等特点，可通过原位拉伸/压缩测试获得材料的弹性模量、屈服极限及断裂强度等重要力学参数，也可通过反复多次的对材料或制品进行加载和卸载，从而获得样品的抗疲劳性能。本发明解决了当前测试装置在试验中性能测试和微观形态的检测部分是相互独立、互相分离为两个过程的问题，并且通过位移、载荷的高精度控制算法对加载测试过程进行补偿并对测试数据进行修正。能够在多种显微组件下进行原位拉伸/压缩测试试验并同步进行位移、载荷测量、数据分析及检测修正的测试系统。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：