[实用新型]基于双位移检测的微纳米尺度原位压痕测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种集超精密驱动加载、载荷信号与变形信号检测、微纳米尺度压痕/刻划测试以及材料变性损伤状况原位监测等功能为一体的高性能材料力学性能精密测试装置，尤其涉及材料试件的微观力学性能测试中的压痕测试、特别是原位纳米压痕实验测试的装置，属集光机电一体化的精密科学仪器。

背景技术

微纳米尺度材料力学性能测试技术主要有纳米压痕、纳米划痕、微拉伸、微弯曲以及微机电系统专用测试技术及相关支撑技术等。按照测试中是否可通过电子显微镜等仪器在线实时监测材料的变形和损伤状况，又可分为原位测试和非原位测试。所谓的原位(或在位)测试，是指对被测件力学性能测试中进行的在线连续监测和分析；与之对应的是非原位测试(又称异位或移位测试)，是指利用实验前或实验后的试件进行力学性能分析。目前绝大多数的纳米力学研究停留在非原位测试技术上。微型机电系统/纳米机电系元件专用测试技术应用范围存在局限性；而传统力学性能测试手段因其测试精度难以达到纳米级。

在非原位纳米力学测试技术中，以纳米压痕、纳米划痕等最具代表性。纳米压痕测试中，通过分析载荷力、试件变形和“载荷-变形曲线”，可以测得试件的硬度、弹性模量等参数。在纳米压痕仪等技术的基础上，产生了纳米划痕技术；与纳米压痕不同之处在于纳米划痕技术增加了在划痕方向上的精密定位与位移检测功能。目前，我国还不具备具有自主知识产权的这类技术。就纳米压痕、纳米划痕等非原位力学测试技术，美国加州大学伯克利分校和劳伦斯-伯克利国家实验室的A.M.Minor等人指出了其存在的不足：由于无法在电子扫描显微镜和透射电子显微镜下进行高分辨率原位监测，因此不能研究变形、损伤状况与载荷作用和材料性能参数间的相关性规律；清华大学温诗铸教授也指出：目前对于材料变形和损伤机制及其与性能参数间的相关性规律方面缺乏深入的研究，而这又是微小元件设计制造环节迫切需要的。此外，这类仪器对温度等因素较敏感，工作环境苛刻，也无法研究温度效应对材料加工性能的影响；设备价格昂贵、测试成本高，国外出于军事和高技术附加值领域的产业化应用考虑，高端仪器设备还对我国封销、禁运。

通过原位纳米压痕实验，可以观察到在载荷作用下试样的变形机理，这样就能将载荷-位移变化曲线与材料变性损伤状况有机的结合起来，如镀膜剥离现象、龟裂形成和延伸、剪切带形成表面都与单一不连续的载荷位移曲线有关。有不少研究采用压痕技术来确定各种材料的力学性能，并用SEM来观测表面变形。Gane和Bowden率先报道了原位纳米压痕实验，将探针压入金属晶体里面，观察固体的表面变形，但他们没有采用载荷和位移传感器，没能获得载荷位移曲线。Bangert、Wagendristel设计并构造出了一种压痕装置，该装置可以放于扫描电镜真空腔内，但他们并没有进行实际压痕过程的原位监测，实际上，他们设计的仪器是为了克服种种限制因素，如定位精度以及对微小载荷(50μN-20mN)下压痕痕迹的检测问题。国外这些研究工作的主要缺陷在于缺少载荷和位移传感器，这样就无法得到材料的力学机械性能与微观组织演变的关系。2004年，Rabe等人引入了一种原位压痕装置，这种装置一出现，便促进了微米压痕实验进展，值得一提的是，此装置能够同步记录压痕实验的载荷-位移数据，同时，扫描电镜中的数字成像可以记录压头压入被测试样中的过程。通过对纳米复合材料TiN/SiN涂层的压痕实验以及对类金刚石碳薄膜的压痕/刻划实验，Rabe等人发现了压头附近区域材料试件在载荷作用下的变性损伤情况。

综上所述，原位纳米力学测试被国际学术界和工程界普遍认为是崭新的、最具发展潜力的研究材料纳米尺度力学性能和损伤机制的有效方法，近几年受到国际工程界、学术界和有关政府部门的高度重视。

本实用新型以研究试件材料微观力学性能、损伤机制的精密高效测试技术为对象，提出针对特征尺寸毫米级以上三维试件的原位纳米压痕测试的新技术和新方法，开展研究开发并推进其产业化，迅速填补我国这一领域的空白，并在国际范围内占据一席之地。

发明内容

本实用新型的目的在于设计一种压痕实验测量检测装置，本实用新型在扫描电镜(SEM)监测下开展压痕试验，获取材料力学性能参数，通过对载荷作用下材料变形损伤进行原位监测，研究其变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，解决了现有的机械性能的测量及微观形貌的检测是独立的、分离的两个过程的问题和装置总体尺寸大、在线检测不易实现的问题。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：