[实用新型]跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台

说明书

技术领域         

本实用新型涉及机电类，特别涉及一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台。可在电镜等显微成像仪器（如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM等）的原位监测下进行包括原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试、原位拉伸/剪切、压缩/剪切测试在内的复合载荷力学测试，即可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，可以实现对载荷/位移信号的采集与控制，可测试材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制。

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过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜和或光学显微镜等仪器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、切变模量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，剪切法、扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，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，同时通过剪切测试亦可获得材料切变模量、剪切强度等相关力学参数。

目前，原位纳米拉伸/压缩测试尚处萌芽状态，具体表现在：（1）受到原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间的限制，目前的多数都集中在以微/纳机电系统工艺为基础，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（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试，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原位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；（3）从测试内容上看，现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，更为发现针对特征尺寸厘米级以上试件的原位复合载荷测试仪，因此限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。

在原位纳米拉伸/压缩-剪切复合载荷力学测试技术应用之前，拉伸/压缩试验与剪切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加载试样，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，最初的拉伸机和剪切测试机是将材料拉断或剪断后，得出材料的拉伸屈服极限、拉伸强度极限、剪切屈服极限、剪切极限等力学参数。传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏观尺度试件，未涉及材料纳米尺度范畴的力学性能，亦未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位观测。

因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，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和损伤过程的拉伸/压缩-剪切复合载荷力学测试平台已十分必要。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种跨尺度微纳米级原位复合载荷力学性能测试平台，解决了传统拉伸机和剪切测试机针对的都是宏观尺度试件，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显微成像系统下的原位观测；缺少对宏观尺寸（薄膜材料或三维试件）的跨尺度原位纳米力学测试，设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈；现有仪器设备的测试内容相对单一，两种及两种以上载荷类型的复合测试仪器鲜有提及，更未发现针对特征尺寸厘米级以上试件的原位复合载荷测试仪，限制了复杂工况下材料的微观力学性能及损伤机制的研究深入化。本实用新型具有体积小，结构紧凑，可提供的测试内容丰富、测试精度高，刚度高的特点，可通过原位拉伸/压缩测试、原位剪切测试及原位拉伸/压缩-剪切负荷测试获得材料的弹性模量、切变模量、屈服极限和强度极限等重要力学参数，对材料的微观变形、损伤和断裂过程进行原位监测，为揭示材料在纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了测试手段。本实用新型可对特征尺寸厘米级以上三维试件实施跨尺度原位复合载荷力学测试的平台，可进行包含原位拉伸/压缩测试、原位纯剪切测试及原位拉伸/压缩与剪切复合测试在内的三种力学测试试验，并可同步进行载荷/位移信号的检测与分析。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：