[实用新型]跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台

说明书

技术领域

本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别涉及一种跨尺度微纳米级原位三点弯曲力学性能测试平台。可以在对样品进行三点弯曲加载的同时，用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）对加载过程中样品的微观变形，损伤以及断裂过程实施原位监测；也可以对样品进行反复加载，用电镜等显微成像仪器对样品进行在线观测；可以实现对载荷/位移信号的采集、控制及转换，为精确测定样品在微纳米尺度下的力学特性和揭示样品在三点弯曲作用下的微观变形，损伤断裂机制提供新的测试方式。

背景技术

原位力学性能测试是指在微/纳米尺度下对试件材料进行力学性能测试的过程中，通过光学显微镜、电子显微镜以及原子力显微镜等仪器对各种载荷作用下材料及其制品发生的微观变形，损伤进行全程动态在线监测的一种力学测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、损伤机理以及载荷的大小、种类与材料性能间的相关性规律。在诸多微纳米力学性能测试的范畴中，弹性模量、切变模量、弯曲模量、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很多种测试方法，如纳米压痕/划痕、拉伸/压缩法、剪切法、扭转法、弯曲法和鼓膜法等，其中原位三点弯曲测试方法能较全面的反应材料或制品在弯曲条件下的力学特性，并能较直观的测量材料弯曲模量、屈服极限和断裂强度等重要力学参数；通过反复多次的对材料或制品进行三点弯曲加载和卸载，也能从一定程度上反映出样品的抗疲劳性能。

当前对于原位三点弯曲测试的研究尚处于初级阶段，具体表现如下：（1）扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等的腔体空间非常有限，以至于目前的多数研究都集中在以微/纳米尺度材料和结构为基础，对纳米管、纳米线以及薄膜材料等极微小结构进行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）的跨尺度原位微/纳米力学性能测试的深入研究，从而严重束缚了学术界对较大尺寸元件的微观力学行为以及损伤断裂机制的深入研究；（2）从测量仪器上来说，主要借助于商业化的扫描电子显微镜（SEM）配带弯曲加载装置对材料及其制品进行原位微/纳米力学性能测试，这种方法存在设备费用昂贵，测试范围有限，测试内容陈旧等特点，对结构紧凑，测量范围可调，测试内容多样的原位三点弯曲测试装置少有提及，极大制约了研究的深入与发展；

在原位三点弯曲力学性能测试技术应用之前，弯曲试验一般是用大型弯曲试验机对材料及其制品进行离位测试。试验机按照相关标准以均匀速率对样品进行加载，由试验机绘出载荷-挠度曲线，进而得到载荷作用下应力-应变曲线图，因此，最初的弯曲试验机是将材料弯到规定的角度或者断裂后，得出材料的弹性模量、屈服极限、断裂极限等力学参数。传统弯曲试验机针对的大都是大尺度宏材尺度试件，未涉及样品微纳米尺度范畴的力学性能研究，也未涉及到高分辨率显微成像系统下的原位在线观测。

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三点弯曲力学性能测试平台，解决了现在技术存在的费用昂贵、体积大、结构复杂、重量重、测试精度低及兼容性差等问题。本实用新型具有体积小、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，可通过原位三点弯曲测试获得材料的弯曲模量、屈服极限和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三点弯曲加载和卸载，从一定程度上反映出样品的抗疲劳性能。对材料的微观变形、损伤及断裂过程实施原位在线监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤断裂机制提供新的测试装置。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：