[实用新型]柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台

说明书

技术领域

    本实用新型涉及机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台。可针对各类材料试件在光学显微镜的原位监测下进行微纳米压痕力学性能测试和超精密刻划加工，即可对材料的变形和损伤实现在线观测，并可采集载荷/位移信号，从而揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，对于新材料新工艺、精密光学、半导体技术、纳米工程、微机电系统（MEMS）技术等高技术产业的发展具有极为重要的推动作用。 

背景技术

微纳米级材料力学性能的测试技术主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米划痕(NanoScratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电系统(MEMS)专用测试技术(如微拉伸等)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(In Situ)测试和非原位(Ex Situ)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。 

纳米压痕/划痕测试法具有操作方便，样品制备简单，测试内容丰富等优点，目前研究较多，使用范围较广，国外已有商业化纳米压痕仪、纳米划痕仪。研究人员借助纳米压痕、纳米划痕测试技术来研究材料的弹塑性特性、裂纹的发生、分布及扩展等特性，但是目前国际上商业化的纳米压痕、划痕测量仪器通常只能在平面晶片（Wafer）上进行测试，且加载精度不高，此外还存在由于测试系统结构庞大而无法在扫描电镜/透射电镜（SEM/TEM）下进行在线观测的缺点。 

采用 AFM 方法进行压痕和划痕测试能够实现在线观测，而且位移分辨率和输出力分辨率都很高，但是 AFM 方法可施加载荷和压入深度太小，因此也无法全面系统地研究材料微观特性。利用 AFM 方法进行纳米压痕、划痕实验时，其运动速度低、运动范围小，限制了更进一步的研究。近年来，许多新型材料不断诞生，而大部分微/纳结构材料的特性仍然未被全面揭示，有关研究成为微/纳机电系统（MEMS/NMES）及材料科学交叉领域的研究热点，吸引了国际上众多的研究机构和研究人员竞相对其展开研究。 

因此，结合精密检测技术、精密驱动技术及原位测试技术进行纳米压痕/划痕测试装置的探索研究具有非常重要的理论意义和实用价值。设计一种结构小巧紧凑、性能可靠、精度高的并能与显微成像设备兼容的在原位纳米压痕、刻划力学性能测试平台有十分重要的意义。测试平台可作为材料试件力学性能及其损伤机制的专用测试仪器，对汽车关键零部件、钢铁冶金、微电子技术、生物医学工程、新材料新工艺、微机电系统技术、装备制造业、纳米工程等高技术产业集群的发展具有极为重要的支撑推动作用和广阔的产业应用价值。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。其是一种集驱动、加载、检测、微纳米级压痕力学测试和超精密刻划加工于一体的高性能综合精密实验测试平台，它能够应用于材料微观力学性能测试中进行纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验以及微纳米级原位刻划加工。本实用新型通过X、Y轴方向压电叠堆驱动柔性铰链伸缩，实现X、Y轴方向的超精密刻划加工，具有体积精巧、传动简便和测试精度高等优点。同时还可与超景深显微成像组件、金相显微镜等集成，可实现在观测下开展针对宏观试件的压痕刻划测试，对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位监测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了崭新的测试方法。在进行原位纳米压痕测试同时，结合相关软件算法，能够对压痕、刻划过程中的载荷/位移信号进行采集和控制，自动拟合应力应变曲线，即可得到材料的弹性模量等重要力学参数。 

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现： 

柔性铰链式原位纳米压痕刻划材料力学性能测试平台，包括X、Y轴方向精密定位机构8、9、柔性铰链单元、Z轴方向直线电机调整机构、精密压入驱动单元，所述X轴方向精密定位机构8固定在底座2上，Y轴方向精密定位机构9固定在X轴方向精密定位机构8上，柔性铰链单元安装在X、Y轴方向精密定位机构8、9上；所述Z轴方向直线电机调整机构的Z轴方向直线电机13固定在套筒1上，精密压入驱动单元与Z轴方向直线电机13通过法兰盘14相连；试件载物台6在X、Y方向上可通过分别手调X轴方向精密定位机构8和Y轴方向精密定位机构9，相互调节进行精确定位。