[发明专利]用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法

说明书

技术领域

    本发明涉及精密科学显微观测仪器，特别涉及一种用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法。集显微观测、精密驱动、主动跟随等技术于一体。可针对不同载荷状态下的各类材料提供原位测试，揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和变形损伤机理，对于新材料、新工艺、半导体技术及特殊物理场下的材料的原位测试等的发展具有重要的推动作用。

背景技术

材料测试技术一直是材料科学与工程应用的重要手段和方法，材料测试技术的发展与完善对材料科学的发展具有重要作用。所有零部件在使用过程中都不可避免地承受载荷的作用，有的零部件还在特殊的物理场或复合物理场下服役，在一定的使用条件和时间下，材料将发生多种失效现象，如变形、磨损等。通过显微观测技术可以对材料试样提供裂纹、断口分析,从而对材料的力学性能等进行分析。

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、电子显微镜或原子力显微镜等仪器对载荷作用下材料及其制品发生的微变形、微损伤等进行全程动态在线监测的测试手段。该技术从微观层面揭示了各类材料及其制品的力学行为、变形损伤机理以及载荷的大小、种类、加载方式与材料性能间的相关性规律。

目前的一些观测设备存在下列缺欠：（1）目前的商用显微镜的镜头难以进行大范围移动，对试件发生大变形时难以进行原位观测；（2）目前的商用显微镜难以做到对试件观测点的同步跟随,尤其是涉及扭转及扭转复合载荷且要求试件的旋转大角度的情况，因此难以保证对观测点的稳定成像；（3）目前的商用显微镜难以实现远程控制，因此难以实现特殊物理场如真空、高压、高低温、辐射等下的原位观测。

综上所述，设计一种可多自由度且多角度观测、可主动跟随、远程控制的超精密材料原位观测系统平台具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测材料微观力学行为的原位观测系统与观测方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过调节各个精密驱动组件，实现对显微镜镜头和被观测试件间相对位置、角度的精密调整；测试过程中，可以通过调节各个精密驱动组件并利用显微镜的连续变焦功能，实现在不同载荷测试环境下镜头对试件观测点的跟随运动；在真空、高压、高低温等特殊环境下，还可以对该系统实现远程控制。本发明集成性高、实用性强，可独立作为观测系统，实现对试件的微观形貌进行观察；也可根据具体测试目的与要求，选用不同大小、弧度的导轨、驱动组件与合适的观测设备或检测设备等，将系统平台集成到其他大型测试设备上；可以实现在不同载荷下对被测试件观测点的精密跟随，对被测试件的微观变形、损伤或断裂过程进行实时原位观测。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于监测材料微观力学行为的原位观测系统，包括圆周运动组件4、Z轴运动组件6、X轴运动组件5、回转组件7、显微镜8、支撑台2；所述X轴运动组件5安装于圆周运动组件4之上， Z轴运动组件6安装于X轴运动组件5之上，回转组件7安装于Z轴运动组件6之上，显微镜8安装于回转组件7之上；圆周运动组件4安装于支撑板Ⅰ11上，支撑板Ⅰ11通过滑块14安装在圆形导轨1上；伺服电机9带动滚轮12转动，驱动整套观测平台进行圆周运动。

所述的圆周运动组件4提供显微镜8的精密圆周运动，由伺服电机9提供动力，经过减速机10减速，驱动与齿圈3啮合的滚轮12转动，带动支撑板Ⅰ11沿着圆形导轨1进行圆周运动；所述伺服电机9与减速机10连接，减速机10采用行星减速机，通过螺钉固定在支撑板Ⅰ11上，支撑板Ⅰ11安装在滑块14上，滑块14安装在圆形导轨1上，圆形导轨1和齿圈3固定在支撑台2上。

所述的X轴运动组件5用于精确调整显微镜8的径向距离，由步进电机19提供动力，驱动滚珠丝杠16输出直线位移，X轴运动组件5通过两侧的双滑块直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21支撑导向；所述步进电机19选用五项步进电机，以缩小系统体积, 电机固定在X轴底板22上；所述滚珠丝杠16为单螺距、小导程丝杠，通过丝杠座Ⅰ18、丝杠座Ⅲ20固定在X轴底板22上；所述直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21上各安装有两个滑块Ⅰ24，以加大对上层工作台的支撑力；所述直线导轨Ⅰ17、直线导轨Ⅱ21安装在X轴底板22上，X轴底板22安装在支撑板Ⅰ11上；X轴支撑板15为L型，用于Z轴运动组件6的连接与固定。