[发明专利]一种薄膜测试加载单元

说明书

本发明提出了一种薄膜测试加载单元，包括基板、电机、涡轮蜗杆组件、以及夹持转台，所述电机和涡轮蜗杆组件设置于所述基板上，所述电机输出的转动经过涡轮蜗杆组件转换方向和载荷放大后带动所述夹持转台转动，从而带动固定于所述夹持部上的薄膜向上、向外翻转；其中，所述夹持转台的竖直截面为45°扇形，所述涡轮一侧设有与夹持转台竖直截面外形匹配的槽，所述夹持部的一部分能够插入该槽，使得涡轮能带动夹持转台转动。

技术领域

本发明涉及薄膜材料性能测试领域，特别是软基薄膜的拉伸测试。

背景技术

近些年来，软基薄膜材料由于其制造工艺的成熟以及高柔性、高延展性等性能的优异，被广泛应用于电子、生物、航天、化工等领域中。因此，这种结构逐渐成为了学者们研究的重点。现阶段大部分相关工作都是针对膜基结构的单向受载展开的，然而在服役过程中，膜基结构往往处于更为复杂的载荷环境，简单的单轴载荷已经无法模拟其真正的应力状态。因此，在实验和测试中，引入双轴载荷能使得膜基结构的力学行为更精确地表达出来，这对于研究膜基结构的力学性能至关重要。

一台好的能模拟各种复杂载荷环境的加载设备是拉伸实验的根本。薄膜材料加载单元一般由电机、传动机构、夹持转台以及控制系统组成。目前，许多学者设计并制作了大量结构巧妙的单轴加载单元，这些装置能适用于各种复杂的载荷环境以及观测环境，达到了较好的实验效果。然而，这类设备大多采用平动拉伸方案，设备作业过程中占用空间较大导致设备难于置于显微镜的载物台上，特别是将现有的加载单元组合用于双轴拉伸实验中。

较早的双轴拉伸试验机有Ferron和Makinde于1988年提出。他们设计了一种连杆机构，将常规的单轴拉伸试验机改装成了双轴拉伸试验机。然而装置通过八个机械连杆连接，复杂的传动机构将对设备的载荷输出以及加载精度造成较大的影响。Alan Hannon在2005年的关于拉伸设备的综述中提到，Fraunhofe同样通过连杆机构，实验了双轴加载，然而设备尺寸巨大，在高度方向落差也很大，较难进行小范围的观测。近些年来，一些学者设计了尺寸较小的双轴加载设备，用以与精密显微镜以及各种现代微观测量技术如DIC、XRD相配合。Geandier G在2010年设计了一套转动式的双轴加载设备，通过四个电机控制，具有尺寸小，传动机构简单的有点。但是试件尺寸较大，实验成本较高。Namazu设计了一套适用于薄膜材料拉伸的双轴加载设备，与CCD相机配合进行观测。这套设备输出载荷较大，但是这也使其尺寸较大，总体重量也较大。2015年，牛津大学材料学院研制了一套双轴原位加载设备，通过丝杠螺母传动，可以测量薄片材料的变形。但是加载设备只在一个方向上设有电机，这样加载过程就会受到机械损耗的影响，并且设备只能进行双轴等比加载。2017年，Petegem为了缩小双轴加载设备的尺寸，一改传统的电机控制方式，采用了压电陶瓷驱动器作为动力输出，大大缩小了设备的重量和尺寸，同时又能保证极高的精度。但是缺点就是设备的载荷输出很小，难以应用于金属膜基结构等材料的拉伸。国内近些年来，也有一些学者设计了一些双轴加载设备，但是尺寸重量均较大。

总之，参考图1所示，现有的薄膜拉伸加载设备存在以下问题：a.平动拉伸导致设备整体尺寸过大，难以放置在显微镜的观测台上；b.已公开的转动拉伸装置的圆柱形转台尺寸大，且在固定安装试件过程中难以使固定试件的接触面保持水平，主要靠经验操作；c.试件固定后难以夹紧；d.针对弹性模量和厚度不同的待测式样，需要按需更换不同直径的转台，操作过程繁琐费时。

发明内容

本发明提出了一种薄膜测试加载单元，包括基板、电机、涡轮蜗杆组件、夹持转台、以及紧固夹片；所述电机固定设置于所述基板上，所述涡轮蜗杆组件可旋转地固定设置于所述基板上，所述蜗杆与电极的输出轴连接并将电机所输出的转动传递给涡轮，所述涡轮的一个侧面设置有扇形槽，夹持转台的竖直截面与该扇形槽的竖直截面形状相同，以便夹持转台的一端可以插入到该槽中，使得涡轮可以带动夹持转台同步转动，紧固夹片将待测薄膜式样固定于所述夹持转台上，使得夹持转台可以带动薄膜试样同步转动，以拉动薄膜试样向上、向外翻转。

附图说明