[发明专利]用于锥束CT成像的原位高/低温压痕测试装置

说明书

本发明涉及一种用于锥束CT成像的原位高/低温压痕测试装置，属于机电一体化精密科学仪器及材料测试领域。包括锥束CT成像单元、高/低温压痕测试单元、电动旋转平台、隔振台及硅油控温装置，锥束CT成像单元、电动旋转平台与硅油控温装置安装在隔振台上；高/低温压痕测试单元固定在电动旋转平台上；高/低温压痕测试单元包括高/低温加载子模块、精密加载与检测子模块、真空保障子模块。本发明可在锥束CT成像单元的动态监测下开展‑50℃~120℃高/低温环境下的原位微纳米压痕测试，对材料在高应力应变作用下的微观变形和损伤过程进行原位观测与三维成像，为揭示力热耦合加载条件下材料的力学行为及其微观组织变化的本构关系提供了有效的技术手段。

技术领域

本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域及材料测试领域，特别涉及一种用于锥束CT成像的原位高/低温压痕测试装置。可实现-50℃-120℃高/低温环境下的原位微纳米压痕测试，为揭示力热耦合加载条件下材料的力学行为及其微观组织变化的本构关系提供了新的技术手段。

背景技术

原位微纳米力学测试技术指在微纳米尺度下对被测材料进行力学性能测试过程中，通过电子显微镜、原子力显微镜或光学显微镜等成像仪器对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行实时动态监测的测试技术。CT成像技术是一种新型的材料无损检测技术；CT成像是在不破坏物体结构的前提下，根据样品周边所获取的某种物理量(如X射线光强)的投影数据，通过计算机处理，重建样品特定层面上的二维图像以及根据所得的二维图像构成三维图像的技术。

随着新型薄膜材料、微机械及微电子技术等的发展，材料在微观尺度下的力学性能参数的获取变得更加重要。但这些微小构件常常会表现出与宏观条件下所不同的力学特性。因此在传统宏观硬度测试的基础上提出了微纳米压痕测试技术。微纳米压痕测试技术通过高精度、高分辨率的载荷和位移传感器，同步精密测量并采集压入过程中的载荷及位移数据，压入最终得到载荷-位移曲线。通过对建立适当的力学模型对曲线进行分析，可以准确得到材料的硬度、弹性模量、蠕变特性、断裂韧度和粘弹特性等力学性能参数。由于微纳米压痕测试技术对被测材料表面损伤极小，且具有样品制备简单、测试内容丰富等优点，已成为国内外材料测试的重要技术手段。

材料的力学性能总是会不可避免的受到实际服役环境尤其是环境温度的影响，目前关于高温环境下压痕测试技术研究与产品较多，但对于低温环境下特别是高/低温环境下的压痕测试技术研究较少。由于低温对于材料的位错活动、相变过程、断裂机理等存在着截然不同的影响方式，冷热交替则会将高温与低温的状态进行耦合导致更加难以预测的材料行为。然而目前的压痕测试装置只能单独实现高温或低温的加载，并且大多数的压痕测试装置都缺少原位观测手段。如中国专利(CN106404574A)，涉及一种真空环境下的高温微纳米压痕测试装置与方法，放置在真空腔内的测试装置采用氛围式加热炉对压头和样品进行加热，最大限度的保证了压头和样品温度的一致，但其仅能实现高温加载，并且没有集成原位观测手段。再如中国专利（CN104697872A）涉及一种连续调温式高真空低温微纳米压痕测试方法与装置，采用通有液氮的低温恒温器与内置加热器的变温载物台配合，可实现77K-500K的连续接触变温，极大的扩展了测试温度范围，但由于缺乏原位观测手段无法将材料的微观变形机理与力学性能统一起来。

因此，研制开发一种集成原位观测手段、能够实现低温-高温连续温度加载的原位微纳米压痕测试装置刻不容缓。

发明内容