[实用新型]变温工况下可溯源的原位微纳米压痕测试仪器

说明书

本实用新型涉及一种变温工况下可溯源的原位微纳米压痕测试仪器，属于精密仪器及材料测试技术领域。宏微切换式机械加载模块、纳米机械加载模块和压入位置光学定位模块固定在龙门横梁上，光学显微原位观测/对针模块光学成像轴线与纳米机械加载模块的加载轴线共面，并与功能切换模块安装在大理石基座台面上，接触/氛围混合变温模块固定在功能切换模块上。采用模块化设计，以微纳米压痕测试仪器为核心，结合多级真空/氛围腔室、压入深度溯源标定模块和多组光学显微成像组件实现变温工况下压入深度标定校准、纳米机械加载微力传感器对针、压入位置精确定位和原位动态监测不同维度测试材料微区力学性能及损伤机制等研究。

技术领域

本实用新型涉及精密仪器及材料测试技术领域，特别涉及一种变温工况下可溯源的原位微纳米压痕测试仪器。可用于研究不同维度材料在变温工况下的局部力学性能，为揭示服役环境下材料微区力学性能及损伤机制提供了新的技术手段。

背景技术

材料是人类文明的物质基础，同时也是一切高新技术的支撑和先导。近年来，随着微机械和微电子技术的发展及薄膜、涂层材料等新材料合成和制备工艺的不断提高，其特征尺度越来越小，传统宏观试验方法显然不能满足低维材料性能测试要求。另外根据《国家中长期科技发展规划纲要》中也在多层次多方面强调：材料服役与环境的相互作用、性能演变、失效机制的研究，是面向国家重大战略需求的基础性研究。为此，发展连续变温工况下可溯源的原位微纳米压痕测试技术对研究不同维度材料在接近服役条件下材料演化规律极为重要。

目前，变温工况下的原位微纳米压痕测试技术仍处于快速发展阶段，具体表现在：（1）从温度加载原理和方法来看，受到诸如制冷剂直接浸没式实现连续变温问题（如日本岩手大学Iwabuchi等人研发低温硬度测试装置）、连续变温冷源（包括制冷机、低温恒温器等）接触式温度漂移对压入深度测量影响问题（如中国专利CN 104697872 A中所涉及的一种连续调温式高真空低温微纳米压痕测试装置）以及热电制冷等无制冷剂方式存在制冷功率偏低的限制（如英国牛津大学Pethica等人及伯明翰大学Cheney等人采用的帕尔贴制冷方式），现有自主研发测试仪器的温度加载方法严重影响测试结果的准确性并直接限制温度加载范围；（2）从测试对象维度和测试方法来看，其中一类主要借助商业化微力学测试系统、纳米压痕测试系统和原位微力学性能等测试系统，并配以自制或商业化的温度加载模块（如Bruker-HysitronxSol冷台）实现连续变温加载，这类测试方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一的弊端，另外一类由科研单位自主研发设备由于上述（1）中温度加载方式所限，导致往往其测试精度仅能达到宏观压入测试水平，无法实现对生长/涂覆在基体材料上的二维薄膜材料的测试需求；（3）从辅助监测手段上看，结合扫描电子显微镜、原子力显微镜及光学显微成像系统的变温工况下微纳米压痕测试仪器正逐渐成为设计主流，比如美国加州理工大学Lee等人研发的原位低温纳米压痕测试仪器，Bruker-HysitronTi-950原子力扫描成像等。

另外，相关研究中所涉及的变温工况下微纳米压痕测试仪器通常仅是在室温压痕测试仪器基础上模块化添加温度加载模块方式，其变温工况下标定校准方法往往仍沿袭室温标定校准方法（详见ISO 14577），显然未考虑变温工况下压头热膨胀/收缩所引起位移测量误差。

因此，设计一种面向不同维度测试材料，连续变温工况下可溯源的原位微纳米压痕测试仪器，并且能够利用光学显微组件原位监测，将在材料科学、航空航天和超导应用等领域具有极大的发展前景和应用价值。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种变温工况下可溯源的原位微纳米压痕测试仪器，解决现有变温工况下的原位微纳米压痕测试技术中存在的测试对象维度单一、温度加载不均匀以及压入深度测量不准确等局限。本实用新型可以实现，在变温工况下原位监测不同维度材料微区力学性能以及材料服役与环境的相互作用、性能演变、失效机制的研究。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：