[发明专利]低维材料动态拉伸加载测量系统

说明书

技术领域

一种低维材料动态拉伸加载测量系统，属于光测力学、工程材料、力学性能测试技术领域。 

背景技术

随着微纳米科学技术的发展，微电子机械系统(MEMS)的应用越来越广泛，各种硅膜、金属薄膜等低维材料广泛的应用于微电子机械系统的生产制造。这些材料的性能直接影响着微电子机械系统的可靠性，因此对这类材料的力学特性进行准确可靠的测试至关重要。现阶段对于这些低维材料的静态拉伸力学性能有了比较好的研究，研制出了多种拉伸加载系统测量其拉伸性能，如清华大学戴福隆等发明的悬浮式低维材料静动态微力拉伸实验机[200510011828.8]等。然而微电子机械系统通常工作频率比较高，因此其动态力学性能对MEMS的安全性和可靠性更加重要，而且对微纳米力学和材料科学的研究也有重要的学术和应用价值。由于常规的动态测试手段对低维材料的动态性能测试无能为力，需要设计针对低维材料的动态加载测量系统。 

西安交通大学的孙军等发明了一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的方法[200510096133.4]，主要原理是将金属薄膜沉积在基底材料上，通过施加试验机对基底材料进行加载，由于基底材料和金属薄膜的弹性性能的差别实现对金属薄膜的疲劳加载，该方法测量对象必须为金属材料，同时要求基底材料和金属薄膜的弹性性能有比较明显的差别才可以测试，而且动态加载频率不高。中国科学院金属研究所的张广平等人发明了薄膜材料电/热/力耦合作用下性能测试系统及测试方法[200610047538.3]，该方法利用交流电引起金属线中的焦耳热，由于金属线和薄膜基体热膨胀系数的差别实现对金属线的热疲劳加载，该方法要求测试对象也局限于金属材料，加载方式通过热适配产生热变形，加载频率不高。 

上边提到的方法主要针对金属薄膜材料测试，并且都是通过间接方法实现对材料的动态加载，加载频率不高，而且无法定量描述动态加载下材料的力学参量。 

发明内容

本发明的目的是提供一种低维材料动态拉伸加载测量系统，可以实现高频率加载条件下，各种低维材料动态性能测试，使用方便、结构紧凑。 

本发明的技术方案如下： 

一种低维材料动态拉伸加载测量系统，含有光学显微镜、动态加载装置、压电驱动系统；所述的动态加载装置包括双悬臂杆位移加载机构、拉紧弹簧和试件夹头；所述的压电驱动系统包括压电陶瓷和压电陶瓷控制系统；所述的双悬臂杆位移加载机构为一体式中空结构，双悬臂杆通过连接杆连接，连接杆的中部为一弹性铰链，在双悬臂杆上有外伸的压电陶瓷支座；压电陶瓷放置在压电陶瓷支座上，拉紧弹簧装卡在双悬臂杆靠近压电陶瓷支座的一端，试件夹头装卡在双悬臂杆的另一端，试件粘贴在试件夹头上，整个动态加载装置放置于光学显微镜的载物台上。

本发明的技术方案中，其特征在于：所述的双悬臂杆位移加载机构的弹性铰链部分的宽度l大于零且小于连接杆宽度的1/20。 

本发明的技术方案中，其特征在于：所述的光学显微镜的放大倍数至少为1000倍。 

本发明的技术方案中，其特征在于：于双悬臂杆位移加载机构采用刚性材料加工。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明采用压电陶瓷驱动可以实现各种波形高频率的加载最高频率可达数千赫兹；本发明通过精密加工的位移放大杠杆将压电陶瓷的微小位移放大可以适用于各种刚度材料的测试；本发明同时采用高分辨光学测量系统可以测量动态加载条件下试件表面的变形情况；本发明结构紧凑，使用方便可以实现高频率加载条件下，各种低维材料的动态性能测试。 

附图说明

图1为本发明结构示意图。 

图2为本发明所用的动态加载装置俯视图。 

图中：1-动态加载装置；2-压电陶瓷；3-压电陶瓷控制系统；4-光学显微镜；5-计算机；6-双悬臂杆；7-连接杆；8-弹性铰链；9-陶瓷支座；10-拉紧弹簧；11-试件夹头；12-试件。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式： 

如图1所示，本发明所述的低维材料动态拉伸加载测量系统，主要由光学显微镜4、动态加载装置1、压电陶瓷2和压电陶瓷控制系统3组成。动态加载装置安装在光学显微镜的载物台上，利用光学显微镜对试件表面进行高分辨率的观测。同时光学显微镜的目镜连接到CCD图像采集系统上，采集不同加载时刻试件表面的图像，并存储到计算机5中。加载结束后对采集到的图像进行后处理，可以得到试件表面的变形场信息。