[发明专利]精密纳米压痕测试装置

说明书

技术领域

    本发明涉及光机电一体化的精密科学仪器领域，特别涉及一种精密纳米压痕测试装置。

背景技术

纳米压痕/划痕测试技术主要是通过连续记录载荷和压入深度从而获得载荷-压入深度关系曲线，最终通过分析曲线获得被测材料的硬度和弹性模量等参数。测试过程中避免了对压痕位置的寻找和压痕残余面积的测量，可以大大减小测试的误差。通过压痕测试获取压入载荷和压入深度数据，之后绘制相应的载荷-深度关系曲线，通过合适的力学模型及推导，可以从该曲线分析得到丰富的力学参数信息。目前纳米压痕测试已经可以获得硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性、蠕变特性、疲劳特性、粘附性等参数，纳米划痕测试则可以获得薄膜的临界附着力和摩擦系数等。原位纳米力学测试系统应用于薄膜、多相材料及其晶界、复合材料及其界面、MEMS、生物材料等各种材料在纳米尺度上的力学性能表征，可实现精确定位条件下的原位测试。利用它，可以在纳米尺度上开展材料力学行为的研究，是研究材料纳米尺度力学性能和损伤机制的有效方法，且具有很好的发展潜力。

纳米级精密驱动（或定位）技术和检测技术是现代高科技领域的重要支撑技术。利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷、音圈电机等可以实现精密驱动。近年来，随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中。在纳米级变形的检测上，目前主要通过光学三角法、干涉法、电容式检测等手段实现。而在微载荷的检测上，主要利用敏感元件将载荷力转换为弹性元件的微变形，进而通过对变形量或由变形引起的电容（或应变）变化量进行检测得到加载力。

有不少研究采用压痕技术来确定材料的力学性能，国外相关研究者设计的压痕装置， 如Bangert和Wagendristel设计的压痕装置，该装置可以放于扫描电镜真空腔内，但他们并没有进行实际压痕过程的原位监测，实际上，他们设计的仪器是为了克服种种限制因素，如定位精度以及对微小载荷 (50μN–20mN)下压痕痕迹的检测问题。其主要缺陷在于缺少载荷和位移传感器，所以无法得到材料的力学机械性能与微观组织演变的关系；美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的M.A.Wall等人率先研制的一种通过齿轮马达和压电元件实现精密驱动的原位纳米压痕装置，其主要缺陷是由于不能检测加载力导致无法测试材料力学参数，不能研究载荷作用对材料变形损伤的影响规律；A.M.Minor等的装置通过施加在压电元件上的电压与其变形量关系经换算得到加载力，造成测试复杂、离线操作环节过多，还存在加载力换算的模型误差和参数误差，影响了测试结果在量值上的可信性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密纳米压痕测试装置，并且在扫描电镜（SEM）下进行压痕试验，获取材料的力学性能参数，通过原位监测对载荷作用下材料的变形损伤，研究其变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，解决了装置结构复杂、总体尺寸大而不易实现在线检测的问题，并且解决了现有的对材料机械性能测量和检测微观形貌是相互独立且分离的问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

精密纳米压痕测试装置，包括精密压入驱动单元、载荷信号检测单元和位移信号的检测单元；所述精密压入驱动单元包括音圈电机14、连接件13、连接板1、导轨7及滑块8，该音圈电机14、导轨7分别固定在底座6上，连接件13与音圈电机14相连接，该连接件13通过螺栓与连接板1相连接，连接板1连接在滑块8上，该滑块8与导轨7滑动连接；通过音圈电机14驱动连接板1，从而实现滑块8在导轨7上直线运动；

所述载荷信号检测单元包括金刚石压头2、载物台3、精密力学传感器4及侧板Ⅰ5，该精密力学传感器4通过侧板Ⅰ5固定在底座6上，载物台3与精密力学传感器4连接，金刚石压头2固定在连接板1上；

所述位移信号检测单元包括侧板Ⅱ11及光栅传感器的光栅尺12和读数头10，该读数头10通过螺栓与侧板Ⅱ11连接，该侧板Ⅱ11固定在底座6上；光栅尺12通过连接片9与连接件13粘接，音圈电机14驱动从而带动连接件13直线移动，实现了光栅尺12移动。

所述的侧板Ⅱ11结构为L型，所以便于调节读数头10与光栅尺12的相对位置和平行度。

所述的精密纳米压痕测试装置的材质为铝合金。