[实用新型]一种微扭转力学性能测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种对纤维、薄膜等低维材料微扭转力学性能测试的装置，属于微尺度材料力学性能精密测量领域。

背景技术

微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统，已广泛应用于加速度传感器、惯性、压力传感器、微型喷气发动机、大规模数据存储系统和微型的生物化学分析设备等，应用领域还在不断扩大。MEMS系统的设计和选材大量采用几何特征尺寸在微米或亚微米量级的硅膜、金属薄膜以及各种纤维等低维材料。因此，对这类材料的力学行为进行准确可靠的测试，不仅对于MEMS的安全性和可靠性至关重要，而且对于微纳米力学和材料科学的研究也有着重要的学术和应用价值。特别是近年来的大量实验表明，当金属材料非均匀塑性变形的特征长度在微米或亚微米量级时，表现出强烈的尺度效应。为了测试微纳米材料的力学性能，研究人员设计了各种微拉伸、微压痕和微弯曲实验装置。但是，对于低维材料的微扭转实验，由于面临诸如扭矩传感器的灵敏度和稳定性、转角的测量、试样的夹持和对中等问题，这方面的工作一直停滞不前，相应的实验装置也鲜有报道。

低维材料的微扭转力学性能测量作为一个新问题，目前还没有比较完善的测量方法。Sail等(M.T.A Saif and N.C MacDonald，Journal of Materials Research 13，3353(1998).)利用微加工技术将扭转试样、致动器和校准棒等耦合在一个MEMS系统内，对尺寸为1μm×1μm和1.5μm×1.5μm的矩形截面单晶硅材料进行了微扭转力学性能测试。这种方法存在的问题是驱动力的标定困难，试样的小尺寸影响测试结果，而且该装置的量程较小。Schiltges等(G.Schiltges，D.Gsell，and J.Dual，Microsystem technologies 5，22(1998).)研制的扭转装置中试样粘在夹具上，并与扭矩传感器的轴线保持一致，扭转角度的测量采用光杠杆原理，试样的拉应力由精密天平测量。通过对硅和镍试样的微扭转实验发现，该装置存在的缺陷主要有：试样的装夹和对中不方便，结构稳定性差，扭丝转角测量组件复杂，测量结果误差较大。Fleck等(N.A.Fleck et al.，Acta Metallurgica et Materialia 42，475(1994).)为了研究细铜丝微扭转过程中的尺度效应，搭建了一台细丝微扭转实验装置，该装置采用玻璃丝作为扭转弹性元件，玻璃丝的两端分别与试样和驱动装置连接，试样的扭转角通过两个指针和角度尺获得。该装置仍然存在试样的装夹和对中不方便，结构稳定性差，角度数据读取效率低下等缺点。

综上所述，微扭转实验作为观测低维材料尺度效应和扭转力学性能最为直接有效的手段，其测试方法还很不完善。因此，研制低维材料微扭转力学性能测试装置具有重要的科学意义和实用价值，也将为推动微纳米力学和微机电系统的发展做出较大贡献。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低维材料微扭转力学性能测试的装置，自动、实时、精确地测量纤维、薄膜等低维材料试样在微扭转时的扭矩-转角曲线，从而获得表征低维材料扭转力学性能的参数值；该装置具有适用范围广，灵敏度高，结构稳定，测量结果可靠的优点。

本实用新型提供的一种低维材料微扭转力学性能测试装置，其特征在于，该装置包括机架、力传感器、微扭矩传感器、扭丝转角测量组件、上夹头、下夹头、步进电机、三维平移台、丝杠螺母组件、伺服控制器、A/D采集卡和计算机系统；微扭矩传感器包括扭丝、支架、矩形框、上扭丝固定块和下扭丝固定块；扭丝张紧固定在支架上，两端分别用上扭丝固定块和下扭丝固定块压紧，矩形框悬挂固定于扭丝的中部。

微扭矩传感器的支架通过力传感器悬挂固定在机架的上端，上夹头采用扣件的方式连接在矩形框的下端，下夹头安装在步进电机的主轴上，上夹头与下夹头用于夹持试样，步进电机安放在三维平移台上，三维平移台安装在丝杠螺母组件上，丝杠螺母组件固定在机架的底部。

所述的伺服控制器与步进电机电连接；A/D采集卡用于对扭丝转角和轴向拉力的数据采集，伺服控制器和A/D采集卡均与计算机系统电连接；

扭丝转角测量组件由一维平移台、光电位移传感器和光靶组成，一维平移台安装在机架的侧面支板上，光电位移传感器安放在一维平移台上，光靶固定在矩形框和扭丝的连接处，并和扭丝保持在同一平面，并且光靶对着光电位移传感器的出光口，光电位移传感器的发射光束A打在光靶上。