[发明专利]一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法有效

专利信息
申请号: 201510486892.5 申请日: 2015-08-10
公开(公告)号: CN105092387B 公开(公告)日: 2017-11-28
发明(设计)人: 胡殿印;张龙;刘辉;王荣桥;申秀丽 申请(专利权)人: 北京航空航天大学
主分类号: G01N3/18 分类号: G01N3/18
代理公司: 北京科迪生专利代理有限责任公司11251 代理人: 贾玉忠,孟卜娟
地址: 100191*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 单晶硅 尺寸 高温 力学性能 原位 拉伸 测试 系统 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于材料力学性能测试领域,特别是涉及一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法。

背景技术

单晶硅材料作为最常用的半导体材料,因其良好的微加工特性,在电子机械系统(MEMS)得到广泛应用,此前的研究较少关注单晶硅材料的力学性能,特别是高温下的力学性能。随着MEMS技术的发展,微加工工艺已经十分成熟,人们开始从事机械小型化的研究,以满足某些特殊领域的需求。例如,20世纪90年代美国国防预研局提出了微型飞行器(MAV)的概念,微型涡轮喷气发动机(MTE)作为MAV关键技术之一,以氢气为燃料,由硅基薄片叠加而成。MTE具有高温高应力的特点,准确地测量单晶硅材料高温力学性能,将有利于推广其在力学领域,特别是航空航天领域的应用。

单晶硅材料在常温下表现为脆性,其夹持方式与传统材料不同。受夹持方式的限制,目前多采用三点抗弯、压痕测试、鼓胀测试等方法测试其力学性能,这些方法与单轴拉伸测试相比存在应力分布不均的问题。拉伸测试的优点是试件上的应力是均匀的,这对于研究材料性能来说是十分的有利的。测试结果可以处理成应力-应变图,通过分析获得材料的力学性能。

此外,目前的脆性材料力学性能的测试标准中,多采用大尺寸的平板试件(长120~200mm,宽10~30mm,厚5~10mm)。然而,对于MTE的高温部件,如涡轮盘,其尺寸小(涡轮盘直径为4mm~8mm,盘厚度为0.2~0.5mm)。这时,大尺寸试件的力学性能与实际应用的小尺寸结构差异较大,因而不能将其直接用于MTE涡轮盘的疲劳强度预测。

发明内容

本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法,实现了用单轴拉伸方法测试单晶硅小尺寸试件的高温力学性能。

本发明的技术解决方案是:一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统,包括:载荷控制系统、原位试验机、专用夹具、特制试验件、温度控制系统、加热台、冷却水系统、SEM观测系统。特制试验件通过专用夹具固定于原位试验机上,原位试验机与载荷控制系统连接;加热台与温度控制系统连接,固定于原位试验机上;加热台内部的水冷通道与冷却水系统连通。

所述载荷控制系统包括计算机、原位试验机控制箱,可以根据要求设计加载程序,同时输出试验过程中的载荷、位移等信息。

所述原位试验机,用于单轴拉伸加载,可置于SEM真空室内部工作。

所述专用夹具,其材料为镍基高温合金GH2036,通过车削加工和线切割得到,用于保护特制试验件免受垂直方向的压力,同时对特制试验件试件轴向的拉力。

所述特制试验件,其材料为单晶硅,通过微加工工艺得到。

所述温度控制系统,包括提供能量的电源箱和设定温度并实施监测温度的温控箱,最高温度可加热至1200℃。

所述加热台,由加热部分和机械连接部分组成。加热部分提供高温,机械连接部分设计有水冷通道。

所述冷却水系统,包括储水箱和水泵。

所述SEM观测系统,包括计算机和扫描电镜系统,用来跟踪试件的变形细节。

本发明与现有技术相比具有以下优点:

(1)现有单晶硅材料高温力学性能的无法测试,特别是针对小尺寸试件的拉伸测试。本发明利用车削加工和线切割定制专用夹具,利用微加工工艺获取特制试验件,提出的测试系统综合利用原位试验机、SEM观测技术,通过设计专用夹具、加热冷却系统,实现了用单轴拉伸方法测试单晶硅小尺寸试件的高温力学性能。

(2)本发明的特制试验件为小尺寸,能准确评价小尺寸单晶硅材料的在实际使用中的力学性能。

(3)本发明采用拉伸测试,试件上的应力是均匀的,测试结果可以直接画成应力-应变图,通过分析可以从中得到有关材料多种性能的信息。

(4)本发明采用加热、冷却装置,测量单晶硅材料高温力学性能,结构简单,易于实现。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图;

图2为本发明的原位试验机加载示意图;

图3为本发明的特制试验件固定示意图;

图4为本发明的专用夹具;

图5为本发明的特制试验件;

图6为本发明的特制试验件某试验载荷下的应力云图。

具体实施方式

本发明是一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法,其具体实施方式如下:

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