[发明专利]一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台

说明书

本发明公开了一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，包括基体、底座、样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片、螺丝。样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片从下到上依次叠放在样品台底座上，并通过四个螺丝固定，底座由螺丝固定于基体正面，具有体积小巧的特点。本发明填补了纳米压入仪中单轴力电耦合拉伸测试一维和二维微纳材料的空白，具有结构简单，性能可靠，安装简便，便于操作，应用范围广的特点，易于与其他测试方法联用实现大气压下的多场耦合测试。

技术领域

本发明涉及微纳材料弹性应变研究领域，涉及一种应用于微纳材料多场(力、电、热，光)联合表征系统的方法和装置，具体涉及一种机械加工技术和电路板制作技术的用于装载微纳材料力电耦合单轴拉伸装置的样品台。

背景技术

世界著名的材料力学界学者John J.Gilman在他所著的书：《Electronic Basisof the Strength of Materials》(剑桥大学出版社，2008)中解释了材料的理论强度(在该应力下原子间的键将自发地断裂或切换)和剧烈的电子结构变化(如半导体带隙的闭合)之间的密切关系。因为几乎材料的所有物理和化学性能都取决于电子结构，而电子结构在原子键自发断裂前一定会发生剧烈的改变，因此与无应力状态相比，当所施加的应变接近理论应变的时候，材料本身应该具有非同寻常的甚或是奇异的物理化学性质。大量的实验和理论工作已经证明，弹性应变可以使材料的很多性能得到优化，甚至发生根本性改变。微纳材料的一个显著特点是其强度的尺寸效应，当材料的尺寸减小到微纳米尺度时，其所能承受的弹性应变往往是其块体母材的50-100倍，即学术界常说的“越小越强”。为此，在大弹性应变范围内研究一维和二维微纳材料结构、电学、光学等性质(既实现多场耦合测试)具有极为重要的科学意义和巨大的潜在经济效应。

然而，由于一维和二维微纳材料与传统宏观材料相比物理尺寸极小，传统的力学加载方式在一维微纳材料的研究上不再有效。从施加的应变方式来看，材料在单轴拉伸下具有受力状态简单且可以对原子间的键有效的改变，从而更为有效地调控材料的性能。为此如何对一维和二维微纳材料有效地施加单轴拉伸应变是弹性应变工程极为关键的一个问题。

美国Hysitron公司设计研制了一种名为“Push-to-Pull(PTP)”的力电耦合单轴拉伸装置(Micro/nano-mechanical test system employing tensile test holder withPush-to-pull transformer,US 2010/0095780 Al,2010.4.22)，结合该公司的透射电子显微镜(TEM)原位样品杆可以实现对纳米材料的高精度单轴拉伸，对样品施加连续准静态应变，有效地解决了如何对一维和二维微纳材料有效地施加单轴拉伸应变的问题。但是该器件目前具有以下缺点：首先，该力电耦合单轴拉伸装置只配合TEM原位样品杆使用，使用环境局限在了高真空的TEM中。值得我们注意的是，在纳米器件的实际应用中，它们大多将在我们真实的环境中服役，即受到空气中氧气，水蒸气(是氢的重要提供者)等气氛的影响。为此定量研究气氛环境对一维和二维微纳材料性能的影响显得尤为迫切和更加具有实际的意义。而TEM原位样品杆难以实现不同气体气氛场与单轴拉伸耦合实验，尤其是在大气压下对一维和二维微纳材料多场耦合性能的表征；其次，TEM原位样品杆所能施加的应力范围十分有限，对于高弹性模量的材料所能施加的应变十分有限，往往不能达到材料的屈服强度(例如高模量的半导体材料)；第三，在TEM实现力电耦合较为容易，但是对于其他场(光，磁等)的引入由于TEM高真空的限制很难实现，设备改造成本非常高。

而纳米压入仪在具有极高的力学分辨率的同时可以在大气压下进行实验，引入其他场也较为容易，可以与TEM原位样品杆形成有效的互补。但是目前还没有可在纳米压入仪中使用的用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台。

正如上所述，纳米压入仪在具有极高的力学分辨率的同时可以在大气压下进行实验，可以与TEM原位样品杆形成有效的互补。但是目前还没有可在纳米压入仪中使用的用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，不能满足目前在微观尺度上对微纳材料弹性应变工程的研究的要求。