[发明专利]基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置

说明书

本发明涉及一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，属于机电一体化精密仪器领域。由精密驱动单元、信号检测及控制单元、装夹单元、连接单元及支撑单元组成，所述精密驱动单元由两组仿生压电驱动机构提供动力，信号检测及控制单元由精密光栅尺、精密压力传感器组成，装夹单元、连接单元及支撑单元包括放置被测试件的载物台、65Mn钢制压电驱动机构轨道和基座等。优点在于：驱动单元设计巧妙，装置结构紧凑，可与扫描电子显微镜等兼容，在其原位监测下进行包括原位纳米压痕、原位刻划在内的两种力学测试试验，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供了有效手段。

技术领域

本发明涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种微纳米级的高精度力学性能测试平台，特指一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，可在扫描电子显微镜下对被测试件进行微纳米压痕/刻划力学性能测试。该装置结合了压电驱动技术及原位压痕/刻划测试技术，巧妙的结构设计使整个装置体积小巧，外围规整，可在扫描电子显微镜SEM的动态实时监测下进行原位测试，可以实现对载荷/位移信号的精密采集与控制，可对材料的微观变形、损伤和破坏过程进行在线观测，为揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机制提供测试方法。

背景技术

原位纳米压痕/刻划测试( In-situnanoindentation/nanoscratching test)技术是指在纳米尺度范围内对试件材料在进行压痕/刻划测试过程中，利用高分辨率成像组件对载荷作用下材料所发生的微观变形和损伤过程进行在线全程动态监测的一种技术。通过原位监测，可以将材料试件所受的载荷与材料变形损伤状况结合起来，如镀膜剥离现象、裂纹形成与扩展、剪切带形成等都与材料所受的载荷密切有关。该技术的出现使得研究各类材料的微观力学行为、损伤机制及载荷作用与材料性能间的相关性规律成为可能，在多学科交叉领域彰显重要的科学意义和广泛的应用前景。

目前纳米压痕/刻划技术已经比较成熟，Hysitron、MTS和MicroMaterials等国外公司都已有商业化产品。我国暂时还不具备原位纳米压痕/刻划测试技术的自主知识产权，国内尚无商业化原位纳米压痕/刻划测试仪器，所用仪器严重依赖国外进口，使得我国相关领域的研究一直滞后。且现有的压痕测试与刻划测试需要分别借助商业化的纳米压痕仪和纳米刻划仪分别进行，两种方法均存在设备费用昂贵，测试方法单一，测试内容乏善可陈的问题。因此研发具有完全自主知识产权的原位纳米压痕/刻划测试装置刻不容缓，对材料相关领域的研究具有重大的理论意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仿生压电驱动原位纳米压痕/刻划测试装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种可在扫描电子显微镜高分辨率可视化动态监测下实现被测试件力学性能参数测试和变形损伤情况监测的原位压痕/刻划测试平台。本发明与传统测试方法以及纳米压痕仪和纳米刻划仪的主要区别在于，结构设计巧妙，集成压痕测试、刻划测试、原位测试手段于一体，可提供的测试内容丰富，测试仪刚度高，测试试精度高特点，可通过原位纳米压痕/刻划测试获得材料的强度和弹性模量以及材料的耐磨、抗划、粘附性等性能参数，揭示材料在纳米尺度下的力学特性，变形规律和损伤机制。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：