[发明专利]柔性基底薄膜梯度变形的力学性能原位测试辅助装置

说明书

本发明涉及材料测试技术，尤其涉及种柔性基底薄膜梯度变形的力学性能原位测试辅助装置，包括有夹持机构、梯度载荷加载机构以及精密检测单元。本发明通过曲柄滑块机构，将滑块直线移动转化为薄膜试件加载梯度载荷，分布梯度的应力应变，原子力显微镜直接观测不同应力应变下薄膜的微观结构变化，从而得到样品的宏观力学性能。本发明可复现薄膜材料受梯度载荷的工况，可原位观测梯度受力下，薄膜不同形变与基底结合力，膜基结合能，在同一测试环境下，比对不同形变，找出膜基结合临界状态，及失效时薄膜形貌变化，测量整个过程中的形变学、变形机制和力学性能，是研究新型薄膜材料在此工况下的弹性模量、内应力和结合能有力试验工具。

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，尤其涉及一种与扫描电镜、原子力显微镜、光学显微镜等设备配套使用的柔性基底薄膜梯度变形的力学性能原位测试辅助装置。

背景技术

目前，纳米复合材料、薄膜材料具有良好的机械性能好、耐磨损、耐高温等优点，已在各个领域得到了广泛应用，比如表面涂层、光学薄膜、Low-E薄膜、磁存储介质、微机电系统（MEMS）等等。如果薄膜器件在使用过程中发生脱层、开裂、鼓包等，表明器件出现了结构失效和功能损失，这在实际应用中是需要避免的。所以对薄膜力学性能的研究和抗疲劳能力的测试就显得非常重要。但由于微纳尺度材料的力学性能与宏观材料差异较大，用于分析材料的屈服强度、断裂强度、弹性模量等材料力学参数的传统宏观的拉伸试验机已不能满足微纳尺度材料尤其是薄膜材料的研究需求。而且，用传统的拉伸试验无法对薄膜材料的微观结构进行实时观察，只能运用显微技术对材料断面进行观察研究。研究薄膜材料在外力加载状态下的微观形貌变化及损伤状况对理解材料的断裂、脱层等力学行为有着重要的意义。因而，实现薄膜材料在载荷状态下的原位监测，就显得非常迫切和重要。

目前，国内外很多研究都集中在薄膜原位拉伸/压缩装置的研制。如：CN102346117公开的一种扫描电镜下微弧度级精度原位扭转材料力学性能测试装置，电机通过蜗轮蜗杆传动带动主动牙钳微转，从动牙钳装有扭矩传感器测试扭转变形引起应力应变数据。CN102359912公开了一种基于准静态加载的扫描电镜下原位拉伸/压缩材料力学测试平台，双电机驱动，实现拉伸与压缩加载后材料的微观观测。现有技术研究薄膜在拉伸状态下的形貌演化及微裂纹的产生和传播，借此推算薄膜的屈服强度、断裂强度等力学参数，并估算薄膜的抗疲劳能力和使用寿命。在压缩载荷方面，主要研究柔性衬底上弹性薄膜在单轴载荷下的褶皱或屈曲形成问题，并借此测算薄膜的弹性模量、内应力和结合能等力学参数。如CN102384875公开的显微镜下拉压弯复合载荷模式材料力学性能测试装置，通过驱动弯头侧向进给使得试件发生弯曲变形。

然而，现有的原位测试仪存在的问题有：（1）模拟工况过于简单，不能模拟如梯度载荷引起的梯度变形等；（2）原位测试仪与原子力显微镜数据相互独立，很难复现薄膜材料受载荷变形乃至失效的整个动态过程，没有实现真正意义上的原位观测；（3）机构复杂，使得显微镜观测角度不好，如CN102384875，试件变形过程观测不便等。

发明内容

针对以上问题，本发明的发明目的在于提供一种可原位测量试件梯度载荷下梯度变形的柔性基底薄膜梯度变形的力学性能原位测试辅助装置。

为达上述目的，本发明采用的方案为：一种柔性基底薄膜梯度变形的力学性能原位测试辅助装置，包括有夹持机构、梯度载荷加载机构以及精密检测单元；夹持机构由框架、左侧压片、右侧压片、连杆、销轴组成，框架为中空结构，试件两侧均连接压片，一侧的压片固定连接在框架上，另一侧的压片固定在连杆上，连杆底端铰接在框架上、头端铰接梯度载荷加载机构的连接杆；梯度载荷加载机构包括有连接杆、滑块、丝杆、精密直流伺服电机，连接杆两端分别铰接连杆和滑块，滑块与丝杆螺纹传动，丝杆由配置有减速器的精密直流伺服电机驱动，精密直流伺服电机安装在框架上；框架、连杆、连接杆、滑块构成曲柄滑块机构；精密检测单元包括有光电编码器、位移传感器、采集卡及PC机，光电编码器与精密直流伺服电机同轴相连，位移传感器安装在框架上采集滑块位移量；光电编码器、位移传感器经过采集卡采集数据传输给PC机处理，PC机与显微镜主机通讯。