[发明专利]一种材料介观尺度单向拉伸测量系统及方法

说明书

本发明属于材料力学性能测量领域，具体涉及一种材料介观尺度单向拉伸测量系统及方法。所述系统用于数微米至数百微米之间的微试样力学性能的测量，系统包括样品固定单元、样品对中单元、精密加载单元、载荷信号传感单元、数字图像相关应变测量单元以及操作台。所述的数字图像相关应变测量单元设置在操作台的一侧，用于对样品的正面进行图像采集，包括三维平移台、高倍远心测量镜头、CCD工业相机、高速图像采集卡以及实时数字图像相关计算模块。该系统借助精密电动平移台和高分辨率光学显微镜实现样品的准确对中；同时通过数字图像相关技术非接触测量样品标距段的实时应变，绘制应力‑应变曲线，具有体积小、结构紧凑、测试精度高等的优点。

技术领域

本发明属于材料力学性能测量领域，具体涉及一种材料介观尺度单向拉伸测量系统及方法。

背景技术

近年来，介观尺度(样品尺寸在百纳米到百微米之间)的材料力学实验变得越来越重要。一方面，这些研究有助于人们建立材料局域力学性能和微观结构的相互关系，揭示控制材料不同尺度力学行为的物理机制，从而加速新材料的设计开发和性能优化。另一方面，诸如微型医疗设备、微机电一体化系统、微型传感装置等均涉及微结构材料部件的使用；研究材料在这些尺度的力学性能是发展和安全使用微器件的前提。同时，介观尺度测试也为材料多尺度力学建模提供实验数据，加速理论模型的不断改进和优化，提高预测精度。

目前材料力学行为的研究更多集中于常规宏观和微观力学测试。常规宏观力学测试受夹具和力传感器限制，样品尺寸通常在数毫米以上。微观力学测试多利用基于镓离子源的聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)制备的压缩或拉伸样品。受该技术加工效率和加工成本的限制，测试尺度通常小于10μm，而10μm以上直至传统毫米之间的介观尺度研究相对有限。随着更高效率的微加工技术的出现，如氙等离子高速FIB和飞秒激光微加工，数十至数百微米之间的微试样制备将不再是问题，这必然促进材料更宽尺度范围内的力学行为研究。

开展材料介观尺度力学测试必须解决两个关键问题。首先是微试样的安装和对中问题。不同于常规的宏观力学测试，介观尺度测试通常利用标距宽度仅为数十或数百微米的微型试样。微试样的一端通常附着于基体以方便操作。如何便捷安装微试样并且保证样品轴线与加载驱动器、力传感器等充分对齐，以降低未对准引起的误差是开展介观尺度测试面临的难题。其次是微试样标距应变的精确测量问题。宏观测试通过粘贴电阻应变片或者采用商业化的夹持式应变引伸计测量样品变形量。受微试样的尺寸限制，这些常规方法在介观尺度测试中显然不可行。研究学者一般先测量加载驱动器或者拉伸夹头(或压缩压头)的位移，再通过机器刚度的分析修正该位移，以估算样品实际发生的应变。但这种分析方法明显增加测量的难度和不可控性，并且结果仍存在显著的误差。目前市场尚未有成熟的材料介观尺度力学性能测量系统成功解决了上述两个问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种材料介观尺度单向拉伸测量系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种材料介观尺度单向拉伸测量系统，所述系统用于数微米至数百微米之间的介观尺度力学性能的测量，系统包括样品固定单元、样品对中单元、精密加载单元、载荷信号传感单元、数字图像相关应变测量单元以及操作台；

所述的数字图像相关应变测量单元设置在操作台的一侧，用于对样品的正面进行图像采集，包括手动三维平移台、高倍远心测量镜头、CCD工业相机I、高速图像采集卡以及实时数字图像相关计算模块；通过手动三维平移台的三轴移动实现远心测量镜头的聚焦和视场选择；所述的实时数字图像相关计算模块通过CCD工业相机I实时抓取样品表面图像并利用数字图像相关算法计算出图像中事先选定特征点的亚像素位移和实时应变。