[发明专利]一种用于力学测试仪的拉/压头更换装置及操作方法

说明书

本发明公开了一种用于力学测试仪的拉/压头更换装置及操作方法，包括带限位滑轨的底座、双轴(X、Z)移动平台、一端有凹槽的金属薄片、手拧螺丝、压头固定压片、单轴(Z)移动平台、拆装压头工具、拆装工具限位装置、若干固定螺丝、若干炭胶以及若干弹簧；单、双轴移动平台可放置于带限位滑轨的底座内平稳移动，手拧螺丝、压头固定压片和金属薄片位于双轴移动平台上表面，拆装工具和限位装置位于单轴移动平台上表面。本发明可安全高效地完成原位定量纳米力学测试仪拉/压头的更换，极大地降低了拉/压头和力/位移传感器损坏的风险，且上手容易，操作简便。

技术领域

本发明属于原位定量纳米力学测试仪配件领域，特别涉及一种用于力学测试仪的拉/压头更换装置及操作方法。

背景技术

电子显微镜是指使用电子来显示物件的内部或表面的显微镜，一般分为透射式电子显微镜和扫描式电子显微镜。透射电子显微镜因具有超高分辨率(最高可达原子级)而被广泛应用于材料科学、生物技术等多个研究领域。原位(in-situ)透射电子显微技术是指通过对透射电子显微镜和样品杆进行改造后可在透射电子显微镜镜筒内对材料施加外部激励，例如力、热、光、电等，再通过CCD图像传感器进行实时观察和记录样品在外部刺激下形貌、结构和成分的动态变化的一种先进技术。

在众多现有的原位电镜技术中，原位力学尤其是原位定量力学是在微纳尺度材料力学行为测量及变形机制研究领域的关键性技术。原位定量力学实验可将材料的力学性能或力学加载历史与材料内部微结构和外部形貌的演变一一对应起来，为研究材料微观变形机制提供十分重要的帮助。目前常见的透射电镜及扫描电镜原位定量力学测试装置为美国Hysitron公司(现已被Bruker公司收购)生产的PI95系列样品杆和PI85-88系列测试台，所配备的拉/压头装配在具有机械控制粗调、压电陶瓷细调和力/位移传感器精调的三级控制器上,该三级控制系统可对压头的位置进行精确调控，并可对其受到的力和位移变化进行精准的测量。Hysitron公司生产的系列透射电镜样品杆和扫描电镜测试台目前已成为国际原位定量力学研究的主流工具。

当进行数次原位定量力学加载实验后，由于压头和材料的多次接触，会导致压头的形状发生改变或被样品所污染。同时，对于不同的实验需求，如对微纳米尺度材料进行压缩、拉伸或纳米压入测试等，对压头的形状也有不同的要求。压头底座宽度一般为2-4mm，但其尖端部分尺寸仅为20-30um左右，因此目前只能采用聚焦离子束(Focus Ion Beam，FIB)对压头进行修复或加工。又因为受力条件的要求，一般选择硬度较高的材料作为压头材料，如金刚石或金属钨，而FIB对硬质材料的加工存在耗时长、加工难度大等问题，并且FIB仪器机时费用一般为1000-2000元每小时，因此经过FIB技术加工出来的压头成本十分昂贵。

然而目前拆卸和重新装配该压头的方法却十分原始。以Hysitron公司研发的PI95ECR样品杆为例，更换压头的方法一般采用手持一个比压头底座略宽的金属套筒将压头底座套住，然后通过手指旋拧套筒的方式将压头从样品杆力/位移传感器前端拆卸下来。再通过另一只手的手指捏住压头底座将压头从套筒内取出从而完成整个拆卸过程。重新装载压头的方式与拆卸时相反，首先通过左右手的配合将压头塞入金属套筒内，然后手持移动金属套筒使套筒内压头底座尾部的螺孔与传感器前端对齐，手动旋转金属套筒使压头固定在传感器前端，缓慢退出金属套筒进而完成整个装配过程。采用手持方式更换压头对人手的稳定性要求极高，更换过程中很容易造成压头的损坏，并且该方法缺乏普适性。同时由于压头直接与传感器相连接，在通过手持方式对压头进行更换时，手的自然抖动极易通过压头对传感器造成伤害，而传感器作为原位定量力学测试装置的核心器件至关重要，一旦损坏，损失可达几万甚至十余万人民币。而且，一旦传感器受到损伤，返厂维修少则几个月，多至一两年，时间成本高昂。

综上所述，原有的原位定量纳米力学测试仪的拉/压头更换方式由于设计的缺陷和手持操作的不稳定性，严重影响和限制着拉/压头的日常使用与力学测试方式多样性的开发，并使得力/位移传感器的安全性存在潜在风险。

发明内容