[实用新型]一种原位拉伸装置

说明书

本实用新型涉及纳米材料力学性能与显微结构原位表征技术领域，提供一种原位拉伸装置，包括MEMS力学芯片和设置在MEMS力学芯片上的第一搭载侧、第二搭载侧；还包括第一拉伸辅助件、第二拉伸辅助件和拉伸样品；第一拉伸辅助件连接第一搭载侧，拉伸样品的两端分别连接第二拉伸辅助件与第二搭载侧；第一拉伸辅助件与第二拉伸辅助件相嵌套成勾套结构；本实用新型结构简单、设计巧妙、操作便捷，实现了在MEMS力学芯片上直接搭载拉伸样品和用于辅助拉伸的勾套结构，以便对拉伸样品进行原位拉伸实验操作，提高了TEM原位拉伸实验的成功率和实验结果的准确性。

技术领域

本实用新型涉及纳米材料力学性能与显微结构原位表征技术领域，尤其涉及一种原位拉伸装置。

背景技术

透射电子显微镜(TEM)原位力学实验是指在透射电镜中对样品施加力、热、电、光等单一场或多场耦合的激励，从纳米、原子尺度实时观察、记录样品上同一区域的结构和性能动态演化过程，进而揭示材料在特定外场环境下结构-性能关系的研究技术。TEM原位力学实验在过去的几十年中不断发展，逐渐拓宽应用材料范围，增加加载类型，提升信号输入和采集能力，取得了突出的研究成果。针对结构材料，对其在不同温度下的力学性能及塑性变形机理的认知，是开发新材料的重要实验和理论依据。

拉伸实验是检验材料力学性能的基本方法之一，可以获得包括材料弹性极限、伸长率、弹性模量、屈服强度等性能指标，结合温度场可获得材料的高温性能。在透射电子显微镜(TEM)中对材料进行原位拉伸实验，则可以从纳米-亚埃尺度动态揭示材料变形方式和结构/成分的演化过程，直观认知微观结构影响材料宏观力学性能的机理，为新材料设计提供实验依据和理论指导。

目前，在透射电镜中对材料实现拉伸的拉伸装置主要分为两大类：

第一类拉伸装置为探针式实验仪，如布鲁克公司的PI95纳米压痕仪。该类实验仪通过精密三维移动系统驱动探针靠近样品并施加压力。为实现拉伸加载，可将探针尖端(或样品前端)加工成勾套结构，样品前端(或探针尖端)加工成锤头结构。通过三维移动系统使勾套套入锤头，然后反向驱动实现拉伸，如Kiener等人在《Source Truncation andExhaustion:Insights from Quantitative in situ TEM Tensile Testing》中使用的结构。

第二类拉伸装置为基于MEMS(微机电系统)力学芯片的加载结构，按照驱动方式不同，又分为以下三种：1、外接三维驱动系统的芯片，如Hysitron公司开发的用于探针式实验仪的Push-to-Pull芯片(专利号US201313888959)；2、外接微型一维驱动系统的芯片，如韩晓东课题组在《A MEMS Device for Quantitative in situ Mechanical Testing inElectron Microscope》中开发的定量化MEMS力学芯片外接微型压电陶瓷驱动器时可实现TEM原位拉伸；3、内置驱动系统的MEMS力学芯片，包括电热、静电、压电驱动，如Chang等人在《A microelectromechanical system for thermomechanical testing ofnanostructures》中、Garcia等人在《In-Situ Transmission Electron Microscope HighTemperature Behavior in Nanocrystalline Platinum Thin Films》中设计的芯片等。上述芯片或通过双倒钩结构实现压缩-拉伸转换，或直接实现拉伸驱动。

应用MEMS力学芯片的实验系统可以将力学传感器集成在芯片中，提供更直接、更稳定的信号采集；同时MEMS力学芯片通过结构设计可严格控制力学加载方向，提供更严格的单轴拉伸驱动力和位移；更重要地，使用内置拉伸驱动系统或外接微型驱动系统的MEMS力学芯片将驱动系统缩小至毫米尺寸，可以实现TEM样品杆的双轴倾转，将样品倾转至最佳的成像条件，从而获得更清晰的结构演化信息。因此，相对于第一类拉伸装置所述的探针式实验仪，基于MEMS力学芯片的加载结构在原位拉伸研究中具有明显的优势和重要的应用。