專利名稱：材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及材料力學(xué)性能測試、超精密加工裝備、微機(jī)電系統(tǒng)、精密光學(xué)元件加工、 超精密機(jī)械加工設(shè)備、汽車制造業(yè)、航空航天納米科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，特別涉及納 米尺度材料力學(xué)性能和力學(xué)行為測試中的精密加載裝置，特別涉及利用掃描電子顯微鏡或透 射電子顯微鏡等儀器設(shè)備進(jìn)行納米尺度材料力學(xué)性能測試中的原位(/w&Yw)加載裝置。 技術(shù)背景
近年來，隨著微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、超精密機(jī)械及其制造等 學(xué)科的迅猛發(fā)展，人們對材料納米力學(xué)性能的評價(jià)、測試方法和力學(xué)行為的研究提出了越來 越高的要求。各類具有精密定位或精密加載功能的測試系統(tǒng)被研發(fā)出來，以便滿足材料納米 力學(xué)性能的測試需求。但傳統(tǒng)的微加載裝置在檢測加載力方面存在無法檢測或檢測精度不高 的問題，同時(shí)由于檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大且復(fù)雜，導(dǎo)致造價(jià)昂貴且裝配環(huán)節(jié)較多而影響測試精度。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于為了解決現(xiàn)有原位(/W&Y")力學(xué)性能測試系統(tǒng)中的微加載裝
置無法檢測檢測加載力或檢測精度不高以及檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴等問題，提供一種 材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置。該裝置具有加載分辨率高、響應(yīng)迅速、體積 小等優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)兩自由度精密直線的載荷輸出。由于結(jié)構(gòu)微小可以實(shí)現(xiàn)在掃描電子 顯微鏡、透射電子顯微鏡等高分辨率測試儀器上進(jìn)行力學(xué)性能測試的原位監(jiān)測，這里所謂的 原位力學(xué)性能測試指的是在測試材料力學(xué)性能的過程中，在顯微鏡下在線監(jiān)測被測試件載荷 作用下的力學(xué)行為和損傷機(jī)制。
本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下
一種材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置，主要由基座，X軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓
頭、驅(qū)動(dòng)元件和預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成，所說的壓頭9由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈6、 7、 8連接到x軸向運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)17上；所說的x軸正向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈16、 19連接到剛性基座2 上；所說的驅(qū)動(dòng)元件由相互垂直布置的壓電疊堆組成，其中的一個(gè)壓電疊堆15整體安裝于 x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17之間，另一個(gè)壓電疊堆5整體安裝于壓頭9和壓頭預(yù) 緊機(jī)構(gòu)之間，壓頭9的下方為放置被測材料的剛體11上，剛體ll通過與其連接的柔性鉸鏈 10連接在剛性基座2上。
所說的x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)由裝在壓電堆15端部的剛體12，向剛體12提供預(yù)緊力的螺釘 13和柔性鉸鏈14組成，柔性鉸鏈14既與剛體12連接又與剛性基座2連接，所說的壓頭預(yù) 緊機(jī)構(gòu)由裝在壓電堆5端部的剛體3，柔性鉸鏈4和向剛體3提供預(yù)緊力的螺釘20組成， 柔性鉸鏈4既與剛體3連接又與剛性基座2連接。所說的柔性鉸鏈16、 19具有位移放大的功能，將壓電疊堆15的輸出放大。
所說的壓電疊堆為可控面型的精密致動(dòng)元件，通過對壓電疊堆施加不同的電壓信號(hào)，可 以實(shí)現(xiàn)不同的加載方式。
所說的薄壁柔性鉸鏈與基座2，壓頭9和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17的連接方式為同一整體， 通過電火花線切割方式加工而成，在驅(qū)動(dòng)元件的推力作用下，發(fā)生微小彎曲變形，既可使壓 頭9沿y向產(chǎn)生精密直線運(yùn)動(dòng)，還可使壓頭9和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17 —起產(chǎn)生沿x向的精密 直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，壓頭9沿y向產(chǎn)生精密直線運(yùn)動(dòng)，壓頭9和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17受到壓電 疊堆的推動(dòng)而與基座2發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦和磨損。
通過測量所述的柔性鉸鏈10的變形矢量X，可應(yīng)用公式F = M間接地計(jì)算出施加力F 的大小，其中K為系統(tǒng)的剛度矩陣。
該兩自由度材料納米力學(xué)性能測試中的加載裝置采用薄壁柔性鉸鏈與基座連接，以降低 壓頭直線方向重復(fù)定位誤差，提高系統(tǒng)定位精度。
本實(shí)用新型的積極效果是本實(shí)用新型可大大提高加載機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)精度，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜合 成運(yùn)動(dòng)方式，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是納米材料力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置全剖視圖2是圖1的俯視圖3a是柔性鉸鏈14局部放大視圖3b是柔性鉸鏈14局部放大后的受力變形圖。
圖中1、 4、 6、 7、 8、 10、 14、 16、 19為薄壁柔性鉸鏈，2為基座，3、 11、 12、 18 為剛體，5、 15為壓電疊堆，9為壓頭，13、 20為螺釘，17為x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施方式

參見圖l、 2，壓頭9由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈6、 7、 8連接到x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17上；所說 的x軸正向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17有多個(gè)薄壁柔性鉸鏈16、 19連接到剛性基座2上；所說的驅(qū)動(dòng)元件 由壓電疊堆組成，其中的壓電疊堆5整體安裝于x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)12、 13、 14和x軸向運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)17之間，其中的壓電疊堆15整體安裝于壓頭9和壓頭預(yù)緊機(jī)構(gòu)3、 4、 20之間；所說 的x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)12、 13、 14由剛體12，螺釘13和柔性鉸鏈14組成；所說的壓頭預(yù)緊機(jī) 構(gòu)3、 4、 20由剛體3，柔性鉸鏈4和螺釘20組成。
具體工作過程如下-
初始狀態(tài)壓電疊堆均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，通過調(diào)整預(yù)緊機(jī)構(gòu)可以粗略地調(diào)整壓 頭9 x向和y向的位置。壓電疊堆5得電，壓電疊堆的伸長的將被測材料壓在剛體ll上， 和剛體11相連的柔性鉸鏈10產(chǎn)生一定的變形，通過測量剛體11的位移，應(yīng)用柔性鉸鏈理 論，即可求取加載力的大小，同時(shí)壓頭的位移也可以測量出來，這樣并可以求出壓入的深度， 即可以用于材料的納米壓痕試驗(yàn)。如果在壓電疊堆5得電的情況下，壓電疊堆15得電，這 樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于壓頭9加載方向的位移，這樣并可以將機(jī)構(gòu)應(yīng)用于劃痕試驗(yàn)，同樣加載力的大小可以通過測量x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移的方法間接得到，即利用公式尸=^，其中 F為廣義力向量，X為廣義位移向量，K為系統(tǒng)的剛度矩陣。
權(quán)利要求1、一種材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置，主要由基座，x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓頭、驅(qū)動(dòng)元件和預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成，其特征在于所說的壓頭(9)由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈(6、7、8)連接到x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)上；所說的x軸正向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈(16、19)連接到剛性基座(2)上；所說的驅(qū)動(dòng)元件由相互垂直布置的壓電疊堆組成，其中的一個(gè)壓電疊堆(15)整體安裝于x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)之間，另一個(gè)壓電疊堆(5)整體安裝于壓頭(9)和壓頭預(yù)緊機(jī)構(gòu)之間，壓頭(9)的下方為放置被測材料的剛體(11)上，剛體(11)通過與其連接的柔性鉸鏈(10)連接在剛性基座(2)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置，其特征在于 所說的x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)由裝在壓電堆(15)端部的剛體(12)，向剛體(12)提供預(yù)緊力的 螺釘(13)和柔性鉸鏈(14)組成，柔性鉸鏈(14)既與剛體(12)連接又與剛性基座(2) 連接，所說的壓頭預(yù)緊機(jī)構(gòu)由裝在壓電堆(5)端部的剛體(3)，柔性鉸鏈(4)和向剛體(3) 提供預(yù)緊力的螺釘(20)組成，柔性鉸鏈(4)既與剛體(3)連接又與剛性基座(2)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置，其特征在于 所說的薄壁柔性鉸鏈與基座(2)，壓頭(9)和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(17)的連接方式為同一整 體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料納米力學(xué)性能測試中的兩自由度加載裝置，其特征在于 所說的柔性鉸鏈?zhǔn)侵苯潜”谌嵝糟q鏈。
專利摘要本實(shí)用新型是涉及材料納米尺度性能測試的裝置，特別是涉及材料納米尺度力學(xué)性能測試中的微加載裝置。該裝置主要由基座，x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓頭、驅(qū)動(dòng)元件和預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成，壓頭由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈連接到x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；x軸正向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由多個(gè)薄壁柔性鉸鏈連接到剛性基座上；所說的驅(qū)動(dòng)元件由壓電疊堆組成，其中的一個(gè)壓電疊堆整體安裝于x軸向預(yù)緊機(jī)構(gòu)和x軸向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，另一個(gè)壓電疊堆整體安裝于壓頭和壓頭預(yù)緊機(jī)構(gòu)之間，壓頭的下方為放置被測材料的剛體上，剛體通過與其連接的柔性鉸鏈連接在剛性基座上。本實(shí)用新型為了解決了現(xiàn)有技術(shù)無法檢測加載力或檢測精度不高以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴等問題，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/08GK201277930SQ20082007133
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者趙宏偉 申請人:吉林大學(xué)