專利名稱：一種低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)低維導(dǎo)電材料的疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法的建立，具體為一種低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性的測(cè)試系統(tǒng)，及其被測(cè)試樣體內(nèi)裂紋萌生與擴(kuò)展信息的獲得和材料疲勞壽命的測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
低維導(dǎo)電薄膜材料在現(xiàn)今電子信息、工業(yè)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如微/ 納電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS/NEMS)中的微電子觸發(fā)開關(guān)，以及各種心血管支架用材料等。上述器件在實(shí)際服役過程中承受往復(fù)彎曲、拉伸或扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的交變疲勞載荷的作用，了解器件中導(dǎo)電薄膜材料的疲勞性能對(duì)其設(shè)計(jì)和使用壽命預(yù)測(cè)有很大的幫助。材料體內(nèi)一旦有裂紋產(chǎn)生，其自身導(dǎo)電性能必然發(fā)生變化，對(duì)該構(gòu)件的正常使用帶來隱患。因此，測(cè)試上述導(dǎo)電材料的彎曲疲勞性能與裂紋萌生與擴(kuò)展信息，對(duì)導(dǎo)電薄膜材料器件的實(shí)際應(yīng)用中的可靠性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)以及薄膜材料疲勞性能的理論研究具有重要的意義。目前，在懸臂梁彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)中，人們多采用直接測(cè)量試樣夾頭與加載端之間的電阻，由于此類疲勞實(shí)驗(yàn)方法在懸臂梁彎曲試樣與加載頭之間不可避免地因接觸縫隙的存在，而產(chǎn)生巨大的接觸電阻(千歐級(jí))，此外還會(huì)在彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的加載過程中接觸的縫隙會(huì)不斷的變化，導(dǎo)致測(cè)量電路時(shí)斷時(shí)續(xù)，給電阻測(cè)量帶來不可避免的隨機(jī)性，因此往往無法準(zhǔn)確測(cè)量試樣的電阻值及其變化情況；其他研究者采用配套CCD探頭的高倍數(shù)顯微鏡對(duì)疲勞試樣進(jìn)行直接觀察，但這類方法需要耗費(fèi)大量的人力，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能獲得被測(cè)導(dǎo)電試樣的疲勞壽命，仍然得不到被測(cè)導(dǎo)電試樣的裂紋萌生與擴(kuò)展信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種精準(zhǔn)、簡(jiǎn)單的針對(duì)微小尺寸導(dǎo)電薄膜、絲材等低維導(dǎo)電材料彎曲疲勞可靠性能測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，該測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法能表征導(dǎo)電薄膜材料疲勞及裂紋萌生與擴(kuò)展壽命，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的對(duì)導(dǎo)電薄膜材料疲勞壽命測(cè)量誤差大、無法準(zhǔn)確測(cè)量裂紋的萌生壽命等問題。基于導(dǎo)電薄膜材料實(shí)際工作過程遭受彎曲載荷作用的概率要多于遭受其它載荷，該疲勞系統(tǒng)及測(cè)試方法對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣施加與薄膜材料服役工況相一致的彎曲疲勞載荷。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)由電磁驅(qū)動(dòng)部分、疲勞加載與測(cè)量部分、檢測(cè)與記錄部分三部分組成；(1)電磁驅(qū)動(dòng)部分，包括數(shù)字函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、電磁轉(zhuǎn)換器，數(shù)字函數(shù)發(fā)生器的輸出端連接功率放大器，功率放大器的輸出端連接電磁轉(zhuǎn)換器，電磁轉(zhuǎn)換器的輸出端連接疲勞加載與測(cè)量部分的楔形槽震動(dòng)桿；(2)疲勞加載與測(cè)量部分，包括楔形槽震動(dòng)桿、被測(cè)導(dǎo)電試樣、試樣夾具、螺旋測(cè)微器和測(cè)微器探頭，試樣夾具固定在三維移動(dòng)機(jī)械架上，被測(cè)導(dǎo)電試樣通過試樣夾具固定架固定在二維平臺(tái)上，螺旋測(cè)微器及測(cè)微器探頭由其固定架固定在疲勞測(cè)試系統(tǒng)所在的二維光學(xué)平臺(tái)上，楔形槽震動(dòng)桿的一端與電磁轉(zhuǎn)換器連接，楔形槽震動(dòng)桿的另一端與螺旋測(cè)微器的測(cè)微器探頭連接，楔形槽震動(dòng)桿上開有楔形槽，被測(cè)導(dǎo)電試樣的一端固定在試樣夾具上，被測(cè)導(dǎo)電試樣的另一端伸至楔形槽中，被測(cè)導(dǎo)電試樣通過固定在試樣夾具上的電阻測(cè)量接觸片的外引線與多通路數(shù)字萬用表相連；(3)檢測(cè)與記錄部分，包括多通路數(shù)字萬用表和與多通路數(shù)字萬用表相連的PC 機(jī)；多通路數(shù)字萬用表的一端連接被測(cè)導(dǎo)電試樣，多通路數(shù)字萬用表的另一端與PC機(jī)相連。所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，利用螺旋測(cè)微器前端連接的測(cè)微器探頭的移動(dòng)來精確測(cè)量楔形槽震動(dòng)桿的振幅，量程范圍為1 μ m 4mm，測(cè)量精度為 1 μ m0所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，試樣夾具包括夾具主體、夾具上壓片、螺栓緊固件、電阻測(cè)量接觸片，被測(cè)導(dǎo)電試樣與試樣夾具通過螺栓緊固件相連接， 電阻測(cè)量接觸片直接與被測(cè)導(dǎo)電試樣相連。所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，夾具主體與夾具上壓片為不銹鋼材料加工而成，并且通體均進(jìn)行絕緣處理。所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，夾具主體的一端上表面開有臺(tái)階形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片的一端分別伸至臺(tái)階形結(jié)構(gòu)底層的兩邊，被測(cè)導(dǎo)電試樣的一端伸至臺(tái)階形結(jié)構(gòu)底層的中部；夾具上壓片壓設(shè)于被測(cè)導(dǎo)電試樣和兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片頂部，并與夾具主體的臺(tái)階形結(jié)構(gòu)接合。一種利用所述測(cè)試系統(tǒng)的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，具體步驟如下(1)預(yù)先測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電材料的單軸的拉伸性能，獲得其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(2)根據(jù)試樣原始長(zhǎng)度及所需懸臂梁長(zhǎng)度，選擇被測(cè)導(dǎo)電試樣在試樣夾具端的夾持長(zhǎng)度；(3)通過調(diào)節(jié)固定在光學(xué)平臺(tái)上的二維平臺(tái)，調(diào)整被測(cè)導(dǎo)電試樣插入楔形槽震動(dòng)桿的深度，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的跨距；(4)通過調(diào)節(jié)固定在光學(xué)平臺(tái)上的測(cè)微器與功率放大器，獲得電磁轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的振幅輸出；(5)利用預(yù)先獲得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)有限元模擬，計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)電試樣在夾持端根部相對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)變?chǔ)偶捌鋺?yīng)力σ值；(6)采用多通路數(shù)字萬用表，對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與記錄；(7)通過測(cè)量試樣的實(shí)時(shí)電阻值，計(jì)算試樣電阻變化率，獲得電阻變化率與所施疲勞載荷周次間的關(guān)系曲線，從而得出試樣的疲勞壽命與裂紋萌生及擴(kuò)展的信息。所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，測(cè)試過程中，數(shù)字函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生疲勞實(shí)驗(yàn)中所用的模擬信號(hào)疲勞加載波形，經(jīng)過功率放大器進(jìn)行功率放大，將電信號(hào)傳輸給電磁轉(zhuǎn)換器，由電磁轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)變成力學(xué)信號(hào)帶動(dòng)疲勞加載與測(cè)量部分的楔形槽震動(dòng)桿震動(dòng)；工作過程中，電磁轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)楔形槽震動(dòng)桿發(fā)生上下震動(dòng)，從而帶動(dòng)嵌入楔形槽中的被測(cè)導(dǎo)電試樣一端產(chǎn)生往復(fù)震動(dòng)；測(cè)微器探頭用于限制并測(cè)量楔形槽震動(dòng)桿的位移， 從而測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣的震動(dòng)振幅。所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，多通路數(shù)字萬用表用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值，并將信號(hào)反饋給用于數(shù)據(jù)記錄的PC機(jī)；實(shí)驗(yàn)過程中，用導(dǎo)線把與被測(cè)導(dǎo)電試樣相連的電阻測(cè)量接觸片連接到多通路數(shù)字萬用表上，實(shí)時(shí)采集被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值，及其電阻值的變化情況；利用與試樣夾具和多通路數(shù)字萬用表來精確測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣在疲勞過程中電阻的變化值，通過PC機(jī)實(shí)時(shí)采集多通路數(shù)字萬用表中的數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的自動(dòng)化采集；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻的增量達(dá)到起始電阻的30%時(shí)，定義為被測(cè)導(dǎo)電試樣的斷裂點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試樣電阻變化到無窮大時(shí)，PC機(jī)自動(dòng)停止記錄數(shù)據(jù)，并將之前的數(shù)據(jù)自動(dòng)存盤。所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，通過設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)， 使其產(chǎn)生多種疲勞加載的波形，對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣施加從拉_拉載荷到拉_壓對(duì)稱及非對(duì)稱等的任意彎曲形式的疲勞載荷。本發(fā)明低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)中，所指的低維導(dǎo)電材料可以是通過各種目前已知的方法(物理或化學(xué)等技術(shù))制備的有基體支持或無基體支持的導(dǎo)電單層或多層薄膜、箔類、二維薄板類材料或絲類導(dǎo)電材料等，各種可以使用該系統(tǒng)檢測(cè)的材料為(1)各種金屬絲材，以及外部做過絕緣處理的各種導(dǎo)電絲材，或者在絕緣絲材是外部做過導(dǎo)電處理的絲材；(2)或者是各種導(dǎo)電的金屬箔類，或是在絕緣基體材料上制備的各種導(dǎo)電材料，或者金屬多層膜材料；(3)或者是各種有壓電效應(yīng)的箔類材料，或是制備在絕緣基體材料上的各種壓電膜，或者是有壓電效應(yīng)的膜，本發(fā)明可以用來測(cè)量其壓電性能與評(píng)價(jià)其抗疲勞能力；⑷被檢測(cè)絲材的尺寸為2mm到10 μ m,薄膜狀材料總厚為2mm到10 μ m ； (5)如果被測(cè)材料的強(qiáng)度過高可以采用大的跨距。本發(fā)明中，(1)根據(jù)待測(cè)實(shí)驗(yàn)所需的跨距長(zhǎng)度，選取樣品的夾持深度與樣品進(jìn)入楔形槽的深度，控制跨距的精度為Iym; (2)鏈接夾頭與多通路萬用表，開啟函數(shù)發(fā)生器，并設(shè)置好選取的波形；(3)同步調(diào)節(jié)功率放大器與測(cè)微器探頭，使電磁轉(zhuǎn)換器的達(dá)到所需的輸出振幅；(4)開啟控制軟件開始自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，時(shí)間結(jié)束時(shí)停止實(shí)驗(yàn)；(5)通過有限元計(jì)算出實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣根部的應(yīng)變大??；(6)處理存儲(chǔ)的電阻數(shù)據(jù)，當(dāng)電阻增加到初始樣品的1.3 倍時(shí)就可判讀其已經(jīng)發(fā)生疲勞斷裂。本發(fā)明的特點(diǎn)在于1、本發(fā)明對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣施加更接近導(dǎo)電薄膜材料實(shí)際服役工況的彎曲疲勞載荷；2、對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣電阻值的測(cè)量精準(zhǔn)。本發(fā)明測(cè)試方法擺脫了先前方法由于試樣與彎曲應(yīng)變疲勞試樣夾具的接觸問題無法解決而引起的電阻值測(cè)不準(zhǔn)的弊端，通過全新設(shè)計(jì)的小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣，試樣制備簡(jiǎn)便，可以準(zhǔn)確地測(cè)量試樣電阻值及其變化；3、本發(fā)明通過調(diào)整數(shù)字函數(shù)發(fā)生器的輸出波形參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣施加任意的彎曲疲勞載荷；4、疲勞測(cè)試范圍廣。對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣施加疲勞載荷頻率為0. 01 1000Hz，施加疲勞振幅在10 μ m 3mm范圍，疲勞振幅測(cè)試精度高；5、被測(cè)導(dǎo)電試樣制備簡(jiǎn)便。對(duì)于導(dǎo)電薄膜材料或箔，將其加工成測(cè)試系統(tǒng)允許的尺寸的被測(cè)導(dǎo)電試樣尺度便可開展測(cè)試，絲材可以直接彎成U型后，再將兩端固定于夾具上，便可對(duì)試樣進(jìn)行疲勞加載實(shí)驗(yàn)；6、本發(fā)明可以同時(shí)對(duì)多組被測(cè)導(dǎo)電試樣進(jìn)行彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)。利用一臺(tái)函數(shù)發(fā)生器與多個(gè)功率放大器并聯(lián)，可以同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)器。由于每個(gè)功率放大器的功率可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，并且互相無干擾，因此可以同時(shí)做多個(gè)不同振幅的疲勞實(shí)驗(yàn)；7、本發(fā)明利用多通路數(shù)字萬用表對(duì)多組疲勞被測(cè)導(dǎo)電試樣進(jìn)行電阻的測(cè)量，再通過軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存與分析；8、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的小尺度導(dǎo)電動(dòng)態(tài)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)施測(cè)試時(shí)簡(jiǎn)單易行，整套裝置造價(jià)低廉，尤其適用于微懸臂梁類微小構(gòu)件及材料；9、本發(fā)明所測(cè)試的薄膜或絲類材料為通過各種目前已知方法(物理和化學(xué)等技術(shù))制備的有基體支持或無基體支持的導(dǎo)電單層或多層薄膜、箔類、二維薄板類材料或絲類導(dǎo)電材料等。具體描述如下(1)各種金屬絲材，以及外部做過絕緣處理的各種導(dǎo)電絲材，或者在絕緣絲材是外部做過導(dǎo)電處理的絲材；(2)或者是各種導(dǎo)電的金屬箔類，或是在絕緣基體材料上制備的各種導(dǎo)電材料，或者金屬多層膜材料；(3)或者是各種有壓電效應(yīng)的箔類材料，或是制備在絕緣基體材料上的各種壓電膜，或者是有壓電效應(yīng)的膜，本發(fā)明可以用來測(cè)量其壓電性能與評(píng)價(jià)其抗疲勞能力；(4)被檢測(cè)絲材的尺寸為2mm到10 μ m，薄膜狀材料總厚為2mm到20 μ m ； (5)如果被測(cè)材料的強(qiáng)度過高可以采用大的跨距?？傊?，本發(fā)明提供了對(duì)各種微/納電子機(jī)械系統(tǒng)用有基體支持和無基體支持的導(dǎo)電薄膜材料、集成電路用金屬、非金屬化互連體箔材料以及各種導(dǎo)電絲類材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能測(cè)試的功能和測(cè)試方法，同時(shí)可以對(duì)被測(cè)試樣電阻變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析記錄。通過記錄下的電阻可以準(zhǔn)確的得到被測(cè)導(dǎo)電試樣疲勞壽命、裂紋萌生與擴(kuò)展壽命等信息。該系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多個(gè)被測(cè)導(dǎo)電試樣進(jìn)行疲勞性能實(shí)驗(yàn)，并可同時(shí)對(duì)每個(gè)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與分析，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷。


圖1為小尺度導(dǎo)電材料動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。圖中，1數(shù)字函數(shù)發(fā)生器；2功率放大器；3電磁轉(zhuǎn)換器；4楔形槽震動(dòng)桿；5被測(cè)導(dǎo)電試樣；6試樣夾具；7多通路數(shù)字萬用表；8PC機(jī)；9螺旋測(cè)微器；10測(cè)微器探頭；11楔形槽。圖2(a)_(b)為小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣與夾具的裝配圖。其中，圖2(a)為主視圖；圖 2(b)為剖面圖。圖中，5-1小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣；6-1夾具主體；6-2夾具上壓片；6_3螺栓緊固件； 6-4電阻測(cè)量接觸片。圖3為實(shí)施例1中被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻率與加載疲勞周次間的關(guān)系曲線。如其中彎曲疲勞壽命為77600周，如局部放大圖所示，疲勞裂紋在第71800周萌生。圖4為細(xì)銅絲被測(cè)導(dǎo)電試樣與夾具的裝配圖。圖中，5-2細(xì)銅絲被測(cè)導(dǎo)電試樣；6-1夾具主體；6-2夾具上壓片；6_3螺栓緊固件； 6-4電阻測(cè)量接觸片。圖5為電阻變化率與所施疲勞載荷周次間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成(1) 電磁驅(qū)動(dòng)部分；(2)疲勞加載與測(cè)量部分；(3)檢測(cè)與記錄部分。1、電磁驅(qū)動(dòng)部分，包括數(shù)字函數(shù)發(fā)生器1、功率放大器2、電磁轉(zhuǎn)換器3等，負(fù)責(zé)疲勞實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)。數(shù)字函數(shù)發(fā)生器1的輸出端連接功率放大器2，功率放大器2的輸出端連接電磁轉(zhuǎn)換器3，電磁轉(zhuǎn)換器3的輸出端連接疲勞加載與測(cè)量部分的楔形槽震動(dòng)桿4。測(cè)試過程中，先由數(shù)字函數(shù)發(fā)生器1，產(chǎn)生疲勞實(shí)驗(yàn)中所用的模擬信號(hào)疲勞加載波形，再經(jīng)過功率放大器2進(jìn)行功率放大，將電信號(hào)傳輸給電磁轉(zhuǎn)換器3，最終由電磁轉(zhuǎn)換器3將電信號(hào)變成力學(xué)信號(hào)帶動(dòng)疲勞加載與測(cè)量部分的楔形槽震動(dòng)桿4震動(dòng)。2、疲勞加載與測(cè)量部分，包括楔形槽震動(dòng)桿4、被測(cè)導(dǎo)電試樣5、試樣夾具6、螺旋測(cè)微器9和測(cè)微器探頭10等，負(fù)責(zé)給被測(cè)導(dǎo)電試樣施加彎曲疲勞載荷，并同時(shí)測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣懸臂梁端的振幅。試樣夾具6固定在三維移動(dòng)機(jī)械架上，被測(cè)導(dǎo)電試樣5通過試樣夾具6固定架固定在高精度二維平臺(tái)上，其位移精度為1 μ m，螺旋測(cè)微器9及測(cè)微器探頭由其固定架固定在疲勞測(cè)試系統(tǒng)所在的高精度二維光學(xué)平臺(tái)上，其位移精度為1 U m，楔形槽震動(dòng)桿4的一端與電磁轉(zhuǎn)換器3連接，由電磁轉(zhuǎn)換器3帶動(dòng)，楔形槽震動(dòng)桿4的另一端與螺旋測(cè)微器9的測(cè)微器探頭10連接，楔形槽震動(dòng)桿4上開有楔形槽11，被測(cè)導(dǎo)電試樣5的一端固定在特殊設(shè)計(jì)的試樣夾具6上，被測(cè)導(dǎo)電試樣5的另一端伸至楔形槽11中，被測(cè)導(dǎo)電試樣5通過固定在試樣夾具6上的電阻測(cè)量接觸片6-4的外引線與多通路數(shù)字萬用表7相連。利用高精度螺旋測(cè)微器9前端連接的測(cè)微器探頭10的移動(dòng)來精確測(cè)量楔形槽震動(dòng)桿 4的振幅，量程范圍為1 μ m 4mm，測(cè)量精度為1 μ m。工作過程中，電磁轉(zhuǎn)換器3驅(qū)動(dòng)楔形槽震動(dòng)桿4發(fā)生上下震動(dòng)，從而帶動(dòng)嵌入楔形槽11中的被測(cè)導(dǎo)電試樣5 —端產(chǎn)生往復(fù)震動(dòng)；測(cè)微器探頭10用于限制并測(cè)量楔形槽震動(dòng)桿4的位移，從而測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣5的震動(dòng)振幅。如圖2所示，典型箔及薄膜類小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣與試樣夾具的裝配圖，通過特殊設(shè)計(jì)的小尺度導(dǎo)電試樣夾具6夾持不同形狀規(guī)格的小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1的夾持端； 實(shí)驗(yàn)用試樣夾具6由夾具主體6-1、夾具上壓片6-2、螺栓緊固件6-3、兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片 6-4組成，夾具主體6-1與夾具上壓片6-2為不銹鋼材料加工而成，并且通體進(jìn)行絕緣處理， 小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1與試樣夾具6通過螺栓緊固件6-3相連接，電阻測(cè)量接觸片6-4 直接與小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1相連。夾具主體6-1的一端上表面開有臺(tái)階形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片6-4的一端分別伸至臺(tái)階形結(jié)構(gòu)底層的兩邊，小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1的一端伸至臺(tái)階形結(jié)構(gòu)底層的中部；夾具上壓片6-2壓設(shè)于小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1和兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片6-4頂部，并與夾具主體6-1的臺(tái)階形結(jié)構(gòu)接合。如圖4所示，典型絲材類被測(cè)導(dǎo)電試樣與試樣夾具的裝配圖，通過試樣夾具6夾持不同形狀規(guī)格的細(xì)銅絲被測(cè)導(dǎo)電試樣5-2的夾持端；實(shí)驗(yàn)用試樣夾具6由夾具主體6-1、夾具上壓片6-2、螺栓緊固件6-3、兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片6-4組成，夾具主體6-1與夾具上壓片 6-2為不銹鋼材料加工而成，并且通體進(jìn)行絕緣處理，細(xì)銅絲被測(cè)導(dǎo)電試樣5-2與試樣夾具6通過螺栓緊固件6-3相連接，電阻測(cè)量接觸片6-4直接與細(xì)銅絲被測(cè)導(dǎo)電試樣5-2相連。3、檢測(cè)與記錄部分，包括多通路數(shù)字萬用表7和與之相連的PC機(jī)8。多通路數(shù)字萬用表7的一端連接被測(cè)導(dǎo)電試樣5 (如小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1或細(xì)銅絲被測(cè)導(dǎo)電試樣5-2)，多通路數(shù)字萬用表7的另一端與PC機(jī)8相連，多通路數(shù)字萬用表7用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)導(dǎo)電試樣5的電阻值，并將信號(hào)反饋給用于數(shù)據(jù)記錄的PC機(jī)8。實(shí)驗(yàn)過程中，用導(dǎo)線把與被測(cè)導(dǎo)電試樣5相連的電阻測(cè)量接觸片6-4連接到多通路數(shù)字萬用表7上，實(shí)時(shí)采集被測(cè)導(dǎo)電試樣5的電阻值，及其電阻值的變化情況。利用與試樣夾具6和多通路數(shù)字萬用表7來精確測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣5在疲勞過程中電阻的變化值， 通過PC機(jī)8實(shí)時(shí)采集多通路數(shù)字萬用表7中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的自動(dòng)化采集。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試樣5的電阻的增量達(dá)到起始電阻的30%時(shí)，定義為被測(cè)導(dǎo)電試樣5的斷裂點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試樣5電阻變化到無窮大時(shí)，PC機(jī)8自動(dòng)停止記錄數(shù)據(jù)，并將之前的數(shù)據(jù)自動(dòng)存
ο本發(fā)明所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，利用上述測(cè)試系統(tǒng)，具體步驟如下(1)預(yù)先測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電材料的單軸的拉伸性能，獲得其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
(2)根據(jù)試樣原始長(zhǎng)度及所需懸臂梁長(zhǎng)度，選擇被測(cè)導(dǎo)電試樣在試樣夾具端的夾持長(zhǎng)度；
(3)通過調(diào)節(jié)固定在光學(xué)平臺(tái)上的高精度二維平臺(tái)，調(diào)整被測(cè)導(dǎo)電試樣插入楔形槽震動(dòng)桿的深度，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的跨距；(4)通過調(diào)節(jié)固定在光學(xué)平臺(tái)上的高精度測(cè)微器與功率放大器，獲得電磁轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的振幅輸出；(5)利用預(yù)先獲得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)， 結(jié)合計(jì)算機(jī)有限元模擬，計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)電試樣在夾持端根部相對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)變?chǔ)偶捌鋺?yīng)力ο值；(6)采用多通路數(shù)字萬用表，對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與記錄；(7) 通過測(cè)量試樣的實(shí)時(shí)電阻值，計(jì)算試樣電阻變化率，獲得電阻變化率與所施疲勞載荷周次間的關(guān)系曲線，從而得出試樣的疲勞壽命與裂紋萌生及擴(kuò)展的信息。本發(fā)明用有限元模擬計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)電試樣5根部所承受的最大應(yīng)力與應(yīng)變。通過對(duì)采集到隨時(shí)間電阻變化的數(shù)據(jù)，計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)電試樣5的裂紋萌生壽命與總疲勞壽命。本發(fā)明利用多通路數(shù)字萬用表檢測(cè)并記錄小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣在整個(gè)疲勞過程中的不同的電阻值?？梢酝ㄟ^設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)，使其產(chǎn)生多種疲勞加載的波形，可以對(duì)小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣施加從拉-拉載荷到拉-壓對(duì)稱及非對(duì)稱等的任意彎曲形式的疲勞載荷。結(jié)合已有的懸臂梁彎曲疲勞測(cè)試系統(tǒng)，利用特殊設(shè)計(jì)的與異形試樣相配套的夾具。本發(fā)明被測(cè)導(dǎo)電試樣為有基底與無基底支持的各類導(dǎo)電薄膜、箔以及各種導(dǎo)電的絲材。本發(fā)明所測(cè)試的薄膜材料為通過各種物理和化學(xué)等技術(shù)制備在柔性基板上的導(dǎo)電薄膜與無支撐的導(dǎo)電箔或薄膜材料。實(shí)施例1將厚度為50 μ m的金屬鎳箔經(jīng)過機(jī)械拋光與電解拋光，被測(cè)導(dǎo)電試樣5厚度為 34 μ m，將其裁切成U型小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣5-1，并將該試樣固定在試樣夾具6上，選取懸臂梁有效長(zhǎng)度為3mm，試樣與試樣夾具6裝置的裝配圖如圖2所示。在疲勞實(shí)驗(yàn)之前利用單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲取鎳箔的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以獲得有限元模擬中的本構(gòu)關(guān)系，利用本構(gòu)關(guān)系計(jì)算出試樣根部最大應(yīng)變?yōu)?. 0921%。選取頻率為50Hz的正弦波作為施載疲勞波形，試樣振幅為2mm，采用拉壓對(duì)稱疲勞加載。由疲勞實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的試樣實(shí)時(shí)電阻值，計(jì)算出試樣電阻的相對(duì)變化率，并獲得電阻變化率與所施疲勞載荷周次間的關(guān)系曲線(如圖3所示)，從曲線可見，當(dāng)試樣電阻變化率增大為30%時(shí)，作為試樣電阻變化率發(fā)生突變，此時(shí)疲勞載荷循環(huán)周次為71800周，試樣電阻值的突然增大，表明試樣內(nèi)部萌生的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，定義為裂紋萌生壽命，當(dāng)疲勞載荷循環(huán)80000周時(shí)試樣發(fā)生疲勞斷裂，因此試樣的疲勞總壽命為80000周，疲勞裂紋的萌生壽命為第70000周。實(shí)施例2將直徑為25 μ m的拉拔純銅絲彎曲成弧形，并將其兩端固定在夾具6上，選取細(xì)絲懸臂梁長(zhǎng)度為3. 5mm，裝配圖如圖4所示。在疲勞實(shí)驗(yàn)之前利用單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲取銅絲的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以獲得有限元模擬中的本構(gòu)關(guān)系，利用本構(gòu)關(guān)系計(jì)算出試樣根部最大應(yīng)變?yōu)?. 5%。選取頻率為50Hz的正弦波作為施載疲勞波形，試樣的振幅為2mm，采用拉壓對(duì)稱疲勞加載。利用多通道數(shù)字萬用表采集疲勞實(shí)驗(yàn)過程中試樣的電阻值。由疲勞實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的試樣實(shí)時(shí)電阻值，計(jì)算出試樣電阻的相對(duì)變化率，并獲得電阻變化率與所施疲勞載荷周次間的關(guān)系曲線(如圖5所示)，由于試樣受彎曲疲勞載荷的作用，絲在被試樣夾具6夾持的根部出現(xiàn)了疲勞侵入和擠出現(xiàn)象，最終導(dǎo)致其從根部斷裂。從圖5可見，當(dāng)疲勞載荷循環(huán)周次為12500周時(shí)，試樣的電阻變化率發(fā)生突變，試樣電阻值發(fā)生突然增大，表明試樣內(nèi)部萌生的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，在88500周時(shí)試樣發(fā)生疲勞斷裂，因此試樣的疲勞總壽命為88500周，疲勞裂紋的萌生壽命為第12500周。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明通過數(shù)字函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生疲勞加載波形，再經(jīng)功率放大器放大，驅(qū)動(dòng)電磁轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)楔形槽震動(dòng)桿震動(dòng)，帶動(dòng)嵌入于楔形槽中的小尺度被測(cè)導(dǎo)電試樣產(chǎn)生震動(dòng)。試樣的另一端固定在特殊設(shè)計(jì)的夾具上，夾具與多通路數(shù)字萬用表連接，再利用PC機(jī)實(shí)時(shí)采集多通路數(shù)字萬用表測(cè)量的試樣電阻值數(shù)據(jù)。完成實(shí)驗(yàn)后，利用先前得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過有限元模擬計(jì)算獲得懸臂梁試樣夾持根部最大應(yīng)力、應(yīng)變值。最后通過記錄下的電阻變化率曲線，得到疲勞裂紋萌生壽命與試樣總疲勞壽命，從而實(shí)現(xiàn)了微尺度導(dǎo)電材料疲勞性能的測(cè)定。本發(fā)明可以更加準(zhǔn)確的確定疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)總壽命與裂紋萌生壽命，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷，且可對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)與分析。
權(quán)利要求
1.一種低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成(1)電磁驅(qū)動(dòng)部分；(2)疲勞加載與測(cè)量部分；(3)檢測(cè)與記錄部分；(1)電磁驅(qū)動(dòng)部分，包括數(shù)字函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、電磁轉(zhuǎn)換器，數(shù)字函數(shù)發(fā)生器的輸出端連接功率放大器，功率放大器的輸出端連接電磁轉(zhuǎn)換器，電磁轉(zhuǎn)換器的輸出端連接疲勞加載與測(cè)量部分的楔形槽震動(dòng)桿；(2)疲勞加載與測(cè)量部分，包括楔形槽震動(dòng)桿、被測(cè)導(dǎo)電試樣、試樣夾具、螺旋測(cè)微器和測(cè)微器探頭，試樣夾具固定在三維移動(dòng)機(jī)械架上，被測(cè)導(dǎo)電試樣通過試樣夾具固定架固定在二維平臺(tái)上，螺旋測(cè)微器及測(cè)微器探頭由其固定架固定在疲勞測(cè)試系統(tǒng)所在的二維光學(xué)平臺(tái)上，楔形槽震動(dòng)桿的一端與電磁轉(zhuǎn)換器連接，楔形槽震動(dòng)桿的另一端與螺旋測(cè)微器的測(cè)微器探頭連接，楔形槽震動(dòng)桿上開有楔形槽，被測(cè)導(dǎo)電試樣的一端固定在試樣夾具上，被測(cè)導(dǎo)電試樣的另一端伸至楔形槽中，被測(cè)導(dǎo)電試樣通過固定在試樣夾具上的電阻測(cè)量接觸片的外引線與多通路數(shù)字萬用表相連；(3)檢測(cè)與記錄部分，包括多通路數(shù)字萬用表和與多通路數(shù)字萬用表相連的PC機(jī)；多通路數(shù)字萬用表的一端連接被測(cè)導(dǎo)電試樣，多通路數(shù)字萬用表的另一端與PC機(jī)相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，利用螺旋測(cè)微器前端連接的測(cè)微器探頭的移動(dòng)來精確測(cè)量楔形槽震動(dòng)桿的振幅，量程范圍為 1 μ m 4mm，測(cè)量精度為1 μ m。
3.按照權(quán)利要求1所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，試樣夾具包括夾具主體、夾具上壓片、螺栓緊固件、電阻測(cè)量接觸片，被測(cè)導(dǎo)電試樣與試樣夾具通過螺栓緊固件相連接，電阻測(cè)量接觸片直接與被測(cè)導(dǎo)電試樣相連。
4.按照權(quán)利要求3所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，夾具主體與夾具上壓片為不銹鋼材料加工而成，并且通體均進(jìn)行絕緣處理。
5.按照權(quán)利要求3所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，夾具主體的一端上表面開有臺(tái)階形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片的一端分別伸至臺(tái)階形結(jié)構(gòu)底層的兩邊，被測(cè)導(dǎo)電試樣的一端伸至臺(tái)階形結(jié)構(gòu)底層的中部；夾具上壓片壓設(shè)于被測(cè)導(dǎo)電試樣和兩個(gè)電阻測(cè)量接觸片頂部，并與夾具主體的臺(tái)階形結(jié)構(gòu)接合。
6.一種利用權(quán)利要求1所述測(cè)試系統(tǒng)的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，其特征在于，具體步驟如下(1)預(yù)先測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電材料的單軸的拉伸性能，獲得其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(2)根據(jù)試樣原始長(zhǎng)度及所需懸臂梁長(zhǎng)度，選擇被測(cè)導(dǎo)電試樣在試樣夾具端的夾持長(zhǎng)度；(3)通過調(diào)節(jié)固定在光學(xué)平臺(tái)上的二維平臺(tái)，調(diào)整被測(cè)導(dǎo)電試樣插入楔形槽震動(dòng)桿的深度，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的跨距；(4)通過調(diào)節(jié)固定在光學(xué)平臺(tái)上的測(cè)微器與功率放大器，獲得電磁轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的振幅輸出；(5)利用預(yù)先獲得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)有限元模擬，計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)電試樣在夾持端根部相對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)變?chǔ)偶捌鋺?yīng)力σ值；(6)采用多通路數(shù)字萬用表，對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與記錄；(7)通過測(cè)量試樣的實(shí)時(shí)電阻值，計(jì)算試樣電阻變化率，獲得電阻變化率與所施疲勞載荷周次間的關(guān)系曲線，從而得出試樣的疲勞壽命與裂紋萌生及擴(kuò)展的信息。
7.按照權(quán)利要求6所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，其特征在于，測(cè)試過程中，數(shù)字函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生疲勞實(shí)驗(yàn)中所用的模擬信號(hào)疲勞加載波形，經(jīng)過功率放大器進(jìn)行功率放大，將電信號(hào)傳輸給電磁轉(zhuǎn)換器，由電磁轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)變成力學(xué)信號(hào)帶動(dòng)疲勞加載與測(cè)量部分的楔形槽震動(dòng)桿震動(dòng)；工作過程中，電磁轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)楔形槽震動(dòng)桿發(fā)生上下震動(dòng)，從而帶動(dòng)嵌入楔形槽中的被測(cè)導(dǎo)電試樣一端產(chǎn)生往復(fù)震動(dòng)；測(cè)微器探頭用于限制并測(cè)量楔形槽震動(dòng)桿的位移，從而測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣的震動(dòng)振幅。
8.按照權(quán)利要求6所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，其特征在于，多通路數(shù)字萬用表用于實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值，并將信號(hào)反饋給用于數(shù)據(jù)記錄的PC 機(jī)；實(shí)驗(yàn)過程中，用導(dǎo)線把與被測(cè)導(dǎo)電試樣相連的電阻測(cè)量接觸片連接到多通路數(shù)字萬用表上，實(shí)時(shí)采集被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值，及其電阻值的變化情況；利用與試樣夾具和多通路數(shù)字萬用表來精確測(cè)量被測(cè)導(dǎo)電試樣在疲勞過程中電阻的變化值，通過PC機(jī)實(shí)時(shí)采集多通路數(shù)字萬用表中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的自動(dòng)化采集；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻的增量達(dá)到起始電阻的30%時(shí)，定義為被測(cè)導(dǎo)電試樣的斷裂點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試樣電阻變化到無窮大時(shí)，PC機(jī)自動(dòng)停止記錄數(shù)據(jù)，并將之前的數(shù)據(jù)自動(dòng)存盤。
9.按照權(quán)利要求6所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，其特征在于，通過設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)，使其產(chǎn)生多種疲勞加載的波形，對(duì)被測(cè)導(dǎo)電試樣施加從拉_拉載荷到拉_壓對(duì)稱及非對(duì)稱等的任意彎曲形式的疲勞載荷。
10.按照權(quán)利要求6所述的低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性測(cè)試方法，其特征在于，被測(cè)導(dǎo)電試樣為有基底與無基底支持的各類導(dǎo)電薄膜、箔或各種導(dǎo)電的絲材。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)低維導(dǎo)電材料的疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法的建立，具體為一種低維導(dǎo)電材料的彎曲疲勞可靠性的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的對(duì)導(dǎo)電薄膜材料疲勞壽命測(cè)量誤差大、無法準(zhǔn)確測(cè)量裂紋的萌生壽命等問題。該測(cè)試系統(tǒng)由電磁驅(qū)動(dòng)部分、疲勞加載與測(cè)量部分以及檢測(cè)與記錄部分組成，該系統(tǒng)提供了對(duì)各種材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎曲疲勞性能測(cè)試的功能和測(cè)試方法，同時(shí)可以對(duì)被測(cè)試樣電阻變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析記錄。通過記錄下的電阻可以準(zhǔn)確的得到被測(cè)導(dǎo)電試樣疲勞壽命、裂紋萌生與擴(kuò)展壽命等信息。該系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多個(gè)被測(cè)導(dǎo)電試樣進(jìn)行疲勞性能實(shí)驗(yàn)，并可同時(shí)對(duì)每個(gè)被測(cè)導(dǎo)電試樣的電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與分析，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷。
文檔編號(hào)G01N3/60GK102364325SQ20111030275
公開日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者宋竹滿, 張廣平, 張濱, 徐進(jìn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所