具有真空防護性的變溫微納米壓痕測試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光機電一體化精密科學(xué)儀器領(lǐng)域，特別涉及一種具有真空防護性的變溫微納米壓痕測試系統(tǒng)。在鋼鐵冶金、有色金屬、半導(dǎo)體技術(shù)、先進材料與材料科學(xué)、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景，并將豐富現(xiàn)有材料微觀力學(xué)性能測試的技術(shù)體系。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的金屬材料，其力學(xué)性能通常會隨外界溫度場和應(yīng)力場復(fù)雜作用發(fā)生改變，特別是近年來隨著航空航天、國防軍事、信息通訊、光電子和納米工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)界對于結(jié)構(gòu)材料和功能材料的性能要求日益嚴(yán)苛，如熱障涂層，高溫合金高溫玻璃等材料的的機熱耦合特性等。針對此類材料的力學(xué)性能測試，傳統(tǒng)測試技術(shù)在測試條件，測試能力方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實的需求。對于材料在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能的研究，擴大了納米壓痕測試技術(shù)的應(yīng)用范圍，很大程度上指導(dǎo)了此類材料的研制與生產(chǎn)。
[0003]目前，國內(nèi)外對材料力學(xué)性能原位測試的研究還處于開發(fā)探索階段，但是由于發(fā)達國家的起步較早，研究相對比較深入，領(lǐng)先于國內(nèi)該領(lǐng)域的研究。國外主流的商業(yè)化納米壓痕儀生產(chǎn)廠家，均配備有相應(yīng)的溫度場加載模塊，如美國Hysitron公司的Triboindenter、英國MML公司的Nanotest測試系統(tǒng)等等。然而這種商業(yè)化的測試儀動輒上百萬元人民幣，許多高端技術(shù)更是對我國采取禁運禁售政策，嚴(yán)重限制了我過在材料微納米尺度力學(xué)性能測試的研究。所以，研制能在高溫條件下使用、高精度、操作簡便、低成本的微納米壓痕測試裝置依然具有廣泛的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種具有真空防護性的變溫微納米壓痕測試系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，填補國內(nèi)在變溫度場環(huán)境下材料壓痕硬度測試儀器的空白，提供真空環(huán)境，避免了在加熱過程中試件表面被氧化對測試結(jié)果的影響，為更好的研究新興高溫材料在服役條件下的彈性模量和硬度等力學(xué)性能以及蠕變機制等提供可靠手段。本實用新型采用電機驅(qū)動與壓電驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，既能保證小行程壓痕試驗時的加載精度，也滿足了特殊材料的大加載行程壓痕要求。本實用新型合理兼容溫度加載模塊與機械加載模塊，實現(xiàn)在變溫條件下對材料的壓痕測試，利用高分辨率的載荷位移檢測單元檢測測試過程中的載荷位移數(shù)據(jù)，生成載荷-壓入深度曲線，用以表征材料的力學(xué)參數(shù)。對于材料科學(xué)、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域的發(fā)展具有較為顯著的促進作用。
[0005]本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]具有真空防護性的變溫微納米壓痕測試系統(tǒng)，包括真空室系統(tǒng)、Z軸方向宏動調(diào)整機構(gòu)、Z軸大行程精密壓入驅(qū)動單元、Z軸小行程精密壓入驅(qū)動單元、位移信號檢測單元、載荷信號檢測單元、溫度加載及檢測單元和X-Y精密定位平臺，其中所述真空室系統(tǒng)48為機械加載部分提供真空氛圍，Z軸方向宏動調(diào)整機構(gòu)裝配在大理石支撐座I上；Z軸大行程精密壓入驅(qū)動單元安裝在Z軸方向宏動調(diào)整機構(gòu)上，由伺服電機II 19、蝸桿1、II 22、29、蝸輪1、II 23,28及絲杠螺母II 35組成；Z軸小行程精密壓入驅(qū)動單元裝配在Z軸大行程精密壓入驅(qū)動單元上，由壓電疊堆38帶動柔性鉸鏈37推動其下部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精密位移；位移信號檢測單元通過精密微動平臺39安裝在底板II 34上，載荷信號檢測單元串聯(lián)在柔性鉸鏈37與冷卻管46之間，溫度加載及檢測單元固定在X-Y精密定位平臺上，X-Y精密定位平臺連接在大理石基座2上。
[0007]所述的真空室系統(tǒng)48為其他加載模塊提供防護性真空氛圍，將測試裝置置于真空環(huán)境中，保證在高溫下壓頭不會因為被氧化尖端鈍化，降低使用壽命，同時也防止試樣材料表面因氧化而變質(zhì)，而發(fā)生力學(xué)性能變化，將環(huán)境中氣體抽出，同樣能夠防止熱對流的產(chǎn)生，影響實驗結(jié)果，大大提高了測試的溫度上限。
[0008]所述的Z軸方向宏動調(diào)整機構(gòu)包括伺服電機I 27、電機法蘭I 30、聯(lián)軸器I 49、絲杠支座I 53、導(dǎo)軌滑塊組I 52、絲杠螺母I 51、工作平臺I 50和底板I 54，其中，伺服電機I 27固定在電機法蘭I 30上，通過聯(lián)軸器I 49與絲杠螺母I 51相連接，帶動工作平臺
I50實現(xiàn)Z軸方向運動，所述Z軸大行程精密壓入驅(qū)動單元安裝在工作平臺I 50上，實現(xiàn)壓痕模塊的宏動調(diào)整。
[0009]所述的Z軸大行程精密壓入驅(qū)動單元包括伺服電機II 19、電機法蘭II 21、蝸桿1、II 22、29、蝸輪 1、II 23、28、蝸桿軸 26、軸承座 1、II 25、31、軸承 1、II 24、32、絲杠支座
II33、絲杠螺母II 35、導(dǎo)軌滑塊組II 20、工作平臺II 36和底板II 34，伺服電機II 19通過兩級蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，帶動絲杠螺母II 35，實現(xiàn)大減速比，帶動工作平臺II 36實現(xiàn)Z軸精密壓入驅(qū)動。
[0010]所述的Z軸小行程精密壓入驅(qū)動單元包括柔性鉸鏈37、壓電疊堆38，柔性鉸鏈37安裝在工作平臺II 36上，壓電疊堆38安裝于柔性鉸鏈37內(nèi)部的凹槽中，壓電疊堆38在電壓信號控制下輸出位移，帶動柔性鉸鏈37運動，實現(xiàn)Z軸方向上小行程精密壓入驅(qū)動。
[0011]所述的位移信號檢測單元包括位移測量臂45、位移傳感器43、位移傳感器夾持器42、連接件1、11 40、41和精密微動平臺39，其中，精密微動平臺39安裝在底板II 34上，用以調(diào)整位移傳感器43和位移測量臂45的間距。
[0012]所述的載荷信號檢測單元包括力傳感器44，其串聯(lián)在冷卻管46和柔性鉸鏈37之間，實現(xiàn)壓入載荷的檢測。
[0013]所述的溫度加載及檢測單元包括加熱臺底座15、供電線纜16、熱電偶17、加熱臺55、隔熱套56和蓋板18，實現(xiàn)溫度場加載、溫度檢測與冷卻隔熱。
[0014]所述的X-Y精密定位平臺包括伺服電機II1、IV 12、59、床頭座1、11 10、57、電機法蘭II1、IV 13、60、絲杠支座111、1￥ 14、61、聯(lián)軸器 I1、111 11、58、底板II1、IV 3、6、絲杠螺母II1、IV 5、8，導(dǎo)軌滑塊組II1、IV 4、7、工作平臺III 9，其中，伺服電機II1、IV 12,59通過螺釘連接到電機法蘭II1、IV 13,60上，進而通過床頭座1、II 10,57與底板II1、IV 3、6連接，伺服電機II1、IV 12,59通過聯(lián)軸器II JII 11,58帶動絲杠螺母II1、IV 5、8運動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線位移進給，兩部分交叉垂直布置，最終實現(xiàn)工作平臺III 9的X-Y向精密定位。
[0015]本實用新型的有益效果在于:合理集成了高溫加熱模塊與壓痕加載模塊，實現(xiàn)溫度場條件下微納米壓痕測試；并提供真空環(huán)境，避免了在加熱過程中試件表面被氧化對測試結(jié)果的影響，為更好的研究新興高溫材料在服役條件下的彈性模量和硬度等力學(xué)性能以及蠕變機制等提供可靠手段；采用電機驅(qū)動與壓電驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，既能保證小行程壓痕試驗時的加載精度，也滿足了特殊材料的大加載行程壓痕要求。本實用新型將在材料科學(xué)、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0016]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。
[0017]圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本實用新型的力熱耦合加載部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本實用新型的Z軸方向宏動調(diào)整單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本實用新型的精密壓入驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5為本實用新型的高溫加熱平臺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6為本實用新型的X-Y精密定位平臺結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:1.大理石支撐座；2.大理石基座；3.底板III ； 4.導(dǎo)軌滑塊組III ； 5.絲杠螺母III ； 6.底板IV ； 7.導(dǎo)軌滑塊組IV ； 8.絲杠螺母IV ； 9.工作平臺III ； 10.床頭座I ; 11.聯(lián)軸器II ； 12.伺服電機III; 13.電機法蘭III ; 14.絲杠支座III ; 15.加熱臺底座；16.供電線纜；17.熱電偶；18.蓋板；19.伺服電機II ； 20.導(dǎo)軌滑塊組II ；21.電機法蘭II ； 22.蝸桿I ; 23.蝸輪I ; 24.軸承I ; 25.軸承座I ; 26.蝸桿軸；27.伺服電機I ; 28.蝸輪II ； 29.蝸桿II ； 30.電機法蘭I ; 31.軸承座II ； 32.軸承II ； 33.絲杠支座II ； 34.底板II ； 35.絲杠螺母II ； 36.工作平臺II ； 37.柔性鉸鏈；38.壓電疊堆；39.精密微動平臺；40.連接件I ;41.連接件II ；42.位移傳感器夾持器；43.位移傳感器；44.力傳感器；45.位移測量臂；46