试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置

摘要

本发明涉及材料纳米尺度力学性能测试装置，特别是涉及一种材料纳米尺度力学性能测试中的拉伸装置。主要解决了传统的微加载装置在驱动定位方面结构复杂、定位精度差、造价较高等问题。该装置主要由基座、柔性铰链、驱动元件和预紧机构组成，其特征在于所说的一个基座(9)通过多组柔性铰链(2)(4)(8)与另一个基座(13)相连，所说预紧机构装在驱动元件(10)的两端，其中一个预紧机构包括：连接在一个基座(9)一端的螺钉(1)、通过柔性铰链(7)与一个基座(9)相连的一个载物台(5)，另一个预紧机构包括：连接在另一个基座(13)一端的螺钉(16)、通过柔性铰链(12)与一个基座(13)相连的另一个载物台(11)。

权利要求

1.一种试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置，该装置主要由基座、柔性铰链、驱动元件和预紧机构组成，其特征在于所说的一个基座(9)通过多组即第一、第二和第三柔性铰链(2)(4)(8)与另一个基座(13)相连，所说预紧机构装在驱动元件(10)的两端，其中一个预紧机构包括：连接在一个基座(9)一端的螺钉(1)、通过第四柔性铰链(7)与一个基座(9)相连的一个载物台(5)，另一个预紧机构包括：连接在另一个基座(13)一端的螺钉(16)、通过第五柔性铰链(12)与另一个基座(13)相连的另一个载物台(11)；所说的第一、第二、第三和第五柔性铰链(2)(4)(8)(12)与一个基座(9)和另一个基座(13)是一个整体，第四柔性铰链(7)、一个载物台(5)与一个基座(9)是一个整体，第五柔性铰链(12)、另一个载物台(11)和另一个基座(13)是一个整体，所说的柔性铰链通过电火花线切割工艺加工而成；所说的一个载物台(5)上有用于压紧试件的螺钉(6)和垫片(3)，另一个载物台(11)上有用于压紧试件的螺钉(15)和垫片(14)；所说的驱动元件(10)采用压电叠堆。

2.根据权利要求1所述的试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置，其特征在于所说的第一至第五柔性铰链(2)(4)(7)(8)(12)为直角薄壁式结构且对称布置，对外部弯曲载荷敏感，在该载荷作用下能发生精密的弯曲变形，完成材料力学测试中的定位和加载。

3.根据权利要求1所述的试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置，其特征在于驱动元件(10)即压电叠堆的伸长推动载物台(5)随基座(9)一起沿X轴负方向移动。

说明书

技术领域

本发明涉及试件材料纳米尺度力学性能测试装置，特别是涉及一种试件材料纳米尺度力学性能测试中的拉伸装置，可应用于微纳米级超精加工、微机电系统(MEMS)、精密光学工程、生物医学工程、纳米工程、新材料新工艺、汽车制造业、航空航天等领域。

技术背景

近年来，随着微电子学、生物医学、半导体、光学、数据存储、超精密机械及其制造等学科的迅猛发展，人们对材料纳米力学性能的评价和测试方法提出了越来越高的要求。各种具有精密定位或有精密加载功能的测试系统被开发出来，用以实现材料纳米力学性能的测试需求。但传统的微加载装置在驱动定位方面结构复杂、定位精度差、造价较高的问题，无法满足微纳尺度下材料力学性能的测试评价，且无法监测测试过程中被测试件的力学性能和损伤机制。

发明内容

本发明的目的在于解决传统的微加载装置在驱动定位方面结构复杂、定位精度差、造价较高等问题，可实现微构件的单轴拉伸实验，提供了一种试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置。该装置具有定位精度高、响应迅速、性能稳定等优点，且可以通过显微镜在线监测被测试件拉伸过程发生的力学行为和损伤机制，从而更加直观的研究被测试件材料的纳米尺度的力学性能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
一种试件材料纳米尺度力学性能测试的微拉伸装置主要由基座、柔性铰链、驱动元件和预紧机构组成，所说的一个基座9通过多组柔性铰链248与另一个基座13相连，所说预紧机构装在驱动元件10的两端，其中一个预紧机构包括：连接在一个基座9一端的螺钉1、通过柔性铰链7与一个基座9相连的一个载物台5，另一个预紧机构包括：连接在另一个基座13一端的螺钉16、通过柔性铰链12与一个基座13相连的另一个载物台11。
所说的柔性铰链24812与一个基座9和另一个基座13是一个整体，柔性铰链7、一个载物台5与一个基座9是一个整体，柔性铰链12、另一个载物台11、另一个基座13是一个整体，所说的柔性铰链通过电火花线切割工艺加工而成。一个基座9由于对称柔性铰链2、4、8的作用，能够保证基座9及与其相连的载物台5沿x负向运动而不会产生y向产生偏移。
所说的一个载物台5上有用于压紧试件的螺钉6和垫片3，另一个载物台11上有用于压紧试件的螺钉15和垫片14。
所说的柔性铰链是一种直角薄壁柔性铰链，对外部弯曲载荷敏感，在该载荷作用下能发生精密的弯曲变形，完成材料力学测试中的定位和加载，参照图3。
驱动元件10的伸长推动载物台5随基座9一起沿X轴负方向移动。
由于三组柔性铰链2、4、8，与所连接的基座913是同一整体，在一个载物台5、柔性铰链7与一个基座9是一整体，通过电火花线切割方式加工而成，经过螺钉1预紧后，一个载物台5与另一个基座9相对静止，另一个载物台11与另一个基座13相对静止，在驱动元件10的推动作用下，柔性铰链2、4、8将发生微小弯曲变形，进而一个载物台5随一个基座9沿x负向精密直线运动。从而拉伸载物台5、11上的试件。由于基座9、13和一个载物台5是一整体，故无需装配，试件的装夹均在载物台上，不产生影响直线运动的因素，驱动元件10的推动作用使一个载物台5随一个基座9运动时，不产生摩擦和磨损，可大大提高定位精度和使用寿命。
通过测量基座9的位移，即可得出拉伸的长度。基座9及柔性铰链2、7、8可近似看成简支梁结构，从而利用挠度方程求出压入力。
本实用新型的积极效果是：本实用新型可大大提高加载机构的驱动精度，准确地计算出出加载力的大小，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高、精度高等优点。

附图说明

下面结合优选实施例详细说明本发明的上述目的和优点，在附图中：
图1是材料纳米力学性能测试拉伸装置的机构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3a是柔性铰链3、6、7、8、12局部视图；
图3b是柔性铰链3、6、7、8、12受力后的局部视图。
图中1、6、15、16为螺钉，2、4、7、8、12为柔性铰链，9、13为基座，5、11为载物台，10为驱动元件，3、14为垫片。

具体实施方式

参见图1、2，本发明主要由基座、柔性铰链、驱动元件和预紧机构组成，柔性铰链24812与基座913是一个整体，柔性铰链7、一个载物台5与一个基座9是一个整体，柔性铰链12、另一个载物台11、另一个基座13是一个整体，都是通过线切割加工而成。一个基座9通过多组柔性铰链248与另一个基座13相连，一个载物台5通过柔性铰链7与一个基座9相连，另一个载物台11通过柔性铰链12与另一个基座13相连。一个基座9的一端连接有螺钉1、一个载物台5和柔性铰链7组成的一个预紧机构，用来预紧驱动元件10，另一个基座13的一端连接有螺钉16、另一个载物台11和柔性铰链12组成的另一个预紧机构，用来预紧驱动原件10。一个载物台5上有螺钉6和垫片3，另一个载物台11上有螺钉15和垫片14，用于压紧试件。驱动元件10的伸长推动一个载物台5随一个基座9一起沿X轴负方向移动。具体工作过程如下：
初始状态：驱动元件10即压电叠堆不带电，通过螺钉1、16预紧压电叠堆，将待测试件用垫片3、14压到载物台5、11上，拧紧螺钉6、15把待测试样固定。此时，压电叠堆10带电伸长，推动一个载物台5和一个基座9向x轴负向移动。通过控制电压，来控制拉伸长度。测量一个基座9的位移即载物台的位移，即可得到拉伸长度。柔性铰链2、4、8和一个基座9可以看成是一种简支梁结构，利用简支梁受力变形方程，可以求出压入力。从而可以计算出材料的力学特性。