微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置

摘要

本发明公开了微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，它包括摆锤、工字板，在工字板顶部连接有顶板并且在其底部连接有底座，在底座上设置有具有凸壁的试件台，试件台能够在底座上移动，在试件台凸壁的端面沿竖直方向开有试件夹持槽，在凸壁上卡接有限位装置，摆锤包括摆杆，摆杆的一端与工字板转动相连并且其另一端连接有锤头，配重杆水平的穿过锤头的中心设置，在锤头两侧的配重杆上连接有配重块，在锤头的端部安装有力传感器，在安装有试件台一侧的底板的侧壁上通过支架连接有单筒显微镜，在顶板上设置有多个定位孔，在定位孔内安装有电磁铁，电磁铁与安装在顶板上的电磁触发装置相连。采用本装置可记录薄膜结构的微观破坏过程，获得力-时称曲线。

权利要求

1.微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，它包括摆锤，其特征在于：它还包括工字板，在所述的工字板顶部连接有顶板并且在其底部连接有底座，在所述的底座上设置有左右支撑板，在所述的左右支撑板上连接有两个水平设置的导轨，一个具有凸壁的试件台的两侧分别套在所述的左右支撑板之间的两个导轨上并且能够与所述的两个导轨相滑动配合，一个其上套有丝母的微调转轴的一端连接在所述的试件台的中间位置并且其另一端与所述的右支撑板相连，所述的丝母与所述的微调转轴呈螺纹配合并且丝母侧壁固定在所述的两个导轨上，在所述的试件台凸壁的端面沿竖直方向开有试件夹持槽，在所述的凸壁上卡接有限位装置，所述的左支撑板的侧壁与所述的工字板底部侧壁相连，所述的摆锤包括摆杆，所述的摆杆的一端与挂轴转动相连并且其另一端连接有锤头，一个配重杆水平的穿过所述的锤头的中心设置，在所述的锤头两侧的配重杆上对称的连接有配重块，所述的挂轴通过开在工字板上的至少一个挂轴孔与工字板上部相连，所述的锤头与所述的试件夹持槽相对设置，在所述的锤头的端部安装有压电式力传感器，在安装有试件台一侧的底板的侧壁上通过支架连接有单筒显微镜，单筒显微镜的镜头能够通过调节装置正对所述的试件，在所述的顶板上设置有多个定位孔，在所述的定位孔内安装有电磁铁，所述的电磁铁与安装在顶板上的电磁触发装置相连。

2.根据权利要求1所述的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，其特征在于：所述的调节装置包括安装在所述的支架上的左右滑轨，所述的左右滑轨的一端的端部通过连接板相连，在所述的左右滑轨上安装有通过推动装置能够与左右滑轨滑动配合的滑块，在所述的滑块顶部沿竖直方向连接有支架立轴，所述的支架立轴通过套在其上能够与其转动配合的连接块与沿水平方向设置的单筒显微镜的支架相连，所述的单筒显微镜安装在单筒显微镜的支架上。

3.根据权利要求2所述的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，其特征在于：所述的推动装置包括沿水平方向设置的推杆，所述的推杆的一端与滑块的侧壁相连并且其另一端与所述的连接板螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，其特征在于：在与所述的连接板螺纹连接的一端的推杆上安装有旋钮。

说明书

微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种摆锤式冲击装置，尤其涉及一种微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置。

背景技术

[0002] 各类薄膜在工业中有着广泛的应用，例如用于机械部件、建筑构件或是装饰品的耐氧化、防腐蚀和力学性能的改善等等。近年来，电子工业的迅猛发展、集成度的上升、集成系统功能的迅速更新，大大促进了薄膜制造技术的发展，同时也提出了更新、更高的要求。薄膜是微电子机械系统(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)中应用最为广泛的材料形态，经常被制作成MEMS器件中的微机械结构，它要求薄膜不仅有很好的电磁光性质，还能够承受机械载荷、传递力和运动。例如在复合微电子组件(薄膜、基底、封装材料)的生产过程中，由于热学与力学参量的失配，薄膜在各种成型工艺过程中的加热、冷却引起了残余应力或热差落应变，导致了薄膜的脱层或是断裂。

[0003] 目前根据薄膜与基底的材料和构型不同，主要的破坏形式有以下几种：薄膜的断裂与龟裂；薄膜与基底的脱粘和脱层；电子封装过程中引起的分离和层裂；热疲劳或应力腐蚀损伤；多层微电子结构的脱层与屈曲。上述破坏形式常常单独或复合发生，其中机械载荷作用下，薄膜的脱层和屈曲是最为常见也是最为严重的破坏形式。因此对薄膜屈曲的研究是优化MEMS器件设计，提高其寿命与可靠性的关键。

[0004] 在MEMS器件的加工过程中，由于工艺过程、表面粗糙度、残余应力、表面粘附能、几何形状、承载形式等因素的影响，即使对于同种薄膜材料而言，其力学性质往往也表现出显著的差异。例如，采用表面加工工艺制备的薄膜材料的弹性模量与其厚度有关；也有研究表明，微构件由于内部损伤的积累而导致力学性能的改变。所以近几年来人们一直借助于原子力显微镜、纳米硬度计等进行微观测试，另一方面也发展了许多微构件材料力学基本参数的专门测试方法。如弹性模量的测量就有单轴拉伸法、两轴拉伸法、弯曲法、谐振法、微结构法等等。不同的测试方法中，涉及的影响因素各有不同。如弹性模量的弯曲实验中，表面粗糙度引起的误差占主要成份，甚至超过实验误差和系统误差，但表面粗糙度对拉伸法测试的结果却影响较小。

[0005] 现有的摆锤式冲击试验机适用于材料试样或制品进行冲击试验，是用以评价材料抗冲击性能的一种测试仪器。同时，也可以对同种材料、同种规格的试样进行冲击对比试验，以鉴定材料质量的优劣。其原理：在规定的冲击条件下，选择摆锤质量(也可以选择一定冲击高度而变换摆锤质量)，释放摆锤冲击试样，测出材料冲击破坏所需的能量。试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。其测量范围为大尺度试件，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测试；测量内容主要集中在宏观试件的抗冲击性能，并未涉及试件的破坏过程的观测。

[0006] 现有的微纳米尺度薄膜材料测量，主要停留在静态测量阶段，其测量内容大多为薄膜的静态强度、薄膜硬度、杨氏模量、泊松比等材料参数，并未涉及沉积在基底上的微纳米尺度薄膜的动态冲击强度。现有的摆锤式试验机其测量范围为大尺度试件，其冲击载荷相对于纳米材料来说过大，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测量。现有的摆锤式冲击试验机适用于材料试样或制品进行冲击试验，是用以评价材料抗冲击性能的一种测试仪器。同时，也可以对同种材料、同种规格的试样进行冲击对比试验，以鉴定材料质量的优劣。其原理：在规定的冲击条件下，选择摆锤质量(也可以选择一定冲击高度而变换摆锤质量)，释放摆锤冲击试样，测出材料冲击破坏所需的能量。试样经冲击作用后出现用肉眼在自然光线下可见的裂纹、龟裂和破碎的现象称为破坏。摆锤冲击试验机是要用于硬质塑料、增强尼龙、玻璃钢、铸石、陶瓷、电绝缘材料等非金属材料冲击韧性的确定。其测量范围为大尺度试件，无法对微纳米尺度薄膜冲击破坏进行测试；测量内容主要集中在宏观试件的抗冲击性能，并未涉及试件的破坏过程的观测。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以测量沉积在基底上的微纳米薄膜的冲击载荷，以及观测在冲击载荷下薄膜的破坏过程并可以保证对薄膜试件冲击面载荷均匀性的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置。

[0008] 微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，它包括摆锤，它还包括工字板，在所述的工字板顶部连接有顶板并且在其底部连接有底座，在所述的底座上设置有左右支撑板，在所述的左右支撑板上连接有两个水平设置的导轨，一个具有凸壁的试件台的两侧分别套在所述的左右支撑板之间的两个导轨上并且能够与所述的两个导轨相滑动配合，一个其上套有丝母的微调转轴的一端连接在所述的试件台的中间位置并且其另一端与所述的右支撑板相连，所述的丝母与所述的微调转轴呈螺纹配合并且其侧壁固定在所述的两个导轨上，在所述的试件台凸壁的端面沿竖直方向开有试件夹持槽，在所述的凸壁上卡接有限位装置，所述的左支撑板的侧壁与所述的工字板底部侧壁相连，所述的摆锤包括摆杆，所述的摆杆的一端与挂轴转动相连并且其另一端连接有锤头，一个配重杆水平的穿过所述的锤头的中心设置，在所述的锤头两侧的配重杆上对称的连接有配重块，所述的挂轴通过开在工字板上的至少一个挂轴孔与工字板上部相连，所述的锤头与所述的试件夹持槽相对设置，在所述的锤头的端部安装有压电式力传感器，在安装有试件台一侧的底板的侧壁上通过支架连接有单筒显微镜，单筒显微镜的镜头能够通过调节装置正对所述的试件，在所述的顶板上设置有多个定位孔，在所述的定位孔内安装有电磁铁，所述的电磁铁与安装在顶板上的电磁触发装置相连。

[0009] 采用本发明装置的有益效果是：1.本装置可观测出微纳米尺度的破坏，结合显微观测装置可以观测出微纳米薄膜的微观结构变化，观测在冲击载荷下薄膜的破坏过程，为微纳米薄膜的冲击力学性能的研究提供重要科研依据。并可详细记录薄膜结构的微观破坏过程。2.本发明装置设有力采集装置，可全程测量在实验过程中冲击力的大小，获得力时称曲线。为对微纳米薄膜技术的冲击性能研究提供重要科研参数。冲击载荷小，适用于微纳米薄膜试件的测试。3.试件台的位置及摆锤位置可调，摆锤对称配重并且摆锤多轴定位，从而可以确保锤头与试件侧面充分接触，实现面冲击载荷并保证其均匀性。4.试件台上设计有夹持槽，有效防止冲击过程中试件的崩出，避免操作人员受伤。并可以有效降低因夹持对试件造成的损伤。5.顶板设置有一系列定位孔，定位孔内安装有电磁铁，用于固定抬起后的摆锤。触发后，摆锤自由落下，冲击试件。

附图说明

[0010] 图1是本发明的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置的结构示意图；

[0011] 图2是图1所示的装置的摆锤结构示意图；

[0012] 图3是图1所示的装置的底座结构示意图；

[0013] 图4是图1所示的装置的试件台结构示意图；

[0014] 图5是图1所示的装置的显微镜支架结构示意图。

[0015] 图6(a)是采用本发明装置冲击力为200N时对薄膜基底进行冲击实验时试件受冲击但未发生破坏时薄膜表面形貌；

[0016] 图6(b)是采用本发明装置冲击力为500牛对薄膜基底进行冲击实验时试件受冲击到临界载荷时薄膜表面形貌；

[0017] 图7(a)是试件受冲击前表面形貌；

[0018] 图7(b)是试件受冲击后40ms的薄膜表面形貌；

[0019] 图7(c)是试件受冲击后180ms的薄膜表面形貌；

[0020] 图7(d)是试件受冲击后320ms的薄膜表面形貌；

[0021] 图7(e)是试件受冲击后340ms的薄膜表面形貌；

[0022] 图7(f)是试件受冲击后980ms的薄膜表面形貌；

[0023] 图7(g)是试件受冲击后1.98′的薄膜表面形貌；

[0024] 图7(h)是试件受冲击后2.98′的薄膜表面形貌；

[0025] 图7(i)是试件受冲击后3.98′的薄膜表面形貌；

[0026] 图7(j)是试件受冲击后4.98′的薄膜表面形貌；

[0027] 图7(k)是试件受冲击后5.66′的薄膜表面形貌；

[0028] 图8是试件受冲击过程的力时程曲线。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

[0030] 如1-5图所示的本发明的微纳米薄膜试件摆锤式冲击装置，它包括摆锤3，它还包括工字板2，在所述的工字板2顶部连接有顶板1并且在其底部连接有底座4，在所述的底座4上设置有左右支撑板，在所述的左右支撑板上连接有两个水平设置的导轨4-2，一个具有凸壁的试件台5的两侧分别套在所述的左右支撑板之间的两个导轨上并且能够与所述的两个导轨相滑动配合，一个其上套有丝母的微调转轴4-3的一端连接在所述的试件台5的中间位置并且其另一端与所述的右支撑板相连，所述的丝母与所述的微调转轴呈螺纹配合并且其侧壁固定在所述的两个导轨上，在所述的试件台凸壁的端面沿竖直方向开有试件夹持槽5-1，在所述的凸壁上卡接有限位装置5-2，所述的左支撑板的侧壁与所述的工字板底部侧壁相连，所述的摆锤包括摆杆3-1，所述的摆杆3-1的一端与挂轴7转动相连并且其另一端连接有锤头3-4，一个配重杆3-2水平的穿过所述的锤头3-4的中心设置，在所述的锤头3-4两侧的配重杆3-2上对称的连接有配重块3-3，所述的挂轴通过开在工字板2上的至少一个挂轴孔与工字板上部相连，锤头的端面与所述的试件夹持槽相对设置，在所述的锤头的端部安装有压电式力传感器，在安装有试件台一侧的底板的侧壁上通过支架连接有单筒显微镜，单筒显微镜的镜头能够通过调节装置正对试件，在所述的顶板上设置有多个定位孔8，在所述的定位孔内安装有电磁铁，所述的电磁铁与安装在顶板上的电磁触发装置9相连。

[0031] 所述的调节装置可以包括安装在所述的支架上的左右滑轨，所述的左右滑轨的一端的端部通过连接板相连，在所述的左右滑轨上安装有通过推动装置能够与左右滑轨滑动配合的滑块6-3，在所述的滑块顶部沿竖直方向连接有支架立轴6-2，所述的支架立轴通过套在其上能够与其转动配合的连接块与沿水平方向设置的单筒显微镜的支架6-1相连，所述的单筒显微镜安装在单筒显微镜的支架上。

[0032] 所述的推动装置可以包括沿水平方向设置的推杆，所述的推杆的一端与滑块的侧壁相连并且其另一端与所述的连接板螺纹连接。

[0033] 在与所述的连接板螺纹连接的一端的推杆上安装有旋钮6-4。

[0034] 在图1中的顶板1：起到结构支撑的作用，以及摆锤悬挂作用。顶板上设置有定位孔8用于安装电磁铁。电磁触发装置安装在顶板上，摆锤挂轴位置改变时，电磁铁位置也可改变以适应抬起后锤头的位置。电磁触发装置9通电时使电磁铁产生磁性，可以吸住锤头，断电后磁性消失，锤头自由下落。摆锤抬起后，由顶板定位孔上的电磁铁固定住，触发后自由落下冲击试件。工字板2：支撑结构，其上设有多个摆锤挂轴孔，可在不同位置安装摆锤挂轴，实现摆锤悬挂位置的调整。摆锤3：由挂抽悬挂在两工字板间，可绕挂轴自由转动。底座4：支撑装置，安装有导轨、试件台、试件台调节装置。试件台5：试件的夹持作用，其上的试件位置可调，试件大小灵活。

[0035] 在图2中的配重杆3-1：横穿过锤头中心，其上攻丝，可实现两侧对称配重。配重块3-3：配重块每两个为一组，每组配重块其质量均经过严格标定，加工规格相同，圆盘结构，厚度均匀，圆心处加工螺孔。配重块的组与组之间的标定重量不同。配合配重杆安装在锤头两侧，实现对称配重。锤头3-4：实验过程主要由锤头冲击试件。锤头前段可安装压电式力传感器，来测量冲击载荷。

[0036] 在图3中导轨4-2：试件台可沿导轨前后移动。微调转轴4-3：通过旋转转轴，可以调整试件台的前后位置，来使试件与锤头充分接触。

[0037] 在图4中试件夹持槽5-1：将特制试件安装在夹持槽中，防止冲击时试件进出。试件为方形薄片基底，其厚度略小于夹持槽，以便于夹持安装。试件一面镀有微、纳米尺度薄膜，该镀膜面即为观测面。限位装置5-2：可上下移动，调整试件的上下位置，使试件受载面充分接触锤头。

[0038] 在图5中单筒显微镜支架6-1：可安装单筒显微镜，以便实现对试件表面破坏过程的观测。支架立轴6-2：显微镜可绕该轴进行旋转，从而调整显微镜与试件的角度。滑块6-3：可左右滑动，从而调整显微镜位置，使显微镜镜头正对试件。旋钮6-4：控制滑块的滑动。由于薄膜工作时所受的冲击载荷是平行于薄膜表面的面内冲击。所以加载面需选用侧面加载，并且对加载的面载荷的均匀性有很高的要求。

[0039] 由图6(a)和(b)实验结果可知，该结构临界载荷为500牛左右。

[0040] 图7(a)-(k)是冲击载荷下薄膜屈曲破坏过程的观测。从图7(a)-(k)几幅图片可以明显的看到，在较小的冲击力下，薄膜表面产生了圆泡状屈曲，并且靠近固支端的屈曲数量和高度明显大于冲击端。冲击后40ms到320ms之间，屈曲释放率是最快的，但在340ms时，由于锤头较大的二次冲击作用，屈曲数量又突然增多，然后随着作用力的消失，屈曲高度逐步减小直到消失。

[0041] 为了保证对薄膜试件冲击面载荷的均匀性，和及时捕捉薄膜的微观破坏过程，本装置在结构上配备多重独特设计，并可以和显微系统配套使用。

[0042] (1)实现冲击面载荷并保证其均匀性。

[0043] 面冲击载荷极其均匀性的保证，要求锤头冲击试件侧面时，锤头面必须与试件面充分接触，不允许有接触角的存在。同时，由于试件尺寸的多样性，试件的夹持方法，试件台的位置及摆锤位置必须可调，才能确保锤头与试件侧面充分接触。所以摆锤冲击装置采用以下结构来实现面冲击载荷并保证其均匀性。冲击载荷小，适用于微纳米薄膜试件的测试。

[0044] 摆锤对称配重：摆锤质量可调，摆锤两侧对称配重：使用螺杆式配重杆，在多组配重块中选取合适重量的某组配重块，并固定在摆锤两侧，起到调整摆锤质量的作用。由于选用对称配重技术，可有效保持配重后试件受载面所受冲击载荷的均匀性。

[0045] 试件台前后微调功能。底座装有微调反转轴，可控制试件台前后移动，从而确保实验中试件受载面始终平行于摆锤锤面，确保所受冲击的均匀性。

[0046] 试件高度调整功能：试件台上的限位装置高低可调，从而调整试件的高度，以适应摆锤高度，使试件受载面正对锤面，确保试件受到均匀冲击。

[0047] 摆锤多轴定位：摆锤挂抽位置可调，摆锤可更换。可针对多种尺寸的试件进行试验，并结合试件台位置的调节，来确保测试各尺寸试件时冲击载荷的均匀性。

[0048] 试件夹持功能。试件台上设计有夹持槽，有效防止冲击过程中试件的崩出，避免操作人员受伤。并可以有效降低因夹持对试件造成的损伤。

[0049] 本装置可配合单筒显微成像系统使用，以便操作者观察试件的微结构破坏。

[0050] 摆锤固定及触发功能：顶板设计有一系列定位孔，定位孔内安装电磁铁，所述的电磁铁与安装在顶板上的电磁触发装置相连，当摆锤抬起后，可使摆锤在触发后摆锤落下冲击试件。

[0051] 冲击载荷的精确测量：锤头安装压电式力传感器，可获得小冲击载荷下的力时程曲线。

[0052] (2)显微同步观测

[0053] 考虑到冲击载荷下冲击装置引起的振动，本冲击装置固连有单筒显微镜支架。该支架具有三维移动和竖向转动的功能，能对试件表面进行准确捕捉。

[0054] 单筒式显微成像系统的应用具有其局限性，如：只能竖直安装，只能沿镜筒轴向移动等。这种设计方式就限定了单筒式显微镜只能观察竖直方向且位于其中下方的样品。

[0055] 显微镜支架的设计解决了单筒式显微镜安装角度，观察范围等问题，有效的配合了试验机的使用。显微镜安装台具有以下特点：

[0056] 1)可水平安装镜筒，观察试件。

[0057] 2)可控制镜筒的三维平移以及竖向转动，有效且准确的捕捉要观察的视场。

[0058] 3)支架固定在落锤装置上。可有效降低显微镜视场中由于落锤冲击引起的振动。

[0059] 本装置的使用方法如下：

[0060] 1.锤头配重。根据试件材料和欲施加的冲击载荷，根据实验选用合适的某组配重块进行对称配重。

[0061] 2.安装试件。

[0062] 3.调整试件台前后位置，调整试件高度，使受载面与锤头充分接触。

[0063] 4.调整显微镜，使显微镜镜头正对试件。

[0064] 5.调整显微镜，直至视场内获得清晰图像。

[0065] 6.摆锤抬起后，使用电磁触发装置固定。

[0066] 7.释放锤头冲击试件，同时采集图像和载荷数据。