一种用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置的制作方法

本发明属于材料科学技术领域，特别是涉及一种用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置。

背景技术：

在材料科学中，材料的力学性能对于材料能否为工程服务十分关键。最常见的材料力学性能指标如杨氏模量、泊松比、抗压、抗拉、抗剪强度等都反映的是材料的宏观力学特性。而实际应用中，材料的一些变形力学行为并不能通过上述指标很好的解释。另外，宏观尺度研究很少涉及对损伤的研究，以及微裂缝无法用肉眼直接观测，有的研究也是通过间接的测量手段(声发射、超声波等)反映，因此需要从细观的角度寻求解决方案。近些年来，细观力学理论的蓬勃发展和成熟为解决上述问题提供了可能。但是，材料的力学特性受环境温度和湿度的影响较大，因此材料的力学表征试验一般需要施加耦合场；然而，常规的耦合场试验装置一般只对应宏观尺度，不能观测材料在加载过程中微结构的变化。此外，现有的观测材料微结构的手段如光学显微镜、扫描电镜、ct等一般对观测条件要求苛刻，很难实现耦合场的加载。

综上可知，在材料的力学性能测试中考虑微结构的变化是十分关键和必要的，然而目前对于在温度-湿度-应力耦合场(尤其是双轴应力)作用下耦合材料力学特性的细观尺度实验装置十分欠缺，这就迫切需要发明一种新的加载装置来解决这一问题。

有鉴于此，本发明人根据从事本领域和相关领域的生产设计经验，研制出一种用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，以期解决现有技术存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，用于温度-湿度-应力三场耦合场作用下材料力学细观特性的观测，以克服现有技术的缺陷。

为此，本发明提出一种用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其包括：

双轴力学加载主机，其由一前侧壁、一后侧壁、一左侧壁、一右侧壁以及一底座围合而成，所述底座的中间处设置有一冷却台，以供放置试件；

两基座，分别水平安装于所述左侧壁及所述后侧壁上，所述基座的内端上连接有一固定压头；

两所述伺服电机控制加载系统，所述伺服电机控制系统包括一轴承、一滚珠丝杠、一减速机以及一驱动所述减速机工作的驱动单元，所述滚珠丝杠的内端与所述轴承的外端相连接，其外端与所述减速机的输出端相连接，所述轴承的内端与一力传感器的外端相连接，所述滚珠丝杠上嵌设有一光栅传感器，其中，两所述滚珠丝杠对应穿设于所述右侧壁及所述前侧壁；

其中，所述力传感器的内端连接有一移动压头，当所述冷却台上放置所述试件时，各所述固定压头及各所述移动压头能对应与所述试件的侧面相接。

如上所述的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其中，所述固定压头及所述移动压头与所述试件之间分别设置有一玻璃陶瓷垫板。

如上所述的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其中，所述冷却台上设置有一铜片垫层，所述试件的底面固定于所述铜片垫层上，所述试件的顶面覆盖有一铜片，所述铜片设有一中心孔。

如上所述的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其中，所述固定压头及所述移动压头分别为梯形压头，所述减速机为一蜗轮蜗杆减速机。

如上所述的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其中，所述驱动单元包括有一伺服加载电机、一加载伺服控制器、一测量控制器以及一计算机，所述加载伺服电机的输出端与所述减速机的输入端相连接，其与所述加载伺服控制器电连接，所述测量控制器与所述力传感器、所述光栅传感器、所述加载伺服控制器以及所述计算机电连接。

如上所述的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其中，所述双轴力学加载主机放置于一环境扫描电镜的内腔中，所述加载伺服控制器、所述测量控制器以及所述计算机位于所述环境扫描电镜之外。

如上所述的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其中，所述环境扫描电镜是型号为feiquanta650型环境扫描电镜。

与现有技术相比，本发明提供的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，是一种基于双轴应力-温度-湿度耦合场作用下材料力学特性的细观尺度实验装置，通过冷却台控制试件的温度，通过环境扫描电镜控制试件周围的水蒸汽压，实现试件温度和相对湿度(为温度及水蒸汽压的函数)的控制，从而研究材料在饱水状态下的力学特性；

本发明在对试件加载载荷的过程中实时观测材料微结构的变化，对于不同加载阶段的环境扫描电镜图片进行数字图像相关技术分析，计算得到应变场，并通过应变场测量定量分析材料在耦合场作用下的变形、损伤及破坏过程中微结构的变化和微裂纹的发生与扩展过程，为相应的研究提供了条件。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为本发明的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置的俯视图。

图2为沿图1中a向的侧视图。

图3为本发明中测量控制器与其它部件之间的电连接关系示意图。

主要元件标号说明：

1双轴力学加载主机11前侧壁

12后侧壁13左侧壁

14右侧壁16底座

17冷却台171铜片垫层

2基座21固定压头

3伺服电机控制加载系统31轴承

32滚珠丝杠33减速机

34伺服加载电机35加载伺服控制器

36测量控制器37计算机

4力传感器41移动压头

5光栅传感器

6试件61玻璃陶瓷垫板

62铜片

具体实施方式

为此，本发明提出一种用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，其包括：双轴力学加载主机，其由一前侧壁、一后侧壁、一左侧壁、一右侧壁以及一底座围合而成，所述底座的中间处设置有一冷却台，以供放置试件；两基座，分别水平安装于所述左侧壁及所述后侧壁上，所述基座的内端上连接有一固定压头；两伺服电机控制加载系统，所述伺服电机控制系统包括一轴承、一滚珠丝杠、一减速机以及一驱动所述减速机工作的驱动单元，所述滚珠丝杠的内端与所述轴承的外端相连接，其外端与所述减速机的输出端相连接，所述轴承的内端与一力传感器的外端相连接，所述滚珠丝杠上嵌设有一光栅传感器，其中，两所述滚珠丝杠对应穿设于所述右侧壁及所述前侧壁；其中，所述力传感器的内端连接有一移动压头，当所述冷却台上放置所述试件时，各所述固定压头及各所述移动压头能对应与所述试件的侧面相接。

本发明的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，用于温度-湿度-应力三场耦合场作用下材料力学细观特性的观测，以克服现有技术的缺陷。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本发明提出的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置的俯视图。图2为为沿图1中a向的侧视视图。图3为本发明中测量控制器与其它部件之间的电连接关系示意图。

如图1所示，本发明提出的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，包括：

双轴力学加载主机1，其由一前侧壁11、一后侧壁12、一左侧壁13、一右侧壁14以及一底座16围合而成，所述底座16的中间处设置有一冷却台17，以供放置试件，在使用时该冷却台17用于控制试件周围的环境温度；

两基座2，分别水平安装于所述左侧壁13及所述后侧壁12上，所述基座2的内端上连接有一固定压头21；

两伺服电机控制加载系统3，所述伺服电机控制系统3包括一轴承31、一滚珠丝杠32、一减速机33以及一驱动所述减速机33工作的驱动单元，所述滚珠丝杠32的内端与所述轴承31的外端相连接，其外端与所述减速机33的输出端相连接，所述轴承31的内端与一力传感器4的外端相连接，所述滚珠丝杠32上嵌设有一光栅传感器5，以测量所述滚珠丝杠32的位移，其中，两所述滚珠丝杠32对应穿设于所述右侧壁14及所述前侧壁11；

其中，所述力传感器4的内端连接有一移动压头41，如图1、图2所示，当所述冷却台17上放置所述试件6时，各所述固定压头21及各所述移动压头41能对应与所述试件的侧面相接。

较佳地，所述固定压头21及所述移动压头41与所述试件6之间分别设置有一玻璃陶瓷垫板61。其中，通过设置玻璃陶瓷垫板61，一方面可以减缓热传导，另一方面，由于玻璃陶瓷与岩石试件模量相近，可以防止加载过程中的刚度效应。

另外，所述冷却台17上设置有一铜片垫层171，所述试件6的底面固定于所述铜片垫层171上，所述试件6的顶面覆盖有一铜片62，所述铜片61设有一中心孔(图中未标示)。其中，所述铜片垫层171能加速冷却台17与试件之间的热传递，而所述铜片62则用于减缓试件向空气的热传递。

如图所示，所述固定压头21及所述移动压头41分别为梯形压头，所述减速机33为一蜗轮蜗杆减速机。

在优选的实施方式中，所述驱动单元包括有一伺服加载电机34、一加载伺服控制器35、一测量控制器36以及一计算机37，所述加载伺服电机34的输出端与所述减速机33的输入端相连接，其与所述加载伺服控制器35电连接，所述测量控制器36与所述力传感器4、所述光栅传感器5、所述加载伺服控制器35以及所述计算机37电连接(请一并参见图3)。在工作时，所述力传感器5以及光栅传感器9实时采集力和位移数据，并将其传送到测量控制器36以及计算机37上，测量控制器36利用反馈机制通过所述加载伺服控制器35调节所述加载伺服电机34的转速来控制加载的稳定性，计算机37用于采集和实时显示测量参数及曲线，安全可靠。其中，由于该伺服加载电机34、所述加载伺服控制器35、所述测量控制器36等均为公知技术，对其具体组成结构及工作原理在此不再赘述，图中采用的也是示意性的画法。

如图2所示，所述双轴力学加载主机1放置于一环境扫描电镜7的内腔中，所述加载伺服控制器35、所述测量控制器36以及所述计算机37位于所述环境扫描电镜7之外。在实施应用时，优选所述环境扫描电镜7是型号为feiquanta650的环境扫描电镜。

在实际工作时，是将所述环境扫描电镜7上自带的数据插座(图中未示出)与所述加载伺服电机34、所述伺服控制器35以及所述计算机37电连接,以用于数据传输，并且，利用所述环境扫描电镜7上的水蒸气产生控制系统(气体注入系统,图中未示出)，能产生水蒸汽以控制所述环境扫描电镜腔内的水蒸汽压，至于该环境扫描电镜及其数据插座、水蒸气产生控制系统，均为现有技术，对其具体组成结构及工作原理不再赘述。

本发明提出的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，在具体应用时，是先将所述试件6放置所述冷却台17上，并通过各所述固定压头21及所述移动压头41夹持定位，之后将所述双轴力学加载主机1放到所述环境扫描电镜7内的承载台上，将水蒸汽产生控制系统和加载伺服控制器35通过数据插座连接到腔室外的所述测量控制器36上，并将该环境扫描电镜7顶部的物镜71与所述铜片61的中心孔相对，具体工作过程如下：

在两所述加载伺服控制器35上设置一定的加载速率，以控制相对应的所述加载伺服电机34以一定转述带动减速机33来驱动滚珠丝杆32对所述轴承31、力传感器4以及移动压头41的串联元件施加载荷，从而对所述试件6进行双向加载，其中，各所述力传感器4以及所述光栅传感器5实时采集力和位移的数据，并传送到各自的测量控制器23以及计算机37上，各测量控制器36利用反馈机制调节相对应的加载伺服电机34的转速，从而控制加载的稳定性；当加载到某一设定荷载之后，保持荷载的同时，利用物镜71扫描试件表面的图像并保存，供后续分析使用，之后，重复上述步骤，对试件施加其它数值的荷载，并通过物镜71记录相应的图像，直到实验结束。

本发明提供的用于环境扫描电镜的材料双轴压缩加载装置，通过冷却台控制试样的温度，通过环境扫描电镜控制试样周围的水蒸汽压，从而实现试样温度和相对湿度(为温度及水蒸汽压的函数)的控制，从而研究材料在饱水状态下的力学特性；本发明可以实现在环境扫描电镜腔体内温度-湿度-应力耦合加载实验过程中实时观察材料微结构的变化。此外，本发明可对不同加载阶段的环境扫描电镜图片进行数字图像相关技术分析，计算得到应变场，并通过应变场测量定量分析材料在耦合场作用下的变形、损伤及破坏过程中微结构的变化和微裂纹的发生与扩展过程。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。