本发明涉及薄膜材料性能测试领域，特别是软基薄膜的拉伸测试。
背景技术：
近些年来，软基薄膜材料由于其制造工艺的成熟以及高柔性、高延展性等性能的优异，被广泛应用于电子、生物、航天、化工等领域中。因此，这种结构逐渐成为了学者们研究的重点。现阶段大部分相关工作都是针对膜基结构的单向受载展开的，然而在服役过程中，膜基结构往往处于更为复杂的载荷环境，简单的单轴载荷已经无法模拟其真正的应力状态。因此，在实验和测试中，引入双轴载荷能使得膜基结构的力学行为更精确地表达出来，这对于研究膜基结构的力学性能至关重要。
一台好的能模拟各种复杂载荷环境的加载设备是拉伸实验的根本。薄膜材料加载单元一般由电机、传动机构、加载转台以及控制系统组成。目前，许多学者设计并制作了大量结构巧妙的单轴加载单元，这些装置能适用于各种复杂的载荷环境以及观测环境，达到了较好的实验效果。然而，这类设备大多采用平动拉伸方案，设备作业过程中占用空间较大导致设备难于置于显微镜的载物台上，特别是将现有的加载单元组合用于双轴拉伸实验中。
较早的双轴拉伸试验机有ferron和makinde于1988年提出。他们设计了一种连杆机构，将常规的单轴拉伸试验机改装成了双轴拉伸试验机。然而装置通过八个机械连杆连接，复杂的传动机构将对设备的载荷输出以及加载精度造成较大的影响。alanhannon在2005年的关于拉伸设备的综述中提到，fraunhofe同样通过连杆机构，实验了双轴加载，然而设备尺寸巨大，在高度方向落差也很大，较难进行小范围的观测。近些年来，一些学者设计了尺寸较小的双轴加载设备，用以与精密显微镜以及各种现代微观测量技术如dic、xrd相配合。geandierg在2010年设计了一套转动式的双轴加载设备，通过四个电机控制，具有尺寸小，传动机构简单的有点。但是试件尺寸较大，实验成本较高。namazu设计了一套适用于薄膜材料拉伸的双轴加载设备，与ccd相机配合进行观测。这套设备输出载荷较大，但是这也使其尺寸较大，总体重量也较大。2015年，牛津大学材料学院研制了一套双轴原位加载设备，通过丝杠螺母传动，可以测量薄片材料的变形。但是加载设备只在一个方向上设有电机，这样加载过程就会受到机械损耗的影响，并且设备只能进行双轴等比加载。2017年，petegem为了缩小双轴加载设备的尺寸，一改传统的电机控制方式，采用了压电陶瓷驱动器作为动力输出，大大缩小了设备的重量和尺寸，同时又能保证极高的精度。但是缺点就是设备的载荷输出很小，难以应用于金属膜基结构等材料的拉伸。国内近些年来，也有一些学者设计了一些双轴加载设备，但是尺寸重量均较大。
总之，参考图1所示，现有的薄膜拉伸加载设备存在以下问题：a.平动拉伸导致设备整体尺寸过大，难以放置在显微镜的观测台上；b.已公开的转动拉伸装置的圆柱形转台尺寸大，且在固定安装试件过程中难以使固定试件的接触面保持水平，主要靠经验操作；c.试件固定后难以夹紧；d.针对弹性模量和厚度不同的待测试样，需要按需更换不同直径的转台，操作过程繁琐费时。
技术实现要素：
本发明提出了一种具有位置锁定功能的薄膜拉伸加载单元，包括基板、电机、涡轮蜗杆组件、加载转台、紧固夹片、以及转台定位件；
所述电机固定设置于所述基板上，所述涡轮蜗杆组件可旋转地固定设置于所述基板上，所述蜗杆与电极的输出轴连接并将电机所输出的转动传递给涡轮，所述涡轮的一个侧面设置有扇形槽，加载转台的竖直截面与该扇形槽的竖直截面形状相同，以便加载转台的一端可以插入到该槽中，使得涡轮可以带动加载转台同步转动，紧固夹片将待测薄膜试样固定于所述加载转台上，使得加载转台可以带动薄膜试样同步转动，以拉动薄膜试样向上、向外翻转；
所述基板上开有定位槽，所述定位件可插入该定位槽，以限制所述加载转台的轴向转动。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
图1为传统薄膜拉伸加载单元的示意图；
图2为本发明的薄膜拉伸加载单元整体示意图，其中虚线箭头所指示的方向为加载转台拉伸待测薄膜试样时的转动方向；
图3为本发明的薄膜拉伸加载单元整体示意图，其中虚线箭头所指示的方向为加载转台拉伸待测薄膜试样时的转动方向，从图中可以看出定位件的安装或设置方式；
图4为装配好的本发明的薄膜拉伸加载单元整体示意图，其中，加载转台已经插入到涡轮一侧设的扇形槽中，定位件已经插入基板上的定位槽中，此时加载转台的夹持面保持与基板平行，可以进行装夹待测薄膜试样的作业；
图5为装配好的本发明的薄膜拉伸加载单元的俯视图，其中，定位件的一个面与加载转台的竖直侧面贴合，使得所述加载转台无法旋转；
图6为设置了缓冲层13的紧固夹片6，该缓冲层12用于增加紧固夹片6与待测薄膜样品之间的摩擦力，使待测薄膜样品在加载转台5上固定的更加牢固，不容易滑脱；
图7为将加载转台的夹紧接触面设置成锯齿状以增加夹紧接触面积的示意图；
图8为具有锯齿状接触面的加载转台和紧固夹片的示意图。
在以上附图中：(1)基板、(2)电机、(3)蜗杆、(4)涡轮、(5)加载转台、(6)紧固夹片、(7)定位槽、(8)圆柱臂。
具体实施方式
如图2所示，本发明提出了一种具有位置锁定功能的薄膜拉伸加载单元，包括基板1、电机2、蜗杆3、涡轮4、加载转台5、紧固夹片6，定位件9，电机2固定设置在基板1上，电机2的输出轴与蜗杆3连接并带动蜗杆3转动，蜗杆3与涡轮4配合安装并驱动涡轮4转动；
涡轮一端可旋转地设置在基板1上，另一端开有槽，所述槽的竖直截面与加载转台5的竖直截面形状相同，加载转台5的一端可插入该槽内以使得涡轮4带动加载转台5转动，加载转台5的另一端设有圆柱臂8以使加载转台5可旋转地设置在基板1上，并保证加载转台5的轴线在转动过程中保持水平；可在所述蜗杆3、涡轮4、加载转台5的一端设置轴承和/或轴承套以保证其旋转轴线平行于所述基板1，即保证其在旋转过程中的处于平衡状态；所述基板1上开有定位槽7，所述定位件9可插入该定位槽7中，以限制所述加载转台的轴向转动。
具体而言，在加载转台5的平行于所述基板1的表面上装夹待测薄膜试件的过程中，需要在整个装夹过程中保持加载转台5水平或平行于所述基板1，而在整个装夹过程中需要对加载转台5施加载荷，以往只能通过经验或者复杂的固定结构来确保加载转台5在装夹过程中不发生转动。而根据本发明，只需要将定位件9插入到基板1上设置的定位槽7中，便可借助加载转台5的形状来限制加载转台5绕轴线的旋转。加载转台5的竖直截面为45°的扇形，相对于基板1而言，加载转台5的水平面、竖直面(即主竖直面，而非两个平行的竖直侧面，以下简称“竖直面”)、曲面、以及垂直于所述基板1的两个竖直侧面共同形成了加载转台5。图2中的虚线箭头方向为本发明的薄膜拉伸加载单元作业时的转动方向。需要说明的是，尽管实践中电机2通常采用的是具有自锁功能的步进电机，但步进电机本身有制动力矩(静态自锁力矩)往往不能满足使加载转台5在整个装夹过程中保持水平或平行于所述基板1的要求。
尽管加入了定位槽7和定位件9，但由于基板1的厚度一般不超过1cm厚，使得定位槽7的深度一般不超过8mm，为了保证定位件9能够牢固的固定在定位槽7中，可采取将定位件9插入定位槽7的部分磁化，以通过磁力吸引来增加定位槽7与定位件9之间的连接力；或者可以使定位槽7磁化亦或使得定位槽7和定位件9都异性磁化，以通过磁力吸引来增加定位槽7与定位件9之间的连接力。另一种方案是，增加定位槽7的底面积、改变定位槽的方向、改变定位件9的形状。
优选地，可以将定位槽7设置成垂直于加载转台5的转动轴线的狭长槽，其深度为1～8mm或者为基板厚度的5～90％。
另外，为减小定位件9的体积，以免影响装夹试件，加载转台5的中心转轴距离基板1的距离一般为所述45°的扇形边长的100％～120％，既保证加载转台5在转动过程中不触碰到基板1，又能最大限度地减小定位件9的体积，从而使得整个设备更加简单、可靠。其中，定位件9的主截面可以是三角形、圆形、矩形等，为了更清晰的表示，图2至5仅仅示出了矩形的例子，在该例子中，定位槽7为平行于加载转台5的旋转轴线的矩形狭长槽，实践中，有些情况下，将定位槽7设置成垂直于加载转台5的旋转轴线的矩形狭长槽可能取得更好效果
加载转台5和/或涡轮4的槽具有磁性，使得当加载转台5插入涡轮4的槽中之后固定的更牢固，即所述涡轮4对加载转台5产生轴向约束的同时还产生径向约束，以便实现快速更换加载转台5的目的。
优选的，通常通过在紧固夹片6上设置螺孔(惯用技术手段，未示出)，利用螺钉将待测薄膜试件紧紧夹持在加载转台5与紧固夹片6之间，但螺钉带来的问题是显而易见的，即容易使薄膜产生破坏，并且当螺钉过紧时容易在螺孔周围产生应力集中。为了改善螺孔附近应力的分布情况，增加加载转台5与紧固夹片6之间的夹紧力和摩擦力，本发明还提出了一种新的紧固夹片6，具体方案为：加载转台5由具有磁性的或可与磁性体相吸引的金属制成，紧固夹片6由磁钢或经过磁化的金属制成，如图6所示，紧固夹片6与加载转台5接触的表面设置有厚度为0.1～1mm厚的缓冲层13，所述缓冲层13可由橡胶或诸如pvc塑料等高分子材料通过高温喷涂或溅射制成。
优选的，所述加载转台5与紧固夹片6的接触面可以入图7所示，加载转台5的用于接触待测薄膜试样的上表面与紧固夹片6用于接触待测薄膜试样的下面表面具有相互配合的锯齿面，所述紧固夹片6与加载转台5的接触面设置成锯齿状，锯齿的三条棱边(顶边和两条底边)与加载转台的轴线平行。更优选的，这两个表面上均通过喷涂、粘贴或溅射的方式设置有0.1～1mm厚的缓冲层。所述锯齿面的锯齿均匀分布，如图8所示，加载转台5的竖直截面为45°的扇形，锯齿的倾斜角度为45°，从而最大限度的节省空间并增加薄膜试样的夹持接触面，根据实验操作，考虑到待测薄膜试样的厚度为0.01～2mm，优选将锯齿高度h设置为1～6mm。
优选的，上述加载装置还设有用于控制电机2的控制模块(未示出)，所述控制模块中可写入程序，从而控制电机2的转速、行程参数，控制其转动。实际上，上述提到的具有磁性的或可磁化的金属在制作过程中考虑到成本问题，通常采用铸铁或锰钢或磁钢。
关于所述控制模块，可采用北京微纳公司提供的wnmc400-400b型运动控制器。其通过特定的编码方式，确保了步进电机转动时的同步性与一致性。此运动控制器为四维步进控制器，可同时控制多台电机，也可以单独控制某一台电机，因此可以实现单轴拉伸，双轴拉伸，等比拉伸，双轴任意比例的不等比拉伸甚至单侧拉伸等各种工况。此控制器可通过操作面板或者是计算机软件对转脉当量、运动速度、运动距离以及信号电平等参数进行设置，并且支持程序段运动，运动间隙停顿时间可自定，满足了薄膜材料拉伸实验中的逐步加载观测的需求。此外，配套软件中还有相应的函数库，方便进行各种运动控制程序的编制。
电机2可采用28步进电机，输出扭矩为0.12n·m，最小角度分辨率为0.09°，蜗轮蜗杆组件的传动比为18，其中，蜗杆3与电机2相连或设置于所述电机2的输出轴上。
本发明采用蜗轮蜗杆机构进行简单的二次传动，达到了如下效果：蜗轮蜗杆组件具有自锁功能，在单步拉伸加载后，电机2停转时，可以保证加载转台5不会在薄膜的拉力作用下反向转动，实现了零回弹，保证了加载的可靠性；蜗轮蜗杆组件具有载荷放大功能，放大了电机2的输出载荷，保证了足够的动力；蜗轮蜗杆组件将待测薄膜位于较高的水平位置，给显微镜头的下探观察提供了极大便利；蜗轮蜗杆组件使处于设备边缘的加载轴向内移动，有效减小了夹持区以及试件的尺寸，提高了实验的可靠性以及经济性。
实际使用过程中，通常将本发明所提出的薄膜测试加载单元中心对称、首尾垂直相接地设置，围成用于容置待测薄膜的“口”字形空间，从而使得4个所述加载转台5可以在水平方向上实现四个不同水平方向的两两相对的运动，以实现对待测薄膜的双轴拉伸加载。为了实现加载和观测的同步进行，可以在待测薄膜上方设置诸如ccd、cmos等观测器件，以捕捉拍摄待测薄膜在拉伸过程中的变化，并通过dic原理得到待测薄膜的物理参数变化。
观察测量系统为本设备的外部配套系统。本发明所提出的加载单元及其组合可以放置在olympus共聚焦显微镜的载物台上，使用显微镜实时、原位观测薄膜表面形貌，同时下方和/或上方放置摄像头，测量薄膜拉伸过程中的实时位移。共聚焦显微镜精度高，对焦迅速，可以轻松达到亚微米级别的观测；摄像头加dic技术，可以非接触、高响应、实时、精确测量显微镜观察区域的薄膜应变。综上所述，本发明具有控制系统同步性好，输出载荷大，传动结构简单、紧凑，试件位于设备上方且尺寸小，夹持紧固，观测系统先进等优点。
本发明的有益效果在于，本发明将传统拉伸加载单元的平动拉伸改为转动拉伸，大幅减小了设备的整体尺寸，并简化了设备构造；其次，提出了使夹紧转台固定的装置，便于在装夹试件过程中保持转台装载面(装夹面)的水平固定，提高作业效率；再次，提出了具有磁性的夹持片结构以增加夹片的夹紧力并改善螺钉周围的应力分布状态，并通过将接触面设置成锯齿状来增加状态与夹片之间的接触面积，同时通过在接触面表面设置柔性缓冲层来进一步增加夹紧摩擦力；最后，通过改进加载转台的截面形状，省去了现有技术中常用的联轴器等部件，便于针对不同的薄膜试样更换不同的加载转台，简化了更换作业。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。