高低温多轴原位拉伸试验机的制作方法

本发明涉及拉伸装置，具体涉及一种高低温多轴原位拉伸试验机。

背景技术：

近年来，尺度介于几十纳米到几百微米之间的三维(3d)细微观结构受到研究人员越来越多的关注。其原因在于，通过在先进材料中形成具有特定几何拓扑的三维细微构造，可以使得宏观材料在声、光、热、力、电学等方面表现出新的特性。这种具备天然材料中不存在的超常物理特性的材料也被称为“超材料”，由于超材料在各类微系统技术中的巨大应用前景，三维细微观结构的设计与制备方法日益成为国内外的研究热点。目前除了3d打印这类较成熟的增材制造方法之外，力学引导的组装方法也相继被提出，并因其在材料类型、几何拓扑、尺度范围等方面的优势，亦逐渐成为研究焦点。力学引导的组装方法为宏、微观三维结构的制备提供了一种有效的技术途径。其基本思想是将光刻制备的平面二维结构定点粘贴到一预拉伸的柔性基底上，释放基底预应变，未粘贴部分受到压缩发生面外屈曲，从而实现三维微结构的可控精确组装。在这种成型技术中如何实现柔性基底的原位拉伸与释放是实现三维结构精确组装的关键因素。同时，由于通过该手段制备的三维结构具有多功能性，某些器件在组装过程中对组装环境有特殊的环境要求(如高低温)。因此，如何在保证柔性基底原位拉伸加载的同时，满足组装过程中的多种需求，是当前急需解决的问题之一，对屈曲组装平台提出了较高的要求。

学者们在不同时期研究了不同类型的双向拉伸试验，由于十字形试件双拉试验能够最直观地反映出试件的双向受力状态，所以也是目前许多试验人员最侧重的实验研究方法。当前，传统的双向加载实验平台多采用丝杠式机械传动，通过人工手摇加载的方式，实现对器件或薄膜基底的双向拉伸变形，加载方式简便，加载平台占地面积较小。

目前，十字形试件的双向拉伸试验所采用的的实验仪器主要包括两类：即机械式双向拉伸试验机和液压式双向拉伸试验机。

液压式双向拉伸试验机结构较为复杂，使用的局限性较大，而现有的机械式双向拉伸试验机有些不具备等双轴原位拉伸性能，以及高低温加载的特性，同时加载效率低，因此限制了机械式双向拉伸试验机在三维组装领域的应用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷以及三维组装实验所需要的新功能，本发明提供一种高低温多轴原位拉伸试验机。

提供一种高低温多轴原位拉伸试验机，其包括：

第一壳体，其包括侧壁和底壁；

第一滚珠丝杠组件，其包括相对于所述第一壳体能转动地设置的第一滚珠丝杠和相对于所述第一壳体不能转动地设置的第一螺母和第二螺母，所述第一螺母与所述第一滚珠丝杠的第一部分螺纹接合，所述第二螺母与所述第一滚珠丝杠的第二部分螺纹接合，所述第一滚珠丝杠的第一部分和第二部分的螺纹旋向相反、螺纹节距相等；

第一夹具组件，其包括与所述第一螺母固定连接的第一夹具和与所述第二螺母固定连接的第二夹具；

第二滚珠丝杠组件，其包括相对于所述第一壳体能转动地设置的第二滚珠丝杠和相对于所述第一壳体不能转动地设置的第三螺母和第四螺母，所述第三螺母与所述第二滚珠丝杠的第一部分螺纹接合，所述第四螺母与所述第二滚珠丝杠的第二部分螺纹接合，所述第二滚珠丝杠的第一部分和第二部分的螺纹旋向相反、螺纹节距相等；

第二夹具组件，其包括与所述第三螺母固定连接的第三夹具和与所述第四螺母固定连接的第四夹具；

加热装置，所述加热装置安装到所述第一壳体的内部，用于对所述第一壳体内的空间进行加热；以及

制冷装置，所述制冷装置安装到所述第一壳体，用于对所述第一壳体内的空间进行制冷。

在至少一个实施方式中，所述加热装置包括安装于所述第一壳体的侧壁的内表面的一个或多个加热片。

在至少一个实施方式中，所述制冷装置包括安装于所述第一壳体的底壁的一个或多个制冷片。

在至少一个实施方式中，所述制冷片为半导体制冷片。

在至少一个实施方式中，所述制冷装置还包括散热器，

所述半导体制冷片的制冷面贴附到所述第一壳体的底壁的背面和/或露出到所述第一壳体的内部，所述散热器连接到所述半导体制冷片的发热面。

在至少一个实施方式中，所述高低温多轴原位拉伸试验机还包括第一滑动引导组件和第二滑动引导组件，

所述第一滑动引导组件包括：第一滑轨，其安装到所述第一壳体的底壁；以及与所述第一滑轨滑动接合的第一滑块和第二滑块，所述第一滑块固定连接到所述第一螺母，所述第二滑块固定连接到所述第二螺母，

所述第二滑动引导组件包括：第二滑轨，其安装到所述第一壳体的底壁；以及与所述第二滑轨滑动接合的第三滑块和第四滑块，所述第三滑块固定连接到所述第三螺母，所述第四滑块固定连接到所述第四螺母。

在至少一个实施方式中，所述高低温多轴原位拉伸试验机还包括第二壳体，所述第二壳体包括侧壁和底壁，

所述第一壳体容纳在所述第二壳体中并支撑于所述第二壳体，

所述第二壳体还包括覆盖所述第一壳体的顶侧的盖板，所述盖板中设置有用于观察所述第一夹具组件和所述第二夹具组件夹持的拉伸对象的观察窗。

在至少一个实施方式中，所述第一滚珠丝杠组件还包括用于驱动所述第一滚珠丝杠相对于所述第一壳体转动的第一电机，

所述第二滚珠丝杠组件还包括用于驱动所述第二滚珠丝杠相对于所述第一壳体转动的第二电机，

所述第一滚珠丝杠和所述第二滚珠丝杠以十字形交叉的方式设置并在所述第一壳体的高度方向上彼此错开。

在至少一个实施方式中，所述高低温多轴原位拉伸试验机还包括控制单元，所述第一电机和所述第二电机连接到所述控制单元，所述控制单元控制所述第一电机和所述第二电机的动作，从而控制所述第一滚珠丝杠和所述第二滚珠丝杠的转动。

在至少一个实施方式中，所述高低温多轴原位拉伸试验机还包括温度传感器和显示装置，所述温度传感器设置于所述第一壳体中并连接到所述控制单元，所述显示装置连接到所述控制单元并时实显示所述温度传感器检测到的所述第一壳体中的温度、所述第一夹具组件和所述第二夹具组件夹持的拉伸对象的拉伸信息。

如上所述，本发明提供了一种高低温多轴原位拉伸试验机，该多轴原位拉伸试验机能够对例如柔性基底的拉伸对象进行相同或不同比例的多向原位拉伸，能够实现多种温度环境的实验测试，从而使得这一新型试验机可以用于例如三维微结构的成型与后续实验测试，极大地拓宽了多轴试验机的应用范围。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方式的高低温多轴原位拉伸试验机的立体图。

图2示出了从背面观察的图1中的多轴原位拉伸试验机的立体图，其中，省略了第二壳体的底壁。

图3示出了图1中的多轴原位拉伸试验机的俯视图。

图4示出了沿着截面m剖切的图1中的多轴原位拉伸试验机的剖视立体图，其中，省略了第二壳体的底壁，并且该截面m穿过第一滚珠丝杠。

图5示出了沿着截面n剖切的图1中的多轴原位拉伸试验机的剖视立体图，其中，省略了第二壳体的底壁，并且该截面n穿过第二滚珠丝杠。

图6示出了根据本发明的一个实施方式的多轴原位拉伸试验机的控制系统的框图。

图7示出了根据本发明的另一实施方式的多轴原位拉伸试验机的立体图。

附图标记说明

10第一壳体；11、12、13、14侧壁；15底壁；

20第一滚珠丝杠组件；21第一滚珠丝杠；211第一滚珠丝杠的第一部分；212第一滚珠丝杠的第二部分；22a第一螺母；22b第二螺母；23第一电机；

30第二滚珠丝杠组件；31第二滚珠丝杠；311第二滚珠丝杠的第一部分；312第二滚珠丝杠的第二部分；32a第三螺母；32b第四螺母；33第二电机；

40第一夹具组件；41第一夹具、42第二夹具；

50第二夹具组件；51第三夹具；511垫块；512压板；52第四夹具；

60加热装置；

70制冷装置；

80第一滑动引导组件；81第一滑轨；82a第一滑块；82b第二滑块；83a、83b过渡块；84垫块；

90第二滑动引导组件；91第二滑轨；92a第三滑块；92b第四滑块；93a、93b过渡块；

100第二壳体；110、120、130、140侧壁；111、121孔；150底壁；160顶壁；161观察窗；

200控制单元；210温度传感器；220显示装置；230输入装置；

300拉伸对象；

m、n截面。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

本发明的一个实施方式提供一种多轴原位拉伸试验机，该多轴原位拉伸试验机可以特别地是双轴原位拉伸试验机。当然，本发明不限于此。例如，该多轴原位拉伸试验机还可以包括三个彼此交叉并在后述的第一壳体10的高度方向上间隔开地设置的三个滚珠丝杠。

如图1至图5所示，本实施方式的高低温多轴原位拉伸试验机包括第一壳体10、第一滚珠丝杠组件20、第二滚珠丝杠组件30、第一夹具组件40、第二夹具组件50、加热装置60和制冷装置70。应当理解，本发明中的高低温可以分别指高于室温或环境温度和低于室温或环境温度。由于本发明的高低温多轴原位拉伸试验机包括加热装置60，所以可以使试验机中的温度高于环境温度，由于本发明的高低温多轴原位拉伸试验机包括制冷装置70，所以可以使试验机中的温度低于环境温度。

参照图1和图3，第一壳体10例如为长方体形状并包括四个平板状的侧壁11、12、13、14和平板状的底壁15。

参照图1至图3，该高低温多轴原位拉伸试验机还可以包括第二壳体100，第二壳体100可以具有与第一壳体10相似形状，但第二壳体100的尺寸略大于第一壳体10的尺寸，从而第一壳体10可以容纳在第二壳体100中。

第二壳体100包括四个平板状的侧壁110、120、130、140和平板状的底壁150。第一壳体10支撑于第二壳体100，特别地第一壳体10的底壁15支撑并固定于第二壳体100的底壁150，当然，本发明不限于此。

参照图1、图3和图4，第一滚珠丝杠组件20包括相对于第一壳体10能转动地设置的第一滚珠丝杠21和相对于第一壳体10不可转动地设置的第一螺母22a和第二螺母22b。第一螺母22a与第一滚珠丝杠21的第一部分211螺纹接合，第二螺母22b与第一滚珠丝杠21的第二部分212螺纹接合，第一滚珠丝杠21的第一部分211和第二部分212的螺纹旋向相反。特别地，第一滚珠丝杠21的第一部分211和第二部分212的螺纹节距相等。

第一滚珠丝杠组件20还包括用于驱动第一滚珠丝杠21相对于第一壳体10转动的第一电机23。

第一滚珠丝杠21通过例如两个轴承分别可转动地安装到第一壳体10的侧壁11和13。第一滚珠丝杠21的第一部分211还穿过第二壳体100的侧壁110而连接到第一电机23。第一电机23可以例如为伺服电机。

第一夹具组件40包括与第一螺母22a固定连接的第一夹具41和与第二螺母22b固定连接的第二夹具42。第一螺母22a和第二螺母22b被限制转动，从而在第一电机23驱动第一滚珠丝杠21转动时，第一螺母22a和第二螺母22b沿着第一滚珠丝杠21同步地彼此靠近或远离，第一螺母22a和第二螺母22b带动第一夹具41和第二夹具42同步地彼此靠近或远离，从而实现被夹持的拉伸对象300的原位拉伸。

应当理解，本申请中提到的部分“拉伸”包括两个相对的夹具彼此远离而将拉伸对象拉长，也包括两个相对的夹具彼此靠近而允许拉伸对象收缩。

参照图1、图3和图5，第二滚珠丝杠组件30可以具有与第一滚珠丝杠组件20相同或相似的结构。第二滚珠丝杠组件30包括相对于第一壳体10能转动地设置的第二滚珠丝杠31和相对于第一壳体10不可转动地设置的第三螺母32a和第四螺母32b。第三螺母32a与第二滚珠丝杠31的第一部分311螺纹接合，第四螺母32b与第二滚珠丝杠31的第二部分312螺纹接合，第二滚珠丝杠31的第一部分311和第二部分312的螺纹旋向相反。特别地，第二滚珠丝杠31的第一部分311和第二部分312的螺纹节距相等。

第二滚珠丝杠组件30还包括用于驱动第二滚珠丝杠31相对于第一壳体10转动的第二电机33。

第二滚珠丝杠31通过例如两个轴承分别可转动地安装到第一壳体10的侧壁12和14。第二滚珠丝杠31的第一部分311还穿过第二壳体100的侧壁120而连接到第二电机33。第二电机33可以例如为伺服电机。

第一滚珠丝杠21和第二滚珠丝杠31以十字形交叉的方式设置并在第一壳体10的高度方向上彼此错开。

第二夹具组件50包括与第三螺母32a固定连接的第三夹具51和与第四螺母32b固定连接的第四夹具52。第三螺母32a和第四螺母32b被限制转动，从而在第二电机33驱动第二滚珠丝杠31转动时，第三螺母32a和第四螺母32b沿着第二滚珠丝杠31同步地彼此靠近或远离，第三螺母32a和第四螺母32b带动第三夹具51和第四夹具52同步地彼此靠近或远离，从而实现被夹持的拉伸对象300的原位拉伸。

第一夹具41、第二夹具42、第三夹具51、第四夹具52可以具有相同或相似的结构。下面以第三夹具51为例说明各夹具的结构。

第三夹具51包括条板状的垫块511和条板状的压板512，垫块511固定连接到第三螺母32a。压板512可以经由穿过压板512上的通孔并且螺合到垫块511的螺栓孔中的螺栓来压合到垫块511上。这种夹具51结构简单、厚度小，有利于增大对拉伸对象300的夹持面积和整个试验机的小型化。图1、图3至图5示出了夹持于四个夹具41、42、51、52的大致圆形的拉伸对象300。

参照图1、图3至图5，加热装置60安装到第一壳体10的内部，用于对第一壳体10内的空间进行加热，特别是对拉伸对象300进行加热。

在一个具体但非限制性的实施例中，加热装置60包括安装于第一壳体10的侧壁11、12、13、14的内表面的多个加热片。多个加热片均匀地安装到各侧壁11、12、13、14，从而容易使第一壳体10内的温度均一。多个加热片可以例如包括发热电阻。

参照图2，制冷装置70安装到第一壳体10，用于对第一壳体10内的空间进行制冷。具体地，制冷装置70可以包括安装于第一壳体10的底壁15的一个或多个制冷片。特别地，各制冷片可以为半导体制冷片。半导体制冷片的制冷面贴附到第一壳体10的底壁15的背面，或者半导体制冷片至少部分地嵌入到底壁15而使制冷面露出到第一壳体10的内部，或者半导体制冷片的制冷面通过形成于底壁15的孔露出到第一壳体10的内部，半导体制冷片的发热面朝向远离第一壳体10的内部的方向设置。在半导体制冷片的制冷面贴附到第一壳体10的底壁15的背面的情况下，该底壁15优选由导热性优良的金属材料制成。

半导体制冷片尺寸小便于安装，热惯性小制冷快，工作时没有震动、噪音、寿命长。通过输入电流控制半导体制冷片，可实现高精度的温度控制，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。尤其是没有震动、噪音的优点，使半导体制冷片特别适于本发明的可以用于进行精细拉伸的高低温多轴原位拉伸试验机。

虽然各附图中未示出，但是，制冷装置70还可以包括散热器，散热器连接到半导体制冷片的发热面。散热器可以直接安装到半导体制冷片的发热面，也可以经由导热元件连接到半导体制冷片的发热面。

应当理解，制冷装置70的安装方式不限于图2所示的情况。例如，也可以设置围绕拉伸对象300而形成为大致“口”字形图案的多个半导体制冷片。

如图4和图5所示，本实施方式的高低温多轴原位拉伸试验机还可以包括第一滑动引导组件80和第二滑动引导组件90。

第一滑动引导组件80包括：第一滑轨81，其安装到第一壳体10的底壁15；以及与第一滑轨81可滑动接合的第一滑块82a和第二滑块82b，第一滑块82a固定连接到第一螺母22a，第二滑块82b固定连接到第二螺母22b。

第一滑轨81可以经由两个在第一滑轨81的长度方向上间隔开的垫块84安装到第一壳体10的底壁15。第一滑块82a可以经由过渡块83a固定连接到第一螺母22a，第二滑块82b可以经由过渡块83b固定连接到第二螺母22b。

第二滑动引导组件90包括：第二滑轨91，其安装到第一壳体10的底壁15；以及与第二滑轨91滑动接合的第三滑块92a和第四滑块92b，第三滑块92a固定连接到第三螺母32a，第四滑块92b固定连接到第四螺母32b。

第二滑轨91可以穿过两个垫块84之间的空间直接固定安装到第一壳体10的底壁15。因而，垫块84的设置不仅可使第一和第二螺母22a、22b以及第三和第四螺母32a、32b具有不同的高度，而且使得第二滑轨91可以如第一滑轨81那样为单条滑轨，这使得高成本的滑轨更加通用，减少了部件数量和成本。

第三滑块92a可以经由过渡块93a固定连接到第三螺母32a，第四滑块92b可以经由过渡块93b固定连接到第四螺母32b。

如上所述，第一滑动引导组件80和第二滑动引导组件90可以由相同部件组成，这减少了部件的种类，增加了部件的通用性，减低了成本。

参照图6，下面说明根据本发明的高低温多轴原位拉伸试验机的控制系统，该控制系统包括控制单元200、温度传感器210、显示装置220和输入装置230。

第一电机23和第二电机33连接到控制单元200，控制单元200控制第一电机23和第二电机33的动作，从而控制第一滚珠丝杠21和第二滚珠丝杠31的转动，进而控制拉伸对象300的拉伸量。

温度传感器210设置于第一壳体10中并连接到控制单元200。显示装置220连接到控制单元200并时实显示温度传感器210检测到的第一壳体10中的温度、拉伸对象300的拉伸信息和/或第一夹具组件40的移动距离、位置和第二夹具组件50的移动距离、位置等)。温度传感器210可以包括例如热电偶。

输入装置230连接到控制单元200，用于向控制单元200输入各种参数，例如，温度、拉伸量、拉伸速度等。控制单元200可以根据输入的温度信息控制加热装置60或制冷装置70工作。

应当理解，输入装置230和显示装置220可以集成到一起。

下面参照图7说明根据本发明的另一实施方式。该实施方式与图1至图5中示出的实施方式的主要区别在于第二壳体100的结构。

在本实施方式中，第二壳体100还包括覆盖第一壳体10的顶侧的顶壁160。在顶壁160的中心位置与第一夹具组件40和第二夹具组件50对应地设置有观察窗161。观察窗161可以由安装到形成顶壁160的板材中的透明塑料或玻璃等透明材料形成。顶壁160的设置使得第一壳体10内的空间更加封闭，有利于在较低的能量消耗的情况下达成第一壳体10内的空间的特定温度状态。观察窗161的设置有利于观察拉伸对象300及其上可能存在的其它部件或结构的状态。

在本实施方式中，第二壳体100的一个或多个侧壁110、120上形成有多个孔111和121。这些孔111和121一方面可以用于穿过各种线材，例如，连接到加热装置60、制冷装置70的电源线和/或控制线，连接温度传感器210和控制单元200的线材。这些孔111和121另一方面有利于作为制冷装置70的半导体制冷片的发热面发出的热量的散发。因而，这些孔111和121中的至少部分孔，在第一壳体10的高度方向上，位于第一壳体10的底壁和第二壳体100的底壁之间。可以理解，还可以在第二壳体100的底壁形成多个散热孔。

如上所述，本发明提供了一种高低温多轴原位拉伸试验机，该多轴原位拉伸试验机能够对例如柔性基底的拉伸对象进行相同或不同比例的多向原位拉伸，能够实现多种温度环境的实验测试，从而使得这一新型试验机可以用于例如三维微结构的成型与后续实验测试，极大地拓宽了多轴试验机的应用范围。

本发明的高低温多轴原位拉伸试验机能够有效地对柔性材料进行不同比例的多向拉伸，能够实现多种温度环境的实验测试，允许实现基底不同区域应变的实时测量。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。