原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机电一体化精密科学仪器领域，特别涉及一种原位微纳米压痕/划痕 测试平台及测试方法。在钢铁冶金、有色金属、无机非金属、材料科学、固体力学、生物医学 工程、航空航天等领域具有重要的科学意义和良好的应用前景。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展和电子显微学技术的进步，原位微纳米力学测试技术应用而 生。原位压痕/划痕测试技术的显著优势在于可实现压痕/划痕过程的实时在线观测，进 而研宄载荷作用下材料表面的变形、损伤机理。国内外对材料力学性能原位测试的研宄还 处于开发探索阶段，但是由于发达国家的起步较早，研宄相对比较深入，领先于国内该领域 的研宄。在原位力学测试方面，比较典型的包括微柱压缩、微结构拉伸、微弯曲等测试，针对 三维试件的原位力学测试研宄，目前仅见于瑞士联邦理工学院Michler和R. Rabe、日本东 北大学W. Gao和本项目组等开展的工作。现有的仪器也都存在着一定的缺点，而且国内外 关于定量的划痕实验目前还鲜有报道。所以，研制具有大行程、高精度、结构紧凑、低成本的 原位压痕/划痕测试平台依然具有广泛的需求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法，解决了 现有原位划痕测试技术存在的无法定量检测划痕过程法向力、切向力的问题，为更好的研 宄材料磨损机制、去除机理、划痕力波动等提供依据。本发明结构具有紧凑、小型化、一体化 的特点，在克服了现有测试平台无法定量检测划痕过程法向力、切向力的不足的同时，更好 的保证装配精度，有效提升整体的刚度和动态特性，提升了整体的测试精度。本测试平台的 位移分辨率达到纳米级，加载力分辨率达到亚微牛级，测试平台可独立使用测试材料的硬 度、弹性模量、蠕变特性等基本力学参数。特别是测试平台与扫描电子显微镜具有良好的结 构兼容性、真空兼容性和电磁兼容性，可安装在扫描电子显微镜真空腔内，实现对特征尺寸 毫米级以上三维试件的原位微纳米压痕/划痕测试，借助扫描电子显微镜动态监测压入力 (或划痕力）作用下被测样品材料的微观变形行为和损伤机制。本发明将在材料科学、固体 力学、生物医学、钢铁冶金等领域具有广阔的发展前景和应用价值。
[0004] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现： 原位微纳米压痕/划痕测试平台，包括X轴精密划痕单元、Y轴大行程粘滑驱动器划 痕组件、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元与位移信号检测单元、载荷信号检测单元，其 中，所述X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在底座16尾部，Z轴宏 动调整机构装配在底座16中部，电机驱动单元装配在底座16头部，精密压入驱动与位移信 号检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入力和划痕法向力、切向力的精密三 轴力传感器22安装在X轴精密划痕单元上。
[0005] 所述的底座16通过铸造实现一体成型式结构，然后进行机械加工，更好的保证装 配精度，有效提升整体的刚度和动态特性，提升整体的测试精度。
[0006] 所述的X轴精密划痕单元包括柔性铰链I 18和压电叠堆I 17,所述柔性铰链 I 18的凹槽内部安装有压电叠堆I 17,使载物台23和精密三轴力传感22在竖直方向上的 位置，实现沿X轴方向的精密划痕功能。
[0007] 所述的Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件包括精密导轨滑块I 20、柔性铰链II、 III 19、32和压电叠堆II、111 31、33,所述精密导轨滑块I 20和柔性铰链II、111 19、32分别安 装在底座16上，柔性铰链11、11119、32的凹槽内部分别安装有压电叠堆11、11131、33，柔性 铰链ΙΙ、ΠΙ19、32输出端与精密导轨滑块I 20侧面实现间隙配合，通过调整压电叠堆II、 III 31、33的锯齿波电压实现划痕方向与划痕速度的控制，实现沿Y轴方向的大行程划痕过 程，及实现压痕点的更换。
[0008] 所述的Z轴宏动调整机构包括安装座15、连接件II 14、螺杆29、螺母30和精密导 轨滑块11、11113、28、伺服电机1、蜗杆1、113、8、蜗轮1、115、6、螺杆支撑座12等，所述安 装座15和螺母30分别安装在连接件II 14上，连接件II 14安装在精密导轨滑块II、111 13、 28上，精密导轨滑块II、ΙΙΙ 13、28安装在底座16上；伺服电机1安装在底座16上，平行布 置于精密导轨滑块II、111 13、28的右侧，减小测试平台的长度尺寸，伺服电机1驱动转矩经 由蜗杆I 3、蜗杆II 8和蜗轮15、蜗轮II 6的两级减速增扭后，带动螺杆29将旋转运动转化 为安装座15的直线运动，实现Z轴方向金刚石压头24位置的宏动调整。
[0009] 所述的精密压入驱动单元与位移信号检测单元包括金刚石压头24、压头连接件 26和压电陶瓷促动器27,所述金刚石压头24通过压头连接件26与压电陶瓷促动器27连 接，压电陶瓷促动器27固定在安装座15上，压电陶瓷促动器27自身带有闭环位移反馈功 能，以检测金刚石压头24的压入深度。
[0010] 所述的载荷信号检测单元包括载物台23、精密三轴力传感器22和连接件I 21，所 述载物台23安装在精密三轴力传感器22上，精密三轴力传感器22安装在连接件I 21上， 可以定量检测压痕压入力和划痕法向力、切向力，在压痕过程中，将检测到的载荷信号作为 反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制，实现闭环控制。
[0011] 本发明的另一目的在于提供一种原位微纳米压痕/划痕测试方法，校准与试验过 程包括以下步骤； a) 将测试平台装配好，连接好相应线路，标定力传感器和位移传感器； b) 将试件通过熔融石蜡粘贴到载物台23上，用平头圆柱代替金刚石压头，调整沿Z轴 方向的宏动调整机构，在预载荷IOOmN基础上，模拟压痕过程，对测试数据的加载段进行处 理，通过二次多项式拟合得到了压入深度A与载荷的平方根之间的关系式，初步确定测试 平台的机架柔度，确保无装配误差； c) 安装金刚石压头24,分载荷进行多次压痕实验，确保测试平台重复性良好； d) 由于测试平台小型化造成机架柔度问题，分载荷进行校准机架柔度G，利用参考材 料熔融石英进行压痕，根据机架柔度公式1
【主权项】
1. 一种原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：包括X轴精密划痕单元、Y轴大 行程粘滑驱动器划痕组件、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元与位移信号检测单元、载 荷信号检测单元，其中，所述X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在底 座（16)尾