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。
2. 根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的底座 (16)为一体成型式结构。
3. 根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：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。
4. 根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：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ΙΙ、ΠΙ(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 JII (19、32)分别安装在底座（16) 上，柔性铰链11、111(19、32)的凹槽内部分别安装有压电叠堆11、111(31、33)，柔性铰链11、 111(19、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ΙΙ、ΠΙ (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。
5. 根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：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II、 111(13、28)、伺服电机（1)、蜗杆I、II (3、8)、蜗轮I、II (5、6)、螺杆支撑座（12)，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、 IIK13、28)上，精密导轨滑块II、111( 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I (5)、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。
6. 根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：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。
7. 根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：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，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。
8. -种原位微纳米压痕/划痕测试方法，其特征在于：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q，利用参考材 料熔融石英进行压痕，根据机架柔度公式4 = 1^，其中，Jj为最大压入载荷，*W为测 P 试平台在载荷作用下最大压入深度值，\为商业化纳米压痕仪在载荷作用下最大压入深度 值； e) 将被测试件通过导电胶粘贴在载物台（23)上，调整Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件 和Z轴宏动调整机构，使被测试件处于金刚石压头（24)的正下方，然后将权利要求1中所 述的原位微纳米压痕/划痕测试测试平台安装在扫描电子显微镜载物台（37)上，并打开扫 描电子显微镜，调整好电子枪（35 )位置，调好视场，方便观察； f) 通过扫描电子显微镜成像，调整Z轴宏动调整机构使金刚石压头接近试件表面，使 金刚石压头处于试件表面上方〇. 5 μ m~1 μ m位置，此时力传感器示数为零； g) 根据压痕/划痕步骤，通过软件对拟定好的实验加载条件进行设置，启动程序即可 进行压痕/划痕的测试，结合压痕过程的载荷压深曲线，并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。
9.根据权利要求8所述的原位微纳米压痕/划痕测试方法，其特征在于：由力传感器 和位移传感器与A/D卡采集卡记录实验过程中的力与位移，得到压痕过程的载荷-压深曲 线和划痕的法向力-切向力曲线，根据力学计算模型，即可得到压入硬度、接触刚度、弹性 模量、划入硬度、摩擦系数力学参数。
【专利摘要】本发明涉及一种原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法，属于机电一体化精密科学仪器领域。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尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座中部，电机驱动单元装配在底座头部，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安装在X轴精密划痕单元上。优点在于：结构紧凑、小型化、一体化，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。
【IPC分类】G01N3-42, G01N3-02, G01N3-40
【公开号】CN104729911
【申请号】CN201510105435
【发明人】赵宏伟, 时月, 刘彦超, 任露泉, 范尊强, 马志超, 于丹阳, 黄虎, 李建平, 于淼
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月11日