、低温加载模块（17)、磁场加载模块（18)、电场加载模块（19)，所述低温加载模块 (17)、电场加载模块（19)的核心装置直流电源和循环制冷栗为外置设备;所述拉伸/压缩加 载模块（11)固定于偏摆台（2501)台面上，扭转加载模块（12)分为扭转加载主动单元 (1201)、扭转加载固定单元(1202)两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块（11)的扭转端拉 伸滑座（1103)、疲劳端拉伸滑座（1104)上，低周疲劳加载模块（14)安装于疲劳端拉伸滑座 (1104)上与扭转加载固定单元（1202)的尾部连接，弯曲加载模块（13)、微纳米压痕测试模 块（15)、红外热成像监测模块（22)分别固定于侧向加载观测模块（24)的弯曲进给单元 (2401)、压痕进给单元(2403)、红外热成像仪进给单元(2402)上，并一同安装于功能切换单 元(2404)上；功能切换单元(2404)的往复运动实现弯曲加载模块（13)、微纳米压痕测试模 块（15)、红外热成像监测模块(22)的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元(2402) 的直线运动调节红外热成像监测模块(22)的可视范围，弯曲进给单元(2401)的直线运动带 动弯曲压头（1302)实现弯曲载荷加载，压痕进给单元（2403)的直线运动带动压痕压头 (1509)进行压入点位的初定位；高温加载模块（16)通过调整滑座（1602)、调整滑座导轨 (1805 )与磁场加载模块（18 )连接，磁场加载模块（18 )、侧向加载观测模块(24)分别固定在 拉伸/压缩加载模块(11)主轴线的两侧； 所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1)在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，同时 还可构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材 料的微观力学性能；最多可以实现"拉伸 -疲劳-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场 -磁场"或 "压缩-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场"的复合载荷-多物理场耦合加载试验，模拟 丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几 种功能进行親合加载。2. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的复合载荷-多物理场加载试验平台（1)、原位监测平台（2)与真空腔(4)集成，实 现对真空环境下的复合载荷-多物理场耦合加载试验和原位监测；隔振基座(3)集成于真空 腔(4)内，防止真空栗工作时产生的振动影响仪器的原位监测效果;在配备真空腔的条件 下，复合载荷-多物理场加载试验平台（1)放置于偏摆支承模块(25)上，偏摆支承模块(25) 的偏摆台（2501)放置于重载导轨（2502)上，试验结束时将复合载荷-多物理场加载试验平 台（1)连同偏摆台（2501)部分抽出真空腔(4)，便于更换材料样品；同时通过导轨的对接，将 载物工具车（6)与真空腔(4)内的隔振基座（3)连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台 (1)完全抽出真空腔(4)外，以方便对其进行调试、检修。3. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的拉伸/压缩加载模块（11)采用双向拉伸结构，由拉压伺服电机(1101)驱动双向 丝杠（1102)，带动扭转端拉伸滑座（1103)和疲劳端拉伸滑座（1104)，保证两侧行程、移动速 度一致，实现拉伸/压缩载荷的加载，由直线光栅读数头Ι、Π (1105、1118)测得拉伸/压缩加 载变形。4. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的扭转加载模块（12)包括扭转加载主动单元（1201)、扭转加载固定单元（1202) 两部分，采用一端扭转一端固定的方式，扭转加载主动单元(1201)为加载端，由扭转伺服电 机（120104)驱动扭转主动齿轮（120108)、扭转从动齿轮（120109)带动主动端夹具体 (120116)实现扭矩的加载;扭转加载固定单元（1202)为固定端，由固定端夹具体（120204)、 连接轴（120209)将扭矩传递给拉扭复合传感器（120210)，实现拉伸力、扭矩大小的测定;主 动端夹具体（120116)、固定端夹具体（120204)分别安装有圆光栅读数头Ι、Π (120117、 120202)，通过测量扭转试验时读取的角度差实现扭转角的精准测定； 所述扭转加载主动单元（1201)的旋转接头（120106)分为旋转接头定子（120106Β)、旋 转接头转子（120106Α)，所述旋转接头转子（120106Α)上开有环槽，与旋转接头定子 (120106Β)上的通流口联通，在定子转子间存在相对转动时仍能实现流体的输送，并利用连 接法兰（120107 )实现将主动端夹具体（120116 )的流道与旋转接头（120106 )的流道对接，实 现在主动端夹具体(120116)因扭转加载产生转动时制冷液导入与循环;低温加载模块(17) 依靠主动端夹具体（120116)、固定端夹具体（120204)的内置制冷流道，利用外置的低温制 冷栗，将制冷液栗送至主动端夹具体（120116)、固定端夹具体（120204)内部开通的流道内， 通过热传导的方式为材料样品制冷，为材料样品营造低温试验环境。5. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的低周疲劳加载模块（14)的疲劳加载模块柔性铰链(1402)的内框固定在疲劳加 载模块底座（1401)上，外框与连接板（120211)连接;疲劳加载模块压电叠堆（1403)通过疲 劳加载模块柔性铰链（1402)、连接板（120211 )、拉扭复合传感器（120210)驱动固定端夹具 体(120204)产生高频的往复微小位移，实现在预先拉伸载荷作用下对拉伸材料样品（51)的 疲劳加载;在大拉伸载荷下，通过拧紧螺钉使卸荷板(120212)与连接板（120211)、疲劳端拉 伸滑座（1104)紧固，实现对大拉伸力载荷的卸荷，保护疲劳加载模块压电叠堆（1403)不会 损坏。6. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的微纳米压痕测试模块(15)通过压痕进给单元(2403)的直线运动实现压痕初进 给，压痕测试模块压电叠堆（1505)通过压痕柔性铰链（1502)驱动压痕压头（1509)实现精准 进给，通过压入力传感器（1508)采集压入过程中的压入力，通过电容式微小位移传感器 (1506)监测压痕压头（1509)的压入深度。7. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于：所述的高温加载模块（16)包括卤素加热灯（1601)、调整滑座（1602)、卤素灯安装板 (1603)，卤素加热灯（1601)通过螺钉与卤素灯安装板（1603)连接，并安装于调整滑座 (1602 )上，高温场的加载由卤素加热灯(1601)聚焦照射材料样品实现； 所述磁场加载模块（18 )磁场的加载由可控电磁铁实现，可控电磁铁由下磁辄（1801)、 线圈（1802)、上磁辄（1803)、磁极极头（1804)组成，两个磁极极头（1804)采用上下布置，分 别固定于下磁辄（1801)与上磁辄（1803)上，材料样品放置于两个磁极极头（1804)之间，通 过对线圈（1802)加载电流的调整实现对磁场强度的控制;通过调整滑座（1602)，可以在不 需要高温加载功能时将卤素加热灯（1601)取下，防止其对原位监测模块光路的遮挡；电场 加载模块(19)外接一台高压直流电源，利用导电银胶将两根导线分别接于材料样品相对的 两个平面上，并在导线两端施加一个直流高压电场，从而实现电场的加载;将整个测试仪器 放置于真空腔(4)内有助于降低两个电极间的击穿电压，以提高电场加载试验的电场强度。8. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的原位监测平台（2)用于动态监测在复杂力学载荷和多物理场载荷作用下材料 样品的变形损伤、微观组织变化与性能演变;通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对复 杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时 的动态监测；原位监测平台（2)包括光学显微成像监测模块（21)、红外热成像监测模块 (22)、显微拉曼光谱监测模块(23)、侧向加载观测模块(24)、偏摆支承模块(25)，所述光学 显微成像监测模块(21)、显微拉曼光谱监测模块(23)布置于复合载荷-多物理场加载试验 平台（1)的两侧，安装在隔振基座(3)上，偏摆支承模块(25)安装在隔振基座(3)上，承载复 合载荷-多物理场加载试验平台（1)的同时为各个原位观测模块提供更丰富的观测位置;红 外热成像监测模块(22)安装于侧向加载观测模块(24)上，侧向加载观测模块(24)安装于复 合载荷-多物理场加载试验平台（1)上。9. 根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征 在于:所述的光学显微成像监测模块(21)、显微拉曼光谱监测模块(23)均能实现X、Y、Z三个 方向的位置调整，完成显示视野的变换和成像仪器的的调焦，由X轴运动单元Ι、Π (2101、 2301)、Υ轴运动单元I、Π (2102、2302)、Ζ轴运动单元I、Π (2104、2304)实现;显微拉曼光谱 仪(2315)通过调整旋转支架（2305)与调距手轮(2313)对初始监测角度和初始监测位置进 行调整，能够实现更为丰富的监测范围；显微拉曼光谱仪(2315)为内置CCD形式，后部通过 一个标准C接口与拉曼光谱仪集成，根据显微图像在可视的范围内选择局部微小区域利用 拉曼光谱仪，实现对微区组织成分的分析;光学显微成像监测模块(21)、显微拉曼光谱监测 模块(23)分别实现复合载荷-多物理场耦合试验下材料样品微观组织结构的监测和组织成 分变化的监测;红外热成像监测模块(22)实时监测温度场下材料样品的温度分布。10. 根据权利要求1至9中任意一项所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测 试仪器的测试方法，其特征在于:对于以拉伸试验为基础的力电热磁多物理场親合材料微 观性能原位测试方法，通过主动端拉伸夹具压板（120115)、固定端拉伸夹具压板（120205) 将拉伸材料样品（51)固定于主动端夹具体（120116)、固定端夹具体（120204)上，并使拉伸/ 压缩加载模块（11)驱动扭转端拉伸滑座（1103)、疲劳端拉伸滑座（1104)背向运动，实现拉 伸材料样品（51)的拉伸加载;通过扭转加载模块（12 )实现拉伸材料样品（51)的扭转加载； 分别通过直线光栅读数头1(1105)、圆光栅读数头（120117)1测算拉伸材料样品（51)的拉伸 应变与扭转应变，通过拉扭复合传感器（120210)测算拉伸应力与扭转应力；低周疲劳加载 模块(14)可以在拉伸载荷下给拉伸材料样品（51)施加低周疲劳载荷;通过侧向加载观测模 块(24)将弯曲加载模块(13)驱动至工作位置，给拉伸材料样品（51)施加弯曲载荷通过压力 传感器(1303)测算弯曲力;在施加复合力学载荷的同时通过电场加载模块(19)拉伸材料样 品（51)施加电场，通过磁场加载模块（18)对拉伸材料样品（51)施加磁场，通过相关仪器控 制施加电场、磁场的强度，并对试验过程中的电滞回线、磁滞回线进行测量;通过高温加载 模块(16 )给拉伸材料样品（51)施加高温，此时通过侧向加载观测模块(24 )将红外热成像监 测模块(22)移动至工作位置测量拉伸材料样品（51)的温度场信息;此外可以通过低温加载 模块(17)给拉伸材料样品（51)施加低温;在工作过程中通过光学显微成像监测模块(21)对 拉伸材料样品（51)的变形损伤、失效形式进行原位观测;在试验中的任意时刻，可以通过侧 向加载观测模块(24)将微纳米压痕测试模块（15)切换至工作位置，对试件表面进行微纳米 压痕测试，压痕进给单元（2403)的直线运动实现压痕初进给；压痕测试模块压电叠堆 (1505)通过压痕柔性铰链（1502)、压入力传感器（1508)驱动压痕压头（1509)实现精准进 给;并用压入力传感器（1508)、电容式微小位移传感器（1506)采集的压入力、压入量信息描 绘微纳米压痕曲线；该过程可以通过偏摆支承模块(25)将复合载荷-多物理场加载试验平 台（1)调节到显微拉曼光谱监测模块(23)的观测范围内，并对压入过程进行原位测试，同时 获取局部微区域的拉曼光谱信息。
【专利摘要】本发明涉及一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法，属于精密科学仪器领域。包括复合载荷-多物理场加载试验平台、原位监测平台和隔振基座三大部分。隔振基座主要用于支承复合载荷-多物理场加载试验平台、原位监测平台，并为其安装提供定位，同时在测试中为各类精密驱动加载元件、检测元件以及原位监测元件提供有效的隔振处理。原位监测平台通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对上述复杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时的动态原位监测。优点在于：结构小型化和轻量化，可选配真空腔将仪器主体置于其中，从而为被测材料样品提供如低压、真空、惰性气体等测试环境。实用性强。
【IPC分类】G01N3/00
【公开号】CN105628487
【申请号】CN201510973083
【发明人】赵宏伟, 刘长宜, 马志超, 任露泉, 刘先华, 周永臣, 孙霁雯, 乔元森, 任壮, 洪坤, 张富, 范尊强, 张志辉, 呼咏, 董景石
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月23日