一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，包括扫描电子显微镜，高温压痕测试单元，控制单元以及计算机；高温压痕测试单元包括底座，设于底座上表面一侧的调节台，设于底座上表面另一侧的高温压痕机构；扫描电子显微镜包括电镜极靴，样品腔室，舱门，功能扩展接口，通讯接口以及光纤接口；调节台上设有样品台，X轴调节装置、Y轴调节装置，Z轴调节装置；高温压痕机构包括加热装置，设于底座上的压头座，以及设于压头座上的压头，压头位于电镜极靴下方。本发明将扫描电子显微镜与高温压痕测试单元有机的结合在一起，电子束扫描成像与高温压痕可以同时进行，互不干扰，实现真正意义上的原位温度场材料性力学能测试。
【专利说明】
一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统
技术领域
[0001]本发明涉及微观结构性能检测设备技术领域，特别是涉及一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统。
【背景技术】
[0002]随着材料科学技术的快速发展，如何从微观角度表征材料、结构和器件在高温场作用下的各种物理、化学、力学性能成为材料科学技术领域的研究前沿和热点，因此研究发明基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统在寻求新材料、新技术、新工艺方面显得尤为重要。
[0003]目前的研究材料力学性能的装置有高温压痕装置，可以在高温场下测试材料的应力应变曲线，以此来研究材料相关的力学性能，如硬度、弹性模量等。但是这些力学性能测试参数往往是宏观的、后位的观测分析，无法从微纳米尺度上解释更为本质的机理，也无法原位的观测材料微观结构的变化。由于目前相关实验测试分析尺度和深度的局限性，本专利设计发明一种结合扫描电子显微镜空间尺寸分辨率高、放大倍数连续可调、样品腔室大等特点，在扫描电子显微镜条件下进行原位高温压痕测试装置。通过本装置以扫描电子显微镜作为原位观测手段，在高温的条件下对材料进行压痕试验，在得到其应力应变曲线的同时原位观测分析压头压入测试材料过程中其微观组织的演变规律以其与力学性能参数的本构关系。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是发明一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，以解决上述现有技术存在的问题，原位观测材料在不同环境温度下在压头压入测试材料过程中其微观组织的演变规律以其与力学性能参数的本构关系。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了如下方案:本发明提供一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，包括扫描电子显微镜、高温压痕测试单元、控制单元以及计算机，所述高温压痕测试单元设于所述扫描电子显微镜的样品腔室内部，所述控制单元分别与所述扫描电子显微镜、所述高温压痕测试单元相连接，所述计算机与所述控制单元相连接;所述高温压痕测试单元包括底座、调节台和高温压痕机构，所述调节台上设置有所述样品台，所述调节台设置于所述底座上表面一侧，所述高温压痕机构设置于所述底座上表面另一侧;所述高温压痕机构包括压头、压头加热体、压头隔热层、压头座、力传感器、样品加热体以及样品隔热层;所述压头座设于所述底座上，所述压头设置于所述压头加热体之中，所述压头的尖端从所述压头加热体伸出，所述压头隔热层和压头加热体都设置于所述压头座上，所述压头隔热层位于所述压头加热体与所述力传感器之间，所述力传感器设置于所述压头隔热层与压头座之间，所述压头加热体与所述样品加热体相对设置，所述压头的尖端指向所述样品加热体，所述力传感器、压头加热体、样品加热体都与所述控制单元相连接，所述压头位于所述扫描电子显微镜的电镜极靴的下方。
[0006]优选地，所述样品腔室设有舱门，所述舱门上设有功能扩展接口、通讯接口、地线接口以及光纤接口通过连接线与所述控制单元相连接。
[0007]优选地，所述调节台与样品台之间依次设有X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷，所述X轴压电陶瓷用于所述样品台沿X轴向的位移微调，所述Y轴压电陶瓷用于所述样品台沿Y轴向的位移微调，所述Z轴压电陶瓷用于所述样品台沿Z轴向的位移微调，所述X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷分别与所述控制单元相连接。
[0008]优选地，所述样品台设置在所述样品加热体上，所述样品加热体安装在所述Z轴压电陶瓷上，所述样品隔热层设置在所述样品加热体与所述Z轴压电陶瓷之间。
[0009]优选地，所述调节台包括X轴调节装置、Y轴调节装置、Z轴调节装置;所述电镜极靴所发射的电子束的轴线方向与所述样品台台面的夹角为30°，所述电子束的尖端照射到所述压头的尖端。
[0010]优选地，所述X轴调节装置能使所述样品台沿所述调节台长度方向移动，所述X轴调节装置包括设于所述调节台上表面的X轴向平移台，设于所述X轴向平移台上的X轴承载座，所述X轴承载座穿设有X轴驱动马达，所述X轴承载座固定连接有一与所述X轴驱动马达平行的X轴驱动杆，所述X轴驱动杆的端部设有X轴被动齿轮，所述X轴驱动马达上设有与所述X轴被动齿轮相啮合的X轴主动齿轮所述X轴驱动马达与所述控制单元相连接。
[0011]优选地，所述Y轴调节装置能使所述样品台沿垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座上表面的方向移动，所述Y轴调节装置包括设于所述样品台与所述调节台之间的Y轴向平移台，设于所述Y轴向平移台上的Y轴承载座，所述Y轴承载座穿射有Y轴驱动马达，所述Y轴承载座固定连接有一与所述Y轴驱动马达平行的Y轴驱动杆，所述Y轴驱动杆的端部设有Y轴被动齿轮，所述Y轴驱动马达上设有与所述Y轴被动齿轮相啮合的Y轴主动齿轮，所述Y轴驱动马达与所述控制单元相连接。
[0012]优选地，所述Z轴调节装置能使样品台沿垂直于所述调节台的长度方向且平行于所述底面上表面的方向移动，所述Z轴调节装置包括第一 Z轴驱动马达、第一 Z轴主动齿轮、第一 Z轴被动齿轮、第一 Z轴驱动杆和第二 Z轴驱动马达、第二 Z轴主动齿轮、第二 Z轴被动齿轮、第二 Z轴驱动杆以及第三Z轴驱动马达、第三Z轴主动齿轮、第三Z轴被动齿轮、第三Z轴驱动杆，所述第一 Z轴驱动马达和所述第二 Z轴驱动马达垂直设于所述样品台一侧的调节台上，所述第三Z轴驱动马达垂直设于所述样品台另一侧的调节台上，所述第一 Z轴驱动杆上的第一 Z轴被动齿轮与所述第一 Z轴主动齿轮相啮合，所述第二 Z轴驱动杆上的第二 Z轴被动齿轮与所述第二 Z轴主动齿轮相啮合，所述第三Z轴驱动杆上的第三Z轴被动齿轮与所述第三Z轴主动齿轮相啮合;所述Z轴调节装置能使所述调节台旋转，所述第一 Z轴驱动马达、第二 Z轴驱动马达和第三Z轴驱动马达分别与所述控制单元相连接。
[0013]优选地，所述压头加热体呈圆柱形，所述力传感器呈圆柱帽形，所述压头加热体套设在所述压头隔热层中并与所述压头隔热层贴合，所述力传感器的上表面与所述压头隔热层贴合，所述力传感器的侧面与所述压头座贴合。
[0014]根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果:该套原位高温压痕装置结构简单紧凑、传动平稳、有效地结合温度场和应力场，在扫描电子显微镜成像系统下可对材料的微观变形、损伤与断裂过程进行原位观测，为揭示材料在不同温度场下的力学特性和损伤机制提供了崭新的测试方法。
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为高温压痕测试单元在扫描电子显微镜样品室安装的结构示意图；
[0017]图2为所述高温压痕测试单元的一种视角的结构示意图；
[0018]图3为所述高温压痕测试单元的另一种视角的结构示意图；
[0019]图4为所述高温压痕测试单元的局部剖视图；
[0020]图5为所述高温压痕测试单元的局部示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]本发明的目的是提供一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，以解决现有技术存在的问题，原位观测材料在不同环境温度下在压头压入测试材料过程中其微观组织的演变规律以其与力学性能参数的本构关系。。
[0023]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0024]本发明提供一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，包括扫描电子显微镜38、高温压痕测试单元39、控制单元40以及计算机，高温压痕测试单元39设于扫描电子显微镜38的样品腔室41内部，控制单元40分别与扫描电子显微镜38、高温压痕测试单元39相连接，计算机与控制单元40相连接;高温压痕测试单元39包括底座1、调节台2和高温压痕机构，调节台2上设置有样品台32，调节台2设置于底座I上表面一侧，高温压痕机构设置于底座I上表面另一侧;高温压痕机构包括压头37、压头加热体36、力传感器34、压头座33、压头隔热层35、样品加热体31以及样品隔热层30;压头座33设于底座I上，压头37设置于压头加热体36之中，压头37的尖端从压头加热体36伸出，压头隔热层35和压头加热体36都设置于压头座33上，压头隔热层35位于压头加热体36与力传感器34之间，力传感器34设置于压头座33之间，压头加热体36与样品加热体31相对设置，压头37的尖端指向样品加热体31，力传感器35、压头加热体36、样品加热体31都与控制单元40相连接，压头37位于扫描电子显微镜38的电镜极靴42的下方。
[0025]样品腔室41设有舱门44，舱门44上设有功能扩展接口 45、通讯接口 46、地线接口以及光纤接口 47通过连接线与控制单元40相连接。
[0026]调节台2与样品台32之间依次设有X轴压电陶瓷27、Y轴压电陶瓷28和Z轴压电陶瓷29，Χ轴压电陶瓷27用于样品台32沿X轴向的位移微调，Y轴压电陶瓷28用于样品台32沿Y轴向的位移微调，Z轴压电陶瓷29用于样品台32沿Z轴向的位移微调，X轴压电陶瓷27、Υ轴压电陶瓷28和Z轴压电陶瓷29分别与控制单元40相连接。
[0027]样品台32设置在样品加热体31上，样品加热体31安装在Z轴压电陶瓷29上，样品隔热层30设置在样品加热体31与Z轴压电陶瓷29之间。
[0028]调节台2包括X轴调节装置、Y轴调节装置、Z轴调节装置;电镜极靴42所发射的电子束43的轴线方向与样品台32台面的夹角为30°，电子束43的尖端照射到压头37的尖端。
[0029]X轴调节装置能使样品台32沿调节台2长度方向移动，X轴调节装置包括设于调节台2上表面的X轴向平移台3，设于X轴向平移台3上的X轴承载座4，X轴承载座4穿设有X轴驱动马达5，X轴承载座4固定连接有一与X轴驱动马达5平行的X轴驱动杆8，X轴驱动杆8的端部设有X轴被动齿轮7，X轴驱动马达5上设有与X轴被动齿轮7相啮合的X轴主动齿轮6，X轴驱动马达5与控制单元40相连接。
[0030]Y轴调节装置能使样品台32沿垂直于调节台2长度方向且垂直于底座I上表面的方向移动，Y轴调节装置包括设于样品台32与调节台2之间的Y轴向平移台9，设于Y轴向平移台9上的Y轴承载座10，Y轴承载座10穿射有Y轴驱动马达11，Y轴承载座10固定连接有一与Y轴驱动马达11平行的Y轴驱动杆14，Υ轴驱动杆14的端部设有Y轴被动齿轮13，Υ轴驱动马达11上设有与Y轴被动齿轮13相啮合的Y轴主动齿轮12，Y轴驱动马达11与控制单元40相连接。
[0031]Z轴调节装置能使样品台32沿垂直于调节台2的长度方向且平行于底面上表面的方向移动，Z轴调节装置包括第一 Z轴驱动马达15、第一 Z轴主动齿轮16、第一 Z轴被动齿轮17、第一 Z轴驱动杆18和第二 Z轴驱动马达19、第二 Z轴主动齿轮20、第二 Z轴被动齿轮21、第二 Z轴驱动杆22以及第三Z轴驱动马达23、第三Z轴主动齿轮24、第三Z轴被动齿轮25、第三Z轴驱动杆26，第一 Z轴驱动马达15和第二 Z轴驱动马达19垂直设于样品台32—侧的调节台2上，第三Z轴驱动马达23垂直设于样品台32另一侧的调节台2上，第一 Z轴驱动杆18上的第一Z轴被动齿轮17与第一 Z轴主动齿轮16相啮合，第二 Z轴驱动杆22上的第二 Z轴被动齿轮21与第二 Z轴主动齿轮20相啮合，第三Z轴驱动杆26上的第三Z轴被动齿轮25与第三Z轴主动齿轮24相啮合;Z轴调节装置能使调节台2旋转，第一 Z轴驱动马达15、第二 Z轴驱动马达19和第三Z轴驱动马达23分别与控制单元40相连接。
[0032]压头加热体36呈圆柱形，力传感器35呈圆柱帽形，压头加热体36套设在力传感器35中并与力传感器贴合，力传感器的上表面与压头隔热层34贴合，力传感器的侧面与压头座33贴合。
[0033]进行高温压痕测试时，首先将样品平放置于样品台，操作人员通过计算机开启X轴驱动马达5、Υ轴驱动马达11、第一 Z轴驱动马达15、第二 Z轴驱动马达19和/或第三Z轴驱动马达实现样品台32在Χ、Υ、Ζ方向的粗调，粗调使样品大致位于压头37附近;然后通过计算机控制X轴压电陶瓷27、Υ轴压电陶瓷28和/或Z轴压电陶瓷29实现样品台在Χ、Υ、Ζ方向的微调，经过微调使样品准确的位于压头37正下方，方便进行高温压痕测试。然后通过计算机开启压头加热体36和样品加热体31，同时对压头37和样品进行加热，待加热到指定温度后，通过计算机开启Y轴驱动马达11使样品向压头的方向运动，也就是使压头37按压样品，计算机通过控制单元收集到的力传感器35、Χ轴压电陶瓷27、Υ轴压电陶瓷28和Z轴压电陶瓷29的信号计算并得到样品的应力应变曲线，同时还可以用扫描电子显微镜动态的监测材料在不同环境温度下在压痕过程中其微观组织结构变化以及裂纹的萌生、扩展等微观力学行为。
[0034]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0035]本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1.一种基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:包括扫描电子显微镜、高温压痕测试单元、控制单元以及计算机，所述高温压痕测试单元设于所述扫描电子显微镜的样品腔室内部，所述控制单元分别与所述扫描电子显微镜、所述高温压痕测试单元相连接，所述计算机与所述控制单元相连接;所述高温压痕测试单元包括底座、调节台和高温压痕机构，所述调节台上设置有所述样品台，所述调节台设置于所述底座上表面一侧，所述高温压痕机构设置于所述底座上表面另一侧;所述高温压痕机构包括压头、压头加热体、压头隔热层、压头座、力传感器、样品加热体以及样品隔热层;所述压头座设于所述底座上，所述压头设置于所述压头加热体之中，所述压头的尖端从所述压头加热体伸出，所述压头隔热层和压头加热体都设置于所述压头座上，所述压头隔热层位于所述压头加热体与所述压头座之间，所述力传感器设置于所述压头座与所述压头隔热层之间，所述压头加热体与所述样品加热体相对设置，所述压头的尖端指向所述样品加热体，所述力传感器、压头加热体、样品加热体都与所述控制单元相连接，所述压头的尖端位于所述扫描电子显微镜的电镜极靴的正下方。2.根据权利要求1所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述样品腔室设有舱门，所述舱门上设有功能扩展接口、通讯接口、地线接口以及光纤接口通过连接线与所述控制单元相连接。3.根据权利要求1所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述调节台与样品台之间依次设有X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷，所述X轴压电陶瓷用于所述样品台沿X轴向的位移微调，所述Y轴压电陶瓷用于所述样品台沿Y轴向的位移微调，所述Z轴压电陶瓷用于所述样品台沿Z轴向的位移微调，所述X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷分别与所述控制单元相连接。4.根据权利要求3所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述样品台设置在所述样品加热体上，所述样品加热体安装在所述Z轴压电陶瓷上，所述样品隔热层设置在所述样品加热体与所述Z轴压电陶瓷之间。5.根据权利要求4所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述调节台包括X轴调节装置、Y轴调节装置、Z轴调节装置;所述电镜极靴所发射的电子束的轴线方向与所述样品台台面的夹角为30°，所述电子束的尖端照射到所述压头的尖端。6.根据权利要求5所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述X轴调节装置能使所述样品台沿所述调节台长度方向移动，所述X轴调节装置包括设于所述调节台上表面的X轴向平移台，设于所述X轴向平移台上的X轴承载座，所述X轴承载座穿设有X轴驱动马达，所述X轴承载座固定连接有一与所述X轴驱动马达平行的X轴驱动杆，所述X轴驱动杆的端部设有X轴被动齿轮，所述X轴驱动马达上设有与所述X轴被动齿轮相啮合的X轴主动齿轮所述X轴驱动马达与所述控制单元相连接。7.根据权利要求5所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述Y轴调节装置能使所述样品台沿垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座上表面的方向移动，所述Y轴调节装置包括设于所述样品台与所述调节台之间的Y轴向平移台，设于所述Y轴向平移台上的Y轴承载座，所述Y轴承载座穿射有Y轴驱动马达，所述Y轴承载座固定连接有一与所述Y轴驱动马达平行的Y轴驱动杆，所述Y轴驱动杆的端部设有Y轴被动齿轮，所述Y轴驱动马达上设有与所述Y轴被动齿轮相啮合的Y轴主动齿轮，所述Y轴驱动马达与所述控制单元相连接。8.根据权利要求5所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述Z轴调节装置能使样品台沿垂直于所述调节台的长度方向且平行于所述底面上表面的方向移动，所述Z轴调节装置包括第一 Z轴驱动马达、第一 Z轴主动齿轮、第一 Z轴被动齿轮、第一 Z轴驱动杆和第二 Z轴驱动马达、第二 Z轴主动齿轮、第二 Z轴被动齿轮、第二 Z轴驱动杆以及第三Z轴驱动马达、第三Z轴主动齿轮、第三Z轴被动齿轮、第三Z轴驱动杆，所述第一 Z轴驱动马达和所述第二 Z轴驱动马达垂直设于所述样品台一侧的调节台上，所述第三Z轴驱动马达垂直设于所述样品台另一侧的调节台上，所述第一 Z轴驱动杆上的第一 Z轴被动齿轮与所述第一 Z轴主动齿轮相啮合，所述第二 Z轴驱动杆上的第二 Z轴被动齿轮与所述第二 Z轴主动齿轮相啮合，所述第三Z轴驱动杆上的第三Z轴被动齿轮与所述第三Z轴主动齿轮相啮合；所述Z轴调节装置能使调节台旋转，所述第一 Z轴驱动马达、第二 Z轴驱动马达和第三Z轴驱动马达分别与所述控制单元相连接。9.根据权利要求1所述的基于扫描电子显微镜的原位高温压痕测试系统，其特征在于:所述压头加热体呈圆柱形，所述力传感器呈圆柱帽形，所述压头加热体套设在所述压头隔热层中并与所述压头隔热层贴合，所述力传感器的上表面与所述压头隔热层贴合，所述力传感器的侧面与所述压头座贴合。
【文档编号】G01N3/54GK105928812SQ201610522131
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】张跃飞, 王晋, 赵波慧
【申请人】北京工业大学