一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置及方法与流程

本发明涉及材料微纳尺度扭转测试技术领域，尤其涉及一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置及方法。

背景技术：

微纳尺度下材料的力学性能是设计产品的一个重要指标，其直接关乎设计产品的寿命与成败。近几年研究发现，在各类成像仪器的辅助观测下，通过微纳米扭转力学测试技术可以对试样进行原位扭转测试和对材料的微观变形及损伤过程进行原位观察等诸多关键性指标测试，对研究材料损伤机理及尺度效应，进而进行小型化产品设计等具有重要的参考价值，受到了各国政府和研究机构的高度关注。

目前，用于材料微纳尺度扭转测试的实验平台大多采用接触式支撑，而且设备的体积较大，同时存在试样装卡对中困难以及对测试材料扭转过程中的预拉力处理模糊等问题，故现有设备仍存在测量精度和灵敏度不够高，精密测量信噪比低，实验调试难度大，测试效率低等问题。因此，通过优化实验平台的测量支撑方式，改善试样装卡的对中问题，提高设备整体精度和稳定性，对搭建更高标准的材料微纳尺度扭转测试平台，探索材料微纳尺度下的不同性能，帮助并引导产品设计者建立材料微纳尺度不同性能的意识具有重要的实际意义，同时也是一项紧迫且具挑战性的工作。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置及方法，装置体积小，灵敏度高；测量范围广，重复性强；预拉力可控，数值精确；调试难度低，信噪比高；测试效率高，数据稳定。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，包括水平放置的基座1，基座1通过两根垂直布置的支撑臂2和顶盖板8连接，顶盖板8连接托架框6，托架框6的底部和顶盖板8的中部均设有支撑主轴17的磁悬浮轴承20，主轴17的中部通过两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2与托架框6的内壁连接，第一游丝7-1和第二游丝7-2在水平支撑方向呈十字交叉布置，主轴17的下端连接有上夹紧装置5-2，上夹紧装置5-2和待测试样21的上端连接，待测试样21的下端和下夹紧装置5-1连接，下夹紧装置5-1连接在伺服马达4-2的输出轴24上，伺服马达4-2固定在位置调整装置4-1上，位置调整装置4-1连接在支撑臂2上的高精度垂直移动导轨3上。

在顶盖板8的顶面设有托架框调节旋钮9，通过托架框调节旋钮9能够带动托架框6绕托架框6中心旋转；顶盖板8的顶面靠近主轴17的位置设有电磁体10，电磁体10与主轴17上端连接的上磁盘11通过磁斥力作用使主轴17悬浮；主轴17的下端设有下磁盘19，托架框6底部连接的位置检测元件18对下磁盘19上下面的位置进行检测，主轴17的顶端连接有反射镜12，反射镜12的反射面与主轴17的回转中心共面安装，在顶盖板8的顶面的边部还设有一个平行激光发射器15和测量尺14，平行激光发射器15所发出的入射光线22通过测量尺14上面的小孔照射到反射镜12，并由反射镜12反射到测量尺14上。

所述的顶盖板8的下方设有环型槽13，托架框6为圆筒型，托架框6上端靠近环形槽13处含有齿圈，三个紧固套16压紧该齿圈，齿圈的轮齿与托架框调节旋钮9下方的小齿轮连接，托架框调节旋钮9的转动可带动托架框6进行旋转。

所述的上磁盘11和下磁盘19均由外环11-1和内环11-2组成，内环11-2采用非磁性材料制成，外环11-1为永磁体，在托架框6里面的下磁盘19较顶盖板8上方的上磁盘11大，下磁盘19与位置检测元件18共同构成主轴17的轴向位置检测系统。

所述的第一游丝7-1和第二游丝7-2采用刚度较小的金属纤维丝/薄片制成。

所述的下夹紧装置5-1和上夹紧装置5-2包括通过螺纹25联接在一起的夹具外箍26和夹具内芯27，夹具外箍26和夹具内芯27的前端均为锥形面28；下夹紧装置5-1的夹具内芯27的后端与伺服马达4-2的输出轴24连接，上夹紧装置5-2的夹具内芯27的后端与主轴17的下端连接，下夹紧装置5-1和上夹紧装置5-2的夹具内芯26的前端中空，分为上下两半唇29，并且两半唇29均含有用于定位的自动定心的V型槽。

一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试方法，包括以下步骤：

第一步，将基座1放置在水平面上，启用电磁体10和上磁盘11之间的磁引力将两者吸合在一起，阻止主轴17的转动；

第二步，将待测试样21的上端锁紧在与主轴17连接的上夹紧装置5-2中，启动电磁体10和上磁盘11之间的磁斥力将主轴17缓慢拖起并稳定在悬浮状态，待测试样21的另一端在重力作用下自然垂下；

第三步，调整位置调整装置4-1的位置，使待测试样21的下端恰好垂直通过与伺服马达4-2的输出轴24连接的下夹紧装置5-1的回转中心轴线位置；

第四步，启动平行激光发射器15，使入射光线22垂直并通过主轴17的回转中心，观测反射光线23落在测量尺14上位置，通过调节托架框调节旋钮9，使入射光线22与反射光线23重合后，将待测试样21的下端锁紧在与伺服马达4-2的输出轴24相连的下夹紧装置5-1中；

第五步，启动伺服马达4-2，控制伺服马达4-2的转动，伺服马达4-2的转矩或转角通过被测试样21传递给主轴17；同时，亦通过调整主轴17上端部电磁斥力的大小和位置调整装置4-1的垂直位置，控制被测试样21预拉力的大小；主轴17带动两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2产生弹性变形，进行旋转，并通过反射镜12使平行激光发射器15发出的入射光线22呈一定角度反射到测量尺14上；

第六步，根据反射光线23落在测量尺14上位置偏移原点的距离S和反射镜12距测量尺14的距离L，即得到式(1)主轴17的旋转角度θ，

根据伺服马达4-2的转角和主轴17的旋转角度θ，得到式(2)待测试样21的扭转角度ψ，

通过两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2的扭转刚度k和待测试样21的扭转角度ψ，得到式(3)待测试样21的扭矩T和扭转角ψ的关系，

T＝k×ψ (3)

两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2的扭转刚度k通过计算公式(4)得到，

式中，M为作用在游丝上的转矩，E为材料的弹性模量，h为游丝的厚度，b为宽度，L为游丝工作弧线长度。

第七步，通过综合控制主轴17电磁斥力和伺服马达4-2的转动角度大小，即实现对待测试样21在微纳尺度的原位扭转拉伸不同性能的测试。

本发明的有益效果是：

1)装置采用垂直布置，依靠主轴17和待测试样21的自身重力作用进行对中，上夹紧装置5-2和下夹紧装置5-1采用自动定心方式，使待测试样21的对中和夹持便捷可靠。

2)采用悬浮方式对装置主轴17进行支撑，在测量的过程中较少受到摩擦作用力的干扰，并结合激光准直特性的测量方法，使测量敏感度和精确度均得到提高。

3)装置体积小，结构紧凑，从扭转力矩施加到主轴17的转角测量之间的中间传递环节较少，避免了测量的累积误差，保证了装置对微小力矩的敏感性和数据的稳定可靠性；同时，还可将该装置放置在一些成像仪器的型腔中，进行材料微尺度的各种过程观察分析。

4)采用两层双螺旋不同旋向中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2的机械结构施加阻力矩，施加方法可靠，而且避免了主轴17的偏心和正反向加载不对称问题。

5)可通过调整主轴17上端部电磁斥力的大小和位置调整装置4-1的位置，调节待测试样21的预拉力大小，进行待测试样21的拉扭合成测量，同时，利用了磁斥力大小随作用距离增大的非线性衰减特性，在对待测试样21预拉力调整过程中的保护起到了一定的作用。

附图说明

图1是本发明装置的主视剖视图。

图2是两层双螺旋不同旋向中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2的示意图。

图3是上磁盘11和下磁盘19的结构示意图。

图4是图1的A-A向剖视图。

图5是本发明装置的顶盖板8的俯视图。

图6(a)是本发明装置的上夹紧装置5-2的纵向剖视图，图6(b)是下夹紧装置5-1的纵向剖视图，图6(c)是上夹紧装置5-2和下夹紧装置5-1的夹紧端截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试装置，包括水平放置的基座1，基座1通过两根垂直布置的支撑臂2和顶盖板8连接，顶盖板8通过其下方设的环型槽13定位并连接圆筒型的托架框6，并由三个紧固套16对托架框6顶端的肩部进行压紧；托架框6的底部和顶盖板8的中部均设有支撑主轴17的磁悬浮轴承20，能够辅助支撑主轴17的径向位置，使其不与其它部件接触；主轴17的中部通过两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2与托架框6的内壁连接，第一游丝7-1和第二游丝7-2在水平支撑方向呈十字交叉布置，主轴17的下端连接有上夹紧装置5-2，上夹紧装置5-2和待测试样21的上端连接，待测试样21的下端和下夹紧装置5-1连接，下夹紧装置5-1连接在伺服马达4-2的输出轴24上，伺服马达4-2固定在位置调整装置4-1上，位置调整装置4-1连接在支撑臂2上的高精度垂直移动导轨3上。

在顶盖板8的顶面设有托架框调节旋钮9，通过托架框调节旋钮9能够带动托架框6绕托架框6中心旋转；顶盖板8的顶面靠近主轴17的位置设有电磁体10，电磁体10与主轴17上端连接的上磁盘11通过磁斥力作用使主轴17悬浮；主轴17的下端设有下磁盘19，托架框6底部连接的位置检测元件18对下磁盘19上下面的位置进行检测，主轴17的顶端连接有反射镜12，反射镜12的反射面与主轴17的回转中心共面安装，在顶盖板8的顶面的边部还设有一个平行激光发射器15和测量尺14，平行激光发射器15所发出的入射光线22通过测量尺14上面的小孔照射到反射镜12，并由反射镜12反射到测量尺14上。

所述的上磁盘11和下磁盘19均由外环11-1和内环11-2组成，内环11-2采用非磁性材料制成，仅作配重，过滤测量过程中的噪声信号，外环11-1为永磁体，在顶盖板8上方的上磁盘11通过和电磁体10的相互作用产生对试样21的预拉力，在托架框6里面的下磁盘19较顶盖板8上方的上磁盘11大，保持主轴17垂直向下，下磁盘19与位置检测元件18共同构成主轴17的轴向位置检测系统。

所述的托架框6的底部安装有四组呈对称布置的位置检测元件18，每组位置检测元件18在下磁盘19的上下面均有布置。

所述的第一游丝7-1和第二游丝7-2采用刚度较小的金属纤维丝/薄片制成，对微小力矩的变化非常敏感，第一游丝7-1和第二游丝7-2具有不同的旋向，每层对主轴17在水平方向上有两个方向的支撑，第一游丝7-1和第二游丝7-2对主轴17在水平方向上有前后左右四个方向的支撑。

如图6所示，所述的下夹紧装置5-1和上夹紧装置5-2具有相同的基本结构，包括通过螺纹25联接在一起的夹具外箍26和夹具内芯27，夹具外箍26和夹具内芯27的前端均具有锥形面28；下夹紧装置5-1的夹具内芯27的后端与伺服马达4-2的输出轴24连接，上夹紧装置5-2的夹具内芯27的后端与主轴17的下端连接，下夹紧装置5-1和上夹紧装置5-2的夹具内芯26的前端中空，分为上下两半唇29，并且两半唇29均含有用于定位的自动定心的V型槽；下夹紧装置5-1和上夹紧装置5-2在锁紧待测试样21的过程中，通过转动夹具外箍26使夹具内芯27前端的锥形面28向其回转中心收缩，夹具内芯27不转动，夹具外箍26转动但其不与待测试样21接触，因此，在夹紧过程中不会对待测试样21产生额外的力矩。

一种微纳尺度下材料扭转拉伸不同性能的测试方法，包括以下步骤：

第一步，参照图1和图4，将基座1放置在水平面上，启用电磁体10和主轴磁盘11之间的磁引力将两者吸合在一起，阻止主轴17的转动；

第二步，参照图1、图4和图6，将待测试样21的上端锁紧在与主轴17连接的上夹紧装置5-2中，启动电磁体10和上磁盘11之间的磁斥力将主轴17缓慢拖起并稳定在悬浮状态，待测试样21的另一端在重力作用下自然垂下；

第三步，参照图1和图4，调整位置调整装置4-1的位置，使待测试样21的下端恰好垂直通过与伺服马达4-2的输出轴24连接的下夹紧装置5-1的回转中心轴线位置；

第四步，参照图1、图5和图6，启动平行激光发射器15，使入射光线22垂直并通过主轴17的回转中心，观测反射光线23落在测量尺14上位置，通过调节托架框调节旋钮9，使入射光线22与反射光线23重合后，将待测试样21的下端锁紧在与伺服马达4-2的输出轴24相连的下夹紧装置5-1中；

第五步，参照图1、图2、图4、图5和图6，启动伺服马达4-2，控制伺服马达4-2的转动，伺服马达4-2的转矩(或转角)通过被测试样21传递给主轴17；同时，亦通过调整主轴17上端部电磁斥力的大小和位置调整装置4-1的垂直位置，控制被测试样21预拉力的大小；主轴17带动两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2产生弹性变形，进行旋转，并通过反射镜12使平行激光发射器15发出的入射光线22呈一定角度反射到测量尺14上；

第六步，参照图5，根据反射光线23落在测量尺14上位置偏移原点的距离S和反射镜12距测量尺14的距离L，即得到式(1)主轴17的旋转角度θ，

根据伺服马达4-2的转角和主轴17的旋转角度θ，得到式(2)待测试样21的扭转角度ψ，

通过两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2的扭转刚度k和待测试样21的扭转角度ψ，得到式(3)待测试样21的扭矩T和扭转角ψ的关系，

T＝k×ψ (3)

两层不同旋向的双螺旋中心对称的第一游丝7-1和第二游丝7-2的扭转刚度k可通过公式(4)得到，

式中，M为作用在游丝上的转矩，E为材料的弹性模量，h为游丝的厚度，b为宽度，L为游丝工作弧线长度；

第七步，参照图1和图5，通过综合控制主轴17上端部的电磁斥力和伺服马达4-2的转动角度大小，即可实现对待测试样21在微纳尺度的原位扭转拉伸不同性能的测试，亦可将该装置放置在一些成像仪器的型腔中，辅助进行试样扭转过程中的表面微观变形及损伤过程机理研究。