本实用新型属于材料力学行为精密测试领域，特别涉及一种微型脆性材料断裂行为测试装置。
背景技术：
了解材料的断裂行为对器件、结构的可靠性设计具有重要指导意义，传统的材料断裂行为测试以宏观实验为主，测试的主要参数为断裂韧性。随着科技的发展，各种器件、结构的工作环境越来越复杂，迫使人们发展设计高可靠性的材料，人们不但需要测出材料的断裂韧性，还要了解材料断裂过程及影响材料断裂行为的微观因素。目前，学者们已经开发出了一些小型实验平台，但是这些平台用于测试脆性材料的断裂行为时，存在精度、灵敏度不够、控制难等问题，为此，我们研发了一套脆性材料断裂行为的测试装置，本实用新型采用手动荷载控制装置和压电致动器来控制荷载，手动荷载控制装置用于对材料施加预荷载，压电致动器用于对材料施加可控载荷，荷载通过信号采集卡、数据处理单元进行记录和分析。
与传统材料断裂韧性测试装置相比，本实用新型荷载的控制精度很高；另外，该装置结构紧凑，可与显微镜(光学、扫描、透射)结合，在得到材料的断裂韧性、裂纹扩展增韧曲线等数据的同时，原位观测记录材料断裂过程及裂纹尖端的微结构演化行为。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种荷载控制精度高且结构紧凑的微型脆性材料断裂行为测试装置。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种微型脆性材料断裂行为测试装置，包括外框、第一固定件、试样夹具、第二固定件、压电致动器、力传感器、手动荷载加载装置、力传感器固定件、驱动电源、控制单元和数据采集单元；其中：
外框内沿长度方向依次设有第一固定件、试样夹具、第二固定件、压电致动器、力传感器；外框两相对内侧壁分别设有沿长度方向的轨道，第一固定件和第二固定件的两端分别设于两轨道上并可沿轨道滑动；试样夹具设于第一固定件和第二固定件上且位于第一固定件和第二固定件之间，压电致动器两端分别连接第二固定件和力传感器；
手动荷载加载装置和力传感器固定件分别设于外框的两外端；手动荷载加载装置连接第一固定件，其用来调节第一固定件位置和对试样夹具上夹持的试样进行荷载预加载；力传感器固定件用来将力传感器固定于外框上；
驱动电源用来给压电致动器提供电场，控制单元用来控制驱动电源；数据采集单元与力传感器信号连接，用来采集力传感器的输出信号。
作为优选，压电致动器包括压电元件、两绝缘件和两连接件；
所述的压电元件是由第一压电单元和第二压电单元在厚度方向交替层叠组成的叠层结构体，压电元件最外侧的两压电单元同时为第一压电单元或第二压电单元，叠层结构体中第一压电单元和第二压电单元的总数不小于2；第一压电单元的上表面和下表面分别带有第一内部电极和第二内部电极，第二压电单元的上表面和下表面分别带有第二内部电极和第一内部电极；第一压电单元和第二压电单元呈长条状，尺寸均为a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm；
所有的第一内部电极均引出到第一导电件，所有的第二内部电极均引出到第二导电件，驱动电源通过第一导电件和第二导电件分别向第一内部电极和第二内部电极施加驱动电压；
两连接件分别设于压电元件两端，压电元件上与连接件接触的区域覆盖绝缘件。
进一步的，内部电极不完全覆盖压电单元的长度方向，同时，内部电极完全或部分覆盖压电单元的宽度方向；这里，内部电极为第一内部电极或第二内部电极，压电单元为第一压电单元或第二压电单元；其中：
第一压电单元上表面上，电极区域位于非电极区域的第一侧；其下表面上，电极区域位于非电极区域的第二侧；第二压电单元下表面上，电极区域位于非电极区域的第一侧；其上表面上，电极区域位于非电极区域的第二侧。
进一步的，压电致动器两端分别通过第二螺纹杆和第三螺纹杆连接第二固定件和力传感器。
进一步的，外框仅包括4个侧壁，上下两面通透贯穿。
作为优选，试样夹具包括第一夹板、第二夹板、第一底板和第二底板，第一夹板设于第一固定件上与第二固定件相对的一端，第二夹板设于第二固定件上与第一固定件相对的一端；第一底板和第二底板分别固定于第一夹板和第二夹板上。
进一步的，手动荷载加载装置包括手柄和第一螺纹杆，第一螺纹杆一端连接手柄，另一端连接第一固定件。
进一步的，力传感器固定件由内外两侧均带螺纹的空心螺纹杆和套于空心螺纹杆外的螺帽组成，力传感器上所设第四螺纹杆套接于空心螺纹杆内。
与传统材料断裂韧性测试装置相比，本实用新型具有以下优点：
(1)采用压电致动器施加荷载，荷载控制精度高。
(2)结构紧凑，可与显微镜(光学、扫描和透射)结合，获得材料的断裂韧性、裂纹扩展增韧曲线等数据的同时，还可以原位观测记录材料断裂过程及裂纹尖端的微结构演化过程。
(3)优选方案中，本实用新型采用的叠层致动器基于压电材料的横向效应(即d31效应)，可进一步提高荷载控制精度。
附图说明
图1为本实用新型装置的具体结构示意图；
图2为压电致动器的具体结构示意图；
图3为试样夹具的具体结构示意图；
图4为本实用新型装置的应用实例示意图。
图中，1-外框，2-第一固定件，3-第二固定件，4a-第一底板，4b-第二底板，5-压电致动器，6-力传感器，7-手柄，8-力传感器固定件，9-驱动电源，10-控制单元，11-数据采集单元，12-第一螺纹杆，13-第二螺纹杆，14-第三螺纹杆，15-第四螺纹杆，16-压电元件，17-绝缘件，18-连接件，19a-第一夹板，19b-第二夹板，20-试样，21-显微镜，22-图像采集装置，23-计算机。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型技术方案及其技术效果做进一步说明。
参见图1，微型脆性材料断裂行为测试装置包括外框1、第一固定件2、试样夹具4、第二固定件3、压电致动器5、力传感器6、手动荷载加载装置、力传感器固定件8、驱动电源9、控制单元10和数据采集单元11。外框1内沿长度方向依次设有第一固定件2、试样夹具4、第二固定件3、压电致动器5、力传感器6。外框1两相对内侧壁还设有沿长度方向的轨道(未在图中画出)，第一固定件2和第二固定件3的两端设于两轨道上并可沿轨道滑动。试样夹具4设于第一固定件2和第二固定件3上且位于第一固定件2和第二固定件3之间，压电致动器5两端分别连接第二固定件3和力传感器6。手动荷载加载装置和力传感器固定件8分别设于外框1的两外端。手动荷载加载装置连接第一固定件2，其用来调节第一固定件2位置和对试样夹具4上夹持的试样进行荷载预加载。力传感器固定件8用来将力传感器6固定于外框1上。驱动电源9用来给压电致动器5提供电场，控制单元10用来控制驱动电源9；数据采集单元11与力传感器6信号连接，用来采集力传感器6的输出信号。
内置轨道的外框1要求结构刚度高、抗拉压性能好，本实施例外框1为长方体形的不锈钢外框，尺寸最大为200mm*50mm*30mm。所述的外框1仅包括4个侧壁，上下两面通透贯穿。沿长度方向的两相对侧壁内设轨道，沿宽度方向的两相对侧壁外分别固定有手动荷载加载装置和力传感器固定件8。
本实施例中，手动荷载加载装置包括手柄7和第一螺纹杆12，第一螺纹杆12一端连接手柄7，另一端连接第一固定件2。第一固定件2的左端设有与第一螺纹杆12匹配的螺纹孔，第一螺纹杆12与该螺纹孔匹配连接。第二固定件3的右端设有第二螺纹杆13，第二螺纹杆13与压电致动器5左端的螺纹孔匹配连接。力传感器6左端设有第三螺纹杆14，第三螺纹杆14与压电致动器5右端的螺纹孔匹配连接。力传感器固定件8包括内外两侧均带螺纹的空心螺纹杆和套于空心螺纹杆外的螺帽，力传感器固定件8固定于外框1上。力传感器6右端设有第四螺纹杆15，第四螺纹杆15与空心螺纹杆内侧螺纹匹配，通过将第四螺纹杆15与空心螺纹杆连接，从而实现力传感器6的固定。
本实施例中，驱动电源9按照控制单元10指定的电压施加到压电致动器5上，使压电致动器5产生致动位移。数据采集单元11用来采集力传感器6输出的信号，并将采集的模拟信号转化成数字信号。
见图2，压电致动器5包括压电元件16、绝缘件17和连接件18。压电元件16是由第一压电单元和第二压电单元在厚度方向交替层叠组成的叠层结构体，压电元件最外侧的两压电单元同时为第一压电单元或第二压电单元，叠层结构体中第一压电单元和第二压电单元的总数不小于2；第一压电单元的上表面和下表面分别带有第一内部电极和第二内部电极，第二压电单元的上表面和下表面分别带有第二内部电极和第一内部电极；第一压电单元和第二压电单元呈长条状，尺寸均为a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm。所有的第一内部电极均引出到第一导电件，所有的第二内部电极均引出到第二导电件，驱动电源9通过第一导电件和第二导电件分别向第一内部电极和第二内部电极施加驱动电压。两连接件18分别设于压电元件16两端，两连接件18上分别设有与第二螺纹杆13、第三螺纹杆14匹配的螺纹孔。压电元件16上与连接件18接触的区域覆盖有绝缘件17，绝缘件17用来对连接件18进行绝缘保护。本实施例压电致动器的压电元件，其长度方向的尺寸远大于厚度方向，该压电元件基于d31效应，可直接输出拉伸致动，且具有较大的输出力。
见图3，试样夹具包括第一夹板19a、第二夹板19b、第一底板4a和第二底板4b，第一夹板19a设于第一固定件2上与第二固定件3相对的一端，第二夹板19b设于第二固定件3上与第一固定件2相对的一端；第一底板4a和第二底板4b通过螺栓分别固定于第一夹板19a和第二夹板19b上，试样20通过销钉同时固定于第一底板4a和第二底板4b上。
下面将结合图4，以试样的紧凑拉伸原位力学测试为例，提供本实用新型装置的工作流程。
(1)制备试样，试样尺寸要在允许尺寸范围内，如尺寸为20mm*20mm*3mm的试样。
(2)采用螺栓将试样夹具固定于第一固定件2和第二固定件3上。
(3)分别调试和校准力传感器6和压电致动器5，拧动手动荷载加载装置的手柄7，将第一固定件2和第二固定件3调至和试样匹配的初始位置。
(4)用销钉将试样固定于试样夹具上。
(5)旋转手柄7对试样进行加载，直至加载到设定的预加载的荷载值。
(6)将外框1置于显微镜21的载物台上，调节焦距并对焦，拧动手柄7，将荷载缓慢加载到预设荷载附近(小于极限荷载)，粗调荷载；再利用压电致动器5缓慢加载，直至试样断裂。整个过程可在显微镜21下观察，也可以通过图像采集装置22拍摄并传输至计算机23；同时，计算机23还通过数据采集单元11记录荷载变化。
(7)对计算机23记录下的荷载变化数据和影像资料进行整理分析。
上述方法可可获得试样的断裂韧性、裂纹扩展增韧曲线等数据，还能结合图像采集装置22拍摄的影像资料分析试样的损伤变形机理，以及裂纹扩展过程中裂纹尖端的物理现象等力学行为，可对试样断裂行为的深入研究提供必要的技术支持。
本文中所描述的具体实例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了外框、第一固定件、第二固定件、试样夹具、压电致动器、力传感器、手动荷载加载装置、力传感器固定件、驱动电源、控制单元、数据采集单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。