本实用新型涉及原位力学性能测试领域，特别是涉及一种小型高温压痕力学性能测试设备。
背景技术：
现如今以微纳米压痕为手段研究材料的力学性能以及在外力作用下材料的组织结构形貌变化已经成为材料研究领域重要的工具和手段。随着科学技术的不断发展，如何对工作环境条件下的材料进行表征是商业与自主仪器设备的最终目标。压痕设备经过多年的发展，以成为材料研究的重要仪器，但传统商业微纳米压痕设备的缺点体积大，结构复杂，很难与其它设备组合集成，只能单独使用其本身功能，难以进行拓展研究，特别是对于高温合金、热障涂层、陶瓷等往往工作在高温条件的材料，也仅有英国的MML公司，美国的Hysitron、Bruker几家外国公司的设备具备高温测试功能，但设备体积庞大，并不适合与其它相关设备联用。当前对材料的研究早已进入微纳米尺度，而且对仪器的要求也不仅仅局限于简单的物理化学参数表征功能，更为重要的是记录研究其在工况下微观组织结构随外场作用的实时变化情况。这样的要求就需要将传统的压痕设备小型化、灵活化，以便于同扫描电子显微镜，光学显微镜等具备实时观测功能的设备进行集成。当下可与扫描电子显微镜进行集成表征的高温压痕设备基本都属与国外的商业公司产品，且数量种类很少，如美国Hysitron、Nanomechanics，瑞士Alemins，但其价格昂贵，加载载荷小，加载速度快，加载过程波动大，这些不稳定因素对材料的原位压痕试验有一定的缺陷，且在材料裂纹萌生或组织变化初始不能精确地暂定，存在延迟，这些都不利于在扫描电子显微镜中实时观测样品形貌组织结构变化的过程。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种小型高温压痕力学性能测试设备，以解决上述现有技术存在的问题，使其结构可靠，加载稳定，测试数据准确，降低使用成本。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
本实用新型提供一种小型高温压痕力学性能测试设备，包括底板、Z向压电陶瓷模块、高温压头、安装底座、二维压电陶瓷模块、样品台和控制器，底板上沿长度方向设有Z向移动导轨，Z向移动导轨上滑动连接有Z向移动板，Z向移动板由Z向驱动装置驱动沿Z向移动导轨往复滑动；Z向压电陶瓷模块设置于Z向移动板上，Z向压电陶瓷模块上安装有压头安装板；高温压头安装于压头安装板的一端；安装底座连接于底板沿长度方向的一端，且安装底座的长度方向平行于底板的宽度方向；安装底座上沿长度方向设有X向移动导轨，X向移动导轨上滑动连接有X向移动板，X向移动板由X向驱动装置驱动沿X向移动导轨往复滑动，X向移动板上设有Y向移动导轨，Y向移动导轨的长度方向垂直于底板的平面方向，Y向移动导轨上滑动连接有Y向移动板，Y向移动板由Y向驱动装置驱动沿Y向移动导轨往复滑动；二维压电陶瓷模块包括上下设置且连接的X向压电陶瓷模块和Y向压电陶瓷模块，二维压电陶瓷模块设置于Y向移动板上，二维压电陶瓷模块通过压电陶瓷模块上板连接有力传感器，力传感器上连接有隔热底座；样品台连接于隔热底座上，样品台上设有加热器以加热样品台；所述X向驱动装置、所述Y向驱动装置和所述Z向驱动装置均与所述控制器通信连接，所述控制器分别与所述力传感器和所述加热器通信连接。
优选的，所述Z向驱动装置包括Z向电机，所述Z向电机通过Z向电机固定座连接于所述底板上，所述Z向电机输出轴通过联轴器连接有Z向精密调整丝杠，所述Z向精密调整丝杠螺纹连接有一Z向螺母，所述Z向螺母固定连接有所述Z向移动板。
优选的，还包括一光栅位移传感器，所述Z向移动板上通过第一固定板连接有位移传感器滑动板，所述光栅位移传感器的读数头设置于所述位移传感器滑动板上，所述光栅传感器的标尺设置于一位移传感器固定板上，所述位移传感器滑动板与所述位移传感器固定板滑动连接，且所述位移传感器固定板通过第二固定板连接于所述底板上。
优选的，所述X向驱动装置包括X向电机，所述X向电机通过X向电机固定座连接于所述安装底座上，所述X向电机的输出轴连接有一X向电机齿轮，所述X向电机齿轮啮合有一X向丝杠齿轮，所述X向丝杠齿轮固定连接有一X向精密调整丝杠，所述X向精密调整丝杠的轴向方向和所述X向电机的轴向方向均平行于所述底板的宽度方向，且所述X向精密调整丝杠螺纹连接有一X向螺母，所述X向螺母固定连接于X向螺母安装板上，所述X向螺母安装板连接于所述X向移动板上，且所述X向螺母安装板自由套设于所述X向电机外并能够沿所述X向电机的轴向自由移动。
优选的，所述Y向驱动装置包括Y向电机，所述Y向电机通过Y向电机固定座连接于所述底板上，所述Y向电机的输出轴连接有一Y向电机齿轮，所述Y向电机齿轮啮合有一Y向丝杠齿轮，所述Y向丝杠齿轮固定连接有一Y向精密调整丝杠，所述Y向精密调整丝杠的轴向方向和所述Y向电机的轴向方向均垂直于所述底板，且所述Y向精密调整丝杠螺纹连接有一Y向螺母，所述Y向螺母固定连接于Y向螺母安装板上，所述Y向螺母安装板连接于所述Y向移动板上，且所述Y向螺母安装板自由套设于所述Y向电机外并能够沿所述Y向电机的轴向自由移动。
优选的，所述压头安装板上设有铝散热结构，所述铝散热结构和所述压头安装板均通过安装螺钉与所述Z向压电陶瓷模块连接，所述压头安装板与所述Z向压电陶瓷模块之间设有多个隔热陶瓷衬套，各所述安装螺钉均穿过一个所述隔热陶瓷衬套后与所述Z向压电陶瓷模块连接。
优选的，所述样品台一端设有一固定柱，所述固定柱上设有所述加热器，所述加热器为加热钨丝，所述样品台连接于所述隔热底座的外端时，所述固定柱伸入至所述隔热底座内，所述隔热底座为氧化锆陶瓷底座，所述样品台为氧化铝样品台；所述样品台上还设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制器通信连接。
优选的，所述隔热陶瓷衬套为氧化锆陶瓷衬套，所述底板为紫铜底板，所述安装底座为不锈钢底座，所述高温压头为难熔钼合金压头，所述高温压头尖端为金刚石针尖。
优选的，所述Z向移动导轨为双交叉辊子导轨，所述X向精密调整丝杠的螺距、所述Y向精密调整丝杠的螺距和所述Z向精密调整丝杠的螺距均为200～300微米。
优选的，还包括一顶板，所述顶板连接于所述底板沿长度方向的一端并与所述安装底座相对平行设置。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
本实用新型提供的小型高温压痕力学性能测试设备，X向压电陶瓷模块包括X向压电陶瓷和X向闭环控制系统，Y向压电陶瓷模块包括Y向压电陶瓷和Y向闭环控制系统，Z向压电陶瓷模块包括Z向压电陶瓷和Z向闭环控制系统，X向闭环控制系统能够获得X向压电陶瓷的位移信息并控制X向压电陶瓷的位移，Y向闭环控制系统能够获得Y向压电陶瓷的位移信息并控制Y向压电陶瓷的位移，Z向闭环控制系统能够获得Z向压电陶瓷的位移信息并控制Z向压电陶瓷的位移；并且通过控制器控制X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置，驱动X向驱动装置和Y向驱动装置带动样品台移动，驱动Z向驱动装置带动高温压头移动，从而实现样品台上的样品与高温压头相对位置的粗调，使样品的待测区域基本位于高温压头下方，接着通过X向压电陶瓷模块和Y向压电陶瓷模块的精密调节，可使样品表面待测区域或结构位于高温压头正下方并通过控制器控制加热器开始样品加热，当样品到达设置温度后通过Z向压电陶瓷模块的精密调节，控制高温压头自动接近并压入样品。位移调节精度高，结构可靠，加载稳定，大大提高了测试数据的准确性，降低了使用成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的小型高温压痕力学性能测试设备的轴侧结构示意图；
图2为本实用新型提供的小型高温压痕力学性能测试设备另一角度的轴侧结构示意图；
图中：1-底板；2-Y向螺母安装板；3-安装底座；4-Y向电机；5-Y向电机齿轮；6-Y向丝杠齿轮；7-Y向精密调整丝杠；8-Y向电机固定座；9-X向螺母安装板；10-X向电机；11-X向电机齿轮；12-X向精密调整丝杠；13-X向丝杠齿轮；14-力传感器；15-位移传感器固定板；16-隔热底座；17-位移传感器滑动板；18-光栅位移传感器的读数头；19-第一固定板；20-铝散热结构；21-顶板；22-压头安装板；23-第二固定板；24-Z向压电陶瓷模块；25-Z向螺母；26-Z向精密调整丝杠；27-联轴器；28-样品台；29-Z向电机固定座；30-压电陶瓷模块上板；31-二维压电陶瓷模块；32-Z向移动导轨；33-Z向移动板；34-隔热陶瓷衬套；35-加热器；36-高温压头；37-X向移动导轨上；38-X向移动板；39-Y向移动导轨上；40-Y向移动板；41-X向电机固定座；42-固定柱。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种小型高温压痕力学性能测试设备，以解决上述现有技术存在的问题，使其结构可靠，加载稳定，测试数据准确，降低使用成本。
为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供一种小型高温压痕力学性能测试设备，如图1～2所示，包括底板1、Z向压电陶瓷模块24、高温压头36、安装底座3、二维压电陶瓷模块31、样品台28和控制器，底板1上沿长度方向设有Z向移动导轨32，Z向移动导轨32上滑动连接有Z向移动板33，Z向移动板33由Z向驱动装置驱动沿Z向移动导轨32往复滑动；Z向压电陶瓷模块24设置于Z向移动板33上，Z向压电陶瓷模块24上安装有压头安装板22；高温压头36安装于压头安装板22的一端；安装底座3连接于底板1沿长度方向的一端，且安装底座3的长度方向平行于底板1的宽度方向；安装底座3上沿长度方向设有X向移动导轨37，X向移动导轨37上滑动连接有X向移动板38，X向移动板38由X向驱动装置驱动沿X向移动导轨37往复滑动，X向移动板38上设有Y向移动导轨39，Y向移动导轨39的长度方向垂直于底板1的平面方向，Y向移动导轨39上滑动连接有Y向移动板40，Y向移动板40由Y向驱动装置驱动沿Y向移动导轨39往复滑动；二维压电陶瓷模块31包括上下设置且连接的X向压电陶瓷模块和Y向压电陶瓷模块，二维压电陶瓷模块31设置于Y向移动板40上，二维压电陶瓷模块31通过压电陶瓷模块上板30连接有力传感器14，力传感器14上连接有隔热底座16；样品台28连接于隔热底座16上，样品台28上设有加热器35以加热样品台28；X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置均与控制器通信连接，控制器分别与力传感器14和加热器35通信连接。
本实施例提供的小型高温压痕力学性能测试设备，X向压电陶瓷模块包括X向压电陶瓷和X向闭环控制系统，Y向压电陶瓷模块包括Y向压电陶瓷和Y向闭环控制系统，Z向压电陶瓷模块包括Z向压电陶瓷和Z向闭环控制系统，X向闭环控制系统能够获得X向压电陶瓷的位移信息并控制X向压电陶瓷的位移，Y向闭环控制系统能够获得Y向压电陶瓷的位移信息并控制Y向压电陶瓷的位移，Z向闭环控制系统能够获得Z向压电陶瓷的位移信息并控制Z向压电陶瓷的位移；并且通过控制器控制X向驱动装置、Y向驱动装置和Z向驱动装置，驱动X向驱动装置和Y向驱动装置带动样品台28移动，驱动Z向驱动装置带动高温压头36移动，从而实现样品台28上的样品与高温压头36相对位置的粗调，使样品的待测区域基本位于高温压头36下方，接着通过X向压电陶瓷模块和Y向压电陶瓷模块的精密调节，可使样品表面待测区域或结构位于高温压头36正下方并通过控制器控制加热器35开始样品加热，当样品到达设置温度后通过Z向压电陶瓷模块24的精密调节，控制高温压头36自动接近并压入样品。位移调节精度高，结构可靠，加载稳定，大大提高了测试数据的准确性，降低了使用成本。
本实施例提供的小型高温压痕力学性能测试设备，Z向驱动装置包括Z向电机29，Z向电机通过Z向电机固定座29连接于底板1上，Z向电机输出轴通过联轴器27连接有Z向精密调整丝杠26，Z向精密调整丝杠26螺纹连接有一Z向螺母25，Z向螺母25固定连接有Z向移动板33。开启Z向电机后，Z向精密调整丝杠26转动带动Z向移动板33在沿底板长度方向上的Z向移动导轨32滑动，实现高温压头36的Z向的位移粗调。
还包括一光栅位移传感器，Z向移动板33上通过第一固定板19连接有位移传感器滑动板17，光栅位移传感器的读数头18设置于位移传感器滑动板17上，光栅传感器的标尺设置于一位移传感器固定板15上，位移传感器滑动板17与位移传感器固定板15滑动连接，且位移传感器固定板15通过第二固定板23连接于底板1上；通过光栅位移传感器能够准确得知Z向移动板33的位移。本实施例提供的小型高温压痕力学性能测试设备，光栅位移传感器的分辨率0.5μm。
X向驱动装置包括X向电机10，X向电机10通过X向电机固定座41连接于安装底座1上，X向电机10的输出轴连接有一X向电机齿轮11，X向电机齿轮11啮合有一X向丝杠齿轮13，X向丝杠齿轮13固定连接有一X向精密调整丝杠12，X向精密调整丝杠12的轴向方向和X向电机10的轴向方向均平行于底板1的宽度方向，且X向精密调整丝杠12螺纹连接有一X向螺母，X向螺母固定连接于X向螺母安装板9上，X向螺母安装板9连接于X向移动板38上，且X向螺母安装板9自由套设于X向电机10外并能够沿X向电机10的轴向自由移动。开启X向电机10后，X向精密调整丝杠12转动通过X向螺母安装板9带动X向移动板38在沿安装底座3长度方向上的X向移动导轨37滑动，实现样品台28在X向的位移粗调。
Y向驱动装置包括Y向电机4，Y向电机4通过Y向电机固定座8连接于底板1上，Y向电机4的输出轴连接有一Y向电机齿轮5，Y向电机齿轮5啮合有一Y向丝杠齿轮6，Y向丝杠齿轮6固定连接有一Y向精密调整丝杠7，Y向精密调整丝杠7的轴向方向和Y向电机4的轴向方向均垂直于底板1，且Y向精密调整丝杠7螺纹连接有一Y向螺母，Y向螺母固定连接于Y向螺母安装板2上，Y向螺母安装板2连接于Y向移动板40上，且Y向螺母安装板2自由套设于Y向电机4外并能够沿Y向电机4的轴向自由移动。开启Y向电机4后，Y向精密调整丝杠7转动通过Y向螺母安装板2带动Y向移动板40在沿安装底座长度方向上的Y向移动导轨39滑动，实现样品台28在Y向的位移粗调。
压头安装板22上设有铝散热结构20，铝散热结构20和压头安装板22均通过安装螺钉与Z向压电陶瓷模块24连接，压头安装板22与Z向压电陶瓷模块24之间设有多个隔热陶瓷衬套34，各安装螺钉均穿过一个隔热陶瓷衬套34后与Z向压电陶瓷模块24连接。铝散热结构20能够有效降低压头安装板22的温度，隔热陶瓷衬套34能够有效隔绝压头安装板22与Z向压电陶瓷模块24之间的温度传导，保证Z向压电陶瓷模块24的使用精度。
样品台28一端设有一固定柱42，固定柱42上设有加热器35，加热器35为加热钨丝，加热钨丝缠绕于固定柱42上；样品台28连接于隔热底座16的外端时，固定柱42伸入至隔热底座16内，隔热底座16为氧化锆陶瓷底座，样品台28为氧化铝样品台；样品台28上还设有温度传感器，温度传感器与控制器通信连接。钨丝在真空中加热稳定，功率低，发热量大，升温速度快。隔热底座16为氧化锆陶瓷底座，且在垂直样品台方向为薄壁结构，能够有效隔绝样品热量向X向压电陶瓷模块和Y向压电陶瓷模块传导，避免影响其使用精度。
本实施例提供的小型高温压痕力学性能测试设备，力传感器14可拆卸连接于压电陶瓷模块上板30和隔热底座16；在位置调节与压入过程中，力传感器14、光栅位移传感器、温度传感器通过控制器显示实时数据，比对数据进行简单分析得到样品压入过程中的力位移曲线，硬度和弹性模量值。该小型高温压痕力学性能测试设备可通过更换力传感器14提供不同精度与量程的压力，最大可达15N，加热温度可达850摄氏度，整体压痕过程稳定，试验结果数据可靠。
隔热陶瓷衬套34为氧化锆陶瓷衬套，导热系数小(传统不锈钢的20分之一)，有效隔绝了压头安装板22与Z向压电陶瓷模块24之间的温度传导；底板1为紫铜底板，导热性能好，加热器35加热过程中产生的热量能够通过底板1进行有效散热，降低整个装置的温度，提高实验精度；高温压头36为难熔钼合金压头，耐高温，高温压头36尖端为金刚石针尖，硬度大，提高压痕实验精度；安装底座3为不锈钢底座，刚度大，受力变形小，安装底座3在实验过程中的变形小，能够减少在压痕过程中由于安装底座3的变形而对样品压入深度造成的误差。
Z向移动导轨32为双交叉辊子导轨，X向精密调整丝杠12的螺距、Y向精密调整丝杠7的螺距和Z向精密调整丝杠26的螺距均为200～300微米。
还包括一顶板21，顶板21连接于底板1沿长度方向的相对于安装底座3的另一端并与安装底座3相对平行设置。
本产品体积小重量轻，X、Y、Z三向都可以达到纳米级的控制精度要求，适于配合扫描电子显微镜完成材料微观力学性能，组织结构在受力情况的实时变化，并配合高温条件可以做一些高温工作条件下材料的原位实时观测试验。
使用本实施例提供的小型高温压痕力学性能测试设备进行实验时，首先将样品通过无弹性胶粘结在样品台28上，通过控制器控制X向电机10和Y向电机4驱动样品台28移动，将样品置于到高温压头36正下方，控制器控制X向电机10和Y向电机4停止工作；随后通过控制器控制Z向电机将高温压头36靠近样品，直到力传感器14示数增大，此时控制器控制Z向电机工作停止，开启加热器35加热样品台28，通过控制Z向压电陶瓷模块24带动高温压头36后退，使力传感器14值恢复初始。此时开始自动控制模式，Z向压电陶瓷模块24带动高温压头36以一定的步长速度，可实现一定压入深度或一定压入载荷的试验过程，并通过控制器的上位机软件实时获取力位移曲线，通过该曲线可以得到材料的力学性能参数。在扫描电镜中可以通过调节二维压电陶瓷模块31使微小区域处于高温压头36下方，实现指定区域指定结构的试验。
本实用新型中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。