一种水凝胶纳米压痕区域微调节装置的制作方法

本发明涉及一种水凝胶纳米压痕区域微调节装置，特别是配合纳米压痕仪对水凝胶在位力学性能测试实验时所使用的承载调节装置，属于微尺度力学性能测试技术领域。

背景技术：

在水凝胶因良好的生物相容性而得到广泛的应用过程中，其力学性能的变化及提高引起了人们的关注。传统的水凝胶力学性能研究方法采用单轴拉伸或压缩实验，但是该方法主要研究的是较大体积水凝胶的宏观力学性能，无法完成水凝胶局部或微观结构的力学性能研究。纳米压痕实验法作为一种非破坏性的研究方法，可通过对金刚石压头施加载荷而使压头压入材料的方式，实现在微纳米尺度下对水凝胶的在位力学性能进行实验研究，具有试样制备简单、实验接近无损、定位精度高和适用范围广等优点。但当前纳米压痕仪使用的承载装置无法实现对于水凝胶的直接承载，且由于承载平台高度不能调节、承载面积小等缺点，大大增加了实验难度。因此对水凝胶纳米压痕区域微调节装置的研究具有很高的实用价值。

当前的纳米压痕实验过程中，试样承载装置可以对金相试样或者粘结在固定台上的试样进行固定，但是在水凝胶试样的直接承载和试样高度调节中依然存在一些问题：

(1)现如今纳米压痕实验中的试样承载部位底部支撑为螺钉，无法实现对于水凝胶材料的直接承载，必须通过金相镶嵌或者粘结在其它试样的方式对水凝胶先进行固定承载后，再置于纳米压痕实验承载装置的螺钉上。该承载固定方法较为复杂，效率低，增加了实验难度。

(2)在试样固定过程中，现有纳米压痕承载装置对试样的固定方法为底部螺钉支撑、单方向侧向钉紧的形式。而在试样放置过程中试样几何中心往往与螺钉中心不重合，侧向钉紧后会造成试样表面倾斜。在纳米压痕实验中，压头采用垂直压入材料的方式得到相关力学性能，试样表面倾斜会导致实验系统计算的压头压入面积与实际压入面积不符，造成实验误差。

(3)纳米压痕测试高度在一定范围内，高于或者低于标准试样太多均会造成实验失败。试样安装过程中，试样与标准试样是否在一水平面只能靠肉眼分别，安装上去后高度固定且难以调节，若是试样安装过高或或过低，只能将试样拆下重新安装，这个过程会浪费大量时间。且水凝胶试样在实验一定时间后由于失水收缩其表面会降低，实验过程中试样重新安装会由于该微结构区域难以寻找而导致该区域的力学性能无法连续测量。

为克服以上问题，本发明提出了一种水凝胶纳米压痕区域微调节装置，该发明在具有原有纳米压痕承载装置功能的基础下，还可以对水凝胶等软物质进行直接承载，通过螺母调节可以实现承载台的高度自由升降，大幅度节约实验时间并确保水凝胶纳米压痕实验的连续进行，同时保证试样在测试过程无任何微小的扰动，从而减少由于纳米压痕实验过程中试样反复安装带来的数据误差，更精准的获得材料的在位力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计了水凝胶纳米压痕区域微调节装置，通过该装置可以实现对水凝胶纳米压痕试样的直接承载，并能够自由调节承载平台高度，保证了材料不受制备过程的影响，减少了试样安装时间，优化了整个实验过程。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为水凝胶纳米压痕区域微调节装置，台体(1)为调节装置的主体，台体(1)的底部两端设有滑槽(2)，通过滑槽(2)将台体(1)安装在纳米压痕仪的卡座上；台体(1)上部具有固定台(3)和容置洞(5)，固定台(3)上安装有能够用于纳米压痕仪显微镜和压头进行校准的熔融石英标准试样(4)，该熔融石英标准试样(4)上的实验数据能够用于压头形状参数的修正，容置洞(5)内部中空，顶部含有两个方向分别调节的螺钉(7)，用于纳米压痕试样两个自由度方向的钉紧；容置洞(5)内部设有直接置放水凝胶试样的承载台(6)，承载台(6)在台体两侧调节螺母(8)的旋转下实现竖直方向上的移动；高度调节机构安装于台体(1)内部，支撑承载台(6)高度调节的为齿条(16)，齿条(16)安装固定在滑槽(15)上，齿条(16)在斜齿轮(14)的驱动下能在滑槽(15)的内部上下移动；斜齿轮(14)安装在传动轴(13)上，传动轴(13)的另一端设有涡轮(12)，涡轮(12)与蜗杆(11)相啮合，蜗杆(11)两端设有用于转动蜗杆(11)的调节螺母(8)，由于涡轮(12)和蜗杆(11)的传动具有自锁性，防止承载台(6)在受外力情况下上下移动；传动轴(13)穿过第二轴承(10)，蜗杆(11)穿过第一轴承，第一轴承和第二轴承(10)的存在可使蜗杆(11)和传动轴(13)在台体内部自由转动，且起到支撑固定作用。

所述水凝胶纳米压痕区域微调节装置在纳米压痕中的实验方法，操作步骤如下：将制成的水凝胶试样放于承载台(6)上，转动调节螺母(8)并观察水凝胶表面高度，使水凝胶试样略低于熔融石英标准试样(4)表面2mm左右，然后将该装置安装于纳米压痕卡座上；在熔融石英标准试样(4)上，对显微镜和压痕仪压头进行校核后，操作仪器将装置移动到显微镜下，调节承载台(6)高度，直到在显微镜下可以观察到试样表面微结构，旋进固定螺钉(7)，使水凝胶试样固定，选取实验区域进行实验；在实验进行过程中，由于试样的吸水收缩会使试样测量区域低于纳米压痕测量区域，根据实际情况旋转调节螺母(8)调整水凝胶试样表面高度，重新观察到实验试样微结构表面区域后，继续进行实验。

本发明的水凝胶纳米压痕区域微调节装置在具有原有承载装置的功能基础上，还可以实现对水凝胶试样的直接承载，并能随时根据实验需求调整试样高度，解决了原有试样台对于水凝胶试样无法直接承载且高度不能调节的问题，可以节约因需满足水凝胶承载而制备纳米压痕试样和反复高度调节造成的较长时间成本，且较长的实验初期时间会使水凝胶试样含水量降低，影响实验结果的准确性。

与传统的纳米压痕实验承载装置相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明承载装置可以实现水凝胶等材料的直接承载，在固定过程中可以从两个自由度方向对试样进行钉紧，减少了由于试样不能直接固定而制备纳米压痕实验试样的时间成本，避免了单方向螺钉钉紧和底部螺钉承载造成的实验表面倾斜而到来的实验误差。

2、本发明承载装置可以实现试样表面高度的自由调节，且升降台内部涡轮蜗杆的存在使承载台表面高度具有很好的稳定性，优化了试样安装过程，满足根据水凝胶表面高度变化而随时调节试样高度的需求。

3、国内现有纳米压痕仪基本全部依赖进口，其原配试样台不具有尺寸调节和直接固定功能，而搭配相关组件则价格昂贵，本发明降低了实验成本，节约了试样安装时间且可信度高于纳米压痕仪上的配置组件。

附图说明

图1水凝胶纳米压痕区域微调节装置例视图。

图2水凝胶纳米压痕区域微调节装置台体内部升降台结构例视图。

具体实施方式

以下结合附图1和图2对本发明的水凝胶纳米压痕区域微调节装置以及利用该装置进行纳米压痕实验的方法作进一步详细说明。

水凝胶纳米压痕区域微调节装置例视图的例视图如图1所示，其特征在于：装置外部由台体(1)、卡槽(2)、固定台(3)、熔融石英标准试样(4)、容置洞(5)、承载台(6)、固定螺钉(7)和调节螺钉(8)组成。水凝胶纳米压痕区域微调节装置台体内部升降台结构如图2所示，承载台(6)的升降机构由台体(1)内部的第一轴承、第二轴承(10)、蜗杆(11)、涡轮(12)、传动轴(13)、斜齿轮(14)、滑槽(15)和齿条(16)组成。其中卡槽(2)位于台体(1)底部，可通过滑入的方式安装在纳米压痕仪卡槽上；承载台(6)的直径小于容置洞(5)3mm，能够在容置洞(5)内部上下滑动；承载台(6)与齿条(16)固定在一起，齿条(16)在斜齿轮(14)的驱动下，可以在滑槽(15)内上下移动，当齿条(16)位于滑槽(15)顶端时，实现承载台(6)在容置洞(5)内的最大高度调节；调节螺母(8)与蜗杆(11)在同一个轴上，涡轮(12)蜗杆(11)啮合在一起，转动调节螺母(8)，通过整个调节机构可以实现承载台(6)的上下移动，而涡轮(12)蜗杆(11)的啮合具有自锁性，只能通过蜗杆(8)带动涡轮(11)转动，这很大程度上保证了承载台(6)的稳定性。

本发明的实验方法，其具体步骤如下：将制成的水凝胶试样放于承载台(6)上，旋转调节螺母(8)使水凝胶试样表面略低于熔融石英标准试样(4)3mm左右，然后将该装置的卡槽(15)滑入于纳米压痕的卡座上。实验开始之前，先在熔融石英标准试样(4)上，对显微镜和压痕仪压头之间的关联准确度进行校核。

校核结束后，转动调节螺母(8)，直到在显微镜下观察到清晰的水凝胶微观结构，转动固定螺钉(7)，使水凝胶试样台固定在承载台上，选取实验区域进行实验；在实验进行过程中，由于试样的吸水收缩会使试样测量区域低于纳米压痕测量区域，微调节承载台(6)高度，重新观察到实验试样微结构表面区域后继续实验。