一种用于显微镜下原位力学性能测试的装置

本发明属于原位力学性能测试设备，具体涉及一种用于显微镜下原位力学性能测试的装置。

背景技术：

1、随着科技的进步与发展，工程应用对材料的力学性能需求逐步提高。尤其是在深海、深地、深空探测等领域，材料的力学性能与可靠性已成为制约其发展的主要因素之一。传统的材料力学性能测试手段主要依赖于万能试验机进行简单的准静态实验，不能实时观测材料的变形失效与微结构演化过程。而研究材料的变形失效过程以及微结构演化机理，对材料的优化设计，提升材料的可靠性具有重要意义。此外，材料在工程应用中通常要面临循环加卸载、长时间加载等复杂工况，简单的准静态拉伸难以对材料的疲劳极限、粘性等性能做出合理的评估。开发具有多种实验功能的原位力学性能测试设备是能否推进这些研究的关键。

2、常规材料试验机的试样尺寸通常较大，难以对材料的微观变形过程进行较为全面观测。此外常规的材料试验机的精度通常较低，难以满足微米级样品的高精度要求。例如，微米级核-壳结构的微胶囊被广泛应用于复合材料的改性，微胶囊的力学性能及失效破坏机制又会影响复合材料的力学性能。新型的碳纳米管纤维因其卓越的力学性能可以在防护结构中加以应用，然而其单丝的尺寸仅在微米量级，难以通过传统的静态力学试验机来测试其力学性能。因此发展微纳米尺寸下的原位力学设备的需求极为迫切。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了在对不同尺度的材料进行力学测试的同时，对材料的破坏过程进行原位观测，提供了一种用于材料力学性能测试的机械装置，并具有原位实时观测的能力。本发明基于材料的准静态力学性能测试技术，结合显微镜加以设计研制，可以测量尺寸从微米到毫米级别的样品的力学性能。其特点在于：压头与组合夹头可以替换，既可用于压缩实验，也可以用于拉伸实验；压头的尺寸可以选择，可对微米级到毫米级尺寸的材料进行力学性能测试；微型线性位移平台位移精度高，满足不同尺寸、不同应变率加载下高精度位移的需求；微型线性位移平台可二次开发编程控制，可以进行不同应变率的拉压加载、循环加载、应力松弛等多种实验；力传感器的精度和采样频率高，可以准确快速地采集到实验中的力信号；显微镜的观测能力强，可以清晰地观测到材料的结构演化及破坏过程；装置结构简单，易于维修保养。

2、本发明使用了位移精度较高的微型线性位移平台，设计了原位力学性能测试设备。与此同时，通过显微镜，可以原位观测试样的破坏过程。具有结构简单、易于搭建、轻质便携等优点。基于此，本发明实现了对微纳米材料在力学加载过程的原位观测。

3、本发明为了实现上述的发明目的，采用如下的技术方案：

4、一种用于显微镜下原位力学性能测试的装置，所述用于显微镜下原位力学性能测试的装置包括测试机构、控制机构、观测机构；

5、所述测试机构包括力传感器(1)、试样台(2)、微型线性位移平台(3)、压头(4)、盖板(5)、单轴位移平台(6)、双轴位移平台(7)；

6、试样台(2)安装在力传感器(1)的上方；盖板(5)安装在微型线性位移平台(3)的上方；压头(4)固定安装在微型线性位移平台(3)与盖板(5)之间；微型线性位移平台(3)安装在单轴位移平台(6)上；压头(4)可以随单轴位移平台(6)左右移动；

7、控制机构包括微型线性位移平台控制盒(8)、电脑(9)。

8、观测机构包括显微镜(10)、支架(11)、底座(12)；显微镜(10)安装在支架(11)上；支架(11)安装在底座(12)上。

9、所述设备还包括组合夹头(13)，组合夹头(13)的下夹头安装在力传感器(1)的上方；组合夹头(13)的上夹头安装在微型线性位移平台(3)上，上夹头可以随微型线性位移平台(3)上下移动。

10、力传感器(1)的量程为1n或4.5n，1n传感器的最小精度为1mn，4.5n传感器的最小精度为4.5mn；1n传感器的响应频率为300hz，4.5n传感器的响应频率为930hz。

11、微型线性位移平台(3)的最大行程为12mm，最小位移增量为2nm。

12、压头(4)为长圆柱型，直径为0.5mm或2mm。

13、盖板(5)中间有一凹槽。

14、组合夹头(13)由上夹头与下夹头组成。

15、单轴位移平台(6)位移范围为13mm，平行度为10μm，位移精度为10μm。

16、双轴位移平台(7)可以沿两个方向移动，两个方向的位移范围为13mm，平行度为10μm，位移精度为10μm。

17、微型线性位移平台控制盒(8)用于给微型线性位移平台(3)供能、传输指令。

18、支架(11)用于安装显微镜(10)，支架(11)可以辅助显微镜(10)对焦。

19、底座(12)用于安装双轴位移平台(7)和支架(11)。

20、显微镜(10)的最大放大倍数为1600倍，显微镜(10)拍摄到的图像可以实时传输到电脑(9)内。

21、具体工作原理如下：

22、进行压缩实验时，在实验开始前根据试样的尺寸选择合适的压头(4)尺寸，将盖板(5)安装在微型线性位移平台(3)上；将压头(4)安装在微型线性位移平台(3)和盖板(5)之间；将试样台(2)安装在力传感器(1)的正上方。将试样放置在试样台(2)上，再调节双轴位移平台(7)，使试样位于显微镜(10)视场的正中央。通过调节支架(11)调节显微镜(10)的焦距。调节单轴位移平台(6)的位置，使得压头(4)在试样的正上方。进行拉伸实验时，将组合夹头(13)的下夹头安装在力传感器(1)上，将组合夹头(13)的上夹头安装在微型线性位移平台(3)上；调节单轴位移平台(6)的位置，使组合夹头(13)的上夹头与下夹头对齐；将试样夹持在组合夹头(13)之间；调节双轴位移平台(7)，使试样位于显微镜(10)视场的正中央。

23、根据试样的尺寸及实验需求确定确定微型线性位移平台(3)的运动速度及方式。通过电脑(9)给微型线性位移平台控制盒(8)传输信号，微型线性位移平台控制盒(8)再将信号传输给微型线性位移平台(3)，以此控制微型线性位移平台(3)的移动。微型线性位移平台(3)的运动速度就是样品的拉伸/压缩速度。

24、实验开始后通过力传感器(1)测量试样实验过程中的力信号。由力传感器(1)输出的力信号和微型线性位移平台(3)的移动速度可以得到试样的力-位移曲线，进一步处理后可以得到应力-应变曲线。

25、在测试的过程中用显微镜(10)进行原位观测，并拍摄视频与图片，就可以实现对试样进行力学性能测试同时的原位观测，从而对试样的变形失效过程进行进一步分析。

26、本发明有如下优点：

27、(1)设计原理简单，易于实现；

28、(2)采用高精度的微型线性位移平台，可以实现高精度的位移控制，满足不同应变率加载下高精度位移的需求；

29、(3)微型线性位移平台可通过编程进行复杂运动，可以进行不同应变率的拉压加载、循环加载、应力松弛等多种实验；

30、(4)配备了显微镜，可以实时观测与记录试样的变形失效过程，实现了对试样进行力学性能测试同时的原位观测。

31、下面通过实施例及其附图作进一步描述。