一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料力学性能测试领域，特别是涉及一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法。
【背景技术】
[0002]单晶硅材料作为最常用的半导体材料，因其良好的微加工特性，在电子机械系统(MEMS)得到广泛应用，此前的研究较少关注单晶硅材料的力学性能，特别是高温下的力学性能。随着MEM S技术的发展，微加工工艺已经十分成熟，人们开始从事机械小型化的研究，以满足某些特殊领域的需求。例如，20世纪90年代美国国防预研局提出了微型飞行器(MAV)的概念，微型涡轮喷气发动机(MTE)作为MAV关键技术之一，以氢气为燃料，由硅基薄片叠加而成。MTE具有高温高应力的特点，准确地测量单晶硅材料高温力学性能，将有利于推广其在力学领域，特别是航空航天领域的应用。
[0003]单晶硅材料在常温下表现为脆性，其夹持方式与传统材料不同。受夹持方式的限制，目前多采用三点抗弯、压痕测试、鼓胀测试等方法测试其力学性能，这些方法与单轴拉伸测试相比存在应力分布不均的问题。拉伸测试的优点是试件上的应力是均匀的，这对于研究材料性能来说是十分的有利的。测试结果可以处理成应力-应变图，通过分析获得材料的力学性能。
[0004]此外，目前的脆性材料力学性能的测试标准中，多采用大尺寸的平板试件(长120?200mm，宽10?30mm，厚5?1mm)。然而，对于MTE的高温部件，如涡轮盘，其尺寸小(祸轮盘直径为4mm?8mm，盘厚度为0.2?0.5mm)。这时，大尺寸试件的力学性能与实际应用的小尺寸结构差异较大，因而不能将其直接用于MTE涡轮盘的疲劳强度预测。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法，实现了用单轴拉伸方法测试单晶硅小尺寸试件的高温力学性能。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统，包括:载荷控制系统、原位试验机、专用夹具、特制试验件、温度控制系统、加热台、冷却水系统、SEM观测系统。特制试验件通过专用夹具固定于原位试验机上，原位试验机与载荷控制系统连接；加热台与温度控制系统连接，固定于原位试验机上；加热台内部的水冷通道与冷却水系统连通。
[0007]所述载荷控制系统包括计算机、原位试验机控制箱，可以根据要求设计加载程序，同时输出试验过程中的载荷、位移等信息。
[0008]所述原位试验机，用于单轴拉伸加载，可置于SEM真空室内部工作。
[0009]所述专用夹具，其材料为镍基高温合金GH2036，通过车削加工和线切割得到，用于保护特制试验件免受垂直方向的压力，同时对特制试验件试件轴向的拉力。
[0010]所述特制试验件，其材料为单晶娃，通过微加工工艺得到。
[0011]所述温度控制系统，包括提供能量的电源箱和设定温度并实施监测温度的温控箱，最高温度可加热至1200°c。
[0012]所述加热台，由加热部分和机械连接部分组成。加热部分提供高温，机械连接部分设计有水冷通道。
[0013]所述冷却水系统，包括储水箱和水栗。
[0014]所述SEM观测系统，包括计算机和扫描电镜系统，用来跟踪试件的变形细节。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0016](I)现有单晶硅材料高温力学性能的无法测试，特别是针对小尺寸试件的拉伸测试。本发明利用车削加工和线切割定制专用夹具，利用微加工工艺获取特制试验件，提出的测试系统综合利用原位试验机、SEM观测技术，通过设计专用夹具、加热冷却系统，实现了用单轴拉伸方法测试单晶硅小尺寸试件的高温力学性能。
[0017](2)本发明的特制试验件为小尺寸，能准确评价小尺寸单晶硅材料的在实际使用中的力学性能。
[0018](3)本发明采用拉伸测试，试件上的应力是均匀的，测试结果可以直接画成应力-应变图，通过分析可以从中得到有关材料多种性能的信息。
[0019](4)本发明采用加热、冷却装置，测量单晶硅材料高温力学性能，结构简单，易于实现。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的系统结构框图；
[0021]图2为本发明的原位试验机加载示意图；
[0022]图3为本发明的特制试验件固定示意图；
[0023]图4为本发明的专用夹具；
[0024]图5为本发明的特制试验件；
[0025]图6为本发明的特制试验件某试验载荷下的应力云图。
【具体实施方式】
[0026]本发明是一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法，其【具体实施方式】如下:
[0027]如图1所示，本发明系统由载荷控制系统、原位试验机1、专用夹具2、特制试验件
3、温度控制系统、加热台4、冷却水系统、SEM观测系统。特制试验件3经过特殊设计，通过专用夹具2固定于原位试验机I上，原位试验机I通过数据线与载荷控制系统连接；加热台4通过数据线与温度控制系统连接，机械固定于原位试验机I上、特制试验件3下方，对特制试验件3加热；加热台4内部的水冷通道与冷却水系统连通，通冷却水防止加热台4机械连接部分高温破坏；实验过程中，原位试验机1、专用夹具2、特制试验件3、加热台4均位于SEM观测系统的真空室内，载荷控制系统、温度控制系统、冷却水系统位于SEM观测系统的真空室外，在真空室的密封墙上定制数据线接口，实现载荷控制系统与原位试验机1、温度控制系统与加热台4、冷却水系统与加热台4的连接。
[0028]开展单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试试验时，
[0029]第一步，打开电源，开启SEM观测系统的真空室，放入原位试验机1，连接好测试系统，关闭SEM观测系统的真空室；
[0030]第二步，打开冷却水系统，向加热台4机械连接部分的水冷通道通冷却水；
[0031]第三步，打开温度控制系统，用加热台4对特制试验件3的考核段加热至指定温度，保温30分钟;
[0032]第四步，执行载荷控制系统预先设定好的加载程序，从载荷控制系统的计算机输出载荷信息，同时由SEM观测系统得到相应载荷时特制试验件3的考核段的变形细节。
[0033]第五步，结束加载，关闭温度控制系统，待试件温度降至低于200°C关闭冷却水系统，开启SEM观测系统的真空室，取出原位试验机I，关闭SEM观测系统的真空室，关闭电源。最后，根据载荷信息和相应的变性细节，可以画出应力-应变图。
[0034]如图2所示，特制试验件3通过专用夹具2固定于原位试验机I上，加热台4机械固定于原位试验机I上、特制试验件3下方，对特制试验件3加热。特制试验件3的考核段贴于加热台4上方，用SEM观测系统其变形细节。加载时作用力通过专用夹具2上条纹2-1的侧面与特制试验件3条纹的侧面相互挤压传递，以对特制试验件3的考核段施加单轴拉力。
[0035]如图3所示，专用夹具2的条纹特征与特制试验件3的条纹特征配合工作。连接时专用夹具2置于原位试验机I的楔形卡槽中，上下两侧的专用夹具2压紧时小凸台2-2相互接触，防止特制试验件3受垂直方向的压力。
[0036]如图4所示，专用夹具2为楔形，材料为镍基高温合金GH2036，通过车削加工和线切割得到。条纹2-1挤压特制试验件3的条纹，以对特制试验件3的考核段施加单轴拉力。小凸台2-2是压紧时的受力部位，防止特制试验件3受垂直方向的压力。
[0037]如图5所示，特制试验件3的材料为单晶硅，通过微加工工艺得到，考核段截面尺寸为0.?0.3mm*2mm。为了让最大应力出现在考核段，采取以下措施:夹持段上下两侧均有条纹；考核段的截面尺寸远小于夹持段的截面尺寸；考核段与夹持段采用半径为15mm?20mm的大圆弧过渡。
[0038]如图6所示，用有限元分析本发明测试方法试验过程中某载荷下特制试验件3的应力分布。应力分布云图底部的标尺给出了不同颜色表不的应力大小，单位为MPa，最大应力出现在考核段。
[0039]本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0040]以上所述，仅为本发明部分【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统，其特征在于:该测试系统包括载荷控制系统、原位试验机(I)、专用夹具(2)、特制试验件(3)、温度控制系统、加热台(4)、冷却水系统和扫描电子显微镜(SEM)观测系统；特制试验件(3)通过专用夹具(2)固定于原位试验机(I)上，原位试验机(I)与载荷控制系统连接，原位试验机(I)用于单轴拉伸加载，置于SEM观测系统内部；载荷控制系统根据要求设计加载程序，同时输出试验过程中的载荷、位移信息；加热台(4)与温度控制系统连接，固定于原位试验机(I)上，温度控制系统用来设定和监测加热温度；加热台(4)内部的水冷通道与冷却水系统连通，冷却水系统用来冷却加热台(4)与原位试验机(I)的机械连接部分；SEM观测系统用来跟踪样品的变形细节。原位试验机(I)、专用夹具(2)、特制试验件(3)、加热台(4)位于SEM观测系统的真空室内，载荷控制系统、温度控制系统、冷却水系统位于SEM观测系统的真空室外，通过真空室的密封墙上定制的数据线接口实现载荷控制系统与原位试验机(I)、温度控制系统与加热台(4)、冷却水系统与加热台(4)的连接。2.根据权利要求1所述的单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统，其特征在于:所述专用夹具(2)为楔形，通过车削加工和线切割得到，与特制试验件(3)接触的面有条纹(2-1)和小凸台(2-2);连接时专用夹具(2)置于原位试验机(I)的楔形卡槽中，上下两侧的专用夹具(2)压紧时小凸台(2-2)相互接触，防止特制试验件(3)受垂直方向的压力；加载时作用力通过条纹(2-1)的侧面与特制试验件(3)条纹的侧面相互挤压传递，以对特制试验件(3)的考核段施加单轴拉力。3.根据权利要求1所述的单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统，其特征在于:所述特制试验件(3)通过微加工工艺得到:夹持段上下两侧均有条纹；考核段的截面尺寸为0.?0.3_*2_，远小于夹持段的截面尺寸；考核段与夹持段采用半径为15mm?20mm的大圆弧过渡；考核段贴于加热台(4)上方，用SEM观测系统考核段变形细节；加载时作用力通过上下两侧条纹的侧面与条纹(2-1)的侧面相互挤压传递，以对考核段施加单轴拉力。
【专利摘要】本发明公开了一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统及方法，包括：载荷控制系统、原位试验机、专用夹具、特制试验件、温度控制系统、加热台、冷却水系统、SEM观测系统。本发明实现了用单轴拉伸方法测试单晶硅小尺寸试件的高温力学性能。
【IPC分类】G01N3/18
【公开号】CN105092387
【申请号】CN201510486892
【发明人】胡殿印, 张龙, 刘辉, 王荣桥, 申秀丽
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月10日