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專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米材料力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備，特別是涉及一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置。
背景技術(shù)：
材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、人民生活等有著重大意義，在國(guó)際上受到普遍重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。在實(shí)際研發(fā)與使用中，由于具備諸多優(yōu)良品質(zhì)，各種新型材料的應(yīng)用愈加廣泛。尤其是近年來(lái)微納米科學(xué)技術(shù)的興起，微納米功能復(fù)合材料、沉積有微納米級(jí)尺度涂層的薄膜材料等迅速成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)。而宏觀柔性電子正是微納米薄膜材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域
之一 O作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，宏觀柔性電子正吸引著全世界的目光。柔性電子可概括為是將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)，以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如平板顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管0LED、印刷RFID、薄膜太陽(yáng)能電池板、電子皮膚等。在柔性電子中，微納米薄膜扮演著舉足輕重的角色，是最為關(guān)鍵的核心部件之一。微納米薄膜是指尺寸在微納米量級(jí)的顆粒(晶粒)構(gòu)成的薄膜或者層厚在微納米量級(jí)的單層或多層薄膜，通常也稱(chēng)作微納米顆粒薄膜和微納米多層薄膜。在柔性電子器件中，往往通過(guò)電化學(xué)沉積法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法等技術(shù)手段將微納米薄膜沉積在各種硬性或柔性基底上，簡(jiǎn)稱(chēng)為薄膜-基底結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)品的加工、使用等過(guò)程中，薄膜-基底結(jié)構(gòu)常常承受著大量力的作用，如拉伸、壓縮、彎曲等。隨著基底的變形，薄膜將隨之變形并可能伴隨著內(nèi)部高應(yīng)力的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。此外，薄膜的沉積過(guò)程將不可避免的帶來(lái)殘余應(yīng)力。過(guò)大的殘余應(yīng)力會(huì)引發(fā)各種失效形式，如薄膜表面產(chǎn)生大量裂紋甚至斷裂，薄膜的屈曲與脫粘。這將嚴(yán)重影響微納米薄膜的電磁光、機(jī)械強(qiáng)度等物理性能。同時(shí)薄膜基底之間粘接性能的好壞對(duì)薄膜失效的難易程度起著關(guān)鍵作用，良好的粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。因此，微納米薄膜力學(xué)性能測(cè)試的研究殊為重要，并且將對(duì)柔性電子未來(lái)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。材料力學(xué)性能的研究是所有材料研究的關(guān)鍵。微納米薄膜材料的拉伸性能是其力學(xué)性能中最重要、最基本的性能之一，它在很大程度上決定了該材料的適用范圍。因此，在對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，拉伸試驗(yàn)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，微納米薄膜材料的尺寸十分微小，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝等影響，材料的拉伸性能與宏觀時(shí)相比有顯著的不同，許多傳統(tǒng)的拉伸測(cè)試方法與設(shè)備已經(jīng)不再適用。因此，研發(fā)出適用于微納米薄膜材料的拉伸裝置具有十足的必要性與緊迫性。一般來(lái)說(shuō)，微納米薄膜拉伸裝置主要包括四部分，驅(qū)動(dòng)、力傳感器、位移傳感器、機(jī)械框架和夾具。其中加載方式的選擇，載荷與位移精度的提高，試樣的夾持對(duì)中等都是難點(diǎn)所在。a)驅(qū)動(dòng)方式Bamberg (E.Bamberg, C.P.Grippoj P.Wanakamolj A.H.Slocum，M.C.Boyce, andE.L.Thomas，〃A tensile test device for in situ atomic force microscopemechanical testing，"Precision Engineering，vol.30，pp.71-84，2006.)( “一種用于原子力顯微鏡下的原位拉伸測(cè)試設(shè)備”，精密工程，第30卷，71-84頁(yè)，2006年)等人釆用步進(jìn)電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)了在原子力顯微鏡下的步進(jìn)加載。通過(guò)細(xì)分技術(shù)可以減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，并提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。同時(shí)試樣上較大范圍內(nèi)的載荷與位移施加成為可能。但是其位移測(cè)量精度低，不利于微小試樣的加載測(cè)試。目前采用壓電式激勵(lì)器作為驅(qū)動(dòng)方式的較多，如Read(D.Τ.Read, 〃Piezo_actuated microtensile test apparatus, ^Journalof testing and evaluation, vol.26，pp.255-259，1998.)(“壓電驅(qū)動(dòng)方式的微拉伸測(cè)試設(shè)備”，測(cè)試與評(píng)估，第26卷，255-259頁(yè)，1998年)和沈洪源課題組，(沈洪源，〃微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能片外拉伸測(cè)試裝置，"傳感器與微系統(tǒng)，2007.)根據(jù)壓電效應(yīng)，利用計(jì)算機(jī)軟件控制壓電單元的位移釋放以提供驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制后，位移分辨率可高達(dá)幾十納米，但是較小的位移量程(幾十微米)，壓電單元的蠕變等問(wèn)題至今仍制約著其發(fā)展。電磁驅(qū)動(dòng)是一種非常理想的驅(qū)動(dòng)方式。Kim課題組(C.Kim, J.Song, andD.Lee, "Development of a fatigue testing system for thin films, "InternationalJournalof Fatigue, vol.31, pp.736-742, 2009.)(“適用于薄膜的疲勞測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)”，疲勞，第31卷，736-742頁(yè)，2009年)采用電磁驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)其電磁力與電流的線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了精確力控制下的薄膜拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)，其中力的控制一直是薄膜力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)的難點(diǎn)之一。然而電磁驅(qū)動(dòng)所能提供力的大小有限，不適合沉積在基底上的薄膜實(shí)驗(yàn)，并且裝置復(fù)雜，價(jià)格昂貴。b)載荷與位移測(cè)量對(duì)步進(jìn)電機(jī)與壓電式激勵(lì)器而言，載荷的測(cè)量需要力傳感器。已經(jīng)商品化的力傳感器可選范圍廣，有著很高的精度。位移測(cè)量主要分為夾具兩端的位移測(cè)量與試樣內(nèi)位移測(cè)試，其中試樣內(nèi)位移測(cè)試分為平均位移和全場(chǎng)位移測(cè)試。夾具兩端位移常采用各種位移傳感器，如光柵尺與平板電容。平均位移測(cè)量以標(biāo)記法為代表，Sharpe (ff.Sharpe Jr, B.Yuan, and R.Edwards, 〃A new technique for measuring the mechanical properties ofthin films, ^Microelectromechanical Systems, Journal of, vol.6, pp.193-199, 1997.)(“一種測(cè)量薄膜力學(xué)性能的新技術(shù)”，微電子機(jī)械系統(tǒng)，第6卷，193-199頁(yè)，1997年)等人利用干涉應(yīng)變計(jì)法(ISDG)成功測(cè)量出事先沉積在薄膜表面上的兩條金線(xiàn)之間的位移，但是試樣制作復(fù)雜，標(biāo)記對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響；全場(chǎng)位移測(cè)量以散斑法為代表，Read(D.Τ.Read, 〃Young’s modulus o f thin films by speckle interferometry, ^MeasurementScience and Technology, vol.9, p.676, 1999.)(“散斑干涉法測(cè)量薄膜彈性模量”,測(cè)量科學(xué)與技術(shù)，第9卷，676頁(yè)，1999年)等人采用電子散斑干涉法(ESPI)得到了金屬銅膜在拉伸情況下的面內(nèi)位移，其具有所需設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)微納米薄膜等微小試樣來(lái)說(shuō)，其分辨率較低，僅為微米級(jí)別。
c)機(jī)械框架與夾具對(duì)自由薄膜與薄膜-基底結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，機(jī)械框架有著很大的不同。自由薄膜由于尺寸極為微小，往往利用片外測(cè)試與片內(nèi)測(cè)試法。片外測(cè)試主要有納米壓痕法、微拉伸法、微振動(dòng)法、微彎曲法等；片內(nèi)測(cè)試采用微加工工藝，將試樣、驅(qū)動(dòng)器和微力或位移傳感器集成在同一芯片內(nèi)進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，從而避免了試樣的夾持與定位，提高了測(cè)試的精度和可靠性。例如Takahiro Namazu研發(fā)的雙壓電晶片片內(nèi)驅(qū)動(dòng)式單軸拉伸裝置。(T.Namazu，"Tensile Elongation Measurement Device with In-Plane BimorphActuation Mechanism，"Journalof Nanoscienceand anotechnology,Vol.11,2777-2784, 2011.)(“平面雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)機(jī)制下的拉伸變形測(cè)試設(shè)備”，納米科學(xué)與納米技術(shù)，第11卷，2777-2784頁(yè)，2011年)而薄膜-基底結(jié)構(gòu)中只有薄膜厚度處于微納米級(jí)別，因此往往沿用傳統(tǒng)宏觀測(cè)試結(jié)構(gòu)形式。無(wú)論是自由薄膜還是薄膜-基底結(jié)構(gòu)，試樣的夾持與對(duì)中都是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一，并將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度產(chǎn)生直接影響。目前主要有機(jī)械夾持、膠粘和靜電夾持三種方法來(lái)夾持試樣，并通過(guò)顯微、定位等設(shè)備實(shí)現(xiàn)試樣的精確對(duì)中。此三種方法各有不足，其中機(jī)械夾持在高精度對(duì)中方面有很大的困難；膠粘操作復(fù)雜，對(duì)人員相關(guān)技能要求較高；靜電夾持所需設(shè)備昂貴，維護(hù)不易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種能夠滿(mǎn)足力、位移測(cè)量的高精度，同時(shí)滿(mǎn)足位移量程大，自動(dòng)化控制的一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明的一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，它包括安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)，所述的步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸與滾珠絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，所述的滾珠絲杠的兩端支撐設(shè)置在支撐座內(nèi)，所述的支撐座固定在底座上，在所述的滾珠絲杠右端螺紋上連接有絲杠螺母，在所述的絲杠螺母上安裝有右載物臺(tái)，所述的右載物臺(tái)與安裝在底座上的導(dǎo)軌滑動(dòng)連接以導(dǎo)向，在所述的底座上分別固定連接有左載物臺(tái)和光柵尺支座，基座固定在所述的左載物臺(tái)與光柵尺支座上，在所述的左載物臺(tái)上固定連接有左端支撐和左夾具，一個(gè)力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的右載物臺(tái)后部固定連接有具有凹槽的右端支撐并且在位于右端支撐前方的右載物臺(tái)上通過(guò)燕尾槽滑動(dòng)連接有一個(gè)燕尾滑塊，在所述的燕尾滑塊上開(kāi)有內(nèi)槽，在所述的燕尾滑塊的前部固定安裝有與左夾具相對(duì)設(shè)置的右?jiàn)A具，支撐墻設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺(tái)上，在所述的支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一端與所述的壓電陶瓷相連并且其另一端與一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)用于控制所述壓電陶瓷位移量，電容式位移傳感器一端安裝在所述的右端支撐凹槽內(nèi)并且其另一端與燕尾滑塊后壁相連，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數(shù)頭固定在燕尾滑塊的一側(cè)側(cè)面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺粘接在基座上，一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡與所述步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號(hào)處理器、力傳感器的變送器相連，數(shù)據(jù)采集卡與所述計(jì)算機(jī)相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡用于采集力傳感器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號(hào)并將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)用于將采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并且根據(jù)處理后的信號(hào)再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明在傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)加滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式基礎(chǔ)上，于右載物臺(tái)上設(shè)置能精確導(dǎo)向的燕尾滑塊，并在其凹槽內(nèi)部固定有驅(qū)動(dòng)精度更高的壓電陶瓷，以此構(gòu)成雙系統(tǒng)拉伸加載方式，既保留了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式力與位移量程廣的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其精度低的缺點(diǎn)；采用光柵尺位移傳感器與電容式位移傳感器組成的雙位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其中，光柵尺主尺粘接于基座上，光柵尺讀數(shù)頭固定在燕尾滑塊一側(cè)，并隨燕尾滑塊運(yùn)動(dòng)以測(cè)得電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)試樣的拉伸位移，電容式位移傳感器安裝于右端支撐凹槽與燕尾滑塊后壁之間以測(cè)得壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)時(shí)試樣的拉伸位移，固定于左端支撐和左夾具之間的力傳感器分辨率高達(dá)IOOmN,可以測(cè)得試樣變形時(shí)的微小載荷，此雙系統(tǒng)加載方式與雙位移檢測(cè)及高精度力檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)具備微驅(qū)動(dòng)與大量程驅(qū)動(dòng)以及相關(guān)力、位移的高精度檢測(cè)能力，并且提供了靈活的加載方式選擇，比如只用電機(jī)驅(qū)動(dòng)(針對(duì)位移要求相對(duì)寬松的薄膜材料)，電機(jī)與壓電陶瓷皆用(針對(duì)局部位移要求非常高的薄膜材料，可保證在受拉過(guò)程中，對(duì)某一感興趣的位移值附近進(jìn)行精確加載與測(cè)量)，只用壓電陶瓷(針對(duì)位移要求非常高，位移量程相對(duì)較小的薄膜材料)。本發(fā)明可以為微納米薄膜材料的拉伸行為實(shí)驗(yàn)研究提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。


圖1是本發(fā)明的一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明圖1中所示的拉伸裝置的燕尾滑塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3-1和圖3-2是采用本發(fā)明圖1所示的裝置進(jìn)行試件拉伸過(guò)程中薄膜表面形貌變化圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖所示的本發(fā)明的一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，它包括安裝在底座3上的步進(jìn)電機(jī)1，所述的步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸與滾珠絲杠16通過(guò)聯(lián)軸器2連接，所述的滾珠絲杠的兩端支撐設(shè)置在支撐座4內(nèi)，所述的支撐座固定在底座3上，在所述的滾珠絲杠右端螺紋上連接有絲杠螺母20，在所述的絲杠螺母上安裝有右載物臺(tái)19，所述的右載物臺(tái)與安裝在底座上的導(dǎo)軌21滑動(dòng)連接以導(dǎo)向，在所述的底座上分別固定連接有左載物臺(tái)5和光柵尺支座12，基座7固定在所述的左載物臺(tái)與光柵尺支座上，在所述的左載物臺(tái)上固定連接有左端支撐6和左夾具23，一個(gè)力傳感器8安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的右載物臺(tái)后部固定連接有具有凹槽的右端支撐14并且在位于右端支撐前方的右載物臺(tái)上通過(guò)燕尾槽滑動(dòng)連接有一個(gè)燕尾滑塊17，在所述的燕尾滑塊上開(kāi)有內(nèi)槽，在所述的燕尾滑塊的前部固定安裝有與左夾具相對(duì)設(shè)置的右?jiàn)A具，支撐墻11設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺(tái)上，在所述的支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷15，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一端與所述的壓電陶瓷相連并且其另一端與一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)用于控制所述壓電陶瓷位移量，電容式位移傳感器13 —端安裝在所述的右端支撐14的凹槽內(nèi)并且其另一端與燕尾滑塊后壁相連，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數(shù)頭10固定在燕尾滑塊的一側(cè)側(cè)面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺9粘接在基座上，一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡與所述步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號(hào)處理器、力傳感器的變送器相連，數(shù)據(jù)采集卡與所述計(jì)算機(jī)相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡用于采集力傳感器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號(hào)并將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)用于將采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并且根據(jù)處理后的信號(hào)再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。優(yōu)選的在所述的底座側(cè)面固定有一個(gè)限位開(kāi)關(guān)18，所述的限位開(kāi)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連以防止右載物臺(tái)移動(dòng)超出正常范圍。優(yōu)選的所述的光柵尺分辨率為0.1 μ m，電容式位移傳感器分辨率為納米級(jí)。針對(duì)微納米薄膜延展性能好，受力小的特點(diǎn)，所選商用力傳感器經(jīng)過(guò)標(biāo)定后分辨率為lOOmN。所述的左、右?jiàn)A具上的結(jié)構(gòu)可以為，在所述的左、右?jiàn)A具上分別設(shè)置有一個(gè)處于同一水平面的平臺(tái)面，在每一個(gè)平臺(tái)面上開(kāi)有兩個(gè)螺紋孔并連接有一個(gè)銷(xiāo)軸。使用過(guò)程中將試樣兩端通過(guò)銷(xiāo)軸定位并通過(guò)安裝在螺紋孔內(nèi)的螺栓固定。本裝置的測(cè)試過(guò)程為:在安裝所有試樣之前，計(jì)算機(jī)通過(guò)采集卡發(fā)出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令給步進(jìn)電機(jī)I控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)聯(lián)軸器2傳遞給滾珠絲杠16，再由絲杠螺母20轉(zhuǎn)換成右載物臺(tái)19的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使得右載物臺(tái)與左夾具23之間的距離恰好為預(yù)設(shè)初值，將試件安裝在左、右?jiàn)A具之上，利用定位銷(xiāo)精確對(duì)中，然后將裝置平放于高精度三維定位臺(tái)之上，高倍光學(xué)顯微鏡之下，調(diào)整定位臺(tái)，使試樣位于顯微鏡視場(chǎng)中心，觀測(cè)試樣初始狀態(tài)下的表面形貌并記錄初始時(shí)刻的力與位移值；再次通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，使左右?jiàn)A具相對(duì)移動(dòng)固定的位移值，記錄試樣表面形貌和力、位移值，當(dāng)試樣拉伸至某一特定應(yīng)變值，停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源控制壓電陶瓷15的伸長(zhǎng)，此時(shí)壓電陶瓷右端面頂著燕尾滑塊17向前運(yùn)動(dòng)；在壓電陶瓷伸長(zhǎng)的過(guò)程中，電容式位移傳感器13測(cè)得其位移，并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)；在經(jīng)過(guò)數(shù)次壓電陶瓷的加載并記錄力、位移信息后，停止壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)，重新啟用步進(jìn)電機(jī)，不斷重復(fù)上述步進(jìn)電機(jī)加載步驟，直至試樣拉斷，其中，光柵尺主尺9固定于左載物臺(tái)5與光柵尺支座12之上，光柵尺讀數(shù)頭10與燕尾滑塊17固定連接，燕尾滑塊在右載物臺(tái)的牽引下帶動(dòng)光柵尺讀數(shù)頭做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可測(cè)得試樣位移，同時(shí)力傳感器8測(cè)得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各時(shí)刻的力；通過(guò)力傳感器、光柵尺和電容式位移傳感器采集的信息，反饋控制步進(jìn)電機(jī)和壓電陶瓷。實(shí)施例1將300納米厚Cu膜沉積在120微米厚的PET (聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)基底上，利用圖2系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，很好地實(shí)現(xiàn)了試樣的加載控制、力與位移信息的記錄以及微觀形貌的觀測(cè)。圖3-1和3-2為在拉伸過(guò)程中采用高倍光學(xué)顯微鏡觀測(cè)所得薄膜表面形貌的變化。由圖可知，隨著薄膜的變形，其表面微裂紋不斷擴(kuò)展與增大，單位面積微裂紋數(shù)越來(lái)越多。這些有益效果無(wú)疑將對(duì)薄膜破壞機(jī)理的研究產(chǎn)生積極的影響。
權(quán)利要求
1.一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，它包括安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)，所述的步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸與滾珠絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，所述的滾珠絲杠的兩端支撐設(shè)置在支撐座內(nèi)，所述的支撐座固定在底座上，在所述的滾珠絲杠右端螺紋上連接有絲杠螺母，在所述的絲杠螺母上安裝有右載物臺(tái)，所述的右載物臺(tái)與安裝在底座上的導(dǎo)軌滑動(dòng)連接以導(dǎo)向，其特征在于:在所述的底座上分別固定連接有左載物臺(tái)和光柵尺支座，基座固定在所述的左載物臺(tái)與光柵尺支座上，在所述的左載物臺(tái)上固定連接有左端支撐和左夾具，一個(gè)力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的右載物臺(tái)后部固定連接有具有凹槽的右端支撐并且在位于右端支撐前方的右載物臺(tái)上通過(guò)燕尾槽滑動(dòng)連接有一個(gè)燕尾滑塊，在所述的燕尾滑塊上開(kāi)有內(nèi)槽，在所述的燕尾滑塊的前部固定安裝有與左夾具相對(duì)設(shè)置的右?jiàn)A具，支撐墻設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺(tái)上，在所述的支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一端與所述的壓電陶瓷相連并且其另一端與一臺(tái)計(jì)算機(jī)相連，所述計(jì)算機(jī)用于控制所述壓電陶瓷位移量，電容式位移傳感器一端安裝在所述的右端支撐凹槽內(nèi)并且其另一端與燕尾滑塊后壁相連，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數(shù)頭固定在燕尾滑塊的一側(cè)側(cè)面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺粘接在基座上，一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡與所述步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號(hào)處理器、力傳感器的變送器相連，數(shù)據(jù)采集卡與所述計(jì)算機(jī)相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡用于采集力傳感器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號(hào)并將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)用于將采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并且根據(jù)處理后的信號(hào)再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，其特征在于:在所述的底座側(cè)面固定有一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，所述的限位開(kāi)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，其特征在于:在所述的左、右?jiàn)A具上分別設(shè)置有一個(gè)處于同一水平面的平臺(tái)面，在每一個(gè)平臺(tái)面上開(kāi)有兩個(gè)螺紋孔并連接有一個(gè)銷(xiāo)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，其特征在于:所述的光柵尺分辨率為0.1 μ m，電容式位移傳感器分辨率為納米級(jí)，力傳感器經(jīng)過(guò)標(biāo)定后分辨率為lOOmN。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置,它包括步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠連接，在滾珠絲杠上連接有絲杠螺母，在絲杠螺母上安裝有右載物臺(tái)，在底座上分別固定連接有左載物臺(tái)和光柵尺支座，基座固定在左載物臺(tái)與光柵尺支座上，在左載物臺(tái)上連接有左端支撐和左夾具，力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，在右載物臺(tái)后部固定連接有具有凹槽的右端支撐并且在位于右端支撐前方的右載物臺(tái)上滑動(dòng)連接有一個(gè)燕尾滑塊，在燕尾滑塊上開(kāi)有內(nèi)槽，在燕尾滑塊的前部固定安裝有右?jiàn)A具，支撐墻設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺(tái)上，在支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷。本發(fā)明構(gòu)成雙系統(tǒng)拉伸加載方式,精度高。
文檔編號(hào)G01N3/02GK103091164SQ20131001463
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者何巍, 王世斌, 李林安, 張冠華, 薛秀麗, 賈海坤, 郭志明 申請(qǐng)人:天津大學(xué)