可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置及方法与流程

1.本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种在扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置及方法。


背景技术：

2.纳米划痕技术作为研究材料摩擦磨损性能、粘附特性和损伤机制的方法，一直受到广泛关注。按照在测试过程中是否可以通过电子显微镜等仪器实时观测材料和压头的接触区域，又可将其分为原位纳米划痕测试和离位纳米划痕测试。其中扫描电镜内原位纳米划痕测试可以实时观测划痕形貌，观察和了解压头与试件作用区域的变化情况，为研究材料摩擦磨损机制提供了新的技术手段。
3.目前，bruker、nanomechanics、csm、alemnis等公司已经开发出商用的纳米划痕仪。其中，美国bruker公司推出的商业化原位sem纳米力学测试仪器，可以实现原位纳米划痕试验。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种在扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明测量精度高，结构紧凑，三维尺寸为90mm
×
70mm
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70mm，可满足绝大多数扫描电镜真空腔体积的限制。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
6.一种可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：包括底座1、轴向力传感器2、压电精密压入单元3、横向力传感器4和压电精密划痕单元5，所述的压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5分别固定在底座1上；所述的轴向力传感器2、横向力传感器4分别固定在压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5上。
7.所述的轴向力传感器2由弹性梁a201、应变片组a202、螺钉a203、金刚石压头204和螺钉b205组成，所述的弹性梁a201加工有两个能产生应力集中的柔性结构；所述的应变片组a202粘贴到弹性梁a201柔性结构的表面；所述的金刚石压头204通过螺钉a203和螺钉b205安装在弹性梁a201的安装孔内。
8.所述的压电精密压入单元3由连接块a301、导轨滑块组件a302、压电叠堆303、楔形块组合304和柔性铰链机构305组成，所述的柔性铰链机构305和导轨滑块组件a302安装到底座1上；所述的压电叠堆303安装在柔性铰链机构305内，且通过楔形块组合304预紧；所述的连接块a301安装在导轨滑块组件a302上。
9.所述的横向力传感器4由载物台401、弹性梁b402、螺钉c403、连接块b404和应变片组b405组成，所述的载物台401通过螺钉c403安装在弹性梁b402上；所述的弹性梁b402安装在连接块b404上，连接块b404安装在压电精密划痕单元5上；所述的弹性梁b402加工有两个能产生应力集中的柔性结构，应变片组b405粘贴到弹性梁b402柔性结构的表面。
10.本发明中所述的压电精密划痕单元5为现有技术，可以实现试样和轴向力测试传
感器的定位或实现划痕过程中金刚石压头与被测试件之间的相对运动。
11.使用所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置进行材料原位性能测试的方法，包括以下步骤：1)将试样通过导电胶带粘贴在载物台401上，之后将原位划痕测试装置通过底座1上的安装孔用螺钉安装在扫描电子显微镜载物台上，之后开启扫描电子显微镜；2)调整扫描电镜成像点的位置，并利用扫描电镜载物台位置调整功能，使得金刚石压头204和试样处于视场中心位置，并且其轴线与扫描电子显微镜电子束轴线成一定角度，方便观测划痕过程中材料与压头接触状态；3)启动权利要求1中所述的原位划痕测试装置，选择合适的运动参数使金刚石压头204运动到距离试样上方1微米左右的位置；4)利用压电精密压入单元3实现金刚石压头204对试样的压入；5)选择合适的运动参数，使压电精密划痕单元5沿x轴方向移动进行刻划动作，同时轴向力传感器和横向力传感器分别测得金刚石压头204与试样之间的轴向力与横向力，结合扫描电子显微镜的成像实现划痕过程中材料与压头接触状态的动态观测；6)压电精密压入单元3驱动金刚石压头204向上移动，完成卸载过程。
12.本发明的有益效果在于：测量精度高，结构紧凑，体积小，可以同时实现横向力与轴向力的测量，且横向力和轴向力间无耦合，可满足绝大多数扫描电镜真空腔体积的限制，可以实现划痕过程中材料与压头形貌的动态观测，对研究材料潜在的摩擦磨损机制提供了新的技术手段。在材料科学、摩擦学等领域具有较好的应用前景。
附图说明
13.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分并用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
14.图1为本发明的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置的整体结构示意图；
15.图2为本发明的轴向力传感器结构示意图；
16.图3为本发明的压电精密压入单元结构示意图；
17.图4为本发明的横向力传感器结构示意图；
18.图中：1、底座；2、轴向力传感器；3、压电精密压入单元；4、横向力传感器；5、压电精密划痕单元；201、弹性梁a；202、应变片组a；203、螺钉a；204、金刚石压头；205、螺钉b；301、连接块a；302、导轨滑块组件a；303、压电叠堆；304、楔形块组合；305、柔性铰链机构；401、载物台；402、弹性梁b；403、螺钉c；404、连接块b；405、应变片组b。
具体实施方式
19.下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
20.参见图1至图4所示，本发明中的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置包括底座1、轴向力传感器2、压电精密压入单元3、横向力传感器4和压电精密划痕单元5。所述的压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5分别固定在底座1上；所述的轴向力传感器2、横向力传感器4分别固定在压电精密压入单元3、压电精密划痕单元5上。
21.所述的轴向力传感器2由弹性梁a201、应变片组a202、螺钉a203、金刚石压头204和螺钉b205组成，所述的弹性梁a201加工有两个能产生应力集中的柔性结构；所述的应变片
组a202粘贴到弹性梁a201柔性结构的表面；所述的金刚石压头204通过螺钉a203和螺钉b205安装在弹性梁a201的安装孔内。
22.所述的压电精密压入单元3由连接块a301、导轨滑块组件a302、压电叠堆303、楔形块组合304和柔性铰链机构305组成，所述的柔性铰链机构305和导轨滑块组件a302安装到底座1上；所述的压电叠堆303安装在柔性铰链机构305内，且通过楔形块组合304预紧；所述的连接块a301安装在导轨滑块组件a302上。
23.所述的横向力传感器4由载物台401、弹性梁b402、螺钉c403、连接块b404和应变片组b405组成，所述的载物台401通过螺钉c403安装在弹性梁b402上；所述的弹性梁b402安装在连接块b404上，连接块b404安装在压电精密划痕单元5上；所述的弹性梁b402加工有两个能产生应力集中的柔性结构，应变片组b405粘贴到弹性梁b402柔性结构的表面。
24.使用所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置进行材料原位性能测试的方法，包括以下步骤：1)将试样通过导电胶带粘贴在载物台401上，之后将原位划痕测试装置通过底座1上的安装孔用螺钉安装在扫描电子显微镜载物台上，之后开启扫描电子显微镜；2)调整扫描电镜成像点的位置，并利用扫描电镜载物台位置调整功能，使得金刚石压头204和试样处于视场中心位置，并且其轴线与扫描电子显微镜电子束轴线成一定角度，方便观测划痕过程中材料与压头接触状态；3)启动权利要求1中所述的原位划痕测试装置，选择合适的运动参数使金刚石压头204运动到距离试样上方1微米左右的位置；4)利用压电精密压入单元3实现金刚石压头204对试样的压入；5)选择合适的运动参数，使压电精密划痕单元5沿x轴方向移动进行刻划动作，同时轴向力传感器和横向力传感器分别测得金刚石压头204与试样之间的轴向力与横向力，结合扫描电子显微镜的成像实现划痕过程中材料与压头接触状态的动态观测；6)压电精密压入单元3驱动金刚石压头204向上移动，完成卸载过程。
25.以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：包括底座(1)、轴向力传感器(2)、压电精密压入单元(3)、横向力传感器(4)和压电精密划痕单元(5)，所述的压电精密压入单元(3)、压电精密划痕单元(5)分别固定在底座(1)上；所述的轴向力传感器(2)、横向力传感器(4)分别固定在压电精密压入单元(3)、压电精密划痕单元(5)上。2.根据权利要求1所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：所述的轴向力传感器(2)由弹性梁a(201)、应变片组a(202)、螺钉a(203)、金刚石压头(204)和螺钉b(205)组成，所述的弹性梁a(201)加工有两个能产生应力集中的柔性结构；所述的应变片组a(202)粘贴到弹性梁a(201)柔性结构的表面；所述的金刚石压头(204)通过螺钉a(203)和螺钉b(205)安装在弹性梁a(201)的安装孔内。3.根据权利要求1所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：所述的压电精密压入单元(3)由连接块a(301)、导轨滑块组件a(302)、压电叠堆(303)、楔形块组合(304)和柔性铰链机构(305)组成，所述的柔性铰链机构(305)和导轨滑块组件a(302)安装到底座(1)上；所述的压电叠堆(303)安装在柔性铰链机构(305)内，且通过楔形块组合(304)预紧；所述的连接块a(301)安装在导轨滑块组件a(302)上。4.根据权利要求1所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置，其特征在于：所述的横向力传感器(4)由载物台(401)、弹性梁b(402)、螺钉c(403)、连接块b(404)和应变片组b(405)组成，所述的载物台(401)通过螺钉c(403)安装在弹性梁b(402)上；所述的弹性梁b(402)安装在连接块b(404)上，连接块b(404)安装在压电精密划痕单元(5)上；所述的弹性梁b(402)加工有两个能产生应力集中的柔性结构，应变片组b(405)粘贴到弹性梁b(402)柔性结构的表面。5.使用权利要求1所述的可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置进行原位测试的方法，其特征在于：1)将试样通过导电胶带粘贴在载物台(401)上，之后将原位划痕测试装置通过底座(1)上的安装孔用螺钉安装在扫描电子显微镜载物台上，之后开启扫描电子显微镜；2)调整扫描电镜成像点的位置，并利用扫描电镜载物台位置调整功能，使得金刚石压头(204)和试样处于视场中心位置，并且其轴线与扫描电子显微镜电子束轴线成一定角度，方便观测划痕过程中材料与压头接触状态；3)启动权利要求1中所述的原位划痕测试装置，选择合适的运动参数使金刚石压头(204)运动到距离试样上方1微米左右的位置；4)利用压电精密压入单元(3)实现金刚石压头(204)对试样的压入；5)选择合适的运动参数，使压电精密划痕单元(5)沿x轴方向移动进行刻划动作，同时轴向力传感器和横向力传感器分别测得金刚石压头(204)与试样之间的轴向力与横向力，结合扫描电子显微镜的成像实现划痕过程中材料与压头接触状态的动态观测；6)压电精密压入单元(3)驱动金刚石压头(204)向上移动，完成卸载过程。

技术总结
本发明涉及一种可用于扫描电镜内原位观测的小型化划痕测试装置及方法，属于材料力学性能测试领域。该装置包括底座、压电精密压入单元、压电精密划痕单元、轴向力传感器和横向力传感器。压电精密压入单元、压电精密划痕单元分别固定在底座上；轴向力传感器和横向力传感器均由弹性梁与应变片组组成，分别固定在压电精密压入单元、压电精密划痕单元上。优点在于：可以同时实现横向力与轴向力的测量，且横向力和轴向力间无耦合，测量精度高；该装置结构紧凑，三维尺寸为90mm


技术研发人员：何贵浩 吴浩翔 王博 张浩飞 刘通 刘宇欣 黄雅明 黄虎
受保护的技术使用者：何贵浩
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/26