技术领域
[0001] 本实用新型涉及新材料研发领域，尤其是一种能够对样品施加可调的单方向的拉力或压力的一种样品
应力施加装置。
背景技术
[0002] 沿着材料结构的某些方向的压力或拉力能够直接导致材料
原子之间的
各向异性变化，从而使得材料的
电子结构产生较大的变化，另外，从不同方向对样品施加单方向的压力，并比较材料对于不同晶格扭曲的反应，能够用于研究材料的某些特性，在进行实际实验测量的过程中，其难点是如何保证施加到样品上的力是严格的单方向的，
现有技术中对样品施加单方向力的技术包括对顶砧、衬底弯曲装置、压电
驱动器等，但是上述技术在样品应力施加的均匀性不能满足对某些特殊材料的研究；另外，一般的样品固定方法是将样品的固定端直接放置于样品台上，然后采用环
氧树脂包裹样品固定端的上面及侧面，最终
环氧树脂凝固并形成近似半球状，仅依靠半球的下面与样品台连接以固定，这种固定方法的缺点是会导致样品的固定端受力不均匀，即样品下侧的受力较大，在对样品两端施加压力的过程中，样品容易形变，所述一种样品应力施加装置能够解决问题。实用新型内容
[0003] 为了解决上述问题，本实用新型装置采用特殊的基于压电驱动器的结构来对样品施加单方向的应力，并具有特殊设计的样品台以减少加压过程中样品的形变。
[0004] 本实用新型所采用的技术方案是：
[0005] 所述一种样品应力施加装置包括
致动器座、
压电致动器I、压电致动器II、压电致动器III、连接
块、挠性元件、热收缩金属箔、移动块、固定架、样品台I、螺丝I、
铝箔压片I、样品、铝箔压片II、样品台II、螺丝II、紧固螺丝、
支撑片、
电阻应变计、
电缆和计算机，xyz为三维空间
坐标系，致动器座为高刚性的
钛金属块，压电致动器I的一端连接致动器座、另一端连接于连接块，压电致动器III的一端连接致动器座、另一端连接于连接块，压电致动器II的一端连接致动器座、另一端连接于移动块；固定架通过轴线沿x方向的紧固螺丝固定于连接块，移动块、样品台I、螺丝I、铝箔压片I、样品、铝箔压片II、样品台II、支撑片和电阻应变计均位于固定架与连接块形成的空间内；样品台I通过螺丝I固定至移动块，样品台II通过螺丝II固定至固定架；压电致动器I、压电致动器II和压电致动器III均由压电陶瓷堆叠结构加工而成且伸缩方向沿x方向，当无外力及
电压作用的情况下，压电致动器I、压电致动器II和压电致动器III在x方向的长度相等；移动块的一部分无
接触地嵌套于连接块内，连接块为镂空的钛金属
框架，连接块连接有挠性元件，使得连接块能够产生微米量级的形变，连接块与固定架的接触面之间具有热收缩金属箔；样品台I和样品台II均具有凹槽，样品为长条薄片状，样品两端分别嵌入样品台I和样品台II的凹槽中并分别被铝箔压片I和铝箔压片II
覆盖；支撑片为长条薄片状，其一端通过螺丝I固定于移动块的下面、另一端依次连接电阻应变计和样品台II，使得电阻应变计位于样品下方且与样品无接触，电阻应变计通过电缆连接计算机，电阻应变计能够将测得的数据传输进入计算机，电阻应变计能够将测得的数据输入计算机；热收缩金属箔由
银制成；固定架为U形刚性钛金属架；样品尺寸典型值是长度为6毫米、宽度为1毫米、厚度为0.1毫米；紧固螺丝由
黄铜制成。
[0006] 本实用新型的有益效果是：
[0007] 本实用新型装置对样品施加单方向的应力均匀性较高，且能够减少加压过程中样品断裂的
风险。
附图说明
[0008] 下面结合本实用新型的图形进一步说明：
[0009] 图1是本实用新型示意图；
[0010] 图2是图1的仰视图。
[0011] 图中，1.致动器座，2.压电致动器I，3.压电致动器II，4.压电致动器III，5.连接块，6.挠性元件，7.热收缩金属箔，8.移动块，9.固定架，10.样品台I，11.螺丝I，12.铝箔压片I，13.样品，14.铝箔压片II，15.样品台II，16.螺丝II，17.紧固螺丝，18.支撑片，19.电阻应变计。
具体实施方式
[0012] 如图1是本实用新型示意图，如图2是图1的仰视图，包括致动器座(1)、压电致动器I(2)、压电致动器II(3)、压电致动器III(4)、连接块(5)、挠性元件(6)、热收缩金属箔(7)、移动块(8)、固定架(9)、样品台I(10)、螺丝I(11)、铝箔压片I(12)、样品(13)、铝箔压片II(14)、样品台II(15)、螺丝II(16)、紧固螺丝(17)、支撑片(18)、电阻应变计(19)、电缆和计算机，xyz为三维空间坐标系，致动器座(1)为高刚性的钛金属块，压电致动器I(2)的一端连接致动器座(1)、另一端连接于连接块(5)，压电致动器III(4)的一端连接致动器座(1)、另一端连接于连接块(5)，压电致动器II(3)的一端连接致动器座(1)、另一端连接于移动块(8)；固定架(9)通过轴线沿x方向的紧固螺丝(17)固定于连接块(5)，紧固螺丝(17)由黄铜制成；移动块(8)、样品台I(10)、螺丝I(11)、铝箔压片I(12)、样品(13)、铝箔压片II(14)、样品台II(15)、支撑片(18)和电阻应变计(19)均位于固定架(9)与连接块(5)形成的空间内；样品台I(10)通过螺丝I(11)固定至移动块(8)，样品台II(15)通过螺丝II(16)固定至固定架(9)；压电致动器I(2)、压电致动器II(3)和压电致动器III(4)均由压电陶瓷堆叠结构加工而成且伸缩方向沿x方向，当无外力及电压作用的情况下，压电致动器I(2)、压电致动器II(3)和压电致动器III(4)在x方向的长度相等；移动块(8)的一部分无接触地嵌套于连接块(5)内，连接块(5)为镂空的钛金属框架，连接块(5)连接有挠性元件(6)，使得连接块(5)能够产生微米量级的形变，连接块(5)与固定架(9)的接触面之间具有热收缩金属箔(7)，热收缩金属箔(7)由银制成，固定架(9)为U形刚性钛金属架；样品台I(10)和样品台II(15)均具有凹槽，样品(13)为长条薄片状，样品(13)尺寸典型值是长度为6毫米、宽度为1毫米、厚度为0.1毫米，样品(13)两端分别嵌入样品台I(10)和样品台II(15)的凹槽中并分别被铝箔压片I(12)和铝箔压片II(14)覆盖；支撑片(18)为长条薄片状，其一端通过螺丝I(11)固定于移动块(8)的下面、另一端依次连接电阻应变计(19)和样品台II(15)，使得电阻应变计(19)位于样品(13)下方且与样品(13)无接触，电阻应变计(19)通过电缆连接计算机，电阻应变计(19)能够将测得的数据输入计算机。
[0013] 所述一种样品应力施加装置包括致动器座(1)、压电致动器I(2)、压电致动器II(3)、压电致动器III(4)、连接块(5)、挠性元件(6)、热收缩金属箔(7)、移动块(8)、固定架(9)、样品台I(10)、螺丝I(11)、铝箔压片I(12)、样品(13)、铝箔压片II(14)、样品台II(15)、螺丝II(16)、紧固螺丝(17)、支撑片(18)、电阻应变计(19)、电缆和计算机，xyz为三维空间坐标系，致动器座(1)为高刚性的钛金属块，压电致动器I(2)的一端连接致动器座(1)、另一端连接于连接块(5)，压电致动器III(4)的一端连接致动器座(1)、另一端连接于连接块(5)，压电致动器II(3)的一端连接致动器座(1)、另一端连接于移动块(8)；固定架(9)通过轴线沿x方向的紧固螺丝(17)固定于连接块(5)，移动块(8)、样品台I(10)、螺丝I(11)、铝箔压片I(12)、样品(13)、铝箔压片II(14)、样品台II(15)、支撑片(18)和电阻应变计(19)均位于固定架(9)与连接块(5)形成的空间内；样品台I(10)通过螺丝I(11)固定至移动块(8)，样品台II(15)通过螺丝II(16)固定至固定架(9)；压电致动器I(2)、压电致动器II(3)和压电致动器III(4)均由压电陶瓷堆叠结构加工而成且伸缩方向沿x方向，当无外力及电压作用的情况下，压电致动器I(2)、压电致动器II(3)和压电致动器III(4)在x方向的长度相等；移动块(8)的一部分无接触地嵌套于连接块(5)内，连接块(5)为镂空的钛金属框架，连接块(5)连接有挠性元件(6)，使得连接块(5)能够产生微米量级的形变，连接块(5)与固定架(9)的接触面之间具有热收缩金属箔(7)；样品台I(10)和样品台II(15)均具有凹槽，样品(13)为长条薄片状，样品(13)两端分别嵌入样品台I(10)和样品台II(15)的凹槽中并分别被铝箔压片I(12)和铝箔压片II(14)覆盖；支撑片(18)为长条薄片状，其一端通过螺丝I(11)固定于移动块(8)的下面、另一端依次连接电阻应变计(19)和样品台II(15)，使得电阻应变计(19)位于样品(13)下方且与样品(13)无接触，电阻应变计(19)通过电缆连接计算机，电阻应变计(19)能够将测得的数据输入计算机；热收缩金属箔(7)由银制成；固定架(9)为U形刚性钛金属架；样品(13)尺寸典型值是长度为6毫米、宽度为1毫米、厚度为0.1毫米；紧固螺丝(17)由黄铜制成。
[0014] 利用所述一种样品应力施加装置进行应力施加的步骤为：
[0015] 一，装置校准，分别在300K、77K及20K
温度下对样品应力施加装置进行校准，确保在压电致动器I、压电致动器II及压电致动器III无电压作用下，致动器座和连接块在y方向保持平行，另外，对压电致动器I及压电致动器III同时施加正电压的情况下，致动器座移动方向严格沿着x负方向，对压电致动器II施加正电压的情况下，移动块移动方向严格沿着x正方向；
[0016] 二，样品固定，将长条薄片状的样品的两端分别嵌入样品台I和样品台II的凹槽，采用环氧树脂填充入样品与凹槽之间的缝隙以固定样品，并采用铝箔压片I和铝箔压片II分别覆盖在样品两端，并进行
准直，使得样品的长边严格沿着x方向；
[0017] 三，电阻应变计安装，首先使用环氧树脂将电阻应变计固定于
锡箔纸上，并使得电阻应变计处于受拉力的状态，再将电阻应变计的两端分别固定于支撑片和样品台II上，并进行准直，使得电阻应变计的拉伸测量方向严格沿着x方向；
[0018] 四，对样品施加单方向应力，对压电致动器I及压电致动器III施加正电压，使得其压电陶瓷的堆叠结构伸长，致动器座向x负方向移动，带动压电致动器II、移动块和样品台I一起向x负方向移动，从而对样品产生拉伸作用；对压电致动器II施加正电压，使得其压电陶瓷的堆叠结构伸长，带动移动块和样品台I一起向x正方向移动，从而对样品产生压缩作用；
[0019] 五，测量样品受到的力，电阻应变计测得的数据通过电缆传输进入计算机，计算机处理所述数据后得到与样品受到的力相关的信息。
[0020] 样品安装方法，采用环氧树脂来固定样品的优点是，首先无需对样品表面进行精密
抛光，其次，样品的固定端不会产生旋转或移动，这使得能够采用更高的长宽比的样品以进行实验，再次，如果采用凝固后具有相对较低的弹性模的环氧树脂，其与样品之间形成一个形变界
面层，能够减少样品中的压力，从而减少样品断裂的风险。
[0021] 本实用新型采用的样品固定方法，样品(13)为长条薄片状，其两端分别嵌入样品台I(10)和样品台II(15)的凹槽，采用环氧树脂填充入样品(13)与凹槽之间的缝隙以固定样品(13)，并采用铝箔压片I(12)和铝箔压片II(14)分别覆盖在样品(13)两端，优点是样品的固定端受力均匀，从而减小了样品受到压力时断裂的概率。
[0022] 本实用新型装置对样品施加单方向应力的原理是，压电致动器I(2)、压电致动器II(3)及压电致动器III(4)均由压电陶瓷的堆叠结构加工而成且伸缩方向沿x方向的致动器，移动块(8)的
位置通过压电致动器I(2)、压电致动器II(3)及压电致动器III(4)来调节，由于压电致动器I(2)、压电致动器II(3)及压电致动器III(4)在无外力及电压作用的情况下在x方向的长度相等并都连接至连接块(5)，因此，压电致动器I(2)、压电致动器II(3)及压电致动器III(4)对于温度的变化是相同的，从而不会对样品产生应力。
[0023] 对压电致动器I(2)及压电致动器III(4)施加正电压，使得其压电陶瓷的堆叠结构伸长，致动器座(1)向x负方向移动，带动压电致动器II(3)、移动块(8)及样品台I(10)一起向x负方向移动从而对样品(13)产生拉伸作用，即对样品(13)施加沿x负方向的拉力；对压电致动器II(3)施加正电压，使得其压电陶瓷的堆叠结构伸长，带动移动块(8)及样品台I(10)一起向x正方向移动从而对样品(13)产生压缩作用，即对样品(13)施加沿x正方向的压力；致动器座(1)及固定架(9)均由钛加工而成，其优点是金属钛材料与压电致动器1(2)、压电致动器II(3)及压电致动器III(4)的压电陶瓷堆叠结构有近似的横向收缩系数；固定架(9)与连接块(5)的接触面之间的热收缩金属箔(7)由银制成，用于增加装置的热收缩系数；紧固螺丝(17)由黄铜制成，由于黄铜的热收缩系数大于钛的热收缩系数，因此能够使得装置在低温下固定紧密。挠性元件(6)具有较低的纵向运动的弹性系数，而对扭转或者横向移动具有较高的弹性系数，因此能够用于保护压电致动器I(2)、压电致动器II(3)及压电致动器III(4)的压电陶瓷堆叠受到突然产生的横向力的作用，比如在样品安装过程中的力。电阻应变计(19)位于样品(13)下侧，一端连接支撑片(18)，另一端连接样品台II(15)。
[0024] 为了减少电阻应变计(19)在安装过程中的形变，首先使用环氧树脂将其固定于一片锡箔纸上，使得电阻应变计(19)处于受拉力的状态，然后在此状态下将电阻应变计(19)的两端分别固定于支撑片(18)及样品台II(15)，这样的安装方法能够在实验中保持电阻应变计(19)的平整性，即使是在样品被压缩的情况下。
[0025] 电阻应变计(19)用于测量样品(13)的位移量，并根据样品(13)的受力与样品(13)的位移量的关系计算出样品受到的力，样品上位置x处所受的力F与x的关系，近似用公式表示为 其中C代表环氧树脂的剪切弹性系数，d代表环氧树脂的厚度，D(x)代表样品上位置x处相对于未负载时的位移量，w代表样品的宽度。
[0026] 本实用新型装置采用特殊的基于压电驱动器的结构来对样品施加单方向的应力，所述应力能够精确可调且均匀性较好，其特殊设计的样品台能够减少加压过程中样品的形变。
