原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法
专利汇可以提供原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种原位微 纳米压痕 /划痕测试平台及测试方法，属于 机电一体化 精密科学仪器领域。X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑 驱动器 划痕组件装配在底座尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座中部， 电机 驱动单元装配在底座头部，精密压入驱动与位移 信号 检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入 力 和划痕法向力、切向力的精密三轴力 传感器 安装在X轴精密划痕单元上。优点在于：结构紧凑、小型化、一体化，在克服了现有测试平台无法定量检测划痕过程法向力、切向力的不足的同时，更好的保证装配 精度 ，有效提升整体的 刚度 和动态特性，提升了整体的测试精度。，下面是原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法专利的具体信息内容。
1.一种原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：包括X轴精密划痕单元、Y轴大
行程粘滑驱动器划痕组件、Z轴宏动调整机构、精密压入驱动单元与位移信号检测单元、载荷信号检测单元，其中，所述X轴精密划痕单元和Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件装配在底座（16）尾部，Z轴宏动调整机构装配在底座（16）中部，电机驱动单元装配在底座（16）头部，精密压入驱动与位移信号检测单元安装在Z轴宏动调整机构上，检测压痕压入力和划痕法向力、切向力的精密三轴力传感器（22）安装在X轴精密划痕单元上。
2.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的底座
（16）为一体成型式结构。
3.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的X轴
精密划痕单元包括柔性铰链Ⅰ（18）和压电叠堆Ⅰ（17），所述柔性铰链Ⅰ（18）的凹槽内部安装有压电叠堆Ⅰ（17），使载物台（23）和精密三轴力传感（22）在竖直方向上的位置，实现沿X轴方向的精密划痕功能。
4.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的Y轴大
行程粘滑驱动器划痕组件包括精密导轨滑块Ⅰ（20）、柔性铰链Ⅱ、Ⅲ（19、32）和压电叠堆Ⅱ、Ⅲ（31、33），所述精密导轨滑块Ⅰ（20）和柔性铰链Ⅱ、Ⅲ（19、32）分别安装在底座（16）上，柔性铰链Ⅱ、Ⅲ（19、32）的凹槽内部分别安装有压电叠堆Ⅱ、Ⅲ（31、33），柔性铰链Ⅱ、Ⅲ（19、32）输出端与精密导轨滑块Ⅰ（20）侧面实现间隙配合,通过调整压电叠堆Ⅱ、Ⅲ（31、33）的锯齿波电压实现划痕方向与划痕速度的控制，实现沿Y轴方向的大行程划痕过程，及实现压痕点的更换。
5.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的Z轴
宏动调整机构包括安装座（15）、连接件Ⅱ（14）、螺杆（29）、螺母（30）和精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ（13、28）、伺服电机（1）、蜗杆Ⅰ、Ⅱ（3、8）、蜗轮Ⅰ、Ⅱ（5、6）、螺杆支撑座（12），所述安装座（15）和螺母（30）分别安装在连接件Ⅱ（14）上，连接件Ⅱ（14）安装在精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ（13、28）上，精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ（13、28）安装在底座（16）上；伺服电机（1）安装在底座（16）上，平行布置于精密导轨滑块Ⅱ、Ⅲ（13、28）的右侧，减小测试平台的长度尺寸，伺服电机（1）驱动转矩经由蜗杆Ⅰ（3）、蜗杆Ⅱ（8）和蜗轮I（5）、蜗轮Ⅱ（6）的两级减速增扭后，带动螺杆（29）将旋转运动转化为安装座（15）的直线运动，实现Z轴方向金刚石压头（24）位置的宏动调整。
6.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的精密
压入驱动单元与位移信号检测单元包括金刚石压头（24）、压头连接件（26）和压电陶瓷促动器（27），所述金刚石压头（24）通过压头连接件（26）与压电陶瓷促动器（27）连接，压电陶瓷促动器（27）固定在安装座（15）上，压电陶瓷促动器（27）自身带有闭环位移反馈功能，以检测金刚石压头（24）的压入深度。
7.根据权利要求1所述的原位微纳米压痕/划痕测试平台，其特征在于：所述的载荷
信号检测单元包括载物台（23）、精密三轴力传感器（22）和连接件Ⅰ（21），所述载物台（23）安装在精密三轴力传感器（22）上，精密三轴力传感器（22）安装在连接件Ⅰ（21）上，定量检测压痕压入力和划痕法向力、切向力，在压痕过程中，将检测到的载荷信号作为反馈信号对压电叠堆驱动电源进行控制，实现闭环控制。
8.一种原位微纳米压痕/划痕测试方法，其特征在于：包括以下步骤；
a）将测试平台装配好，连接好相应线路，标定力传感器和位移传感器；
b）将试件通过熔融石蜡粘贴到载物台（23）上，用平头圆柱代替金刚石压头，调整沿Z轴方向的宏动调整机构，在预载荷100mN基础上，模拟压痕过程，对测试数据的加载段进行处理，通过二次多项式拟合得到了压入深度 与载荷的平方根之间的关系式，初步确定测试平台的机架柔度，确保无装配误差；
c）安装金刚石压头（24），分载荷进行多次压痕实验，确保测试平台重复性良好；
d）由于测试平台小型化造成机架柔度问题，分载荷进行校准机架柔度 ，利用参考材
料熔融石英进行压痕，根据机架柔度公式 ，其中， 为最大压入载荷， 为测
试平台在载荷作用下最大压入深度值， 为商业化纳米压痕仪在载荷作用下最大压入深度值；
e）将被测试件通过导电胶粘贴在载物台（23）上，调整Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件和Z轴宏动调整机构，使被测试件处于金刚石压头（24）的正下方，然后将权利要求1中所述的原位微纳米压痕/划痕测试测试平台安装在扫描电子显微镜载物台（37）上，并打开扫描电子显微镜，调整好电子枪（35）位置，调好视场，方便观察；
f）通过扫描电子显微镜成像，调整Z轴宏动调整机构使金刚石压头接近试件表面，使
金刚石压头处于试件表面上方0.5μm～1μm位置，此时力传感器示数为零；
g）根据压痕/划痕步骤，通过软件对拟定好的实验加载条件进行设置，启动程序即可
进行压痕/划痕的测试，结合压痕过程的载荷压深曲线，并借助扫描电子显微镜动态监测压入力或划痕力作用下被测样品材料的微观变形行为和损伤机制。
9.根据权利要求8所述的原位微纳米压痕/划痕测试方法，其特征在于：由力传感器
和位移传感器与A/D卡采集卡记录实验过程中的力与位移，得到压痕过程的载荷-压深曲线和划痕的法向力-切向力曲线，根据力学计算模型，即可得到压入硬度、接触刚度、弹性模量、划入硬度、摩擦系数力学参数。
原位微纳米压痕/划痕测试平台及测试方法
技术领域
背景技术
发明内容
b）将试件通过熔融石蜡粘贴到载物台23上，用平头圆柱代替金刚石压头，调整沿Z轴方向的宏动调整机构，在预载荷100mN基础上，模拟压痕过程，对测试数据的加载段进行处理，通过二次多项式拟合得到了压入深度 与载荷的平方根之间的关系式，初步确定测试平台的机架柔度，确保无装配误差；
c）安装金刚石压头24，分载荷进行多次压痕实验，确保测试平台重复性良好；
d）由于测试平台小型化造成机架柔度问题，分载荷进行校准机架柔度 ，利用参考材料熔融石英进行压痕，根据机架柔度公式 ，其中， 为最大压入载荷， 为测试平台在载荷作用下最大压入深度值， 为商业化纳米压痕仪在载荷作用下最大压入深度值；
e）将被测试件通过导电胶粘贴在载物台23上，调整Y轴大行程粘滑驱动器划痕组件和Z轴宏动调整机构，使被测试件处于金刚石压头24的正下方，然后将权利要求1中所述的原位微纳米压痕/划痕测试测试平台安装在扫描电子显微镜（在Raman和X射线衍射下原理类似，此处不赘述）载物台37上，并打开扫描电子显微镜，调整好电子枪35位置，调好视场，方便观察；
f）通过扫描电子显微镜成像，调整Z轴宏动调整机构使金刚石压头接近试件表面，使金刚石压头处于试件表面上方0.5μm～1μm位置，此时力传感器示数为零；
g）根据压痕/划痕步骤，通过软件对拟定好的实验加载条件（包括压痕的载荷/位移加载函数，划痕的载荷和划痕位移加载函数）进行设置，启动程序即可进行压痕/划痕的测试，结合压痕过程的载荷压深曲线（划痕过程中法向力和切向力的曲线），并借助扫描电子显微镜动态监测压入力（或划痕力）作用下被测样品材料的微观变形行为和损伤机制。
图3为本发明的大行程粘滑驱动器划痕组件结构示意图；
图4为本发明的精密划痕单元示意图；
图5为本发明的提供的原位测试原理图；
图6为本发明提供一种适用于原位微纳米压痕/划痕测试的校准与试验方法流程图；
图7为压痕曲线与原位监测材料压痕变形损伤对应的原理图；
图8、图9为典型的压入测试的载荷-压深曲线；
图10为压痕数据分析流程图。
34.样品室；35.电子枪；36.安装支座；37.显微镜载物台。
具体实施方式
27自身带有闭环位移反馈功能，可以检测金刚石压头24的压入深度，代替位移传感器的作用，通过压电陶瓷促动器27的输出信号，通过采集卡进行采集和调理，送入工控机进行处理。
b）将试件通过熔融石蜡粘贴到载物台23上，用平头圆柱代替金刚石压头，调整沿Z轴方向的宏动调整机构，在预载荷100mN基础上，模拟压痕过程，对测试数据的加载段进行处理，通过二次多项式拟合得到了压入深度ｈ与载荷的平方根之间的关系式，初步确定测试平台的机架柔度，确保无装配误差；
c）安装金刚石压头24，分载荷进行多次压痕实验，确保测试平台重复性良好；
d）由于测试平台小型化造成机架柔度问题，分载荷进行校准机架柔度 ，利用参考材料熔融石英进行压痕，根据机架柔度公式 ，其中， 为最大压入载荷， 为测试平台在载荷作用下最大压入深度值， 为商业化纳米压痕仪在载荷作用下最大压入深度值。
g）根据压痕/划痕步骤，通过软件对拟定好的实验加载条件（包括压痕的载荷/位移加载函数，划痕的载荷和划痕位移加载函数）进行设置，启动程序即可进行压痕/划痕的测试，结合压痕过程的载荷压深曲线（划痕过程中法向力和切向力的曲线），并借助扫描电子显微镜动态监测压入力（或划痕力）作用下被测样品材料的微观变形行为和损伤机制。
压痕测试曲线压入载荷-深度曲线的卸载部分近似满足以下幂函数关系式
（2）
式中， 是压入载荷， 是压入深度， 是残余压入深度， 和 为幂函数拟合参数。
通常对卸载曲线顶部的25%～50%部分进行最小二乘法拟合，得到 和 值。
式中，ε为与压头几何形状有关的常数。对于圆锥形压头，ε=0.72；抛物形压头，ε=0.75；平头压头，ε=1.00。
这时需要对面积函数进行修正和校准,方法详见GB/T22458一2008。
式中， 为与压头形状有关的常数(对应于玻氏压头、维氏压头和平头压头， 的取值分别为1.034，1.012和1.000)。
式中， 、 分别为试件和压头材料的弹性模量；、 分别为试件材料和压头材料的泊松比。
划痕测试过程中，刻划硬度可表示为
（8）
耕犁硬度可表示为
（9）
材料与试件之间的摩擦系数可通过下式获得
（10）
其中, 为划痕过程切向力， 为划痕过程法向力, 为法向的残余接触面积，
为切向的接触面积，对于不同的压头形状，其接触面积也不一样。
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