用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置和观察装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及扭曲试验设备领域，具体是一种用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置，还是一种含有该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置的微观形貌观察装置。
【背景技术】
[0002]随着纳米技术的发展，微纳米材料被广泛的应用于航空航天、汽车工业、半导体、生物医学、MEMS、高分子、太阳能/燃料电池化工、石油、岩石、微电子、微型传感器、半导体材料、自动控制、航空航天、汽车工业及机械工具中。材料的微观力学性能与宏观的经典力学性能存在很大的差异。材料的微纳米力学测试的诸多性能参数中材料的扭转力学性能测试是非常重要的测试对象之一。
[0003]原位微纳米力学性能测试技术是近几年发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。相比于宏观的测试技术，原位测试技术可以在电子显微镜的观测下对试件进行原位加载，可以同时对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察等诸多优势。然而，现阶段的原位测试技术及仪器，多集中在材料的拉伸和弯曲变形上，对材料的扭转测试关注较少。主要原因在于扭转测试平台对设备的小型化、精度、材料装配等有苛刻的要求，并且在实验过程中需要保证测试装置与工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，这些原因限制了微纳米扭转力学测试技术的快速发展。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术中的没有原位微纳米扭转测试设备的问题，本发明提供了一种用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置和观察装置，该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置体积较小，结构简单，对多种尺寸的试样都能进行测试，适应性较强，而且空间结构紧凑、便于观察。该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置还可以与显微成像仪器(如扫描电子显微镜SEM、光学显微镜OM等)配套使用形成微观形貌观察装置，从而开展针对三维宏观试件的跨尺度原位扭转测试，本发明亦可对材料在扭矩作用下的微观变形和损伤过程进行原位观察，并一定程度上揭示材料及其制品在微纳米尺度下的力学行为和破坏机制。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置，所述用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置包括:
[0007]夹持单元，用于夹持固定测试试样，该夹持单元包括两个夹头；
[0008]加载单元，用于驱动测试试样扭转，该加载单元包括能够输出扭矩的微型电机，该加载单元与该夹持单元的一端连接；
[0009]信号检测单元，用于检测测试试样受到的扭矩大小，该信号检测单元与该夹持单元的另一端连接。
[0010]—种微观形貌观察装置，含有上述的用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置，该微观形貌观察装置为光学显微镜或扫描电子显微镜，该微观形貌观察装置的物镜的位置与该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置的所述两个夹头之间相对应，该微观形貌观察装置能够观察所述两个夹头之间的测试试样。
[0011]本发明的有益效果是:
[0012]1、支撑板可以在基座上水平滑动并能锁紧，因而直径为微纳尺寸的试样的初始长度可以自行设定。
[0013]2、在测试过程中，测试试样的对中对扭矩测试是非常关键的。本发明提出采用精密步进电机驱动滚珠丝杠，进而带动连接杆完成对测试试样的对中。同时，测试试样对中完成后，为方便试样的扭转，滚珠丝杠驱动系统滑离工作区。
[0014]3、在测试过程中，测试试样一直处于装置的中间位置附近，也是处于显微镜便于观察的范围内，这避免了现有测试装置中试样固定在一端进而出现测试图像偏移的缺陷，使测试过程便于进行。
[0015]4、整个测试装置结构简单，体积较小，便于在扫描电子显微镜SEM等成像仪器的狭小空间中工作，具有良好的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。
[0016]5、可在各类成像仪器的观测下开展针对三维微纳米试样的跨尺度原位扭转测试，通过本发明亦可对材料在扭矩作用下的微观变形和损伤过程进行原位观察，并一定程度上揭示材料及其制品在微纳米尺度下的力学行为和破坏机制。
【附图说明】
[0017]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0018]图1是该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置的主视图。
[0019]图2是夹头的结果示意图。
[0020]图3是滚珠丝杠的螺母与连接杆的联接部分示意图。
[0021]图中附图标记:1、微型电机;2、联轴器;3、减速器;4、左导轨;5、连接杆;6、右导轨；7、扭矩传感器;8、支撑板;9、滚珠丝杠；1、精密步进电机；11、基座；12、螺钉；13、压板；14、测试试样;15、托板;16、螺栓。
【具体实施方式】
[0022]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0023]—种用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置，包括:
[0024]夹持单元，用于夹持固定丝状或线状的测试试样14，该夹持单元包括两个夹头；
[0025]加载单元，用于驱动测试试样14扭转，该加载单元包括能够输出扭矩的微型电机I，该加载单元与该夹持单元的一端连接；
[0026]信号检测单元，用于检测测试试样14受到的扭矩大小，该信号检测单元与该夹持单元的另一端连接，如图1所示。
[0027]由于该加载单元中采用了微型电机I，所以该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置适合于微纳尺度材料的原位扭矩测试之用。在本实施例中，该加载单元、夹持单元和信号检测单沿水平方向从左向右依次设置，所述两个夹头左右对称设置，该夹头包括上下层叠设置的压板13和托板15，压板13和托板15通过螺钉12连接，该夹头能够通过螺钉12将测试试样14的端部夹持固定于压板13和托板15之间，如图1和图2所示。优选，托板15的上表面设有用于固定测试试样14的V形凹槽，压板13和托板15均沿水平方向设置，该两个夹头中的托板15的上表面位于同一水平，所述两个夹头的大小和形状相同，所述两个夹头互为镜像。在该夹头夹持测试试样14时，测试试样14的端部的一部分位于该V形凹槽中，如图2所示。
[0028]在本实施例中，所述用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置还包括中心微调单元，该中心微调单元包括连接杆5、滚珠丝杠9和精密步进电机10，连接杆5位于该夹持单元的下方，连接杆5的两端分别与所述两个夹头的托板15固定连接，精密步进电机10通过滚珠丝杠9与连接杆5连接，精密步进电机10能够通过滚珠丝杠9使连接杆5和两个夹头的托板15上下移动，从而调整该两个夹头之间的测试试样14的竖直位置，如图1和图3所示。
[0029]在本实施例中，连接杆5呈凹字型，连接杆5包括左支杆和右支杆，该左支杆和右支杆之间能够分离，该左支杆的一端与两个托板15中的一个托板15连接固定，该右支杆的一端与两个托板15中的另一个托板15连接固定，滚珠丝杠9的螺母位于该左支杆和右支杆之间，该左支杆的另一端与该右支杆的另一端均与滚珠丝杠9的螺母可拆卸连接。具体的，左支杆和右支杆均为L形，左支杆和右支杆互为镜像，在扭矩测试之前，左支杆和右支杆之间通过滚珠丝杠9的螺母连接固定从而组合成连接杆5。如图1所示，滚珠丝杠9的螺母通过螺栓16与连接杆5连接固定，当卸下螺栓16时，滚珠丝杠9的螺母与连接杆5分离，连接杆5的左支杆和右支杆之间也分离。滚珠丝杠9的螺杆与精密步进电机1同轴固定连接，滚珠丝杠9的螺杆沿竖直方向设置，滚珠丝杠9的轴线和托板15上表面的该V形凹槽位于同一竖直平面内，在该夹头夹持测试试样14时，测试试样14呈水平状态且沿左右设置，滚珠丝杠9的螺杆的轴线与测试试样14相交并垂直。
[0030]在本实施例中，该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置还包括机座11，机座11位于该用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置的下部，该加载单元和信号检测单元均固定于机座11上，电机10的下部插接于机座11上的滑槽中，该滑槽沿前后方向设置，电机10和滚珠丝杠9能够沿前后方向滑动。在本发明中，所述前后方向为垂直于图1的纸面方向，左右方向为图1中的左右方向，上下方向为图1中的上下方向。
[0031]在本实施例中，该加载单元还包括沿水平方向从左向右依次设置的联轴器2、减速器3和左导轨4，电机I的输出轴通过联轴器2与减速器3连接，左导轨4的左端与减速器3的输出轴固定连接，减速器3的输出轴的轴线沿左右方向设置，减速器3能够驱动左导轨4转动，左导轨4的转动轴线与减速器3的输出轴的轴线重合，左导轨4的转动轴线平行于该两个夹头的连线，左导轨4的右端设有第一导向滑轨，该第一导向滑轨与左导轨4的转动轴线垂直，该第一导向滑轨与左导轨4的转动轴线位于同一平面内，左侧的该夹头的托板15的左端与该第一导向滑轨匹配插接，左侧的托板15能够沿该第一导向滑轨滑动，如图1所示。左侧的托板15能够通过螺钉与左导轨4锁紧固定。
[0032]在本实施例中，该信号检测单元包括沿水平方向从左向右