变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试仪器的制作方法

本发明涉及机电一体化精密仪器、纳米压痕领域，特别涉及一种真空、变温-强磁场复合条件下的材料力学性能参数的纳米压痕测试仪器，尤指一种变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试仪器。用于对材料进行变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试，为超导等特性材料在真空、变温-强磁场复杂工况下的力学性能提供了一种有效的测试技术。

背景技术：

近年来，随着科学技术的发展，诸多新材料的特征尺寸不断减小，人们很难再采用传统测试手段对其进行力学性能的测试。纳米压痕测试技术的压入深度在纳米量级，对被测试样的形状尺寸要求较低，具有获取信息丰富、试样制备简单、测量分辨力高等其它测试技术手段无可比拟的优势，现已广泛应用于超导等特性材料的力学性能测试。

材料的力学性能与其实际服役条件密切相关，采用常温-弱磁条件下测得的材料力学性能参数去指导变温-强磁条件下材料或结构的设计和使用，显然不具备科学性和实用性，而现有的传统纳米压痕测试仪器尚不具备测定材料变温-强磁条件下力学性能的能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试仪器，解决现有技术存在的上述问题。本发明集支撑模块、强磁场加载模块、精密位移检测模块、载荷精密驱动检测模块和变温加载模块于一体，整体置于真空腔内，操作简便、磁场安全可靠、加载与检测精度高，可完成试件在变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试。为超导等特性材料在真空、变温-强磁场复杂工况下的力学性能提供了一种有效的测试技术。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试仪器，包括支撑模块1、强磁场加载模块2、精密位移检测模块3、载荷精密驱动检测模块4和变温加载模块5，所述强磁场加载模块2、精密位移检测模块3、载荷精密驱动检测模块4和变温加载模块5分别安装在支撑模块1上；仪器整体置于真空腔内，精密位移检测模块3和载荷精密驱动检测模块4实现压头的精密驱动以及压入深度与施加载荷的精密检测；强磁场加载模块2与变温加载模块5耦合实现变温-强磁场加载测试。

所述的强磁场加载模块2是：低温超导线圈201放置在支撑块103上，保证试件位于低温超导线圈201的中心5T匀场区；低温超导线圈201是由低温超导线材按照跑道型结构绕制而成的二级磁体线圈，线圈放置于液氦杜瓦内，保证其工作温度；正极引线接头202、负极引线接头203通过非导磁性钛制螺栓与低温超导线圈201连接，外接直流电源对低温超导线圈201进行稳态加载与控制，实现0~5T的强磁场加载。

所述的精密位移检测模块3包括连接板301、手动平移台302、耐低温强磁激光式位移传感器304、夹具体a303、夹具体b305及位移测量板306，所述手动平移台302左端通过连接板301螺栓连接固定于外壳101上；夹具体a303、夹具体b305通过螺栓连接固定于手动平移台302上；位移测量板306通过连接块403下端面与耐低温强磁压电式力传感器405上端面夹紧固定；夹具体a303、夹具体b305夹持着耐低温强磁激光式位移传感器304随手动平移台302纵向移动，完成耐低温强磁激光式位移传感器304与位移测量板306的校准，实现压头压入深度的精密检测。

所述的载荷精密驱动检测模块4包括耐低温强磁压电纳米位移台404、连接块403、耐低温强磁压电式力传感器405、压杆402、紧定螺钉406及金刚石压头401，所述耐低温强磁压电纳米位移台404上端通过螺栓连接固定于外壳101上，下端通过螺栓与连接块403连接；耐低温强磁压电纳米位移台404存在粗定位及精细定位两种模式，粗定位模式实现压头纵向宏观进给，精细定位模式分辨率达1nm以下，实现压头纵向精密微观进给；耐低温强磁压电式力传感器405上端通过外螺纹与连接块403中心孔内螺纹连接，下端通过外螺纹与压杆402中心孔内螺纹连接；压杆402与压头401通过紧定螺钉406进行固定，实现压头的精密驱动与载荷检测。

所述的变温加载模块5是：载物台502通过螺栓连接固定于底板102上，传输管道503与载物台502过盈配合，通入液氦或液氮对载物台502及其上的试件实现低温加载；载物台502内嵌入发热电阻丝501，通过改变发热电阻丝501的发热功率实现变温加载。

本发明的有益效果在于：仪器整体置于真空腔内，既防止水蒸气冷凝对实验产生干扰，又能准确模拟材料实际服役条件；强磁场加载模块通过对绕制低温超导线圈外接直流电源实现0~5T的强磁场加载；精密位移检测模块通过耐低温强磁激光式位移传感器实现压头压入深度的精密检测；载荷精密驱动检测模块由耐低温强磁压电纳米位移台实现压头的纵向精密驱动，通过耐低温强磁压电式力传感器实现压头施加载荷的精密检测；变温加载模块实现100K低温至293K室温的变温加载。设计简单大方、操作简便、磁场安全可靠、加载与检测精度高，可完成试件在变温-强磁复合条件下的纳米压痕测试，为超导等特性材料在真空、变温-强磁场复杂工况下的力学性能提供了一种有效的测试技术。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实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。

图1为本发明的整体结构示意图（为准确显示内部各模块结构，外壳作部分切除处理，具体结构见图2）；

图2为本发明的支撑模块的结构示意图；

图3为本发明的强磁场加载模块的结构示意图；

图4为本发明的精密位移检测模块的结构示意图；

图5为本发明的载荷精密驱动检测模块的结构示意图；

图6为本发明的变温加载模块的结构示意图（为准确显示内部结构，载物台作部分切除处理）；

图7为本发明置于真空腔内的结构示意图。

图中：1、支撑模块；2、强磁场加载模块；3、精密位移检测模块；4、载荷精密驱动检测模块；5、变温加载模块；101、外壳；102、底板；103、支撑块；104、减震台；105、腔体；201、低温超导线圈；202、正极引线接头；203、负极引线接头；301、连接板；302、手动平移台；303、夹具体a；304、耐低温强磁激光式位移传感器；305、夹具体b；306、位移测量板；401、压头；402、压杆；403、连接块；404、耐低温强磁压电纳米位移台；405、耐低温强磁压电式力传感器；406、紧定螺钉；501、发热电阻丝；502、载物台；503、传输管道。

具体实施方式

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。

参见图1至图7所示，本发明的变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试仪器，可对材料在最低100K低温、最高5T强磁场进行变温-强磁场复合条件下的纳米压痕测试。本发明由支撑模块1、强磁场加载模块2、精密位移检测模块3、载荷精密驱动检测模块4和变温加载模块5组成。各模块分别安装在支撑模块1上，仪器整体置于真空腔内，既防止水蒸气冷凝对实验产生干扰，又能准确模拟材料实际服役条件；其中支撑模块1对整个测试仪器起支撑减震的作用，减少外界环境扰动对实验过程的影响；强磁场加载模块2通过对绕制低温超导线圈外接直流电源实现0~5T的强磁场加载；精密位移检测模块3通过耐低温强磁激光式位移传感器实现压头压入深度的精密检测；载荷精密驱动检测模块4由耐低温强磁压电纳米位移台实现压头的纵向精密驱动，通过耐低温强磁压电式力传感器实现压头施加载荷的精密检测；变温加载模块5实现100K低温至293K室温的变温加载。该仪器整体设计简单大方、操作简便、磁场安全可靠、加载与检测精度高，可完成试件在变温-强磁复合条件下的纳米压痕测试，为超导等特性材料在真空、变温-强磁场复杂工况下的力学性能提供了一种有效的测试技术。通过精密位移检测模块和载荷精密驱动检测模块实现压头的精密驱动以及压入深度与施加载荷的精密检测；通过强磁场加载模块与变温加载模块耦合实现变温-强磁场加载测试。

参见图1至图3所示，所述的支撑模块1由腔体105、隔震台104、底板102、外壳101、支撑块103组成。减震台（大理石）104通过四个支座固定于腔体105上，二者在竖直方向上保持一定距离，防止铁磁性材料腔体105对低温超导线圈201产生的强磁场存在影响；底板102和支撑块103分别通过非导磁性钛制螺栓（下同）连接固定在减震台104上；外壳101通过螺栓连接固定在底板102上，对其内的精密位移检测模块和载荷精密驱动检测模块起到支撑保护作用。

参见图1至图3及图6所示，所述的强磁场加载模块2由低温超导线圈201、正极引线接头202、负极引线接头203组成。低温超导线圈201放置在支撑块103上，保证试件位于低温超导线圈201的中心5T匀场区；低温超导线圈201是由低温超导线材按照跑道型结构绕制而成的二级磁体线圈，线圈放置于液氦杜瓦内，保证其工作温度；正极引线接头202、负极引线接头203通过螺栓与低温超导线圈201连接，外接直流电源对低温超导线圈201进行稳态加载与控制，实现0~5T强磁场加载。

参见图1、图2、图4及图5所示，所述的精密位移检测模块3包括连接板301、手动平移台302、耐低温强磁激光式位移传感器304、夹具体a303、夹具体b305及位移测量板306。所述手动平移台302左端通过竖直的连接板301螺栓连接固定于外壳101上；夹具体a303、夹具体b305通过螺栓连接固定于手动平移台上；位移测量板306通过连接块403下端面与耐低温强磁压电式力传感器405上端面夹紧固定；夹具体a303、夹具体b305夹持着耐低温强磁激光式位移传感器随手动平移台纵向移动，完成耐低温强磁激光式位移传感器304与位移测量板306的校准，实现压头压入深度的精密检测。

参见图2及图5所示，所述的载荷精密驱动检测模块4包括耐低温强磁压电纳米位移台404、连接块403、耐低温强磁压电式力传感器405、压杆402、紧定螺钉406及金刚石的压头401，所述耐低温强磁压电纳米位移台404上端通过螺栓连接固定于外壳101上，下端通过螺栓与连接块403连接，耐低温强磁压电纳米位移台404存在粗定位及精细定位两种模式，粗定位模式可实现压头纵向宏观进给，精细定位模式分辨率在达1nm以下，可实现压头纵向精密微观进给；耐低温强磁压电式力传感器405上端通过外螺纹与连接块403中心孔内螺纹连接，下端通过外螺纹与压杆402中心孔内螺纹连接；压杆402与金刚石压头401通过紧定螺钉406进行固定，实现压头的精密驱动与载荷检测。

参见图2及图6所示，所述的变温加载模块5包括发热电阻丝501、载物台502和传输管道503，所述载物台502通过螺栓连接固定于底板102上，传输管道503与载物台502过盈连接，其中通入液氮/液氦对载物台502及其上的工件实现低温加载，载物台502内嵌入发热电阻丝501，通过改变发热电阻丝501的发热功率实现变温加载；待载物台502、工件及压头401温度稳定保持一致后开始纳米压痕测试。

参见图1至图7所示，本发明的具体工作过程如下：

各模块安装完毕后，将仪器整体置于真空腔内；将试件固定于载物台502的中心，控制耐低温强磁压电纳米位移台404进行纵向宏观进给，使金刚石的压头401与试件刚好接触；旋动手动平移台302下端的旋钮，完成耐低温强磁激光式位移传感器302与位移测量板306的校准工作；关闭真空腔门，设置真空度，利用分子泵将腔内抽成真空；通入液氮/液氦并设置发热电阻丝501发热功率进行变温加载；外接直流电源进行强磁场加载；待载物台502、试件、金刚石压头温度稳定保持一致后，控制耐低温强磁压电纳米位移台404对压头401进行多次纵向精密微观进给；根据耐低温强磁压电式力传感器405及耐低温强磁激光式位移传感器304收集的数据得到压入过程中载荷-深度曲线，从而完成对材料在变温-强磁场复合条件下力学性能的纳米压痕测试。

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。