本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置,它包括步進電機，步進電機與滾珠絲杠連接，在滾珠絲杠上連接有絲杠螺母，在絲杠螺母上安裝有右載物臺，在底座上分別固定連接有左載物臺和光柵尺支座，基座固定在左載物臺與光柵尺支座上，在左載物臺上連接有左端支撐和左夾具，力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，在右載物臺后部固定連接有具有凹槽的右端支撐并且在位于右端支撐前方的右載物臺上滑動連接有一個燕尾滑塊，在燕尾滑塊上開有內(nèi)槽，在燕尾滑塊的前部固定安裝有右夾具，支撐墻設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺上，在支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷。本發(fā)明專利技術(shù)構(gòu)成雙系統(tǒng)拉伸加載方式,精度高。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及微納米材料力學(xué)性能測試設(shè)備，特別是涉及一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置。
技術(shù)介紹
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的研究對國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、人民生活等有著重大意義，在國際上受到普遍重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標志。在實際研發(fā)與使用中，由于具備諸多優(yōu)良品質(zhì)，各種新型材料的應(yīng)用愈加廣泛。尤其是近年來微納米科學(xué)技術(shù)的興起，微納米功能復(fù)合材料、沉積有微納米級尺度涂層的薄膜材料等迅速成為人們的關(guān)注焦點。而宏觀柔性電子正是微納米薄膜材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一 O作為一個新興的領(lǐng)域，宏觀柔性電子正吸引著全世界的目光。柔性電子可概括為是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)，以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如平板顯示器、有機發(fā)光二極管0LED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子皮膚等。在柔性電子中，微納米薄膜扮演著舉足輕重的角色，是最為關(guān)鍵的核心部件之一。微納米薄膜是指尺寸在微納米量級的顆粒(晶粒)構(gòu)成的薄膜或者層厚在微納米量級的單層或多層薄膜，通常也稱作微納米顆粒薄膜和微納米多層薄膜。在柔性電子器件中，往往通過電化學(xué)沉積法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法等技術(shù)手段將微納米薄膜沉積在各種硬性或柔性基底上，簡稱為薄膜-基底結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)品的加工、使用等過程中，薄膜-基底結(jié)構(gòu)常常承受著大量力的作用，如拉伸、壓縮、彎曲等。隨著基底的變形，薄膜將隨之變形并可能伴隨著內(nèi)部高應(yīng)力的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。此外，薄膜的沉積過程將不可避免的帶來殘余應(yīng)力。過大的殘余應(yīng)力會引發(fā)各種失效形式，如薄膜表面產(chǎn)生大量裂紋甚至斷裂，薄膜的屈曲與脫粘。這將嚴重影響微納米薄膜的電磁光、機械強度等物理性能。同時薄膜基底之間粘接性能的好壞對薄膜失效的難易程度起著關(guān)鍵作用，良好的粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。因此，微納米薄膜力學(xué)性能測試的研究殊為重要，并且將對柔性電子未來的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。材料力學(xué)性能的研究是所有材料研究的關(guān)鍵。微納米薄膜材料的拉伸性能是其力學(xué)性能中最重要、最基本的性能之一，它在很大程度上決定了該材料的適用范圍。因此，在對其力學(xué)性能進行研究時，拉伸試驗是必不可少的一個環(huán)節(jié)。同時，微納米薄膜材料的尺寸十分微小，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝等影響，材料的拉伸性能與宏觀時相比有顯著的不同，許多傳統(tǒng)的拉伸測試方法與設(shè)備已經(jīng)不再適用。因此，研發(fā)出適用于微納米薄膜材料的拉伸裝置具有十足的必要性與緊迫性。一般來說，微納米薄膜拉伸裝置主要包括四部分，驅(qū)動、力傳感器、位移傳感器、機械框架和夾具。其中加載方式的選擇，載荷與位移精度的提高，試樣的夾持對中等都是難點所在。a)驅(qū)動方式Bamberg (E.Bamberg, C.P.Grippoj P.Wanakamolj A.H.Slocum，M.C.Boyce, andE.L.Thomas，〃A tensile test device for in situ atomic force microscopemechanical testing，Precision Engineering，vol.30，pp.71-84，2006.)( “一種用于原子力顯微鏡下的原位拉伸測試設(shè)備”，精密工程，第30卷，71-84頁，2006年)等人釆用步進電機的方式實現(xiàn)了在原子力顯微鏡下的步進加載。通過細分技術(shù)可以減弱或消除步進電機的低頻振動，并提高電機的運轉(zhuǎn)精度。同時試樣上較大范圍內(nèi)的載荷與位移施加成為可能。但是其位移測量精度低，不利于微小試樣的加載測試。目前采用壓電式激勵器作為驅(qū)動方式的較多，如Read(D.Τ.Read, 〃Piezo_actuated microtensile test apparatus, ^Journalof testing and evaluation, vol.26，pp.255-259，1998.)(“壓電驅(qū)動方式的微拉伸測試設(shè)備”，測試與評估，第26卷，255-259頁，1998年)和沈洪源課題組，(沈洪源，〃微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能片外拉伸測試裝置，傳感器與微系統(tǒng)，2007.)根據(jù)壓電效應(yīng)，利用計算機軟件控制壓電單元的位移釋放以提供驅(qū)動力。通過編程實現(xiàn)閉環(huán)控制后，位移分辨率可高達幾十納米，但是較小的位移量程(幾十微米)，壓電單元的蠕變等問題至今仍制約著其發(fā)展。電磁驅(qū)動是一種非常理想的驅(qū)動方式。Kim課題組(C.Kim, J.Song, andD.Lee, Development of a fatigue testing system for thin films, InternationalJournalof Fatigue, vol.31, pp.736-742, 2009.)(“適用于薄膜的疲勞測試系統(tǒng)的研發(fā)”，疲勞，第31卷，736-742頁，2009年)采用電磁驅(qū)動器，根據(jù)其電磁力與電流的線性關(guān)系，實現(xiàn)了精確力控制下的薄膜拉伸疲勞實驗，其中力的控制一直是薄膜力學(xué)性能測試技術(shù)的難點之一。然而電磁驅(qū)動所能提供力的大小有限，不適合沉積在基底上的薄膜實驗，并且裝置復(fù)雜，價格昂貴。b)載荷與位移測量對步進電機與壓電式激勵器而言，載荷的測量需要力傳感器。已經(jīng)商品化的力傳感器可選范圍廣，有著很高的精度。位移測量主要分為夾具兩端的位移測量與試樣內(nèi)位移測試，其中試樣內(nèi)位移測試分為平均位移和全場位移測試。夾具兩端位移常采用各種位移傳感器，如光柵尺與平板電容。平均位移測量以標記法為代表，Sharpe (ff.Sharpe Jr, B.Yuan, and R.Edwards, 〃A new technique for measuring the mechanical properties ofthin films, ^Microelectromechanical Systems, Journal of, vol.6, pp.193-199, 1997.)(“一種測量薄膜力學(xué)性能的新技術(shù)”，微電子機械系統(tǒng)，第6卷，193-199頁，1997年)等人利用干涉應(yīng)變計法(ISDG)成功測量出事先沉積在薄膜表面上的兩條金線之間的位移，但是試樣制作復(fù)雜，標記對實驗結(jié)果會產(chǎn)生一定的不利影響；全場位移測量以散斑法為代表，Read(D.Τ.Read, 〃Young’s modulus o f thin films by speckle interferometry, ^MeasurementScience and Technology, vol.9, p.676, 1999.)(“散斑干涉法測量薄膜彈性模量”,測量科學(xué)與技術(shù)，第9卷，676頁，1999年)等人采用電子散斑干涉法(ESPI)得到了金屬銅膜在拉伸情況下的面內(nèi)位移，其具有所需設(shè)備簡單，無接觸式測量等優(yōu)點，但是對微納米薄膜等微小試樣來說，其分辨率較低，僅為微米級別。c)機械框架與夾具對自由薄膜與薄膜-基底結(jié)構(gòu)來說，機械框架有著很大的不同。自由薄膜由于尺寸極為微小，往往利用片外測試與片內(nèi)測試法。片外測試主要有納米壓痕法、微拉伸法、微振動法、微彎曲法等；片內(nèi)測試采用微加工工藝，將試樣本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置,它包括安裝在底座上的步進電機，所述的步進電機的電機軸與滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接，所述的滾珠絲杠的兩端支撐設(shè)置在支撐座內(nèi)，所述的支撐座固定在底座上，在所述的滾珠絲杠右端螺紋上連接有絲杠螺母，在所述的絲杠螺母上安裝有右載物臺，所述的右載物臺與安裝在底座上的導(dǎo)軌滑動連接以導(dǎo)向，其特征在于：在所述的底座上分別固定連接有左載物臺和光柵尺支座，基座固定在所述的左載物臺與光柵尺支座上，在所述的左載物臺上固定連接有左端支撐和左夾具，一個力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的右載物臺后部固定連接有具有凹槽的右端支撐并且在位于右端支撐前方的右載物臺上通過燕尾槽滑動連接有一個燕尾滑塊，在所述的燕尾滑塊上開有內(nèi)槽，在所述的燕尾滑塊的前部固定安裝有與左夾具相對設(shè)置的右夾具，支撐墻設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺上，在所述的支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷，壓電陶瓷驅(qū)動電源一端與所述的壓電陶瓷相連并且其另一端與一臺計算機相連，所述計算機用于控制所述壓電陶瓷位移量，電容式位移傳感器一端安裝在所述的右端支撐凹槽內(nèi)并且其另一端與燕尾滑塊后壁相連，光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數(shù)頭固定在燕尾滑塊的一側(cè)側(cè)面上，光柵尺位移傳感器的光柵尺主尺粘接在基座上，一個數(shù)據(jù)采集卡與所述步進電機的驅(qū)動器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號處理器、力傳感器的變送器相連，數(shù)據(jù)采集卡與所述計算機相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡用于采集力傳感器、光柵尺、電容式位移傳感器的信號并將信號傳遞給計算機，所述計算機用于將采集的信號進行信號處理并且根據(jù)處理后的信號再通過數(shù)據(jù)采集卡向步進電機的驅(qū)動器發(fā)送控制信號以驅(qū)動步進電機。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種適用于微納米薄膜材料的雙系統(tǒng)拉伸裝置，它包括安裝在底座上的步進電機，所述的步進電機的電機軸與滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接，所述的滾珠絲杠的兩端支撐設(shè)置在支撐座內(nèi)，所述的支撐座固定在底座上，在所述的滾珠絲杠右端螺紋上連接有絲杠螺母，在所述的絲杠螺母上安裝有右載物臺，所述的右載物臺與安裝在底座上的導(dǎo)軌滑動連接以導(dǎo)向，其特征在于:在所述的底座上分別固定連接有左載物臺和光柵尺支座，基座固定在所述的左載物臺與光柵尺支座上，在所述的左載物臺上固定連接有左端支撐和左夾具，一個力傳感器安裝在左端支撐和左夾具之間，所述的力傳感器的一端與左端支撐固定相連并且其另一端與左夾具固定相連，在所述的右載物臺后部固定連接有具有凹槽的右端支撐并且在位于右端支撐前方的右載物臺上通過燕尾槽滑動連接有一個燕尾滑塊，在所述的燕尾滑塊上開有內(nèi)槽，在所述的燕尾滑塊的前部固定安裝有與左夾具相對設(shè)置的右夾具，支撐墻設(shè)置在燕尾滑塊內(nèi)槽的內(nèi)部并固定在右載物臺上，在所述的支撐墻后壁與燕尾滑塊內(nèi)槽后壁間固定有壓電陶瓷，壓電陶瓷驅(qū)動電源一端與所述的壓電陶瓷相連并且其另一端與一臺計算機相連，所述計算機用于控制所述壓電陶瓷位移量，電容式位移傳感器一端...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何巍，王世斌，李林安，張冠華，薛秀麗，賈海坤，郭志明，
申請(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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