基本信息

项目名称:
金相显微镜下拉伸/压缩模式材料力学性能在线测试平台
小类:
机械与控制
简介:
作品为针对特征尺寸厘米级以上三维试件研制的可与金相显微镜及扫描电镜等兼容使用的高性能拉伸/压缩模式材料力学性能测试平台,可在高分辨率动态监测下开展对材料微观力学行为和变形损伤机制的相关研究。作品集成了精密驱动、检测、力学性能测试等功能,并兼顾“结构精巧、高分辨率、大行程”等特点,填补了我国在该领域的空白,将对新材料新工艺、精密光学、飞机汽车行业、国防军工等高技术产业的发展提供强有力技术支撑。
详细介绍:
1.作品主要研究内容及意义 作品旨在研究微纳米级原位拉伸/压缩模式下材料力学测试新原理与新技术。获取高性能跨尺度原位拉伸/压缩材料力学测试平台的理论系统与关键技术(试件自身特征尺寸与微纳米力学测试及原位观测的尺寸跨度很大,可避免由于尺度效应等因素带来的测试误差,故称之为跨尺度原位测试),研究精密驱动加载单元、关键机械元件与检测控制元件等的结构、强度与精度设计理论,获取在金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和Raman光谱仪等仪器下具有结构兼容性、电磁兼容性以及真空兼容性的关键共性技术与手段,研究原位力学测试平台的智能精密制造原理与方法。攻克跨尺度原位力学测试的前沿核心技术,研发关键共性技术,获得一批国际水平的研究成果,获取自主知识产权,为材料及其制品的微观变形行为、损伤机制的研究与开发提供崭新的测试技术与仪器,提升在国际原位力学测试技术与应用领域的影响力。作品旨在研制可用于商业化显微成像设备(金相显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜等)的载物平台或腔体内实现拉伸/压缩模式下材料力学性能测试的完备系统,获得弹性模量、屈服极限及破坏极限等重要力学参数,结合高分辨率成像系统的动态测试结果为分析研究材料的变形行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律提供崭新的方法与仪器装备。通过分析比对国内外研究进展和现存问题,结合前期研究积累,从实现跨尺度原位拉伸/压缩模式下材料力学测试的原理与方法出发:优选驱动动力源和传动方式与结构,结合金相显微镜的载物及成像条件以及扫描电镜等仪器有效工作空间确定测试平台的最终结构形式和整体布局,通过新颖巧妙的试件夹持机构对被测试件施加可控的“拉伸/压缩载荷”,测试中利用金相显微镜等成像仪器对被测试件薄弱部位进行图像实时捕获或扫描定位,进而对试件在载荷作用下的变形损伤进行高分辨率可视化动态监测,结合测试平台内部的检测控制单元实现载荷条件下特征尺寸厘米级以上三维试件的跨尺度原位力学测试,并据此获取关键共性技术,攻克前沿技术,研制开发性能先进的测试平台原型样机,进行性能测试评估。在此基础上,开展产业化实施等工作。 据此,本作品的主要研究内容如下: (1)精密驱动加载单元、关键机械元件与检测控制元件等的结构、强度与精度设计理论。主要包括:对原位力学测试平台进行功能设计与结构设计,优选驱动动力源和传动、导向单元的结构形式。研究机械结构刚度特性、强度特性与加载能力、加载精度以及测试平台所要达到的测试精度间的关系,获取刚度与精度设计准则,建立完整的机械结构三维实体模型(CAD模型)。结合理论分析与有限元、多体动力学仿真(CAE)研究手段,研究机械结构静力学、动力学特性以及驱动分辨率与电机等动力源和精密传动机构结构形式、拓扑位置等关系,研究承载能力与驱动动力源和传动单元结构型式间的关系及机械单元的动态特性等,研究运动单元与导向单元间接触摩擦及其对工作稳定性和精度保持性的影响,得出导向单元结构形式与最佳选材方案和测试精度保障手段与方法。将机械结构与功能和性能指标有机结合,优化设计测试平台机械单元,综合分析试件夹持单元对加载力与加载模式的影响,优选有效的加载方案与试件夹持机构的结构和选材,研究机械单元关键部件性能测试实验方法与技术,获取专有技术。 (2)测试平台与金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、Raman光谱仪等仪器的结构兼容性、电磁兼容性以及真空兼容性的关键共性技术研究。主要包括:研究金相显微镜载物条件及高倍率成像焦距要求、综合分析扫描电镜真空腔尺寸与成像条件,研究X射线衍射、Raman光谱测试的检测条件与要求,研究内部嵌入检测单位的测试仪器装备机械平台的结构设计策略与手段,保障测试平台完成材料力学性能微纳米级精度测试的功能,实现其整体结构与金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、Raman光谱仪载物平台、测试腔体(或真空腔)具有结构兼容性和可装配性,实现原位测试。研究机械单元与检测单元的真空兼容性,获取保障措施与真空防护手段.。研究不同机械单元部件的选材与导磁性的关系,获取电磁兼容性好的选材方案,同时保证机械单元的结构强度、刚度与精度,开展电磁兼容性设计与分析,针对驱动单元和检测单元存在的电磁干扰问题,开展电磁干扰特性测试实验,研究抑制电磁干扰的结构-电学耦合设计方法,获取抗电磁干扰性强的机械结构、电器元件优化设计准则与手段。在上述工作的基础上,综合分析机械、检测控制等单元的布局及其与金相显微镜等成像仪器兼容性等问题,研究结构微小型化、紧凑化和轻量化问题,获取专有技术。 (3)测试平台力学信号、变形/位移信号的检测、误差补偿和闭环控制理论与关键技术研究。主要包括:研究微小弹性结构体及其尺寸、选材对载荷信号的敏感性和可检测性,寻找性能稳定可靠的载荷力检测方案。解决载荷、位移信号同步性检测问题,对位移/载荷信号进行标定和精度分析,研究外界干扰对测试精度的影响和降噪问题,获取硬件设计准则和算法程序。研究控制信号波形及时序对系统综合性能的影响,得出最优时序控制信号的方案,研究加载分辨率的检测、控制与实现“准静态”加载(卸载)的关系,研究恒速加载、变速加载,恒加速度加载、变加速度加载等不同加载方式的实现,解决运动输出的精确性、稳定性和响应迅速性等问题,避免可能出现的运动干涉。研究驱动装置的线位移变形、角位移变形和运动误差,考虑电机等的动态特性和机电耦合特性对测试平台综合性能的影响,分别建立基于加载力信号反馈和加载位移信号反馈的闭环控制策略与方法。研制对检测信号进行分析和补偿处理的硬件手段和算法程序,获取检测、控制的理论与关键技术,研制稳定可靠的检测控制单元。 (4)测试平台的智能精密制造原理、方法与关键共性技术研究。结合原位力学测试平台的结构特点、性能特点和工作情况,开展测试平台关键结构件、关键传动/导向元件、总成系统和整机的精密高效制造共性关键技术和创新性智能机械装备开发等研究。针对机械装备关键复杂零件,如复杂机械结构件、微小型精密丝杠螺母副传动元件、精密涡轮蜗杆传动元件、精密导向元件,微小型试件夹持机构与加载工具等,采用精密五轴加工、超精密车铣复合加工、微细电火花加工以及超精密平坦化加工等技术手段实现上述关键部件的加工,着重研究采用上述手段加工关键机械部件的结构可加工性与材料可加工性,开发实现其智能精密制造的原理与关键技术,研究复杂元件加工中的自动编程技术、加工精度预测与保障手段(CAM),研究加工中由于机床颤振、环境振动等因素对加工质量的影响,获取智能加工与控制手段,研究从毛坯到成品制造的智能精密制造原理与方法.研究涉及铸造,锻造,热处理,多轴铣削,超精密车铣复合加工,数控钻、铣、镗,微细加工以及超精密平坦化加工等工艺路线与工艺准则,研究涉及各环节智能制造以及加工质量与精度检测技术,得到关键机械部件的质量保证措施。结合研究内容(1),构建原位力学测试平台关键机械部件优化设计、分析以及智能精密制造一体化(CAD/CAE/CAM)的技术保障体系,得到关键机械部件的高效、高精度、低成本制造的原理方法与关键共性技术,获取专有技术。 (5)测试平台的综合性能评测、测试结果可信性评估与可靠性保障技术。对测试平台的光机电单元进行系统集成,测试分析并研究其综合性能,主要包括:研究测试平台综合性能对力学测试效果的影响。针对典型材料,研究驱动运动分辨率与加载力分辨率间的关系以及材料最大变形量与最大加载力的关系,获取测试平台的基础性数据并进行分析。将测试平台在金相显微镜载物平台上及扫描电镜真空腔内进行集成调试,获取金相显微镜及扫描电镜等成像仪器下原位测试的规律与影响因素:从可监测性、观测区域可调整性以及振动、电磁特性和真空防护等对原位力学测试效果的影响出发,综合考察“驱动-加载-检测-原位观测”在测试精度、响应速度等方面的关系,剖析关键问题加以综合研究解决。建立表征试件材料力学参数算法模型,进行复合载荷模式原位力学测试平台的综合调试。对多次测试结果进行比对分析,通过修正算法程序、机电单元结构与参数进行改进。获取相关基础理论与关键技术。 2.作品研发的技术路线与实施方案 针对前述的研究内容与技术难点,确定本作品总体研究开发方案。对涉及关键技术与技术难点的部分要进行初试、中试,不断改进,直至获得满足设计指标的结论性技术方案,最终获得整个跨尺度微纳米级原位拉伸/压缩材料力学性能测试平台实施方案。在理论分析可行的基础上,针对作品的研究内容和研究目标,统筹兼顾,对系统各组成单元的参数进行优化匹配设计,同时展开机械装置的设计分析与研制,检测方案的设计与调试,控制策略与方法的优选及系统研制,并进一步利用实验手段对测试结果进行合理评价、优化样机结构和控制方法,最终获得性能稳定的机械装置和检测和控制 统。 具体实施策略与方案叙述如下: (1)跨尺度原位拉伸/压缩力学测试的原理与方法:作品采用内置大减速比减速机构且结构紧凑的高精度直流伺服电机作为动力源,结合微小型两级二次包络型蜗轮蜗杆机构实现高减速比减速增扭,确保测试平台在结构紧凑的前提下具有足够的加载能力,并实现超低速准静态加载。利用这种驱动加载方式,结合检测、控制单元与算法程序,进行特征尺寸厘米级以上三维试件的复合载荷模式原位力学测试。 (2)测试平台机械单元的优化设计分析:①首先,综合考虑金相显微镜及扫描电镜等的有效工作空间尺寸和成像要求,以MA-2003大型透反射金相显微镜为应用对象,其载物台的最大尺寸为210×270mm,高倍物镜距载物平台高度为50mm,搭配高倍率物镜及高性能CCD成像组件条件下,成像高度要求较为苛刻。以Hitachi SU1510(日本国立东北大学所用电镜,真空腔内部可载入最大样品尺寸为Ф153×60mm,成像焦距范围WD=15 mm)和Hitachi TM-1000(浙江大学所用电镜,真空腔尺寸为Ф140×105mm、成像焦距范围WD=1.5-3.5mm)两种型号扫描电镜为应用对象,明确测试平台的驱动方式和空间布局,着重考虑扫描电镜水平面成像区域和竖直方向的成像高度要求,优化设计的测试平台,使其在这两种型号的电镜内部均可应用。②在此基础上,对总体方案进行详细的可行性分析,在理论上进行机械单元与驱动动力源和传动机构的优化匹配设计,考虑试件的夹持和位置校准等问题基础上,建立驱动平台的三维实体模型,进行基本的运动干涉分析。③通过有限元软件ANSYS或MSC.Nastran对机械单元进行静态变形、动态特性以及运动学的仿真分析,确保机械单元满足功能要求和刚度要求。通过理论计算确定试件夹持机构的结构尺寸和装配尺寸以实现拉伸、剪切的加载模式,对夹持机构进行静变形和动态特性分析确保其强度足够大,并保证载荷作用的同轴性和共面性。采用MSC.Marc对运动导向单元的微观接触进行仿真分析,优选结构方案并明确选材;对由伺服电机单元、蜗轮蜗杆等减速机构单元和丝杠螺母副等组成的传动单元进行运动学分析,确保其满足工作需要。④根据分析结果,构造驱动加载装置的优化结构,对不同方案进行对比分析,对驱动控制的工作特性进行理论分析和试验研究,得出最佳组合方案。⑤在开展以上工作的同时,从实现“准静态”加载的角度出发,考虑所选伺服电机以极低的转速和较大的扭矩输出运动,再经过大减速比减速机构减实现减速增矩,进行微小型两级减速增扭机构的优化设计分析,兼顾结构尺寸较小、正反方向传动流畅、利用电机实现自锁功能以及结构强度满足要求等问题,实现大承载能力和准静态加载方式。结合上述并行工作并进行综合分析,确定机械单元总体方案。 (3)核心元件的选取:本作品选用Maxon Motor的EC-max 22型高性能直流无刷电机作为实现低速、较大扭矩输出的动力源,采用高性能材料的蜗轮蜗杆机构作为减速增矩的传动机构,以保证载荷作用下各接触面强度满足要求并实现高效率稳定传动。在涉及纳米级精度加载时采用压电叠堆元件与上述电机配合以实现宏微运动结合可开展金相显微镜下的材料疲劳力学特性测试,由于压电叠堆的特定结构,使其在低于1000Hz的工作频率下具有较强驱动能力和很高的定位精度,同时具有结构紧凑微小、无电磁干扰等特性,针对不同结构尺寸和输出特性要求,日本Tokin、德国PI等公司均有可选的压电叠堆。选用UNCLB系列力传感器和WYSN-1型超微型接触式位移传感器等作为精密载荷/位移检测单元,通过前期调研获知有关参数基本满足项目的技术要求。 (4)机械单元的试制:采用Spinner精密数控车削中心和Fidia多轴数控铣削中心加工机械单元基本型面和传动单元;采用电火花线切割或高功率激光刻蚀方式加工柔性铰链单元;采用CNC精密雕刻机和电火花加工工艺加工微小机械元件(如试件夹持机构等)。平面运动导向元件采用Bni62超精密研抛机进行表面平坦化加工。试件采用微细电火花线切割工艺加工,通过Bni62研抛机进行表面变质层去除和平坦化处理。在上述工作基础上,测试平台样机在装配中也需反复装调,使其满足要求。针对机械装备关键复杂零件,如复杂机械结构件、微小型精密丝杠螺母副传动元件、精密涡轮蜗杆传动元件、精密导向元件,微小型试件夹持机构与加载工具等,就将分别采用的精密五轴加工、超精密车铣复合加工、微细电火花加工以及超精密平坦化加工等手段开展结构可加工性分析,利用加工刀具轨迹生成算法与软件开展加工轨迹生成分析与精度预测,通过优选加工手段并修正工艺参数,产生优化后的刀具轨迹数据与数控加工程序,研究难加工结构与材料的可加工性问题,实现上述关键部件的智能精密加工,开发实现其智能精密制造的原理与关键技术,研究复杂元件加工中的自动编程技术、加工精度预测与保障手段(CAM),研究加工中由于机床颤振、环境振动等因素对加工质量的影响,获取智能加工与控制手段,研究从毛坯到成品制造的智能精密制造原理与方法.研究涉及铸造,锻造,热处理,多轴铣削,超精密车铣复合加工,数控钻、铣、镗,微细加工以及超精密平坦化加工等工艺路线与工艺准则,研究涉及各环节智能制造以及加工质量与精度检测技术,得到关键机械部件的质量保证措施。构建原位力学测试仪器装备关键机械部件优化设计、分析以及智能精密制造一体化(CAD/CAE/CAM)的技术保障体系,得到关键机械部件的高效、高精度、低成本制造的原理方法与关键共性技术,获取专有技术。 (5)检测方案的选取与标定实验:①研究编码器、电容式位移传感器和激光非接触式测位仪检测精密位移信号的可靠性、稳定性和抗干扰性,选取最优位移(变形)检测方案。②通过理论分析、仿真研究和必要的实验测试,研究不同结构微小弹性体的尺寸形状和选材对载荷信号的敏感性,并通过微加工工艺试制;与现有的应变式力传感器进行性能比对分析,优选载荷力检测方案。③标定实验中,对载荷检测单元加载通过激光非接触式测位仪测定其变形情况,在微变形机构的弹性极限范围内,建立其变形量与所加载荷的关系,即可通过检测其变形量得到加载力信号;针对应变式力传感器可以通过类似手段建立加载力与其内部桥式电路输出电压的关系以完成标定。 (6)控制单元设计与调试:①通过运动学分析,将测试装置中电机的旋转运动与加载方向的直线运动进行必要的耦合与解耦分析,最终分解成可控性良好的加载方向上的直线运动。②通过电子设计软件对控制系统优化设计分析,使其输出的时序控制信号对电机元件进行实时控制,实现两个试件夹持机构间的相对运动。通过软件滤波或调理电路等方式,保证控制系统输出的信号具有较高的分辨率,抑制电噪声冲击和温漂等现象。③通过对测试平台进行的理论分析和试验测试,研究控制信号波形对系统综合性能的影响,对控制系统进行标定和输出信号跟踪测试,得出最优时序控制信号的方案,使其满足控制精确性、稳定性和响应迅速性等性能要求,并避免可能出现的运动干涉。 (7) 误差补偿技术与闭环控制:①通过精密位移传感器对驱动装置工作中的线位移变形、角位移变形和运动误差进行测试分析,并通过必要的闭环控制方法进行补偿。②结合算法滤波和硬件调理电路,对测试信号进行处理或修正,提高测试精度;提取变形和载荷信号检测中两路测试通道的相位差,通过相位补偿以解决信号测试的同步性问题。③通过程序算法的编写,建立基于载荷力信号反馈和位移(变形)信号反馈的闭环控制策略,对①部分误差和电机等元件的非线性特性进行必要的补偿和控制,以保证测试精度,并实现对力学参数的测试。④考察温度效应和振动对系统性能的影响,加以必要的修正,测试装置调试在气浮隔振实验台上进行。 (8)测试平台的整体调试与性能测试:本环节在气浮隔振试验台上进行。①对测试装置机械、控制、检测等单元进行集成调试,掌握系统性能,发现问题作局部修正。②在离位状态下,以变速、恒速、变加速、变减速等多种加载方式对机械单元的输出特性进行测试,通过LC-2400A和LK-G10型非接触式激光测位仪测试驱动装置的运动分辨率、运动行程和速度等指标,通过拉/压力传感器测定载荷分辨率、量程等,对测试平台的机械单元和检测单元进行性能测试和校准。③通过外加载荷的方式测试其承载能力,发现问题及时修正。标定载荷、位移的规律性关系,得到不同材料的应力—应变曲线,并通过所测数据的优化和曲线拟合,完成对负载测试装置的输出特性的调试。④通过高频激光多普勒振动测试仪测定分析测试平台的工作稳定性和动态响应特性,研究工作中主要振动形式、频率与幅值,获取振动因素对测试效果的影响,结合实际情况进行必要的隔振或减震等处理。评价直流无刷电机和电学单元电磁干扰强度对成像性能的影响,进行必要的电磁屏蔽处理。⑤建立载荷力、材料变形与驱动动力源和传动单元的尺寸结构间的关系,通过修正机械、控制参数提高加载力精度。⑥在综合分析的基础上,建立系统机电耦合模型:机械涉及机械单元特性等,电学涉及控制单元特性、传感器等综合特性。⑦结合上述工作和(7)相应工作,完善表征材料力学性能参数的算法,进行程序调试校验,获取稳定可靠的算法程序。在上述工作基础上,综合考虑可能出现的问题,并进行相应处理后,在金相显微镜载物平台及扫描电镜的真空腔(扫描电子显微镜自身具有良好的隔振功能)内进行测试平台安装调整,开展系统调试工作。就可能出现的机械安装、位置校准、运动干涉、观测区域调整、电磁屏蔽和真空防护等问题,综合分析研究发现问题及时改进。 (9)测试仪器装备可靠性测评:①研究建立基于运行状态的测试仪器装备可靠性模型。结合环境适应性测试,进行必要的统计分析,结合测试平台结构、精度与功能的特殊性,初步拟用Weibull分布和多重Weibull分布建模方法,探寻数据的内在关系,建立测试仪器装备的寿命分布模型,包括故障间隔时间概率密度模型、可靠度模型和故障率模型,从而形成一组压电驱动装置的可靠性模型。②对仪器装备进行可靠性分析,要进行其工作中故障模式、影响及危害性分析(FMECA)。主要包括:驱动装置故障模式鉴别与分析(如驱动单元不工作、驱动力不足、掉电以及机械结构疲劳失效等,检测单元灵敏度下降、响应速度迟缓,控制单元由于温升等原因出现温漂等)、故障部位定位与分析、故障原因鉴别与分析、故障影响分析、故障危害度分析。通过FMECA研究,查清测试仪器装备的各故障部位、故障模式比率,从整体上找出对整体可靠性影响较大的故障模式、故障部位和故障原因;通过故障危害性分析,进行故障的危害度评价和排序,为测试仪器装备的可靠性综合设计提供基础数据和理论依据。最终进行原型样机的定型,明确注意事项,整理并获取综合的基础理论与关键技术。最终获取与扫描电镜兼容性好、稳定可靠的原位测试平台,获取其中的理论与关键技术。 (10)针对典型材料的原位力学测试与测试结果可信性评价:在上述工作基础上,利用调试好的测试平台,在金相显微镜及扫描电镜可视化监视下开展高强度钢及新型非晶态金属等材料的原位力学测试研究。①首先,采用微细电火花线切割工艺加工试件,用Bni62超精密研抛机进行表面变质层去除和平坦化处理。②在非原位状态下,将测试平台布置在气浮隔振试验台上,单轴拉伸压缩模式对常规金属进行力学测试,测定其应力-应变关系、弹性模量、抗拉强度等力学参数,将测试结果与采用商业化测试仪器得到的结果进行比对分析,评价测试平台的可靠性和测试结果的可信性,发现问题及时修正。③利用测试平台测定高强度钢和新型非晶态金属材料的弹性模量、抗拉强度等力学参数,与传统金属进行对比评价其性能。④在扫描电镜高分辨率可视化动态监视下,就高强度钢和新型非晶态金属分别开展单轴拉伸/压缩的原位力学测试。采用正交试验方法,重点测试分析材料微结构特征和变形损伤状况与不同的加载模式、不同载荷力以及不同加载速率等因素间的变化规律,就原位单轴拉伸/压缩测试分别建立微结构特征变化与“载荷力-变形”、“应力-应变”之间的历程关系,据此获取材料出现微裂纹的临界拉力(或压力),以及裂纹发生、分布及其扩展趋势与外部载荷间的关系,总结得出试件的变形、损伤机制及其与载荷作用和自身材料性能间的相关性规律。⑤在金相显微镜及扫描电镜的高分辨率可视化监视下,结合原位力学测试试验,重点测试分析复合载荷模式材料微结构特征、变形损伤随不同载荷力和加载速率等因素的变化规律,建立相关历程关系。获取拉伸/压缩模式下材料发生不同变形损伤的主导因素与机制,据此揭示高强度钢和非晶态金属变形损伤机制及其与外界载荷作用和材料性能间的相关性规律。 3.作品创新点 本作品具有原理创新性、技术创新和应用创新性。具体包括:基于高性能直流伺服组件和大减速比减速机构的超低速“准静态”加载和多模式加载技术、载荷/位移信号的精密同步检测和误差补偿以及测试装置的闭环控制技术、测试系统对显微成像系统的兼容性技术。 作品创新点可以归纳如下: (1)原理创新。提出对特征尺寸厘米级以上三维试件跨尺度原位拉伸/压缩力学测试研究的新技术。众所周知,各类材料及其制成品在机械加工或使用过程中由于外界载荷作用都会发生变形、损伤、失效和破坏现象,因此通过传统的力学测试手段无法满足要求,必须对材料在载荷作用下的变形行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律进行深入研究。作品的研究思想是在采用特有结构设计、新颖驱动加载方式与检测控制手段以实现特征尺寸厘米级以上三维试件微纳米级拉伸/压缩测试,并实现在金相显微镜、扫描电子显微镜、光学显微镜、Raman光谱仪和X射线衍射仪等仪器动态监测下的原位力学测试,因此可动态监测并分析试件材料在不同载荷条件下的变形损伤情况,并据此研究材料的变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。 (2)技术创新。提出采用高性能微型直流伺服电机驱动和高减速比的微小型减速加载机构,为超精密原位拉伸/压缩力学测试提供精准的驱动动力源并实现准静态加载。同时,基于此种精密驱动加载方式下,在不改变测试平台主体结构的同时,仅通过更换巧妙的夹持机构及添加柔性夹持(驱动)机构,即可实现原位“拉伸—剪切”、“压缩—剪切”、“单轴拉伸/压缩”、“纯剪切”及疲劳力学测试等多重测试模式,实现原位复合载荷测试。测试平台兼顾“结构紧凑、精度高、输出力大和行程大”等问题,有效避免已有原位测试研究由于结构复杂、装配环节过多和驱动机理自身缺陷等因素导致的若干问题,大大提高系统的可靠性和测试结果的可信性。本作品可独立使用测定材料力学参数;同时由于结构紧凑微小、充分考虑了真空兼容性和电磁兼容性,因此可实现与金相显微镜、扫描电镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜等显微成像设备的兼容,所采用的超低速准静态加载方式有利于在成像仪器下对载荷作用下材料细微的变形损伤变化状况进行连续的高分辨率可视化原位监测,便于系统深入的研究揭示载荷作用、材料变形损伤机制与微观结构变化间的规律。截至目前,国内外未见有与本作品研究类似的其它原创性研究报道。作品研究开发将取得一批具有自主知识产权的专利成果,有利于推进产业化,对高技术产业集群发展起到重要的推动和促进作用。 (3)应用创新。利用项目提出的研究思想在测试平台或被测试件上还可安装布置多种类型的机、电、热、磁装置,即在实现原位“拉伸—剪切”、“压缩—剪切”、“单轴拉伸/压缩”、“纯剪切”及疲劳力学测试等多重测试模式的基础上,还将开展多项创新性的原位力学测试研究:如针对各类合金和非晶态金属微观结构特征与其力学特性间的相关性规律开展研究,获取不同载荷模式和加载条件等因素对其变形损伤机制的影响,揭示其内禀性质和特殊物性的微观结构来源,等等。这些研究国内外还未见有相关报道,利用项目研制的产品国内研究开发机构项目必将取得有意义的原创性研究成果。

作品图片

  • 金相显微镜下拉伸/压缩模式材料力学性能在线测试平台
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

设计发明的目的:作品为针对特征尺寸厘米级以上三维试件研制的可与金相显微镜及扫描电镜等兼容使用的高性能拉伸/压缩模式材料力学性能测试平台,可在高分辨率动态监测下开展对材料微观力学行为和变形损伤机制的相关研究。 基本思路:首先,对测试平台的驱动单元、传动单元、检测控制单元及其与成像仪器兼容性等诸方面进行总体分析研究,构建满足要求的总体方案。 其次,展开机械单元的设计、分析与试制,检测单元设计与调试,控制策略与方法的优选及研制,获得性能稳定的测试平台样机,并结合实验及相关修正算法和图形编程语言,得到表征材料力学性能的重要参数,获取材料的微观变形损伤和失效机理。 创新点:(1)在国内率先提出并展开跨尺度原位拉/压及复合载荷模式力学测试的新装置及技术的研究,作品具有自主知识产权。(2)提出采用直流伺服电机和大减速比减速机构实现超低速准静态加载,便于对材料的细微变形损伤过程进行高分辨率动态监测。(3)集成了精密驱动、加载与检测等功能,并实现与金相显微镜、扫描电镜等成像仪器的兼容使用。 技术关键:(1)跨尺度原位拉伸/压缩测试平台的优化设计与控制问题。(2)载荷、位移信号的同步精密检测问题。主要技术指标: 测试平台可与金相显微镜、扫描电镜等仪器兼容使用。加载位移分辨率1µm,加载力分辨率100mN、加载位移行程超过10mm、最大载荷超过600N,测试平台总体尺寸约105mm×95mm×34mm。

科学性、先进性

材料在外界载荷的作用下会发生变形、损伤,甚至失效和破坏的现象,在微观尺度下通过力学测试及成像观测手段获得获取表征材料力学性能的重要参数及材料的微变形过程就具有重要的研究意义。单纯的宏观力学测试在测试精度和测试尺度上不能满足上述要求,故必须对载荷作用下材料的微观力学行为和损伤机理进行深入研究,以确保其在使用中的可靠性和稳定性。通过最直接表征材料力学性能的拉伸/压缩模式的原位力学测试手段针对特征尺寸厘米级以上三维试件所开展的有关测试将更有利于研究材料及其制品服役状态下的真实力学行为与变形损伤机制。 本作品是一种集精密驱动加载、检测、力学测试和原位观测为一体的高性能材料力学性能测试平台,可与金相显微镜、扫描电镜等等仪器兼容使用,可通过实验手段对任何可夹持的材料及其制品的使用性能做出准确的力学评价。目前只有美国、德国和英国公司研发类似产品,其同等载荷量程的测试平台的整体尺寸大于本作品,位移量程及测试精度亦低于本作品,并且其价格昂贵,高端产品对我国封销禁运。

获奖情况及鉴定结果

1.作品已被XXXX大学材料学院长江学者特聘教授蒋建中课题组、XXXX大学材料学院王慧远教授提前预定。 2.作品经XXXX邦大精密技术有限公司和XX庆华汽车安全系统有限公司试验调试并获得好评。 3.委托XXXX计量产、商品质量监督检验站出具了相关检验报告,检验结果达到要求。 4.作品已申请“XXXX研究生创新研究计划”项目。 5.作品已申请国家发明专利专利2项,实用新型1项。

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

专利权转让

作品可展示的形式

实物、产品、图片、录像、现场演示

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

使用说明:1、为确保试件显微组织和晶体结构清晰可见,需预先对试件做抛光处理。 2、作品可提供包括变形、力、位移控制在内的数字/模拟反馈信号源供选择。 技术特点和优势: 1、作品涉及材料学、测试技术等诸多学科,属集光机电一体化的精密科学仪器。 2、作品尺寸可确保与金相显微镜及扫描电镜等兼容使用。 3、作品在试件尺寸、加载精度和行程等方面优于国外类似产品。 适用范围: 1、为企业、科研院所提供测试平台整机。2、为传统装备提供配套支持。3、为我国机械装备及国防等领域提供服务。 推广前景的技术性说明: 作品属集光机电一体化的精密仪器,突破性实现各类材料及制品力学行为、损伤机制及其与载荷作用和材料性能间相关性规律的测试分析,有望成为未来材料力学性能测试的主流手段。市场分析和经济效益预测:各院校和科研院所及相关产业企业,这些机构都是本作品潜在的用户。

同类课题研究水平概述

当前拉伸/压缩模式下原位力学测试的研究尚处萌芽状态,具体表现在:(1)受到扫描电镜、透射电镜等的腔体空间的限制,目前的多数研究都集中在以MEMS工艺为基础,对纳米线等极微小结构的单纯测试,缺少对宏观尺寸 构件的微观力学行为和损伤机制的研究。(2)从测试手段和方法上来说,主要借助商业化的拉伸仪进行的原位力学测试,设备昂贵,测试方法单一,测试内容乏善可陈,对结构紧凑,体积小巧的可实现拉伸/压缩模式下原位力学测试的装置鲜有提及,极大制约了相关研究的深入与发展。 相关研究中,澳大利亚蒙纳士大学C.J.Bettles、我国清华大学温诗铸院士、大连理工张段芹等,利用电荷耦合(CCD)成像组件来监测拉伸过程的测试装置。但这类工作绝大多数针对MEMS元件片外拉伸测试开展的,受限于CCD组件成像放大倍率,无法深入研究揭示载荷作用下材料微观变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能的相关性规律。 日本神户大学(Kobe)T.Nishino以及我国哈工大的周琴等,分别研制了原子力显微镜(AFM)下的原位拉伸测试装置。E.Bamberg等在著名的DURINT计划资助下,针对SIS三嵌段共聚物力学测试研制也研制了一种原位拉伸测试平台,步进电机通过同步带驱动滚珠丝杠为拉伸测试提供载荷力,该平台具有对载荷力和变形的检测功能。上述AFM下原位拉伸测试平台结构均较大,由于电机结构过大且特定的传动方式,致使测试过程存在振动冲击,影响测试结果的可信性;受AFM测试原理及成像速度制约,原位测试结果存在很大可信度问题。SEM下三维试件原位拉伸/压缩测试的基础性研究工作报道,目前仅见于法国国家科学研究院(CNRS) M.Aboulfaraj、英国剑桥大学卡文迪什实验室(Cavendish Lab.)的K.I.Dragnevski。 总体而言,国内外对于拉伸/压缩模式下的原位力学测试方法的研究还处于开发探索阶段,它涉及了机械、材料、电子等诸多学科,目前实验测试装置还没有统一的标准,而且大部分测试装置结构都比较复杂,所需仪器都很昂贵,测试数据分散性很大。本作品以宏观试件的跨尺度原位力学特性测试为对象,抢先立项研究具有原位拉伸/压缩力学测试功能的测试系统和测试技术,力争两年内完成具有我国自主知识产权的研究开发工作,尽快完成产业化实施,填补我国这一领域的空白,并尽快占领国际市场。
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