基本信息
- 項目名稱：
- 微納米級原位壓痕/刻劃測試技術(shù)與系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本發(fā)明為納米壓痕/劃痕測試裝置，屬超精密測試儀器范疇，其基本理論為Oliver-Pharr理論，主要組成部分包括具有X、Y軸精密定位的載物臺、Z軸方向的粗調(diào)整機構(gòu)和精密壓入驅(qū)動單元、力和位移信號的精密檢測單元以及用于觀測和存儲力學測試過程中材料的變形、損傷狀況的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)，屬于光機電一體化產(chǎn)品，精密驅(qū)動與檢測技術(shù)是本系統(tǒng)的核心技術(shù)，主要適用于極端制造技術(shù)、鋼鐵冶金、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學工程、汽車飛機制造業(yè)、納米工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)與領(lǐng)域，可以對這些行業(yè)領(lǐng)域中所涉及精密元件的力學性能和使役性能進行測定和評價，并對材料的變形、損傷機理進行研究，本發(fā)明具有重要的理論意義和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價值，且具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。
- 詳細介紹：
- 作品設(shè)計和發(fā)明的目的在于通過研制原位納米壓痕/刻劃測試裝置，對材料進行壓痕/劃痕試驗，得到加載與卸載過程中金剛石工具頭施加給試件的載荷與壓入深度間的關(guān)系曲線，通過有關(guān)算法，得到材料的力學性能參數(shù)（包括彈性模量、接觸剛度、硬度等），整個測試過程中通過高分辨率顯微成像裝置在線觀測材料的動態(tài)變形損傷行為，分析其變形與損傷機制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律，對試件材料的力學性能、可用性、使用壽命及其可靠性作出評價。測試裝置主要包括X、Y軸精密驅(qū)動定位的載物臺、Z軸粗調(diào)整機構(gòu)和精密壓入驅(qū)動單元、力和位移信號的精密檢測單元以及用于觀測和存儲力學測試過程中材料變形、損傷狀況的精密顯微成像系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)等部分，屬于光機電一體化產(chǎn)品。測試裝置采用壓電精密驅(qū)動裝置配合經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的柔性鉸鏈實現(xiàn)金剛石壓頭（或稱金剛石工具頭，下同）的Z向精密驅(qū)動，選取高性能載荷力傳感器和激光位移傳感器實現(xiàn)對壓入力信號和位移信號的精密檢測，通過A/D數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理。目前該裝置已成功實現(xiàn)原位納米壓痕測試功能，經(jīng)過后期的完善將實現(xiàn)原位納米刻劃測試功能和微納米級原位金剛石刻劃加工功能。測試裝置主要應(yīng)用于軍工、制造業(yè)、飛機汽車行業(yè)、精密光學、納米技術(shù)、半導(dǎo)體與微機電行業(yè)、仿生材料和醫(yī)用材料、生物醫(yī)學、材料工程業(yè)、鋼鐵冶金等領(lǐng)域，對這些領(lǐng)域內(nèi)的元器件的使用壽命、使用性能、穩(wěn)定性、可靠性作出評價，并且隨著納米壓痕/劃痕測試技術(shù)的進一步發(fā)展和上述產(chǎn)業(yè)對材料的更高要求，其作用和產(chǎn)業(yè)價值將越來越明顯。由于是新興的前沿技術(shù)，市場前景十分看好。研制的新產(chǎn)品將具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，并可望遠銷國外。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)計目的：制造出能夠?qū)υW性能、穩(wěn)定性、使用壽命和可靠性進行評價的納米壓痕/劃痕測試裝置，進而揭示材料微觀力學性能、力學行為和損傷機制。 基本思路：結(jié)合國內(nèi)外最新研究進展和現(xiàn)存問題，從實現(xiàn)較大尺寸三維試件原位納米壓痕/刻劃測試的原理與功能出發(fā)，對測試平臺的精密驅(qū)動單元、檢測控制單元、顯微成像單元等組成部分進行整體分析研究，構(gòu)建滿足要求的整體方案，在理論上對系統(tǒng)各組成單元的參數(shù)進行優(yōu)化匹配設(shè)計，制造出原位納米壓痕/劃痕測試樣機。利用樣機，結(jié)合Oliver-Pharr相關(guān)理論對材料進行壓痕試驗，得到載荷與壓入深度之間的關(guān)系曲線通過有關(guān)算法，得到材料的力學性能參數(shù)，如彈性模量、接觸剛度、硬度等。 創(chuàng)新點：①提出較大尺寸三維試件原位納米壓痕/刻劃測試的新技術(shù)；②在我國率先開展原位納米壓痕/刻劃測試的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；③提出原位納米力學測試中精密驅(qū)動技術(shù)及其控制技術(shù)。 技術(shù)關(guān)鍵：精密驅(qū)動與檢測技術(shù)。精密驅(qū)動元件的選擇、優(yōu)化設(shè)計與協(xié)同控制問題、力和位移信號的同步采集以及閉環(huán)控制問題。 主要技術(shù)指標：被測試件最大尺寸達到35mm×35mm×8mm（或Φ35×8mm）、壓入位移分辨率達到10nm、刻劃位移分辨率0.1μm、刻劃力和壓入力分辨率達到0.1mN、可承載試件重量達到100g、最大壓入力達到2N。
科學性、先進性
- ①、通過壓電驅(qū)動裝置為原位納米力學測試提供精密驅(qū)動動力源和預(yù)加載荷，以保證測試系統(tǒng)的高精度、大行程特性，使具有確定尖端形式的金剛石工具頭對被測材料進行納米壓痕/刻劃測試，利用內(nèi)嵌的檢測單元結(jié)合有關(guān)理論算法測定材料硬度、彈性模量和刻劃抗力等力學性能參數(shù)；測試中由于采用不存在工作空間限制的獨立的顯微成像組件對材料的變形損傷狀況進行高分辨率的動態(tài)監(jiān)測，可實現(xiàn)較大尺寸三維試件的原位納米力學測試，可避免由于尺度效應(yīng)等因素帶來的測試誤差。②、測試平臺具有完備的“精密驅(qū)動、加載、信號檢測、納米壓痕/刻劃測試和高分辨率原位觀察”等功能，因此可監(jiān)測分析試件材料在不同載荷條件下的變形損傷狀況，并據(jù)此研究材料的變形損傷機制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 測試裝置于2008年1月25日，委托長春嘉實機電技術(shù)有限公司在吉林省計量產(chǎn)、商品監(jiān)督檢驗站依據(jù)ISO 14577-2002國際標準進行了委托檢驗，主要針對核心驅(qū)動單元的運動分辨率等6項關(guān)鍵技術(shù)指標進行了檢測測定，檢驗結(jié)果為合格（見附件：檢驗報告）。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：測試裝置屬超精密測量儀器，測試時必須采取防塵、隔振、降噪、恒溫措施；測試前須調(diào)整位移傳感器使其處于最佳的測試區(qū)域；試件固定要牢靠，盡量與壓頭所在軸線垂直；測試中要注意壓頭的保護。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：1、裝置具有很高的加載分辨率和高精密檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)原位納米壓痕/刻劃測試。 2、測試裝置集壓電學、材料學、接觸力學、測試技術(shù)及理論、現(xiàn)代控制理論等多學科領(lǐng)域先進技術(shù)于一體，具有很高的學術(shù)價值。3、應(yīng)用范圍廣泛，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。4、具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)。 適應(yīng)范圍：主要包括軍工、制造業(yè)、飛機汽車行業(yè)、精密光學、納米技術(shù)、半導(dǎo)體與微機電行業(yè)、仿生材料和醫(yī)用材料、生物醫(yī)學、材料工程業(yè)、鋼鐵冶金等領(lǐng)域，對這些領(lǐng)域的元器件的使用壽命、性能、穩(wěn)定性、可靠性作出評價。 隨著納米壓痕/劃痕測試技術(shù)的進一步發(fā)展和上述產(chǎn)業(yè)對材料的更高要求，其作用和產(chǎn)業(yè)價值將越來越明顯。由于是新興的前沿技術(shù)，競爭對手只有國外的一家企業(yè)，市場前景十分看好。研制的新產(chǎn)品將具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，并可遠銷國外。
同類課題研究水平概述
- 原位納米力學測試是集精密檢測、精密驅(qū)動、非原位納米壓痕/刻劃測試技術(shù)、原位納米壓痕/刻劃測試技術(shù)于一體在最近幾年才發(fā)展起來的，一經(jīng)提出即受到各國政府和科研機構(gòu)的高度重視，美國LLNL和LBNL的M.A.Wall等人率先研制了一種通過齒輪馬達和壓電元件實現(xiàn)精密驅(qū)動的原位納米壓痕裝置；加州大學伯克利分校（UC Berkeley）和LBNL的A.M.Minor等人通過壓電直動式驅(qū)動裝置推動摻雜的金剛石工具頭也在TEM原位監(jiān)測下開展了鋁薄膜的納米壓痕測試；美國MIT的S.Suresh、Northwestern大學H.D.Espinosa和我國北京工大的張澤院士等人還研制了基于MEMS工藝的專用測試裝置，分別對極微小的人體細胞、納米線和納米管等開展了原位納米力學測試，取得了一些標志性研究成果。但是上述測試裝置都存在著不足：LLNL和LBNL的M.A.Wall等人開發(fā)的裝置由于不能檢測加載力導(dǎo)致無法測試材料力學參數(shù)，不能研究載荷作用對材料變形損傷的影響規(guī)律；A.M.Minor等的裝置通過施加在壓電元件上的電壓與其變形量關(guān)系經(jīng)換算得到加載力，造成測試復(fù)雜、離線操作環(huán)節(jié)過多，還存在加載力換算的模型誤差和參數(shù)誤差，影響了測試結(jié)果在量值上的可信性；基于MEMS工藝的測試裝置存在專門用途的限制。由于這些不足，使得上述裝置無法對特征尺寸毫米級以上的三維試件開展測試，為了進行測試還必須通過“掩膜、腐蝕、沉積”等工藝制作結(jié)構(gòu)極微小的專門試件，準備工作復(fù)雜繁瑣。另外，由于試件尺寸極為微小，其固定方式、邊界條件及其與金剛石工具頭間尺寸效應(yīng)等對測試結(jié)果影響十分顯著，因此利用該測試結(jié)果去評價衡量較大尺寸三維試件的綜合力學性能缺乏可信性。 針對三維試件的原位納米力學測試研究，目前僅見于瑞士聯(lián)邦理工學院J. Michler和R. Rabe、日本東北大學W.Gao和作品制作者所在項目組等開展的部分工作。J. Michler等人研制了一種原位納米刻劃測試裝置，由于其采用粘滑式壓電驅(qū)動機構(gòu)作為驅(qū)動動力源，受粘滑式壓電驅(qū)動機理的制約工作中存在無法克服的后沖現(xiàn)象（幅度達30-100nm），且在每個運動周期內(nèi)核心驅(qū)動單元都會產(chǎn)生微幅振動，驅(qū)動裝置的定位誤差還導(dǎo)致加載力存在很大誤差和不可控性，嚴重影響了測試精度和可靠性。
