基本信息
- 項目名稱：
- 金相顯微鏡下拉伸/壓縮模式材料力學性能在線測試平臺
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 作品為針對特征尺寸厘米級以上三維試件研制的可與金相顯微鏡及掃描電鏡等兼容使用的高性能拉伸/壓縮模式材料力學性能測試平臺，可在高分辨率動態(tài)監(jiān)測下開展對材料微觀力學行為和變形損傷機制的相關(guān)研究。作品集成了精密驅(qū)動、檢測、力學性能測試等功能，并兼顧“結(jié)構(gòu)精巧、高分辨率、大行程”等特點，填補了我國在該領(lǐng)域的空白，將對新材料新工藝、精密光學、飛機汽車行業(yè)、國防軍工等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強有力技術(shù)支撐。
- 詳細介紹：
- 1.作品主要研究內(nèi)容及意義 作品旨在研究微納米級原位拉伸/壓縮模式下材料力學測試新原理與新技術(shù)。獲取高性能跨尺度原位拉伸/壓縮材料力學測試平臺的理論系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)（試件自身特征尺寸與微納米力學測試及原位觀測的尺寸跨度很大，可避免由于尺度效應(yīng)等因素帶來的測試誤差，故稱之為跨尺度原位測試），研究精密驅(qū)動加載單元、關(guān)鍵機械元件與檢測控制元件等的結(jié)構(gòu)、強度與精度設(shè)計理論，獲取在金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀和Raman光譜儀等儀器下具有結(jié)構(gòu)兼容性、電磁兼容性以及真空兼容性的關(guān)鍵共性技術(shù)與手段，研究原位力學測試平臺的智能精密制造原理與方法。攻克跨尺度原位力學測試的前沿核心技術(shù)，研發(fā)關(guān)鍵共性技術(shù)，獲得一批國際水平的研究成果，獲取自主知識產(chǎn)權(quán)，為材料及其制品的微觀變形行為、損傷機制的研究與開發(fā)提供嶄新的測試技術(shù)與儀器，提升在國際原位力學測試技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的影響力。作品旨在研制可用于商業(yè)化顯微成像設(shè)備（金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、原子力顯微鏡等）的載物平臺或腔體內(nèi)實現(xiàn)拉伸/壓縮模式下材料力學性能測試的完備系統(tǒng)，獲得彈性模量、屈服極限及破壞極限等重要力學參數(shù)，結(jié)合高分辨率成像系統(tǒng)的動態(tài)測試結(jié)果為分析研究材料的變形行為、損傷機制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律提供嶄新的方法與儀器裝備。通過分析比對國內(nèi)外研究進展和現(xiàn)存問題，結(jié)合前期研究積累，從實現(xiàn)跨尺度原位拉伸/壓縮模式下材料力學測試的原理與方法出發(fā)：優(yōu)選驅(qū)動動力源和傳動方式與結(jié)構(gòu)，結(jié)合金相顯微鏡的載物及成像條件以及掃描電鏡等儀器有效工作空間確定測試平臺的最終結(jié)構(gòu)形式和整體布局，通過新穎巧妙的試件夾持機構(gòu)對被測試件施加可控的“拉伸/壓縮載荷”，測試中利用金相顯微鏡等成像儀器對被測試件薄弱部位進行圖像實時捕獲或掃描定位，進而對試件在載荷作用下的變形損傷進行高分辨率可視化動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合測試平臺內(nèi)部的檢測控制單元實現(xiàn)載荷條件下特征尺寸厘米級以上三維試件的跨尺度原位力學測試，并據(jù)此獲取關(guān)鍵共性技術(shù)，攻克前沿技術(shù)，研制開發(fā)性能先進的測試平臺原型樣機，進行性能測試評估。在此基礎(chǔ)上，開展產(chǎn)業(yè)化實施等工作。 據(jù)此，本作品的主要研究內(nèi)容如下： （1）精密驅(qū)動加載單元、關(guān)鍵機械元件與檢測控制元件等的結(jié)構(gòu)、強度與精度設(shè)計理論。主要包括：對原位力學測試平臺進行功能設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)選驅(qū)動動力源和傳動、導向單元的結(jié)構(gòu)形式。研究機械結(jié)構(gòu)剛度特性、強度特性與加載能力、加載精度以及測試平臺所要達到的測試精度間的關(guān)系，獲取剛度與精度設(shè)計準則，建立完整的機械結(jié)構(gòu)三維實體模型（CAD模型）。結(jié)合理論分析與有限元、多體動力學仿真（CAE）研究手段，研究機械結(jié)構(gòu)靜力學、動力學特性以及驅(qū)動分辨率與電機等動力源和精密傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、拓撲位置等關(guān)系，研究承載能力與驅(qū)動動力源和傳動單元結(jié)構(gòu)型式間的關(guān)系及機械單元的動態(tài)特性等，研究運動單元與導向單元間接觸摩擦及其對工作穩(wěn)定性和精度保持性的影響，得出導向單元結(jié)構(gòu)形式與最佳選材方案和測試精度保障手段與方法。將機械結(jié)構(gòu)與功能和性能指標有機結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計測試平臺機械單元，綜合分析試件夾持單元對加載力與加載模式的影響，優(yōu)選有效的加載方案與試件夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和選材，研究機械單元關(guān)鍵部件性能測試實驗方法與技術(shù)，獲取專有技術(shù)。 （2）測試平臺與金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、Raman光譜儀等儀器的結(jié)構(gòu)兼容性、電磁兼容性以及真空兼容性的關(guān)鍵共性技術(shù)研究。主要包括：研究金相顯微鏡載物條件及高倍率成像焦距要求、綜合分析掃描電鏡真空腔尺寸與成像條件，研究X射線衍射、Raman光譜測試的檢測條件與要求，研究內(nèi)部嵌入檢測單位的測試儀器裝備機械平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略與手段，保障測試平臺完成材料力學性能微納米級精度測試的功能，實現(xiàn)其整體結(jié)構(gòu)與金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、Raman光譜儀載物平臺、測試腔體（或真空腔）具有結(jié)構(gòu)兼容性和可裝配性，實現(xiàn)原位測試。研究機械單元與檢測單元的真空兼容性，獲取保障措施與真空防護手段.。研究不同機械單元部件的選材與導磁性的關(guān)系，獲取電磁兼容性好的選材方案，同時保證機械單元的結(jié)構(gòu)強度、剛度與精度，開展電磁兼容性設(shè)計與分析，針對驅(qū)動單元和檢測單元存在的電磁干擾問題，開展電磁干擾特性測試實驗，研究抑制電磁干擾的結(jié)構(gòu)-電學耦合設(shè)計方法，獲取抗電磁干擾性強的機械結(jié)構(gòu)、電器元件優(yōu)化設(shè)計準則與手段。在上述工作的基礎(chǔ)上，綜合分析機械、檢測控制等單元的布局及其與金相顯微鏡等成像儀器兼容性等問題，研究結(jié)構(gòu)微小型化、緊湊化和輕量化問題，獲取專有技術(shù)。 （3）測試平臺力學信號、變形/位移信號的檢測、誤差補償和閉環(huán)控制理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。主要包括：研究微小彈性結(jié)構(gòu)體及其尺寸、選材對載荷信號的敏感性和可檢測性，尋找性能穩(wěn)定可靠的載荷力檢測方案。解決載荷、位移信號同步性檢測問題，對位移/載荷信號進行標定和精度分析，研究外界干擾對測試精度的影響和降噪問題，獲取硬件設(shè)計準則和算法程序。研究控制信號波形及時序?qū)ο到y(tǒng)綜合性能的影響，得出最優(yōu)時序控制信號的方案，研究加載分辨率的檢測、控制與實現(xiàn)“準靜態(tài)”加載（卸載）的關(guān)系，研究恒速加載、變速加載，恒加速度加載、變加速度加載等不同加載方式的實現(xiàn)，解決運動輸出的精確性、穩(wěn)定性和響應(yīng)迅速性等問題，避免可能出現(xiàn)的運動干涉。研究驅(qū)動裝置的線位移變形、角位移變形和運動誤差，考慮電機等的動態(tài)特性和機電耦合特性對測試平臺綜合性能的影響，分別建立基于加載力信號反饋和加載位移信號反饋的閉環(huán)控制策略與方法。研制對檢測信號進行分析和補償處理的硬件手段和算法程序，獲取檢測、控制的理論與關(guān)鍵技術(shù)，研制穩(wěn)定可靠的檢測控制單元。 （4）測試平臺的智能精密制造原理、方法與關(guān)鍵共性技術(shù)研究。結(jié)合原位力學測試平臺的結(jié)構(gòu)特點、性能特點和工作情況，開展測試平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵傳動/導向元件、總成系統(tǒng)和整機的精密高效制造共性關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新性智能機械裝備開發(fā)等研究。針對機械裝備關(guān)鍵復(fù)雜零件，如復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)件、微小型精密絲杠螺母副傳動元件、精密渦輪蝸桿傳動元件、精密導向元件，微小型試件夾持機構(gòu)與加載工具等，采用精密五軸加工、超精密車銑復(fù)合加工、微細電火花加工以及超精密平坦化加工等技術(shù)手段實現(xiàn)上述關(guān)鍵部件的加工，著重研究采用上述手段加工關(guān)鍵機械部件的結(jié)構(gòu)可加工性與材料可加工性，開發(fā)實現(xiàn)其智能精密制造的原理與關(guān)鍵技術(shù)，研究復(fù)雜元件加工中的自動編程技術(shù)、加工精度預(yù)測與保障手段（CAM），研究加工中由于機床顫振、環(huán)境振動等因素對加工質(zhì)量的影響，獲取智能加工與控制手段，研究從毛坯到成品制造的智能精密制造原理與方法.研究涉及鑄造,鍛造,熱處理,多軸銑削,超精密車銑復(fù)合加工,數(shù)控鉆、銑、鏜,微細加工以及超精密平坦化加工等工藝路線與工藝準則，研究涉及各環(huán)節(jié)智能制造以及加工質(zhì)量與精度檢測技術(shù)，得到關(guān)鍵機械部件的質(zhì)量保證措施。結(jié)合研究內(nèi)容（1），構(gòu)建原位力學測試平臺關(guān)鍵機械部件優(yōu)化設(shè)計、分析以及智能精密制造一體化（CAD/CAE/CAM）的技術(shù)保障體系，得到關(guān)鍵機械部件的高效、高精度、低成本制造的原理方法與關(guān)鍵共性技術(shù)，獲取專有技術(shù)。 （5）測試平臺的綜合性能評測、測試結(jié)果可信性評估與可靠性保障技術(shù)。對測試平臺的光機電單元進行系統(tǒng)集成，測試分析并研究其綜合性能，主要包括：研究測試平臺綜合性能對力學測試效果的影響。針對典型材料，研究驅(qū)動運動分辨率與加載力分辨率間的關(guān)系以及材料最大變形量與最大加載力的關(guān)系，獲取測試平臺的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)并進行分析。將測試平臺在金相顯微鏡載物平臺上及掃描電鏡真空腔內(nèi)進行集成調(diào)試，獲取金相顯微鏡及掃描電鏡等成像儀器下原位測試的規(guī)律與影響因素：從可監(jiān)測性、觀測區(qū)域可調(diào)整性以及振動、電磁特性和真空防護等對原位力學測試效果的影響出發(fā)，綜合考察“驅(qū)動-加載-檢測-原位觀測”在測試精度、響應(yīng)速度等方面的關(guān)系，剖析關(guān)鍵問題加以綜合研究解決。建立表征試件材料力學參數(shù)算法模型，進行復(fù)合載荷模式原位力學測試平臺的綜合調(diào)試。對多次測試結(jié)果進行比對分析，通過修正算法程序、機電單元結(jié)構(gòu)與參數(shù)進行改進。獲取相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。 2.作品研發(fā)的技術(shù)路線與實施方案 針對前述的研究內(nèi)容與技術(shù)難點，確定本作品總體研究開發(fā)方案。對涉及關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點的部分要進行初試、中試，不斷改進，直至獲得滿足設(shè)計指標的結(jié)論性技術(shù)方案，最終獲得整個跨尺度微納米級原位拉伸/壓縮材料力學性能測試平臺實施方案。在理論分析可行的基礎(chǔ)上，針對作品的研究內(nèi)容和研究目標，統(tǒng)籌兼顧，對系統(tǒng)各組成單元的參數(shù)進行優(yōu)化匹配設(shè)計，同時展開機械裝置的設(shè)計分析與研制，檢測方案的設(shè)計與調(diào)試，控制策略與方法的優(yōu)選及系統(tǒng)研制，并進一步利用實驗手段對測試結(jié)果進行合理評價、優(yōu)化樣機結(jié)構(gòu)和控制方法，最終獲得性能穩(wěn)定的機械裝置和檢測和控制 統(tǒng)。 具體實施策略與方案敘述如下： （1）跨尺度原位拉伸/壓縮力學測試的原理與方法：作品采用內(nèi)置大減速比減速機構(gòu)且結(jié)構(gòu)緊湊的高精度直流伺服電機作為動力源，結(jié)合微小型兩級二次包絡(luò)型蝸輪蝸桿機構(gòu)實現(xiàn)高減速比減速增扭，確保測試平臺在結(jié)構(gòu)緊湊的前提下具有足夠的加載能力，并實現(xiàn)超低速準靜態(tài)加載。利用這種驅(qū)動加載方式，結(jié)合檢測、控制單元與算法程序，進行特征尺寸厘米級以上三維試件的復(fù)合載荷模式原位力學測試。 （2）測試平臺機械單元的優(yōu)化設(shè)計分析：①首先，綜合考慮金相顯微鏡及掃描電鏡等的有效工作空間尺寸和成像要求，以MA-2003大型透反射金相顯微鏡為應(yīng)用對象，其載物臺的最大尺寸為210×270mm，高倍物鏡距載物平臺高度為50mm，搭配高倍率物鏡及高性能CCD成像組件條件下，成像高度要求較為苛刻。以Hitachi SU1510（日本國立東北大學所用電鏡，真空腔內(nèi)部可載入最大樣品尺寸為Ф153×60mm，成像焦距范圍WD=15 mm）和Hitachi TM-1000（浙江大學所用電鏡，真空腔尺寸為Ф140×105mm、成像焦距范圍WD=1.5-3.5mm）兩種型號掃描電鏡為應(yīng)用對象，明確測試平臺的驅(qū)動方式和空間布局，著重考慮掃描電鏡水平面成像區(qū)域和豎直方向的成像高度要求，優(yōu)化設(shè)計的測試平臺，使其在這兩種型號的電鏡內(nèi)部均可應(yīng)用。②在此基礎(chǔ)上，對總體方案進行詳細的可行性分析，在理論上進行機械單元與驅(qū)動動力源和傳動機構(gòu)的優(yōu)化匹配設(shè)計，考慮試件的夾持和位置校準等問題基礎(chǔ)上，建立驅(qū)動平臺的三維實體模型，進行基本的運動干涉分析。③通過有限元軟件ANSYS或MSC.Nastran對機械單元進行靜態(tài)變形、動態(tài)特性以及運動學的仿真分析，確保機械單元滿足功能要求和剛度要求。通過理論計算確定試件夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和裝配尺寸以實現(xiàn)拉伸、剪切的加載模式，對夾持機構(gòu)進行靜變形和動態(tài)特性分析確保其強度足夠大，并保證載荷作用的同軸性和共面性。采用MSC.Marc對運動導向單元的微觀接觸進行仿真分析，優(yōu)選結(jié)構(gòu)方案并明確選材；對由伺服電機單元、蝸輪蝸桿等減速機構(gòu)單元和絲杠螺母副等組成的傳動單元進行運動學分析，確保其滿足工作需要。④根據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)造驅(qū)動加載裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對不同方案進行對比分析，對驅(qū)動控制的工作特性進行理論分析和試驗研究，得出最佳組合方案。⑤在開展以上工作的同時，從實現(xiàn)“準靜態(tài)”加載的角度出發(fā)，考慮所選伺服電機以極低的轉(zhuǎn)速和較大的扭矩輸出運動，再經(jīng)過大減速比減速機構(gòu)減實現(xiàn)減速增矩，進行微小型兩級減速增扭機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析，兼顧結(jié)構(gòu)尺寸較小、正反方向傳動流暢、利用電機實現(xiàn)自鎖功能以及結(jié)構(gòu)強度滿足要求等問題，實現(xiàn)大承載能力和準靜態(tài)加載方式。結(jié)合上述并行工作并進行綜合分析，確定機械單元總體方案。 （3）核心元件的選?。罕咀髌愤x用Maxon Motor的EC-max 22型高性能直流無刷電機作為實現(xiàn)低速、較大扭矩輸出的動力源，采用高性能材料的蝸輪蝸桿機構(gòu)作為減速增矩的傳動機構(gòu)，以保證載荷作用下各接觸面強度滿足要求并實現(xiàn)高效率穩(wěn)定傳動。在涉及納米級精度加載時采用壓電疊堆元件與上述電機配合以實現(xiàn)宏微運動結(jié)合可開展金相顯微鏡下的材料疲勞力學特性測試，由于壓電疊堆的特定結(jié)構(gòu)，使其在低于1000Hz的工作頻率下具有較強驅(qū)動能力和很高的定位精度，同時具有結(jié)構(gòu)緊湊微小、無電磁干擾等特性，針對不同結(jié)構(gòu)尺寸和輸出特性要求，日本Tokin、德國PI等公司均有可選的壓電疊堆。選用UNCLB系列力傳感器和WYSN-1型超微型接觸式位移傳感器等作為精密載荷/位移檢測單元，通過前期調(diào)研獲知有關(guān)參數(shù)基本滿足項目的技術(shù)要求。 （4）機械單元的試制：采用Spinner精密數(shù)控車削中心和Fidia多軸數(shù)控銑削中心加工機械單元基本型面和傳動單元；采用電火花線切割或高功率激光刻蝕方式加工柔性鉸鏈單元；采用CNC精密雕刻機和電火花加工工藝加工微小機械元件（如試件夾持機構(gòu)等）。平面運動導向元件采用Bni62超精密研拋機進行表面平坦化加工。試件采用微細電火花線切割工藝加工，通過Bni62研拋機進行表面變質(zhì)層去除和平坦化處理。在上述工作基礎(chǔ)上，測試平臺樣機在裝配中也需反復(fù)裝調(diào)，使其滿足要求。針對機械裝備關(guān)鍵復(fù)雜零件，如復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)件、微小型精密絲杠螺母副傳動元件、精密渦輪蝸桿傳動元件、精密導向元件，微小型試件夾持機構(gòu)與加載工具等，就將分別采用的精密五軸加工、超精密車銑復(fù)合加工、微細電火花加工以及超精密平坦化加工等手段開展結(jié)構(gòu)可加工性分析，利用加工刀具軌跡生成算法與軟件開展加工軌跡生成分析與精度預(yù)測，通過優(yōu)選加工手段并修正工藝參數(shù)，產(chǎn)生優(yōu)化后的刀具軌跡數(shù)據(jù)與數(shù)控加工程序，研究難加工結(jié)構(gòu)與材料的可加工性問題，實現(xiàn)上述關(guān)鍵部件的智能精密加工，開發(fā)實現(xiàn)其智能精密制造的原理與關(guān)鍵技術(shù)，研究復(fù)雜元件加工中的自動編程技術(shù)、加工精度預(yù)測與保障手段（CAM），研究加工中由于機床顫振、環(huán)境振動等因素對加工質(zhì)量的影響，獲取智能加工與控制手段，研究從毛坯到成品制造的智能精密制造原理與方法.研究涉及鑄造,鍛造,熱處理,多軸銑削,超精密車銑復(fù)合加工,數(shù)控鉆、銑、鏜,微細加工以及超精密平坦化加工等工藝路線與工藝準則，研究涉及各環(huán)節(jié)智能制造以及加工質(zhì)量與精度檢測技術(shù)，得到關(guān)鍵機械部件的質(zhì)量保證措施。構(gòu)建原位力學測試儀器裝備關(guān)鍵機械部件優(yōu)化設(shè)計、分析以及智能精密制造一體化（CAD/CAE/CAM）的技術(shù)保障體系，得到關(guān)鍵機械部件的高效、高精度、低成本制造的原理方法與關(guān)鍵共性技術(shù)，獲取專有技術(shù)。 （5）檢測方案的選取與標定實驗：①研究編碼器、電容式位移傳感器和激光非接觸式測位儀檢測精密位移信號的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾性，選取最優(yōu)位移（變形）檢測方案。②通過理論分析、仿真研究和必要的實驗測試，研究不同結(jié)構(gòu)微小彈性體的尺寸形狀和選材對載荷信號的敏感性，并通過微加工工藝試制；與現(xiàn)有的應(yīng)變式力傳感器進行性能比對分析，優(yōu)選載荷力檢測方案。③標定實驗中，對載荷檢測單元加載通過激光非接觸式測位儀測定其變形情況，在微變形機構(gòu)的彈性極限范圍內(nèi)，建立其變形量與所加載荷的關(guān)系，即可通過檢測其變形量得到加載力信號；針對應(yīng)變式力傳感器可以通過類似手段建立加載力與其內(nèi)部橋式電路輸出電壓的關(guān)系以完成標定。 （6）控制單元設(shè)計與調(diào)試：①通過運動學分析，將測試裝置中電機的旋轉(zhuǎn)運動與加載方向的直線運動進行必要的耦合與解耦分析，最終分解成可控性良好的加載方向上的直線運動。②通過電子設(shè)計軟件對控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計分析，使其輸出的時序控制信號對電機元件進行實時控制，實現(xiàn)兩個試件夾持機構(gòu)間的相對運動。通過軟件濾波或調(diào)理電路等方式，保證控制系統(tǒng)輸出的信號具有較高的分辨率，抑制電噪聲沖擊和溫漂等現(xiàn)象。③通過對測試平臺進行的理論分析和試驗測試，研究控制信號波形對系統(tǒng)綜合性能的影響，對控制系統(tǒng)進行標定和輸出信號跟蹤測試，得出最優(yōu)時序控制信號的方案，使其滿足控制精確性、穩(wěn)定性和響應(yīng)迅速性等性能要求，并避免可能出現(xiàn)的運動干涉。 （7） 誤差補償技術(shù)與閉環(huán)控制：①通過精密位移傳感器對驅(qū)動裝置工作中的線位移變形、角位移變形和運動誤差進行測試分析，并通過必要的閉環(huán)控制方法進行補償。②結(jié)合算法濾波和硬件調(diào)理電路，對測試信號進行處理或修正，提高測試精度；提取變形和載荷信號檢測中兩路測試通道的相位差，通過相位補償以解決信號測試的同步性問題。③通過程序算法的編寫，建立基于載荷力信號反饋和位移（變形）信號反饋的閉環(huán)控制策略，對①部分誤差和電機等元件的非線性特性進行必要的補償和控制，以保證測試精度，并實現(xiàn)對力學參數(shù)的測試。④考察溫度效應(yīng)和振動對系統(tǒng)性能的影響，加以必要的修正，測試裝置調(diào)試在氣浮隔振實驗臺上進行。 （8）測試平臺的整體調(diào)試與性能測試：本環(huán)節(jié)在氣浮隔振試驗臺上進行。①對測試裝置機械、控制、檢測等單元進行集成調(diào)試，掌握系統(tǒng)性能，發(fā)現(xiàn)問題作局部修正。②在離位狀態(tài)下，以變速、恒速、變加速、變減速等多種加載方式對機械單元的輸出特性進行測試，通過LC-2400A和LK-G10型非接觸式激光測位儀測試驅(qū)動裝置的運動分辨率、運動行程和速度等指標，通過拉/壓力傳感器測定載荷分辨率、量程等，對測試平臺的機械單元和檢測單元進行性能測試和校準。③通過外加載荷的方式測試其承載能力，發(fā)現(xiàn)問題及時修正。標定載荷、位移的規(guī)律性關(guān)系，得到不同材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并通過所測數(shù)據(jù)的優(yōu)化和曲線擬合，完成對負載測試裝置的輸出特性的調(diào)試。④通過高頻激光多普勒振動測試儀測定分析測試平臺的工作穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，研究工作中主要振動形式、頻率與幅值，獲取振動因素對測試效果的影響，結(jié)合實際情況進行必要的隔振或減震等處理。評價直流無刷電機和電學單元電磁干擾強度對成像性能的影響，進行必要的電磁屏蔽處理。⑤建立載荷力、材料變形與驅(qū)動動力源和傳動單元的尺寸結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，通過修正機械、控制參數(shù)提高加載力精度。⑥在綜合分析的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)機電耦合模型：機械涉及機械單元特性等，電學涉及控制單元特性、傳感器等綜合特性。⑦結(jié)合上述工作和（7）相應(yīng)工作，完善表征材料力學性能參數(shù)的算法，進行程序調(diào)試校驗，獲取穩(wěn)定可靠的算法程序。在上述工作基礎(chǔ)上，綜合考慮可能出現(xiàn)的問題，并進行相應(yīng)處理后，在金相顯微鏡載物平臺及掃描電鏡的真空腔（掃描電子顯微鏡自身具有良好的隔振功能）內(nèi)進行測試平臺安裝調(diào)整，開展系統(tǒng)調(diào)試工作。就可能出現(xiàn)的機械安裝、位置校準、運動干涉、觀測區(qū)域調(diào)整、電磁屏蔽和真空防護等問題，綜合分析研究發(fā)現(xiàn)問題及時改進。 （9）測試儀器裝備可靠性測評：①研究建立基于運行狀態(tài)的測試儀器裝備可靠性模型。結(jié)合環(huán)境適應(yīng)性測試，進行必要的統(tǒng)計分析，結(jié)合測試平臺結(jié)構(gòu)、精度與功能的特殊性，初步擬用Weibull分布和多重Weibull分布建模方法，探尋數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，建立測試儀器裝備的壽命分布模型，包括故障間隔時間概率密度模型、可靠度模型和故障率模型，從而形成一組壓電驅(qū)動裝置的可靠性模型。②對儀器裝備進行可靠性分析，要進行其工作中故障模式、影響及危害性分析（FMECA）。主要包括：驅(qū)動裝置故障模式鑒別與分析（如驅(qū)動單元不工作、驅(qū)動力不足、掉電以及機械結(jié)構(gòu)疲勞失效等，檢測單元靈敏度下降、響應(yīng)速度遲緩，控制單元由于溫升等原因出現(xiàn)溫漂等）、故障部位定位與分析、故障原因鑒別與分析、故障影響分析、故障危害度分析。通過FMECA研究，查清測試儀器裝備的各故障部位、故障模式比率，從整體上找出對整體可靠性影響較大的故障模式、故障部位和故障原因；通過故障危害性分析，進行故障的危害度評價和排序，為測試儀器裝備的可靠性綜合設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。最終進行原型樣機的定型，明確注意事項，整理并獲取綜合的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。最終獲取與掃描電鏡兼容性好、穩(wěn)定可靠的原位測試平臺，獲取其中的理論與關(guān)鍵技術(shù)。 （10）針對典型材料的原位力學測試與測試結(jié)果可信性評價：在上述工作基礎(chǔ)上，利用調(diào)試好的測試平臺，在金相顯微鏡及掃描電鏡可視化監(jiān)視下開展高強度鋼及新型非晶態(tài)金屬等材料的原位力學測試研究。①首先，采用微細電火花線切割工藝加工試件，用Bni62超精密研拋機進行表面變質(zhì)層去除和平坦化處理。②在非原位狀態(tài)下，將測試平臺布置在氣浮隔振試驗臺上，單軸拉伸壓縮模式對常規(guī)金屬進行力學測試，測定其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、抗拉強度等力學參數(shù)，將測試結(jié)果與采用商業(yè)化測試儀器得到的結(jié)果進行比對分析，評價測試平臺的可靠性和測試結(jié)果的可信性，發(fā)現(xiàn)問題及時修正。③利用測試平臺測定高強度鋼和新型非晶態(tài)金屬材料的彈性模量、抗拉強度等力學參數(shù)，與傳統(tǒng)金屬進行對比評價其性能。④在掃描電鏡高分辨率可視化動態(tài)監(jiān)視下，就高強度鋼和新型非晶態(tài)金屬分別開展單軸拉伸/壓縮的原位力學測試。采用正交試驗方法，重點測試分析材料微結(jié)構(gòu)特征和變形損傷狀況與不同的加載模式、不同載荷力以及不同加載速率等因素間的變化規(guī)律，就原位單軸拉伸/壓縮測試分別建立微結(jié)構(gòu)特征變化與“載荷力-變形”、“應(yīng)力-應(yīng)變”之間的歷程關(guān)系，據(jù)此獲取材料出現(xiàn)微裂紋的臨界拉力（或壓力），以及裂紋發(fā)生、分布及其擴展趨勢與外部載荷間的關(guān)系，總結(jié)得出試件的變形、損傷機制及其與載荷作用和自身材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。⑤在金相顯微鏡及掃描電鏡的高分辨率可視化監(jiān)視下，結(jié)合原位力學測試試驗，重點測試分析復(fù)合載荷模式材料微結(jié)構(gòu)特征、變形損傷隨不同載荷力和加載速率等因素的變化規(guī)律，建立相關(guān)歷程關(guān)系。獲取拉伸/壓縮模式下材料發(fā)生不同變形損傷的主導因素與機制，據(jù)此揭示高強度鋼和非晶態(tài)金屬變形損傷機制及其與外界載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。 3.作品創(chuàng)新點 本作品具有原理創(chuàng)新性、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新性。具體包括：基于高性能直流伺服組件和大減速比減速機構(gòu)的超低速“準靜態(tài)”加載和多模式加載技術(shù)、載荷/位移信號的精密同步檢測和誤差補償以及測試裝置的閉環(huán)控制技術(shù)、測試系統(tǒng)對顯微成像系統(tǒng)的兼容性技術(shù)。 作品創(chuàng)新點可以歸納如下： （1）原理創(chuàng)新。提出對特征尺寸厘米級以上三維試件跨尺度原位拉伸/壓縮力學測試研究的新技術(shù)。眾所周知，各類材料及其制成品在機械加工或使用過程中由于外界載荷作用都會發(fā)生變形、損傷、失效和破壞現(xiàn)象，因此通過傳統(tǒng)的力學測試手段無法滿足要求，必須對材料在載荷作用下的變形行為、損傷機制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律進行深入研究。作品的研究思想是在采用特有結(jié)構(gòu)設(shè)計、新穎驅(qū)動加載方式與檢測控制手段以實現(xiàn)特征尺寸厘米級以上三維試件微納米級拉伸/壓縮測試，并實現(xiàn)在金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡、Raman光譜儀和X射線衍射儀等儀器動態(tài)監(jiān)測下的原位力學測試，因此可動態(tài)監(jiān)測并分析試件材料在不同載荷條件下的變形損傷情況，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。 （2）技術(shù)創(chuàng)新。提出采用高性能微型直流伺服電機驅(qū)動和高減速比的微小型減速加載機構(gòu)，為超精密原位拉伸/壓縮力學測試提供精準的驅(qū)動動力源并實現(xiàn)準靜態(tài)加載。同時，基于此種精密驅(qū)動加載方式下，在不改變測試平臺主體結(jié)構(gòu)的同時，僅通過更換巧妙的夾持機構(gòu)及添加柔性夾持（驅(qū)動）機構(gòu)，即可實現(xiàn)原位“拉伸—剪切”、“壓縮—剪切”、“單軸拉伸/壓縮”、“純剪切”及疲勞力學測試等多重測試模式，實現(xiàn)原位復(fù)合載荷測試。測試平臺兼顧“結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、輸出力大和行程大”等問題，有效避免已有原位測試研究由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配環(huán)節(jié)過多和驅(qū)動機理自身缺陷等因素導致的若干問題，大大提高系統(tǒng)的可靠性和測試結(jié)果的可信性。本作品可獨立使用測定材料力學參數(shù)；同時由于結(jié)構(gòu)緊湊微小、充分考慮了真空兼容性和電磁兼容性，因此可實現(xiàn)與金相顯微鏡、掃描電鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、原子力顯微鏡等顯微成像設(shè)備的兼容，所采用的超低速準靜態(tài)加載方式有利于在成像儀器下對載荷作用下材料細微的變形損傷變化狀況進行連續(xù)的高分辨率可視化原位監(jiān)測，便于系統(tǒng)深入的研究揭示載荷作用、材料變形損傷機制與微觀結(jié)構(gòu)變化間的規(guī)律。截至目前，國內(nèi)外未見有與本作品研究類似的其它原創(chuàng)性研究報道。作品研究開發(fā)將取得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利成果，有利于推進產(chǎn)業(yè)化，對高技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展起到重要的推動和促進作用。 （3）應(yīng)用創(chuàng)新。利用項目提出的研究思想在測試平臺或被測試件上還可安裝布置多種類型的機、電、熱、磁裝置，即在實現(xiàn)原位“拉伸—剪切”、“壓縮—剪切”、“單軸拉伸/壓縮”、“純剪切”及疲勞力學測試等多重測試模式的基礎(chǔ)上，還將開展多項創(chuàng)新性的原位力學測試研究：如針對各類合金和非晶態(tài)金屬微觀結(jié)構(gòu)特征與其力學特性間的相關(guān)性規(guī)律開展研究，獲取不同載荷模式和加載條件等因素對其變形損傷機制的影響，揭示其內(nèi)稟性質(zhì)和特殊物性的微觀結(jié)構(gòu)來源，等等。這些研究國內(nèi)外還未見有相關(guān)報道，利用項目研制的產(chǎn)品國內(nèi)研究開發(fā)機構(gòu)項目必將取得有意義的原創(chuàng)性研究成果。
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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)計發(fā)明的目的：作品為針對特征尺寸厘米級以上三維試件研制的可與金相顯微鏡及掃描電鏡等兼容使用的高性能拉伸/壓縮模式材料力學性能測試平臺，可在高分辨率動態(tài)監(jiān)測下開展對材料微觀力學行為和變形損傷機制的相關(guān)研究。 基本思路：首先，對測試平臺的驅(qū)動單元、傳動單元、檢測控制單元及其與成像儀器兼容性等諸方面進行總體分析研究，構(gòu)建滿足要求的總體方案。 其次，展開機械單元的設(shè)計、分析與試制，檢測單元設(shè)計與調(diào)試，控制策略與方法的優(yōu)選及研制，獲得性能穩(wěn)定的測試平臺樣機，并結(jié)合實驗及相關(guān)修正算法和圖形編程語言，得到表征材料力學性能的重要參數(shù)，獲取材料的微觀變形損傷和失效機理。 創(chuàng)新點：（1）在國內(nèi)率先提出并展開跨尺度原位拉/壓及復(fù)合載荷模式力學測試的新裝置及技術(shù)的研究，作品具有自主知識產(chǎn)權(quán)。（2）提出采用直流伺服電機和大減速比減速機構(gòu)實現(xiàn)超低速準靜態(tài)加載，便于對材料的細微變形損傷過程進行高分辨率動態(tài)監(jiān)測。（3）集成了精密驅(qū)動、加載與檢測等功能，并實現(xiàn)與金相顯微鏡、掃描電鏡等成像儀器的兼容使用。 技術(shù)關(guān)鍵：（1）跨尺度原位拉伸/壓縮測試平臺的優(yōu)化設(shè)計與控制問題。（2）載荷、位移信號的同步精密檢測問題。主要技術(shù)指標： 測試平臺可與金相顯微鏡、掃描電鏡等儀器兼容使用。加載位移分辨率1μm，加載力分辨率100mN、加載位移行程超過10mm、最大載荷超過600N，測試平臺總體尺寸約105mm×95mm×34mm。
科學性、先進性
- 材料在外界載荷的作用下會發(fā)生變形、損傷，甚至失效和破壞的現(xiàn)象，在微觀尺度下通過力學測試及成像觀測手段獲得獲取表征材料力學性能的重要參數(shù)及材料的微變形過程就具有重要的研究意義。單純的宏觀力學測試在測試精度和測試尺度上不能滿足上述要求，故必須對載荷作用下材料的微觀力學行為和損傷機理進行深入研究，以確保其在使用中的可靠性和穩(wěn)定性。通過最直接表征材料力學性能的拉伸/壓縮模式的原位力學測試手段針對特征尺寸厘米級以上三維試件所開展的有關(guān)測試將更有利于研究材料及其制品服役狀態(tài)下的真實力學行為與變形損傷機制。 本作品是一種集精密驅(qū)動加載、檢測、力學測試和原位觀測為一體的高性能材料力學性能測試平臺，可與金相顯微鏡、掃描電鏡等等儀器兼容使用，可通過實驗手段對任何可夾持的材料及其制品的使用性能做出準確的力學評價。目前只有美國、德國和英國公司研發(fā)類似產(chǎn)品，其同等載荷量程的測試平臺的整體尺寸大于本作品，位移量程及測試精度亦低于本作品，并且其價格昂貴，高端產(chǎn)品對我國封銷禁運。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.作品已被XXXX大學材料學院長江學者特聘教授蔣建中課題組、XXXX大學材料學院王慧遠教授提前預(yù)定。 2.作品經(jīng)XXXX邦大精密技術(shù)有限公司和XX慶華汽車安全系統(tǒng)有限公司試驗調(diào)試并獲得好評。 3.委托XXXX計量產(chǎn)、商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站出具了相關(guān)檢驗報告，檢驗結(jié)果達到要求。 4.作品已申請“XXXX研究生創(chuàng)新研究計劃”項目。 5.作品已申請國家發(fā)明專利專利2項，實用新型1項。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖片、錄像、現(xiàn)場演示
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：1、為確保試件顯微組織和晶體結(jié)構(gòu)清晰可見，需預(yù)先對試件做拋光處理。 2、作品可提供包括變形、力、位移控制在內(nèi)的數(shù)字/模擬反饋信號源供選擇。 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1、作品涉及材料學、測試技術(shù)等諸多學科，屬集光機電一體化的精密科學儀器。 2、作品尺寸可確保與金相顯微鏡及掃描電鏡等兼容使用。 3、作品在試件尺寸、加載精度和行程等方面優(yōu)于國外類似產(chǎn)品。 適用范圍： 1、為企業(yè)、科研院所提供測試平臺整機。2、為傳統(tǒng)裝備提供配套支持。3、為我國機械裝備及國防等領(lǐng)域提供服務(wù)。 推廣前景的技術(shù)性說明： 作品屬集光機電一體化的精密儀器，突破性實現(xiàn)各類材料及制品力學行為、損傷機制及其與載荷作用和材料性能間相關(guān)性規(guī)律的測試分析，有望成為未來材料力學性能測試的主流手段。市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測：各院校和科研院所及相關(guān)產(chǎn)業(yè)企業(yè)，這些機構(gòu)都是本作品潛在的用戶。
同類課題研究水平概述
- 當前拉伸/壓縮模式下原位力學測試的研究尚處萌芽狀態(tài)，具體表現(xiàn)在：（1）受到掃描電鏡、透射電鏡等的腔體空間的限制，目前的多數(shù)研究都集中在以MEMS工藝為基礎(chǔ)，對納米線等極微小結(jié)構(gòu)的單純測試，缺少對宏觀尺寸 構(gòu)件的微觀力學行為和損傷機制的研究。（2）從測試手段和方法上來說，主要借助商業(yè)化的拉伸儀進行的原位力學測試，設(shè)備昂貴，測試方法單一，測試內(nèi)容乏善可陳，對結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧的可實現(xiàn)拉伸/壓縮模式下原位力學測試的裝置鮮有提及，極大制約了相關(guān)研究的深入與發(fā)展。 相關(guān)研究中，澳大利亞蒙納士大學C.J.Bettles、我國清華大學溫詩鑄院士、大連理工張段芹等，利用電荷耦合（CCD）成像組件來監(jiān)測拉伸過程的測試裝置。但這類工作絕大多數(shù)針對MEMS元件片外拉伸測試開展的，受限于CCD組件成像放大倍率，無法深入研究揭示載荷作用下材料微觀變形損傷機制及其與載荷作用和材料性能的相關(guān)性規(guī)律。 日本神戶大學（Kobe）T.Nishino以及我國哈工大的周琴等，分別研制了原子力顯微鏡（AFM）下的原位拉伸測試裝置。E.Bamberg等在著名的DURINT計劃資助下，針對SIS三嵌段共聚物力學測試研制也研制了一種原位拉伸測試平臺，步進電機通過同步帶驅(qū)動滾珠絲杠為拉伸測試提供載荷力，該平臺具有對載荷力和變形的檢測功能。上述AFM下原位拉伸測試平臺結(jié)構(gòu)均較大，由于電機結(jié)構(gòu)過大且特定的傳動方式，致使測試過程存在振動沖擊，影響測試結(jié)果的可信性；受AFM測試原理及成像速度制約，原位測試結(jié)果存在很大可信度問題。SEM下三維試件原位拉伸/壓縮測試的基礎(chǔ)性研究工作報道，目前僅見于法國國家科學研究院(CNRS) M.Aboulfaraj、英國劍橋大學卡文迪什實驗室（Cavendish Lab.）的K.I.Dragnevski。 總體而言，國內(nèi)外對于拉伸/壓縮模式下的原位力學測試方法的研究還處于開發(fā)探索階段，它涉及了機械、材料、電子等諸多學科，目前實驗測試裝置還沒有統(tǒng)一的標準，而且大部分測試裝置結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，所需儀器都很昂貴，測試數(shù)據(jù)分散性很大。本作品以宏觀試件的跨尺度原位力學特性測試為對象，搶先立項研究具有原位拉伸/壓縮力學測試功能的測試系統(tǒng)和測試技術(shù)，力爭兩年內(nèi)完成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的研究開發(fā)工作，盡快完成產(chǎn)業(yè)化實施，填補我國這一領(lǐng)域的空白，并盡快占領(lǐng)國際市場。
