掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置及方法，屬于材料性能原位測試領(lǐng)域。包括基座、橫向力與軸向力測試傳感器、定位部分，定位部分包括粘滑驅(qū)動器A、粘滑驅(qū)動器B和粘滑驅(qū)動器C，并分別與基座連接；橫向力與軸向力測試傳感器由彈性體、x向/橫向力測量應(yīng)變片組和y向/軸向力測量應(yīng)變片組成，并通過連接件與滑驅(qū)動器A連接。優(yōu)點在于：裝置結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸僅為97mm×40mm×44.5mm，可方便安裝在掃描電子顯微鏡載物臺上，不僅能實現(xiàn)材料劃痕過程的原位動態(tài)監(jiān)測，而且可以實現(xiàn)劃痕過程中橫向力與軸向力的同步測量，為研究材料劃痕過程中變形、損傷機理提供嶄新的技術(shù)手段，在材料學(xué)、精密加工、摩擦學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
【專利說明】掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置及方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及材料性能原位測試領(lǐng)域，特別涉及一種掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置及方法。本發(fā)明不僅能實現(xiàn)材料劃痕過程的原位動態(tài)監(jiān)測，而且可以實現(xiàn)劃痕過程中橫向力與軸向力的同步測量，為研究材料劃痕過程中變形、損傷機理有重要作用，在材料學(xué)、精密加工、摩擦學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0003]材料的去除過程與去除機理是精密/超精密加工、材料學(xué)(特別是薄膜材料和涂層材料)、摩擦學(xué)等領(lǐng)域的熱點研究話題。研究材料的去除過程與去除機理，并借此選擇合適的材料成分、使用條件與場合，對于提高材料的使用壽命，保障設(shè)備、元器件使用過程中的可靠性和安全性具有重要意義。[0004]劃痕測試法是研究材料去除過程與去除機理的一種重要方法，該方法利用劃痕過程中得到的測試曲線并結(jié)合劃痕測試后拍攝的殘余劃痕形貌，在研究材料去除過程與去除機理方面發(fā)揮了重要作用。然而，研究人員在利用劃痕測試法研究材料的去除過程與去除機理時，亦發(fā)現(xiàn)了一些難以解釋的現(xiàn)象，最為典型的即是劃痕測試曲線上間斷性的波動。考慮到劃痕測試為動態(tài)測試過程，涉及的物理過程復(fù)雜，結(jié)合拍攝的殘余劃痕形貌能在一定程度上對劃痕測試曲線上間斷性的波動進行推理性解釋，但是缺乏對其完全的、可信的直接解釋。由此，研究人員對劃痕過程中壓頭與試件表面真實的物理作用過程產(chǎn)生了極大的研究興趣，并提出了新的測試技術(shù)手段去直接地觀測二者之間的相互作用過程，也就是掃描電子顯微鏡內(nèi)原位劃痕測試技術(shù)。
[0005]((Journal of materials science letters》于 1984 第 3 卷 133-136 頁設(shè)計了一種掃描電子顯微鏡內(nèi)原位劃痕測試方法，該方法將應(yīng)變式傳感器安裝在掃描電子顯微鏡真空腔艙門上，原理上可以開展掃描電子顯微鏡內(nèi)原位劃痕測試，但是文獻中并未給出相關(guān)的試驗結(jié)果和試驗曲線，而且該文獻中的裝置沒有獨立的運動定位單元，完全依靠掃描電子顯微鏡載物臺的運動能力，給測試帶來了一定的困難，與此同時測試控制方式可能相對單一?！禬ear》于 2005 年第 259 卷 18-26 頁，((AIP ADVANCES))于 2012 年第 2 卷 042193 文章中分別報道了一種原位壓痕/劃痕測試裝置。從試驗結(jié)果看，這2種測試裝置可安裝在掃描電子顯微鏡載物臺上，而且各自具有獨立的劃痕運動和定位單元，可以實現(xiàn)掃描電子顯微鏡內(nèi)的劃痕過程的原位觀測，但是由于未集成橫向力傳感器，無法實現(xiàn)對劃痕過程中橫向力和軸向力的同步測量，僅僅能實現(xiàn)劃痕過程的原位觀測。從以上分析可以看出，目前具有獨立定位和控制功能，且可實現(xiàn)掃描電子顯微鏡內(nèi)定量地原位劃痕測試的小型化劃痕測試裝置鮮有報道。現(xiàn)有技術(shù)雖然可以在掃描電子顯微鏡內(nèi)實現(xiàn)材料劃痕過程的動態(tài)監(jiān)測，但是卻難以實現(xiàn)劃痕測試過程中橫向力和軸向力的同步定量測量。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置及方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明的原位劃痕測試裝置結(jié)構(gòu)緊湊，具有獨立的運動定位能力，可方便的安裝在主流掃描電子顯微鏡載物臺上，實現(xiàn)材料劃痕過程的原位觀測，同時設(shè)計了橫向力與軸向力測試傳感器實現(xiàn)對劃痕過程中橫向力與軸向力的同步測量。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置，包括基座、橫向力與軸向力測試傳感器、定位部分，壓頭桿及金剛石壓頭7通過鎖緊螺釘安裝在橫向力與軸向力測試傳感器前端圓孔中，被測試件8通過導(dǎo)電膠帶粘貼在粘滑驅(qū)動器B9上。
[0008]所述的定位部分包括粘滑驅(qū)動器A3、粘滑驅(qū)動器B9和粘滑驅(qū)動器C10，并分別通過螺釘與基座I連接；
所述的橫向力與軸向力測試傳感器由彈性體5、z向/橫向力測量應(yīng)變片組4和_7向/軸向力測量應(yīng)變片組6組成，并通過連接件2與滑驅(qū)動器A3連接，其中彈性體5包含十字交叉布置的2個凹槽，Z向/橫向力測量應(yīng)變片組、_f向/軸向力測量應(yīng)變片組4、6分別對應(yīng)粘貼在2個凹槽薄弱環(huán)節(jié)。
[0009]本發(fā)明中所述的粘滑驅(qū)動器A3、粘滑驅(qū)動器B9和粘滑驅(qū)動器ClO為現(xiàn)有技術(shù)中已有的，可以實現(xiàn)被測試件8和橫向力與軸向力測試傳感器的定位或?qū)崿F(xiàn)劃痕過程中金剛石壓頭與被測試件之間的相對運動。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置進行原位測試的方法，該方法包括以下步驟:
O將被測試件8通過導(dǎo)電膠帶粘貼在粘滑驅(qū)動器B9上，之后將原位劃痕測試裝置通過螺釘安裝在掃描電子顯微鏡載物臺上，按照掃描電子顯微鏡操作流程打開掃描電子顯微鏡;
2)調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺旋轉(zhuǎn)功能，使得壓頭桿及金剛石壓頭(7)軸線與掃描電子顯微鏡電子束軸線成15?20°角度，方便后續(xù)對壓頭與被測試件之間接觸區(qū)域進行動態(tài)觀察；
3)調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺使得金剛石壓頭處于視野中央，之后驅(qū)動粘滑驅(qū)動器A3,帶動橫向力與軸向力測試傳感器沿軸方向接近被測試件表面；調(diào)節(jié)過程中通過掃描電子顯微鏡對金剛石壓頭和被測試件表面之間的相對位置進行實時觀測，當(dāng)二者距離相對較小時選用粘滑驅(qū)動器A3精密運動模式，并觀測橫向力與軸向力測試傳感器中軸向力示數(shù)；當(dāng)軸向力示數(shù)達到設(shè)定值時停止粘滑驅(qū)動器A3，并調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺使得金剛石壓頭和被測試件表面之間接觸區(qū)域清晰；
4)驅(qū)動粘滑驅(qū)動器C10，帶動其上方安裝的被測試件8沿z軸進行劃痕運動；劃痕過程中，實時控制粘滑驅(qū)動器A3運動，保持軸向力恒定、或線性增加、或線性減小，并通過掃描電子顯微鏡對劃痕過程中試件表面和壓頭接觸區(qū)域變化進行動態(tài)觀測，與此同時通過橫向力與軸向力測試傳感器對橫向力和劃痕力進行同步測量；
5)一次劃痕測試結(jié)束后，控制粘滑驅(qū)動器A3運動，使得金剛石壓頭脫離試件表面，之后結(jié)合測試曲線和原位圖像進行劃痕過程中材料變形、損傷機理分析。[0011]本發(fā)明的有益效果在于:結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸僅為97mmX40mmX44.5mm，具備獨立的定位運動功能，可方便實現(xiàn)軸向力恒定、或線性增加、或線性減小等多種劃痕測試模式。橫向力與軸向力測試傳感器可實現(xiàn)毫牛級分辨率和ION測量行程的橫向力與軸向力同步檢測。測試裝置可方便安裝在主流掃描電子顯微鏡載物臺上，結(jié)合提供的測試方法，不僅能實現(xiàn)材料劃痕過程的原位動態(tài)監(jiān)測，而且可以實現(xiàn)劃痕過程中橫向力與軸向力的同步測量，為研究材料劃痕過程中變形、損傷機理提供嶄新的技術(shù)手段，在材料學(xué)、精密加工、摩擦學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0013]圖1為本發(fā)明的掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置立體結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明的橫向力和軸向力測試傳感器立體結(jié)構(gòu)圖；
圖3為本發(fā)明的橫向力和軸向力測試傳感器主視結(jié)構(gòu)圖；
圖4為本發(fā)明的橫向力和軸向力測試傳感器后視結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖中:1.基座；2.連接件；3.粘滑驅(qū)動器A ;4.z向/橫向力測量應(yīng)變片組；5.彈性體；6._7向/軸向力測量應(yīng)變片組；7.壓頭桿及金剛石壓頭；8.被測試件；9.粘滑驅(qū)動器B ； 10.粘滑驅(qū)動器C。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0016]參見圖1至圖4所示，本發(fā)明的掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置，主要由基座、橫向力與軸向力測試傳感器、定位部分等組成，壓頭桿及金剛石壓頭7通過鎖緊螺釘安裝在橫向力與軸向力測試傳感器前端圓孔中，被測試件8通過導(dǎo)電膠帶粘貼在粘滑驅(qū)動器B9上。
[0017]所述的定位部分主要包括粘滑驅(qū)動器A3、粘滑驅(qū)動器B9和粘滑驅(qū)動器C10，并通過螺釘與基座I連接。
[0018]所述的橫向力與軸向力測試傳感器由彈性體5、^向/橫向力測量應(yīng)變片組4和_7向/軸向力測量應(yīng)變片組6組成，并通過連接件2與滑驅(qū)動器A3連接，其中彈性體5包含十字交叉布置的2個凹槽向/橫向力測量應(yīng)變片組4和_7向/軸向力測量應(yīng)變片組6分別對應(yīng)粘貼在2個凹槽薄弱環(huán)節(jié)，通過惠斯通電橋可以方便的將z向/橫向力測量應(yīng)變片組4和_7向/軸向力測量應(yīng)變片組6應(yīng)變信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準電壓信號輸出，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)采集與控制。
[0019]所述的粘滑驅(qū)動器A3、粘滑驅(qū)動器B9和粘滑驅(qū)動器ClO可選用德國SmarAct公司SLC-1730型定位平臺，運動行程達到21mm，每步位移為50~1500 nm，集成與安裝方便，用以實現(xiàn)被測試件8和橫向力與軸向力測試傳感器的定位或?qū)崿F(xiàn)劃痕過程中金剛石壓頭與被測試件之間的相對運動。
[0020]下面具體說明利用掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置進行原位測試的測試步驟，主要包括以下步驟:I)將被測試件8通過導(dǎo)電膠帶粘貼在粘滑驅(qū)動器B9上，之后將原位劃痕測試裝置通過螺釘安裝在掃描電子顯微鏡載物臺上，按照掃描電子顯微鏡操作流程打開掃描電子顯微鏡。
[0021]2)調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺旋轉(zhuǎn)功能，使得壓頭桿及金剛石壓頭7軸線與掃描電子顯微鏡電子束軸線成約15?20°角度，方便后續(xù)對壓頭與被測試件之間接觸區(qū)域進行動態(tài)觀察。
[0022]3)調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺使得金剛石壓頭處于視野中央，之后驅(qū)動粘滑驅(qū)動器A3，帶動橫向力與軸向力測試傳感器沿軸方向接近被測試件表面。調(diào)節(jié)過程中通過掃描電子顯微鏡對金剛石壓頭和被測試件表面之間的相對位置進行實時觀測，當(dāng)二者距離相對較小時選用粘滑驅(qū)動器A3精密運動模式，并觀測橫向力與軸向力測試傳感器中軸向力示數(shù)。當(dāng)軸向力示數(shù)達到設(shè)定值時停止粘滑驅(qū)動器A3，并調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺使得金剛石壓頭和被測試件表面之間接觸區(qū)域清晰。
[0023]4)驅(qū)動粘滑驅(qū)動器C10，帶動其上方安裝的被測試件8沿z軸進行劃痕運動。劃痕過程中，實時控制粘滑驅(qū)動器A3運動，保持軸向力恒定、或線性增加、或線性減小，并通過掃描電子顯微鏡對劃痕過程中試件表面和壓頭接觸區(qū)域變化進行動態(tài)觀測，與此同時通過橫向力與軸向力測試傳感器對橫向力和劃痕力進行同步測量，并經(jīng)由采集卡進行數(shù)據(jù)采集。
[0024]5) 一次劃痕測試結(jié)束后，控制粘滑驅(qū)動器A3運動，使得金剛石壓頭脫離試件表面，之后結(jié)合測試曲線和原位圖像進行劃痕過程中材料變形、損傷機理分析。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置，其特征在于:包括基座、橫向力與軸向力測試傳感器、定位部分，壓頭桿及金剛石壓頭(7)通過鎖緊螺釘安裝在橫向力與軸向力測試傳感器前端圓孔中，被測試件(8)通過導(dǎo)電膠帶粘貼在粘滑驅(qū)動器B (9)上；所述的定位部分包括粘滑驅(qū)動器A (3)、粘滑驅(qū)動器B (9)和粘滑驅(qū)動器C (10)，并分別通過螺釘與基座(1)連接；所述的橫向力與軸向力測試傳感器由彈性體(5)、^向/橫向力測量應(yīng)變片組(4 )和向/軸向力測量應(yīng)變片組(6 )組成，并通過連接件(2 )與滑驅(qū)動器A(3)連接，其中彈性體(5)包含十字交叉布置的2個凹槽，Z向/橫向力測量應(yīng)變片組、_f向/軸向力測量應(yīng)變片組(4、6)分別對應(yīng)粘貼在2個凹槽薄弱環(huán)節(jié)。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的掃描電子顯微鏡內(nèi)應(yīng)變檢測型原位劃痕測試裝置進行原位測試的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將被測試件(8)通過導(dǎo)電膠帶粘貼在粘滑驅(qū)動器B(9)上，之后將權(quán)利要求1中所述的原位劃痕測試裝置通過螺釘安裝在掃描電子顯微鏡載物臺上，按照掃描電子顯微鏡操作流程打開掃描電子顯微鏡； 2)調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺旋轉(zhuǎn)功能，使得壓頭桿及金剛石壓頭(7)軸線與掃描電子顯微鏡電子束軸線成15~20°角度，方便后續(xù)對壓頭與被測試件之間接觸區(qū)域進行動態(tài)觀察； 3)調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺使得金剛石壓頭處于視野中央，之后驅(qū)動粘滑驅(qū)動器A(3)，帶動權(quán)利要求1中所述的橫向力與軸向力測試傳感器沿軸方向接近被測試件表面；調(diào)節(jié)過程中通過掃描電子顯微鏡對金剛石壓頭和被測試件表面之間的相對位置進行實時觀測，當(dāng)二者距離相對較小時選用粘滑驅(qū)動器A (3)精密運動模式，并觀測橫向力與軸向力測試傳感器中軸向力示數(shù)；當(dāng)軸向力示數(shù)達到設(shè)定值時停止粘滑驅(qū)動器A (3)，并調(diào)節(jié)掃描電子顯微鏡載物臺使得金剛石壓頭和被測試件表面之間接觸區(qū)域清晰； 4)驅(qū)動粘滑驅(qū)動器C(10)，帶動其上方安裝的被測試件(8)沿z軸進行劃痕運動；劃痕過程中，實時控制粘滑驅(qū)動器A (3)運動，保持軸向力恒定、或線性增加、或線性減小，并通過掃描電子顯微鏡對劃痕過程中試件表面和壓頭接觸區(qū)域變化進行動態(tài)觀測，與此同時通過橫向力與軸向力測試傳感器對橫向力和劃痕力進行同步測量； 5)一次劃痕測試結(jié)束后，控制粘滑驅(qū)動器A (3)運動，使得金剛石壓頭脫離試件表面，之后結(jié)合測試曲線和原位圖像進行劃痕過程中材料變形、損傷機理分析。
【文檔編號】G01N3/40GK103913389SQ201410149078
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】黃虎, 趙宏偉, 劉彥超, 時月, 杜雨萌 申請人:吉林大學(xué)