題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 微納米級(jí)原位壓痕/刻劃測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本發(fā)明為納米壓痕/劃痕測(cè)試裝置，屬超精密測(cè)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(tái)、Z軸方向的粗調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、力和位移信號(hào)的精密檢測(cè)單元以及用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過(guò)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(jī)電一體化產(chǎn)品，精密驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)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(xué)工程、汽車(chē)飛機(jī)制造業(yè)、納米工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)與領(lǐng)域，可以對(duì)這些行業(yè)領(lǐng)域中所涉及精密元件的力學(xué)性能和使役性能進(jìn)行測(cè)定和評(píng)價(jià)，并對(duì)材料的變形、損傷機(jī)理進(jìn)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(jià)值，且具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
- 詳細(xì)介紹：
- 作品設(shè)計(jì)和發(fā)明的目的在于通過(guò)研制原位納米壓痕/刻劃測(cè)試裝置，對(duì)材料進(jìn)行壓痕/劃痕試驗(yàn)，得到加載與卸載過(guò)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(guò)有關(guān)算法，得到材料的力學(xué)性能參數(shù)（包括彈性模量、接觸剛度、硬度等），整個(gè)測(cè)試過(guò)程中通過(guò)高分辨率顯微成像裝置在線觀測(cè)材料的動(dòng)態(tài)變形損傷行為，分析其變形與損傷機(jī)制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律，對(duì)試件材料的力學(xué)性能、可用性、使用壽命及其可靠性作出評(píng)價(jià)。測(cè)試裝置主要包括X、Y軸精密驅(qū)動(dòng)定位的載物臺(tái)、Z軸粗調(diào)整機(jī)構(gòu)和精密壓入驅(qū)動(dòng)單元、力和位移信號(hào)的精密檢測(cè)單元以及用于觀測(cè)和存儲(chǔ)力學(xué)測(cè)試過(guò)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(jī)電一體化產(chǎn)品。測(cè)試裝置采用壓電精密驅(qū)動(dòng)裝置配合經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)金剛石壓頭（或稱(chēng)金剛石工具頭，下同）的Z向精密驅(qū)動(dòng)，選取高性能載荷力傳感器和激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓入力信號(hào)和位移信號(hào)的精密檢測(cè)，通過(guò)A/D數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理。目前該裝置已成功實(shí)現(xiàn)原位納米壓痕測(cè)試功能，經(jīng)過(guò)后期的完善將實(shí)現(xiàn)原位納米刻劃測(cè)試功能和微納米級(jí)原位金剛石刻劃加工功能。測(cè)試裝置主要應(yīng)用于軍工、制造業(yè)、飛機(jī)汽車(chē)行業(yè)、精密光學(xué)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體與微機(jī)電行業(yè)、仿生材料和醫(yī)用材料、生物醫(yī)學(xué)、材料工程業(yè)、鋼鐵冶金等領(lǐng)域，對(duì)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(píng)價(jià)，并且隨著納米壓痕/劃痕測(cè)試技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和上述產(chǎn)業(yè)對(duì)材料的更高要求，其作用和產(chǎn)業(yè)價(jià)值將越來(lái)越明顯。由于是新興的前沿技術(shù)，市場(chǎng)前景十分看好。研制的新產(chǎn)品將具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并可望遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)外。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的：制造出能夠?qū)υW(xué)性能、穩(wěn)定性、使用壽命和可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的納米壓痕/劃痕測(cè)試裝置，進(jìn)而揭示材料微觀力學(xué)性能、力學(xué)行為和損傷機(jī)制。 基本思路：結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展和現(xiàn)存問(wèn)題，從實(shí)現(xiàn)較大尺寸三維試件原位納米壓痕/刻劃測(cè)試的原理與功能出發(fā)，對(duì)測(cè)試平臺(tái)的精密驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)控制單元、顯微成像單元等組成部分進(jìn)行整體分析研究，構(gòu)建滿足要求的整體方案，在理論上對(duì)系統(tǒng)各組成單元的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，制造出原位納米壓痕/劃痕測(cè)試樣機(jī)。利用樣機(jī)，結(jié)合Oliver-Pharr相關(guān)理論對(duì)材料進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到載荷與壓入深度之間的關(guān)系曲線通過(guò)有關(guān)算法，得到材料的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量、接觸剛度、硬度等。 創(chuàng)新點(diǎn)：①提出較大尺寸三維試件原位納米壓痕/刻劃測(cè)試的新技術(shù)；②在我國(guó)率先開(kāi)展原位納米壓痕/刻劃測(cè)試的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；③提出原位納米力學(xué)測(cè)試中精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其控制技術(shù)。 技術(shù)關(guān)鍵：精密驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)技術(shù)。精密驅(qū)動(dòng)元件的選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)與協(xié)同控制問(wèn)題、力和位移信號(hào)的同步采集以及閉環(huán)控制問(wèn)題。 主要技術(shù)指標(biāo)：被測(cè)試件最大尺寸達(dá)到35mm×35mm×8mm（或Φ35×8mm）、壓入位移分辨率達(dá)到10nm、刻劃位移分辨率0.1μm、刻劃力和壓入力分辨率達(dá)到0.1mN、可承載試件重量達(dá)到100g、最大壓入力達(dá)到2N。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ①、通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)裝置為原位納米力學(xué)測(cè)試提供精密驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源和預(yù)加載荷，以保證測(cè)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(duì)被測(cè)材料進(jìn)行納米壓痕/刻劃測(cè)試，利用內(nèi)嵌的檢測(cè)單元結(jié)合有關(guān)理論算法測(cè)定材料硬度、彈性模量和刻劃抗力等力學(xué)性能參數(shù)；測(cè)試中由于采用不存在工作空間限制的獨(dú)立的顯微成像組件對(duì)材料的變形損傷狀況進(jìn)行高分辨率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)較大尺寸三維試件的原位納米力學(xué)測(cè)試，可避免由于尺度效應(yīng)等因素帶來(lái)的測(cè)試誤差。②、測(cè)試平臺(tái)具有完備的“精密驅(qū)動(dòng)、加載、信號(hào)檢測(cè)、納米壓痕/刻劃測(cè)試和高分辨率原位觀察”等功能，因此可監(jiān)測(cè)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(jī)制及其與載荷作用和材料性能間的相關(guān)性規(guī)律。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 測(cè)試裝置于2008年1月25日，委托長(zhǎng)春嘉實(shí)機(jī)電技術(shù)有限公司在吉林省計(jì)量產(chǎn)、商品監(jiān)督檢驗(yàn)站依據(jù)ISO 14577-2002國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了委托檢驗(yàn)，主要針對(duì)核心驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)分辨率等6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)測(cè)定，檢驗(yàn)結(jié)果為合格（見(jiàn)附件：檢驗(yàn)報(bào)告）。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：測(cè)試裝置屬超精密測(cè)量?jī)x器，測(cè)試時(shí)必須采取防塵、隔振、降噪、恒溫措施；測(cè)試前須調(diào)整位移傳感器使其處于最佳的測(cè)試區(qū)域；試件固定要牢靠，盡量與壓頭所在軸線垂直；測(cè)試中要注意壓頭的保護(hù)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1、裝置具有很高的加載分辨率和高精密檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)原位納米壓痕/刻劃測(cè)試。 2、測(cè)試裝置集壓電學(xué)、材料學(xué)、接觸力學(xué)、測(cè)試技術(shù)及理論、現(xiàn)代控制理論等多學(xué)科領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)于一體，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 適應(yīng)范圍：主要包括軍工、制造業(yè)、飛機(jī)汽車(chē)行業(yè)、精密光學(xué)、納米技術(shù)、半導(dǎo)體與微機(jī)電行業(yè)、仿生材料和醫(yī)用材料、生物醫(yī)學(xué)、材料工程業(yè)、鋼鐵冶金等領(lǐng)域，對(duì)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(píng)價(jià)。 隨著納米壓痕/劃痕測(cè)試技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和上述產(chǎn)業(yè)對(duì)材料的更高要求，其作用和產(chǎn)業(yè)價(jià)值將越來(lái)越明顯。由于是新興的前沿技術(shù)，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手只有國(guó)外的一家企業(yè)，市場(chǎng)前景十分看好。研制的新產(chǎn)品將具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并可遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)外。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 原位納米力學(xué)測(cè)試是集精密檢測(cè)、精密驅(qū)動(dòng)、非原位納米壓痕/刻劃測(cè)試技術(shù)、原位納米壓痕/刻劃測(cè)試技術(shù)于一體在最近幾年才發(fā)展起來(lái)的，一經(jīng)提出即受到各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)的高度重視，美國(guó)LLNL和LBNL的M.A.Wall等人率先研制了一種通過(guò)齒輪馬達(dá)和壓電元件實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)的原位納米壓痕裝置；加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）和LBNL的A.M.Minor等人通過(guò)壓電直動(dòng)式驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)摻雜的金剛石工具頭也在TEM原位監(jiān)測(cè)下開(kāi)展了鋁薄膜的納米壓痕測(cè)試；美國(guó)MIT的S.Suresh、Northwestern大學(xué)H.D.Espinosa和我國(guó)北京工大的張澤院士等人還研制了基于MEMS工藝的專(zhuān)用測(cè)試裝置，分別對(duì)極微小的人體細(xì)胞、納米線和納米管等開(kāi)展了原位納米力學(xué)測(cè)試，取得了一些標(biāo)志性研究成果。但是上述測(cè)試裝置都存在著不足：LLNL和LBNL的M.A.Wall等人開(kāi)發(fā)的裝置由于不能檢測(cè)加載力導(dǎo)致無(wú)法測(cè)試材料力學(xué)參數(shù)，不能研究載荷作用對(duì)材料變形損傷的影響規(guī)律；A.M.Minor等的裝置通過(guò)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(cè)試復(fù)雜、離線操作環(huán)節(jié)過(guò)多，還存在加載力換算的模型誤差和參數(shù)誤差，影響了測(cè)試結(jié)果在量值上的可信性；基于MEMS工藝的測(cè)試裝置存在專(zhuān)門(mén)用途的限制。由于這些不足，使得上述裝置無(wú)法對(duì)特征尺寸毫米級(jí)以上的三維試件開(kāi)展測(cè)試，為了進(jìn)行測(cè)試還必須通過(guò)“掩膜、腐蝕、沉積”等工藝制作結(jié)構(gòu)極微小的專(zhuān)門(mén)試件，準(zhǔn)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(duì)測(cè)試結(jié)果影響十分顯著，因此利用該測(cè)試結(jié)果去評(píng)價(jià)衡量較大尺寸三維試件的綜合力學(xué)性能缺乏可信性。 針對(duì)三維試件的原位納米力學(xué)測(cè)試研究，目前僅見(jiàn)于瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院J. Michler和R. Rabe、日本東北大學(xué)W.Gao和作品制作者所在項(xiàng)目組等開(kāi)展的部分工作。J. Michler等人研制了一種原位納米刻劃測(cè)試裝置，由于其采用粘滑式壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，受粘滑式壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)理的制約工作中存在無(wú)法克服的后沖現(xiàn)象（幅度達(dá)30-100nm），且在每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)核心驅(qū)動(dòng)單元都會(huì)產(chǎn)生微幅振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(yán)重影響了測(cè)試精度和可靠性。
