原位纳米压痕/划痕测试仪器的设计与试验研究

发布时间：2024-04-01 21:48

　　随着微纳米技术的快速发展,微纳米尺度下材料的力学性能测试研究受到更多的关注。在各类材料测试方法中,压痕/划痕测试技术因其方法简单、样品制备容易、精度高、可获取丰富材料性能信息等优点,受到国内外学术界广泛关注。近几年,随着科学技术的发展特别是对材料性能测试水平的要求不断提高,原位(In situ)纳米压痕测试技术应运而生。目前,国外已有商业化的原位微纳米压痕/划痕仪器产品,但一方面进口仪器周期长、价格贵,且核心技术对我国禁运,同时因仪器结构功能限制导致商业化仪器难以实现功能扩展。针对这类问题,本文在开展了原位纳米压痕/划痕测试技术研究的基础上,设计提出了一种原位纳米压痕/划痕测试平台,实现对材料的压痕/划痕性能测试,不仅可测定压痕过程的载荷-压深曲线,还可实现对划痕过程中法向力与切向力的实时测量。该平台设计集成了精密划痕驱动单元和大行程划痕运动组件以实现划痕测试中的驱动加载,以压电致动器作为压痕测试的精密驱动加载单元,通过精密三轴力传感器检测压痕过程中的压入力和划痕过程的刻划力。论文在综述分析了原位纳米压痕/划痕测试技术的国内外研究现状的基础上,对现有的压痕和划痕测试基本理论与数据分析方...

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【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 原位纳米压痕/划痕测试仪器的研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 原位纳米压痕/划痕测试典型应用的研究进展
        1.3.1 原位压痕测试
        1.3.2 原位划痕测试
    1.4 本文主要研究内容
第2章 原位纳米压痕/划痕测试技术基础理论
    2.1 压痕测试的基本理论
    2.2 划痕测试的基本理论
    2.3 压痕/划痕测试压头类型和选取
        2.3.1 玻氏压头
        2.3.2 立方角压头
        2.3.3 维氏压头
        2.3.4 圆锥压头
    2.4 压痕/划痕测试的影响因素分析
        2.4.1 测试仪器的影响
        2.4.2 试样表面的影响
        2.4.3 测试环境的影响
        2.4.4 压入位置的影响
    2.5 本章小结
第3章 原位纳米压痕/划痕测试装置设计分析
    3.1 原位纳米压痕/划痕测试装置概述
    3.2 测试装置样机的工作原理
    3.3 原位压痕测试模块
        3.3.1 精密驱动与位移信号检测单元
        3.3.2 精密载荷信号检测单元
    3.4 原位划痕测试模块
        3.4.1 精密载荷信号检测单元
        3.4.2 大行程划痕运动组件设计及有限元分析
        3.4.3 精密划痕单元设计及有限元分析
        3.4.4 划痕测试模块性能测试
    3.5 原位纳米压痕/划痕测试控制系统
    3.6 整机模态分析
    3.7 本章小结
第4章 原位纳米压痕测试装置性能测试与校准
    4.1 测试装置基础结构
    4.2 载荷力传感器与位移传感器的标定校准
        4.2.1 载荷力传感器标定校准
        4.2.2 位移传感器标定校准
    4.3 测试装置压痕性能测试分析
        4.3.1 电机宏动调整单元测试
        4.3.2 闭环控制特性测试
    4.4 测试装置修正校准
        4.4.1 测试误差分析
        4.4.2 机架柔度测定分析
    4.5 校准前后压痕曲线的比对分析
        4.5.1 校准前后比对分析
        4.5.2 与标准样品压痕曲线的比对
        4.5.3 测试装置压痕曲线重复性测试分析
    4.6 本章小结
第5章 原位纳米压痕/划痕测试试验
    5.1 典型材料的原位压痕试验
        5.1.1 单晶硅压痕试验研究
        5.1.2 单晶铜压痕试验研究
    5.2 原位划痕试验研究
        5.2.1 单晶硅划痕试验研究
        5.2.2 单晶铜划痕试验研究
    5.3 试验误差分析
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
作者简介及攻读硕士学位期间的主要科研成果
致谢



本文编号：3945358