申请/专利权人：天津大学

申请日：2018-02-11

公开（公告）日：2021-01-01

公开（公告）号：CN108444822B

主分类号：G01N3/08(20060101)

分类号：G01N3/08(20060101);G01N3/04(20060101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2024.02.20#未缴年费专利权终止;2019.11.15#实质审查的生效;2018.08.24#公开

摘要：一种薄膜扭转拉伸加载单元，包括基板、步进电机、传动部、加载转台、主夹片、以及辅助夹片，所述步进电机和传动部固定设置于所述基板上，所述步进电机输出的转动经过所述传动部载荷放大换向后带动所述加载转台转动；所述传动部由两套涡轮蜗杆组件构成以实现载荷放大，所述传动部的输出轴与所述加载转台之间设置有轴承组件以保证该输出轴与基板平行转动；所述加载转台表面开有用于容置并固定待测薄膜试样的凹槽，所述辅助夹片设置在所述主夹片与所述凹槽底部之间以增大待测薄膜试样的夹紧接触面；所述加载转台、主夹片、辅助夹片上均开有用于通过螺钉或螺栓将待测薄膜试样固定于所述加载转台上的螺孔。

主权项：1.一种薄膜扭转拉伸加载单元，包括基板、步进电机、传动部、加载转台、主夹片、以及辅助夹片，所述步进电机和传动部固定于所述基板上，所述步进电机输出的转动经所述传动部带动所述加载转台转动；所述传动部由两套涡轮蜗杆组件构成以实现载荷放大，所述传动部的输出轴与所述加载转台之间设置有轴承组件以保证该输出轴与基板平行转动；所述加载转台表面开有固定薄膜试样的凹槽，所述辅助夹片设置在所述主夹片与所述凹槽底部之间以增大待测薄膜试样的夹紧接触面；所述加载转台、主夹片、辅助夹片上均开有用于通过螺钉或螺栓将待测薄膜试样固定于所述加载转台上的螺孔。

全文数据：一种薄膜扭转拉伸加载单元技术领域[0001]本发明涉及薄膜材料力学性能测试领域，特别是软基薄膜的拉伸测试。背景技术[0002]软基薄膜材料逐渐成为了学者们研究的重点，现阶段大部分相关工作都是针对膜基结构的单向受载展开的，然而在服役过程中，膜基结构往往处于更为复杂的载荷环境，简单的单轴载荷已经无法模拟其真正的应力状态。一台好的能模拟各种复杂载荷环境的加载设备是拉伸实验的根本。[0003]现有装置将常规的单轴拉伸试验机改装成了双轴拉伸试验机。然而装置通过八个机械连杆连接，复杂的传动机构将对设备的载荷输出以及加载精度造成较大的影响，尽管可以实现双轴加载，然而设备尺寸巨大，在高度方向落差也很大，较难进行小范围的观测。尽管可以通过丝杠螺母传动实现拉伸以测量薄片材料的变形。但是加载设备只在一个方向上设有电机，这样加载过程就会受到机械损耗的影响，并且设备只能进行双轴等比加载。总之，现有的薄膜拉伸加载单元问题在于：[0004]直线拉伸导致设备的作业需要较大空间，以至于整套加载设备无法置于显微镜的载物台上，特别是在进行大幅拉伸时非常占用作业空间;拉伸力较小，难以实现对较厚薄膜或弹性模量较小薄膜的拉伸;机械结构复杂，较大机械能损耗从而影响设备精度;待测薄膜试样难于固定在加载转台表面，或者，固定在加载转台表面后由于转台夹片的高度凸出容易产生应力集中，影响薄膜的拉伸；如附图1所示，平面拉伸所采用的夹持装置导致较大的观测装置的物镜镜头无法接近薄膜进行超近距离观测，本发明旨在降低机械能损耗及便于镜头与薄膜超近距离观测。发明内容[0005]—种薄膜扭转拉伸加载单元，包括基板、步进电机、传动部、加载转台、主夹片、以及辅助夹片，所述步进电机和传动部固定设置于所述基板上，所述步进电机输出的转动经过所述传动部载荷放大换向后带动所述加载转台转动;所述传动部由两套涡轮蜗杆组件构成以实现载荷放大，所述传动部的输出轴与所述加载转台之间设置有轴承组件以保证该输出轴与基板平行转动;所述加载转台表面开有用于容置并固定待测薄膜试样的凹槽，所述辅助夹片设置在所述主夹片与所述凹槽底部之间以增大待测薄膜试样的夹紧接触面;所述加载转台、主夹片、辅助夹片上均开有用于通过螺钉或螺栓将待测薄膜试样固定于所述加载转台上的螺孔。附图说明[0006]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。[0007]图1为传统拉伸加载装置的示意图，其中可以看出显微镜物镜与待测薄膜试样之间存在一定距离，难以实现超近距离的观测；[0008]图2为四台本发明的拉伸加载单元首尾垂直相接围城的“口字形”空间的立体示意图；[0009]图3为本发明的拉伸加载单元的传动部3的结构示意图；[0010]图4为主夹片7和辅助夹片8将待测薄膜试样固定在加载转台4上的凹糟9时的位置关系示意图。[0011]在以上附图中的附图标记对应关系如下：[0012]1:基板;2:步进电机;3:传动部;3A:第一蜗杆;3B:第一涡轮;3C:第二蜗杆;3D:第二涡轮;3E:第二涡轮输出轴;4:加载转台；5:联轴器;6:轴承组件;7:主夹片;8:辅助夹片；9:凹槽。具体实施方式[0013]如图2中虚线框中所示，本发明提出了一种薄膜扭转拉伸加载单元，通过对待测薄膜试样的扭转实现平面拉伸，该拉伸加载单元包括基板1、步进电机2、传动部3、以及加载转台4,所述步进电机2和传动部3固定设置于所述基板1上，所述步进电机2输出的转动经过所述传动部3载荷放大后带动所述加载转台4转动，从而拉动固定于所述加载转台4上的薄膜向上向外翻转，以在水平方向实现对薄膜的拉伸加载。[0014]如图3所示，本发明的传动部3由两套涡轮蜗杆组件组成，即第一套涡轮蜗杆组件：与步进电机2的输出轴连接的蜗杆3A，及涡轮3B;以及第二套涡轮蜗杆组件：与涡轮3B的输出轴连接的蜗杆3C及涡轮3D;其中，蜗杆3C同时也是涡轮3B的输出轴，或者说，蜗杆3C与涡轮3B的输出轴连接，涡轮3D的输出轴3E直接带动加载转台4转动或者通过图1中的联轴器5带动加载转台4转动。为了保证加载转台4的位置固定且平衡，可以在加载转台4与涡轮3D之间设置轴承组件6,从而形成对带动加载转台4的转轴的支撑支承。[0015]在实际使用过程中，通常将至少两个本发明的拉伸加载单元配合使用，如图1所示，4个本发明的拉伸加载单元首尾垂直相接地设置在基板1上，形成了“口字型”空间，该空间用于容置待测薄膜试样。优选的，上述拉伸加载单元还设有用于控制所述步进电机2的控制模块未示出），所述控制模块中可写入程序，从而控制步进电机2的转速、行程参数，控制其转动。[0016]关于所述控制模块，采用北京微纳公司提供的WNMC400-400B型运动控制模块。其通过特定的编码方式，确保了步进电机2转动时的同步性与一致性。此运动控制模块为四维步进控制模块，可同时控制多台电机，并且四台电机均可单独控制，因此可以实现单轴拉伸，双轴拉伸，等比拉伸，双轴任意比例的不等比拉伸甚至单侧拉伸等各种工况。此控制模块可通过操作面板或者是计算机软件对转脉当量、运动速度、运动距离以及信号电平等参数进行设置，并且支持程序段运动，运动间隙停顿时间可自定，满足了薄膜材料拉伸实验中的逐步加载观测的需求。此外，配套软件中还有相应的函数库，方便进行各种运动控制程序的编制。[0017]步进电机2可采用28步进电机，输出扭矩为〇.1别•m，最小角度分辨率为〇.〇9°，传动部3的传动比为6〜20,其中，考虑到蜗轮蜗杆组件中涡轮或其输出轴与加载转台4之间存在一段距离，亦可采用联轴器5连传动部3的输出轴与加载转台4,通过联轴器5与加载转台4连接的优势还在于，便于根据待测薄膜试样的厚度及力学性能更换不同尺寸的加载转台4;但根据经验，越为复杂的传动机构可靠度越低，传动损耗就越大。一般而言，加载转台4为圆柱形或近似圆柱形的形状。[0018]为了解决难以将待测薄膜试样牢固固定在加载转台4上的问题，下面结合图4介绍本发明的另一个方面。尽管可以通过螺孔和螺栓螺钉的配合并结合夹片来将待测薄膜试样固定在加载转台4上，但这样容易在螺孔附近使薄膜产生应力集中，进而容易在拉伸过程中使得薄膜在孔周围产生破坏。在某种程度上，可以通过在螺孔处设置垫圈来解决这一问题，但如果加载力过大，依然有可能出现薄膜试件的滑脱问题。为此，本发明提出了以下方案：[0019]加载转台4与主夹片7的接触面设置为粗糙面，即加载转台4与待测薄膜试样的接触面为粗糙面或者主夹片7与待测薄膜试样的接触面为粗糙面;或者载转台4与主夹片7与待测薄膜试样的接触面均为粗糙面。优选的，如图4所示，所述加载转台4上设有用于容置主夹片7的凹槽9,在进行薄膜试样固定时，将薄膜试样的一边装入所述凹槽9中，然后在薄膜试样上表面覆盖主夹片7,并通过螺栓或螺钉使所述主夹片7紧固在加载转台4的凹槽9中，从而保证待测薄膜试样固定于所述加载转台4上。特别的，所述加载转台4上设置的用于容置主夹片7的凹槽9的深度能够保证装入待测薄膜试样、主夹片7、以及螺钉螺栓后，加载转台4上不出现凸出，g卩：保证装载固定完待测薄膜试样之后主夹片7及螺钉螺栓的高度均不超出加载转台的表面，保证加载转台4表面不出现凸出，以防止在凸出处可能产生应力集中。优选的所述主夹片7的厚度不超过所述凹槽9的深度，优选为凹槽9深度的97〜100%，其余0〜3%的空间用于设置粗糙防滑面和或用于装夹待测薄膜试样。[0020]更优选的，为了增加用于固定待测薄膜试样的表面积从而增加用于固定待测薄膜试样的摩擦力，如图4所示，可在主夹片7与凹槽9之间再设置一辅助夹片8,用于进一步夹紧待测薄膜试样。装夹时，待测薄膜试样的一边完全围绕包围辅助夹片8,使得处于最下方那部分试样由凹槽9的上表面和辅助夹片8的下表面夹紧，围绕包围辅助夹片8的上面那部分薄膜试样由辅助夹片8的上表面和主夹片7的下表面夹紧，并通过螺钉或螺栓将主夹片7和辅助夹片8固定于凹槽9中，其中主夹片7与辅助夹片8的厚度之和不超过所述凹槽9的深度，优选为凹槽9的深度的97%〜100%，所述螺钉或螺栓紧固后不高于凹槽9,即不在加载转台4表面形成凸出。优选地，所述加载转台4和主夹片7均由铁磁性金属制成，辅助夹片8由铁氧体或钕铁硼等磁性物质或经过磁化的铁磁性金属制成，所述辅助夹片8的两个表面均为粗糙表面。所述铁磁性金属为铁、钴、镍，或含有铁、钴、镍其中之一的能够与磁铁吸引的合金，以通过辅助夹片8与加载转台4和主夹片7之间的吸引力来将待测薄膜试样固定在加载转台4上，从而实现扭转拉伸。一般而言，所述主夹片7和辅助夹片8均为厚度均匀的夹片，所述加载转台4为圆柱形加载转台。[0021]优选地，所述辅助夹片8的两个表面均设有橡胶颗粒层或橡胶层，以增加辅助夹片8与待测薄膜试样之间的摩擦力，所述橡胶颗粒层或橡胶层通过喷涂或粘贴附着于所述辅助夹片8表面，所述橡胶颗粒层或橡胶层的厚度一般不超过2mm。[0022]此外，如图4所示，所述凹槽9沿加载转台4转轴方向的长度与加载转台4的长度相同，即凹槽9在转轴方向上贯穿整个加载转台4,以便于装夹待测薄膜试样。[0023]优选地，可在联轴器5外部的传动部3的输出轴即涡轮输出轴3E上预留长度为5〜10mm的空间，以在此处粘贴上两片呈45°角的应变片作为扭矩传感器，以测量转轴的扭矩，从而计算力载荷的大小。[0024]发明的有益效果在于，蜗轮蜗杆组件具有自锁功能，在单步拉伸加载后，步进电机2停转时，可以保证加载转台4不会在薄膜的拉力作用下反向转动，实现了零回弹，保证了加载的可靠性;两套蜗轮蜗杆组件具有载荷放大功能，放大了步进电机2的输出，保证了足够的动力;蜗轮蜗杆组件使待测薄膜位于较高的水平位置，给显微镜头的下探观察提供了便利;蜗轮蜗杆组件使处于设备边缘的加载轴向内移动，有效减小了夹持区以及试件的尺寸，提高了实验的可靠性以及经济性。同时，辅助夹片8的引入也解决的待测薄膜试样难以固定或容易破坏的问题。[0025]传统的平面夹持由于其结构简单，夹持可靠并且加工简易，被大多数研究者所应用于拉伸设备中。然而，在加载过程中，平面夹持往往通过平动对试件施加位移载荷，因此，要想获得较大的位移行程，设备的尺寸会进一步增大。前文提到，为了尽可能缩小拉伸设备的尺寸，本发明将平动拉伸机构设计为转动，因此，本发明也设计了转动加载转台4,通过转动加载，既能最大化位移载荷的输出，又省去了施加位移载荷所需的平动空间。[0026]观察测量系统为本设备的外部配套系统。本发明所提出的设备及其组合可以放置在Olympus共聚焦显微镜的载物台上，使用显微镜实时、原位观测薄膜表面形貌，同时下方和或上方放置摄像头，测量薄膜拉伸过程中的实时位移。共聚焦显微镜精度高，对焦迅速，可以轻松达到亚微米级别的观测;摄像头加DIC技术，可以非接触、高响应、实时、精确测量显微镜观察区域的薄膜应变。综上所述，本发明具有控制系统同步性好，输出载荷大，传动结构简单、紧凑，试件位于设备上方且尺寸小，夹持紧固，观测系统先进等优点。[0027]本发明的有益效果还包括:针对试样微观形貌的观测为原位观察;设定任意比例加载，控制系统调节电机转速可以得到任意加载比例;配合Olympus共聚焦显微镜。本装置体积小重量轻，可以放置在Olympus共聚焦显微镜的载物台上使用，而且试件表面距装置最高点仅有4mm，不会对显微镜镜头下探造成影响，完全适用于共聚焦显微镜;精确测量薄膜应变。对两幅照片进行数字图像相关计算，可以得到加载后试件的应变;设备行程大，输出载荷大。转动加载方式，设备行程只受到加载转台4限制，现有加载转台4限制行程为6cm，已经足够实验的需求。[0028]至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文己详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

权利要求：1.一种薄膜扭转拉伸加载单元，包括基板、步进电机、传动部、加载转台、主夹片、以及辅助夹片，所述步进电机和传动部固定于所述基板上，所述步进电机输出的转动经所述传动部带动所述加载转台转动；所述传动部由两套涡轮蜗杆组件构成以实现载荷放大，所述传动部的输出轴与所述加载转台之间设置有轴承组件以保证该输出轴与基板平行转动；所述加载转台表面开有固定薄膜试样的凹槽，所述辅助夹片设置在所述主夹片与所述凹槽底部之间以增大待测薄膜试样的夹紧接触面；所述加载转台、主夹片、辅助夹片上均开有用于通过螺钉或螺栓将待测薄膜试样固定于所述加载转台上的螺孔。2.如权利要求1所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述凹槽沿所述加载转台转轴方向的长度与加载转台沿该方向的长度相同。3.如权利要求1所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述加载转台和所述主夹片均由铁磁性材料制成，所述辅助夹片由铁氧体或钕铁硼或经过磁化的铁磁性金属材料制成，以在所述加载转台与所述主夹片之间提供磁性吸引力作为夹紧力。4.如权利要求1所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述辅助夹片的表面为粗糙面。5.如权利要求1至4中任一项所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述辅助夹片表面设有橡胶颗粒层或橡胶层以增大所述辅助夹片与待测薄膜试样之间的摩擦力。6.如权利要求1至4中任一项所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述主夹片与所述辅助夹片均为厚度均匀的夹片，所述主夹片与所述辅助夹片的厚度之和不超过所述凹槽的深度。7.如权利要求1至4中任一项所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述拉伸加载单元还设有用于控制所述步进电机的控制模块，所述控制模块中可写入程序，从而控制步进电机的转速和行程参数。8.如权利要求1至4中任一项所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述步进电机为28步进电机，输出扭矩为0.12N•m，最小角度分辨率为0.09°，传动部3的传动比为6〜20〇9.如权利要求1至4中任一项所述的薄膜扭转拉伸加载单元，其特征在于，所述传动部的输出轴上预留长度为5〜10mm的空间，用于粘贴两片呈45°角的应变片作为扭矩传感器以测量该输出轴的扭矩。10.—种薄膜扭转拉伸加载装置，由4个如权利要求1所述的薄膜扭转拉伸加载单元以相同高度首尾垂直相接地设置在基板上组成，形成用于装夹拉伸待测薄膜试样的“口字型”空间。

百度查询： 天津大学 一种薄膜扭转拉伸加载单元

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