一種在線檢測材料微納結構演化的sr-ct微力加載裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，包括X光源及光路、圖像采集及重建系統，X光源的光路上設有位移驅動系統；位移驅動系統包括設于最上部的微米位移平臺，微米位移平臺的下部設有導軌，導軌通過支撐桿支撐在底座上，底座固定在位移及旋轉平臺上；導軌上在所述微米位移平臺的下部設有壓電陶瓷驅動器，壓電陶瓷驅動器的下部設有上載物臺，底座上設有微力傳感器，微力傳感器上設有下載物臺，上載物臺和下載物臺上分別裝有上載物片和下載物片，上載物片和下載物片通過載物片夾具固定安裝，上載物片與下載物片之間設有樣品。能對材料實現微力加載，并實時原位觀測材料宏觀力學參量和微、納尺度下的特征結構演化SR-CT微力加載。
【專利說明】一種在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能對材料實現微力加載的裝置，尤其涉及一種在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置。

【背景技術】
[0002]在材料力學中，傳統的檢測及研究方法僅僅是做材料的宏觀力學性能測試。雖然這樣的方法能夠得到材料的力學性能數據，但是對于力學機理并不能給出很好的解釋。材料的破壞過程從本質上講，是從微觀到宏觀的跨尺度行為。發展多尺度材料力學分析方法，需要實時觀測材料微觀特征演化規律及其宏觀力學響應關系。隨著科學技術的發展，材料力學的研究范疇也從宏觀逐漸發展到細觀乃至微觀。但是目前細觀材料力學的研究以理論研究為主，而實驗性的研究方法和技術還比較少見。因此發展一種能夠在細微條件下研究材料力學行為的方法及技術十分必要。
[0003]在觀測技術上，同步輻射CT技術是一種新型的檢測技術。它克服了電鏡技術只能給出材料的表面信息的缺點，能夠實現對材料內部結構三維、無損、實時的觀測。因此設計一套SR-CT微力加載實驗平臺，能夠直接觀測宏觀力學參量和材料內部微結構演化相互影響過程。這可以使材料失效機制的研究能夠更加深入，進而為揭示材料深層次力學行為機理奠定基礎，是微/納尺度力學領域中的實驗分析平臺。目前還沒有一套這樣的檢測裝置，主要存在著以下的技術難點:
[0004]I)裝置結構及其尺寸與同步輻射實驗環境的匹配；2)如何保證裝置既有足夠的力加載極限來拉斷樣品，又有高精度力加載步長和高精度測量系統；3)如何實現微小樣品放置、夾持及精確對中；4)如何設計支撐桿，在滿足剛度足夠支撐該裝置的前提下盡可能的減少擋光的角度。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種結構簡單、精度高的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]本發明的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，包括X光源及光路、圖像采集及重建系統，所述X光源的光路上設有位移驅動系統；
[0008]所述位移驅動系統包括設于最上部的微米位移平臺，所述微米位移平臺的下部設有導軌，所述導軌通過支撐桿支撐在底座上，所述底座固定在位移及旋轉平臺上；
[0009]所述導軌上在所述微米位移平臺的下部設有壓電陶瓷驅動器，所述壓電陶瓷驅動器的下部設有上載物臺，所述底座上設有微力傳感器，所述微力傳感器上設有下載物臺，所述上載物臺和下載物臺上分別裝有上載物片和下載物片，所述上載物片和下載物片通過載物片夾具固定安裝，所述上載物片與下載物片之間設有樣品。
[0010]由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，能對材料實現微力加載，并實時原位觀測材料宏觀力學參量和微、納尺度下的特征結構演化SR-CT( “同步輻射CT”簡稱“SR-CT”)微力加載，可以應用于生物醫學材料、航空材料、納米材料等先進多相復合材料拉/壓載荷作用下其微觀特征演化過程的三維、無損、原位在線觀測及其宏觀力學響應分析，是微/納尺度力學領域中的實驗分析平臺。該裝置能夠在大型同步輻射實驗平臺和工業μ-CT平臺上進行工作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是基于本發明的SR-CT實驗分析系統示意圖；
[0012]圖2為本發明實施例中位移驅動系統的結構示意圖；
[0013]圖3a為本發明實施例中支撐桿的截面結構示意圖；
[0014]圖3b為本發明實施例中支撐桿的旋轉后的狀態示意圖；
[0015]圖4為本發明實施例中樣品被夾持狀態示意圖。
[0016]圖中:
[0017]1.微米位移平臺，2.壓電陶瓷驅動器，3.上載物臺，4.下載物臺，5.載物片夾具，
6.上載物片，7.下載物片，8.支撐桿，9.微力傳感器，10.底座，11.同步輻射X射線光束，12.位移驅動系統，13.位移及旋轉平臺，14.X-ray (XD，15.處理系統，16.樣品。

【具體實施方式】
[0018]下面將對本發明實施例作進一步地詳細描述。
[0019]本發明的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，其較佳的【具體實施方式】是:
[0020]包括X光源及光路、圖像采集及重建系統，所述X光源的光路上設有位移驅動系統；
[0021]所述位移驅動系統包括設于最上部的微米位移平臺，所述微米位移平臺的下部設有導軌，所述導軌通過支撐桿支撐在底座上，所述底座固定在位移及旋轉平臺上；
[0022]所述導軌上在所述微米位移平臺的下部設有壓電陶瓷驅動器，所述壓電陶瓷驅動器的下部設有上載物臺，所述底座上設有微力傳感器，所述微力傳感器上設有下載物臺，所述上載物臺和下載物臺上分別裝有上載物片和下載物片，所述上載物片和下載物片通過載物片夾具固定安裝，所述上載物片與下載物片之間設有樣品。
[0023]所述支撐桿的截面采用半圓弧結構。所述微米位移平臺設有微小步進電機。
[0024]所述圖像采集及重建系統包括X-ray CXD和處理系統。
[0025]具體實施例:
[0026]在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置包括六部分-X光源及光路、位移驅動系統、微力傳感器、樣品夾持系統、支撐桿、圖像采集及重建系統。本發明的改進主要在于位移驅動系統、樣品夾持系統、支撐桿設計三個方面。
[0027]第一部分:X光源及光路:
[0028]如圖1所示，X射線由X光源產生，并按照固定的光路傳播。
[0029]第二部分:位移驅動系統:
[0030]如圖2所示，位移驅動系統的主要包括以下部件:微米位移平臺1、壓電陶瓷驅動器2 ;各部件之間通過機械連接。
[0031]微米位移平臺I是對樣品施加微米位移量級的位移裝置。產生的最大輸出位移約30mm,位移分辨率0.1 μ m，最大驅動力20N。
[0032]壓電陶瓷驅動器2位于微米位移平臺的導軌之上，通過綁定于微米位移平臺導軌上對樣品施加納米位移量級的位移。產生的最大輸出位移約60 μ m，位移分辨率lnm，最大驅動力1000N。
[0033]位移驅動系統采取了雙驅動的方式，將微米位移平臺與壓電陶瓷驅動器結合起來。微米位移平臺采用微小步進電機驅動，用于粗調或者預緊，壓電陶瓷驅動器用于精確位移驅動。
[0034]第三部分:微力傳感器:
[0035]如圖2所示，微力傳感器9是測量樣品所受力載荷的大小的裝置。測力范圍為±20N，精度 0.15% ；
[0036]第四部分:樣品夾持系統:
[0037]如圖2所示，樣品夾持系統包括以下部件:載物臺3、4 ;載物片6、7 ;載物片夾具5 ；
[0038]載物片6、7是用于固定樣品端部的裝置。載物片上表面用于固定樣品，下表面通過螺絲安裝在載物臺上。
[0039]載物臺3、4是用于連接載物片和位移驅動系統、微力傳感器的裝置。
[0040]載物片夾具5用于固定兩塊載物片并保持其相對位置固定。帶有載物片夾具的載物片安裝到載物臺，能夠保持安裝過程中上、下載物片相對位置固定，避免樣品被破壞。安裝完成后拆卸載物片夾具。
[0041]第五部分:支撐桿:
[0042]如圖2所示，支撐桿8用于連接上面的位移驅動裝置和下面的底座。
[0043]如圖3所示支撐桿使用半圓弧設計，使其在應用于同步輻射CT實驗時，能夠在120度的旋轉角度上采集圖像。
[0044]第六部分:圖像采集及重建系統:
[0045]如圖1所示，圖像采集及重建系統包括X-ray (XD、處理系統。X_ray CXD可以接收從右側出射的同步輻射X射線并將其轉換為數字信號；處理系統可以重建出樣品材料內部的、三維的微結構形貌圖。
[0046]基于上述技術方案，本發明的機械總圖及基于該發明的SR-CT實驗分析系統如圖2和圖1所示。目前，基于該套測試平臺，已成功實現了碳纖維復合材料在拉伸力作用下，分辨率為0.19 μ m的同步輻射CT在線觀測。
[0047]本發明的優點和積極效果是:
[0048]提供一套研究跨尺度力學SR-CT微型拉/壓實驗裝置，它可有效克服傳統實驗觀測技術的缺點，實現在拉壓載荷作用下，對生物材料、航空材料、納米材料等先進材料的微、納尺度結構形貌演化及其宏觀力學響應進行三維、無損、原位在線的觀測和分析。本發明將為深入研究材料宏觀力學特性與微觀結構及其演化過程之間力學作用機制提供有力的技術支持。
[0049]具體實施的工作原理是:
[0050]如圖1所示，本發明具體實施時包含以下部分:X光源及光路、位移驅動系統、微力傳感器、樣品夾持系統、圖像采集及重建系統。各部分具體實施過程和實施例如下:
[0051]一、X光源及光路:
[0052]檢測過程中，X射線經過一系列光學元件后穿透樣品后從右側射出，然后由X-rayCCD接收成像。在具體實施過程中，X射線可有同步輻射光源和X射線機產生，其光束類型包括但不限于平行束和扇形束等；
[0053]二、位移驅動系統:
[0054]位移驅動系統的主要包括微米位移平臺、壓電陶瓷驅動器驅動兩部分。位移驅動系統一方面需要高精度的位移步長，另一方面微小樣品在放置于載物片時候，會存在彎曲情況時，如圖4所示，又或者當其他部件結合部位有空隙而不夠緊密而需要足夠的行程。因此，在驅動系統上采取了雙驅動的方式，即將微米位移平臺與壓電陶瓷驅動器結合起來。微米位移平臺采用微小步進電機驅動，用于粗調或者預緊，壓電陶瓷驅動器用于精確位移驅動。具體實施時，當需要對微小樣品產生施加力載荷時，先調節微米精密平臺，使樣品拉直或接合部位的空隙消失，然后再利用壓電陶瓷驅動器對樣品施加力載荷。
[0055]三、微力傳感器:
[0056]微力傳感器能夠實時和高精度的監控樣品所受力載荷的大小。具體實施時，安裝樣品需要實時監控樣品所受力載荷，防止樣品在安裝過程中受較大荷載而破損。樣品加載后，需要根據微力傳感器讀數調節位移驅動系統產生位移，使樣品所受載荷維持在恒定值。
[0057]四、樣品夾持系統:
[0058]樣品夾持系統包括載物臺、載物片、載物片夾具。載物臺、載物片。載物片夾具
[0059]具體實施時樣品的放置和對齊通過以下步驟完成:
[0060]①將載物片放入載物片框架中相應的位置，擰緊螺釘；
[0061]②將載物片框架放置在加熱臺上，加熱至130°C ；
[0062]③用鑷子將樣品放置在凹槽里，將石蠟涂抹在載物片的凹槽里；
[0063]④冷卻至室溫，石蠟固化；
[0064]經過以上步驟后，用螺釘將載物片固定于力加載裝置的載物臺上，接著松開載物片框架上的螺釘，取下框架。
[0065]五、圖像采集及重建系統:
[0066]圖像采集及重建系統由X-ray (XD、處理系統組成。具體實施過程中，穿透樣品后從右側射出的同步輻射光被X-ray CCD接收，并存儲于計算機硬盤上，然后利用處理系統得到各時刻的樣品材料的三維微結構形貌圖，從而實現對拉/壓載荷下材料的三維、無損、實時原位探測。
[0067]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，包括X光源及光路、圖像采集及重建系統，其特征在于，所述X光源的光路上設有位移驅動系統； 所述位移驅動系統包括設于最上部的微米位移平臺(I)，所述微米位移平臺(I)的下部設有導軌，所述導軌通過支撐桿(8)支撐在底座(10)上，所述底座固定在位移及旋轉平臺上； 所述導軌上在所述微米位移平臺(I)的下部設有壓電陶瓷驅動器(2)，所述壓電陶瓷驅動器(2)的下部設有上載物臺(3)，所述底座(10)上所述微米位移平臺(I)設有微力傳感器(9)，所述微力傳感器(9)上設有下載物臺(4)，所述上載物臺(3)和下載物臺(4)上分別裝有上載物片(6)和下載物片(7)，所述上載物片(6)和下載物片(7)通過載物片夾具(5)固定安裝，所述上載物片(6)與下載物片(7)之間設有樣品。
2.根據權利要求1所述的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，其特征在于，所述支撐桿(8)的截面采用半圓弧結構。
3.根據權利要求2所述的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，其特征在于，所述微米位移平臺(I)設有微小步進電機。
4.根據權利要求1、2或3所述的在線檢測材料微納結構演化的SR-CT微力加載裝置，其特征在于，所述圖像采集及重建系統包括X-ray CXD和處理系統。
【文檔編號】G01N3/08GK104330308SQ201410640378
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】許峰, 胡小方, 王羅斌, 方健 申請人:中國科學技術大學