基本信息
- 项目名称：
- 微纳米级原位压痕/刻划测试技术与系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本发明为纳米压痕/划痕测试装置，属超精密测试仪器范畴，其基本理论为Oliver-Pharr理论，主要组成部分包括具有X、Y轴精密定位的载物台、Z轴方向的粗调整机构和精密压入驱动单元、力和位移信号的精密检测单元以及用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统，属于光机电一体化产品，精密驱动与检测技术是本系统的核心技术，主要适用于极端制造技术、钢铁冶金、微电子技术、生物医学工程、汽车飞机制造业、纳米工程等高技术产业与领域，可以对这些行业领域中所涉及精密元件的力学性能和使役性能进行测定和评价，并对材料的变形、损伤机理进行研究，本发明具有重要的理论意义和产业化应用价值，且具有完全的自主知识产权。
- 详细介绍：
- 作品设计和发明的目的在于通过研制原位纳米压痕/刻划测试装置，对材料进行压痕/划痕试验，得到加载与卸载过程中金刚石工具头施加给试件的载荷与压入深度间的关系曲线，通过有关算法，得到材料的力学性能参数（包括弹性模量、接触刚度、硬度等），整个测试过程中通过高分辨率显微成像装置在线观测材料的动态变形损伤行为，分析其变形与损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律，对试件材料的力学性能、可用性、使用寿命及其可靠性作出评价。测试装置主要包括X、Y轴精密驱动定位的载物台、Z轴粗调整机构和精密压入驱动单元、力和位移信号的精密检测单元以及用于观测和存储力学测试过程中材料变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统等部分，属于光机电一体化产品。测试装置采用压电精密驱动装置配合经过结构优化的柔性铰链实现金刚石压头（或称金刚石工具头，下同）的Z向精密驱动，选取高性能载荷力传感器和激光位移传感器实现对压入力信号和位移信号的精密检测，通过A/D数据采集卡实现数据的采集、处理。目前该装置已成功实现原位纳米压痕测试功能，经过后期的完善将实现原位纳米刻划测试功能和微纳米级原位金刚石刻划加工功能。测试装置主要应用于军工、制造业、飞机汽车行业、精密光学、纳米技术、半导体与微机电行业、仿生材料和医用材料、生物医学、材料工程业、钢铁冶金等领域，对这些领域内的元器件的使用寿命、使用性能、稳定性、可靠性作出评价，并且随着纳米压痕/划痕测试技术的进一步发展和上述产业对材料的更高要求，其作用和产业价值将越来越明显。由于是新兴的前沿技术，市场前景十分看好。研制的新产品将具有我国自主知识产权，并可望远销国外。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：制造出能够对元件力学性能、稳定性、使用寿命和可靠性进行评价的纳米压痕/划痕测试装置，进而揭示材料微观力学性能、力学行为和损伤机制。 基本思路：结合国内外最新研究进展和现存问题，从实现较大尺寸三维试件原位纳米压痕/刻划测试的原理与功能出发，对测试平台的精密驱动单元、检测控制单元、显微成像单元等组成部分进行整体分析研究，构建满足要求的整体方案，在理论上对系统各组成单元的参数进行优化匹配设计，制造出原位纳米压痕/划痕测试样机。利用样机，结合Oliver-Pharr相关理论对材料进行压痕试验，得到载荷与压入深度之间的关系曲线通过有关算法，得到材料的力学性能参数，如弹性模量、接触刚度、硬度等。 创新点：①提出较大尺寸三维试件原位纳米压痕/刻划测试的新技术；②在我国率先开展原位纳米压痕/刻划测试的应用基础研究；③提出原位纳米力学测试中精密驱动技术及其控制技术。 技术关键：精密驱动与检测技术。精密驱动元件的选择、优化设计与协同控制问题、力和位移信号的同步采集以及闭环控制问题。 主要技术指标：被测试件最大尺寸达到35mm×35mm×8mm（或Φ35×8mm）、压入位移分辨率达到10nm、刻划位移分辨率0.1µm、刻划力和压入力分辨率达到0.1mN、可承载试件重量达到100g、最大压入力达到2N。
科学性、先进性
- ①、通过压电驱动装置为原位纳米力学测试提供精密驱动动力源和预加载荷，以保证测试系统的高精度、大行程特性，使具有确定尖端形式的金刚石工具头对被测材料进行纳米压痕/刻划测试，利用内嵌的检测单元结合有关理论算法测定材料硬度、弹性模量和刻划抗力等力学性能参数；测试中由于采用不存在工作空间限制的独立的显微成像组件对材料的变形损伤状况进行高分辨率的动态监测，可实现较大尺寸三维试件的原位纳米力学测试，可避免由于尺度效应等因素带来的测试误差。②、测试平台具有完备的“精密驱动、加载、信号检测、纳米压痕/刻划测试和高分辨率原位观察”等功能，因此可监测分析试件材料在不同载荷条件下的变形损伤状况，并据此研究材料的变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律。
获奖情况及鉴定结果
- 测试装置于2008年1月25日，委托长春嘉实机电技术有限公司在吉林省计量产、商品监督检验站依据ISO 14577-2002国际标准进行了委托检验，主要针对核心驱动单元的运动分辨率等6项关键技术指标进行了检测测定，检验结果为合格（见附件：检验报告）。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无偿转让
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：测试装置属超精密测量仪器，测试时必须采取防尘、隔振、降噪、恒温措施；测试前须调整位移传感器使其处于最佳的测试区域；试件固定要牢靠，尽量与压头所在轴线垂直；测试中要注意压头的保护。 技术特点和优势：1、装置具有很高的加载分辨率和高精密检测技术，可以实现原位纳米压痕/刻划测试。 2、测试装置集压电学、材料学、接触力学、测试技术及理论、现代控制理论等多学科领域先进技术于一体，具有很高的学术价值。3、应用范围广泛，在很多领域都有应用。4、具有我国自主知识产权。 适应范围：主要包括军工、制造业、飞机汽车行业、精密光学、纳米技术、半导体与微机电行业、仿生材料和医用材料、生物医学、材料工程业、钢铁冶金等领域，对这些领域的元器件的使用寿命、性能、稳定性、可靠性作出评价。 随着纳米压痕/划痕测试技术的进一步发展和上述产业对材料的更高要求，其作用和产业价值将越来越明显。由于是新兴的前沿技术，竞争对手只有国外的一家企业，市场前景十分看好。研制的新产品将具有我国自主知识产权，并可远销国外。
同类课题研究水平概述
- 原位纳米力学测试是集精密检测、精密驱动、非原位纳米压痕/刻划测试技术、原位纳米压痕/刻划测试技术于一体在最近几年才发展起来的，一经提出即受到各国政府和科研机构的高度重视，美国LLNL和LBNL的M.A.Wall等人率先研制了一种通过齿轮马达和压电元件实现精密驱动的原位纳米压痕装置；加州大学伯克利分校（UC Berkeley）和LBNL的A.M.Minor等人通过压电直动式驱动装置推动掺杂的金刚石工具头也在TEM原位监测下开展了铝薄膜的纳米压痕测试；美国MIT的S.Suresh、Northwestern大学H.D.Espinosa和我国北京工大的张泽院士等人还研制了基于MEMS工艺的专用测试装置，分别对极微小的人体细胞、纳米线和纳米管等开展了原位纳米力学测试，取得了一些标志性研究成果。但是上述测试装置都存在着不足：LLNL和LBNL的M.A.Wall等人开发的装置由于不能检测加载力导致无法测试材料力学参数，不能研究载荷作用对材料变形损伤的影响规律；A.M.Minor等的装置通过施加在压电元件上的电压与其变形量关系经换算得到加载力，造成测试复杂、离线操作环节过多，还存在加载力换算的模型误差和参数误差，影响了测试结果在量值上的可信性；基于MEMS工艺的测试装置存在专门用途的限制。由于这些不足，使得上述装置无法对特征尺寸毫米级以上的三维试件开展测试，为了进行测试还必须通过“掩膜、腐蚀、沉积”等工艺制作结构极微小的专门试件，准备工作复杂繁琐。另外，由于试件尺寸极为微小，其固定方式、边界条件及其与金刚石工具头间尺寸效应等对测试结果影响十分显著，因此利用该测试结果去评价衡量较大尺寸三维试件的综合力学性能缺乏可信性。 针对三维试件的原位纳米力学测试研究，目前仅见于瑞士联邦理工学院J. Michler和R. Rabe、日本东北大学W.Gao和作品制作者所在项目组等开展的部分工作。J. Michler等人研制了一种原位纳米刻划测试装置，由于其采用粘滑式压电驱动机构作为驱动动力源，受粘滑式压电驱动机理的制约工作中存在无法克服的后冲现象（幅度达30-100nm），且在每个运动周期内核心驱动单元都会产生微幅振动，驱动装置的定位误差还导致加载力存在很大误差和不可控性，严重影响了测试精度和可靠性。
