微构件力学性能片外拉伸测试装置

　　0　引　言

　　微构件材料力学性能测试中,拉伸测试主要解决材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度的测量。与其他测试方法相比,拉伸测试更直接、准确,正 日益受到科研人员的重视。按测试装置与被测试件的集成程度可以分为片内测试和片外测试2种。片内测试是将驱动器、传感器、被测试样全部集成在一个样片上, 从而实现对微构件的力学参数的测量。这种方法避免了试样的夹持对中所带来的困难,但样片的设计加工是个很困难的问题。片外测试是利用MEMS工艺加工出微 小试件,用外部专门的设备对试件加载,并检测力和位移,从而得出所需的力学参数。这种方法可以充分利用现有的已经商品化的驱动器、传感器等装置,简单易 行,但必须解决好试样的夹持和对中问题。在片外测试中,试验装置是试验顺利实施的基础。同时,试验装置的精度和可靠性等因素决定了测量数据是否准确、可 信。

　　Read D T的试验装置[1]利用压电驱动力作为拉伸力,利用一个与轴向拉伸垂直的弹性梁作为测力传感器实现了片外测量。但这种装置的结构比较复杂,同时,连接在力 传感器梁上的动载物台会引起力传感器梁的偏斜。Mazza E和Dual J设计的装置[2]采用电子天平来测量施加在试件上的拉伸力能够达到很高的精度,但由于将载物台垂直放置,不便于试样的安装和观测;其装置中位移检测是直 接通过压电陶瓷控制器的反馈来实现的,由于受压电陶瓷的蠕变和迟滞特性的影响,测量结果肯定会存在偏差。Ruud JA等人的装置[3]采用了激光干涉的方法来测量试样的拉伸位移,但在施加拉伸力的过程中存在摩擦力,影响了力的测量精度。

　　本文从拉伸试验的角度出发,研制并搭建了微构件力学性能片外测试试验装置。采用压电陶瓷制动器、高精度的测微力传感器和测微位移传感器、高分辨 力图像监控等技术,实现对微构件静态和动态力学性能测量的控制,并对测量误差的来源进行分析。五维微定位台配合试件的装夹,使得结构更加简单,便于试件装 夹,能够提供高精度的测量结果。因此,避免了以上几种试验装置中分别存在的问题

　　1　工作原理

　　微试样片外拉伸测试装置不同于宏观拉伸测试机。由于被拉伸试样尺寸在微米量级,试样的驱动位移在μm甚至nm量级,拉伸力在mN量级,这就要求 位移与力检测精度非常高。另外,一个突出的问题是试样的夹持与对中成为一个难点,因此,必须要有一个适当的夹持装置来装夹试件。这个夹持装置要既能保证试 件在被拉伸时的轴向对中,也要保证试件在被拉伸时2个被夹持的端部在一个水平面内。试件被拉断所需要的驱动力由压电陶瓷致动器来提供,根据压电陶瓷的伸长 位移量即可知道压电陶瓷制动器提供的输出力有多大。