本發(fā)明專利技術公開了一種可用于原子力顯微鏡的薄膜材料微撓曲加載裝置及方法。該加載裝置包括螺旋式加載軸、制動裝置、裝夾裝置、加載桿、錐形加載頭和基座，其中：加載桿與螺旋式加載軸軸連接；錐形加載頭固定在加載桿頂端；制動裝置對螺旋式加載軸進行制動；裝夾裝置將螺旋式加載軸固定在基座上。通過手動控制螺旋式加載軸的旋轉運動，推動加載桿和錐形加載頭產生水平位移，經錐形加載頭與薄膜材料試件的接觸作用，使得試件末端產生豎直方向的變形。該微撓曲加載裝置與原子力顯微鏡聯(lián)合使用，實現(xiàn)對于材料在承受撓曲變形時的微納米尺度力、電、磁性質及微觀結構的觀測。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及一種在原子力顯微鏡下對薄膜材料進行撓曲變形加載的微小裝置，用于研究薄膜材料的力學、電學、磁學等物理性質受基底機械變形的影響，屬于功能材料“力學-電學-磁學-顯微結構”相關性測量領域。
技術介紹
原子力顯微鏡是對材料微納米尺度形貌進行觀測的有效手段。近些年，在其基礎上發(fā)展起來的壓電模塊和磁場模塊，是對鐵電/壓電材料、鐵磁材料、半導體材料等，尤其是薄膜材料，進行微納米尺度力學、電學和磁性性質測試表征的得力工具。隨著納米材料制備技術和測試技術的發(fā)展，人們逐漸認識到材料在微納米尺度下物理性質往往與宏觀體材料的物理性質存在顯著的差異，例如鐵電材料的介電常數(shù)、自發(fā)極化、電滯回線、矯頑場、飽和極化強度等都存在明顯的尺寸效應。學術上，人們嘗試從撓曲電效應(介電材料中應變梯度引起極化強度的現(xiàn)象)、曲率相關效應等方面的理論對此進行解釋，但至今這種微納米尺度下的力電磁耦合效應的反常現(xiàn)象，仍未得到足夠深刻的認識，其物理規(guī)律還有待從微觀機理上進行進一步的探索；應用上，器件工程師們希望知道其所應用的薄膜功能材料，在基地發(fā)生撓曲變形時，是否仍然可以正常工作，器件服役過程中相關材料性質受撓曲變形影響的規(guī)律是什么。盡管美國Asylum Research公司最近已經開發(fā)出可置于原子力顯微鏡下的手動原位拉伸裝置(NanoRack Sample Stretching Stage),但目前尚無能夠直接進行原子力顯微鏡下的微彎曲加載的裝置。究其原因，主要有三條第一，原子力顯微鏡中探針與載物臺之間的豎直空間很小，一般要求試樣的高度小于2cm，因此在不改變儀器空間設計的前提下，很難開發(fā)出一種機械加載裝置，既能滿足豎直方向的空間限制，又能對材料進行豎直方向的彎曲加載；第二，目前，常見鐵電/壓電、鐵磁，及磁電復合薄膜試件的尺寸特征范圍為厚度一般為數(shù)十至數(shù)百納米，娃基底厚度約O. 5mm,試件長度l(T20mm,試件寬度約5_ ;以這類體系為例，經力學理論計算和物理分析可得，一般需要加載的試件撓曲范圍在(Tlmm之間，才能較為系統(tǒng)地研究基底機械彎曲對于這類薄膜材料力學、電學、磁學和顯微結構的影響規(guī)律，而微機電系統(tǒng)常用的壓電驅動加載單元雖然具備體積小的優(yōu)點，但很難達到如此大的加載量程；第三，原子力顯微鏡的測試精度對于外界環(huán)境的機械振動噪聲和電磁噪聲干擾敏感，因此存在明顯噪聲的電機驅動加載或電磁式驅動加載方式也不能滿足要求。因此，如何在不對價格昂貴的精密儀器本身進行改造的前提下，合理利用其空間特點，進行滿足量程和精度需求的加載，成為一個實際的亟待解決的問題。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是提供一種可用于原子力顯微鏡的微撓曲加載裝置，可與原子力顯微鏡聯(lián)合使用，實現(xiàn)對于材料在承受撓曲變形時的微納米尺度力、電、磁性質及微觀結構的觀測。該微撓曲加載裝置要能夠充分利用原子力顯微鏡的空間特點，不需要對原子力顯微鏡進行改造，結構簡單，成本低，易于應用。本專利技術提供的技術方案如下一種薄膜材料微撓曲加載裝置，包括螺旋式加載軸、制動裝置、裝夾裝置、加載桿、錐形加載頭和基座，其中加載桿與螺旋式加載軸軸連接，錐形加載頭固定在加載桿頂端，由螺旋式加載軸推動加載桿和錐形加載頭產生軸向位移；制動裝置對螺旋式加載軸進行制動；螺旋式加載軸通過裝夾裝置固定在基座上。為了在原子力顯微鏡的載物臺上進行操作，所述螺旋式加載軸、加載桿和錐形加載頭的最大徑向尺寸應該小于20mm,優(yōu)選為8-15_。但若應用于其他材料性能測試設備，·只要滿足其相應的空間要求即可。上述薄膜材料微撓曲加載裝置的錐形加載頭的小頭朝外；制動裝置可采用絲杠制動裝置。基座可采用中間為凹槽的結構，凹槽的一側為平臺，用于放置并固定薄膜材料試件，裝夾裝置裝夾于凹槽的另一側。本專利技術的薄膜材料微撓曲加載裝置可以采用現(xiàn)有的微分頭，配以錐形加載頭、基座等來實現(xiàn)。現(xiàn)有的微分頭通常包括螺旋式加載軸、絲杠制動裝置和旋轉式加載桿，有的還具有裝夾裝置。本專利技術的薄膜材料微撓曲加載裝置在應用時，將基座固定于原子力顯微鏡的載物臺上，螺旋式加載軸、加載桿和錐形加載頭的軸向呈水平方向；薄膜材料試件也水平放置，試件的一端固定(可通過粘接劑或機械夾持的方式固定于基座上)，而另一端為自由端，自由端的末端與錐形加載頭具有坡度的側面接觸；手動旋轉螺旋式加載軸，使得加載桿和錐形加載頭產生水平位移，從而導致試件自由端產生豎直方向的變形。從螺旋式加載軸的刻度線可讀出水平加載位移量，乘以錐形加載頭的坡度，可得到試件末端的豎直撓度，經懸臂梁彎曲理論公式可推算得到試件上任一點處的變形曲率，通過觀測試件在不同變形曲率時的原子力顯微圖像，研究材料的顯微結構，以及力學、電學、磁性等性質與材料變形曲率之間的內在關系和變化規(guī)律。由于錐形加載頭對試件的作用力，既存在使試件產生長度方向(水平方向)壓縮的作用力Fx，又存在使試件產生橫向彎曲的豎直方向作用力Fy，因此可以通過設計不同坡度的錐形加載頭，控制對試件所施加不同比例的壓、彎組合作用力(即^/^取不同值，在此我們稱之為壓彎比)，如圖3顯示的力學原理，研究不同壓彎比時，復雜應力狀態(tài)下的材料微觀性能響應的變化。本專利技術具有以下優(yōu)點及突出性效果(1)首次實現(xiàn)了原子力顯微鏡下的微撓曲加載，不需要對原子力顯微鏡空間設計進行改造；(2)通過手動加載和制動，避免了原子力掃描測試過程中的機械振動噪聲和電磁噪聲對于測試結果精度的致命影響；(3)通過改變錐形加載頭的坡度設計可以實現(xiàn)不同壓彎比時的復雜應力狀態(tài)加載；(4)結構簡單，成本低。此外，由于本專利技術的微撓曲加載裝置具備體積小的特點，除原子力顯微鏡外，同樣也適用于其他滿足空間要求的材料性能測試設備。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的一種用于原子力顯微鏡的微撓曲加載裝置示意圖，圖中1-螺旋式加載軸；2-制動裝置；3_裝夾裝置；4_加載桿；5_錐形加載頭；6-試件；7-基座。圖2為本專利技術提供的錐形加載頭示意圖。圖3為本專利技術采用的懸臂梁力學模型示意圖。圖4為本專利技術實施例中壓電薄膜受撓曲變形時的原子力顯微鏡觀測結果圖。具體實施方式下面結合附圖，通過實施例進一步說明本專利技術的具體結構及實施方式，但不以任何方式限制本專利技術的范圍。參考圖1，本實施例提供的可用于原子力顯微鏡的微撓曲加載裝置包括螺旋式加載軸1，制動裝置2，裝夾裝置3，加載桿4，錐形加載頭5和基座7。基座7具有一凹槽，凹槽的一側固定加載部件，而薄膜材料試件6通過粘接劑或機械夾持等方式固定于基座7凹槽 另一側平臺的上表面上。基座7則可通過永磁鐵吸引或機械夾持等方式固定于原子力顯微鏡的載物臺上。通過手動控制螺旋式加載軸I的旋轉運動，驅動加載桿4產生水平位移，經錐形加載頭5與試件6的接觸作用，使得試件6的末端產生豎直方向的變形，制動裝置2可隨時擰緊進行制動；螺旋式加載軸I通過裝夾裝置3與基座7進行連接。采用玻璃或金屬銅等表面光滑，且硬度比試件6大的材料加工成錐形加載頭5，具體尺寸為參見圖2,圖中a=2mm, b=10mm, c=5mm,則加載頭坡度為s = a/b=0. 2本實施例采用青海青量有限公司生產的型號為0702-350的微分頭作為螺旋式加載軸1，其同時具備絲杠制動裝置2，裝夾裝置3和旋轉式加載桿4。該裝置的水平加載量程為13mm，以錐形加載頭坡度為O. 2本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種薄膜材料微撓曲加載裝置，包括螺旋式加載軸、制動裝置、裝夾裝置、加載桿、錐形加載頭和基座，其中：加載桿與螺旋式加載軸軸連接，錐形加載頭固定在加載桿頂端，由螺旋式加載軸推動加載桿和錐形加載頭產生軸向位移；制動裝置對螺旋式加載軸進行制動；螺旋式加載軸通過裝夾裝置固定在基座上。
【技術特征摘要】
1.一種薄膜材料微撓曲加載裝置，包括螺旋式加載軸、制動裝置、裝夾裝置、加載桿、錐形加載頭和基座，其中加載桿與螺旋式加載軸軸連接，錐形加載頭固定在加載桿頂端，由螺旋式加載軸推動加載桿和錐形加載頭產生軸向位移；制動裝置對螺旋式加載軸進行制動；螺旋式加載軸通過裝夾裝置固定在基座上。2.如權利要求1所述的薄膜材料微撓曲加載裝置，其特征在于，所述螺旋式加載軸、力口載桿和錐形加載頭的最大徑向尺寸小于20_。3.如權利要求2所述的薄膜材料微撓曲加載裝置，其特征在于，所述螺旋式加載軸、力口載桿和錐形加載頭的最大徑向尺寸在8 15_范圍內。4.如權利要求1所述的薄膜材料微撓曲加載裝置，其特征在于，所述制動裝置為絲杠制動裝直。5.如權利要求1所述的薄膜材料微撓曲加載裝置，其特征在于，所述基座中間為凹槽，凹槽的一側為用于放置并固定薄膜...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：方岱寧，周浩，李法新，周錫龍，苗鴻臣，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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