作品名稱(chēng)：薄膜材料雙軸拉伸原位微觀力學(xué)性能測(cè)試儀
學(xué)校名稱(chēng)：鹽城工學(xué)院
參賽隊(duì)伍：納新團(tuán)隊(duì)
參賽學(xué)生：殷曉雯 靳娟 朱雅儷
指導(dǎo)老師：侯鵬亮 王平
1、項(xiàng)目研究背景
（1）國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究意義
雙軸拉伸試驗(yàn)經(jīng)過(guò)了單軸拉伸試驗(yàn)、沖模式雙軸拉伸試驗(yàn)、薄膜凸脹雙軸拉伸試驗(yàn)、壓力容器雙軸拉伸試驗(yàn)和目前最受重視的十字型試件雙向拉伸試驗(yàn)的發(fā)展過(guò)程。1995年Lin研發(fā)的雙軸拉伸測(cè)試儀器采用豎向布局，減小平面內(nèi)彎矩，但在垂直方向會(huì)受到重力影響。1998年Kuwabara 研制的雙軸拉伸儀器增加平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，保證在試驗(yàn)過(guò)程中試件中心的對(duì)中性。2005年Fraunhofe研發(fā)了安裝在壓縮試驗(yàn)機(jī)上的雙軸拉伸裝置，夾頭上裝有力傳感器和位移傳感器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
我國(guó)上世紀(jì) 80年代初研制雙軸拉伸試驗(yàn)儀器。1987年李岡陵團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)機(jī)械式雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)，能實(shí)現(xiàn)雙軸應(yīng)力比為1:1和2:1的針對(duì)材料進(jìn)行雙軸拉伸測(cè)試試驗(yàn)。2000年北航研發(fā)了采用液壓控制系統(tǒng)的雙軸拉伸測(cè)試系統(tǒng)。2012年北方工業(yè)大學(xué)研發(fā)的雙軸拉伸測(cè)試儀器，采用全閉環(huán)控制系，能夠?qū)崿F(xiàn)四軸同步加載，并且通過(guò)改變兩個(gè)方向的應(yīng)力加載比例實(shí)現(xiàn)比例可變的雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。
隨著材料測(cè)試新技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于微小結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能的小型化原位力學(xué)性能測(cè)試儀器問(wèn)世，其結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)試精度和分辨率更高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等的特點(diǎn)使其能與顯微成像系統(tǒng)有效結(jié)合。材料原位力學(xué)性能測(cè)試儀器與顯微成像的兼容使用，能在力學(xué)性能測(cè)試的過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)載荷作用下材料的微觀變形損傷機(jī)制和性能演化規(guī)律，對(duì)于揭示材料的損傷機(jī)理、通過(guò)微觀形貌研究宏觀性能有著重要的研究?jī)r(jià)值。
2008年，上海交通大學(xué)劉瑞等利用 CCD 觀測(cè)方法并結(jié)合拉伸測(cè)試儀器對(duì)金屬薄膜的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；2012年，Namazu等人研發(fā)了一套基于壓電驅(qū)動(dòng)原理驅(qū)動(dòng)的雙軸拉伸測(cè)試裝置；2013 年，吉林大學(xué)馬志超設(shè)計(jì)制造了數(shù)臺(tái)可以結(jié)合電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡使用的原位拉伸測(cè)試裝置；2014年，Geandier等人開(kāi)發(fā)了一臺(tái)小型化的原位雙軸拉伸測(cè)試裝置，針對(duì)多晶薄膜式樣進(jìn)行研究。
（2）項(xiàng)目已有的基礎(chǔ)
1）項(xiàng)目組同學(xué)已經(jīng)對(duì)雙軸拉伸裝置各部分機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行了充分的探索研究。
2）鹽城工學(xué)院模具智能制造研究院能夠?yàn)轫?xiàng)目的實(shí)施提供基本的設(shè)備和場(chǎng)所。
3）項(xiàng)目小組成員素養(yǎng)良好，具有一定的研發(fā)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。
（3）與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)
本項(xiàng)目已經(jīng)熟悉各種類(lèi)型的拉伸裝置的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、基本參數(shù)，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行了建模和仿真。
（4）已具備的條件
1）我們已經(jīng)通過(guò)建模仿真得到了所需的各種仿真數(shù)據(jù)。
2）有設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)市場(chǎng)需求有足夠的了解。
2、項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容
（1）項(xiàng)目研究目標(biāo)
薄膜材料服役時(shí)受載荷與熱場(chǎng)的耦合作用，反映出復(fù)雜的損傷演變規(guī)律。單軸拉伸只能測(cè)試單一方向上的力學(xué)性能，不能滿(mǎn)足各向異性材料的測(cè)試要求。雙軸拉伸可以在經(jīng)、緯方向同時(shí)施加載荷，能滿(mǎn)足各種材料的試驗(yàn)要求，為薄膜材料的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用、可靠性評(píng)估提供參考。
（2）項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容
通過(guò)對(duì)薄膜材料雙軸拉伸原位微觀力學(xué)性能測(cè)試儀進(jìn)行細(xì)化研究，我們將主要的研究?jī)?nèi)容分為一下幾個(gè)方面
1）錐齒輪組的精度要求；
2）電機(jī)、力及位移傳感器分辨率的選擇；
3）上位機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制算法的設(shè)計(jì)；
4）裝配時(shí)儀器的同軸度要求；
5）外觀設(shè)計(jì)。
3、研究思路
裝置由電氣和機(jī)械部分組成。電氣部分為裝置提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及測(cè)試數(shù)據(jù)采集，包括上位機(jī)控制平臺(tái)、電機(jī)與控制器、信號(hào)采集模塊；機(jī)械部分用于實(shí)現(xiàn)雙軸拉伸同步加載、應(yīng)力與熱場(chǎng)耦合以及與顯微鏡結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀損傷的原位監(jiān)測(cè)等，主要包括錐齒輪組、專(zhuān)用夾具、加熱模塊、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等。
4、項(xiàng)目創(chuàng)新特色概述
1）同步加載。由錐齒輪組傳動(dòng)保證雙軸拉伸的同步性；
2）專(zhuān)用夾具。使試樣裝夾規(guī)整、受力均勻，減少損傷
3）實(shí)現(xiàn)雙軸載荷與熱場(chǎng)的耦合加載，為研究薄膜材料在不同溫度下的力學(xué)性能提供測(cè)試方法；
4）原位監(jiān)測(cè)。與光學(xué)儀器集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料損傷演變的實(shí)時(shí)實(shí)地連續(xù)監(jiān)測(cè)。
5）基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法，利用LabVIEW程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言完成測(cè)試儀的上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)。
5、項(xiàng)目研究技術(shù)路線(xiàn)
1）操作系統(tǒng)
采用LabVIEW程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言完成測(cè)試儀的上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。
2）動(dòng)力系統(tǒng)
采用SGM7P-04A旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)作為動(dòng)力源保證整體動(dòng)力需求。
3）傳動(dòng)系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)由大錐齒輪、小錐齒輪、滾珠絲杠、絲杠螺母和直線(xiàn)導(dǎo)軌組成。
4）夾持系統(tǒng)
夾持系統(tǒng)包括夾具體、夾具壓板和固定銷(xiāo)組成。采用簡(jiǎn)便可行的兩塊基板夾具，在基板上設(shè)有增加摩擦力的網(wǎng)格紋，增大了對(duì)薄膜材料的抓緊力，同時(shí)設(shè)有圓柱銷(xiāo)對(duì)薄膜材料的雙重定位，以確保定位得可靠性準(zhǔn)確性，沒(méi)有冗雜的定位夾緊機(jī)構(gòu)而造成薄膜材料的測(cè)試前損傷。
