材料微纳米级表层硬度测试系统的研制

论文摘要

随着超精密、微纳米加工技术和微机电系统等的发展应用,迫切需要微纳米级表层质量的检测和评价方法。在微纳米尺度下,材料会出现尺寸效应和表面效应等,其力学性能与宏观材料有着本质的不同,传统的硬度检测和评定方法已不再适用。纳米压痕技术是一种先进的材料微纳米硬度测量方法,可以满足对微小零件表面力学性能的检测。本文针对微小零件加工技术的发展和应用需要,研制了一套用于微小零件表面力学性能检测的电磁式微纳米硬度检测系统,并应用此检测系统进行了纳米压痕试验研究。在比较分析了各种微位移驱动方式和检测方式的基础上,确定了电磁式微位移驱动和电容式微位移检测方案。研制了一套微纳米硬度检测系统,并对试验装置的整体结构进行了设计。研制了微位移驱动和检测子系统,描述了电磁线圈的设计参数优化、基于运算放大器的电磁驱动电路和电容检测电路的设计,以及数据采集系统的开发。评定了系统的工作性能,位移分辨率为11.7nm,驱动力分辨率为26.4μN,分析了影响系统性能的原因,并给出了解决措施。基于纳米压痕理论方法,对单晶铜进行了纳米压痕试验。根据得到的载荷-位移曲线,绘出了单晶铜在不同压痕深度下的硬度变化曲线,分析了硬度的变化规律。试验测得单晶铜的显微硬度为1.8GPa-2.15GPa,通过与参照硬度的比较,验证了该装置可进行微纳米硬度测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的意义
• 1.2 微纳米硬度检测系统的国内外研究现状
• 1.3 微纳米硬度检测关键技术的研究现状
• 1.3.1 微位移驱动技术的研究
• 1.3.2 微位移检测技术的研究
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 系统总体设计
• 2.1 系统总体设计
• 2.2 试验装置结构设计
• 2.3 微位移驱动装置的设计
• 2.4 电容式位移传感器的设计
• 2.5 变形薄片的性能分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 微位移驱动和检测子系统的研制
• 3.1 线圈磁铁驱动器的研制
• 3.1.1 电磁驱动力的计算
• 3.1.2 电磁驱动电路研制
• 3.2 电容传感器检测电路的研制
• 3.2.1 检测电路的研制
• 3.2.2 直流信号电压的性能测试
• 3.3 数据采集子系统的开发
• 3.3.1 人机界面的开发
• 3.3.2 驱动电压的加载
• 3.3.3 信号电压的采集
• 3.4 系统参数的标定
• 3.4.1 电容传感器标定
• 3.4.2 变形薄片刚度和电流比例系数的标定
• 3.4.3 载荷计算公式的确定
• 3.5 本章小结
• 第4章 纳米压痕实验研究及系统性能分析
• 4.1 微纳米硬度检测系统的集成
• 4.2 电磁式微纳米硬度检测系统的应用试验结果与分析
• 4.3 电磁式微纳米硬度检测系统性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢