一种纳米压入仪用低温装置的制作方法

本发明涉及纳米力学测试领域，具体为应用在纳米压入仪中的一种低温装置及其使用方法。

背景技术：

随着科技的快速发展，越来越多的先进精密系统应用于低温领域。工作环境的变化通常也会造成材料性能及可靠性的改变，因此，探究材料在低温服役环境中的机械性能变化具有重要的实际意义。

仪器化纳米压入技术作为一种主要获取材料机械性能参数的手段，得到广泛应用。该技术通过仪器记录连续压入的载荷和深度来测定硬度和弹性模量等相关参数，测量精度高，测试范围广且不会破坏材料。

但是该技术在低温环境测试领域仍有所缺乏。在低温环境领域，目前国际最先进的低温纳米压痕仪的测试温度为-100℃，远远不能满足低温应用领域的需求，如液态气态的存储温度。而且低温环境下，环境中的水蒸气会在低温表面冷凝结冰，导致测得的性能为冰的性能。需在实验中通过调控手段来排除水蒸气。

因此，开发构建一种新型的低温纳米压痕测试平台并准确评价材料在纳微尺度下的机械性能，对先进表面复合薄膜、功能纳米材料和微机电产品的研究、设计和开发有着极其重要的科学意义和工程价值。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于提供一种纳米压入仪用低温装置。所述装置采用节流微制冷器，低温环境可达到-150℃。可通过改变通入气体，满足湿度环境及气氛环境的测试需求，工作效率高，使用方便。

技术方案：本发明的一种纳米压入仪用低温装置是以下技术方案实现的。

该装置包括样品台与基底，样品台右部中心设置柱状孔，该柱状孔内设置节流微制冷器，该柱状孔与外接排气口、高压气氛入口及开关阀相连，样品台的右端与实心基底相连；样品台左侧端部设置样品，在样品旁设有柱状孔便于安装湿度传感器；外层保护罩右侧的内壁上设置嵌入的橡胶圈，橡胶圈的内侧安装在样品台的外侧，外层保护罩的下侧设有柱状孔作为惰性气体入口；内层保护罩右侧内部设置橡胶圈，内层保护罩外壁设置有加热毯，内层保护罩左侧顶部设有柱状孔作为压头入口，内层保护罩下壁设置有柱状孔，与惰性气体入口联通；外层保护罩左侧设置密封板，在密封板中部设置压头入口；在外层保护罩、内层保护罩的上侧设置柱状孔安装密封的可视摄像头。

所述的节流微制冷器采用等焓膨胀的焦耳-汤姆逊效应，来快速制冷。

所述湿度传感器埋入在样品台内部。

所述加热毯包裹在内层保护罩外面，通过加热毯加热及通过惰性气体入口通入惰性气流的方式来排除装置内的水蒸气。

所述样品台通过采用外层保护罩、内层保护罩以及密封板来保证装置的密封性。

所述密封板为多层设计的密封板结构，在多层设计的密封板中，各密封板中的通孔大小不一致，形状不一致。

所述密封板，各密封板中的通孔为圆形或椭圆形，各椭圆形通孔的轴线重合，椭圆形的长轴不重叠。

有益效果：本发明提供一种纳米压入仪用低温装置，与已有技术比较，其优点是：

1、本发明所述装置采用节流微制冷器，低温环境可达到-150℃。

2、本发明所述装置中湿度传感器采用埋入式的方法安装与样品台中，提高空间利用率。

3、本发明所述装置采用内外保护的方法保证装置的密封性，排除装置中的水蒸气。

4、本发明所述装置可通过改变通入气体，满足湿度环境及气氛环境的测试需求，工作效率高，使用方便。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的纳米压入仪用低温装置的内部组成结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中的纳米压入仪用低温装置的外形整体示意图；

图3为本发明具体实施方式中的纳米压入仪用低温装置的密封板爆炸示意图；

图中标记为：1基底，2节流微制冷器，3样品台，4橡胶圈，5外层保护罩，6湿度传感器，7加热毯，8可视摄像头，9内层保护罩，10密封板，11压头入口，12样品，13惰性气体入口，14节流微制冷器排气口，15开关阀，16高压气氛入口。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。

本实施例中的一种纳米压入仪用低温装置，其组成结构如图1所示，包括样品台3与基底1，样品台右侧底部中心设置柱状孔，柱状孔内设置节流微制冷器2，其与外接节流微制冷器排气口14、高压气氛入口16及开关阀15相连，样品台底部与实心基底1相连固定装置，样品台左侧顶部设置样品12且侧边设置柱状孔便于安装湿度传感器6，外层保护罩5右侧底部内壁上设置嵌入的橡胶圈4方便其安装在样品台3上，其侧壁上下设置柱状孔，下侧柱状孔作为惰性气体入口13，内层保护罩9右侧底部同样设置橡胶圈4，侧壁外层设置加热毯7，且上下侧壁及左侧顶部设置柱状孔，方便压头入口11以及惰性气体的流入13，外层保护罩左侧设置密封板10，在密封板中部设置压头入口11，通过内外保护罩的上侧柱状孔设置密封的可视摄像头8。各密封板中的通孔为圆形或椭圆形，各椭圆形通孔的轴线重合，椭圆形的长轴不重叠。

本实施例的工作原理为：低温环境，参照图1，按照上述具体实施方式依次安装实验装置。开始工作时，在高压气氛入口16通入压力气体，通常为氮气或氢气，打开开关阀15与节流微制冷器排气口14，节流微制冷器2开始工作，通过可视摄像头8观察纳米压入仪压头入口11与样品表面预接触，之后在惰性气体入口13持续缓慢通入惰性气体，打开加热毯7开始加热，开始排除材料表面的水蒸气，观察湿度传感器6，达到所需湿度范围时，压头正式接触材料表面，开始实验。当关闭节流微制冷器2，通过改变惰性气体入口13的通入气流，如湿度气流，观察湿度传感器可满足湿度环境需求。

技术特征：技术总结本发明公开一种纳米压入仪用低温装置，属于纳米力学测试领域。该装置包括样品台(3)与基底(1)，样品台左侧端部设置样品(12)，外层保护罩(5)右侧的内壁上设置嵌入的橡胶圈(4)，橡胶圈(4)的内侧安装在样品台(3)的外侧，外层保护罩(5)的下侧设有柱状孔作为惰性气体入口(13)；内层保护罩(9)右侧内部设置橡胶圈(4)，内层保护罩(9)外壁设置有加热毯(7)，外层保护罩(5)左侧设置密封板(10)，在密封板中部与内层保护罩左侧端部设置压头入口(11)；在外层保护罩(5)、内层保护罩(9)的上侧设置柱状孔安装密封的可视摄像头(8)。本发明装置可同时满足横向或纵向加载的纳米压入仪，扩大纳米力学测试范围，具有重要的应用价值。技术研发人员：陈坚;黄启明受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：2019.05.17技术公布日：2019.08.30