1.本发明涉及材料力学技术领域，具体为一种高应变率纳米压痕测试装置及方法。
背景技术：2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.纳米压痕技术是一种针对微尺度材料的压入测量技术，通过测量作用在压头上的载荷和压入样品表面的深度来获得材料的载荷—位移(p-h)曲线，结合压痕形状，再利用相关函数获得材料的微观硬度、弹性模量、断裂韧性、蠕变性能等参数。
4.纳米压痕测量时，压头的加载过程可视为准静态过程，虽然能够用于测量材料在静态或低速加载时的力学性能，却难以测量在高速加载，即高应变率下的动态性能，使得在研究材料受到爆炸、高速碰撞、动态断裂等高应变率下的动力学响应时难以采用准确的性能参数，进而难以分析材料的动态力学性能。
技术实现要素：5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种高应变率纳米压痕测试装置及方法，利用激光诱发的爆炸等离子体冲击波压力作为压入载荷，经导杆将压头高速压入待测材料，通过待测材料在压头作用下产生的高应变率塑性变形，来测量材料在高应变率下的硬度、弹性模量、硬化指数、屈服强度等力学性能，具有较高的测量效率与测量精度。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种高应变率纳米压痕测试装置，包括：
8.激光聚焦器，朝向压痕机构，用于向压痕机构顶端发出短脉冲激光束，并引发爆炸等离子体；
9.压痕机构，包括位于外壳内部且沿垂直轴线运动的导杆，导杆首端连接压头，导杆尾端朝向激光聚焦器，产生的爆炸等离子体推动导杆及压头，压头压向载物台上承载的待测材料；
10.载物台，位于压头下方空间，用于承载待测材料，待测材料接收压头的压力产生压痕。
11.载物台、压痕机构和激光聚焦器均连接在机架上。
12.载物台连接压紧装置，通过压紧装置将待测材料固定在载物台的上表面。
13.激光聚焦器通过导光机构连接脉冲激光器，脉冲激光器连接控制模块。
14.脉冲激光器为短脉冲yag激光器或横向激励高强度tea-co2激光器。
15.控制模块连接信号检测单元，用于检测并收集位移及载荷信号，信号检测单元包括连接在导杆底端的位移传感器和加速度传感器，位移传感器和加速度传感器通过信号采集器与控制模块连接。
16.外壳内侧设有间隙，间隙的顶端连接气源供给端口，气源供给端口充入气体形成气腔，导杆外侧同轴线连接导套，导套同轴线连接在外壳内侧并覆盖气腔所在的区域。
17.导套与导杆横截面均呈非圆形。
18.外壳底端设有复位端口，复位端口连通外壳内侧预留的空间，通过通入空气使导杆复位。
19.本发明的第二个方面提供基于上述装置实现压痕测试的方法，包括以下步骤：
20.待测材料固定在载物台上；通过气源供给端口通入气体，气体进入气腔在导套与导杆之间形成气垫；
21.脉冲激光器发射脉冲激光，激光通过导光机构与激光聚焦器作用于导杆尾端产生爆炸等离子体，爆炸等离子体产生冲击波压力，通过导杆将动能传递至压头，使压头下压并在待测材料表面产生压痕；
22.信号采集器将检测到的加速度与位移输出信号进行同步调理和采集，发送给控制模块获得载荷—位移曲线；
23.复位端口内通入气体导杆复位；
24.获得压痕几何参数，结合载荷—位移曲线，获得材料在高应变率下的动态力学性能参数。
25.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
26.1、爆炸等离子体推动导杆及压头压向待测材料的过程，能够模拟材料在受到爆炸、高速碰撞和动态断裂等高速加载影响下的动力学响应过程，从而实现对材料的高速加载，即高应变率下的动态性能测试。
27.2、通过气腔及导套在导杆侧面形成的气垫作为气体润滑剂，以及导套和导杆的配合，既可保证导杆与压头的直线运动，又可最大限度地减小摩擦对动能的损耗，并使压头在接触待测材料时不受侧向载荷的影响，从而保证测量精度。
28.3、导杆尾端几乎吸收了所有激光辐射，能够立即产生等离子体，不需要复杂的预处理层和烧蚀层，能够在极短时间内产生推动导杆的动能，测量速度快，可以满足高通量实验的要求。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1是本发明实施例一提供的压痕测试装置的结构示意图；
31.图2是本发明实施例一提供的压痕测试装置中压痕机构的结构示意图；
32.图3分别是本发明实施例一提供的三棱锥玻氏(berkovich)压头结构示意图；
33.图中：1载物台、2压紧装置、3激光聚焦器、4导光机构、5脉冲激光器、6控制模块、7信号采集器、8加速度传感器、9位移传感器、10气阀、11压头、12气腔、13导套、14导杆、15气源供给端口、16复位端口。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.随着新材料的应用，材料的特征尺寸越来越小，受力情况也越来越复杂。对于尺寸在100μm量级以下的样品，许多传统的力学性能测试方法，如硬度测量或拉伸试验已不能满足材料测试的要求，因此纳米压痕技术逐步获得应用。
38.正如背景技术中所描述的，纳米压痕测量时，虽然能够用于测量材料在静态或低速加载时的力学性能，却难以测量在高速加载，即高应变率下的动态性能，使得在研究材料受到爆炸、高速碰撞、动态断裂等高应变率下的动力学响应时难以采用准确的性能参数，进而难以分析材料的动态力学性能。
39.因此以下实施例给出一种高应变率纳米压痕测试装置，利用激光诱发的爆炸等离子体冲击波压力作为压入载荷，经导杆将压头高速压入待测材料，通过待测材料在压头作用下产生的高应变率塑性变形，来测量材料在高应变率下的硬度、弹性模量、硬化指数、屈服强度等力学性能，具有较高的测量效率与测量精度。
40.实施例一：
41.利用激光聚焦器发出短脉冲激光束，短脉冲激光束作用于压头导杆的尾端并产生爆炸等离子体，爆炸等离子体产生的冲击波压力推动导杆及压头，使压头在几十纳秒或几微秒内压入待测材料，产生压痕并获得载荷—位移曲线。通过载荷—位移曲线以及由压痕中提取出的压痕几何参数，即可确定材料在高应变率下的动态力学性能。
42.如图1-3所示，一种高应变率纳米压痕测试装置，包括：
43.激光聚焦器3，朝向压痕机构，用于向压痕机构顶端发出短脉冲激光束，并引发爆炸等离子体；
44.压痕机构，包括位于外壳内部且沿垂直轴线运动的导杆14，导杆14底端连接压头11，导杆14顶端朝向激光聚焦器3，产生的爆炸等离子体推动导杆14及压头11，压头11压向载物台1上承载的待测材料；
45.载物台1，位于压头11下方空间，用于承载待测材料，待测材料接收压头11的压力产生压痕。
46.本实施例中，压头需要有较高刚度，常用的压头包括球形压头、圆锥压头、四棱锥维氏压头和三棱锥玻氏(berkovich)压头，本实施选用如图3所示的三棱锥玻氏(berkovich)压头，也可根据需求，更换为其它不同形状的压头。
47.载物台1、压痕机构和激光聚焦器3均连接在机架上。
48.载物台1连接压紧装置2，通过压紧装置2将待测材料固定在载物台1的上表面。
49.本实施例中，压紧装置2不限定具体的结构，载物台1和压紧装置2形成工作台，用于试验过程中放置并固定待测材料。
50.激光聚焦器3通过导光机构4连接脉冲激光器5，脉冲激光器5连接控制模块6。
51.本实施例中，脉冲激光器5优选短脉冲yag激光器，或横向激励高强度tea-co2激光器。脉冲激光器可以根据测试需求调节多种工艺参数，如激光脉冲能量、脉冲持续时间、激光光斑大小等参数。
52.控制模块6连接信号检测单元，用于检测并收集位移及载荷信号，信号检测单元包括连接在导杆14底端的位移传感器9和加速度传感器8，位移传感器9和加速度传感器8通过信号采集器7与控制模块6连接。
53.外壳内侧设有间隙，间隙的顶端连接气源供给端口15，气源供给端口15充入一定压力的气体形成气腔12，导杆14外侧同轴线连接导套13，导套13同轴线连接在外壳内侧并覆盖气腔12所在的区域。
54.本实施例中，气源供给端口15通入的气体为空气，空气通过气腔12及导套13在导杆14的周边侧面形成气垫作用，作为气体润滑剂，降低导杆14外侧面的摩擦对导杆14轴向运动的阻碍。
55.本实施例中，导套13可以为多孔碳材料，导杆14可以为高碳钢材料。
56.本实施例中，导套13与导杆14横截面均呈非圆形，以避免导杆旋转，本实施例选为方形。
57.本实施例中，导套13内壁与导杆14外壁呈间隙配合，气腔12同时作为导套13的保持架，用于固定导套13。
58.外壳底端设有复位端口16，复位端口16连通外壳内侧预留的空间，通过通入空气使导杆14上移复位。
59.本实施例中，导杆14下部带有一圈凸起的法兰，凸起的法兰至导杆14顶端的区域与导套13形成间隙配合，凸起的法兰底端与外壳以及压头11形成一个空腔，该空腔与复位端口16连通，复位端口16通入空气后，空气推动导杆14并带动压头11上移实现复位。
60.上述结构利用激光器发出短脉冲激光束，短脉冲激光束作用于压头导杆的尾端(顶端)并产生爆炸等离子体，爆炸等离子体产生的冲击波压力推动导杆及压头，使压头在极短时间内(几十纳秒或几微秒内)压入待测材料产生压痕，通过控制模块获得的载荷—位移曲线以及由压痕中提取出的压痕几何参数，即可确定材料的动态力学性能。
61.目前的纳米压痕试验中，由于无法获得高速加载，无法进行材料在高应变率下的动态性能测试。而上述结构利用爆炸等离子推动导杆及压头压向待测材料的过程，能够模拟材料在受到爆炸、高速碰撞、动态断裂等影响下的动力学响应过程，从而实现对材料的高速加载，即高应变率下的动态性能测试。
62.上述结构不仅能够利用爆炸等离子体实现高速加载，还通过气腔及导套在导杆侧面形成的气垫作为气体润滑剂，最大限度地减小高速运动时的摩擦效应，减小摩擦对动能的损耗，并通过导套和导杆的配合，实现导杆与压头的直线运动，使压头在接触待测材料时不受侧向载荷的影响，从而保证测量精度。
63.无论是采用yag激光还是tea-co2激光，钢制导杆尾端几乎吸收了所有激光辐射，能够立即产生等离子体，不需要复杂的预处理层和烧蚀层，能够在极短时间内产生推动导杆的动能，测量速度快，可以满足高通量实验的要求。
64.实施例二：
65.基于实施例一的装置实现压痕测试的方法，包括以下步骤：
66.待测材料固定在载物台上，通过调节压紧装置压紧力大小，将其固定；
67.在控制模块的作用下，向气源供给端口通入气体，气体进入气腔在导套与导杆之间形成气垫；
68.控制模块控制脉冲激光器发射脉冲激光，激光通过导光机构与激光聚焦器作用于导杆尾端(顶端)产生爆炸等离子体，爆炸等离子体产生冲击波压力，并通过导杆将动能传递至压头，使压头下压并在待测材料表面产生压痕；
69.加速度传感器检测压头的加速度信号，位移传感器检测压头的下压行程，作为反馈信号返给控制模块，对脉冲激光器和导杆进行控制，实现闭环。与此同时，通过信号采集器将检测到的加速度与位移输出信号进行同步调理和采集，发给电脑终端进行处理，获得载荷—位移曲线；
70.结束后，通过控制模块向复位端口内通入气体，使导杆上移复位。借助显微镜获得压痕几何参数，结合载荷—位移曲线，基于相关动力模型获得材料动态力学性能。
71.爆炸等离子推动导杆及压头压向待测材料的过程，能够模拟材料在受到爆炸、高速碰撞、动态断裂等影响下的动力学响应过程，从而实现对材料的高速加载，即高应变率下的动态性能测试。
72.在实现高速加载的过程中，还通过气腔及导套在导杆侧面形成的气垫作为气体润滑剂，最大限度地减小高速运动时的摩擦效应，减小摩擦对动能的损耗，并通过导套和导杆的配合，实现导杆与压头的直线运动，使压头在接触待测材料时不受侧向载荷的影响，从而保证测量精度。
73.无论是采用yag激光还是tea-co2激光，钢制导杆尾端几乎吸收了所有激光辐射，能够立即产生等离子体，不需要复杂的预处理层和烧蚀层，能够在极短时间内产生推动导杆的动能，测量速度快，可以满足高通量实验的要求。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：包括：激光聚焦器，朝向压痕机构，用于向压痕机构顶端发出短脉冲激光束并引发爆炸等离子体；压痕机构，包括位于外壳内部且沿垂直轴线运动的导杆，导杆首端连接压头，导杆尾端朝向激光聚焦器，产生的爆炸等离子体推动导杆及压头，压头压向载物台上承载的待测材料；载物台，位于压头下方空间，用于承载待测材料，待测材料接收压头的压力产生压痕。2.如权利要求1所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述载物台、压痕机构和激光聚焦器均连接在机架上。3.如权利要求1所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述载物台连接压紧装置，通过压紧装置将待测材料固定在载物台的上表面。4.如权利要求1所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述激光聚焦器通过导光机构连接脉冲激光器，脉冲激光器连接控制模块。5.如权利要求1所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述脉冲激光器为短脉冲yag激光器或横向激励tea-co2激光器。6.如权利要求1所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述控制模块连接信号检测单元，用于检测并收集位移及载荷信号，信号检测单元包括连接在导杆底端的位移传感器和加速度传感器，位移传感器和加速度传感器通过信号采集器与控制模块连接。7.如权利要求1所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述外壳内侧设有间隙，间隙的顶端连接气源供给端口，气源供给端口充入气体形成气腔，导杆外侧同轴线连接导套，导套同轴线连接在外壳内侧并覆盖气腔所在的区域。8.如权利要求7所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述导套与导杆横截面均呈非圆形。9.如权利要求7所述的一种高应变率纳米压痕测试装置，其特征在于：所述外壳底端设有复位端口，复位端口连通外壳内侧预留的空间，通过通入空气使导杆复位。10.基于权利要求1-9任一项所述装置实现压痕测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：待测材料固定在载物台上；通过气源供给端口通入气体，气体进入气腔在导套与导杆之间形成气垫；脉冲激光器发射脉冲激光，激光通过导光机构与激光聚焦器作用于导杆尾端产生爆炸等离子体，爆炸等离子体产生冲击波压力，通过导杆将动能传递至压头，使压头下压并在待测材料表面产生压痕；信号采集器将检测到的加速度与位移输出信号进行同步调理和采集，发送给控制模块获得载荷—位移曲线；复位端口内通入气体导杆复位；获得压痕几何参数，结合载荷—位移曲线，获得材料在高应变率下的动态力学性能参数。
技术总结本发明涉及一种高应变率纳米压痕测试装置及方法，包括激光聚焦器，朝向压痕机构，用于向压痕机构顶端发出短脉冲激光束并引发爆炸等离子体；压痕机构，包括位于外壳内部且沿垂直轴线运动的导杆，导杆首端连接压头，导杆尾端朝向激光聚焦器，产生的爆炸等离子体推动导杆及压头，压头压向载物台上承载的待测材料；载物台，位于压头下方空间，用于承载待测材料，待测材料接收压头的压力产生压痕。爆炸等离子推动导杆及压头压向待测材料的过程，能够模拟材料在受到爆炸、高速碰撞和动态断裂等高速加载影响下的动力学响应过程，从而实现对材料的高速加载，即高应变率下的动态性能测试。即高应变率下的动态性能测试。即高应变率下的动态性能测试。
技术研发人员：季忠 高盈 王建峰 卢国鑫 刘韧
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/7/5
