压电驱动型跨尺度原位纳米压痕/刻划测试新技术的研究

提出对特征尺寸毫米级以上三维试件实现跨尺度原位纳米压痕/刻划测试的新技术。以结构紧凑的多自由度尺蠖型压电精密驱动装置为纳米压痕/刻划测试提供核心驱动动力源，结合检测控制技术和算法程序测定材料的硬度和刻划抗力等参数，通过没有工作空间限制的独立的高放大倍率显微成像组件对测试中材料的微观变形损伤进行动态可视化原位监视，为研究材料变形损伤机制及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律提供崭新的方法。项目从实现较大尺寸试件跨尺度原位纳米压痕/刻划测试的原理与方法出发，着重研究其中涉及的精密驱动单元、检测方法、控制技术和原位监测手段等理论与关键技术问题，研制集"驱动、加载、检测、纳米压痕/刻划测试和原位观察"等功能的测试平台，并据此开展若干有意义的前沿研究。项目研究将为原位纳米力学测试提供理论基础与关键技术，对材料科学、微电子技术、精密光学和国防军工等领域的发展具有十分重要的理论意义和应用价值。

项目执行期内，针对纳米压痕/刻划测试基础理论与技术开展了系统的研究，包括纳米压痕/刻划测试原理、仪器构成与工作原理、电机与压电叠堆宏微混合驱动控制、压入载荷和位移信号同步测量与干扰消除、仪器闭环控制与校准等工作。利用柔性铰链和压电驱动原理设计了精密驱动/加载机构，实现了金刚石压头精密压入/压出动作，并通过理论分析、仿真研究和试验测试，对精密驱动加载机构进行了详细的设计与分析。在此基础上，研制了压痕测试样机，提出了一种新的仪器修正与标定方法—“the reference-mapping method”（参考映射方法），实现了对大柔度纳米压痕测试装置的校准。提出了一种压电驱动新原理—寄生运动原理，成功研制出具有毫米级大行程和微纳米级分辨率的压电精密直线驱动器。试验结果验证了其可行性，改变驱动信号频率、幅值，可获得不同的驱动速度和位移分辨率。在5Hz驱动频率、100V驱动电压作用下，驱动速度达到43.28μm/s。结合上述工作，深入开展了原位纳米压痕/刻划测试基础性研究工作，通过步进电机和压电叠堆混合驱动技术实现了压头在压入方向上的宏动调整与精密压入、压出动作，通过结构优化布局，将研制的寄生运动原理大行程直线驱动器集成应用到测试装置中，成功研制出我国首台也是目前世界上为数不多的几台可以在扫描电子显微镜真空腔内实现原位压痕/刻划测试和微纳精密加工的测试装置，装置样机尺寸在167mm×130mm×53mm 之内，被测试件最大尺寸达10mm×10mm×5mm（或Φ10×5mm）。在扫描电子显微镜内实现了大块非晶合金和半导体等材料的压痕/刻划测试，动态获取了材料在载荷作用下的变形损伤过程，为深入研究材料力学行为、变形损伤机制以及材料在精密/超精密加工过程中的去除机理提供了崭新的技术手段。针对上述研究内容，共发表（或录用待发表）科技论文17篇，其中SCI收录10篇，EI/ISTP收录13篇（部分期刊SCI/EI双检索）；申请国家专利25项，其中国家发明专利10项（已授权5项），实用新型专利15项（已授权13项）；与国外学者合著英文专著2部；与国内外科研院所、企业等开展了深入的、广泛的交流与合作；8次参加国内外学术会议；开发的仪器在北京大学得到推广应用。通过本项目，项目组获得学术奖、人才奖6项，锻炼了科研团队，培养了优秀的学术人才，以上都为项目后续深入研究和成果产业化实施奠定了基础。