专利名称：一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统及测试方法
技术领域：
本发明涉及对低维导电材料的疲劳性能测试系统和测试方法的建立，具体为一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性的测试系统，及其被测试样体内裂纹萌生与扩展信息的获得和材料疲劳寿命的测试方法。
背景技术：
低维导电薄膜材料在现今电子信息、工业及医学等领域中有着广泛的应用，如微/ 纳电机械系统(MEMS/NEMS)中的微电子触发开关，以及各种心血管支架用材料等。上述器件在实际服役过程中承受往复弯曲、拉伸或扭转等复杂的交变疲劳载荷的作用，了解器件中导电薄膜材料的疲劳性能对其设计和使用寿命预测有很大的帮助。材料体内一旦有裂纹产生，其自身导电性能必然发生变化，对该构件的正常使用带来隐患。因此，测试上述导电材料的弯曲疲劳性能与裂纹萌生与扩展信息，对导电薄膜材料器件的实际应用中的可靠性设计、损伤容限设计以及薄膜材料疲劳性能的理论研究具有重要的意义。目前，在悬臂梁弯曲疲劳实验中，人们多采用直接测量试样夹头与加载端之间的电阻，由于此类疲劳实验方法在悬臂梁弯曲试样与加载头之间不可避免地因接触缝隙的存在，而产生巨大的接触电阻(千欧级)，此外还会在弯曲疲劳实验的加载过程中接触的缝隙会不断的变化，导致测量电路时断时续，给电阻测量带来不可避免的随机性，因此往往无法准确测量试样的电阻值及其变化情况；其他研究者采用配套CCD探头的高倍数显微镜对疲劳试样进行直接观察，但这类方法需要耗费大量的人力，并且实验结果只能获得被测导电试样的疲劳寿命，仍然得不到被测导电试样的裂纹萌生与扩展信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精准、简单的针对微小尺寸导电薄膜、丝材等低维导电材料弯曲疲劳可靠性能测试系统及测试方法，该测试系统及测试方法能表征导电薄膜材料疲劳及裂纹萌生与扩展寿命，解决现有技术中存在的对导电薄膜材料疲劳寿命测量误差大、无法准确测量裂纹的萌生寿命等问题。基于导电薄膜材料实际工作过程遭受弯曲载荷作用的概率要多于遭受其它载荷，该疲劳系统及测试方法对被测导电试样施加与薄膜材料服役工况相一致的弯曲疲劳载荷。本发明的技术方案是一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，该测试系统由电磁驱动部分、疲劳加载与测量部分、检测与记录部分三部分组成；(1)电磁驱动部分，包括数字函数发生器、功率放大器、电磁转换器，数字函数发生器的输出端连接功率放大器，功率放大器的输出端连接电磁转换器，电磁转换器的输出端连接疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆；(2)疲劳加载与测量部分，包括楔形槽震动杆、被测导电试样、试样夹具、螺旋测微器和测微器探头，试样夹具固定在三维移动机械架上，被测导电试样通过试样夹具固定架固定在二维平台上，螺旋测微器及测微器探头由其固定架固定在疲劳测试系统所在的二维光学平台上，楔形槽震动杆的一端与电磁转换器连接，楔形槽震动杆的另一端与螺旋测微器的测微器探头连接，楔形槽震动杆上开有楔形槽，被测导电试样的一端固定在试样夹具上，被测导电试样的另一端伸至楔形槽中，被测导电试样通过固定在试样夹具上的电阻测量接触片的外引线与多通路数字万用表相连；(3)检测与记录部分，包括多通路数字万用表和与多通路数字万用表相连的PC 机；多通路数字万用表的一端连接被测导电试样，多通路数字万用表的另一端与PC机相连。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，利用螺旋测微器前端连接的测微器探头的移动来精确测量楔形槽震动杆的振幅，量程范围为1 μ m 4mm，测量精度为 1 μ m0所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，试样夹具包括夹具主体、夹具上压片、螺栓紧固件、电阻测量接触片，被测导电试样与试样夹具通过螺栓紧固件相连接， 电阻测量接触片直接与被测导电试样相连。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，夹具主体与夹具上压片为不锈钢材料加工而成，并且通体均进行绝缘处理。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，夹具主体的一端上表面开有台阶形结构，两个电阻测量接触片的一端分别伸至台阶形结构底层的两边，被测导电试样的一端伸至台阶形结构底层的中部；夹具上压片压设于被测导电试样和两个电阻测量接触片顶部，并与夹具主体的台阶形结构接合。一种利用所述测试系统的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，具体步骤如下(1)预先测量被测导电材料的单轴的拉伸性能，获得其拉伸应力-应变曲线；(2)根据试样原始长度及所需悬臂梁长度，选择被测导电试样在试样夹具端的夹持长度；(3)通过调节固定在光学平台上的二维平台，调整被测导电试样插入楔形槽震动杆的深度，使其达到实验所需要的跨距；(4)通过调节固定在光学平台上的测微器与功率放大器，获得电磁转换器相应的振幅输出；(5)利用预先获得的拉伸应力-应变数据，结合计算机有限元模拟，计算出被测导电试样在夹持端根部相对应的疲劳应变ε及其应力σ值；(6)采用多通路数字万用表，对被测导电试样的电阻值进行实时测量与记录；(7)通过测量试样的实时电阻值，计算试样电阻变化率，获得电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线，从而得出试样的疲劳寿命与裂纹萌生及扩展的信息。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，测试过程中，数字函数发生器产生疲劳实验中所用的模拟信号疲劳加载波形，经过功率放大器进行功率放大，将电信号传输给电磁转换器，由电磁转换器将电信号变成力学信号带动疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆震动；工作过程中，电磁转换器驱动楔形槽震动杆发生上下震动，从而带动嵌入楔形槽中的被测导电试样一端产生往复震动；测微器探头用于限制并测量楔形槽震动杆的位移， 从而测量被测导电试样的震动振幅。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，多通路数字万用表用于实时检测被测导电试样的电阻值，并将信号反馈给用于数据记录的PC机；实验过程中，用导线把与被测导电试样相连的电阻测量接触片连接到多通路数字万用表上，实时采集被测导电试样的电阻值，及其电阻值的变化情况；利用与试样夹具和多通路数字万用表来精确测量被测导电试样在疲劳过程中电阻的变化值，通过PC机实时采集多通路数字万用表中的数据， 实现实验过程中的自动化采集；当被测导电试样的电阻的增量达到起始电阻的30%时，定义为被测导电试样的断裂点；当被测导电试样电阻变化到无穷大时，PC机自动停止记录数据，并将之前的数据自动存盘。所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，通过设置函数发生器的参数， 使其产生多种疲劳加载的波形，对被测导电试样施加从拉_拉载荷到拉_压对称及非对称等的任意弯曲形式的疲劳载荷。本发明低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统中，所指的低维导电材料可以是通过各种目前已知的方法(物理或化学等技术)制备的有基体支持或无基体支持的导电单层或多层薄膜、箔类、二维薄板类材料或丝类导电材料等，各种可以使用该系统检测的材料为(1)各种金属丝材，以及外部做过绝缘处理的各种导电丝材，或者在绝缘丝材是外部做过导电处理的丝材；(2)或者是各种导电的金属箔类，或是在绝缘基体材料上制备的各种导电材料，或者金属多层膜材料；(3)或者是各种有压电效应的箔类材料，或是制备在绝缘基体材料上的各种压电膜，或者是有压电效应的膜，本发明可以用来测量其压电性能与评价其抗疲劳能力；⑷被检测丝材的尺寸为2mm到10 μ m,薄膜状材料总厚为2mm到10 μ m ； (5)如果被测材料的强度过高可以采用大的跨距。本发明中，(1)根据待测实验所需的跨距长度，选取样品的夹持深度与样品进入楔形槽的深度，控制跨距的精度为Iym; (2)链接夹头与多通路万用表，开启函数发生器，并设置好选取的波形；(3)同步调节功率放大器与测微器探头，使电磁转换器的达到所需的输出振幅；(4)开启控制软件开始自动记录数据，时间结束时停止实验；(5)通过有限元计算出实验时试样根部的应变大�。�(6)处理存储的电阻数据，当电阻增加到初始样品的1.3 倍时就可判读其已经发生疲劳断裂。本发明的特点在于1、本发明对被测导电试样施加更接近导电薄膜材料实际服役工况的弯曲疲劳载荷；2、对被测导电试样电阻值的测量精准。本发明测试方法摆脱了先前方法由于试样与弯曲应变疲劳试样夹具的接触问题无法解决而引起的电阻值测不准的弊端，通过全新设计的小尺度被测导电试样，试样制备简便，可以准确地测量试样电阻值及其变化；3、本发明通过调整数字函数发生器的输出波形参数，实现对试样施加任意的弯曲疲劳载荷；4、疲劳测试范围广。对被测导电试样施加疲劳载荷频率为0. 01 1000Hz，施加疲劳振幅在10 μ m 3mm范围，疲劳振幅测试精度高；5、被测导电试样制备简便。对于导电薄膜材料或箔，将其加工成测试系统允许的尺寸的被测导电试样尺度便可开展测试，丝材可以直接弯成U型后，再将两端固定于夹具上，便可对试样进行疲劳加载实验；6、本发明可以同时对多组被测导电试样进行弯曲疲劳实验。利用一台函数发生器与多个功率放大器并联，可以同时带动多个电磁驱动器。由于每个功率放大器的功率可以单独调节，并且互相无干扰，因此可以同时做多个不同振幅的疲劳实验；7、本发明利用多通路数字万用表对多组疲劳被测导电试样进行电阻的测量，再通过软件将测量数据导入PC机进行储存与分析；8、本发明所设计的小尺度导电动态弯曲疲劳实验系统，实施测试时简单易行，整套装置造价低廉，尤其适用于微悬臂梁类微小构件及材料；9、本发明所测试的薄膜或丝类材料为通过各种目前已知方法(物理和化学等技术)制备的有基体支持或无基体支持的导电单层或多层薄膜、箔类、二维薄板类材料或丝类导电材料等。具体描述如下(1)各种金属丝材，以及外部做过绝缘处理的各种导电丝材，或者在绝缘丝材是外部做过导电处理的丝材；(2)或者是各种导电的金属箔类，或是在绝缘基体材料上制备的各种导电材料，或者金属多层膜材料；(3)或者是各种有压电效应的箔类材料，或是制备在绝缘基体材料上的各种压电膜，或者是有压电效应的膜，本发明可以用来测量其压电性能与评价其抗疲劳能力；(4)被检测丝材的尺寸为2mm到10 μ m，薄膜状材料总厚为2mm到20 μ m ； (5)如果被测材料的强度过高可以采用大的跨距。总之，本发明提供了对各种微/纳电子机械系统用有基体支持和无基体支持的导电薄膜材料、集成电路用金属、非金属化互连体箔材料以及各种导电丝类材料进行动态弯曲疲劳性能测试的功能和测试方法，同时可以对被测试样电阻变化进行实时监测与分析记录。通过记录下的电阻可以准确的得到被测导电试样疲劳寿命、裂纹萌生与扩展寿命等信息。该系统可以同时对多个被测导电试样进行疲劳性能实验，并可同时对每个被测导电试样的电阻值进行实时记录与分析，实验操作简单快捷。
图1为小尺度导电材料动态弯曲疲劳性能测试系统的示意图。图中，1数字函数发生器；2功率放大器；3电磁转换器；4楔形槽震动杆；5被测导电试样；6试样夹具；7多通路数字万用表；8PC机；9螺旋测微器；10测微器探头；11楔形槽。图2(a)_(b)为小尺度被测导电试样与夹具的装配图。其中，图2(a)为主视图；图 2(b)为剖面图。图中，5-1小尺度被测导电试样；6-1夹具主体；6-2夹具上压片；6_3螺栓紧固件； 6-4电阻测量接触片。图3为实施例1中被测导电试样的电阻率与加载疲劳周次间的关系曲线。如其中弯曲疲劳寿命为77600周，如局部放大图所示，疲劳裂纹在第71800周萌生。图4为细铜丝被测导电试样与夹具的装配图。图中，5-2细铜丝被测导电试样；6-1夹具主体；6-2夹具上压片；6_3螺栓紧固件； 6-4电阻测量接触片。图5为电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详述本发明。如图1所示，本发明低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统由三部分组成(1) 电磁驱动部分；(2)疲劳加载与测量部分；(3)检测与记录部分。1、电磁驱动部分，包括数字函数发生器1、功率放大器2、电磁转换器3等，负责疲劳实验的驱动。数字函数发生器1的输出端连接功率放大器2，功率放大器2的输出端连接电磁转换器3，电磁转换器3的输出端连接疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆4。测试过程中，先由数字函数发生器1，产生疲劳实验中所用的模拟信号疲劳加载波形，再经过功率放大器2进行功率放大，将电信号传输给电磁转换器3，最终由电磁转换器3将电信号变成力学信号带动疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆4震动。2、疲劳加载与测量部分，包括楔形槽震动杆4、被测导电试样5、试样夹具6、螺旋测微器9和测微器探头10等，负责给被测导电试样施加弯曲疲劳载荷，并同时测量被测导电试样悬臂梁端的振幅。试样夹具6固定在三维移动机械架上，被测导电试样5通过试样夹具6固定架固定在高精度二维平台上，其位移精度为1 μ m，螺旋测微器9及测微器探头由其固定架固定在疲劳测试系统所在的高精度二维光学平台上，其位移精度为1 U m，楔形槽震动杆4的一端与电磁转换器3连接，由电磁转换器3带动，楔形槽震动杆4的另一端与螺旋测微器9的测微器探头10连接，楔形槽震动杆4上开有楔形槽11，被测导电试样5的一端固定在特殊设计的试样夹具6上，被测导电试样5的另一端伸至楔形槽11中，被测导电试样5通过固定在试样夹具6上的电阻测量接触片6-4的外引线与多通路数字万用表7相连。利用高精度螺旋测微器9前端连接的测微器探头10的移动来精确测量楔形槽震动杆 4的振幅，量程范围为1 μ m 4mm，测量精度为1 μ m。工作过程中，电磁转换器3驱动楔形槽震动杆4发生上下震动，从而带动嵌入楔形槽11中的被测导电试样5 —端产生往复震动；测微器探头10用于限制并测量楔形槽震动杆4的位移，从而测量被测导电试样5的震动振幅。如图2所示，典型箔及薄膜类小尺度被测导电试样与试样夹具的装配图，通过特殊设计的小尺度导电试样夹具6夹持不同形状规格的小尺度被测导电试样5-1的夹持端； 实验用试样夹具6由夹具主体6-1、夹具上压片6-2、螺栓紧固件6-3、两个电阻测量接触片 6-4组成，夹具主体6-1与夹具上压片6-2为不锈钢材料加工而成，并且通体进行绝缘处理， 小尺度被测导电试样5-1与试样夹具6通过螺栓紧固件6-3相连接，电阻测量接触片6-4 直接与小尺度被测导电试样5-1相连。夹具主体6-1的一端上表面开有台阶形结构，两个电阻测量接触片6-4的一端分别伸至台阶形结构底层的两边，小尺度被测导电试样5-1的一端伸至台阶形结构底层的中部；夹具上压片6-2压设于小尺度被测导电试样5-1和两个电阻测量接触片6-4顶部，并与夹具主体6-1的台阶形结构接合。如图4所示，典型丝材类被测导电试样与试样夹具的装配图，通过试样夹具6夹持不同形状规格的细铜丝被测导电试样5-2的夹持端；实验用试样夹具6由夹具主体6-1、夹具上压片6-2、螺栓紧固件6-3、两个电阻测量接触片6-4组成，夹具主体6-1与夹具上压片 6-2为不锈钢材料加工而成，并且通体进行绝缘处理，细铜丝被测导电试样5-2与试样夹具6通过螺栓紧固件6-3相连接，电阻测量接触片6-4直接与细铜丝被测导电试样5-2相连。3、检测与记录部分，包括多通路数字万用表7和与之相连的PC机8。多通路数字万用表7的一端连接被测导电试样5 (如小尺度被测导电试样5-1或细铜丝被测导电试样5-2)，多通路数字万用表7的另一端与PC机8相连，多通路数字万用表7用于实时检测被测导电试样5的电阻值，并将信号反馈给用于数据记录的PC机8。实验过程中，用导线把与被测导电试样5相连的电阻测量接触片6-4连接到多通路数字万用表7上，实时采集被测导电试样5的电阻值，及其电阻值的变化情况。利用与试样夹具6和多通路数字万用表7来精确测量被测导电试样5在疲劳过程中电阻的变化值， 通过PC机8实时采集多通路数字万用表7中的数据，实现实验过程中的自动化采集。当被测导电试样5的电阻的增量达到起始电阻的30%时，定义为被测导电试样5的断裂点；当被测导电试样5电阻变化到无穷大时，PC机8自动停止记录数据，并将之前的数据自动存
ο本发明所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，利用上述测试系统，具体步骤如下(1)预先测量被测导电材料的单轴的拉伸性能，获得其拉伸应力-应变曲线；
(2)根据试样原始长度及所需悬臂梁长度，选择被测导电试样在试样夹具端的夹持长度；
(3)通过调节固定在光学平台上的高精度二维平台，调整被测导电试样插入楔形槽震动杆的深度，使其达到实验所需要的跨距；(4)通过调节固定在光学平台上的高精度测微器与功率放大器，获得电磁转换器相应的振幅输出；(5)利用预先获得的拉伸应力-应变数据， 结合计算机有限元模拟，计算出被测导电试样在夹持端根部相对应的疲劳应变ε及其应力ο值；(6)采用多通路数字万用表，对被测导电试样的电阻值进行实时测量与记录；(7) 通过测量试样的实时电阻值，计算试样电阻变化率，获得电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线，从而得出试样的疲劳寿命与裂纹萌生及扩展的信息。本发明用有限元模拟计算出被测导电试样5根部所承受的最大应力与应变。通过对采集到随时间电阻变化的数据，计算出被测导电试样5的裂纹萌生寿命与总疲劳寿命。本发明利用多通路数字万用表检测并记录小尺度被测导电试样在整个疲劳过程中的不同的电阻值。可以通过设置函数发生器的参数，使其产生多种疲劳加载的波形，可以对小尺度被测导电试样施加从拉-拉载荷到拉-压对称及非对称等的任意弯曲形式的疲劳载荷。结合已有的悬臂梁弯曲疲劳测试系统，利用特殊设计的与异形试样相配套的夹具。本发明被测导电试样为有基底与无基底支持的各类导电薄膜、箔以及各种导电的丝材。本发明所测试的薄膜材料为通过各种物理和化学等技术制备在柔性基板上的导电薄膜与无支撑的导电箔或薄膜材料。实施例1将厚度为50 μ m的金属镍箔经过机械抛光与电解抛光，被测导电试样5厚度为 34 μ m，将其裁切成U型小尺度被测导电试样5-1，并将该试样固定在试样夹具6上，选取悬臂梁有效长度为3mm，试样与试样夹具6装置的装配图如图2所示。在疲劳实验之前利用单向拉伸实验获取镍箔的拉伸应力-应变曲线，以获得有限元模拟中的本构关系，利用本构关系计算出试样根部最大应变为1. 0921%。选取频率为50Hz的正弦波作为施载疲劳波形，试样振幅为2mm，采用拉压对称疲劳加载。由疲劳实验过程中测得的试样实时电阻值，计算出试样电阻的相对变化率，并获得电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线(如图3所示)，从曲线可见，当试样电阻变化率增大为30%时，作为试样电阻变化率发生突变，此时疲劳载荷循环周次为71800周，试样电阻值的突然增大，表明试样内部萌生的裂纹发生失稳扩展，定义为裂纹萌生寿命，当疲劳载荷循环80000周时试样发生疲劳断裂，因此试样的疲劳总寿命为80000周，疲劳裂纹的萌生寿命为第70000周。实施例2将直径为25 μ m的拉拔纯铜丝弯曲成弧形，并将其两端固定在夹具6上，选取细丝悬臂梁长度为3. 5mm，装配图如图4所示。在疲劳实验之前利用单向拉伸实验获取铜丝的拉伸应力-应变曲线，以获得有限元模拟中的本构关系，利用本构关系计算出试样根部最大应变为8. 5%。选取频率为50Hz的正弦波作为施载疲劳波形，试样的振幅为2mm，采用拉压对称疲劳加载。利用多通道数字万用表采集疲劳实验过程中试样的电阻值。由疲劳实验过程中测得的试样实时电阻值，计算出试样电阻的相对变化率，并获得电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线(如图5所示)，由于试样受弯曲疲劳载荷的作用，丝在被试样夹具6夹持的根部出现了疲劳侵入和挤出现象，最终导致其从根部断裂。从图5可见，当疲劳载荷循环周次为12500周时，试样的电阻变化率发生突变，试样电阻值发生突然增大，表明试样内部萌生的裂纹发生失稳扩展，在88500周时试样发生疲劳断裂，因此试样的疲劳总寿命为88500周，疲劳裂纹的萌生寿命为第12500周。实施例结果表明，本发明通过数字函数发生器产生疲劳加载波形，再经功率放大器放大，驱动电磁转换器驱动楔形槽震动杆震动，带动嵌入于楔形槽中的小尺度被测导电试样产生震动。试样的另一端固定在特殊设计的夹具上，夹具与多通路数字万用表连接，再利用PC机实时采集多通路数字万用表测量的试样电阻值数据。完成实验后，利用先前得到的应力应变曲线，通过有限元模拟计算获得悬臂梁试样夹持根部最大应力、应变值。最后通过记录下的电阻变化率曲线，得到疲劳裂纹萌生寿命与试样总疲劳寿命，从而实现了微尺度导电材料疲劳性能的测定。本发明可以更加准确的确定疲劳实验时总寿命与裂纹萌生寿命，实验操作简单快捷，且可对被测导电试样进行实时观测与分析。
权利要求
1.一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，其特征在于，该测试系统由三部分组成(1)电磁驱动部分；(2)疲劳加载与测量部分；(3)检测与记录部分；(1)电磁驱动部分，包括数字函数发生器、功率放大器、电磁转换器，数字函数发生器的输出端连接功率放大器，功率放大器的输出端连接电磁转换器，电磁转换器的输出端连接疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆；(2)疲劳加载与测量部分，包括楔形槽震动杆、被测导电试样、试样夹具、螺旋测微器和测微器探头，试样夹具固定在三维移动机械架上，被测导电试样通过试样夹具固定架固定在二维平台上，螺旋测微器及测微器探头由其固定架固定在疲劳测试系统所在的二维光学平台上，楔形槽震动杆的一端与电磁转换器连接，楔形槽震动杆的另一端与螺旋测微器的测微器探头连接，楔形槽震动杆上开有楔形槽，被测导电试样的一端固定在试样夹具上，被测导电试样的另一端伸至楔形槽中，被测导电试样通过固定在试样夹具上的电阻测量接触片的外引线与多通路数字万用表相连；(3)检测与记录部分，包括多通路数字万用表和与多通路数字万用表相连的PC机；多通路数字万用表的一端连接被测导电试样，多通路数字万用表的另一端与PC机相连。
2.按照权利要求1所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，其特征在于，利用螺旋测微器前端连接的测微器探头的移动来精确测量楔形槽震动杆的振幅，量程范围为 1 μ m 4mm，测量精度为1 μ m。
3.按照权利要求1所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，其特征在于，试样夹具包括夹具主体、夹具上压片、螺栓紧固件、电阻测量接触片，被测导电试样与试样夹具通过螺栓紧固件相连接，电阻测量接触片直接与被测导电试样相连。
4.按照权利要求3所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，其特征在于，夹具主体与夹具上压片为不锈钢材料加工而成，并且通体均进行绝缘处理。
5.按照权利要求3所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试系统，其特征在于，夹具主体的一端上表面开有台阶形结构，两个电阻测量接触片的一端分别伸至台阶形结构底层的两边，被测导电试样的一端伸至台阶形结构底层的中部；夹具上压片压设于被测导电试样和两个电阻测量接触片顶部，并与夹具主体的台阶形结构接合。
6.一种利用权利要求1所述测试系统的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，其特征在于，具体步骤如下(1)预先测量被测导电材料的单轴的拉伸性能，获得其拉伸应力-应变曲线；(2)根据试样原始长度及所需悬臂梁长度，选择被测导电试样在试样夹具端的夹持长度；(3)通过调节固定在光学平台上的二维平台，调整被测导电试样插入楔形槽震动杆的深度，使其达到实验所需要的跨距；(4)通过调节固定在光学平台上的测微器与功率放大器，获得电磁转换器相应的振幅输出；(5)利用预先获得的拉伸应力-应变数据，结合计算机有限元模拟，计算出被测导电试样在夹持端根部相对应的疲劳应变ε及其应力σ值；(6)采用多通路数字万用表，对被测导电试样的电阻值进行实时测量与记录；(7)通过测量试样的实时电阻值，计算试样电阻变化率，获得电阻变化率与所施疲劳载荷周次间的关系曲线，从而得出试样的疲劳寿命与裂纹萌生及扩展的信息。
7.按照权利要求6所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，其特征在于，测试过程中，数字函数发生器产生疲劳实验中所用的模拟信号疲劳加载波形，经过功率放大器进行功率放大，将电信号传输给电磁转换器，由电磁转换器将电信号变成力学信号带动疲劳加载与测量部分的楔形槽震动杆震动；工作过程中，电磁转换器驱动楔形槽震动杆发生上下震动，从而带动嵌入楔形槽中的被测导电试样一端产生往复震动；测微器探头用于限制并测量楔形槽震动杆的位移，从而测量被测导电试样的震动振幅。
8.按照权利要求6所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，其特征在于，多通路数字万用表用于实时检测被测导电试样的电阻值，并将信号反馈给用于数据记录的PC 机；实验过程中，用导线把与被测导电试样相连的电阻测量接触片连接到多通路数字万用表上，实时采集被测导电试样的电阻值，及其电阻值的变化情况；利用与试样夹具和多通路数字万用表来精确测量被测导电试样在疲劳过程中电阻的变化值，通过PC机实时采集多通路数字万用表中的数据，实现实验过程中的自动化采集；当被测导电试样的电阻的增量达到起始电阻的30%时，定义为被测导电试样的断裂点；当被测导电试样电阻变化到无穷大时，PC机自动停止记录数据，并将之前的数据自动存盘。
9.按照权利要求6所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，其特征在于，通过设置函数发生器的参数，使其产生多种疲劳加载的波形，对被测导电试样施加从拉_拉载荷到拉_压对称及非对称等的任意弯曲形式的疲劳载荷。
10.按照权利要求6所述的低维导电材料的弯曲疲劳可靠性测试方法，其特征在于，被测导电试样为有基底与无基底支持的各类导电薄膜、箔或各种导电的丝材。
全文摘要
本发明涉及对低维导电材料的疲劳性能测试系统和测试方法的建立，具体为一种低维导电材料的弯曲疲劳可靠性的测试系统和测试方法，解决现有技术中存在的对导电薄膜材料疲劳寿命测量误差大、无法准确测量裂纹的萌生寿命等问题。该测试系统由电磁驱动部分、疲劳加载与测量部分以及检测与记录部分组成，该系统提供了对各种材料进行动态弯曲疲劳性能测试的功能和测试方法，同时可以对被测试样电阻变化进行实时监测与分析记录。通过记录下的电阻可以准确的得到被测导电试样疲劳寿命、裂纹萌生与扩展寿命等信息。该系统可以同时对多个被测导电试样进行疲劳性能实验，并可同时对每个被测导电试样的电阻值进行实时记录与分析，实验操作简单快捷。
文档编号G01N3/60GK102364325SQ20111030275
公开日2012年2月29日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者宋竹满, 张广平, 张滨, 徐进 申请人:中国科学院金属研究所
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