本發(fā)明屬于材料科學(xué)、控制工程和機(jī)械工程等多個(gè)交叉領(lǐng)域。具體的涉及一種面向微納米尺度軟物質(zhì)材料力學(xué)性能測(cè)試的多維度、高精度強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成在考慮溫度變化影響下軟物質(zhì)的拉壓、剪切、疲勞、蠕變等力學(xué)性能測(cè)試與材料光學(xué)觀(guān)察，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟物質(zhì)材料全方位的性能評(píng)估。

背景技術(shù)：

1、軟物質(zhì)材料擁有良好的柔韌性和可塑性，廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)品、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴技術(shù)、汽車(chē)電子、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域。作為核心材料之一，軟物質(zhì)在提供輕便、靈活和多功能特性的同時(shí)，滿(mǎn)足了現(xiàn)代技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)柔性化和設(shè)備輕量化的需求，使其在復(fù)雜的用戶(hù)操作環(huán)境中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著柔性電子、柔性傳感器、柔性?xún)?chǔ)能設(shè)備以及軟體機(jī)器人等前沿應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，也進(jìn)一步凸顯了軟物質(zhì)材料在未來(lái)技術(shù)革新中的重要性。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，軟物質(zhì)材料被廣泛應(yīng)用于柔性顯示、觸控面板和傳感器，實(shí)現(xiàn)了便攜性與智能化體驗(yàn)的結(jié)合；在醫(yī)療健康領(lǐng)域，智能貼片、柔性電子皮膚和生物傳感器能夠緊密貼合人體曲線(xiàn)，為個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)醫(yī)療提供更優(yōu)解決方案；在汽車(chē)電子和智能家居中，軟物質(zhì)材料更是推動(dòng)了人機(jī)交互的進(jìn)步，為智能化、個(gè)性化的生活方式創(chuàng)造了可能。此外，軟物質(zhì)材料在軟體機(jī)器人、仿生學(xué)、航空航天等新興領(lǐng)域的應(yīng)用，也展現(xiàn)了其強(qiáng)大的技術(shù)適應(yīng)性和廣泛的應(yīng)用潛力。

2、軟物質(zhì)材料在復(fù)雜力學(xué)工況中的長(zhǎng)期服役使其易發(fā)生蠕變、松弛和疲勞等性能衰退甚至失效行為，嚴(yán)重影響設(shè)備或產(chǎn)品的穩(wěn)定性和使用壽命。為確保產(chǎn)品和設(shè)備的質(zhì)量與可靠性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段對(duì)軟物質(zhì)材料的綜合性能進(jìn)行多維度的強(qiáng)化測(cè)試。通過(guò)多維度的力學(xué)性能測(cè)試分析，可為材料的選型和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，確保材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中都具有穩(wěn)定性和可靠性。

3、目前，軟物質(zhì)材料的性能檢測(cè)主要包括折疊測(cè)試、拉伸彎曲測(cè)試、耐刮擦測(cè)試和光學(xué)性能測(cè)試等手段。折疊測(cè)試通常用于模擬軟物質(zhì)材料在使用過(guò)程中的折疊和展開(kāi)，以評(píng)估其抗折強(qiáng)度和耐久性能。拉伸彎曲測(cè)試則用于表征材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能。耐刮擦測(cè)試則用于評(píng)估材料表面的耐磨損性能。光學(xué)性能測(cè)試則關(guān)注材料在光學(xué)特性方面的表現(xiàn)，如透明度、反射率等。面向軟物質(zhì)的多維高精度性能強(qiáng)化測(cè)試需求，現(xiàn)有性能檢測(cè)技術(shù)的不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4、（1）面向軟物質(zhì)性能測(cè)試中的多維性能測(cè)試需求。傳統(tǒng)測(cè)試方法僅為折疊測(cè)試、拉伸彎曲測(cè)試、耐刮擦測(cè)試和光學(xué)性能測(cè)試其中的一種，而軟物質(zhì)實(shí)際使用工況較為復(fù)雜，通常同時(shí)受到拉壓、剪切、疲勞和蠕變等多種復(fù)雜力學(xué)工況的綜合作用，導(dǎo)致現(xiàn)有方法無(wú)法全面反映其真實(shí)性能，且現(xiàn)有測(cè)試手段只能在單一恒定溫度下測(cè)試，無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度連續(xù)可調(diào)的可變工況測(cè)試，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際工況的準(zhǔn)確性和一致性受到嚴(yán)重影響。

5、（2）面向軟物質(zhì)性能測(cè)試中的高精度和高穩(wěn)定性測(cè)試需求。現(xiàn)有測(cè)試手段位移精度僅為毫米級(jí)，載荷精度也無(wú)法滿(mǎn)足高精度測(cè)試要求，此外，設(shè)備本身的振動(dòng)對(duì)測(cè)試過(guò)程的干擾顯著，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集純凈度不足和信號(hào)失真嚴(yán)重，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差較大，嚴(yán)重影響后續(xù)基于數(shù)據(jù)的精確分析和可靠性研究。

6、（3）面向軟物質(zhì)性能測(cè)試中的動(dòng)態(tài)觀(guān)察與實(shí)時(shí)調(diào)控需求?，F(xiàn)有測(cè)試手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟物質(zhì)材料在測(cè)試過(guò)程中形變程度的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，也無(wú)法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)時(shí)調(diào)控，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和可調(diào)控的雙重要求，影響測(cè)試的整體精確性和可靠性。

7、專(zhuān)利cn119198370a公開(kāi)了一款具有原位高溫加載裝置的力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，可幫助研究人員更準(zhǔn)確地評(píng)估材料在高溫下的性能表現(xiàn)，指導(dǎo)新材料的開(kāi)發(fā)，但其只能對(duì)試樣進(jìn)行微拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)試手段單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多維度的力學(xué)性能測(cè)試。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明致力于開(kāi)發(fā)一種面向軟物質(zhì)的多維高精度性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備多維度、多方向的測(cè)試功能，可以在考慮溫度變化影響下對(duì)軟物質(zhì)進(jìn)行拉壓、剪切、疲勞、蠕變等多種力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟物質(zhì)材料全方位的性能評(píng)估。此外，該系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)功能，通過(guò)顯微圖像采集器等方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程，并配備數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、處理和分析，大幅提高了試驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)還具備精確的載荷位移控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軟物質(zhì)施加不同方向的載荷，并可根據(jù)需求靈活調(diào)節(jié)載荷和位移，提供高度定制化的測(cè)試方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明致力于解決微納米尺度下軟物質(zhì)材料性能測(cè)試中的維度單一、精度與穩(wěn)定性不足、無(wú)法實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)與精準(zhǔn)調(diào)控等方面問(wèn)題，提供一種面向軟物質(zhì)的多維高精性能強(qiáng)化測(cè)試的新方案。實(shí)現(xiàn)對(duì)軟物質(zhì)的多維性能評(píng)測(cè)，提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的精度與穩(wěn)定性，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速分析與精準(zhǔn)調(diào)控。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種面向微納尺度軟物質(zhì)的多維力學(xué)性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)，所述多維力學(xué)性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)包括四大部分：軟物質(zhì)試樣承載單元0502、載荷施加單元0503、光學(xué)觀(guān)測(cè)單元和上位機(jī)系統(tǒng)0501。軟物質(zhì)試樣承載單元0502包括上鏡片組件0101、下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106、溫控單元0505；載荷施加單元0503包括六維力傳感器0107及三維微納米掃描臺(tái)0104；光學(xué)觀(guān)測(cè)單元包括光學(xué)顯微鏡0109及可調(diào)光源0110。所述的上位機(jī)系統(tǒng)0501為集成儲(chǔ)存、計(jì)算、顯示功能的計(jì)算機(jī)程序，包含數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理模塊和自主分析模塊。

4、所述上鏡片組件0101包含上鏡片0301、上鏡片壓環(huán)0302、上蓋板0304、支撐塊0103和底板0105。上鏡片0301的周向通過(guò)上鏡片壓環(huán)0302固定于上蓋板0304的下表面，上鏡片0301用于對(duì)軟物質(zhì)試樣0504施加壓力；上蓋板0304對(duì)上鏡片0301起到支撐和固定作用；支撐塊0103的上下兩端分別用于連接上蓋板0304和底板0105，提供穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)；底板0105與支撐塊0103剛性連接，構(gòu)成整體框架。

5、進(jìn)一步地，所述的上鏡片0301與上鏡片壓環(huán)0302之間設(shè)置上鏡片橡膠墊0307。

6、進(jìn)一步地，所述的支撐塊0103的上下兩端分別通過(guò)墊片0305、圓頭內(nèi)六角螺栓b0306與上蓋板0304和底板0105固定。

7、進(jìn)一步地，所述的上鏡片壓環(huán)0302通過(guò)圓頭內(nèi)六角螺栓a0303連接上蓋板0304的下表面。

8、所述下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106包含下鏡片0409、下鏡片加熱環(huán)0410、下鏡片壓環(huán)0411、隔熱片0408、加熱片0407、下鏡片承載板0401、下鏡片托盤(pán)0402、精密螺紋副0404、楔形塊0403。下鏡片承載板0401位于整個(gè)下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106的最下方，內(nèi)部開(kāi)設(shè)圓柱槽，用于容納整個(gè)下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106，起到支撐整個(gè)下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106的作用，并通過(guò)其他部件實(shí)現(xiàn)微調(diào)功能；下鏡片托盤(pán)0402位于下鏡片承載板0401上方，下鏡片承載板0401的圓柱槽、下鏡片托盤(pán)0402的中心均開(kāi)設(shè)通孔，下鏡片托盤(pán)0402的上表面與下鏡片0409底面貼合，下表面上沿周向均勻開(kāi)設(shè)若干徑向的斜面槽，斜面角度與楔形塊0403的斜面角度一致，二者斜面貼合。楔形塊0403處于斜面槽中，楔形塊0403的平面、下鏡片托盤(pán)0402的下表面均與下鏡片承載板0401的圓柱槽的槽底底面貼合。下鏡片0409是承載軟物質(zhì)試樣0504的底部鏡片。楔形塊0403的長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)螺紋孔，與精密螺紋副0404的螺紋相配合，螺紋副堵頭0405與精密螺紋副0404外端固定，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋副堵頭0405，使得楔形塊0403向內(nèi)、向外沿著下鏡片托盤(pán)0402的斜面槽移動(dòng)，進(jìn)而向上或向下推動(dòng)下鏡片托盤(pán)0402移動(dòng)，下鏡片托盤(pán)0402的向上向下移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)下鏡片0409移動(dòng)。楔形塊0403與精密螺紋副0404的配合還能實(shí)現(xiàn)下鏡片0409的角度微調(diào)，確保下鏡片0409上表面與上鏡片0301的下表面平行，從而使軟物質(zhì)試樣0504受力均勻；下鏡片加熱環(huán)0410緊密貼合于下鏡片0409周向，用于對(duì)下鏡片0409加熱，以調(diào)節(jié)軟物質(zhì)試樣0504的溫度；加熱片0407緊密貼合于下鏡片加熱環(huán)0410；隔熱片0408位于加熱片0407外部，用于隔離熱量，防止傳熱至其他部件；橡膠墊0412緊密貼合于隔熱片0408外面；下鏡片壓環(huán)0411安裝于下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106整體的最上方，通過(guò)螺紋與下鏡片承載板0401連接，用于保持部件穩(wěn)定。

9、進(jìn)一步地，圓柱銷(xiāo)0406下端穿過(guò)六維力傳感器0107的孔，上端穿過(guò)下鏡片承載板0401、下鏡片托盤(pán)0402的孔，用于下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106與六維力傳感器0107之間的定位。

10、所述溫控單元0505用于調(diào)節(jié)和維持軟物質(zhì)試樣0504的測(cè)試溫度，包含溫度傳感器、加熱裝置、溫度控制器。溫度傳感器設(shè)置于下鏡片0409與下鏡片加熱環(huán)0410之間，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)下鏡片0409和軟物質(zhì)試樣0504的溫度，確保溫度控制的準(zhǔn)確性；加熱裝置中的加熱片0407與下鏡片加熱環(huán)0410相連，加熱片0407升溫后通過(guò)下鏡片加熱環(huán)0410傳熱至下鏡片0409，使軟物質(zhì)試樣0504達(dá)到并維持所需的測(cè)試溫度；隔熱片0408用來(lái)防止不必要的熱傳導(dǎo)，確保溫控的精準(zhǔn)性；溫度控制器分別與溫度傳感器、加熱裝置相連，根據(jù)溫度傳感器的溫度反饋，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱裝置的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

11、通過(guò)各組件的協(xié)同工作，滿(mǎn)足了軟物質(zhì)性能測(cè)試中的高精度和高穩(wěn)定性需求。上鏡片組件0101和下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106確保試樣在測(cè)試過(guò)程中的位置精度和受力均勻，溫控單元0505則確保試樣在所需溫度條件下進(jìn)行測(cè)試，最終保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

12、下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106、六維力傳感器0107、六維力傳感器托板0108、三維微納米掃描臺(tái)0104從上往下依次固定，且固定后的整體位于上蓋板0304和底板0105之間，三維微納米掃描臺(tái)0104固定于底板0105上，通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)0501控制三維微納米掃描臺(tái)0104中執(zhí)行面的三維移動(dòng)，能夠帶動(dòng)下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106、六維力傳感器0107、六維力傳感器托板0108的三維移動(dòng)，進(jìn)而改變軟物質(zhì)試樣承載單元0502對(duì)測(cè)試的軟物質(zhì)試樣0504的拉、壓和剪切力的變化。軟物質(zhì)試樣0504所受的各項(xiàng)力信號(hào)再由六維力傳感器0107檢測(cè)后反饋到上位機(jī)系統(tǒng)0501，最終由上位機(jī)系統(tǒng)0501根據(jù)用戶(hù)所需的力學(xué)加載要求來(lái)調(diào)整和控制三維微納米掃描臺(tái)0104的執(zhí)行面移動(dòng)。

13、光學(xué)顯微鏡0109位于上鏡片組件0101的上方，用于觀(guān)察軟物質(zhì)試樣0504在受力或外界條件影響下的形變與微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合ccd（電荷耦合器件）實(shí)時(shí)捕捉微觀(guān)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟物質(zhì)試樣0504的精確觀(guān)測(cè)。軟物質(zhì)試樣承載單元0502與載荷施加單元0503為中空結(jié)構(gòu)，底板0105的底部可調(diào)光源0110的光線(xiàn)能夠從底板0105底部穿過(guò)為軟物質(zhì)試樣0504打光，以確保光學(xué)顯微鏡0109能夠清晰觀(guān)察到軟物質(zhì)試樣0504的形變。可調(diào)光源0110允許調(diào)整光的強(qiáng)度、亮度和光譜特性，從而優(yōu)化軟物質(zhì)試樣0504的照明條件，減少反射或過(guò)度曝光的情況，確保了軟物質(zhì)試樣0504的良好成像效果。

14、所述的軟物質(zhì)試樣承載單元0502、載荷施加單元0503的外部設(shè)置外殼0102。

15、數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理算模塊能夠?qū)αS力傳感器0107、溫度傳感器采集到的載荷、位移、溫度、軟物質(zhì)試樣0504的形變?cè)紨?shù)據(jù)進(jìn)行降噪、濾波、歸一化預(yù)處理操作，確保數(shù)據(jù)的高純凈度和低失真率，并將數(shù)據(jù)可視化顯示與生成報(bào)告，用于后續(xù)分析。自主分析模塊能針對(duì)不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)時(shí)分析軟物質(zhì)試樣0504在動(dòng)態(tài)受力、多維度變化中的表現(xiàn)。上位機(jī)系統(tǒng)0501通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)態(tài)調(diào)整能實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試流程的閉環(huán)控制，根據(jù)軟物質(zhì)試樣0504的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)調(diào)整測(cè)試參數(shù)，能在多變的工況條件下完成測(cè)試。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、該多維力學(xué)性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)浳镔|(zhì)施加微小且快速變化的三維軸向力與切向力，以模擬實(shí)際使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)加載情況，并可進(jìn)行連續(xù)變化溫度條件下的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)軟物質(zhì)材料的多維性能測(cè)試，更真實(shí)反應(yīng)軟物質(zhì)在實(shí)際服役工況中的性能表現(xiàn)。

18、該多維力學(xué)性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)可通過(guò)下鏡片微調(diào)機(jī)構(gòu)組件0106對(duì)下鏡片0409進(jìn)行亞微米級(jí)別的位置和角度高精度調(diào)整，從而可適應(yīng)不同厚度的軟物質(zhì)試樣0504，并可保證試樣的受力均勻，為微納米尺度軟物質(zhì)材料測(cè)試提供精度保障，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中試樣的受力狀態(tài)精確可控，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。

19、該多維力學(xué)性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)能夠在高頻率下對(duì)軟物質(zhì)的動(dòng)態(tài)演變行為進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的加速試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)軟物質(zhì)試樣的強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以降低整體測(cè)試時(shí)間，提高評(píng)估效率。

20、該多維力學(xué)性能強(qiáng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中空結(jié)構(gòu)的軟物質(zhì)試樣承載單元0502和載荷施加單元0503，光源光線(xiàn)可從裝置底板處穿過(guò)上鏡片0301、下鏡片0409及軟物質(zhì)試樣0504，從而能夠從顯微圖像采集器中清晰觀(guān)察到試樣的疲勞測(cè)試情況；基于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自處理算法，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析及測(cè)試方案實(shí)時(shí)調(diào)控，顯著提升測(cè)試的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，確保測(cè)試過(guò)程中的每一步都能夠被精確監(jiān)控和調(diào)整。