介观尺度测试系统——μTS

介观尺度测试系统——μTS

μTS介观尺度测试系统——光学显微镜和DIC数字图像相关技术的结合，可以满足纳米级精度测量需求。光学显微镜受可见光波长限制分辨率只能达到250nm，由于DIC技术具有强大图像处理能力可以准确实现0.1像素位移测量，因此μTS显微测试系统的分辨率可达到25nm。

在光学显微镜下材料的原位加载实验中，最大挑战在于加载过程产生的离面位移，高分辨率位移场需要高放大倍数显微镜，意味着景深很小，几微米的离面位移就会造成显微镜失焦。μTS显微测试系统针对离面位移有特殊设计，有效地控制了离面位移对实验结果影响（专利：US008966992B2）。

一、填补宏观与微观之间的介观尺度空白

μTS是独特的介于纳米压头和宏观万能加载系统之间尺度的微型万能材料试验系统，可通过数字图像相关软件（DIC）和显微镜相结合的非接触式测量来获取局部的应变场数据。系统拥有超过6个量级的长度尺度，是验证连续介质模型的有效工具。通过DIC技术和优化后的光学显微镜，在力学试验中得到的位移场可以控制到0.1个像素的分辨率，位移场最多可以达到25nm的分辨率，应变场分辨率可达到0.01%。

二、连续介质模型验证——为各向异性材料有限元分析提供多尺度测试

在有限元分析中，假定材料的力学性能是均匀一致的，以此来设定网格单元的尺寸，并且得到合理的计算次数。以一个层合板复合材料为例，有限元分析会假定每层材料均为一致的且是各向异性的。对层合板做试验，需在多个方向上试验。如果层合板做了改进或者材料模型发生了变化，就需要重新做试验来重新定义材料特性。多尺度的测量可以帮助我们更好地理解纤维之间以及纤维和基体之间的相互作用。通过更小尺度的测量，任何复合材料的连续性质均可模型化，跳过了多余的试验步骤，加快构件开发速度。此外，能更好地理解微尺度下材料的相互作用以及破坏机理，从根本上促进材料科学的发展。

三、微尺度试样测试——降低材料开发成本

对于新型材料的研究和发展，因为纳米颗粒增强复合材料的成本太高，不会大批量生产全部尺度的ASTM标准样件。如果采用传统狗骨形试件进行试样测试，试验成本会非常高。当试样数量有限时，μTS结合DIC应变测量技术可以进行微尺度试样测量并得到高质量的数据。

四、高分辨率载荷与位移测量

Psylotech公司使用的电容载荷传感器灵敏度比传统应变计传感器高很多。此载荷传感器具有超高的灵敏度和相似的信号噪声比，分辨率是应变计传感器的100倍，即量程为1600N的载荷的分辨率能达到mN级。高分辨率的传感器解决了低载荷试验要额外配置小量程载荷传感器的困扰，节省了载荷安装和调整的时间，大大提升实验效率。

Psylotech公司在十字头夹具上装配电感式位移传感器来直接测量局部应变，测量分辨率可达纳米级别，可以近距离的测量很小的位移。系统两端的支柱均可根据试件上的标距做调整，支柱长度可根据需要订做。

五、滚珠丝杠伺服驱动与多模式加载

μTS采用的滚珠丝杠传动具有摩擦小且直接驱动的特点，更容易控制精密运动，并且包含8个速度等级。滚珠丝杠伺服驱动器在峰值速度下的表现近似于伺服液压控制实验效果，μTS对于阶梯荷载以及载荷控制试验都能实现有效控制。本系统同样适用于十字头位移控制或者电机驱动轴位置控制。可调整的工作台能够保证在试验过程中，分析区域一直处于显微镜物镜视野范围中心。用户设置一个可调整的比例，软件可以据此控制十字头，从而实现该功能。

六、温度环境扩展

温度箱可以提供-100℃至200℃的试验环境并进行精确的DIC分析、载荷以及十字头位移测量。温度精度与稳定性小于0.5℃，并且在几分钟内就可以达到全部范围的设定温度。液氮系统集成了一个高流量鼓风机，可以确保试件表面各个位置均匀受热。

特征与好处

                                                    特征                                                                                                                 好处

专为光学显微镜与DIC技术耦合设计，位移分辨率25nm，应变分辨率0.01%                     突破光学衍射极限，实现纳米级精度原位力学测试

专利离面位移控制技术                                                                                                                高倍显微镜下加载过程不失焦，确保DIC分析有效进行

超过6个量级的长度尺度，多载荷配置（100N-10kN）                                                            覆盖从蠕变爬行到接近高应变率的加载速度，适配多种材料与测试场景

电容式载荷传感器，分辨率是应变计传感器的100倍                                                           无需为低载荷测试单独配置小量程传感器，节省换装和校准时间

电感式位移传感器直接测量局部应变，分辨率达纳米级别                                                    精准捕捉试样标距段内的微小变形

滚珠丝杠伺服驱动，8个速度等级，阶梯荷载与载荷控制                                                    接近伺服液压控制的动态性能，适配蠕变、疲劳、应力松弛等多种测试

可调工作台配合软件自动控制十字头                                                                                   确保分析区域始终位于显微镜物镜视野中心，避免手动调整的繁琐和误差

温度箱-100℃至200℃，几分钟达到设定温度                                                                   模拟材料在极端服役温度下的力学行为

提供LabVIEW接口及源代码，含闭环控制                                                                           高级用户可定制专属测试方案，满足前沿研究需求