1、项目研究背景

（1）国内外的研究现状及研究意义

双轴拉伸试验经过了单轴拉伸试验、冲模式双轴拉伸试验、薄膜凸胀双轴拉伸试验、压力容器双轴拉伸试验和目前最受重视的十字型试件双向拉伸试验的发展过程。1995年Lin研发的双轴拉伸测试仪器采用竖向布局，减小平面内弯矩，但在垂直方向会受到重力影响。1998年Kuwabara 研制的双轴拉伸仪器增加平行四边形连杆机构，保证在试验过程中试件中心的对中性。2005年Fraunhofe研发了安装在压缩试验机上的双轴拉伸装置，夹头上装有力传感器和位移传感器，可实现闭环控制。

我国上世纪 80年代初研制双轴拉伸试验仪器。1987年李冈陵团队自主研发机械式双向拉伸试验机，能实现双轴应力比为1:1和2:1的针对材料进行双轴拉伸测试试验。2000年北航研发了采用液压控制系统的双轴拉伸测试系统。2012年北方工业大学研发的双轴拉伸测试仪器，采用全闭环控制系，能够实现四轴同步加载，并且通过改变两个方向的应力加载比例实现比例可变的双向拉伸试验机测试系统。

随着材料测试新技术的发展，应用于微小结构的材料力学性能的小型化原位力学性能测试仪器问世，其结构紧凑、测试精度和分辨率更高、动态响应快等的特点使其能与显微成像系统有效结合。材料原位力学性能测试仪器与显微成像的兼容使用，能在力学性能测试的过程中动态监测载荷作用下材料的微观变形损伤机制和性能演化规律，对于揭示材料的损伤机理、通过微观形貌研究宏观性能有着重要的研究价值。

2008年，上海交通大学刘瑞等利用 CCD 观测方法并结合拉伸测试仪器对金属薄膜的力学性能进行了研究；2012年，Namazu等人研发了一套基于压电驱动原理驱动的双轴拉伸测试装置；2013 年，吉林大学马志超设计制造了数台可以结合电子显微镜和光学显微镜使用的原位拉伸测试装置；2014年，Geandier等人开发了一台小型化的原位双轴拉伸测试装置，针对多晶薄膜式样进行研究。

（2）项目已有的基础

1）项目组同学已经对双轴拉伸装置各部分机构原理进行了充分的探索研究。

2）盐城工学院模具智能制造研究院能够为项目的实施提供基本的设备和场所。

3）项目小组成员素养良好，具有一定的研发能力和团队协作精神。

（3）与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

本项目已经熟悉各种类型的拉伸装置的工作原理、机械结构、基本参数，对研究对象进行了建模和仿真。

（4）已具备的条件

1）我们已经通过建模仿真得到了所需的各种仿真数据。

2）有设计制造的经验，对市场需求有足够的了解。

2、项目研究目标及主要内容

（1）项目研究目标

薄膜材料服役时受载荷与热场的耦合作用，反映出复杂的损伤演变规律。单轴拉伸只能测试单一方向上的力学性能，不能满足各向异性材料的测试要求。双轴拉伸可以在经、纬方向同时施加载荷，能满足各种材料的试验要求，为薄膜材料的工程设计与应用、可靠性评估提供参考。

（2）项目研究的主要内容

通过对薄膜材料双轴拉伸原位微观力学性能测试仪进行细化研究，我们将主要的研究内容分为一下几个方面

1）锥齿轮组的精度要求；

2）电机、力及位移传感器分辨率的选择；

3）上位机电机驱动与控制算法的设计；

4）装配时仪器的同轴度要求；

5）外观设计。

     3、研究思路

    装置由电气和机械部分组成。电气部分为装置提供动力，实现电机正反转、调速及测试数据采集，包括上位机控制平台、电机与控制器、信号采集模块；机械部分用于实现双轴拉伸同步加载、应力与热场耦合以及与显微镜结合实现对材料微观损伤的原位监测等，主要包括锥齿轮组、专用夹具、加热模块、导向机构等。

     4、项目创新特色概述

    1）同步加载。由锥齿轮组传动保证双轴拉伸的同步性；

    2）专用夹具。使试样装夹规整、受力均匀，减少损伤

    3）实现双轴载荷与热场的耦合加载，为研究薄膜材料在不同温度下的力学性能提供测试方法；

    4）原位监测。与光学仪器集成，实现对材料损伤演变的实时实地连续监测。

    5）基于虚拟仪器的设计方法，利用LabVIEW程序设计语言完成测试仪的上位机控制软件的设计。

      1）操作系统 

    采用LabVIEW程序设计语言完成测试仪的上位机控制软件的设计，实现机电一体化。

    2）动力系统

    采用SGM7P-04A旋转型伺服电机作为动力源保证整体动力需求。

    3）传动系统

    传动系统由大锥齿轮、小锥齿轮、滚珠丝杠、丝杠螺母和直线导轨组成。

    4）夹持系统

    夹持系统包括夹具体、夹具压板和固定销组成。采用简便可行的两块基板夹具，在基板上设有增加摩擦力的网格纹，增大了对薄膜材料的抓紧力，同时设有圆柱销对薄膜材料的双重定位，以确保定位得可靠性准确性，没有冗杂的定位夹紧机构而造成薄膜材料的测试前损伤。