电磁式微扭矩材料试验机研制及其实验技术研究

Torsion tester is a universal instrument for inspecting the torsion mechanical properties of materials. However, for the torsion tests of micro-scale materials, the torque involved is so small that the traditional torsion tester can't satisfy the test due to its bad resolution. It is urgent to develop a universal torsion tester with excellent resolution based on new principle to accommodate the basic research, advanced technology and engineering applications. In this project,a new micro-torsion tester with excellent torque resolution will be developed based on electromagnetism for measuring 10^(-7)Nm torque(or less); a specialized calibration method and device will be studied to achieve traceable torque; some typical tests will be conducted with reliable analysis of the dynamics model,axial force, and other influencing factors, to develop a feasible and reliable micro-torsion testing technique. Through above work, a universal instrument with scientific connotation can be developed to promote the technology of experimental mechanics and provide a technical support for scientific research and engineering applications.

扭转试验机是对材料进行扭转力学性能测试的一种通用型工具。但是微尺度材料的扭转实验往往涉及10^(-7)Nm甚至更小扭矩的测试，传统扭转试验机受扭矩分辨能力的限制难以满足测试需要。因此迫切需要采用新的测量原理研制具有高分辨能力的、通用型扭转试验机，满足基础研究、前沿技术和工程应用等领域对微尺度扭转实验技术的需求。 本申请拟采用电磁驱动兼扭矩计量原理，研制高分辨率的微扭矩材料试验机，实现10^(-7)Nm甚至更小扭矩的施加和计量；研究专用的校准方法和装置，发展可溯源的扭矩校准技术；在此基础上通过典型实验，分析轴向力等影响因素，发展技术可行、数据可靠的微尺度扭转实验技术。 通过上述工作，研制具有科学内涵的通用型仪器，推动国内力学实验技术的发展，为科研和工程应用提供有力的技术支撑。

扭转可以创造出剪切应力环境，对金属玻璃剪切流变机制、纳米晶力学行为以及柔性电子器件等相关问题研究具有重要的意义。然而，微尺度材料的扭转实验技术却是目前极为稀缺的技术。由于涉及10^(-3)Nm以下 微小扭矩的测量和控制，技术难度大，目前尚无商业化仪器可供选择。本项目针对微尺度材料的扭转测试需求，采用电磁驱动和扭矩测量功能集成的设计原理，研制了分辨率10^(-8)Nm的微扭矩材料试验机，发展了可追溯至电子天平的微小扭矩校准技术，校准结果显示仪器达到了预期设计要求。通过改进的扭摆实验技术验证了本项目自主研制仪器的可靠性。通过细铜丝、金属玻璃丝等典型实验，研究了仪器测试系统动力学响应特性，研究轴向力、同轴度等因素对测试结果的影响，发展可靠的数据分析方法，检验了仪器的综合使用效能。上述工作研制的仪器，设计原理完全不同于传统宏观尺度材料试验机以及国外同行，在技术指标上和美国Sandia国家实验室处于同一水平，这不仅提升了我国自主研制仪器的技术能力，还可以满足物理、材料、力学等领域的测试需求，为这些领域的发展提供技术保障。