衡翼新一代原位力學試驗機正在走進我們力學實驗室

一、什么是原位力學試驗機

原位力學試驗機是可同步完成材料力學加載 + 微觀表征觀測的專用設備，能夠在拉伸、壓縮、彎曲、疲勞、納米壓痕等力學加載過程中，全程保持樣品處于顯微鏡（掃描電鏡 SEM、透射電鏡 TEM、光學顯微鏡、原子力顯微鏡 AFM 等）觀測視場內，實現實時、動態、微觀尺度的力學行為觀測，不再是 “加載結束后再觀測” 的離線測試模式。

新一代機型相比傳統設備，主要升級點：

微型化、高精度加載模塊：微米 / 納米級位移控制、微小載荷精準測量，適配薄膜、纖維、微納試樣、復合材料、生物材料、金屬合金、陶瓷等小尺寸樣品

一體化集成設計：和電鏡 / 成像系統高度適配、真空適配、低震動干擾，減少觀測噪聲

多場耦合能力：可同步引入溫度、氣氛、腐蝕、電場 / 磁場環境，模擬真實服役工況

高速數據同步采集：力學曲線（載荷 - 位移、應力 - 應變）和顯微圖像 / 形貌 / 結構信息精準時序匹配，可追蹤裂紋擴展、位錯運動、相變演化、界面脫粘等微觀變形損傷機制

智能化控制：自動化程序加載、閉環反饋、實時數據可視化與后處理分析

二、對力學實驗室科研工作的價值

揭示微觀機理，突破傳統宏觀測試局限

傳統宏觀力學試驗只能得到整體應力應變曲線、強度、韌性等宏觀參數，無法解釋材料斷裂、疲勞失效、塑性變形背后的微觀根源。原位測試可直接看到：裂紋從哪里萌生、如何擴展、基體與填料界面如何脫粘、晶粒 / 相結構如何變形，建立微觀結構演化 — 宏觀力學性能的直接關聯，材料本構模型、斷裂機理研究。

支撐前沿材料研發

先進金屬、合金、3D 打印材料、陶瓷、半導體薄膜、柔性高分子、復合材料、仿生材料、儲能電極材料等新型材料開發與性能驗證

微尺度力學、損傷力學、斷裂力學、生物力學、計算力學驗證等基礎課題研究

航空航天、新能源、微電子、生物醫藥等關鍵領域材料服役可靠性評價

教學與人才培養體系

面向本科生 / 研究生開設材料力學、固體力學、實驗力學課程實驗、課程設計與畢業論文課題

直觀展示材料變形破壞全過程，把抽象的彈塑性、斷裂、疲勞理論具象可視化，提升實驗教學質量

培養精密實驗測試、微觀表征、多源數據融合分析的復合型實驗人才

提升實驗室平臺能力與對外服務能力

補齊微尺度原位力學表征短板，形成宏觀常規力學 + 微觀原位力學的完整測試體系，支撐高水平論文、基金項目、產學研檢測、校企合作課題。

三、面臨的挑戰與注意事項

操作門檻較高：需要兼顧力學加載參數調試、電鏡成像參數校準、震動 / 環境溫濕度 / 電磁干擾管控，避免影響測試精度

樣品制備要求嚴格：微試樣加工、夾持、引伸測量需要精細工藝，否則容易產生夾持誤差、提前失效

設備維護成本：精密傳動、傳感器、真空系統需定期校準維護，建立標準操作規程（SOP）

數據處理：多通道同步數據匹配、三維形變場（DIC 數字圖像相關）分析需要配套軟件與數據分析方法

四、可開展的典型試驗類型

原位單軸拉伸 / 壓縮、循環疲勞、蠕變、松弛、彎曲、剪切測試

原位納米壓痕、微柱壓縮、微梁彎曲，測量微區模量、硬度、斷裂韌性

結合 DIC 原位全場變形測量，獲得全場應變分布

高低溫 / 氣氛環境下原位腐蝕疲勞、熱 - 力耦合變形測試

原位觀測復合材料界面、涂層、薄膜、焊點的損傷演化