材料力学性能直接影响着机械元件的服役性能和使用寿命。近年来，对材料力学性能的研究呈现多样化和复杂化，随着科学技术的发展，材料微观力学的研究越来越受到国内外学术界的关注。材料宏观失效破坏源于微观的变形损伤。传统的材料力学性能测试方法有拉伸、硬度测量、疲劳试验等，但这些方法难以发现材料的微观变形和损伤机制。随着科学技术的发展和电子显微学技术的进步，原位纳米力学测试技术应用而生，其中原位纳米压痕由于试件制作简易、测试参数多而备受关注。但目前针对原位纳米压痕测试技术与装备的研究才刚刚开始，有关关键技术与装备设计分析的研究鲜有报道，针对这种现状，结合国家科技项目，开展本文的研究。论文针对原位纳米压痕测试技术进行多种分析的基础上提出一种新型原位纳米压痕/划痕测试装置，并且试制了样机。可实现金刚石压头与试样的粗调整，压头对试件的精密压入，以及压入力和压入深度的精密检测，结合检测控制系统和程序得到压痕曲线。首先，论文对国内外纳米压痕/划痕测试技术的研究进展进行了详细分析，并且分析了该项技术对国家科技及军事技术的重要性，说明了自主研究开发此类装置具有非常重要的意义和价值。介绍了构成原位纳米压痕/划痕测试装置的关键组成部分：精密驱动单元、精密检测传感器、精密传动单元，通过对各种精密驱动器的对比分析，选择了具有良好机电耦合特性的压电叠堆作为装置的精密驱动单元；针对位移和力载荷信号的检测，通过对比分析选择电阻应变片作为力和位移信号检测单元；在精密驱动单元和划痕微动台中关键的传动机构采用柔性铰链结构形式。对测试装置的机械结构进行了细致的设计和分析。利用有限元分析软件ANSYS对关键元件进行了静力学分析和模态分析，证实所设计的零件力学特性安全可靠。在此基础上以压电叠堆为精密驱动元件、以柔性铰链作为传动单元实现精密压入，在柔性铰链弹性体上粘贴应变片的方式检测位移和力载荷，通过步进电机实现粗调整的纳米压痕/划痕测试装置，结合扫描电子显微镜（SEM）实现原位监测，在设计过程中严格控制各个结构的尺寸，建立了总体尺寸为124mm×58mm×44mm的三维模型。利用激光测微仪和砝码对应变片式检测单元进行了标定试验，结合激光测微仪对装置的三个柔性铰链单元进行了输出特性的测试，从试验得知X、Y、Z向柔性铰链的最大输出位移分别为3.98μm、4.36μm、11.04μm。由原位纳米压痕/划痕测试装置、压电叠堆及其压电驱动电源、步进电机、微信号放大器、稳压电源、数据采集卡、电脑组成了原位纳米压痕/划痕测试系统。对试制的样机进行性能测试，实验表明该装置的精密驱动单元在压入试样的过程中载荷分辨率为1mN，位移分辨率为100nm，最大输出位移为11.04μm；划痕的两个方向最大输出位移分别为3.98μm、4.36μm。此外，试验测得研制的测试装置其测试结果具有较好的重复性。最后，利用研制的原位纳米压痕/划痕测试系统对单晶硅、氧化铟锡(Indium-Tin Oxide，ITO)透明导电玻璃、H-K9L玻璃试样进行了压痕测试，可以进行材料微观力学性能的测试，验证了研制装置的可用性。