专利名称：微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种外加电势情况下用于微纳摩擦测试方法及装置，尤其是涉及一种微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置。
背景技术：
传统的控制摩擦技术主要是通过摩擦副材料的合理配伍和润滑实现的。这些方法的不足之处是不能在摩擦副实际工作状态下实时和在线地改变摩擦系数的大小。近年来国内外一些研究人员在探索利用电、磁、超声波等影响摩擦副的摩擦行为。用电场控制摩擦磨损过程起源于20世纪50年代，用磁场的控制技术起源于1968年印度学者的研究，用超声波的主动控制技术开始日本学者的20世纪90年代的超声波电机和导轨的研究。但是，上述摩擦学性能的主动控制方法主要针对宏观意义上的摩擦副研究，并不适合于微观摩擦学的需要。随着微机电系统(MEMS)应用日益广泛，其体现出来的摩擦磨损问题也越来越突出。控制改善微机械表面特性是改善其微摩擦学性能的有效途径，通过表面纳米膜(或涂层)可以大幅降低磨损与粘着现象发生，从而提高微机械的使用寿命。在最近几年国内外陆续报道了一种减摩抗磨的新方法，即在材料表面进行微纳米织构处理。在干摩擦条件下， 微纳米织构能储存摩擦磨损过程中产生的磨屑或微颗粒，从而降低摩擦并减小磨损。而在润滑介质条件下，滑动表面上分布的微结构能形成动压润滑膜，具有良好的减摩抗磨效应。 因此，微纳摩擦测试及主动控制对于评估这些微纳织构表面的摩擦学性能有重要意义。然而现有摩擦磨损实验设备，如销盘式摩擦磨损试验机、四球摩擦磨损试验机等不适合对微纳米织构表面进行摩擦学测试，同时也不能对摩擦学性能进行主动的控制。通过微球与微纳米织构之间的纳牛级力加载、摩擦力测试及主动电控对微纳米织构表面性能测试及控制方面的专利和研究论文还尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够对微纳米织构表面进行微纳摩擦学性能测定及主动控制的微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置。本发明的目的是这样实现的该摩擦方法包括前期准备、恒压力加载、电控信号输入和摩擦力检测，具体步骤以下
前期准备首先准备好进行电控摩擦学性能测试用的样品，所述的样品上带有微米织构、亚微米织构或纳米织构，将样品置于样品台上；然后把带有球形针尖的探针安装到探针架上；最后建立微纳米织构电控摩擦测试装置，所述的微纳米织构电控摩擦测试装置包括摩擦力检测�？楹偷缈匦藕攀淙肽？椋Σ亮觳饽？楹偷缈匦藕攀淙肽？樗承蛄樱�
恒压力加载首先调整探针架的高度至球形探针与样品表面相接触；然后，通过计算机系统施加于压电陶瓷扫描器的电压值调整压电陶瓷扫描器的伸长量，压电陶瓷扫描器的伸长带动样品的上升，从而导致球形探针悬臂的变形，根据悬臂的变形量和悬臂的力学常熟可以确定球形探针和样品间压力的大�。馐钡难沽χ刀杂Φ牡缪怪瞪瓒ㄎΣ敛馐怨讨胁慰嫉悖蛔詈螅Σ亮Σ馐怨讨校捎谘沸蚊驳钠鸱贾绿秸氡湫瘟康母谋洌佣谋淞搜沽Φ拇笮。耸蓖ü南笙薰獾缣讲馄骷觳庖蛐郾湫我鸬姆瓷涔馕恢帽浠卸ㄌ秸氲谋湫瘟浚藕沤心Ｊ笥氩慰嫉憬斜冉希俳钪到惺Ｗ痪糯笃鞣糯螅佣沟缣沾缮杵魇凳钡淖龀龅髡３盅沟缣沾缮杵鞯牡髡胙沸蚊财鸱剑佣Ｖぱ泛吞秸爰浜阊沽Φ奈榷釉兀�
电控信号输入将计算机系统通过数据线与电化学工作站相连，电化学工作站的正极与微安表相连，微安表与导电探针架相连；电化学工作站的负极与电阻、样品台、样品依次相连；电化学工作站、微安表、探针架、探针、样品、样品台、电阻构成了一个闭合回路。电化学工作站可以通过计算机系统实现直流、交流、正向脉冲、反向脉冲、不同频率脉冲、正负交替脉冲、三角形波、方形波、正弦波的电压信号输入；摩擦力测试过程中，通过改变计算机系统上电压信号，可以实时的对摩擦力进行调整，从而控制样品和探针间的摩擦状态；
摩擦力检测首先，测试用激光器发出的光入射到探针背面，反射后光斑落在四象限光电探测器的中心位置；然后，在摩擦力检测过程中，探针和样品之间相对运动，压力的变化、 电压输入信号的变化引起探针悬臂的扭曲，光斑就会偏离四象限光电探测器的中心位置； 将该信号输入计算机系统进行计算后得出摩擦力的大小。为了实现上述三大功能，本发明的织构电控摩擦测试装置，它包括摩擦力检测�？楹偷缈匦藕攀淙肽？椋Σ亮觳饽？楹偷缈匦藕攀淙肽？樗承蛄樱凰龅哪Σ亮觳饽？榘す馄鳌⑺南笙薰獾缣讲馄�、计算机系统、压电陶瓷扫描器和样品台，激光器、四象限光电探测器、计算机系统、压电陶瓷扫描器和样品台顺序连接；探针的导电球形针尖与探针悬臂的一端粘结在一起，探针的另一端夹持在探针架上，同时探针架、微安表、电化学工作站、电阻、样品依次相连，样品带有织构的一面与探针相接触；电化学工作站通过数据线与计算机系统相连接，实现了摩擦力测试过程中电压信号的输入。有益效果，由于采用了上述方案，在对微纳织构样品表面进行电控摩擦测试时，提高了样品织构与探针间压力的稳定控制，实现了不同类型电压信号的输入，获得了微纳织构表面摩擦力的动态调控。首先是摩擦力的动态调控。采用电控方法对高速运转的摩擦副进行瞬时的实时响应，从而对摩擦副摩擦性能的快速调节，实现微纳织构表面摩擦力的动态调控。其次是电压信号输入多样性。电化学工作站可以输入直流、交流、正向脉冲、反向脉冲、不同频率脉冲、正负交替脉冲、三角形波、方形波、正弦波不同种类的电压信号，因此可以对摩擦副间的摩擦状态进行多状态的调节。同时，在摩擦副对摩过程中，摩擦力受不同频率及其幅值的自生电势的影响，通过调节电压信号输入的参数，可以抵消摩擦副自生电势对摩擦力的影响。再次是样品织构与探针间压力的稳定控制。在本发明中，样品微纳米织构和探针之间的压力由探针悬臂的力学常数和变形量决定。在摩擦力测试过程中，微小的形变量和精密的检测反馈控制，使得该装置能同时测量微毫牛级的摩擦力和法向载荷，而且具有较高的载荷加载分辨率。同时，本发明中的微球探针可以替换选择不同直径的微球，因此可以探讨微球直径对摩擦力的影响，研究微纳米织构和微球的相互作用过程。能够实现微纳米织构表面摩擦性能的精密测试与动态控制，达到了本发明的目CN 102426134 A
说明书
3/5的。优点本发明构思新颖，测试方便、精度高，采用微纳米织构电控摩擦测试装置对微纳米织构表面进行摩擦性能测试操作简单、易于控制；应用范围广，可以对带有微米、亚微米、纳米等的织构表面进行摩擦性能的精密测试，同时可以对摩擦过程进行调控。
图1是本发明微纳米织构电控摩擦测试装置方案图。图2是本发明微纳织构样品与球形探针结构示意图。图3是本发明恒压力加载工作流程图。图中，1、激光器；2、四象限光电探测器；3、计算机系统；4 ；压电陶瓷扫描器；5、样品台；6、样品；7、探针；8、探针架；9、微安表；10、电化学工作站；11、电阻；6-1、样品基体； 6-2、微纳织构；7-1、探针微球；7-2、探针悬臂；8-1、探针托架；8_2、导轨。
具体实施例方式实施例1 该摩擦方法包括前期准备、恒压力加载、电控信号输入和摩擦力检测， 具体步骤以下
前期准备首先准备好进行电控摩擦学性能测试用的样品，所述的样品上带有微米织构、亚微米织构或纳米织构，将样品置于样品台上；然后把带有球形针尖的探针安装到探针托架上；最后建立微纳米织构电控摩擦测试装置，所述的微纳米织构电控摩擦测试装置包括摩擦力检测�？楹偷缈匦藕攀淙肽？椋Σ亮觳饽？楹偷缈匦藕攀淙肽？樗承蛄樱�
恒压力加载首先调整探针架的高度至球形探针与样品表面相接触；然后，通过计算机系统施加于压电陶瓷扫描器的电压值调整压电陶瓷扫描器的伸长量，压电陶瓷扫描器的伸长带动样品的上升，从而导致球形探针悬臂的变形，根据悬臂的变形量和悬臂的力学常熟可以确定球形探针和样品间压力的大�。馐钡难沽χ刀杂Φ牡缪怪瞪瓒ㄎΣ敛馐怨讨胁慰嫉悖蛔詈螅Σ亮Σ馐怨讨校捎谘沸蚊驳钠鸱贾绿秸氡湫瘟康母谋洌佣谋淞搜沽Φ拇笮。耸蓖ü南笙薰獾缣讲馄骷觳庖蛐郾湫我鸬姆瓷涔馕恢帽浠卸ㄌ秸氲谋湫瘟浚藕沤心Ｊ笥氩慰嫉憬斜冉希俳钪到惺Ｗ痪糯笃鞣糯螅佣沟缣沾缮杵魇凳钡淖龀龅髡３盅沟缣沾缮杵鞯牡髡胙沸蚊财鸱剑佣Ｖぱ泛吞秸爰浜阊沽Φ奈榷釉兀�
电控信号输入将计算机系统通过数据线与电化学工作站相连，电化学工作站的正极与微安表相连，微安表与导电探针架相连；电化学工作站的负极与电阻、样品台、样品依次相连；电化学工作站、微安表、探针架、探针、样品、样品台、电阻构成了一个闭合回路。电化学工作站可以通过计算机系统实现直流、交流、正向脉冲、反向脉冲、不同频率脉冲、正负交替脉冲、三角形波、方形波、正弦波的电压信号输入；摩擦力测试过程中，通过改变计算机系统上电压信号，可以实时的对摩擦力进行调整，从而控制样品和探针间的摩擦状态；
摩擦力检测首先，测试用激光器发出的光入射到探针背面，反射后光斑落在四象限光电探测器的中心位置；然后，在摩擦力检测过程中，探针和样品之间相对运动，压力的变化、 电压输入信号的变化引起探针悬臂的扭曲，光斑就会偏离四象限光电探测器的中心位置； 将该信号输入计算机系统进行计算后得出摩擦力的大小。
为了实现上述三大功能，本发明的专用装置为微纳米织构电控摩擦测试装置，所采用的技术方案是
探针的导电球形针尖与探针悬臂的一端粘结在一起，探针的另一端夹持在探针架上， 探针架可以随着导轨上下移动，同时探针架、微安表、电化学工作站、电阻、样品依次相连， 样品带有织构的一面与探针相接触；电化学工作站通过数据线与计算机系统相连接，从而实现了摩擦力测试过程中电压信号的输入。检测用激光器发出的光入射到探针悬臂的背面，反射到四象限光电探测器上，四象限光电探测器与计算机系统相连，计算机系统计算得出摩擦力大小；同时计算机系统对探针起伏信号进行处理。计算机系统与压电陶瓷扫描器相连，将处理的探针起伏信号处理后控制压电陶瓷扫描器的伸缩和扫描。压电陶瓷扫描器的顶端与样品台连接，样品台上放置有待测样品。用于具有微纳米织构表面的摩擦学测试及动态调控的专用装置是微纳米织构电控摩擦测试装置，微纳米织构电控摩擦测试装置主要包括摩擦力检测�？楹偷缈匦藕攀淙肽？椋Σ亮觳饽？楹偷缈匦藕攀淙肽？樗承蛄�。所述的摩擦力检测�？榘す馄�1、四象限光电探测器2、计算机系统3、压电陶瓷扫描器4、样品台5，激光器1、四象限光电探测器2、计算机系统3、压电陶瓷扫描器4和样品台5顺序连接，摩擦力检测�？槲惺鄄�。所述的电控信号输入�？榘ㄑ�6、探针7、探针架8、微安表9、电化学工作站 10、电阻11，样品6、探针7、探针架8、微安表9、电化学工作站10、电阻11顺序连接；电化学工作站10与摩擦力检测�？橹械募扑慊低�3相连；样品6由样品基体6-1和微纳织构
6-2两部分组成；探针7由探针微球7-1和探针悬臂7-2两部分组成，探针微球7-1与探针悬臂7-2连接，探针悬臂的7-2另端与探针托架8-1连接；探针架8由探针托架8-1和导轨 8-2两部分组成，探针托架8-1与导轨8-2连接；微安表9和电化学工作站10为市售产品。该装置主要包括两大部分摩擦力检测模块和电控信号输入�？�。摩擦力检测�？橹饕迪帜Σ敛馐怨讨醒泛吞秸胫溲沽Φ目刂坪湍Σ亮Φ牟馐裕坏缈匦藕攀淙肽？橹饕迪帜Σ敛馐怨讨醒泛吞秸胫涞缈匦藕诺氖淙�。对于本发明，在测试前首先建立微纳米织构电控摩擦测试装置，将带有微纳织构的样品6放置在样品台5上，将自制的导电微球探针安装到探针架8上，打开激光器1，在四象限光电探测器2的辅助下调整好探针7的姿态，调节探针架8的上下位置使探针7与样品6接触，通过计算机系统3设置探针 7和样品6之间的压力，通过计算机系统3辅助设置电化学工作站10的电压类型。在摩擦力测试过程中，样品6的平面扫描范围和速度通过计算机系统3控制压电陶瓷扫描器4来实现，因样品6形貌起伏导致的探针压力变化通过激光器1、四象限光电探测器2、计算机系统3控制压电陶瓷扫描器4的Z向伸缩进行反馈调节，从而保持探针7与样品6之间压力的恒定。电化学工作站10提供摩擦力测试过程中的控制电压，电阻11可以调节回路中电流的大�。脖�9测试回路中的电流。样品6和探针7之间的摩擦力通过激光器1、四象限光电探测器2、计算机系统3进行实时检测。样品6由样品基体6-1和微纳织构6-2组成，探针7由探针微球7_1和探针悬臂
7-2组成，探针微球7-1与探针悬臂7-2连接，探针微球7-1与微纳织构6_2搭接，探针悬臂的7-2另端与探针托架8-1连接；探针架8由探针托架8-1和导轨8-2两部分组成，探针托架8-1与导轨8-2连接；。样品基体6-1、微纳织构6-2、探针微球7_1、探针悬臂7_2、探针托架8-1、微安表9、电化学工作站10、电阻11、样品基体6-1依次连接。探针微球7-1和探针悬臂7-2是粘结而成，根据实验的不同需要可以选择不同材料和直径的探针微球。
权利要求
1.一种微纳米织构表面的电控摩擦方法，其特征是该摩擦方法包括前期准备、恒压力加载、电控信号输入和摩擦力检测，具体步骤以下前期准备首先准备好进行电控摩擦学性能测试用的样品，所述的样品上带有微米织构、亚微米织构或纳米织构，将样品置于样品台上；然后把带有球形针尖的探针安装到探针架上；最后建立微纳米织构电控摩擦测试装置，所述的微纳米织构电控摩擦测试装置包括摩擦力检测�？楹偷缈匦藕攀淙肽？椋Σ亮觳饽？楹偷缈匦藕攀淙肽？樗承蛄樱缓阊沽釉厥紫鹊髡秸爰艿母叨戎燎蛐翁秸胗胙繁砻嫦嘟哟ィ蝗缓螅ü扑慊低呈┘佑谘沟缣沾缮杵鞯牡缪怪档髡沟缣沾缮杵鞯纳斐ち浚沟缣沾缮杵鞯纳斐ご返纳仙佣贾虑蛐翁秸胄鄣谋湫危菪鄣谋湫瘟亢托鄣牧ρСＪ梢匀范ㄇ蛐翁秸牒脱芳溲沽Φ拇笮。馐钡难沽χ刀杂Φ牡缪怪瞪瓒ㄎΣ敛馐怨讨胁慰嫉悖蛔詈螅Σ亮Σ馐怨讨校捎谘沸蚊驳钠鸱贾绿秸氡湫瘟康母谋洌佣谋淞搜沽Φ拇笮。耸蓖ü南笙薰獾缣讲馄骷觳庖蛐郾湫我鸬姆瓷涔馕恢帽浠卸ㄌ秸氲谋湫瘟浚藕沤心Ｊ笥氩慰嫉憬斜冉希俳钪到惺Ｗ痪糯笃鞣糯螅沟缣沾缮杵魇凳钡淖龀龅髡３盅沟缣沾缮杵鞯牡髡胙沸蚊财鸱剑Ｖぱ泛吞秸爰浜阊沽Φ奈榷釉兀坏缈匦藕攀淙虢扑慊低惩ü菹哂氲缁Чぷ髡鞠嗔缁Чぷ髡镜恼胛脖硐嗔脖碛氲嫉缣秸爰芟嗔坏缁Чぷ髡镜母杭氲缱�、样品台、样品依次相连；电化学工作站、微安表、探针架、探针、样品、样品台、电阻构成了一个闭合回路；电化学工作站可以通过计算机系统实现直流、交流、正向脉冲、反向脉冲、不同频率脉冲、正负交替脉冲、三角形波、方形波、正弦波的电压信号输入；摩擦力测试过程中，通过改变计算机系统上电压信号，实时对摩擦力进行调整，控制样品和探针间的摩擦状态；摩擦力检测首先，测试用激光器发出的光入射到探针背面，反射后光斑落在四象限光电探测器的中心位置；然后，在摩擦力检测过程中，探针和样品之间相对运动，压力的变化、 电压输入信号的变化引起探针悬臂的扭曲，光斑就会偏离四象限光电探测器的中心位置； 将该信号输入计算机系统进行计算后得出摩擦力的大小。
2.一种微纳米织构表面的电控摩擦装置，其特征是它包括摩擦力检测�？楹偷缈匦藕攀淙肽？椋Σ亮觳饽？楹偷缈匦藕攀淙肽？樗承蛄樱凰龅哪Σ亮觳饽？榘す馄鳌⑺南笙薰獾缣讲馄�、计算机系统、压电陶瓷扫描器和样品台，激光器、四象限光电探测器、计算机系统、压电陶瓷扫描器和样品台顺序连接，探针的导电球形针尖与探针悬臂的一端粘结在一起，探针的另一端夹持在探针架上，同时探针架、微安表、电化学工作站、电阻、样品依次相连，样品带有织构的一面与探针相接触；电化学工作站通过数据线与计算机系统相连接，以此实现摩擦力测试过程中电压信号的输入。
全文摘要
一种微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置，属于微纳摩擦测试方法及装置。该摩擦方法为前期准备、恒压力加载、电控信号输入和摩擦力检测；装置为探针的导电球形针尖与探针悬臂的一端粘结在一起，探针的另一端夹持在探针架上，探针架可以随着导轨上下移动，同时探针架、微安表、电化学工作站、电阻、样品依次相连，样品带有织构的一面与探针相接触；电化学工作站通过数据线与计算机系统相连接，实现了摩擦力测试过程中电压信号的输入。优点测试方便、精度高，采用微纳米织构电控摩擦测试装置对微纳米织构表面进行摩擦性能测试操作简单、易于控制；应用范围广，对微米、亚微米、纳米等的织构表面进行摩擦性能的精密测试，对摩擦过程进行调控。
文档编号G01N3/56GK102426134SQ20111037499
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者周龙鹏, 朱华, 杨海峰, 郝敬斌 申请人:中国矿业大学
专业数控铣床产品供应商
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