CN102706765A - 高速冲击薄膜摩擦学试验机及评价薄膜冲击摩擦性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有新型结构的高速冲击薄膜摩擦学试验机，包括由高精度气悬浮电机构成的高速旋转薄膜样品台，悬臂梁定位装置、安装在悬臂梁前端的冲击摩擦对偶样，和用于监测冲击摩擦对偶样与薄膜样品间距离的显微镜构成的冲击运动系统，以及由多普勒激光测振仪和声波测振仪传感器构成的信号采集系统。与现有技术相比，本发明的冲击薄膜摩擦学试验机能够在超高速运动和超轻冲击载荷条件下精确评价微米/纳米尺度薄膜的冲击摩擦性、耐久寿命和接触力特征等性能。

Description

高速冲击薄膜摩擦学试验机及评价薄膜冲击摩擦性的方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料表面的冲击摩擦性能评估技术领域，尤其涉及一种能在超高速运动和超轻载荷条件下精确评价微/纳米尺度薄膜冲击摩擦性能的试验装置，以及利用该试验装置评价薄膜冲击摩擦性能的方法，该试验装置能在微牛载荷范围和高达50m/s的旋转速度下测试薄膜冲击摩擦、耐久寿命、接触力特征、流动和自修复性。

背景技术

目前，微/纳米尺度的超硬薄膜和润滑剂薄膜已经广泛应用于微机电系统（MEMS）、超高密度磁盘、卫星器件等高技术领域。而在这些器件中许多相对运动副都处于微/纳间隙下的超高频率振动和滑动混合接触状态，这就需要对应用于这些器件中的超薄润滑膜进行冲击摩擦性能和耐久寿命的评估。在国内，公知的薄膜摩擦试验机主要是用于在毫牛、牛级载荷和较低速运动下对润滑膜进行常规摩擦磨损性能评价，而国外的一些摩擦试验机虽然可以在微牛级低载荷下评价纳米尺度薄膜的摩擦学性能，但运动速度一般都不是很高，也无法评价在微小器件中常见的薄膜冲击摩擦性能。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述薄膜摩擦试验机的技术现状，提供一种新型结构的薄膜冲击摩擦性能评价装置，不仅能在超高旋转运动速度和超轻载荷下评价微/纳米尺度薄膜的冲击摩擦性能，同时还能获得薄膜的耐久寿命、接触力特征、流动和自修复性，以解决目前公知摩擦试验机不能同时在超高运动速度（~50m/s）和超轻载荷（微牛级）条件下评价微/纳米尺度薄膜的冲击摩擦学性能的问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种高速冲击薄膜摩擦学试验机，主要由高速旋转薄膜样品台、冲击运动系统以及信号采集系统构成；

所述的高速旋转薄膜样品台由高精度气悬浮电机构成，待测薄膜样品套接在该气悬浮电机的转子上，所述的转子的上部凹槽设有负压孔，用于动态吸住旋转薄膜样品；

所述的冲击运动系统包括悬臂梁定位装置、安装在悬臂梁前端的冲击摩擦对偶样夹具以及冲击摩擦对偶样夹具夹持的冲击摩擦对偶样，以及用于监测冲击摩擦对偶样与薄膜样品间距离的显微镜；

所述的悬臂梁定位装置包括沿水平面滑移的一维滑移台；安装在一维滑移台上、沿垂直方向升降的垂直升降台；安装在一维滑移台上、沿垂直方向升降的手动微调升降台；与垂直升降台相连接、平行于水平面的第一支架；通过纳米级伸缩压电陶瓷管与第一支架相连接、平行于水平面的第二支架；安装在第二支架前端的悬臂梁；与手动微调升降器相连接、平行于水平面的第三支架；以及分别安装在第二支架和第三支架后端的纳米电容传感器；

所述的信号采集系统包括多普勒激光测振仪和声波测振仪传感器；多普勒激光测振仪设置在冲击摩擦对偶样的正上方一定位置处，用于非接触式采集冲击振动的频谱信号；声波测振仪传感器位于冲击摩擦对偶样上方，并且与冲击摩擦对偶样的上表面接触，用于接触式采集冲击振动的频谱信号。

作为优选，所述的高速旋转薄膜样品台安装在减振底座上。

作为优选，所述的显微镜为CCD显微镜，进一步优选所述的显微镜安装在可转动调节位置的多自由度显微镜支架上。

作为优选，所述的高精度气悬浮电机的转速稳定性小于0.001%，轴向和径向旋转误差小于5微米。

作为优选，所述的冲击摩擦对偶样是冲击小球；作为进一步优选，所述的冲击小球通过冲击小球夹具与悬臂梁相连接，声波测振仪传感器位于冲击小球夹具内并且与冲击小球上表面接触。

利用本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机评价薄膜冲击摩擦性能的方法包括如下步骤：

步骤1、初始化：

将薄膜样品套接在气悬浮电机的转子上，调节一维滑移台和垂直升降台，通过显微镜监测，使冲击摩擦对偶样位于薄膜样品正上方，并且与薄膜样品上表面保持一微小间距；

调节手动微调升降台，减小电容传感器上下电极板的间距，使电容传感器处于灵敏测量状态；

调整多普勒激光测振仪的激光头，使其位于冲击摩擦对偶样夹具的正上方，并且与冲击摩擦对偶样夹具保持一定距离，使激光头发射出的激光能垂直照射在冲击摩擦对偶样夹具上表面的反射膜上；

步骤2、冲击摩擦实验：

启动气悬浮电机，负压孔动态吸附高速旋转的薄膜样品，纳米级伸缩压电陶瓷管驱动冲击摩擦对偶样撞击高速旋转薄膜样品，撞击瞬间产生的振动波经冲击摩擦对偶样传给接触式声波测振仪传感器，同时，多普勒激光测振仪被触发，通过多普勒激光的频移现象非接触采集冲击摩擦对偶样的振动信号，从而获得不同薄膜在高速冲击作用下的特殊摩擦性。

综上所述，本发明提供的高速冲击薄膜摩擦学试验机借助气悬浮电机的超高速旋转，高精度悬臂梁定位装置中一维滑移台、垂直升降台、手动微调升降台、纳米级电容传感器对冲击摩擦对偶样的精确定位，纳米级伸缩压电陶瓷管对冲击摩擦对偶样的冲击驱动，以及声波测振仪传感器和多普勒激光测振仪相结合的探测手段，能够在超高旋转速度和超轻载荷下评价微/纳米尺度薄膜的冲击摩擦性能。同时，从连续冲击实验过程中还能获得薄膜的耐久寿命、接触力特征、流动和自修复性。另外，本发明提供的高速冲击薄膜摩擦学试验机结构紧凑，精度高，功能扩展性强。

附图说明

图1是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的立体结构示意图；

图2是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的正视图；

图3是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的的侧视图；

图4是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的俯视图；

图5是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的高速旋转薄膜样品台结构示意图；

图6是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的悬臂梁定位和冲击运动系统示意图；

图7是本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机的悬臂梁局部放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1-7中的附图标记为：1、气悬浮电机，2、负压孔，3、薄膜样品，4、平面滑移台，5、垂直升降台，6、手动微调升降器，7、悬臂梁，8、纳米级伸缩压电陶瓷管，9、电容传感器，10、冲击小球夹具，11、声波测振仪传感器，12、冲击小球，13、多普勒激光测振仪的激光头，14、旋转铰链，15、多自由度显微镜支架，16、位移旋钮，17、CCD显微镜，18、第一支架，19、第二支架，20、第三支架。

本实施例中，高速冲击薄膜摩擦学试验机主要由高速旋转薄膜样品台、冲击运动系统以及信号采集系统构成。

如图5所示，高速旋转薄膜样品台是由高精度气悬浮电机1构成，该气悬浮电机1的转子上部凹槽中设有负压孔2。待测薄膜样品3套接在该气悬浮电机1的转子上部，凹槽中的负压孔2用于动态吸住旋转薄膜样品3。由于稳定气流支撑电机转子，使其处于悬浮无端摩擦状态。负压孔2采用抽气的方式形成气体负压，从而直接动态吸住旋转薄膜样品3。该气悬浮电机1的转速稳定性小于0.001%，轴向和径向旋转误差小于5微米，薄膜样品台的旋转速度可以高达15000转/分。由于不存在机械加持产生的应力，极大地减小了旋转薄膜样品3在垂直于旋转面的方向的波动。

如图1、2、6与7所示，冲击运动系统包括悬臂梁定位装置，安装在悬臂梁前端的冲击小球夹具10，冲击小球夹具10夹持着冲击小球，以及用于监测冲击小球12与薄膜样品3间距离的CCD显微镜17。

悬臂梁定位装置包括一维滑移台4、垂直升降台5、手动微调升降器6、悬臂梁7、纳米级伸缩压电陶瓷管8，以及纳米电容传感器9。其中，一维滑移台4能够沿水平面滑移；垂直升降台5安装在一维滑移台4上，能够沿垂直方向升降；手动微调升降器6安装在一维滑移台4上，能够沿垂直方向升降；垂直升降台4与第一支架18相连接，并且第一支架18平行于水平面；平行于水平面的第二支架19通过纳米级伸缩压电陶瓷管与第一支架18相连接；悬臂梁7安装在第二支架19的前端；手动微调升降器6与第三支架20相连接，并且第三支架20平行于水平面；第二支架19和第三支架间安装有纳米电容传感器9；纳米电容传感器9的上电极板与第二支架19的后端相连接，纳米电容传感器9的下电极板与第三支架20相连接；悬臂梁7的前端安装用于夹持冲击小球12的冲击小球夹具10。

CCD显微镜17安装在可转动调节位置的多自由度显微镜支架15上，并可以旋转位移旋钮16调节CCD显微镜17的前后位置。

如图1、2、3与7所示，信号采集系统包括多普勒激光测振仪13和声波测振仪传感器11；多普勒激光测振仪13安装在可自由调节位置的旋转铰链14里，其激光头位于冲击小球夹具10的正上方位置。声波测振仪传感器11安装在冲击小球夹具10内冲击小球12上方，并且紧贴冲击小球12。

利用本实施例中的高速冲击薄膜摩擦学试验机评价薄膜冲击摩擦性能的方法包括如下步骤：

（1）初始化：

将待测薄膜样品3放置在气悬浮电机1的转子上部凹槽中，调节一维滑移台4和垂直升降台5，通过CCD显微镜17监测，使冲击小球12位于薄膜样品3的正上方，并且与薄膜样品3的上表面保持一微小间距；

调节手动微调升降器6，减小纳米电容传感器9上下电极板的间距，使纳米电容传感器9处于灵敏测量状态；

调整多普勒激光测振仪13的激光头，使其位于冲击小球夹具10的正上方，并且与冲击小球夹具保持一定距离，使激光头发射出的激光能垂直照射在冲击小球夹具10上表面的反射膜上；

（2）冲击摩擦实验：

启动气悬浮电机1，负压孔2动态吸附薄膜样品3使其高速旋转，纳米级伸缩压电陶瓷管8驱动冲击小球12撞击高速旋转薄膜样品3，撞击瞬间产生的振动波经冲击小球12传给接触式声波测振仪传感器11，同时，多普勒激光测振仪13被触发，通过多普勒激光的频移现象非接触采集冲击小球12的振动信号，从而获得不同薄膜在高速冲击作用下的特殊摩擦性。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速冲击薄膜摩擦学试验机，其特征是：主要由高速旋转薄膜样品台、冲击运动系统以及信号采集系统构成；

所述的高速旋转薄膜样品台由高精度气悬浮电机（1）构成，待测薄膜样品（3）套接在气悬浮电机（1）的转子上部，所述的气悬浮电机（1）的转子上部的凹槽中设有负压孔（2），用于动态吸住旋转薄膜样品；

所述的冲击运动系统包括悬臂梁定位装置、安装在悬臂梁前端的冲击摩擦对偶样夹具以及冲击摩擦对偶样夹具夹持的冲击摩擦对偶样，以及用于监测冲击摩擦对偶样与薄膜样品（3）间距离的显微镜（17）；

所述的悬臂梁定位装置包括沿水平面滑移的一维滑移台（4）；安装在一维滑移台（4）上、沿垂直方向升降的垂直升降台（5）；安装在一维滑移台（4）上、沿垂直方向升降的手动微调升降器（6）；与垂直升降台（5）相连接、平行于水平面的第一支架（18）；通过纳米级伸缩压电陶瓷管（8）与第一支架（18）相连接、平行于水平面的第二支架（19）；安装在第二支架前端的悬臂梁（7）；与手动微调升降器（6）相连接、平行于水平面的第三支架（20）；以及分别安装在第二支架和第三支架（19）后端的纳米电容传感器（9）；

所述的信号采集系统包括多普勒激光测振仪（13）和声波测振仪传感器（11）；多普勒激光测振仪（13）位于冲击摩擦对偶样夹具的正上方一定距离处，用于非接触式采集冲击振动的频谱信号；声波测振仪传感器（11）位于冲击摩擦对偶样上方并且与冲击摩擦对偶样的上表面接触，用于接触式采集冲击振动的频谱信号。

2.根据权利要求1所述的高速冲击薄膜摩擦学试验机，其特征是：所述的高速旋转薄膜样品台安装在减振底座上。

3.根据权利要求1所述的高速冲击薄膜摩擦学试验机，其特征是：所述的显微镜为CCD显微镜，并且安装在可转动调节位置的多自由度显微镜支架（13）上。

4.根据权利要求1所述的高速冲击薄膜摩擦学试验机，其特征是：所述的高精度气悬浮电机（1）的转速稳定性小于0.001%，轴向和径向旋转误差小于5微米。

5.根据权利要求1所述的高速冲击薄膜摩擦学试验机，其特征是：所述的冲击摩擦对偶样是冲击小球（12），所述的冲击小球（12）通过冲击小球夹具（10）与悬臂梁（7）相连接。

6.利用权利要求1至5中任一权利要求所述的高速冲击薄膜摩擦学试验机评价薄膜冲击摩擦性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：将待测薄膜样品（3）套接在气悬浮电机（1）的转子上部，调节一维滑移台（4）和垂直升降台（5），通过显微镜（17）监测，使冲击摩擦对偶样位于薄膜样品正上方，并且与薄膜样品（3）上表面保持一微小间距；

调节手动微调升降器（6），减小纳米电容传感器（9）的上下电极板的间距，使纳米电容传感器（9）处于灵敏测量状态；

调整多普勒激光测振仪（13）的激光头，使其位于冲击摩擦对偶样夹具的正上方一定距离处，使激光头发射出的激光能垂直照射在冲击摩擦对偶样夹具上表面的反射膜上；

步骤2：启动气悬浮电机（1），转子上部凹槽内的负压孔（2）动态吸附薄膜样品（3）带动其高速旋转，纳米级伸缩压电陶瓷管（8）伸缩运动，驱动冲击摩擦对偶样朝薄膜样品（3）做轻载冲击运动，冲击高速旋转的薄膜样品（3），冲击瞬间产生的振动波经冲击摩擦对偶样传给接触式声波测振仪传感器（11），同时，多普勒激光测振仪（13）被触发，通过多普勒激光的频移现象非接触采集冲击摩擦对偶样的振动信号，从而获得薄膜样品（3）在高速冲击作用下的摩擦性能。

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