CN103234848A

CN103234848A - 一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置

Info

Publication number: CN103234848A
Application number: CN2013101369023A
Authority: CN
Inventors: 刁东风; 于力伟; 范雪
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明公开了一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，包括基座，基座上安装有用于放置检测样本的压电式运动平台，以及能够垂直和水平移动的位移台，位移台上安装有传感器固定器，传感器固定器的前端固定安装有纳米刻划与粘滑测试传感器，纳米刻划与粘滑测试传感器的刻划头位于压电式运动平台的正上方，基座上还安装有光学成像系统。本发明将运动平台与传感器有机结合，通过不同的运动控制方式，一方面可完成薄膜纳米刻划实验，弥补了AFM纳米刻划装置加载范围局限且难于控制、对样品表面粗糙度要求高等不足；另一方面可完成刻划过程中薄膜表面摩擦粘滑性能的在线检测，克服了高刚度摩擦试验机无法反映表面摩擦粘滑特性的缺点。

Description

一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置

技术领域

本发明涉及纳米表面测试领域，尤其涉及一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置。

背景技术

近年来，以碳基薄膜为代表的纳米薄膜以其高硬度、低摩擦系数、高耐磨性等优异的机械性能，作为理想的耐磨保护涂层以及固体润滑剂，在机械、电子、磁介质保护和医学领域获得广泛的应用，引起了研究者的关注。

目前，对碳基薄膜的纳米力学性能评价方法主要有纳米压痕与划痕测试。自Stillwon和Tabor在1961年提出利用压入的弹性恢复过程测定材料力学性能的方法以来，纳米压痕已经成为获得材料硬度和弹性模量指标的可靠测试方法。然而对于薄膜，尤其是超薄薄膜（膜厚小于50nm）来说，纳米压痕的作用深度往往接近其膜厚，所得到的实验数据将大大受到基体力学性能的影响，这将对薄膜力学性能的评价造成干扰。另外，纳米压痕实验过程复杂，实验设备昂贵，无法快速而便捷地表征薄膜的软硬程度。相比之下，纳米划痕测试则是使用金刚石压头对薄膜表面进行塑性刻划，通过比较划痕深度和宽度等指标来表征薄膜的硬度，更适用于评价薄膜材料的力学性能。

常见的划痕测试装置有大载荷表面划痕装置、AFM（Atomic ForceMicroscope，原子力显微镜）纳米划痕装置等。大载荷表面划痕测试中刻划载荷通常为100mN至N级，且加载的分辨率低，并不适合超薄薄膜的刻划实验。AFM纳米划痕测试中刻划载荷通常为10nN至μN级，加载分辨率过高且难于控制，所采用的光学传感方法大大局限其加载范围。另外，对样品的表面粗糙度的较高要求也限制其应用范围。

另一方面，薄膜表面摩擦粘滑行为作为其重要的摩擦学性能在精密定位技术中具有重要意义。粘滑运动，即运动过程中动、静摩擦交替出现的现象，严重影响着精密定位中的定位精度。但是粘滑行为不仅受薄膜自身摩擦学性能影响，而且与测试系统刚度有很大关系。若使用高切向刚度摩擦力测试装置可以得到摩擦滑动过程中的摩擦系数却无法反映出粘滑行为。因此只有选用较低切向刚度的摩擦力测试传感器才能达到测试目的。

发明内容

针对上述大载荷划痕装置与AFM纳米划痕装置在加载中存在的问题，本发明提供了一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，能够实现100μN至mN载荷下的刻划测试，同时，其较低的系统刚度确保刻划过程中薄膜表面摩擦粘滑性能得以在线检测。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基座，基座上安装有用于放置检测样本的压电式运动平台，以及能够垂直和水平移动的位移台，位移台上安装有传感器固定器，传感器固定器的前端固定安装有纳米刻划与粘滑测试传感器，基座上还安装有光学成像系统，其中，纳米刻划与粘滑测试传感器包括：带有刻划头的刻划头夹持块，刻划头位于压电式运动平台的正上方，刻划头夹持块通过切向臂和法向臂与感器固定器相连接，且切向臂和法向臂上对应贴附有切向力电阻应变片和法向力电阻应变片。

所述位移台包括：安装于基座上的若干根丝杠，丝杠的顶端固定安装有U型探针架，U型探针架上设置有用于调节U型探针架水平位移的手调旋钮；

所述传感器固定器包括：安装于位移台上的U型固定导轨，U型固定导轨的中部卡合有用于固定纳米刻划与粘滑测试传感器的夹块。

所述U型探针架的内侧为斜面结构，且所述U型固定导轨的外侧面与U型探针架内侧斜面相配合。

所述U型探针架的下端设置有进行缓冲的制动拉簧。

所述丝杠的数量为3。

所述U型固定导轨的两臂上安装分别有L形挡板。

所述切向臂与法向臂通过转接块相连接。

所述刻划头通过紧定螺钉同轴连接于刻划头夹持块上。

所述刻划头为金刚石压头，尖端曲率半径为130nm，锥顶角为155°。

所述光学成像系统的显微放大倍率为400倍。

本发明提供了一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，将压电式运动平台与低刚度的纳米刻划与粘滑测试传感器相配合，通过不同的运动控制方式，一方面可完成100uN至mN薄膜纳米刻划实验，弥补了现有技术中AFM纳米刻划装置加载范围局限且难于控制、对样品表面粗糙度要求高等不足；另一方面，测试系统的低刚度性确保刻划过程中薄膜表面摩擦粘滑性能得以在线检测，克服了现有技术中高刚度摩擦试验机无法反映表面摩擦粘滑特性的缺点。

由于纳米刻划与粘滑测试传感器刻划头夹持块通过切向臂与转接块连接，接块上安装有法向臂，且切向臂和法向臂上分别贴附有切向力电阻应变片和法向力电阻应变片,所以通过改变压电式运动平台的运动方式，可实现纳米刻划与摩擦粘滑测试的功能切换，当压电式运动平台沿图示y方向运动时，应变梁式传感器的切向臂将表现为高刚度，通过法相臂加载将实现纳米刻划功能；若此时沿x方向做进给运动，将实现扫描刻划功能；当压电式运动平台沿图示x方向运动时，应变梁式传感器的切向臂将表现为低刚度，通过法相臂的加载可完成粘滑运动中摩擦力的检测，从而将实现摩擦粘滑特性测试功能。

附图说明：

图1是本发明提供的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置结构示意图一；

图2是本发明提供的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置结构示意图二；

图3是本发明提供的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置位移台的结构示意图；

图4是本发明提供的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置传感器夹持器的结构示意图；

图5是本发明提供的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置传感器夹块的连接示意图；

图6是本发明提供的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置传感器的结构示意图。

图中，1为基座，2为压电式运动平台，3为位移台，4为传感器固定器，5为薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑传感器，6为光学成像系统，301为丝杠，302为U型探针架，303为制动拉簧，304为xy向手调旋钮，401为U型固定导轨，402为L形挡板，403为螺栓，404为长螺栓，405为夹块，406为压紧螺钉，501为刻划头，502为刻划头夹持块，503为紧定螺钉，504为切向臂，505为切向力电阻应变片，506为转接块，507为法向臂，508为法向力电阻应变片。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

参见图1、2所示，本发明提供了一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，包括基座1，基座1上安装有用于放置检测样本的压电式运动平台2，以及能够垂直和水平移动的位移台3，该压电式运动平台2采用xy向压电型精密运动平台由原子力显微镜（AFM）用的压电陶瓷扫描器驱动；所述的压电陶瓷扫描器与一控制柜相连，可以实现x、y方向上的运动；位移台3能够进行z向自动，x、y向手动移动，位移台3上安装有传感器固定器4，传感器固定器4的前端固定安装有纳米刻划与粘滑测试传感器5，基座1上还安装有光学成像系统6，其中，纳米刻划与粘滑测试传感器5包括：带有刻划头501的刻划头夹持块502，刻划头501位于压电式运动平台2的正上方，刻划头夹持块502通过切向臂504和法向臂507与感器固定器4相连接，且切向臂504和法向臂507上对应贴附有切向力电阻应变片505和法向力电阻应变片508，基座1上还安装有400倍光学成像系统6。

其中，参见图3所示，位移台3包括：竖直安装于基座1上的3根高精密的丝杠301，丝杠301的顶端固定安装有U型探针架302，U型探针架302上设置有用于调节U型探针架302水平位移的手调旋钮304，U型探针架302的下端设置有进行缓冲的制动拉簧303，所述制动拉簧303一端与所述的U型探针架相连，另一端与所述基座1相连，以减少U型探针架302运动过程中的振动；并且，所述高精密的丝杠的控制电机与控制柜相连，控制电机驱使丝杠旋转并完成U型探针架302的z向运动、左右偏转和前后俯仰。

参见图4所示，传感器固定器4包括：安装于位移台3上的U型固定导轨401，U型固定导轨401的中部卡合有用于固定纳米刻划与粘滑测试传感器5的夹块405，U型固定导轨401的两臂上安装分别有便于定位和拆卸的L形挡板402，U型固定导轨401与L形挡板402通过螺栓403连接；当旋松螺栓403时，L型挡板402可向两侧旋转，从而便于U型固定导轨401与U型探针架302的分离，其中，所述U型探针架302的内侧为斜面结构，且所述U型固定导轨401的外侧面与U型探针架302内侧斜面相配合。

参见图5、6所示，所述纳米刻划与粘滑测试传感器5具体包括：刻划头501，其为金刚石压头，尖端曲率半径为130nm，锥顶角为155°。刻划头501通过紧定螺钉503同轴连接于刻划头夹持块502上，刻划头夹持块502通过切向臂504与转接块506连接，接块506上安装有法向臂507，所述切向臂504的臂厚为0.06mm，所述法向臂507的臂厚为0.10mm，所述转接块506与法向臂507之间通过胶水相互粘接，且切向臂504和法向臂507上分别贴附有切向力电阻应变片505和法向力电阻应变片508，所述切向力电阻应变片505和法向力电阻应变片508电阻应变片均通过数据采集卡接入一计算机；所述法向臂507被所述的压紧螺杆406顶压于所述夹块的槽口内侧，通过调节顶压位置可以调整传感器的法向刚度，以实现对所述的纳米刻划与粘滑测试传感器的固定；所述夹块405通过所述的长螺栓404固定于所述的U型固定导轨401上，最后传感器总长保证为20mm。

本发明的工作过程为：

（1）试样与仪器准备。将薄膜样品切割成5mm×5mm的小块，用双面胶固定于压电式运动平台2上；检查纳米刻划与摩擦粘滑测试传感器固定器5有无松动，确保纳米刻划与摩擦粘滑测试传感器5安装牢固；由计算机控制压电式运动平台2和位移台3，在采用光学成像系统6检查其是否正常工作。

（2）传感器位置调整与加载。调节手调旋钮304，将纳米刻划与摩擦粘滑测试传感器5调整至试样上方的合适位置；在控制面板上设置运动长度，运动速度等参数；利用计算机控制高精度丝杠301快速转动以使纳米刻划与摩擦粘滑测试传感器5快速移动至样品表面上方，然后慢速转动以使纳米刻划与摩擦粘滑测试传感器5的刻划头缓慢压入样品，从而完成加载。

（3）纳米刻划实验。一维纳米刻划实验时，驱压电式运动平台2仅沿y向做刻划运动，进而在样品表面产生一维划痕；二维纳米刻划实验时，驱使压电式运动平台2沿y向做刻划运动，沿x向做进给运动，进而在样品表面产生二维划痕，并采用光学成像系统6进行检测。

（4）摩擦粘滑特性测试实验。驱使压电式运动平台2沿x向做刻划运动，沿y向做进给运动；此时，低刚度的切向臂507将检测摩擦过程中x方向的摩擦力，即采集到样品表面摩擦粘滑运动特征。

本发明的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置具有以下有益效果：

（1）本发明将原子力显微镜（AFM）的压电型精密运动平台与低刚度应变梁式法向/切向力传感器有机结合，通过不同的运动控制方式，一方面可完成薄膜纳米刻划实验，弥补了AFM纳米刻划装置加载范围局限且难于控制、对样品表面粗糙度要求高等不足；另一方面可完成刻划过程中薄膜表面摩擦粘滑性能的在线检测，克服了高刚度摩擦试验机无法反映表面摩擦粘滑特性的缺点。

（2）所发明的纳米刻划与摩擦粘滑测试传感器为低刚度应变梁式法向/切向力传感器，其法向臂厚为0.10mm，实测法向刚度为24.43N/m，法向加载精度为20μN，可完成100μN至mN级纳米刻划实验。通过不同的运动控制方式，可完成恒定载荷一维刻划与恒定载荷二维扫描刻划实验，这对于评价薄膜纳米刻划硬度具有重要意义。

（3）低刚度应变梁式法向/切向力传感器的切向臂厚为0.06mm，实测切向刚度为5.24N/m，可用于测量摩擦粘滑运动中的摩擦力。通过改变压电型精密运动平台的运动参数，可在压头与薄膜表面产生速度为1μm/s至1000μm/s摩擦滑动。装置可以详细表征mN级法向载荷下薄膜表面摩擦粘滑运动现象，对于低速微小载荷下摩擦界面粘滑特性的研究具有重要意义。

（4）通过改变压电型精密运动平台的运动方式，可实现纳米刻划与摩擦粘滑测试的功能切换。当AFM压电陶瓷扫描器沿图示y方向运动时，应变梁式传感器的切向臂将表现为高刚度，通过法相臂加载将实现纳米刻划功能；若此时沿x方向做进给运动，将实现扫描刻划功能；当AFM压电陶瓷扫描器沿图示x方向运动时，应变梁式传感器的切向臂将表现为低刚度，通过法相臂的加载可完成粘滑运动中摩擦力的检测，从而将实现摩擦粘滑特性测试功能。

Claims

1.一种薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，包括基座（1），基座（1）上安装有用于放置检测样本的压电式运动平台（2），以及能够垂直和水平移动的位移台（3），位移台（3）上安装有传感器固定器（4），传感器固定器（4）的前端固定安装有纳米刻划与粘滑测试传感器（5），基座（1）上还安装有光学成像系统（6），其中，纳米刻划与粘滑测试传感器（5）包括：带有刻划头（501）的刻划头夹持块（502），刻划头（501）位于压电式运动平台（2）的正上方，刻划头夹持块（502）通过切向臂（504）和法向臂（507）与感器固定器（4）相连接，且切向臂（504）和法向臂（507）上对应贴附有切向力电阻应变片（505）和法向力电阻应变片（508）。

2.根据权利要求1所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述位移台（3）包括：安装于基座（1）上的若干根丝杠（301），丝杠（301）的顶端固定安装有U型探针架（302），U型探针架（302）上设置有用于调节U型探针架（302）水平位移的手调旋钮（304）；

所述传感器固定器（4）包括：安装于位移台（3）上的U型固定导轨（401），U型固定导轨（401）的中部卡合有用于固定纳米刻划与粘滑测试传感器（5）的夹块（405）。

3.根据权利要求2所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述U型探针架（302）的内侧为斜面结构，且所述U型固定导轨（401）的外侧面与U型探针架（302）内侧斜面相配合。

4.根据权利要求2所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述U型探针架（302）的下端设置有进行缓冲的制动拉簧（303）。

5.根据权利要求2所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述丝杠（301）的数量为3。

6.根据权利要求2所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述U型固定导轨（401）的两臂上安装分别有的L形挡板（402）。

7.根据权利要求1所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述切向臂（504）与法向臂（507）通过转接块（506）相连接。

8.根据权利要求1所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述刻划头（501）通过紧定螺钉（503）同轴连接于刻划头夹持块（502）上。

9.根据权利要求1所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述刻划头（501）为金刚石压头，尖端曲率半径为130nm，锥顶角为155°。

10.根据权利要求1所述的薄膜表面纳米刻划与摩擦粘滑特性测试装置，其特征在于，所述光学成像系统（6）的显微放大倍率为400倍。