CN103363946A - 一种非破坏性检测表面形貌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非破坏性检测表面形貌的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将紫外感光材料涂覆在待测物体的表面；2)采用紫外光照射使所述紫外感光材料固化，然后将固化后的紫外感光材料剥离，得到拓印膜；3)使用原子力显微镜扫描所述拓印膜，得到拓印膜的表面形貌；4)将所述拓印膜的表面形貌进行数据翻转，得到待测物体的表面形貌。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测表面形貌的方法，具体涉及一种非破坏性地检测待测物体表面形貌的方法。
背景技术
随着机械设备逐渐向高速度、高精度等方面发展，人们对于机械零部件的性能提出了更高的要求。这些性能可以归纳为以下几个方面：(1)一般机械性能，包括韧性、塑性、硬度等；(2)抗磨性：抗磨料磨损、抗腐蚀磨损、润滑性等；(3)热特性：导热性、高温氧化性以及抗热冲击性等；(4)密封性；(5)保护性：抗酸碱盐腐蚀性、抗污染性、防锈性等。但是，零部件的表面形貌会对以上性能产生决定性的影响。
表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形状误差以及纹理等不规则的微管几何形状。它主要是在零件加工过程中，由于刀具或磨料和零件的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及加工系统中的高频振动等原因，在表面残留而成的各种不同形状和尺寸的微管几何形貌。
根据测量原理，表面形貌的检测方法分为接触式和非接触式。接触式方法包括轮廓仪，其中较为著名的是Nanosurf系列。而非接触方法主要包括光学探针法和干涉显微镜法。但两类方法均存在各自的一些缺陷，例如，接触式方法需要使用极精细的探针，如AFM探针，这使得探针加工条件非常苛刻，并且探针容易损伤零部件的表面，而非接触式方法，如光学探针法和干涉显微镜法，依靠的是测量光程变化的原理，这就对光学器件的加工精度要求很高，导致其造价十分昂贵，且设备容易损坏，并且测量过程易受零部件表面和周围环境的影响，结果可信度较低。此外，目前检测表面形貌的仪器中还存在一些问题，例如，由于受到仪器和样品尺寸的制约，难以在任意尺寸的样品或样品表面的任意位置进行检测。
因此，目前还需要寻找一种简单便捷、成本低廉、测量精度高的用于表面形貌检测的方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服目前检测表面形貌的常用方法及设备的缺陷，提供一种操作简单、成本低廉、测量精度高且不易受外界环境影响的非破坏性检测表面形貌的方法。
除非特别说明，本发明的紫外感光材料，是指一种可以在紫外光(UV)的照射下实现固化的材料，包括涂料、油墨、胶粘剂或其他灌封密封剂等。
本发明提供了一种非破坏性检测表面形貌的方法，该方法包括以下步骤：
1)将紫外感光材料涂覆在待测物体的表面；
2)采用紫外光照射使所述紫外感光材料固化，然后将固化后的紫外感光材料剥离，得到拓印膜；
3)使用原子力显微镜扫描所述拓印膜，得到拓印膜的表面形貌；
4)将所述拓印膜的表面形貌进行数据翻转，得到待测物体的表面形貌。
根据本发明的方法，其中，步骤1)中的所述紫外感光材料可以包含低聚物、光引发剂和稀释剂；所述低聚物可以为有机硅、脂环族环氧化合物、丙烯酸酯和乙烯基醚中的一种或多种，可以优选为MMA(甲基丙烯酸甲酯)。作为优选，所述低聚物在所述紫外感光材料中可以占94～97wt％。发明人发现，如果低聚物的含量过高，会使紫外感光材料的粘度增加，造成拓印膜不易剥离，而过低则又会使拓印膜的力学性质变差，容易断裂。
根据本发明的方法，其中，步骤1)中的所述紫外感光材料可以通过以下步骤制得：将94～97重量份的低聚物、1～2重量份的光引发剂和1～5重量份的稀释剂混合，以400～600r/min的速度搅拌10～15分钟，然后将混合液置于干燥器中并抽真空，放置2～3h，得到所述紫外感光材料。
根据本发明的方法，其中，所述光引发剂可以为芳香酮，可以优选为安息香(即2-羟基-1，2-二苯基乙酮)。
根据本发明的方法，其中，所述稀释剂可以为酮或煤油。作为优选，所述酮可以为C3～C12烷酮，可以更优选为丙酮、丁酮和环己酮中的一种或多种。
根据本发明的方法，其中，步骤1)中的所述紫外感光材料的涂覆厚度可以为0.3～0.7mm。发明人发现，如果厚度小于该范围，则拓印膜难以剥离且易折断，而如果厚度过大，则又造成不必要的浪费，经济性不佳。
根据本发明的方法，其中，步骤2)中，所述紫外光的波长为365nm。作为优选，固化时间可以为480～500s。发明人发现，如果时间长于该范围，即照射时间过长，会使拓印膜容易折断且不易剥离，而如果固化时间过短则无法使该紫外感光材料固化完全。
根据本发明的方法，其中，步骤3)中，所述原子力显微镜的扫描范围可以为50μm×50μm。发明人发现，采用该扫面范围不仅能够保持适合的扫描速度，还能兼顾较高分辨率，在检测速度和准确性之间取得了较好的平衡。
根据本发明的方法，其中，在步骤1)之前，还包括使用清洁剂洗涤待测物体的表面的步骤。作为优选，所述清洁剂可以为C1～C12烷醇或C3～C12烷酮，可以优选为乙醇或丙酮。
根据本发明的方法，其中，步骤4)中可以使用计算机软件对拓印膜的表面形貌进行数据翻转。
本发明所提供的用于检测物体表面形貌的方法具有但不限于以下有益效果：
1.本发明的方法操作便捷，工艺简单，采用常规的试剂、材料及检测设备就可以对物体表面形貌进行检测，因而检测成本较为低廉，适于大规模推广。
2.该方法所采用的紫外感光材料的制备工艺较为简单，固化时间较短，拓印精度高，不仅大大缩短了检测时间，还能够获得较为精确、稳定的检测结果，可作为快速检测以及大规模检测的重要方法。
3.结合原子力显微镜(AFM)进行扫描检测，可以避免探针对原物体表面的损伤，并且检测过程不易受物体表面和周围环境的影响，可以更为真实地反映物体的表面形貌。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明的非破坏性检测表面形貌的方法的流程示意图；
图2示出了实施例3中待测物体的表面形貌的普通显微照片；
图3示出了实施例3中拓印膜的表面形貌的普通显微照片；
图4示出了实施例3中待测物体的表面形貌的AFM扫描照片；
图5示出了实施例3中对拓印膜的表面形貌的AFM扫描数据进行数据翻转后得到的图片。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
实施例1
本实施例用于说明本发明的非破坏性检测表面形貌的方法。
制备紫外感光材料：将94重量份的MMA、5重量份的丙酮和1重量份的安息香进行混合，所述MMA的分子量约为100，分子式为C5H8O2，以400r/min的速度搅拌上述溶液10分钟至充分混合，然后将混合液置于干燥器中并抽真空，放置2h直至气泡完全除净，制备得到紫外感光材料。
使用乙醇洗涤待测物体表面，然后用清水洗涤干燥。将紫外感光材料均匀涂覆在物体表面，形成约0.3mm厚的薄层，然后将365nm的紫外光均匀照射在上述紫外感光材料的薄层上约480s，待紫外感光材料固化后，用镊子小心地将薄层揭下，得到拓印膜。
使用原子力显微镜(购于Veeco公司，型号为Dimension 3100)对拓印膜的表面进行扫描，扫描范围为50μm×50μm，得到拓印膜的表面形貌数据。然后使用计算机软件对拓印膜的表面形貌数据进行数据翻转，得到待测物体的表面形貌数据。
实施例2
本实施例用于说明本发明的非破坏性检测表面形貌的方法。
制备紫外感光材料：将96重量份的MMA、2.5重量份的丙酮和1.5重量份的安息香进行混合，所述MMA的分子量为100，分子式为C5H8O2，以500r/min的速度搅拌上述溶液12分钟至充分混合，然后将混合液置于干燥器中并抽真空，放置2.5h直至气泡完全除净，制备得到紫外感光材料。
使用乙醇洗涤待测物体表面，然后用清水洗涤干燥。将紫外感光材料均匀涂覆在物体表面，形成约0.5mm厚的薄层，然后将365nm的紫外光均匀照射在上述紫外感光材料的薄层上约500s，待紫外感光材料固化后，用镊子小心地将薄层揭下，得到拓印膜。
使用原子力显微镜(购于Veeco公司，型号为Dimension 3100)对拓印膜的表面进行扫描，扫描范围为50μm×50μm，得到拓印膜的表面形貌数据。然后使用计算机软件对拓印膜的表面形貌数据进行数据翻转，得到待测物体的表面形貌数据。
实施例3
本实施例用于说明本发明的非破坏性检测表面形貌的方法。
制备紫外感光材料：将97重量份的MMA、1重量份的丙酮和2重量份的安息香进行混合，所述MMA的分子量为100，分子式为C5H8O2，以600r/min的速度搅拌上述溶液15分钟至充分混合，然后将混合液置于干燥器中并抽真空，放置3h直至气泡完全除净，制备得到紫外感光材料。
使用乙醇洗涤待测物体表面，然后用清水洗涤干燥。将紫外感光材料均匀涂覆在物体表面，形成约0.7mm厚的薄层，然后将70wm/cm2的紫外光均匀照射在上述紫外感光材料的薄层上约490s，待紫外感光材料固化后，用镊子小心地将薄层揭下，得到拓印膜。
使用原子力显微镜(购于Veeco公司，型号为Dimension 3100)对拓印膜的表面进行扫描，扫描范围为50μm×50μm，得到拓印膜的表面形貌数据，然后使用计算机软件对该拓印膜的表面形貌数据进行数据翻转，可以间接得到待测物体的表面形貌数据，该表面形貌数据形成的图片见图5。
采用原子力显微镜直接对待测物体的表面形貌进行扫描，其AFM扫描照片见图4。将从拓印膜转换得到的待测物体表面形貌数据与直接扫描得到的待测物体表面形貌数据进行比较，两者重合度为99％，说明本发明的检测方法具有较高的精确度。
本实施例还采用Veeco公司的Dimension 3100分别对待测物体表面和拓印膜表面直接进行观察，普通显微照片分别见图2和图3。从结果中看出，本发明的检测方法所得到的拓印膜能够较为清晰准确地复印待测物体的表面形貌，但是传统的显微镜只能观察到二维图像，而原子力显微镜能够进行三维成像，同时分辨率得到了极大提高。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (10)
1.一种非破坏性检测表面形貌的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将紫外感光材料涂覆在待测物体的表面；
2)采用紫外光照射使所述紫外感光材料固化，然后将固化后的紫外感光材料剥离，得到拓印膜；
3)使用原子力显微镜扫描所述拓印膜，得到拓印膜的表面形貌；
4)将所述拓印膜的表面形貌进行数据翻转，得到待测物体的表面形貌。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中的所述紫外感光材料包含低聚物、光引发剂和稀释剂；所述低聚物为有机硅、脂环族环氧化合物、丙烯酸酯和乙烯基醚中的一种或多种，优选为甲基丙烯酸甲酯；优选地，所述低聚物在所述紫外感光材料占94～97wt％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)中的所述紫外感光材料通过以下步骤制得：将94～97重量份的低聚物、1～2重量份的光引发剂和1～5重量份的稀释剂混合，以400～600r/min的速度搅拌10～15分钟，然后将混合液置于干燥器中并抽真空，放置2～3h，得到所述紫外感光材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述光引发剂为芳香酮，优选为安息香。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述稀释剂为酮或煤油，优选为C3～C12烷酮，更优选为丙酮、丁酮和环己酮中的一种或多种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤1)中的所述紫外感光材料的涂覆厚度为0.3～0.7mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述紫外光的波长为365nm；优选地，固化时间为480～500s。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述原子力显微镜的扫描范围为50μm×50μm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤1)之前，还包括使用清洁剂洗涤待测物体的表面的步骤；优选地，所述清洁剂为C1～C12烷醇或C3～C12烷酮，优选为乙醇或丙酮。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，步骤4)中使用计算机软件对拓印膜的表面形貌进行数据翻转。
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