CN104990873A - 在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其包括以下步骤：提供一润滑界面和频信号测量装置，该润滑界面和频信号测量装置中球与棱镜的一个直角面形成一对摩擦副；和频系统的两束光分别从棱镜的另一个直角面入射，经折射后会聚于棱镜和球的接触点，从而产生和频光；所述和频光经所述棱镜斜表面折射和后续反射镜反射后进入单色仪，用于分析摩擦过程中产生的化学变化。

Description

在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法
技术领域
本发明涉及一种实验方法，尤其涉及一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法。
背景技术
界面现象与自然界密切相关，界面研究与许多物理化学问题联系紧密，界面研究被运用在在材料科学、物理化学、分析化学、高分子化学、环境保护和石油化工等领域。摩擦过程中形成的润滑界面，对于整个摩擦过程发生的化学变化研究有着重要的分析意义。目前对于润滑界面的在线测量，主要有干涉法测膜厚、在线红外、在线拉曼等研究方法，干涉法测膜厚只能够了解气液界面和固液界面的宏观性质，但是得不到它们的微观分子信息；在线红外和在线拉曼对于样品制备及信号增强要求很高，且很难忽略体相分子的影响，当体系涉及到水分子或当体系处于极端环境(高压、高温)条件下时，就限制了这些手段的运用。和频振动光谱(SFG-VS)作为非线性光学手段，具有特有的界面选择性和界面敏感性，能够准确捕捉到界面分子信号，适合界面分子研究。利用和频振动光谱技术进行润滑界面和频信号的在线测量，能够有效分析润滑界面微观分子在摩擦过程中的变化，进而研究润滑界面的摩擦化学性能。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法。
一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其包括以下步骤：提供一润滑界面和频信号测量装置，该润滑界面和频信号测量装置中球与棱镜的一个直角面形成一对摩擦副；和频系统的两束光分别从棱镜的另一个直角面入射，经折射后会聚于棱镜和球的接触点，从而产生和频光；所述和频光经所述棱镜斜表面折射和后续反射镜反射后进入单色仪，用于分析摩擦过程中产生的化学变化。
与现有技术相比较，本发明采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性，利于分析测量信号得到界面分子信息。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的润滑界面和频信号的测量装置的立体结构示意图。
图2是本发明实施方式提供的润滑界面和频信号的测量装置部分结构的主视图。
图3是本发明实施方式提供的润滑界面和频信号的测量装置部分结构沿图2中Ⅲ-Ⅲ线的剖面图。
图4是本发明实施方式提供的测量润滑界面和频信号的实验原理图。
主要元件符号说明
底座                       1
加载机构                   3
载荷测量单元               4
球                         5
球固定机构                 6
球驱动机构                 7
棱镜                       8
润滑剂                     9
润滑界面和频信号的测量装置 10
机架                       11
收容孔                     12
杠杆                       31
支撑体                     32
传感器                     41
油杯                       61
轴承座                     62
轴承                       63
垫圈                       64
收容腔                  610
连接轴                  71
传动轴                  72
联轴器                  73
电机                    74
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法作进一步的详细说明。
请参阅图1至图3，润滑界面和频信号测量装置10包括：底座1、垂直位移调节机构(图未示)、加载机构3、载荷测量单元4、球5、球固定机构6、球驱动机构7、棱镜(图未示)、棱镜位移调节机构(图未示)。所述垂直位移调节机构设置在所述底座1的下方；所述底座1包括一机架11，该机架11固定在所述底座1的下表面，所述加载机构3固定在所述底座1的机架；所述载荷测量单元4固定在所述加载机构3；所述球固定机构6和球驱动机构7固定在所述底座1。
所述底座1设置有收容孔12，该收容孔12由第一凹槽和第二凹槽组成，该第一凹槽和第二凹槽连通，用于放置所述球固定机构6。该第一凹槽和第二凹槽的截面形状可以为圆形、三角形、多边形等。本实施例中，所述第一凹槽和第二凹槽的截面形状分别为圆形，且第一凹槽的直径比第二凹槽的直径大，也就是说该收容孔12是一个沉孔，该沉孔用于放置所述球固定机构6。
所述棱镜位移调节机构包括棱镜架以及调节该棱镜架位移的位移调整单元。所述棱镜固定在所述棱镜架，保证入射光从棱镜的直角面射入，另一直角面为润滑界面，要保证润滑界面平行于水平面。所述棱镜架固定在所述位移调整单元，该位移调整单元可以调整棱镜架的位置，进而调节所述棱镜的位置，通过调节棱镜的位置使所述棱镜的底面即以直角面平行于水平面。
所述垂直位移调节机构采用剪式升降台，手动带动平移台升降，可以调节所述球5的垂直位移，实现所述球5与棱镜的底面接触。
所述球固定机构6包括油杯61、轴承座62、轴承63以及垫圈64等。所述油杯61的形状与所述底座1的收容孔12的形状相匹配，且该油杯61相对于所述收容孔12可以上下移动。该油杯61具有一收容腔610，该收容腔610用于放置所述轴承座62、轴承63以及垫圈64。本实施例中，所述油杯61的形状与所述底座1的沉孔的形状相匹配，即，该油杯61由第一圆柱体和第二圆柱体组成，该第一圆柱体具有一收容腔610，第二圆柱体与所述第一圆柱体一体成型。所述第一圆柱体设置于所述第一凹槽，第二圆柱体设置于所述第二凹槽，且该油杯61相对于所述沉孔可以上下移动。
所述轴承座62设置在所述油杯61的收容腔610内。所述轴承63包括三个陶瓷轴承，该三个陶瓷轴承在圆周方向上等角度并通过垫圈64设置在所述轴承座62。
所述球5设置在所述三个陶瓷轴承上，由该三个陶瓷轴承支撑。
所述球驱动机构7包括连接轴71、传动轴72、联轴器73以及电机74。所述球5连接到连接轴71，该连接轴71连接到所述传动轴72，该传动轴72通过联轴器73连接到所述电机74。在所述电机74的驱动下，所述球5可以旋转。
所述加载机构3包括杠杆31和支撑体32。所述杠杆31通过所述支撑体33设置于所述底座1的机架11。
所述载荷测量单元4包括一传感器41，该传感器41设置于所述杠杆31的一端，且与所述油杯61的第二圆柱体相接触。所述杠杆31的另一端可以悬挂砝码，可以利用砝码通过杠杆31对所述球5进行加载，传感器41用于测量对所述球5施加的载荷大小。
通过控制所述润滑界面和频信号的测量装置10可以实现所述球5与所述棱镜相接触，并且通过杠杆31可以对所述球5施加不同的载荷，在电机74的驱动下可以实现所述球5与所述棱镜在不同载荷下的摩擦。
本发明实施例还提供一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法。
首先，提供一种如前所述的润滑界面和频信号的测量装置10，以棱镜和球5作为一对摩擦副，之间添加有润滑剂9。请一并参阅图4，棱镜8的直角面平行于水平面放置，球5和棱镜8接触，通过杠杆31对球5施加一定的载荷，然后启动电机74，球5获得转速ω，球5和棱镜8之间产生摩擦。调节棱镜8和球5的位置，使棱镜8和球5正好位于红外光和可见光的会聚点。和频系统的红外光和可见光分别从棱镜8的另一直角面入射，经该棱镜8的直角面折射后会聚于棱镜8和球5的接触点，同时两束光的光程差为0，保证时间上重叠。由此产生频率为两束光频率之和的和频光，通过棱镜8的斜表面折射后经反射镜反射进入单色仪，用于实时分析摩擦过程中产生的化学变化。
和频振动光谱属于二阶非线性光学效应，和频振动光谱是不同频率的光ω1和ω2与非线性介质相互作用产生一束频率为ω1+ω2的光。和频振动光谱是界面分子的振动光谱。实验中，一束可调谐频率的红外光ω1和一束固定频率ω2的可见光共同作用于界面分子，两束光在时间和空间上完全重合，能够产生频率为ω1+ω2的和频光，调谐红外光的频率ω1，直至红外光频率与界面分子振动能级匹配时发生共振，和频光就会增强，表现在光谱上是一个光谱峰，和频信号随红外光频率的变化，即为界面分子的和频光谱。
在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法的工作原理：润滑界面摩擦实验的化学性能表征，采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，测量和频振动光谱以分析摩擦过程中界面分子信息。当球5随着电机74同轴转动，与棱镜8构成一对摩擦副，添加润滑剂9后形成润滑界面，根据测得的和频信号可以在线检测球5和棱镜8摩擦过程中润滑界面分子的变化。
本实施例提供的润滑界面和频信号的测量装置可以实现：摩擦过程中球与棱镜的精密接触；棱镜的使用既提供了固定界面，又保证了入射光在界面处的全反射，增强了光的能量从而增强和频信号；实现了摩擦过程中和频信号的在线测量。本实施例采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性，利于分析测量信号得到界面分子信息。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其包括以下步骤：
提供一润滑界面和频信号测量装置，该润滑界面和频信号测量装置中球与棱镜的一个直角面形成一对摩擦副；
和频系统的两束光分别从棱镜的另一个直角面入射，经折射后会聚于棱镜和球的接触点，从而产生和频光；
所述和频光经所述棱镜斜表面折射和后续反射镜反射后进入单色仪，用于分析摩擦过程中产生的化学变化。
2.如权利要求1所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述球与所述棱镜的接触区添加有润滑剂。
3.如权利要求1所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：调节棱镜和球的位置，使棱镜和球位于红外光和可见光的会聚点。
4.如权利要求3所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：对所述球施加一定的载荷，在不同的载荷下测量润滑界面摩擦化学性能。
5.如权利要求1所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述润滑界面和频信号测量装置包括：
一底座，该底座包括一机架，该机架固定在所述底座的下表面，所述底座设置有一收容孔；
一棱镜；
一棱镜位移调节机构，该棱镜位移调节机构包括棱镜架以及调节该棱镜架位移的位移调整单元，所述棱镜固定在所述棱镜架，该棱镜架固定在所述位移调整单元；
一球；
一球驱动机构，该球驱动机构设置于所述底座，可以使球旋转；
一球固定机构，该球固定机构包括一油杯、轴承座、轴承，所述油杯设置有一收容腔，所述轴承座设置于该收容腔，所述轴承设置于所述轴承座，所述球设置于所述轴承，由该轴承支撑，所述油杯设置于所述底座的收容孔；
一垂直位移调节机构，该垂直位移调节机构位于所述底座的下方，可以调节所述球与棱镜的底面接触；
一加载机构，该加载机构设置于所述机架，可以对球施加一载荷；
一载荷测量单元，该载荷测量单元包括一传感器，可以测量所述加载机构对球施加的载荷大小；
在所述球驱动机构的驱动下，球与所述棱镜发生摩擦。
6.如权利要求5所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述球驱动机构包括连接轴、传动轴、联轴器以及电机，所述球连接到连接轴，该连接轴连接到所述传动轴，该传动轴通过联轴器连接到所述电机。
7.如权利要求5所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述加载机构包括杠杆和支撑体，所述杠杆通过所述支撑体设置于所述底座的机架。
8.如权利要求7所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述传感器设置于所述杠杆的一端，且与所述油杯相接触，所述杠杆的另一端可以悬挂砝码，可以利用砝码通过杠杆对所述球进行加载，所述传感器用于测量对所述球施加的载荷大小。
9.如权利要求8所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述收容孔由第一凹槽和第二凹槽组成，该第一凹槽和第二凹槽连通，用于放置所述球固定机构。
10.如权利要求9所述的在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法，其特征在于：所述油杯的形状与所述底座的收容孔的形状相匹配，且该油杯相对于所述收容孔可以上下移动。
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