CN105181501A - 一种真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统 - Google Patents

一种真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，包括主体和外部手动驱动装置；所述主体包括腔体上盖、安装在腔体上盖上面用于密封的光窗顶盖和安装腔体上盖内部的多探针组件；其能在高真空下实现对具有不同功能的SPM针尖切换，使摩擦学测试及原位形貌探测在高真空环境下可相继完成，且原位定位精度较高。由于更换针尖时无须打开腔体，确保了实验样品不受外界因素干扰，使实验所得结果更为真实可信；不仅如此，也节省了实验前期设备调整校准时间，提高实验效率。

Description

一种真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统
技术领域
本发明涉及真空下多探针摩擦学测试及原位形貌探测系统。
背景技术
摩擦是物质世界普遍存在的物理现象，与人类的生活和生产有极其密切的关系。摩擦、磨损和润滑是研究两个相互接触、相对运动表面间行为的科学与技术。所有装备运动部件都涉及摩擦、磨损和润滑。人们对摩擦磨损现象的研究由来已久，并且方兴未艾。随着科技的发展，摩擦学研究渗透到微观世界；而微观领域的摩擦磨损更有利于从分子与原子层次揭示摩擦的起源。这些研究大都依赖于相应的实验设备或仪器。
随着科学技术的发展，人们已经研制出很多种显微镜用来观察微观尺度下的摩擦表面的形貌变化，典型的显微镜包括扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)等。扫描探针显微镜包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)等，其在微观摩擦学的研究中发挥了极大的作用。
然而，如今商业化的扫描探针显微镜主要为单一探针工作模式。单一探针功能相对单一，难以实现一些较为复杂的实验方式。特别是观测微观磨损实验中，若采用单一探针模式，在完成磨损实验后，需要更换曲率半径更小的针尖方可对表面磨损区域进行原位的高分辨形貌扫描与观测。在更换针尖过程中，难免让试样暴漏在空气中，而周围环境复杂带来的影响(包括氧化、电化学作用、表面污染等)不确定因素而使试验结果偏离真实，不利于对实验结果的科学分析。
因此，有必要研发真空下多探针原位检测系统，实现多个探针在同一个微小区域上的原位检测。
发明内容
本发明提供一种真空下多探针原位摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其能在高真空下实现对具有不同功能的SPM针尖切换，使微观摩擦测试和形貌扫描可在高真空环境下相继完成，且原位定位精度较高。由于更换针尖时无须打开腔体，确保了实验样品不受外界因素干扰，使实验所得结果更为真实可信；不仅如此，也节省了实验前期设备调整校准时间，提高实验效率。
为解决上述问题本发明提供的技术方案是：一种真空下多探针原位摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，包括主体和外部手动驱动装置；所述主体包括腔体上盖、安装在腔体上盖上面用于密封的光窗顶盖和安装腔体上盖内部的多探针组件以及连接在腔体上盖下方的过渡模块。
所述多探针组件包括多个探针、用于承载探针并携其原位切换定位的运动平板、连接在运动平板一侧的过渡板、用于保证针尖原位切换定位运动稳定性的导轨和用于驱动导轨的连接板；所述导轨分别与过渡板和连接板的一端连接；所述连接板的另一端与外部手动驱动装置内部的短轴连接；所述探针设置在运动平板上。
进一步的，所述腔体上盖的内部设有用于安装多探针组件的凹槽，为了使水平连接的零部件安置于其中以增大腔体内部空间，避免在针尖原位切换定位运动过程中部分零部件与SPM样品台及下方压电扫描器产生干涉；腔体上盖的外部设有用于安装光窗顶盖的凸起，以减小SPM激光器到针尖距离，使光路便于调节。
进一步的，所述过渡板的截面为“L”型，用于减小SPM激光器到针尖距离。
进一步的，所述腔体上盖的另一面设有过渡模块。
进一步的，所述主体与外部手动驱动装置之间设有用于保证动连接密封的真空法兰。
进一步的，所述探针数量为2-3。
进一步的，所述的过渡模块为圆柱盖形结构，盖顶设有圆形通孔；过渡模块上端设有橡胶密封圈凹槽下端开有T型孔。
本发明的有益效果：
1、由于多探针组件包括多个探针，本发明能在高真空下实现SPM针尖原位切换，使微观摩擦测试和形貌扫描可在高真空环境下即相继完成，而无须打开腔体更换不同功能针尖，且原位定位精度较高；节省实验前期设备调整校准时间，提高实验效率且确保实验样品不受外界因素干扰，使实验所得结果更为真实的反映摩擦后的形貌状态；该系统加工安装容易，成本较低。
2、上述的腔体上盖部分内部采用凹槽设计，为了使水平连接的零部件安置于其中以增大腔体内部空间，避免在针尖原位切换定位运动过程中部分零部件与SPM样品台及下方压电扫描器产生干涉；外部中心安放光窗处采用凸起设计为了减小SPM激光器到针尖距离，使光路便于调节。
3、L型过渡板一端连接导轨，另一端连接承载针尖夹具并携其原位切换定位的运动平板，进一步减小激光器到针尖距离，方便光路调节。
4、过渡模块为圆柱盖形结构，盖顶设有圆形通孔，增大了腔体内部空间，缩减腔体上盖实体尺寸，减小了腔体上盖的重量，方便上盖的拆卸与探针的更换。
附图说明
图1为本发明实施例的一个视角的结构示意图；
图2为本发明实施例的俯视图；
图3为本发明实施例的仰视图；
图4为E局部放大结构示意图；
图5为A-A剖视图；
图6为C局部放大结构示意图；
图7为B-B剖视图；
图8为D局部放大结构示意图。
其中，腔体上盖(1)，凹槽(1.1)，凸起(1.2)，光窗顶盖(2)，石英玻璃(3)，运动平板(4)，过渡板(5)，导轨(6)，连接板(7)，短轴(8)，外部手动驱动装置(9)，真空法兰(10)，过渡模块(11)，橡胶密封圈凹槽II(11.1)，T型孔(11.2)，探针(12)。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1-8所示，本发明的一种具体实施方式为：
一种真空下多探针原位摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，包括主体和外部手动驱动装置9；主体包括腔体上盖1、安装在腔体上盖1上面的光窗顶盖2和安装腔体上盖1内部的多探针组件；主体与外部手动驱动装置9之间设有用于保证动连接密封的真空法兰10。
多探针组件包括多个探针12，优选的探针12的数量为2-3、用于承载探针12并携其原位切换定位的运动平板4、连接在运动平板4一侧的过渡板5、用于保证针尖原位切换定位运动稳定性的导轨6和用于驱动导轨6的连接板7；所述导轨6分别与过渡板5和连接板7的一端连接；所述连接板7的另一端与外部手动驱动装置9内部的短轴8连接；探针12并排设置在运动平板4上。通常探针12通过该探针夹具安装在运动平板4，方便更换探针。
优选的导轨6采用滚珠型交叉导轨，保证高精度的直线运动同时降低磨损。
如图5-8所示，本发明中过渡板5的截面为“L”型，L型过渡板5一端连接导轨6，另一端连接承载探针12并携其原位切换定位的运动平板4，进一步减小激光器到针尖距离。同时腔体上盖1的外部中心设有用于安装光窗顶盖2的凸起1.2，凸起1.2设计为了减小SPM激光器到针尖距离，使光路便于调节。为了更好的密封光窗顶盖2和凸起1.2，凸起1.2上设有橡胶密封圈凹槽I，光窗顶盖2通过螺栓连接在腔体上盖1的凸起1.2上面。光窗顶盖2上设有用于透射激光的石英玻璃3。
如图5-8所示，本发明中腔体上盖1的内部设有用于安装多探针组件的凹槽1.1；优选的凹槽1.1为“干”形，上部的槽用于容纳导轨6、连接板7和短轴8，导轨6、连接板7和短轴8水平连接放置在上部的槽内。中间槽用于容纳探针12，探针12和导轨6之间通过L型过渡板5连接。腔体上盖1部分内部采用凹槽设计，为了使水平连接的零部件安置于其中以增大腔体内部空间，避免在针尖原位切换定位运动过程中部分零部件与SPM样品台及下方压电扫描器产生干涉。
如图5-8所示，本发明中腔体上盖1的另一面设有过渡模块11。过渡模块11为圆柱盖形结构，盖顶设有圆形通孔；过渡模块11上端设有橡胶密封圈凹槽II11.1下端开有T型孔11.2。过渡模块11增大了腔体内部空间，缩减腔体上盖1实体尺寸，减小了腔体上盖1的重量，便于上盖的拆卸与探针的更换。
本发明中需加工部分采用304不锈钢，因其具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能及优异的耐高温性能；密封方式均采用法兰密封，确保真空腔体的密封性能。
该系统工作原理是通过手动驱动探针切换，以达到真空下对同一区域表面不同特性的原位探测，例如，微观磨损测试和形貌扫描等。
具体安装及工作过程如下：通过螺栓把过度模块11安装到原SPM真空腔体上，中间通过橡胶圈密封；再次通过螺栓把载有零部件的上盖部分1安装到过度模块11上，中间通过橡胶圈密封；安放激光器并把设备调整到工作状态，调节外部手动驱动装置9，采用微观磨损测试的专用探针定位到样品的待实验区域进行磨损测试；磨损过程完成后，调节外部手动驱动装置9，使用于形貌扫描工作的专用探针定位到上次工作区域完成原位形貌扫描工作。
全部工作过程在高真空下实现SPM针尖原位切换，使微观摩擦测试和形貌扫描可在高真空环境下相继完成，无须打开腔体更换不同功能针尖，且原位定位精度较高；节省实验前期设备调整校准时间，提高实验效率且确保实验样品不受外界因素干扰(包括氧化、电化学作用、表面污染等)，使实验所得结果更为真实可信。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其特征在于：包括主体和外部手动驱动装置(9)；所述主体包括腔体上盖(1)、安装在腔体上盖(1)上面的光窗顶盖(2)和安装腔体上盖(1)内部的多探针组件；
所述多探针组件包括多个探针(12)、用于承载探针(12)并携其原位切换定位的运动平板(4)、连接在运动平板(4)一侧的过渡板(5)、导轨(6)和用于驱动导轨(6)的连接板(7)；所述导轨(6)分别与过渡板(5)和连接板(7)的一端连接；所述连接板(7)的另一端与外部手动驱动装置(9)内部的短轴(8)连接；所述探针(12)设置在运动平板(4)上。
2.根据权利要求1所述的真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其特征在于：所述腔体上盖(1)的内部设有用于安装多探针组件的凹槽(1.1)；腔体上盖(1)的外部设有用于安装光窗顶盖(2)的凸起(1.2)。
3.根据权利要求1所述的真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其特征在于：所述过渡板(5)的截面为“L”型。
4.根据权利要求1所述的真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其特征在于：所述腔体上盖(1)的另一面设有过渡模块(11)。
5.根据权利要求1所述的真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其特征在于：所述探针(12)数量为2-3。
6.根据权利要求4所述的真空下多探针摩擦磨损测试及原位形貌探测系统，其特征在于：所述的过渡模块(11)为圆柱盖形结构，盖顶设有圆形通孔；过渡模块(11)上端设有橡胶密封圈凹槽II(11.1),下端开有T型孔(11.2)。
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