CN108318415A - 一种基于gm制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置 - Google Patents

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张兴义
喇世仁
刘伟
黄治廷
王存洪
周军
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Abstract

本发明公开了一种基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置，包括GM制冷机、支架、测试腔体，所述测试腔体包括导热杆、粗糙度仪、波纹管、二维平台仪、X‑Y调节二维平台仪Z方向调节器、测试样品端、真空插座及观察窗，所述导热杆连接于GM制冷机的二级冷头，所述粗糙度仪设于二维平台仪上，悬挂在样品台上方，样品台固定于导热杆上，薄膜样品放置于样品台低端凹槽中，滑块放置在样品台左侧凹槽。通过本发明，可以开展薄膜材料的在7K‑常温、真空环境下的摩擦性能研究，同时具备低温环境下薄膜材料表面粗糙度的功能。这就为固体润滑材料在极端环境下的应用提供了测试手段，进一步推动固体润滑的工业化应用。

Description

一种基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置
技术领域
本发明属于薄膜材料摩擦试验技术领域，涉及一种基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置。
背景技术
根据已有的文献调研可知，截止目前，低温环境下的薄膜材料摩擦设备的制冷方式有二种，一种是浸泡式(液氮、液氦)、另外一种是充液氮式制冷。其中第一种制冷方式，测试温度范围有限，仅限于77K或4.2K环境下进行测试，而且由于溶液本身的浸润性导致摩擦过程中得到的数据不是真实的摩擦值，存在一定的误差。第二种充液体式制冷方式，在降温过程中存在气流的作用，对测试样品表面和测试值产生一定的影响。而且以上二种制冷过程中都不具备可视化实时观测样品表面粗糙度的测试功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GM制冷机可视化薄膜材料的测试装置,实现温度区间7K-常温薄膜材料的摩擦性能测试，且利用粗糙度仪实时观测样品表面粗糙度，同时通过观察窗来实时观察样品。
本发明的目的是采用以下技术手段实现的，一种基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置，包括GM制冷机、支架、测试腔体，所述测试腔体包括导热杆、粗糙度仪、波纹管、二维平台仪、X-Y调节二维平台仪Z方向调节器、测试样品端、真空插座及观察窗，所述测试样品端包括测试薄膜样品、样品台、力传感器、细绳、滑块；所述GM制冷机与支架相连位于支架的底部，所述支架为桶状，所述测试腔体连接设于支架的侧部；所述导热杆连接于GM制冷机的二级冷头，所述粗糙度仪设于二维平台仪上，悬挂在样品台上方，X-Y调节平台Z方向调节器与二维平台仪相连，X-Y调节平台Z方向调节器活动连接于测试腔体侧壁，实现粗糙度仪和二维平台仪整体上下移动，导热杆通过波纹管进入测试腔体内部，样品台固定于导热杆上，薄膜样品放置于样品台低端凹槽中，滑块放置在样品台左侧凹槽，滑块通过细绳进行连接，力传感器连接在绳子上，并且保证细绳在一个自由度运动，细绳的右端连接直线电机；测试腔体的端部采用透明玻璃密封，观察窗也由透明材料制成，测试腔体抽成真空。
优选地，所述样品台通过四角螺栓固定在导热杆。
本发明基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置，基于GM制冷机实现薄膜材料7K-常温温度区间、真空环境下摩擦的测试要求。通过将粗糙度仪引入腔体，具备了低温、真空环境下薄膜材料表面粗糙度的测试功能。并且从观察窗实时观测滑块和样品，拥有了可视化的能力。
通过本发明，可以开展薄膜材料的在7K-常温、真空环境下的摩擦性能研究，同时具备低温环境下薄膜材料表面粗糙度的功能。这就为固体润滑材料在极端环境下的应用提供了测试手段，进一步推动固体润滑的工业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例的基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置的测试腔体的结构示意图。
图2是本发明实施例的基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置的测试样品端的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明技术方案。
如图1、2所示，本发明公开了一种基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置，包括GM制冷机、支架、测试腔体，所述测试腔体包括导热杆31、粗糙度仪35、波纹管32、二维平台仪34、X-Y调节二维平台仪Z方向调节器33，测试样品端36，真空插座37及观察窗38；所述测试样品端36包括测试薄膜样品362，样品台363，力传感器366，细绳365，滑块367。
基于GM制冷机1，将导热杆31连接至二级冷头，要求波纹管2非常软，这样就尽量降低制冷机的振动带来的影响。将粗糙度仪5与二维平台仪4整合到一块，并将整体悬挂在样品台363上方，通过X-Y调节平台Z方向调节器33实现粗糙度仪5和二维平台仪4整体上下移动。样品台363通过四角螺栓固定在导热杆31，将薄膜样品362放置在样品台363低端凹槽中，与此同时将滑块367放在在样品台363左侧凹槽。滑块367通过细绳365进行连接，将力传感器366连接在绳子365上，并且保证细绳365在一个自由度运动，细绳的右端连接直线电机364，这样滑块367在样品表面滑动的时候就能实时探测其摩擦过程中的力。用温度探头分别测得样品和滑块的温度，待样品和滑块的温度一致时进行摩擦测试。再测试样品表面粗糙度，等样品温度保持稳定时，通过X-Y调节平台Z方向调节器将粗糙度仪下降到与样品保持5mm的距离进行测量，这样就实现7K-常温环境区间薄膜材料不同温度下表面粗糙度的测量。
二维平台仪4可由市场上购得,用于调节X-Y方向的坐标,X-Y调节平台Z方向调节器用于调节Z方向位移，可由连接螺母调节，导热杆31连接至二级冷头，导热杆的温度降低，测试腔体的端部采用透明玻璃密封，观察窗也由透明材料制成，测试腔体抽成真空，导热杆的温度保持稳定，样品和滑块的温度一致时进行摩擦测试；等样品温度保持稳定时，测量表面粗糙度值。
随着科技的进步，常规油脂润滑材料不能满足低温、高压和真空环境工作下的设备，这就迫切需要通过特殊的固体润滑材料来替代液体润滑。但是，受制于目前的设备，研究极端环境下的固体润滑材料的摩擦、磨损研究限于液氮制冷，这种情况下摩擦过程中有浸润性及上端滑块与下端样品间存在温度梯度等影响因素，导致所测数据存在一定误差，而且液氮制冷在77K以下温度区域无法进行测试。受限于测试手段，极低温环境下表面粗糙度测量鲜有报道。因此，本发明提出基于GM制冷机薄膜材料可视化摩擦测试装置，具备不同温度下实时观测样品表面粗糙度的功能，对提高所测数据的准确性等方面具有优异性，能进一步推动薄膜材料在极端环境下的工业化应用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置，其特征在于：包括GM制冷机、支架、测试腔体，所述测试腔体包括导热杆、粗糙度仪、波纹管、二维平台仪、X-Y调节二维平台仪Z方向调节器、测试样品端、真空插座及观察窗，所述测试样品端包括测试薄膜样品、样品台、力传感器、细绳、滑块；所述GM制冷机与支架相连位于支架的底部，所述支架为桶状，所述测试腔体连接设于支架的侧部；所述导热杆连接于GM制冷机的二级冷头，所述粗糙度仪设于二维平台仪上，悬挂在样品台上方，X-Y调节平台Z方向调节器与二维平台仪相连，X-Y调节平台Z方向调节器活动连接于测试腔体侧壁，实现粗糙度仪和二维平台仪整体上下移动，导热杆通过波纹管进入测试腔体内部，样品台固定于导热杆上，薄膜样品放置于样品台低端凹槽中，滑块放置在样品台左侧凹槽，滑块通过细绳进行连接，力传感器连接在细绳上，并且保证细绳在一个自由度运动，细绳的右端连接直线电机；测试腔体的端部采用透明玻璃密封，观察窗也由透明材料制成，测试腔体抽成真空。
2.根据权利要求1所述的基于GM制冷机可视化的薄膜材料摩擦试验装置，其特征在于，所述样品台通过四角螺栓固定在导热杆。
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