CN108593541B - 一种外加电场诱导的摩擦装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种外加电场诱导的摩擦装置及其测试方法，其包括基座、由导电夹具和设置在所述导电夹具底部的金属摩擦件组成的上摩擦副、由碳基膜和设置在所述碳基膜底部的电极板组成的下摩擦副、设置在所述基座上的运动单元和调节单元、应变梁、加载单元、悬臂梁以及电源，所述运动单元推动所述下摩擦副运动，所述应变梁上设置有应变片，所述悬臂梁前端底部与所述上摩擦副连接，所述悬臂梁前端顶部与所述加载单元连接，所述悬臂梁后端与所述应变梁前端连接，所述调节单元与所述应变梁后端连接并对所述上摩擦副进行位置调节，所述电源的正极与所述导电夹具电连接，所述电源的负极与所述电极板电连接，以降低所述金属摩擦件与所述碳基膜间的摩擦系数。

Description

一种外加电场诱导的摩擦装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及摩擦装置技术领域，尤其涉及一种外加电场诱导的摩擦装置及其测试方法。

背景技术

追求低摩擦甚至是零摩擦始终是摩擦学研究的热点内容，碳材料作为一种典型的减摩涂层材料，具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨特性，在实验室研究中碳材料的摩擦系数可低至0.01~0.1范围，通常与碳材料摩擦的表面是具有粗糙度较小的表面，例如陶瓷；但是对于金属表面，其摩擦系数难以达到很低摩擦阶段。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种外加电场诱导的摩擦装置及其测试方法，旨在降低金属与碳材料接触表面的摩擦系数。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种外加电场诱导的摩擦装置，其包括基座、由导电夹具和设置在所述导电夹具底部的金属摩擦件组成的上摩擦副、由碳基膜和设置在所述碳基膜底部的电极板组成的下摩擦副、运动单元、调节单元、应变梁、加载单元、悬臂梁以及电源，所述运动单元和所述调节单元均设置在所述基座上，所述运动单元与所述下摩擦副连接并推动所述下摩擦副运动，所述应变梁上设置有应变片，所述悬臂梁前端底部与所述上摩擦副连接，所述悬臂梁前端顶部与所述加载单元连接，所述悬臂梁后端与所述应变梁前端连接，所述调节单元与所述应变梁后端连接并对所述上摩擦副进行位置调节，所述电源的正极与所述导电夹具电连接，所述电源的负极与所述电极板电连接。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述导电夹具包括与所述加载单元连接并具有外螺纹的绝缘座、以及具有内螺纹的导电套筒；所述内螺纹与所述外螺纹相配合；所述绝缘座的底部设置有可容纳所述金属摩擦件的凹槽；所述导电套筒底部与所述凹槽相对应处设置有供所述金属摩擦件穿过的通孔。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述通孔的宽度小于所述金属摩擦件水平方向的最大宽度。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述运动单元包括与所述电极板的底部连接的绝缘板、设置在所述基座上的电机、以及将所述绝缘板与所述电机连接的绝缘支架。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述电机为直线电机或旋转电机。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述加载单元包括加载盘及加载砝码，所述加载盘设置在所述悬臂梁前端顶部，所述加载砝码盛放于所述加载盘内。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述调节单元包括设置在所述基座上的X方向位移台、设置在所述X方向位移台上方的Z方向位移台、设置在所述Z方向位移台上方的保持架，以及设置在所述保持架中的摆动梁，所述摆动梁的前端与所述应变梁的后端连接。

所述外加电场诱导的摩擦装置，其中，所述摆动梁通过转轴与所述保持架连接，且所述摆动梁的前、后两端可绕所述转轴上下摆动；所述保持架的顶部还设置有调节螺杆，所述调节螺杆与所述摆动梁接触；所述摆动梁的后端通过配重杆连接有配重块，所述配重块用于平衡和稳定所述应变梁。

基于外加电场诱导的摩擦装置的测试方法，其包括步骤：分别对上摩擦副和下摩擦副进行组装，并将组装完成的上摩擦副和下摩擦副进行装夹和固定；

对上摩擦副进行位置调整和受力加载；

启动运动单元，由所述应变片采集摩擦力信号，并利用与所述应变片连接的摩擦信号放大装置对摩擦力信号进行分析和记录。

有益效果：本发明中，当所述电源接通且所述金属摩擦件与所述碳基膜接触摩擦的过程中，电流通过所述电源的正极依次经过所述导电夹具、所述金属摩擦件、所述碳基膜以及所述电极板回到所述电源的负极，形成完整的电回路，贯穿所述金属摩擦件与所述碳基膜的摩擦界面；相比于在所述金属摩擦件与所述碳基膜的摩擦界面未施加电场来说，本发明能够显著降低所述金属摩擦件与所述碳基膜摩擦时的摩擦系数，实现低摩擦。

附图说明

图1是本发明中所述上摩擦副、所述下摩擦副以及所述电源连接时的使用状态参考图；

图2是本发明中所述上摩擦副的较佳实施例的剖视图；

图3是本发明所述外加电场诱导的摩擦装置的较佳实施例的第一部分结构示意图；

图4是本发明所述外加电场诱导的摩擦装置的较佳实施例的第二部分结构示意图；

图5是本发明在0A电流作用下，所述上摩擦副与所述下摩擦副之间的摩擦系数曲线图；

图6是本发明在-1.5A电流作用下，所述上摩擦副与所述下摩擦副之间的摩擦系数曲线图；

图7是本发明在+1.5A电流作用下，所述上摩擦副与所述下摩擦副之间的摩擦系数曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图7。本发明提供一种外加电场诱导的摩擦装置，如图1-图4所示，其包括基座1、由导电夹具2和设置在所述导电夹具2底部的金属摩擦件3组成的上摩擦副100、由碳基膜4和设置在所述碳基膜4底部的电极板5组成的下摩擦副200、运动单元6、调节单元7、应变梁8、加载单元9、悬臂梁11以及电源10，所述运动单元6和所述调节单元7均设置在所述基座1上，所述运动单元6与所述下摩擦副200连接并推动所述下摩擦副200运动，所述应变梁8上设置有应变片81，所述悬臂梁11前端底部与所述上摩擦副100连接，所述悬臂梁11前端顶部与所述加载单元9连接，所述悬臂梁11后端与所述应变梁8前端连接，所述调节单元7与所述应变梁8后端连接并对所述上摩擦副100进行位置调节，所述电源10的正极与所述导电夹具2电连接，所述电源10的负极与所述电极板5电连接。

所述调节单元7通过所述应变梁8连接所述悬臂梁11，通过所述悬臂梁11连接所述导电夹具2，使得所述上摩擦副100可以悬置在所述下摩擦副200的上空，并通过所述调节单元7调节所述悬臂梁11的位置，从而实现对所述上摩擦副100位置的调节，并使所述上摩擦副100能够与所述下摩擦副200接触，即所述金属摩擦件3与所述碳基膜4接触，当所述运动单元6启动、所述电源10接通时，所述上摩擦副100保持静止，所述下摩擦副200在所述运动单元6的驱动作用下运动，从而产生相对于所述上摩擦副100的运动，并与所述上摩擦副100之间产生摩擦力。

所述电源10通过第一导电引线101和第二导电引线102分别与所述导电夹具2、所述电极板5电连接，所述第一导电引线101焊接在所述导电夹具2上，所述第二导电引线102焊接在所述电极板5上，当所述电源10接通且所述金属摩擦件3与所述碳基膜4接触摩擦的过程中，电流通过所述电源10的正极依次经过所述导电夹具2、所述金属摩擦件3、所述碳基膜4以及所述电极板5回到所述电源10的负极，形成完整的电回路，贯穿所述金属摩擦件3与所述碳基膜4的摩擦界面；相比于在所述金属摩擦件3与所述碳基膜4的摩擦界面未施加电场来说，本申请能够显著降低所述金属摩擦件3与所述碳基膜4摩擦时的摩擦系数，实现低摩擦。

所述导电夹具2包括：与所述悬臂梁11连接并具有外螺纹的绝缘座21、以及具有内螺纹的导电套筒22；所述内螺纹与所述外螺纹相配合，即所述导电套筒22套设在所述绝缘座21外，并通过所述内螺纹与所述外螺纹的配合，与所述绝缘座21配合拧紧；所述绝缘座21的底部设置有可容纳所述金属摩擦件3的凹槽；所述导电套筒22底部与所述凹槽相对应处设置有供所述金属摩擦件3穿过的通孔。所述金属摩擦件3一部分设置于所述凹槽内，另一部分穿过所述通孔置于所述导电套筒22外，并相对于所述导电套筒22的底面凸起一定高度，以便与所述碳基膜4接触。

所述金属摩擦件3为球状金属摩擦件，或规则多面体金属摩擦件如长方体金属摩擦件，或不规则多面体金属摩擦件，即所述金属摩擦件3与所述碳基膜4之间的摩擦接触可以为点与面的接触，也可以为面与面的接触。进一步的，所述通孔的宽度小于所述金属摩擦件3水平方向的最大宽度，使得所述导电套筒22将所述金属摩擦件3限位在所述凹槽内，通过所述通孔和所述凹槽的双重限位，使得所述金属摩擦件3与所述导电夹具2的配合安装更加稳固，当所述下摩擦副200运动时，提升所述金属摩擦件3能够保持静止的稳定性。同时，所述导电套筒22与所述绝缘座21的配合，便于对所述金属摩擦件3进行拆卸、安装和更换。对于球状金属摩擦件来说，其水平方向的最大宽度为球状金属摩擦件的直径；对于长方体金属摩擦件来说，其8个面中的一个面与所述碳基膜4相对，该面的长度即为长方体金属摩擦件安装在所述凹槽内时水平方向上的最大宽度。较佳的实施例，所述金属摩擦件3为不锈钢球，所述碳基膜4为非晶碳基膜或石墨烯纳晶嵌入式碳基膜。

所述悬臂梁11的后端与所述应变梁8的前端连接，所述悬臂梁11的底部与所述导电夹具2连接，所述悬臂梁11的底部设置有容纳槽，所述绝缘座21设置在所述容纳槽内，所述悬臂梁11的底部通过所述容纳槽与所述绝缘座21连接固定，从而保证所述绝缘支架62运动时，所述上摩擦副100能够保持静止不动，以使得所述碳基膜4与所述金属摩擦件3之间产生滑动摩擦。

所述运动单元6包括与所述电极板5的底部连接的绝缘板61、设置在所述基座1上的电机63、以及将所述绝缘板61与所述电机63连接的绝缘支架62。所述绝缘板61用于将所述电极板5与所述绝缘支架62连接，当所述电机63驱动所述绝缘支架62运动时，所述绝缘板61随所述绝缘支架62运动，从而带动所述下摩擦副200运动，以与所述上摩擦副100之间产生相对摩擦。

所述绝缘支架62包括背板，以及分别设置在所述背板两侧的第一限位部和第二限位部；所述第一限位部、所述背板及所述第二限位部形成U字型；所述背板的底部与所述电机63连接，所述背板的顶部与所述绝缘板61连接，且所述绝缘板61位于所述第一限位部与所述第二限位部之间，所述绝缘板61的两侧分别通过螺钉与所述第一限位部、所述第二限位部连接；所述背板的中心与所述绝缘板61相对。

所述加载单元9包括加载盘91及加载砝码92，所述加载盘91设置在所述悬臂梁11前端顶部，所述加载砝码92盛放于所述加载盘91内。所述加载盘91用于盛放加载砝码92，以便于工作人员增减加载砝码92，以调节对所述上摩擦副100和所述下摩擦副200所施加压力的载荷。

所述调节单元7包括设置在所述基座1上的X方向位移台71、设置在所述X方向位移台71上方的Z方向位移台72、设置在所述Z方向位移台72上方的保持架73，以及设置在所述保持架73中的摆动梁74，所述摆动梁74的前端与所述应变梁8的后端连接（具体X方向及Z方向如图4坐标系所示）。

所述保持架73设置在所述Z方向位移台72上，用于通过所述Z方向位移台72调节所述上摩擦副100相对于所述下摩擦副200的高度(或间距)，可用于适配测试不同厚度的金属摩擦件3、或金属摩擦件3的拆卸与安装。

所述Z方向位移台72设置在所述X方向位移台71上，用于通过所述X方向位移台71沿所述应变梁8长度方向(即X轴方向)调节所述上摩擦副100相对于所述下摩擦副200的相对位置。

所述摆动梁74通过转轴78与所述保持架73连接，且所述摆动梁74的前、后两端可绕所述转轴78上下摆动；所述保持架73的顶部还设置有调节螺杆75，所述调节螺杆75与所述摆动梁74接触；所述摆动梁74的后端通过配重杆76连接有配重块77，所述调节螺杆75可以起到保护作用，当放置的所述加载砝码92重量过大，使得所述悬臂梁前端的重量大于所述配重块的重量时，所述调节螺杆75可以抵住所述摆动梁74，防止所述悬臂梁11前端下沉距离过大。

基于上述外加电场诱导的摩擦装置，本发明还提供一种基于外加电场诱导的摩擦装置的测试方法，其包括步骤：S100、分别对上摩擦副100和下摩擦副200进行组装，并将组装完成的上摩擦副100和下摩擦副200进行装夹和固定；

步骤S100具体为：首先对金属摩擦件3和碳基膜4分别使用丙酮、酒精和去离子水进行超声波水浴清洗，将绝缘座21倒置，使得所述绝缘座21底部用于容纳金属摩擦件3的凹槽向上，并将金属摩擦件3置于凹槽内，然后将导电套筒22底部的通孔对准金属摩擦件3，并将导电套筒22的内螺纹与绝缘座21的外螺纹配合拧紧，使导电套筒22套接在绝缘座21上，并将金属摩擦件3限位在凹槽内，从而完成上摩擦副100的组装。将碳基膜4通过导电双面胶与电极板5的顶部粘接，将电极板5的底部通过双面胶与绝缘板61的顶部粘接，然后将绝缘板61放入绝缘支架62内，并通过螺钉将绝缘板61与绝缘支架62连接，从而完成下摩擦副200的组装。

将绝缘座21与悬臂梁11连接，将绝缘支架62与运动单元6连接后，将电源10的正极与导电套筒22电连接，并将电源10的负极与电极板5电连接。较佳的实施例，本发明中所述碳基膜4的体积为30mm×30mm×0.5mm。

S200、对上摩擦副100进行位置调整和受力加载；

所述步骤S200具体包括步骤：

S201、释放调节螺杆75，使得摆动梁74和应变梁8可转动，同时调节配重块77在配重杆76上的位置，使得上摩擦副100的底面在加载盘91上不放加载砝码92的情况下处于目视水平的状态；

S202、调节X方向位移台71，使得上摩擦副100沿X轴方向正对下摩擦副200；

S203、调节Z方向位移台72，使得上摩擦副100沿Z轴方向下移至与下摩擦副200相接触；

S204、将定量的加载砝码92放入加载盘91，通过其产生的重力，增加上摩擦副100与下摩擦副200之间的载荷；较佳的实施例，本发明中加载砝码92的质量为300g；

S205、在确保上摩擦副100与下摩擦副200接触之后，调节电源10的电压，并固定电流的大小，然后接通电源10，使得电流流过上摩擦副100与下摩擦副200之间的接触界面。

S300、启动运动单元6，由所述应变片81采集摩擦力信号，并利用与所述应变片81连接的摩擦信号放大装置对摩擦力信号进行分析和记录。在保证上摩擦副100与下摩擦副200完全接触的情况下，启动运动单元6，带动下摩擦副200往复运动，上摩擦副100与下摩擦副200之间产生滑动摩擦力，并引发应变梁8来回变形，由设置在应变梁8上的应变片81采集应变梁8的变化信号，并利用摩擦信号放大装置进行分析和记录。

所述电机63为直线电机或旋转电机，当所述电机63为直线电机时，所述直线电机做直线运动，所述绝缘支架62一次往复直线运动为一圈；当所述电机63为旋转电机时，所述旋转电机做旋转运动，所述绝缘支架62旋转一周为一圈。

测试实施例一、以具有不锈钢球的上摩擦副100与具有30mm×30mm×0.5mm碳基膜4的下摩擦副200为例，如图5所示，该曲线展示了不锈钢球与碳基膜4在进行面对面往复式摩擦过程中，经过上摩擦副100与下摩擦副200的调整之后，不开启电源10即不锈钢球与碳基膜4在0A电流作用下、上摩擦副100与下摩擦副200之间的摩擦系数大小随下摩擦副200转动圈数变化的情况，横坐标为下摩擦副200运动的圈数，纵坐标为摩擦系数。

测试实施例二、以具有不锈钢球的上摩擦副100与具有30mm×30mm×0.5mm碳基膜4的下摩擦副200为例，如图6所示，该曲线展示了不锈钢球与碳基膜4在进行面对面往复式摩擦过程中，经过上摩擦副100与下摩擦副200的调整之后，开启电源10并使不锈钢球与碳基膜4在-1.5A电流作用下、上摩擦副100与下摩擦副200之间的摩擦系数大小随下摩擦副200转动圈数变化的情况，横坐标为下摩擦副200运动的圈数，纵坐标为摩擦系数。

测试实施例三、以具有不锈钢球的上摩擦副100与具有30mm×30mm×0.5mm碳基膜4的下摩擦副200为例，如图7所示，该曲线展示了不锈钢球与碳基膜4在进行面对面往复式摩擦过程中，经过上摩擦副100与下摩擦副200的调整之后，开启电源10并使不锈钢球与碳基膜4在+1.5A电流作用下、上摩擦副100与下摩擦副200之间的摩擦系数大小随下摩擦副200转动圈数变化的情况，横坐标为下摩擦副200运动的圈数，纵坐标为摩擦系数。

由测试实施例一、测试实施例二和测试实施例三可知，在没有电流穿过不锈钢球与碳基膜4之间的接触界面时，该界面的摩擦系数为明显高于在-1.5A和+1.5A电流作用下该界面的摩擦系数。

综上所述，本发明提供了一种外加电场诱导的摩擦装置及其测试方法，本发明能够在电子与加载砝码产生的外加载荷压力作用下，使所述碳基膜中的碳元素形成纳晶石墨烯结构，转移到上摩擦副与下摩擦副之间的接触界面中，显著降低所述金属摩擦件与所述碳基膜摩擦时的摩擦系数，实现低摩擦。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种外加电场诱导的摩擦装置，其特征在于，其包括基座、由导电夹具和设置在所述导电夹具底部的金属摩擦件组成的上摩擦副、由碳基膜和设置在所述碳基膜底部的电极板组成的下摩擦副、运动单元、调节单元、应变梁、加载单元、悬臂梁以及电源，所述运动单元和所述调节单元均设置在所述基座上，所述运动单元与所述下摩擦副连接并推动所述下摩擦副运动，所述应变梁上设置有应变片，所述悬臂梁前端底部与所述上摩擦副连接，所述悬臂梁前端顶部与所述加载单元连接，所述悬臂梁后端与所述应变梁前端连接，所述调节单元与所述应变梁后端连接并对所述上摩擦副进行位置调节，所述电源的正极与所述导电夹具电连接，所述电源的负极与所述电极板电连接；所述碳基膜为非晶碳基膜或石墨烯纳晶嵌入式碳基膜；所述导电夹具包括与所述加载单元连接并具有外螺纹的绝缘座、以及具有内螺纹的导电套筒；所述内螺纹与所述外螺纹相配合；所述绝缘座的底部设置有可容纳所述金属摩擦件的凹槽；所述导电套筒底部与所述凹槽相对应处设置有供所述金属摩擦件穿过的通孔；所述运动单元包括与所述电极板的底部连接的绝缘板、设置在所述基座上的电机、以及将所述绝缘板与所述电机连接的绝缘支架；所述加载单元包括加载盘及加载砝码，所述加载盘设置在所述悬臂梁前端顶部，所述加载砝码盛放于所述加载盘内；所述调节单元包括设置在所述基座上的X方向位移台、设置在所述X方向位移台上方的Z方向位移台、设置在所述Z方向位移台上方的保持架，以及设置在所述保持架中的摆动梁，所述摆动梁的前端与所述应变梁的后端连接。

2.根据权利要求1所述外加电场诱导的摩擦装置，其特征在于，所述通孔的宽度小于所述金属摩擦件水平方向的最大宽度。

3.根据权利要求1所述外加电场诱导的摩擦装置，其特征在于，所述电机为直线电机或旋转电机。

4.根据权利要求1所述外加电场诱导的摩擦装置，其特征在于，所述摆动梁通过转轴与所述保持架连接，且所述摆动梁的前、后两端可绕所述转轴上下摆动；所述保持架的顶部还设置有调节螺杆，所述调节螺杆与所述摆动梁接触；所述摆动梁的后端通过配重杆连接有配重块，所述配重块用于平衡和稳定所述应变梁。

5.基于如权利要求1所述的外加电场诱导的摩擦装置的测试方法，其特征在于，其包括步骤：分别对上摩擦副和下摩擦副进行组装，并将组装完成的上摩擦副和下摩擦副进行装夹和固定；对上摩擦副进行位置调整和受力加载；

启动运动单元，由所述应变片采集摩擦力信号，并利用与所述应变片连接的摩擦信号放大装置对摩擦力信号进行分析和记录。

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