CN109946226B - 一种超滑基本结构及用于测试固体超滑摩擦系数的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超滑基本结构及用于测试固体超滑摩擦系数的器件。超滑基本结构包括基底和位于基底上的多个岛状结构，其中，每个岛状结构包括岛盖和具有原子级光滑表面的岛体，所述岛盖位于岛体的上表面，岛盖的上表面设置有连接单元，所述连接单元与推动部件可分离地连接。用于测试固体超滑摩擦系数的装置包括推动部件和所述超滑基本结构，通过所述连接单元与推动部件可分离地连接，能更好地固定岛体，并能够更加灵活、准确地控制岛体的移动，提高了超滑器件摩擦系数的测试效率，另外，连接单元与推动部件之间脱离方便，实现了超滑岛体的重复利用，简化了操作步骤，大大降低了测试成本。
Description
技术领域
本发明属于结构超滑领域，更具体地，涉及一种超滑基本结构和用于测试固体超滑摩擦系数的装置。
背景技术
长期以来,摩擦和磨损问题,不但与制造业密切相关,还与能源、环境和健康直接相关。据统计,全世界约三分之一的能源在摩擦过程中被消耗掉,约80％的机器零部件失效都是由磨损造成的。微机电系统(MEMS)具有尺度小、质量轻、能耗低等特点，但随着特征尺度的显著减小,微机电系统的比表面积增大，表面黏附、摩擦、磨损等界面效应表现突出。摩擦、磨损等问题已经成为影响以MEMS为代表的具有微纳摩擦副的众多器件性能发展的瓶颈问题。
超润滑是解决摩擦、磨损问题的一种理想方案。目前能够实现的固体结构润滑仅存在于微米及更小的尺度，由于超润滑具有极小的摩擦系数，此时，利用传统的摩擦系数测量方法已不能满足检测精度。随着微米纳米技术的发展，目前利用原子力显微镜(AFM)可以实现纳米级尺寸和纳米级微力的测量，并且能够得到微观结构的三维形貌等信息。
现有技术中，专利CN103438348A公开了一种超滑基本结构，包括基底和位于基底上的多个岛状结构，其岛状结构的端部具有一保护层，在实际操作中，当利用推动部件按压于该保护层上时，由于表面光滑，难以将超滑岛状物体压住。专利CN108845161A公开一种原子力显微镜探针，包括探针本体和设置在探针本体的针尖一侧的接触体，该接触体包括连接段和接触段，通过导电胶或非导电胶等连接体将连接段连接在针尖上，或者通过其他卡固或者嵌固的方式将连接段连接在针尖上，以上连接方式都是将连接体固定在针尖上，在测试完成后，二者不易实现无损分开，在测试固体的超滑摩擦系数之后，则将石墨岛废弃，大大增加了测试成本。
因此，如何提供一种在精确地检测被测样品的摩擦系数的同时，能大大降低测试成本的固体超滑结构和测试固体超滑摩擦系数的器件，成为亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种超滑基本结构，包括基底和位于基底上的多个岛状结构，其中，每个岛状结构包括岛盖和具有原子级光滑表面的岛体，所述岛盖位于岛体的上表面，其特征在于，岛盖的上表面设置有连接单元，所述连接单元与推动部件可分离地连接。
特别的，所述连接单元与推动部件的尖端可分离地连接。
特别的，所述推动部件具体为微型机械手。
特别的，所述原子级光滑表面为岛体的下表面。
所述岛体的材质可以为石墨、二硫化钼、云母或硅，或其它固体超滑材料。
所述岛盖的材料可为二氧化硅。
所述连接单元的中心与岛盖上表面的中心位置之间的距离小于所述连接单元的中心与岛盖上表面的邻近的边沿之间的距离。优选地，所述连接单元的中心与岛盖上表面的中心重合。
所述连接单元具体为凹坑。
特别的，所述凹坑的纵向截面为V形、梯形或矩形。
特别的，所述凹坑的底部尺寸小于等于顶部尺寸。
本发明还提供了一种用于测试固体超滑摩擦系数的装置，其包括推动部件和所述的超滑基本结构。特别的，所述超滑基本结构的连接单元与推动部件的尖端可分离地连接。
与现有技术相比较，本发明通过在超滑岛体的岛盖上设置连接单元，使得在固体超滑摩擦系数的测试中，将推动部件的尖端如针尖置于该连接单元中，针尖不容易从连接单元中滑出，能更好地固定岛体，并能够通过针尖更加灵活、准确地控制岛体的移动，提高了超滑器件摩擦系数的测试效率，同时，在测试完成后，针尖和超滑岛体之间可以实现迅速且方便地脱离，实现了超滑岛体的重复利用，简化了操作步骤，提高了测试速度，大大降低了测试成本。
附图说明
图1为本发明实施例一的超滑基本结构的侧面剖视图。
图2为本发明实施例一的超滑基本结构的俯视图。
图3为本发明实施例二的用于测试固体超滑摩擦系数的装置的侧面剖视图。
附图标记：1为连接单元，2为岛盖，3为超滑岛体，4为推动部件
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的超滑基本结构和用于测试固体超滑摩擦系数的装置。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。
实施例一，如图1-2所示，提供了一种超滑基本结构，包括基底和位于基底上的多个岛状结构，其中，每个岛状结构包括岛盖2和具有原子级光滑表面的岛体3，所述岛盖2位于岛体3的上表面，且所述岛盖2的上表面设置有连接单元1。所述岛体3具有至少一个超滑剪切面，所述超滑剪切面的上、下接触面之间为非公度状态。
每个岛体3的端部具有一岛盖2，所述岛盖2可以是SiO2保护层，在加工过程中为构图并刻蚀岛状结构而在基底上利用等离子体化学气相沉积法沉积SiO2保护层，其厚度可为50nm～500nm。
优选的，所述基底为石墨，例如高定向热解石墨(HOPG)或天然石墨，或者所述基底的材料内部原子有局部存在层间非公度接触的可能即可。所述岛体3的材料优选为石墨：例如高定向热解石墨(HOPG)或者天然石墨，或者所述基底的材料内部原子有局部存在层间非公度接触的可能即可，或者所述岛状结构在剪切面铺有石墨或石墨烯。所述岛体3还可以为二硫化钼、云母、硅或其他固体超滑材料。
所述超滑剪切面是该超滑基本结构可以进行超滑有限运动的关键因素，如果岛状结构具有一个非公度接触面，则具有一个超滑剪切面，当岛状结构具有多个非公度接触面时，则具有多个超滑剪切面，从而使整个结构处于结构超滑状态。优选地，所述多个岛状结构可以与基底为一体式结构，也可为分体式结构，所述岛状结构通过原子间的范德华吸附力或微型胶粘技术设置在基底上方。
当岛体3为石墨岛时，石墨岛的原子级光滑表面的粗糙度小于1nm，其原子级光滑表面可以为岛体3的下表面；岛体3的尺寸可以为3μm*3μm*3μm，岛盖2的尺寸可以为3μm*3μm*1μm，连接单元1具体可为凹坑，凹坑的形状可以为锥形，即连接单元1的纵向截面为V形，锥形连接单元的直径可为300nm。
另外，凹坑的纵向截面也可为梯形或矩形等形状，在实验中发现，当连接单元如凹坑的底部尺寸小于等于顶部尺寸时，推动部件能更好地固定岛体，并能够通过推动部件的尖端更加灵活、准确地控制岛体的移动，且推动部件和连接单元之间的脱离也方便，没有阻滞。
另外，在实验中发现，当连接单元1的中心与岛盖2的上表面的中心之间的距离小于所述连接单元1的中心与岛盖2的上表面的邻近的边沿之间的距离时，利用推动部件的尖端能够更加灵活、准确地控制岛体的移动。优选地，所述连接单元1的中心与岛盖2的上表面的中心重合。
实施例二，如图3所示，一种用于测试固体超滑摩擦系数的装置，其包括推动部件4和上述超滑基本结构，推动部件4的尖端与所述连接单元2可分离地连接。利用所述装置在固体超滑摩擦系数的测试中能更好地固定超滑岛体如石墨岛，并能够通过推动部件更加灵活、准确地控制岛体的移动，提高了超滑器件摩擦系数的测试效率，另外，在测试完成后，针尖和超滑岛体之间可以实现迅速且方便地脱离，实现了超滑岛体的重复利用，简化了操作步骤，提高了测试速度，大大降低了测试成本。
以上所述实施例仅为本发明的几个较优化的实施例，本发明不局限于这几个实施例，还应允许其它的变化。凡在本发明独立权要求范围内变化的，或本领域一般技术人员可以依据本发明轻易想到的变化，均属于本发明的保护范围。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (10)
1.一种超滑基本结构，包括基底和位于基底上的多个岛状结构，其中，每个岛状结构包括岛盖和具有原子级光滑表面的岛体，所述岛盖位于岛体的上表面，其特征在于，岛盖的上表面设置有连接单元，所述连接单元为凹坑，所述凹坑的底部尺寸小于等于顶部尺寸，所述连接单元与推动部件可分离地连接。
2.根据权利要求1所述的超滑基本结构，其特征在于，所述连接单元与推动部件的尖端可分离地连接。
3.根据权利要求1所述的超滑基本结构，其特征在于，所述推动部件为微型机械手。
4.根据权利要求1所述的超滑基本结构，其特征在于，所述原子级光滑表面为岛体的下表面。
5.根据权利要求1所述的超滑基本结构，其特征在于，所述岛体的材质为石墨、二硫化钼、云母或硅；所述岛盖的材质为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的超滑基本结构，其特征在于，所述连接单元的中心与岛盖上表面的中心之间的距离小于所述连接单元的中心与岛盖上表面的邻近的边沿之间的距离。
7.根据权利要求6所述的超滑基本结构，其特征在于，所述连接单元的中心与岛盖上表面的中心重合。
8.根据权利要求1所述的超滑基本结构，其特征在于，所述凹坑的纵向截面为V形、梯形或矩形。
9.一种用于测试固体超滑摩擦系数的装置，其特征在于，包括推动部件和权利要求1-8所述的超滑基本结构。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述超滑基本结构的连接单元与推动部件的尖端可分离地连接。
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