CN110230641A - 一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置，包括一个超滑滑块和一个超滑底板，超滑滑块置于超滑底板上，其中，超滑滑块为矩形、其下表面为超滑面，超滑底板为长条形、其上表面为超滑面，超滑滑块与超滑底板的宽度相等，滑块边缘与底板边缘重合，二者以最大面积重合。超滑状态得以长时间地保持，滑块能够长距离的滑行。本发明中的超滑滑块与超滑底板，仅需通过几何形状的设计，即可实现约束旋转的功能，无需增加工艺难度。
Description
技术领域
本发明涉及结构超滑领域，尤其涉及一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置。
背景技术
超滑现象是发生在非公度的固体界面间摩擦和磨损几乎为零的现象。在该现象发现的早期，研究局限于纳米尺度、低速、真空环境。2012年郑泉水团队创新性地通过高定向热解石墨刻蚀形成的石墨岛系统，发现了微米级尺度的超滑现象(参见Liu Z,YangJ,GreyF,etal.Observation of microscale superlubricity in graphite.[J].PhysicalReview Letters,2012,108(20):205503.)这一突破为超滑现象应用于微米尺度器件奠定了基础，如利用超滑滑块设计接触式硬盘读写头、滑块与盘体的技术、以及利用超滑滑块设计RF MEMS开关的技术等。
然而，实现长距离可靠的超滑滑动是上述超滑器件和技术的基础。由于超滑现象的发生以界面非公度作为基本条件，决定了该现象与界面相对转角密切相关。对于同质材料构成的超滑界面，若初始非公度的超滑界面发生了旋转进入公度状态，则超滑失效，界面不再具有极低摩擦和极低磨损的特性。研究表明，不加约束的超滑滑块极其容易在环境的多种扰动(例如热扰动、加载系统的机械扰动等)诱发下，转向公度状态，从而导致超滑灾难性的失效。该现象普遍存在于多种同质材料构成的超滑体系。以石墨超滑滑块为例，研究表明初始非公度的超滑滑块在旋转进入公度状态之后，常常出现“锁死”，无法再实现超滑滑动。因此，为维持超滑状态，必须对超滑滑块的转角施加约束，使其在滑动中仅平动而不旋转。同时，在实现该约束的过程中应尽量避免额外的机械接触，否则可能带来额外摩擦和磨损。
发明内容
本发明针对上述技术问题，即超滑滑块易于旋转并失去超滑特性的问题，通过大量的设计和实验工作，提出了解决方案。
一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置，包括一个超滑滑块和一个超滑底板，超滑滑块置于超滑底板上，其中，超滑滑块为矩形、其下表面为超滑面，超滑底板为长条形、其上表面为超滑面，超滑滑块与超滑底板的宽度相等，滑块边缘与底板边缘重合，二者以最大面积重合。
所述超滑滑块为长方形或正方形。
所述超滑滑块为长度1-10μm，宽度1-10μm，厚度20nm-10μm。
所述超滑底板为长条形，宽度1-10μm，长度10-100μm，高度20nm-10μm。
超滑滑块材料可以选自石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。
超滑底板为具有原子级平整表面的任意材料；优选为石墨、类金刚石、固体介质材料、绝缘聚合物材料；更优选为石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。
此时重合的边缘能够对滑块的旋转产生约束作用。具体来讲，通过大量的计算模拟表明，当滑块边缘与底板边缘重合时，滑块与底板间界面能此时处于最低，该能量最低点意味着滑块与底板间自发存在抵抗旋转的力矩，使得滑块能够在底板上沿一个方向(即超滑底板的长度方向)零磨损滑动，并且不发生转动。因此，超滑状态得以长时间地保持，滑块能够长距离的滑行。本发明中的超滑滑块与超滑底板，仅需通过几何形状的设计，即可实现约束旋转的功能，无需增加工艺难度。
本发明还提供了一种制备所述超滑滑块长距离零磨损滑行装置的方法：
步骤1)制备超滑底板，
步骤2)制备超滑滑块，
步骤3)在微纳米级将超滑滑块转移至超滑底板表面，并使其边缘重合。
其中，步骤1)采用掩膜电子束曝光、反应离子刻蚀工艺制备石墨底板、通过探针推动得到超滑底板，其上表面为超滑面；步骤2)采用掩膜电子束曝光、反应离子刻蚀工艺制备石墨岛、通过探针推动得到超滑滑块，其下表面为超滑面。
其中，步骤3)中的转移方式可以使用微纳米机械手配合探针推动超滑滑块，并利用超滑滑块与探针之间的范德华作用将滑块吸附在探针上，随后完成转移。
其中，步骤3)中的转移方式可以使用微纳米机械手配合微镊子，夹取超滑滑块，随后完成转移。
一种MEMS超滑导轨，采用上述装置作为超滑导轨进行滑动。
通过上述的技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、所述滑行装置得益于滑块与底板之间的超滑状态，摩擦和磨损近乎为零。且滑动行程可以达到底板的长度。
2、所述滑行装置在长距离滑行中始终保持平动而不会旋转，从而始终保持超滑状态。
附图说明
图1现有超滑装置立体图与俯视图；
图2超滑滑块长距离零磨损滑行装置立体图与俯视图；
图3现有超滑装置转角(θ)与滑动位移(δ)关系图；
图4超滑滑块长距离零磨损滑行装置转角(θ)与滑动位移(δ)关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
首先制备超滑滑块与超滑底板，在高定向热解石墨(HOPG)的表面，通过掩膜电子束曝光、反应离子刻蚀等工艺制备边长为4μm的正方形石墨岛。使用相同工艺制备宽4μm，长100μm的长条形石墨底板。使用钨探针推动并滑出石墨底板上部分，暴露出具有超滑特性的石墨表面，其上表面具有超滑特性。使用钨探针推动石墨岛上部分，得到石墨滑块，其下表面具有超滑特性。将石墨滑块转移到石墨底板的表面，使两个具有超滑特性的表面(石墨滑块的下表面和石墨底板的上表面)相接触，并使得滑块与底板的两边重合。结构如图2所示，矩形超滑滑块与超滑底板宽度相等。
长距离滑行：由于重合的两边的约束作用，使用探针推动滑块在底板上沿着底板的长度方向滑行时，滑块始终平动而不旋转，滑动的形成可达接近底板长度，此处约为96μm。该结论即使在用于加载的钨探针偏心的前提下同样成立，如图4所示。作为对比，实验与理论结果表明现有同等尺寸的超滑结构(4μm的正方形石墨滑块，结构如图1所示)，超滑滑块与超滑底板边缘并不重合，在偏心加载条件下仅能实现约1.6μm形成的无转动滑动，如图3所示。可见，当采用本发明的超滑滑动装置时，滑动距离可以高达上百倍，使得长距离超滑滑动成为可能，避免了偏转的问题。
以上所述实施例仅为本发明的较优化的实施例，本发明不局限于上述实施例，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)
1.一种超滑滑块长距离零磨损滑动的装置，包括一个超滑滑块和一个超滑底板，其中，超滑滑块为矩形、其下表面为超滑面，超滑底板为长条形、其上表面为超滑面，超滑滑块与超滑底板的宽度相等，滑块边缘与底板边缘重合，二者以最大面积重合。
2.如权利要求1所述的装置，其中，超滑滑块为长方形或者正方形。
3.如权利要求1所述的装置，其中，超滑滑块长度为1-10μm，宽度为1-10μm，厚度为20nm-10μm。
4.如权利要求1所述的装置，其中，超滑底板宽度为1-10μm，长度为10-100μm，高度为20nm-10μm。
5.如权利要求1所述的装置，其中，超滑滑块材料选自石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。
6.如权利要求1所述的装置，其中，超滑底板为具有原子级平整表面的任意材料；优选为石墨、类金刚石(DLC)、固体介质材料、绝缘聚合物材料；更优选为石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。
7.一种制备如权利要求1所述装置的工艺，包括，步骤1)制备超滑底板，步骤2)制备超滑滑块，步骤3)在微纳米级将超滑滑块转移至超滑底板表面，并使其边缘重合。
8.如权利要求7所述的工艺，其中，步骤1)采用掩膜电子束曝光、反应离子刻蚀工艺制备石墨底板、通过探针推动得到超滑底板，其上表面为超滑面；步骤2)采用掩膜电子束曝光、反应离子刻蚀工艺制备石墨岛、通过探针推动得到超滑滑块，其下表面为超滑面。
9.如权利要求7所述的工艺，其中，步骤3)中的转移方式优选使用微纳米机械手配合探针推动超滑滑块，并利用超滑滑块与探针之间的范德华作用将滑块吸附在探针上，随后完成转移；或者优选使用微纳米机械手配合微镊子，夹取超滑滑块，随后完成转移。
10.一种MEMS超滑导轨，采用如权利要求1所述的装置作为超滑导轨进行滑动。
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| CN110230641B (zh) | 2021-06-08 |
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Legal Events
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