CN202330152U - 织构表面的电控摩擦装置 - Google Patents
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Abstract
一种织构表面的电控摩擦装置，包括计算机、压电陶瓷扫描器、样品台、样品，样品上分别设有激光器、与计算机相连的四象限光电探测器和探针，探针的导电球形针尖与探针悬臂的一端粘结在一起，探针的另一端夹持在探针架上，探针架可随着导轨上下移动。探针架依次与微安表、电化学工作站、电阻、样品相连，样品带有织构的一面与探针相接触；电化学工作站通过数据线与计算机相连接，以此实现摩擦力测试过程中电压信号的输入，其结构简单、使用方便、精度高、应用范围广。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电控摩擦装置，尤其是一种适用于微纳摩擦测试的织构表面的电控摩擦装置。
背景技术
传统的控制摩擦技术主要是通过摩擦副材料的合理配伍和润滑实现的。其不足之处是不能在摩擦副实际工作状态下实时和在线地改变摩擦系数的大小。近年来国内外一些研究人员在探索利用电、磁、超声波等影响摩擦副的摩擦行为。用电场控制摩擦磨损过程起源于20世纪50年代，用磁场的控制技术起源于1968 年印度学者的研究，用超声波的主动控制技术开始日本学者的20世纪90年代的超声波电机和导轨的研究。但是，上述摩擦学性能的主动控制方法主要针对宏观意义上的摩擦副研究，并不适合于微观摩擦学的需要。
随着微机电系统(MEMS)应用日益广泛，其体现出来的摩擦磨损问题也越来越突出。控制改善微机械表面特性是改善其微摩擦学性能的有效途径，通过表面纳米膜(或涂层)可以大幅降低磨损与粘着现象发生，从而提高微机械的使用寿命。在最近几年国内外陆续报道了一种减摩抗磨的新方法，即在材料表面进行微纳米织构处理。在干摩擦条件下，微纳米织构能储存摩擦磨损过程中产生的磨屑或微颗粒，从而降低摩擦并减小磨损。而在润滑介质条件下，滑动表面上分布的微结构能形成动压润滑膜，具有良好的减摩抗磨效应。因此，微纳摩擦测试及主动控制对于评估这些微纳织构表面的摩擦学性能有重要意义。然而现有摩擦磨损实验设备，如销盘式摩擦磨损试验机、四球摩擦磨损试验机等不适合对微纳米织构表面进行摩擦学测试，同时也不能对摩擦学性能进行主动的控制。通过微球与微纳米织构之间的纳牛级力加载、摩擦力测试及主动电控对微纳米织构表面性能测试及控制方面的专利和研究论文还尚未见报道。
发明内容
本实用新型的目的是要克服已有技术的不足，提供一种测试方便、精度高，易于控制的织构表面的电控摩擦装置。
本实用新型的织构表面的电控摩擦装置，包括计算机，计算机连接有可沿X、Y、Z方向调整的压电陶瓷扫描器，压电陶瓷扫描器上设有样品台，样品台上设有样品，样品上分别设有激光器、与计算机相连的四象限光电探测器和探针，探针的导电探针微球与探针悬臂的一端粘结在一起，探针的另一端夹持在探针架上，探针架依次与微安表、电化学工作站、电阻、样品相连，样品带有织构的一面与探针相接触；电化学工作站通过数据线与计算机相连接，以此实现摩擦力测试过程中电压信号的输入。
所述的样品由样品基体和微纳织构组成；所述的探针由探针微球和探针悬臂组成；所述的探针架由探针架体和导轨组成。
有益效果，由于采用了上述方案，在对微纳织构样品表面进行电控摩擦测试时，提高了样品织构与探针间压力的稳定控制，实现了不同类型电压信号的输入，获得了微纳织构表面摩擦力的动态调控，能够对微纳米织构表面进行微纳摩擦学性能测定及主动控制的织构表面的电控摩擦装置。采用电控方法对高速运转的摩擦副进行瞬时的实时响应，从而对摩擦副摩擦性能的快速调节，实现微纳织构表面摩擦力的动态调控。电化学工作站可以输入直流、交流、正向脉冲、反向脉冲、不同频率脉冲、正负交替脉冲、三角形波、方形波、正弦波不同种类的电压信号，因此可以对摩擦副间的摩擦状态进行多状态的调节。同时，在摩擦副对摩过程中，摩擦力受不同频率及其幅值的自生电势的影响，通过调节电压信号输入的参数，可以抵消摩擦副自生电势对摩擦力的影响。在摩擦力测试过程中，微小的形变量和精密的检测反馈控制，使得该装置能同时测量微毫牛级的摩擦力和法向载荷，而且具有较高的载荷加载分辨率。同时，本实用新型中的微球探针可以替换选择不同直径的微球，因此可以探讨微球直径对摩擦力的影响，研究微纳米织构和微球的相互作用过程。本实用新型构思新颖，测试方便、精度高，采用微纳米织构电控摩擦测试装置对微纳米织构表面进行摩擦性能测试操作简单、易于控制；应用范围广，可以对带有微米、亚微米、纳米等的织构表面进行摩擦性能的精密测试，同时可以对摩擦过程进行调控。
附图说明
图1是本实用新型微纳米织构电控摩擦测试装置方案图。
图2是本实用新型微纳织构样品与球形探针结构示意图。
图3是本实用新型恒压力加载工作流程图。
图中：1、激光器；2、四象限光电探测器；3、计算机；4、压电陶瓷扫描器；5、样品台；6、样品；7、探针；8、探针架；9、微安表；10、电化学工作站；11、电阻；6-1、样品基体；6-2、微纳织构；7-1、探针微球；7-2、探针悬臂；8-1、探针架体；8-2、导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的一个实施例作进下步的描述：
本实用新型的织构表面的电控摩擦装置，主要由，包括计算机3，所述的计算机3连接有可沿X、Y、Z方向调整的压电陶瓷扫描器4，压电陶瓷扫描器4上设有样品台5，样品台5上设有样品6，样品6由样品基体6-1和微纳织构6-2组成。样品6上分别设有激光器1、与计算机3相连的四象限光电探测器2和探针7，探针7由探针微球7-1和探针悬臂7-2组成，探针微球7-1和探针悬臂7-2粘结而成，根据实验的不同需要可以选择不同材料和直径的探针微球。探针7的导电球形针尖与探针悬臂7-2的一端粘结在一起，探针7的另一端夹持在探针架8上，探针架8由探针架体8-1和导轨8-2组成。探针架8依次与微安表9、电化学工作站10、电阻11、样品6相连，样品6带有织构的一面与探针7相接触；电化学工作站10通过数据线与计算机3相连接，以此实现摩擦力测试过程中电压信号的输入。探针7的导电球形针尖与探针悬臂的一端粘结在一起，探针7的另一端夹持在探针架8上，探针架体8-1可以随着导轨8-2上下移动，同时探针架8、微安表9、电化学工作站10、电阻11、样品6依次相连，样品6带有织构的一面与探针7相接触；微安表9和电化学工作站10为市售产品。电化学工作站10通过数据线与计算机3相连接，实现了摩擦力测试过程中电压信号的输入。检测用激光器1发出的光入射到探针悬臂的背面，反射到四象限光电探测器2上，四象限光电探测器2与计算机3相连，通过计算机3计算得出摩擦力的大小；同时计算机3对探针起伏信号进行处理。计算机3与压电陶瓷扫描器4相连，将处理的探针起伏信号处理后控制压电陶瓷扫描器4的伸缩和扫描。压电陶瓷扫描器4的顶端与样品台5连接，样品台5上放置有样品6。
工作过程：将带有微纳织构的样品6放置在样品台5上，将自制的导电微球探针安装到探针架8上，打开激光器1，在四象限光电探测器2的辅助下调整好探针7的姿态，调节探针架8的上下位置使探针7与样品6接触，通过计算机3设置探针7和样品6之间的压力，通过计算机3辅助设置电化学工作站10的电压类型。在摩擦力测试过程中，样品6的平面扫描范围和速度通过计算机系统3控制压电陶瓷扫描器4来实现，因样品6形貌起伏导致的探针压力变化通过激光器1、四象限光电探测器2、计算机系统3控制压电陶瓷扫描器4的Z向伸缩进行反馈调节，从而保持探针7与样品6之间压力的恒定。电化学工作站10提供摩擦力测试过程中的控制电压，电阻11可以调节回路中电流的大小，微安表9测试回路中的电流。样品6和探针7之间的摩擦力通过激光器1、四象限光电探测器2、计算机系统3进行实时检测。
Claims (4)
1.一种织构表面的电控摩擦装置，包括计算机（3），其特征在于：所述的计算机（3）连接有可沿X、Y、Z方向调整的压电陶瓷扫描器（4），压电陶瓷扫描器（4）上设有样品台（5），样品台（5）上设有样品（6），样品（6）上分别设有激光器（1）、与计算机（3）相连的四象限光电探测器（2）和探针（7），探针（7）的导电探针微球（7-1）与探针悬臂（7-2）的一端粘结在一起，探针（7）的另一端夹持在探针架（8）上，探针架（8）依次与微安表（9）、电化学工作站（10）、电阻（11）、样品（6）相连，样品（6）带有织构的一面与探针（7）相接触；电化学工作站（10）通过数据线与计算机（3）相连接，以此实现摩擦力测试过程中电压信号的输入。
2.根据权利要求1所述的织构表面的电控摩擦装置，其特征在于：所述的样品（6）由样品基体（6-1）和微纳织构（6-2）组成。
3.根据权利要求1所述的织构表面的电控摩擦装置，其特征在于：所述的探针（7）由探针微球（7-1）和探针悬臂（7-2）组成。
4.根据权利要求1所述的织构表面的电控摩擦装置，其特征在于：所述的探针架（8）由探针架体（8-1）和导轨（8-2）组成。
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2011
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