[發明專利]高速沖擊薄膜摩擦學試驗機及評價薄膜沖擊摩擦性的方法

有效

• 申請號: 201210164401.1
• 申請日: 2012-05-22
• 公開（公告）號: CN102706765A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 王立平;蒲吉斌;趙文杰;白明武;薛群基
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56;G01N3/303
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術領域

本發明涉及薄膜材料表面的沖擊摩擦性能評估技術領域，尤其涉及一種能在超高速運動和超輕載荷條件下精確評價微/納米尺度薄膜沖擊摩擦性能的試驗裝置，以及利用該試驗裝置評價薄膜沖擊摩擦性能的方法，該試驗裝置能在微牛載荷范圍和高達50m/s的旋轉速度下測試薄膜沖擊摩擦、耐久壽命、接觸力特征、流動和自修復性。

背景技術

目前，微/納米尺度的超硬薄膜和潤滑劑薄膜已經廣泛應用于微機電系統（MEMS）、超高密度磁盤、衛星器件等高技術領域。而在這些器件中許多相對運動副都處于微/納間隙下的超高頻率振動和滑動混合接觸狀態，這就需要對應用于這些器件中的超薄潤滑膜進行沖擊摩擦性能和耐久壽命的評估。在國內，公知的薄膜摩擦試驗機主要是用于在毫牛、牛級載荷和較低速運動下對潤滑膜進行常規摩擦磨損性能評價，而國外的一些摩擦試驗機雖然可以在微牛級低載荷下評價納米尺度薄膜的摩擦學性能，但運動速度一般都不是很高，也無法評價在微小器件中常見的薄膜沖擊摩擦性能。

發明內容

本發明的技術目的是針對上述薄膜摩擦試驗機的技術現狀，提供一種新型結構的薄膜沖擊摩擦性能評價裝置，不僅能在超高旋轉運動速度和超輕載荷下評價微/納米尺度薄膜的沖擊摩擦性能，同時還能獲得薄膜的耐久壽命、接觸力特征、流動和自修復性，以解決目前公知摩擦試驗機不能同時在超高運動速度（~50m/s）和超輕載荷（微牛級）條件下評價微/納米尺度薄膜的沖擊摩擦學性能的問題。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案是：一種高速沖擊薄膜摩擦學試驗機，主要由高速旋轉薄膜樣品臺、沖擊運動系統以及信號采集系統構成；

所述的高速旋轉薄膜樣品臺由高精度氣懸浮電機構成，待測薄膜樣品套接在該氣懸浮電機的轉子上，所述的轉子的上部凹槽設有負壓孔，用于動態吸住旋轉薄膜樣品；

所述的沖擊運動系統包括懸臂梁定位裝置、安裝在懸臂梁前端的沖擊摩擦對偶樣夾具以及沖擊摩擦對偶樣夾具夾持的沖擊摩擦對偶樣，以及用于監測沖擊摩擦對偶樣與薄膜樣品間距離的顯微鏡；

所述的懸臂梁定位裝置包括沿水平面滑移的一維滑移臺；安裝在一維滑移臺上、沿垂直方向升降的垂直升降臺；安裝在一維滑移臺上、沿垂直方向升降的手動微調升降臺；與垂直升降臺相連接、平行于水平面的第一支架；通過納米級伸縮壓電陶瓷管與第一支架相連接、平行于水平面的第二支架；安裝在第二支架前端的懸臂梁；與手動微調升降器相連接、平行于水平面的第三支架；以及分別安裝在第二支架和第三支架后端的納米電容傳感器；

所述的信號采集系統包括多普勒激光測振儀和聲波測振儀傳感器；多普勒激光測振儀設置在沖擊摩擦對偶樣的正上方一定位置處，用于非接觸式采集沖擊振動的頻譜信號；聲波測振儀傳感器位于沖擊摩擦對偶樣上方，并且與沖擊摩擦對偶樣的上表面接觸，用于接觸式采集沖擊振動的頻譜信號。

作為優選，所述的高速旋轉薄膜樣品臺安裝在減振底座上。

作為優選，所述的顯微鏡為CCD顯微鏡，進一步優選所述的顯微鏡安裝在可轉動調節位置的多自由度顯微鏡支架上。

作為優選，所述的高精度氣懸浮電機的轉速穩定性小于0.001%，軸向和徑向旋轉誤差小于5微米。

作為優選，所述的沖擊摩擦對偶樣是沖擊小球；作為進一步優選，所述的沖擊小球通過沖擊小球夾具與懸臂梁相連接，聲波測振儀傳感器位于沖擊小球夾具內并且與沖擊小球上表面接觸。

利用本發明高速沖擊薄膜摩擦學試驗機評價薄膜沖擊摩擦性能的方法包括如下步驟：

步驟1、初始化：

將薄膜樣品套接在氣懸浮電機的轉子上，調節一維滑移臺和垂直升降臺，通過顯微鏡監測，使沖擊摩擦對偶樣位于薄膜樣品正上方，并且與薄膜樣品上表面保持一微小間距；

調節手動微調升降臺，減小電容傳感器上下電極板的間距，使電容傳感器處于靈敏測量狀態；

調整多普勒激光測振儀的激光頭，使其位于沖擊摩擦對偶樣夾具的正上方，并且與沖擊摩擦對偶樣夾具保持一定距離，使激光頭發射出的激光能垂直照射在沖擊摩擦對偶樣夾具上表面的反射膜上；

步驟2、沖擊摩擦實驗：

啟動氣懸浮電機，負壓孔動態吸附高速旋轉的薄膜樣品，納米級伸縮壓電陶瓷管驅動沖擊摩擦對偶樣撞擊高速旋轉薄膜樣品，撞擊瞬間產生的振動波經沖擊摩擦對偶樣傳給接觸式聲波測振儀傳感器，同時，多普勒激光測振儀被觸發，通過多普勒激光的頻移現象非接觸采集沖擊摩擦對偶樣的振動信號，從而獲得不同薄膜在高速沖擊作用下的特殊摩擦性。