[發(fā)明專利]一種薄膜表面納米刻劃與摩擦粘滑特性測試裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310136902.3
• 申請日: 2013-04-18
• 公開（公告）號(hào): CN103234848A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 刁東風(fēng);于力偉;范雪
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/40
• 分類號(hào): G01N3/40;G01N19/02;G01N3/46
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米表面測試領(lǐng)域，尤其涉及一種薄膜表面納米刻劃與摩擦粘滑特性測試裝置。

背景技術(shù)

近年來，以碳基薄膜為代表的納米薄膜以其高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性等優(yōu)異的機(jī)械性能，作為理想的耐磨保護(hù)涂層以及固體潤滑劑，在機(jī)械、電子、磁介質(zhì)保護(hù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，引起了研究者的關(guān)注。

目前，對碳基薄膜的納米力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法主要有納米壓痕與劃痕測試。自Stillwon和Tabor在1961年提出利用壓入的彈性恢復(fù)過程測定材料力學(xué)性能的方法以來，納米壓痕已經(jīng)成為獲得材料硬度和彈性模量指標(biāo)的可靠測試方法。然而對于薄膜，尤其是超薄薄膜（膜厚小于50nm）來說，納米壓痕的作用深度往往接近其膜厚，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將大大受到基體力學(xué)性能的影響，這將對薄膜力學(xué)性能的評(píng)價(jià)造成干擾。另外，納米壓痕實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，無法快速而便捷地表征薄膜的軟硬程度。相比之下，納米劃痕測試則是使用金剛石壓頭對薄膜表面進(jìn)行塑性刻劃，通過比較劃痕深度和寬度等指標(biāo)來表征薄膜的硬度，更適用于評(píng)價(jià)薄膜材料的力學(xué)性能。

常見的劃痕測試裝置有大載荷表面劃痕裝置、AFM（Atomic?Force?Microscope，原子力顯微鏡）納米劃痕裝置等。大載荷表面劃痕測試中刻劃載荷通常為100mN至N級(jí)，且加載的分辨率低，并不適合超薄薄膜的刻劃實(shí)驗(yàn)。AFM納米劃痕測試中刻劃載荷通常為10nN至μN(yùn)級(jí)，加載分辨率過高且難于控制，所采用的光學(xué)傳感方法大大局限其加載范圍。另外，對樣品的表面粗糙度的較高要求也限制其應(yīng)用范圍。

另一方面，薄膜表面摩擦粘滑行為作為其重要的摩擦學(xué)性能在精密定位技術(shù)中具有重要意義。粘滑運(yùn)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)、靜摩擦交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著精密定位中的定位精度。但是粘滑行為不僅受薄膜自身摩擦學(xué)性能影響，而且與測試系統(tǒng)剛度有很大關(guān)系。若使用高切向剛度摩擦力測試裝置可以得到摩擦滑動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)卻無法反映出粘滑行為。因此只有選用較低切向剛度的摩擦力測試傳感器才能達(dá)到測試目的。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述大載荷劃痕裝置與AFM納米劃痕裝置在加載中存在的問題，本發(fā)明提供了一種薄膜表面納米刻劃與摩擦粘滑特性測試裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)100μN(yùn)至mN載荷下的刻劃測試，同時(shí)，其較低的系統(tǒng)剛度確保刻劃過程中薄膜表面摩擦粘滑性能得以在線檢測。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

基座，基座上安裝有用于放置檢測樣本的壓電式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以及能夠垂直和水平移動(dòng)的位移臺(tái)，位移臺(tái)上安裝有傳感器固定器，傳感器固定器的前端固定安裝有納米刻劃與粘滑測試傳感器，基座上還安裝有光學(xué)成像系統(tǒng)，其中，納米刻劃與粘滑測試傳感器包括：帶有刻劃頭的刻劃頭夾持塊，刻劃頭位于壓電式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的正上方，刻劃頭夾持塊通過切向臂和法向臂與感器固定器相連接，且切向臂和法向臂上對應(yīng)貼附有切向力電阻應(yīng)變片和法向力電阻應(yīng)變片。

所述位移臺(tái)包括：安裝于基座上的若干根絲杠，絲杠的頂端固定安裝有U型探針架，U型探針架上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)U型探針架水平位移的手調(diào)旋鈕；

所述傳感器固定器包括：安裝于位移臺(tái)上的U型固定導(dǎo)軌，U型固定導(dǎo)軌的中部卡合有用于固定納米刻劃與粘滑測試傳感器的夾塊。

所述U型探針架的內(nèi)側(cè)為斜面結(jié)構(gòu)，且所述U型固定導(dǎo)軌的外側(cè)面與U型探針架內(nèi)側(cè)斜面相配合。

所述U型探針架的下端設(shè)置有進(jìn)行緩沖的制動(dòng)拉簧。

所述絲杠的數(shù)量為3。

所述U型固定導(dǎo)軌的兩臂上安裝分別有L形擋板。

所述切向臂與法向臂通過轉(zhuǎn)接塊相連接。

所述刻劃頭通過緊定螺釘同軸連接于刻劃頭夾持塊上。

所述刻劃頭為金剛石壓頭，尖端曲率半徑為130nm，錐頂角為155°。

所述光學(xué)成像系統(tǒng)的顯微放大倍率為400倍。

本發(fā)明提供了一種薄膜表面納米刻劃與摩擦粘滑特性測試裝置，將壓電式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與低剛度的納米刻劃與粘滑測試傳感器相配合，通過不同的運(yùn)動(dòng)控制方式，一方面可完成100uN至mN薄膜納米刻劃實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中AFM納米刻劃裝置加載范圍局限且難于控制、對樣品表面粗糙度要求高等不足；另一方面，測試系統(tǒng)的低剛度性確保刻劃過程中薄膜表面摩擦粘滑性能得以在線檢測，克服了現(xiàn)有技術(shù)中高剛度摩擦試驗(yàn)機(jī)無法反映表面摩擦粘滑特性的缺點(diǎn)。