[發明專利]超低摩擦系數測量用異形截面懸臂梁探針設計及加工方法

有效

• 申請號: 201711033488.8
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN109406386B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 錢林茂;江亮;林斌;雒建斌
• 申請（專利權）人: 西南交通大學;清華大學
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明提供了一種應用于納米級單點接觸超低摩擦系數測量的異形橫截面微懸臂梁探針設計及加工方法，其設計方法是首先建立具有普適性的摩擦系數測量理論模型；再結合異形橫截面微懸臂梁探針的結構特性，建立適用于異形橫截面微懸臂梁探針的摩擦系數測量理論模型；在此基礎上，結合摩擦系數分辨率、可加載的最大正壓力或可測量的最小摩擦力以及原子力顯微鏡特性等約束條件，設計滿足測量要求的異形橫截面微懸臂梁探針。采用本發明提出的方法設計、加工出的探針，能夠顯著提高摩擦系數測量分辨率，實現10^?6及以上量級分辨率的超低摩擦系數測量，保證超滑過程定量分析的真實性和可靠性，為深入系統研究超滑理論和技術提供了一種重要的測量手段。

技術領域

本發明屬于儀器儀表技術中的分析及測量控制技術領域，具體涉及一種應用于納米級單點接觸超低摩擦系數測量的異形橫截面微懸臂梁探針設計及加工方法。

背景技術

隨著世界經濟的快速增長，各行業摩擦磨損造成的損失也相應增大，能源危機日益嚴峻。根據國外統計資料顯示，摩擦消耗掉全世界30％的一次性能源，約有80％的機器零部件因為磨損而失效。據不完全統計，我國每年由于摩擦磨損造成的經濟損失達上萬億元。發掘新型減摩和潤滑技術，已成為節約能源和資源的重要研究領域。近年來，超滑現象的發現為解決能源消耗這一難題提供了新的重要途徑。一般認為，滑動摩擦系數在0.001量級或更低(稱為超低摩擦系數)的潤滑狀態即為超滑態。在超滑狀態下，摩擦系數較常規的油潤滑成數量級的降低，磨損率極低，接近于零。超滑狀態的實現和普遍應用，將會大幅度降低能源與資源消耗，顯著提高關鍵運動部件的服役品質。

事實上，由于影響超滑狀態的因素眾多且相互耦合，超滑理論和技術的深入研究受到了嚴重制約。納米級單點接觸(即接觸區尺寸為納米量級)可以排除宏觀多點接觸等多種外界因素干擾，便于超滑過程的定量分析。然而，目前納米級單點接觸狀態下的超低摩擦系數測量是一個公認的技術難題，主要體現在以下兩個方面：首先，納米級單點接觸通常采用原子力顯微鏡實現，而原子力顯微鏡主要應用于表面形貌掃描、力學性能測試等方面，基本未關注超低摩擦系數測量；其次，文獻中報道的摩擦系數分辨率通常為0.01量級，遠未實現10^-6及以上量級(10^-6的更高精度)分辨率的摩擦系數測量。當摩擦系數進一步減小至10^-6及以上量級時，摩擦力信號會被系統噪音完全掩蓋，無法測量得到。

由此可見，優化改進現有的納米級單點接觸摩擦系數測量技術，實現10^-6及以上量級分辨率的超低摩擦系數測量顯得至關重要。

發明內容

本發明的目的旨在針對上述現有技術中存在的問題，提供一種應用于納米級單點接觸超低摩擦系數測量的異形橫截面微懸臂梁探針設計方法，通過該方法設計出的探針能夠實現10^-6及以上量級分辨率的超低摩擦系數測量。本發明進一步通過理論計算、有限元仿真等方法證明，采用本發明提出的方法設計出的探針，能夠顯著提高摩擦系數測量分辨率，實現超低摩擦系數測量，從而保證超滑過程定量分析的真實性和可靠性，為深入系統研究超滑理論和技術提供一種重要的測量手段。

基于上述異形橫截面微懸臂梁探針設計方法，本發明進一步提供了一種依據設計得到的異形橫截面微懸臂梁探針尺寸進行加工的方法。

本發明基于原子力顯微鏡的測量原理，通過微懸臂梁探針的扭轉和彎曲來分別測量摩擦力和正壓力，建立具有普適性的摩擦系數測量理論模型；再結合異形橫截面微懸臂梁探針的結構特性，建立適用于異形橫截面微懸臂梁探針的摩擦系數測量理論模型；在此基礎上，結合摩擦系數分辨率、可加載的最大正壓力或可測量的最小摩擦力、原子力顯微鏡特性以及探針可加工性等約束條件，依據理論模型計算、設計滿足測量要求的異形橫截面微懸臂梁探針，并采用有限元仿真校核驗證。本發明進一步提出了一種采用聚焦離子束切割和聚焦離子束焊接等工序加工具有設計尺寸的異形橫截面微懸臂梁探針的實現方式，以加工出應用于樣品超滑狀態下的納米級單點接觸超低摩擦系數測量的探針。