[发明专利]微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种外加电势情况下用于微纳摩擦测试方法及装置，尤其是涉及一种微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置。

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。这些方法的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

本发明的目的是要提供一种：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微纳米织构表面的电控摩擦方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：该摩擦方法包括前期准备、恒压力加载、电控信号输入和摩擦力检测，具体步骤以下：

前期准备：首先准备好进行电控摩擦学性能测试用的样品，所述的样品上带有微米织构、亚微米织构或纳米织构，将样品置于样品台上；然后把带有球形针尖的探针安装到探针架上；最后建立微纳米织构电控摩擦测试装置，所述的微纳米织构电控摩擦测试装置包括摩擦力检测模块和电控信号输入模块，摩擦力检测模块和电控信号输入模块顺序连接；

恒压力加载：首先调整探针架的高度至球形探针与样品表面相接触；然后，通过计算机系统施加于压电陶瓷扫描器的电压值调整压电陶瓷扫描器的伸长量，压电陶瓷扫描器的伸长带动样品的上升，从而导致球形探针悬臂的变形，根据悬臂的变形量和悬臂的力学常熟可以确定球形探针和样品间压力的大小，将这时的压力值对应的电压值设定为摩擦测试过程中参考点；最后，摩擦力测试过程中，由于样品形貌的起伏导致探针变形量的改变，从而改变了压力的大小，此时通过四象限光电探测器检测因悬臂变形引起的反射光位置变化，判定探针的变形量，将信号进行模数转化后与参考点进行比较，再将差值进行数模转换经放大器放大，从而驱动压电陶瓷扫描器实时的做出调整，保持压电陶瓷扫描器的调整与样品形貌起伏同步，从而保证样品和探针间恒压力的稳定加载；

电控信号输入：将计算机系统通过数据线与电化学工作站相连，电化学工作站的正极与微安表相连，微安表与导电探针架相连；电化学工作站的负极与电阻、样品台、样品依次相连；电化学工作站、微安表、探针架、探针、样品、样品台、电阻构成了一个闭合回路。电化学工作站可以通过计算机系统实现直流、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、正弦波的电压信号输入；摩擦力测试过程中，通过改变计算机系统上电压信号，可以实时的对摩擦力进行调整，从而控制样品和探针间的摩擦状态；

摩擦力检测：首先，测试用激光器发出的光入射到探针背面，反射后光斑落在四象限光电探测器的中心位置；然后，在摩擦力检测过程中，探针和样品之间相对运动，压力的变化、电压输入信号的变化引起探针悬臂的扭曲，光斑就会偏离四象限光电探测器的中心位置；将该信号输入计算机系统进行计算后得出摩擦力的大小。