[发明专利]真空条件下单颗粒粘附力和带电量的测试系统及测试方法有效
申请号: | 201410238965.4 | 申请日: | 2014-05-30 |
公开(公告)号: | CN103983381B | 公开(公告)日: | 2017-01-25 |
发明(设计)人: | 王志浩;白羽;田东波;李蔓;李宇;于强;刘学超;李涛 | 申请(专利权)人: | 北京卫星环境工程研究所 |
主分类号: | G01L1/00 | 分类号: | G01L1/00;G01R29/24 |
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地址: | 100094 *** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 真空 条件下 颗粒 粘附 电量 测试 系统 方法 | ||
技术领域
本发明属于物理参数测试技术领域,具体来说,本发明涉及真空条件下测试微小颗粒物与平板之间粘附力以及颗粒物带电量的系统,同时也给出了利用该系统进行单颗粒物与平板粘附力和颗粒带电量的测试方法。
背景技术
通常,微小的颗粒物与平板材料进行接触,颗粒与平板之间会产生粘附效应,一般来说,颗粒粒径越小,粘附效应越明显,针对颗粒粒径小于1mm的情况,更是明显。在粘附力测量系统中,通常认为的粘附力是颗粒与平板之间的范德华力及静电力的合力,颗粒的重力则单独考虑。
目前,通常采用原子力显微镜测试颗粒与平板材料之间粘附力的大小,其基本原理是将单个颗粒物固定在原子力显微镜的探针上,精确控制颗粒与平板材料之间的距离,受粘附力的作用,探针悬臂会发生形变,利用激光测试的方式可以测量探针悬臂的偏移量,根据形变量与受力的关系可计算得到单颗粒与平板间的粘附力,具体的一种测量方法可参见柳冠青等,微米颗粒与固体表面相互作用的AFM测量,工程热物理学报。第30卷,第5期,2009年5月,803-806页。但是,使用原子力显微镜测量单颗粒与平板材料之间的粘附力存在严重缺陷,主要表现在以下三个方面:
1、微小颗粒物必须牢固地固定在探针尖端,探针针尖半径一般为10到几十纳米,在如此微小的结构上牢固地固定颗粒难度很大。
2、使用原子力显微镜测试单颗粒与平板间粘附力,二者之间的相对距离是测试人员人为设置和控制的,相对距离不能真实反映颗粒自然沉积条件下的实际间距,而颗粒与平板材料之间的距离是影响二者之间粘附力的最重要的因素之一,因此原子力显微镜测试方法不能反映真实情况。
3、在真空条件下,辐射光照等环境可能导致颗粒物带电,且带电电荷不易中和,颗粒带电量是影响颗粒粘附力的最重要的因素之一,原子力显微镜是成品测量仪器,其测试环境无法模拟颗粒荷电情况,测试得到的粘附力因此也不能反映真实情况。由此可见,现有的原子力显微镜测量单颗粒与平板的粘附力不能反映真实的情况,测量的误差很大,同时,也无法精确地获得单颗粒的带电量。基于此,提供能够真实反映单颗粒带电量以及单颗粒与平板材料之间的粘附力的测量系统和方法非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够真实反映单荷电颗粒与平板材料之间粘附力以及颗粒带电量的测试系统,该测试系统测试误差小,且能够模拟自然状态下颗粒与平板材料的粘附情况,且不需要对单颗粒进行微小尺度下的精确固定。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述测量系统进行单颗粒与平板材料之间粘附力的测试方法。该测试方法采用非接触静电场法,联立电场参数和颗粒运动参数,在得到颗粒粘附力的同时也可得到颗粒带电电量,主要技术方案如下:
真空条件下单颗粒与平板材料之间粘附力和颗粒带电量测试系统,包括真空容器,设置在真空容器内的一对平行设置的电极板,上部电极和下部电极分别通过导线与真空容器外的直流电源电连接并通过直流电源加载电压,使平行板之间产生均匀的电场,真空容器内还设置有紫外光源或电子枪对设置在下部电极上的单颗粒实施荷电操作,真空容器外还设置有颗粒运动摄录装置,以通过真空容器上对应摄录位置开设的观察窗对单颗粒的运动进行实时摄录,其中,上部电极与下部电极之间的间距为30mm-100mm,平板材料为导体材料,制成下部电极。
其中,平板材料为非导体材料,并放置在下部电极的上表面。
其中,所述颗粒运动摄录装置为高速摄像机。
其中,平板材料为铜、银、铝、锌、铁或其合金。
利用上述测试系统测量单颗粒与平板材料之间的粘附力和带电量的方法,包括如下步骤:
将单颗粒放置在下部电极上,连接真空容器内外线缆之后关闭真空容器,打开真空获取装置直到指定真空度;
调节紫外光源或电子枪辐照单颗粒使其带电;
以不高于1V/s的速度升高直流电源的电压,同时开启颗粒运动摄录装置进行连续拍照或摄像。
当颗粒发生运动时,停止升高电压,记录颗粒发生运动时刻的电压U,则颗粒运动的整个过程中,平板间电场E为恒定值,E=U/d,d为上部电极和下部电极之间的距离,根据捕捉到的颗粒运动图像利用d=at2/2计算颗粒运动加速度a,其中,t为颗粒从发生运动的时刻到到达上部电极的时刻所用的时间,再利用Fa=m×a得到粘附力Fa,其中m为颗粒质量,再由FE=Fa+G和FE=Q×E得到颗粒的带电量Q,其中FE为电场力,G为颗粒的重力。
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