專利名稱：高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)及評價(jià)薄膜沖擊摩擦性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜材料表面的沖擊摩擦性能評估技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能在超高速運(yùn)動和超輕載荷條件下精確評價(jià)微/納米尺度薄膜沖擊摩擦性能的試驗(yàn)裝置，以及利用該試驗(yàn)裝置評價(jià)薄膜沖擊摩擦性能的方法，該試驗(yàn)裝置能在微牛載荷范圍和高達(dá)50m/s的旋轉(zhuǎn)速度下測試薄膜沖擊摩擦、耐久壽命、接觸カ特征、流動和自修復(fù)性。
背景技術(shù)：
目前，微/納米尺度的超硬薄膜和潤滑劑薄膜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、超高密度磁盤、衛(wèi)星器件等高技術(shù)領(lǐng)域。而在這些器件中許多相對運(yùn)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(tài)，這就需要對應(yīng)用于這些器件中的超薄潤滑膜進(jìn)行沖擊摩擦性能和耐久壽命的評估。在國內(nèi)，公知的薄膜摩擦試驗(yàn)機(jī)主要是用于在毫牛、牛級載荷和較低速運(yùn)動下對潤滑膜進(jìn)行常規(guī)摩擦磨損性能評價(jià)，而國外的ー些摩擦 試驗(yàn)機(jī)雖然可以在微牛級低載荷下評價(jià)納米尺度薄膜的摩擦學(xué)性能，但運(yùn)動速度一般都不是很高，也無法評價(jià)在微小器件中常見的薄膜沖擊摩擦性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是針對上述薄膜摩擦試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀，提供ー種新型結(jié)構(gòu)的薄膜沖擊摩擦性能評價(jià)裝置，不僅能在超高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度和超輕載荷下評價(jià)微/納米尺度薄膜的沖擊摩擦性能，同時(shí)還能獲得薄膜的耐久壽命、接觸カ特征、流動和自修復(fù)性，以解決目前公知摩擦試驗(yàn)機(jī)不能同時(shí)在超高運(yùn)動速度r50m/s)和超輕載荷(微牛級)條件下評價(jià)微/納米尺度薄膜的沖擊摩擦學(xué)性能的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是ー種高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，主要由高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺、沖擊運(yùn)動系統(tǒng)以及信號采集系統(tǒng)構(gòu)成；所述的高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺由高精度氣懸浮電機(jī)構(gòu)成，待測薄膜樣品套接在該氣懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，所述的轉(zhuǎn)子的上部凹槽設(shè)有負(fù)壓孔，用于動態(tài)吸住旋轉(zhuǎn)薄膜樣品；所述的沖擊運(yùn)動系統(tǒng)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(jiān)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(diào)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(diào)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(tǒng)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(shè)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(yōu)選，所述的高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺安裝在減振底座上。作為優(yōu)選，所述的顯微鏡為CXD顯微鏡，進(jìn)ー步優(yōu)選所述的顯微鏡安裝在可轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)位置的多自由度顯微鏡支架上。作為優(yōu)選，所述的高精度氣懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性小于O. 001%,軸向和徑向旋轉(zhuǎn)誤差小于5微米。作為優(yōu)選，所述的沖擊摩擦對偶樣是沖擊小球；作為進(jìn)ー步優(yōu)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(nèi)并且與沖擊小球上表面接觸。利用本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)評價(jià)薄膜沖擊摩擦性能的方法包括如下
步驟I、初始化將薄膜樣品套接在氣懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，調(diào)節(jié)ー維滑移臺和垂直升降臺，通過顯微鏡監(jiān)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(diào)節(jié)手動微調(diào)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(tài)；調(diào)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(fā)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(shí)驗(yàn)啟動氣懸浮電機(jī)，負(fù)壓孔動態(tài)吸附高速旋轉(zhuǎn)的薄膜樣品，納米級伸縮壓電陶瓷管驅(qū)動沖擊摩擦對偶樣撞擊高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品，撞擊瞬間產(chǎn)生的振動波經(jīng)沖擊摩擦對偶樣傳給接觸式聲波測振儀傳感器，同吋，多普勒激光測振儀被觸發(fā)，通過多普勒激光的頻移現(xiàn)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。綜上所述，本發(fā)明提供的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)借助氣懸浮電機(jī)的超高速旋轉(zhuǎn)，高精度懸臂梁定位裝置中一維滑移臺、垂直升降臺、手動微調(diào)升降臺、納米級電容傳感器對沖擊摩擦對偶樣的精確定位，納米級伸縮壓電陶瓷管對沖擊摩擦對偶樣的沖擊驅(qū)動，以及聲波測振儀傳感器和多普勒激光測振儀相結(jié)合的探測手段，能夠在超高旋轉(zhuǎn)速度和超輕載荷下評價(jià)微/納米尺度薄膜的沖擊摩擦性能。同吋，從連續(xù)沖擊實(shí)驗(yàn)過程中還能獲得薄膜的耐久壽命、接觸カ特征、流動和自修復(fù)性。另外，本發(fā)明提供的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。


圖I是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的正視圖；圖3是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的的側(cè)視圖4是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的俯視圖；圖5是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的懸臂梁定位和沖擊運(yùn)動系統(tǒng)示意圖；圖7是本發(fā)明高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)的懸臂梁局部放大示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例g在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。圖1-7中的附圖標(biāo)記為1、氣懸浮電機(jī)，2、負(fù)壓孔,3、薄膜樣品,4、平面滑移臺，5、 垂直升降臺，6、手動微調(diào)升降器，7、懸臂梁，8、納米級伸縮壓電陶瓷管，9、電容傳感器，10、沖擊小球夾具，11、聲波測振儀傳感器，12、沖擊小球，13、多普勒激光測振儀的激光頭，14、旋轉(zhuǎn)鉸鏈，15、多自由度顯微鏡支架，16、位移旋鈕，17、(XD顯微鏡，18、第一支架，19、第二支架，20、第三支架。本實(shí)施例中，高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)主要由高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺、沖擊運(yùn)動系統(tǒng)以及信號采集系統(tǒng)構(gòu)成。如圖5所示,高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺是由高精度氣懸浮電機(jī)I構(gòu)成，該氣懸浮電機(jī)I的轉(zhuǎn)子上部凹槽中設(shè)有負(fù)壓孔2。待測薄膜樣品3套接在該氣懸浮電機(jī)I的轉(zhuǎn)子上部，凹槽中的負(fù)壓孔2用于動態(tài)吸住旋轉(zhuǎn)薄膜樣品3。由于穩(wěn)定氣流支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子，使其處于懸浮無端摩擦狀態(tài)。負(fù)壓孔2采用抽氣的方式形成氣體負(fù)壓，從而直接動態(tài)吸住旋轉(zhuǎn)薄膜樣品
3。該氣懸浮電機(jī)I的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性小于O. 001%,軸向和徑向旋轉(zhuǎn)誤差小于5微米,薄膜樣品臺的旋轉(zhuǎn)速度可以高達(dá)15000轉(zhuǎn)/分。由于不存在機(jī)械加持產(chǎn)生的應(yīng)力，極大地減小了旋轉(zhuǎn)薄膜樣品3在垂直于旋轉(zhuǎn)面的方向的波動。如圖1、2、6與7所示，沖擊運(yùn)動系統(tǒng)包括懸臂梁定位裝置，安裝在懸臂梁前端的沖擊小球夾具10，沖擊小球夾具10夾持著沖擊小球，以及用于監(jiān)測沖擊小球12與薄膜樣品3間距離的CXD顯微鏡17。懸臂梁定位裝置包括一維滑移臺4、垂直升降臺5、手動微調(diào)升降器6、懸臂梁7、納米級伸縮壓電陶瓷管8，以及納米電容傳感器9。其中，一維滑移臺4能夠沿水平面滑移；垂直升降臺5安裝在一維滑移臺4上，能夠沿垂直方向升降；手動微調(diào)升降器6安裝在ー維滑移臺4上，能夠沿垂直方向升降；垂直升降臺4與第一支架18相連接，并且第一支架18平行于水平面；平行干水平面的第二支架19通過納米級伸縮壓電陶瓷管與第一支架18相連接；懸臂梁7安裝在第二支架19的前端；手動微調(diào)升降器6與第三支架20相連接，并且第三支架20平行于水平面；第二支架19和第三支架間安裝有納米電容傳感器9 ;納米電容傳感器9的上電極板與第二支架19的后端相連接，納米電容傳感器9的下電極板與第三支架20相連接；懸臂梁7的前端安裝用于夾持沖擊小球12的沖擊小球夾具10。CXD顯微鏡17安裝在可轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)位置的多自由度顯微鏡支架15上，并可以旋轉(zhuǎn)位移旋鈕16調(diào)節(jié)CXD顯微鏡17的前后位置。如圖1、2、3與7所示，信號采集系統(tǒng)包括多普勒激光測振儀13和聲波測振儀傳感器11 ;多普勒激光測振儀13安裝在可自由調(diào)節(jié)位置的旋轉(zhuǎn)鉸鏈14里，其激光頭位于沖擊小球夾具10的正上方位置。聲波測振儀傳感器11安裝在沖擊小球夾具10內(nèi)沖擊小球12上方，并且緊貼沖擊小球12。利用本實(shí)施例中的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)評價(jià)薄膜沖擊摩擦性能的方法包括如下步驟( I)初始化將待測薄膜樣品3放置在氣懸浮電機(jī)I的轉(zhuǎn)子上部凹槽中，調(diào)節(jié)ー維滑移臺4和垂直升降臺5，通過CXD顯微鏡17監(jiān)測，使沖擊小球12位于薄膜樣品3的正上方，并且與薄膜樣品3的上表面保持一微小間距；調(diào)節(jié)手動微調(diào)升降器6，減小納米電容傳感器9上下電極板的間距，使納米電容傳感器9處于靈敏測量狀態(tài)；調(diào)整多普勒激光測振儀13的激光頭，使其位于沖擊小球夾具10的正上方，并且與 沖擊小球夾具保持一定距離，使激光頭發(fā)射出的激光能垂直照射在沖擊小球夾具10上表面的反射膜上；(2)沖擊摩擦實(shí)驗(yàn)啟動氣懸浮電機(jī)1，負(fù)壓孔2動態(tài)吸附薄膜樣品3使其高速旋轉(zhuǎn)，納米級伸縮壓電陶瓷管8驅(qū)動沖擊小球12撞擊高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品3，撞擊瞬間產(chǎn)生的振動波經(jīng)沖擊小球12傳給接觸式聲波測振儀傳感器11，同時(shí)，多普勒激光測振儀13被觸發(fā)，通過多普勒激光的頻移現(xiàn)象非接觸采集沖擊小球12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。以上所述的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充或等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是主要由高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺、沖擊運(yùn)動系統(tǒng)以及信號采集系統(tǒng)構(gòu)成； 所述的高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺由高精度氣懸浮電機(jī)(I)構(gòu)成，待測薄膜樣品(3)套接在氣懸浮電機(jī)(I)的轉(zhuǎn)子上部，所述的氣懸浮電機(jī)(I)的轉(zhuǎn)子上部的凹槽中設(shè)有負(fù)壓孔(2)，用于動態(tài)吸住旋轉(zhuǎn)薄膜樣品； 所述的沖擊運(yùn)動系統(tǒng)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(jiān)測沖擊摩擦對偶樣與薄膜樣品(3)間距離的顯微鏡(17)； 所述的懸臂梁定位裝置包括沿水平面滑移的一維滑移臺(4);安裝在一維滑移臺(4)上、沿垂直方向升降的垂直升降臺(5);安裝在一維滑移臺(4)上、沿垂直方向升降的手動微調(diào)升降器(6);與垂直升降臺(5)相連接、平行于水平面的第一支架(18);通過納米級伸縮壓電陶瓷管(8)與第一支架(18)相連接、平行于水平面的第二支架(19);安裝在第二支架前端的懸臂梁(7);與手動微調(diào)升降器(6)相連接、平行于水平面的第三支架(20);以及分別安裝在第二支架和第三支架(19)后端的納米電容傳感器(9); 所述的信號采集系統(tǒng)包括多普勒激光測振儀(13)和聲波測振儀傳感器(11);多普勒激光測振儀(13)位于沖擊摩擦對偶樣夾具的正上方一定距離處，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(11)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是所述的高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺安裝在減振底座上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是所述的顯微鏡為CCD顯微鏡，并且安裝在可轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)位置的多自由度顯微鏡支架(13)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是所述的高精度氣懸浮電機(jī)(I)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性小于O. 001%，軸向和徑向旋轉(zhuǎn)誤差小于5微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是所述的沖擊摩擦對偶樣是沖擊小球(12)，所述的沖擊小球(12)通過沖擊小球夾具(10)與懸臂梁(7)相連接。
6.利用權(quán)利要求I至5中任一權(quán)利要求所述的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)評價(jià)薄膜沖擊摩擦性能的方法，包括如下步驟 步驟I :將待測薄膜樣品(3)套接在氣懸浮電機(jī)(I)的轉(zhuǎn)子上部，調(diào)節(jié)一維滑移臺(4)和垂直升降臺(5)，通過顯微鏡(17)監(jiān)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(3)上表面保持一微小間距； 調(diào)節(jié)手動微調(diào)升降器(6)，減小納米電容傳感器(9)的上下電極板的間距，使納米電容傳感器(9)處于靈敏測量狀態(tài)； 調(diào)整多普勒激光測振儀(13)的激光頭，使其位于沖擊摩擦對偶樣夾具的正上方一定距離處，使激光頭發(fā)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:啟動氣懸浮電機(jī)(1)，轉(zhuǎn)子上部凹槽內(nèi)的負(fù)壓孔(2)動態(tài)吸附薄膜樣品(3)帶動其高速旋轉(zhuǎn)，納米級伸縮壓電陶瓷管(8)伸縮運(yùn)動，驅(qū)動沖擊摩擦對偶樣朝薄膜樣品(3)做輕載沖擊運(yùn)動，沖擊高速旋轉(zhuǎn)的薄膜樣品(3)，沖擊瞬間產(chǎn)生的振動波經(jīng)沖擊摩擦對偶樣傳給接觸式聲波測振儀傳感器(11)，同時(shí)，多普勒激光測振儀(13)被觸發(fā)，通過多普勒激光的頻移現(xiàn)象非接觸采集沖擊摩擦對偶樣的振動信號，從而獲得薄膜樣品(3)在高速沖擊作 用下的摩擦性能。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有新型結(jié)構(gòu)的高速沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，包括由高精度氣懸浮電機(jī)構(gòu)成的高速旋轉(zhuǎn)薄膜樣品臺，懸臂梁定位裝置、安裝在懸臂梁前端的沖擊摩擦對偶樣，和用于監(jiān)測沖擊摩擦對偶樣與薄膜樣品間距離的顯微鏡構(gòu)成的沖擊運(yùn)動系統(tǒng)，以及由多普勒激光測振儀和聲波測振儀傳感器構(gòu)成的信號采集系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的沖擊薄膜摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)能夠在超高速運(yùn)動和超輕沖擊載荷條件下精確評價(jià)微米/納米尺度薄膜的沖擊摩擦性、耐久壽命和接觸力特征等性能。
文檔編號G01N3/303GK102706765SQ20121016440
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者王立平, 白明武, 蒲吉斌, 薛群基, 趙文杰 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所