[发明专利]高速冲击薄膜摩擦学试验机及评价薄膜冲击摩擦性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料表面的冲击摩擦性能评估技术领域，尤其涉及一种能在超高速运动和超轻载荷条件下精确评价微/纳米尺度薄膜冲击摩擦性能的试验装置，以及利用该试验装置评价薄膜冲击摩擦性能的方法，该试验装置能在微牛载荷范围和高达50m/s的旋转速度下测试薄膜冲击摩擦、耐久寿命、接触力特征、流动和自修复性。

背景技术

目前，微/纳米尺度的超硬薄膜和润滑剂薄膜已经广泛应用于微机电系统（MEMS）、超高密度磁盘、卫星器件等高技术领域。而在这些器件中许多相对运动副都处于微/纳间隙下的超高频率振动和滑动混合接触状态，这就需要对应用于这些器件中的超薄润滑膜进行冲击摩擦性能和耐久寿命的评估。在国内，公知的薄膜摩擦试验机主要是用于在毫牛、牛级载荷和较低速运动下对润滑膜进行常规摩擦磨损性能评价，而国外的一些摩擦试验机虽然可以在微牛级低载荷下评价纳米尺度薄膜的摩擦学性能，但运动速度一般都不是很高，也无法评价在微小器件中常见的薄膜冲击摩擦性能。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述薄膜摩擦试验机的技术现状，提供一种新型结构的薄膜冲击摩擦性能评价装置，不仅能在超高旋转运动速度和超轻载荷下评价微/纳米尺度薄膜的冲击摩擦性能，同时还能获得薄膜的耐久寿命、接触力特征、流动和自修复性，以解决目前公知摩擦试验机不能同时在超高运动速度（~50m/s）和超轻载荷（微牛级）条件下评价微/纳米尺度薄膜的冲击摩擦学性能的问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种高速冲击薄膜摩擦学试验机，主要由高速旋转薄膜样品台、冲击运动系统以及信号采集系统构成；

所述的高速旋转薄膜样品台由高精度气悬浮电机构成，待测薄膜样品套接在该气悬浮电机的转子上，所述的转子的上部凹槽设有负压孔，用于动态吸住旋转薄膜样品；

所述的冲击运动系统包括悬臂梁定位装置、安装在悬臂梁前端的冲击摩擦对偶样夹具以及冲击摩擦对偶样夹具夹持的冲击摩擦对偶样，以及用于监测冲击摩擦对偶样与薄膜样品间距离的显微镜；

所述的悬臂梁定位装置包括沿水平面滑移的一维滑移台；安装在一维滑移台上、沿垂直方向升降的垂直升降台；安装在一维滑移台上、沿垂直方向升降的手动微调升降台；与垂直升降台相连接、平行于水平面的第一支架；通过纳米级伸缩压电陶瓷管与第一支架相连接、平行于水平面的第二支架；安装在第二支架前端的悬臂梁；与手动微调升降器相连接、平行于水平面的第三支架；以及分别安装在第二支架和第三支架后端的纳米电容传感器；

所述的信号采集系统包括多普勒激光测振仪和声波测振仪传感器；多普勒激光测振仪设置在冲击摩擦对偶样的正上方一定位置处，用于非接触式采集冲击振动的频谱信号；声波测振仪传感器位于冲击摩擦对偶样上方，并且与冲击摩擦对偶样的上表面接触，用于接触式采集冲击振动的频谱信号。

作为优选，所述的高速旋转薄膜样品台安装在减振底座上。

作为优选，所述的显微镜为CCD显微镜，进一步优选所述的显微镜安装在可转动调节位置的多自由度显微镜支架上。

作为优选，所述的高精度气悬浮电机的转速稳定性小于0.001%，轴向和径向旋转误差小于5微米。

作为优选，所述的冲击摩擦对偶样是冲击小球；作为进一步优选，所述的冲击小球通过冲击小球夹具与悬臂梁相连接，声波测振仪传感器位于冲击小球夹具内并且与冲击小球上表面接触。

利用本发明高速冲击薄膜摩擦学试验机评价薄膜冲击摩擦性能的方法包括如下步骤：

步骤1、初始化：

将薄膜样品套接在气悬浮电机的转子上，调节一维滑移台和垂直升降台，通过显微镜监测，使冲击摩擦对偶样位于薄膜样品正上方，并且与薄膜样品上表面保持一微小间距；

调节手动微调升降台，减小电容传感器上下电极板的间距，使电容传感器处于灵敏测量状态；

调整多普勒激光测振仪的激光头，使其位于冲击摩擦对偶样夹具的正上方，并且与冲击摩擦对偶样夹具保持一定距离，使激光头发射出的激光能垂直照射在冲击摩擦对偶样夹具上表面的反射膜上；

步骤2、冲击摩擦实验：

启动气悬浮电机，负压孔动态吸附高速旋转的薄膜样品，纳米级伸缩压电陶瓷管驱动冲击摩擦对偶样撞击高速旋转薄膜样品，撞击瞬间产生的振动波经冲击摩擦对偶样传给接触式声波测振仪传感器，同时，多普勒激光测振仪被触发，通过多普勒激光的频移现象非接触采集冲击摩擦对偶样的振动信号，从而获得不同薄膜在高速冲击作用下的特殊摩擦性。