[发明专利]一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法

说明书

本发明提供了一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法，首先建立具有普适性的摩擦系数测量理论模型；再结合矩形微悬臂梁探针的结构特性，建立适用于矩形微悬臂梁探针的摩擦系数测量理论模型；在此基础上，结合摩擦系数分辨率、可加载的最大正压力或可测量的最小摩擦力以及原子力显微镜特性等约束条件，设计满足测量要求的矩形微悬臂梁探针；最后依据设计尺寸加工矩形微悬臂梁探针。采用本发明提出的方法设计、加工出的探针能够显著提高摩擦系数测量分辨率，实现0.0001及以上量级分辨率的超低摩擦系数测量，保证超滑过程定量分析的真实性和可靠性，为深入系统研究超滑理论和技术提供一种重要的测量手段。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术中的分析及测量控制技术领域，具体涉及一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法。

背景技术

摩擦是物质世界普遍存在的物理现象，与人类的生活和生产有着极其密切的关系。所有装备运动部件均涉及摩擦、磨损和润滑。随着世界经济的快速增长，各行业摩擦磨损造成的损失也相应增大，能源危机日益严峻。根据国外统计资料显示，摩擦消耗掉全世界30％的一次性能源，约有80％的机器零部件因为磨损而失效。据不完全统计，我国每年由于摩擦磨损造成的经济损失达上万亿元。发掘新型减摩和润滑技术，已成为节约能源和资源的重要研究领域。

近年来，超滑现象的发现为解决能源消耗这一难题提供了新的重要途径。一般认为，滑动摩擦系数在0.001量级或更低(称为超低摩擦系数)的润滑状态即为超滑态。在超滑状态下，摩擦系数较常规的油润滑成数量级的降低，磨损率极低，接近于零。超滑状态的实现和普遍应用，将会大幅度降低能源与资源消耗，显著提高关键运动部件的服役品质。

影响超滑状态的因素众多，并且相互耦合，严重制约了超滑理论和技术的深入研究。纳米级单点接触(即接触区尺寸为纳米量级)可以排除宏观多点接触等多种外界因素干扰，便于超滑过程的定量分析。然而，目前纳米级单点接触状态下的超低摩擦系数测量是一个公认的技术难题，主要体现在以下两个方面：首先，纳米级单点接触通常采用原子力显微镜实现，而原子力显微镜主要应用于表面形貌扫描、力学性能测试等方面，基本未关注超低摩擦系数测量；其次，文献中报道的摩擦系数分辨率通常为0.01量级，尚未实现0.0001及以上量级(0.0001的更高精度)分辨率的摩擦系数测量。当摩擦系数分辨率进一步减小至0.0001及以上量级时，摩擦力信号会被系统噪音覆盖，无法测量得到。

由此可见，优化改进现有的纳米级单点接触摩擦系数测量技术，实现0.0001及以上量级分辨率的超低摩擦系数测量至关重要。

发明内容

本发明的目的旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法，通过该方法设计、加工出的探针能够实现0.0001及以上量级分辨率的超低摩擦系数测量。本发明通过理论计算、有限元仿真以及微观摩擦实验等方法证明，采用本发明提出的方法设计、加工出的探针，能够显著提高摩擦系数测量分辨率，实现超低摩擦系数测量，从而保证超滑过程定量分析的真实性和可靠性，为深入系统研究超滑理论和技术提供一种重要的测量手段。

本发明基于原子力显微镜的测量原理，通过微悬臂梁探针的扭转和弯曲来分别测量摩擦力和正压力，建立具有普适性的摩擦系数测量理论模型；再结合矩形微悬臂梁探针的结构特性，建立适用于矩形微悬臂梁探针的摩擦系数测量理论模型；在此基础上，结合摩擦系数分辨率、可加载的最大正压力或可测量的最小摩擦力以及原子力显微镜特性等约束条件，依据理论模型计算、设计满足测量要求的矩形微悬臂梁探针，并采用有限元仿真校核验证；采用聚焦离子束修形等工序加工具有设计尺寸的矩形微悬臂梁探针；开展微观摩擦实验，验证摩擦系数分辨率，并应用于样品超滑状态下的纳米级单点接触超低摩擦系数测量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。

本发明提供了一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法，包括以下步骤：