專利名稱：多功能微摩擦學(xué)試驗機及用其評價材料摩擦粘著性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面摩擦、粘著性能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能在毫牛、微牛載荷范圍測試材料表面摩擦、粘著性能的多功能微摩擦學(xué)試驗機，以及利用該試驗機評價材料表面摩擦、粘著性能的方法。
背景技術(shù)：
在較大載荷范圍(牛級別)內(nèi)評價材料摩擦磨損性能的試驗機國內(nèi)外產(chǎn)品已經(jīng)很多，如美國UMT、蘭州化物所的MS-R4000等，這類傳統(tǒng)的摩擦磨損試驗機大多由水平往復(fù)或旋轉(zhuǎn)機械運動部件(控制樣品臺的運動)、垂直上下機械運動部件(控制懸臂梁的運動)、應(yīng)
變感應(yīng)式懸臂梁(前端加持上摩擦對偶件)和電路控制部件構(gòu)成。在摩擦實驗過程中，通過采集懸臂梁變形時應(yīng)變-電阻變化效應(yīng)產(chǎn)生的電信號，獲得懸臂梁前端摩擦對偶件與待測樣品間的載荷和摩擦力。這類試驗機功能較單一，限于應(yīng)變感應(yīng)式懸臂梁加載和感應(yīng)范圍，無法測試材料表面的微粘著和微摩擦。另外，這種昂貴的應(yīng)變感應(yīng)式懸臂梁都有一個確定的較窄加載范圍(應(yīng)變梁變形范圍)，所加載荷一旦超過懸臂梁標定的測量范圍，將會對這種昂貴的懸臂梁產(chǎn)生不可逆損傷。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)等微納運動器件的快速發(fā)展，在更小載荷范圍內(nèi)(毫牛、微牛)對微器件材料及其表面薄膜的微摩擦和微粘著性能進行評價顯得尤為迫切，然而國內(nèi)目前尚無這類適用于微小載荷下性能評價的多功能儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是針對上述摩擦試驗機的技術(shù)現(xiàn)狀，提供一種能在毫牛、微牛載荷范圍測試材料表面粘著、摩擦和耐久壽命的多功能試驗機，以解決現(xiàn)有傳統(tǒng)摩擦試驗機無法在微小載荷下進行摩擦和粘著實驗測量，以及昂貴的應(yīng)變感應(yīng)式懸臂梁易損壞的問題。為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種多功能微摩擦學(xué)試驗機，包括往復(fù)運動裝置與摩擦或粘著對偶樣加載裝置，所述的往復(fù)運動裝置承載的樣品臺在平面內(nèi)進行往復(fù)運動，所述的摩擦或粘著對偶樣加載裝置能夠在垂直方向?qū)Ψ胖迷跇悠放_上的樣品施加預(yù)定載荷；所述的摩擦或粘著對偶樣加載裝置包括第一高精度小型步進電機、絲桿和具有絲孔的升降滑塊，所述的絲桿與升降滑塊相配合連接，所述的步進電機的主軸通過聯(lián)軸器與絲桿連接，將步進電機主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樯祷瑝K的上下運動；所述的升降滑塊固定連接著微調(diào)支架和懸臂梁支架；所述的懸臂梁支架連接懸臂梁，懸臂梁前端安裝摩擦或粘著對偶樣；所述的微調(diào)支架通過鉸鏈部件分別連接激光器與四象限光斑位置探測器，通過調(diào)節(jié)鉸鏈部件和微調(diào)支架上的微調(diào)旋鈕，能夠調(diào)整激光器與四象限光斑位置探測器之間的夾角和相對位置。
作為優(yōu)選，所述的移動裝置包括減震底座、第二高精度小型步進電機、固定在減震底座上的滑軌，以及安裝在滑軌上的往復(fù)滑塊，所述的樣品臺固定在往復(fù)滑塊上，所述的第二高精度小型步進電機 的主軸通過偏心體與連桿的一端相連，連桿的另一端與樣品臺相連。作為優(yōu)選,所述的摩擦或粘著對偶樣是球體。利用本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機能夠評價材料的摩擦性能和粘著性能。當利用本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機評價材料的摩擦性能時，包括如下步驟步驟I、初始化將待測樣品固定在靜止的樣品臺上，并處于摩擦對偶樣正下方，調(diào)節(jié)鉸鏈部件和微調(diào)旋鈕，使激光器發(fā)出的激光經(jīng)懸臂梁前端反射入四象限光斑位置探測器的正中位置；通過第一高精度小型步進電機調(diào)節(jié)升降滑塊向下運動，使懸臂梁前端的摩擦對偶樣對待測樣品進行初始加載，懸臂梁產(chǎn)生向上微小彎曲變形，四象限光斑位置探測器上的光斑在上下方向發(fā)生微小位移，其上下象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)初始載荷值；步驟2、摩擦試驗懸臂梁前端的摩擦對偶樣固定不動，樣品臺在平面內(nèi)往復(fù)運動，使樣品相對摩擦對偶樣作摩擦運動，懸臂梁在樣品的摩擦力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，四象限光斑位置探測器上的光斑在左右方向發(fā)生微小位移，其左右象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)摩擦力。當利用本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機評價材料的粘著性能時，包括如下步驟步驟I、初始化將待測樣品固定在靜止的樣品臺上，并處于粘著對偶樣正下方，調(diào)節(jié)鉸鏈部件和微調(diào)旋鈕，使激光器發(fā)出的激光經(jīng)懸臂梁前端反射入四象限光斑位置探測器的正中位置；步驟2、粘著試驗通過第一高精度小型步進電機調(diào)節(jié)升降滑塊向下運動，使懸臂梁前端的粘著對偶樣以某一設(shè)定速度做“下壓樣品-保持-抬起”運動，當懸臂梁抬起時，由于懸臂梁前端的粘著對偶樣和樣品間的粘著作用，使懸臂梁發(fā)生向下微小彎曲，從而四象限光斑位置探測器的光斑在上下方向發(fā)生微小位移，其上下象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)粘著力。綜上所述，本發(fā)明提供了一種新型的多功能微摩擦學(xué)試驗機，其摩擦或粘著對偶樣加載裝置不僅包括高精度小型步進電機、絲桿、具有絲孔的升降滑塊、安裝摩擦或粘著對偶樣的懸臂梁，而且包括設(shè)置在懸臂梁正上方的微調(diào)支架，其上安裝有激光器與四象限光斑位置探測器，，因此通過激光器與四象限光斑位置探測器的協(xié)同作用，在摩擦或粘著試驗中，能夠?qū)⒆饔糜谀Σ粱蛘持鴮ε紭优c樣品表面間的摩擦力或粘著力轉(zhuǎn)換為入射進四象限光斑位置探測器的光斑在四象限的微小位移，從而能夠通過該四象限的光強差測得該樣品的摩擦性能或粘著性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(I)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，設(shè)計巧妙；(2)提供了一種用于評價樣品摩擦性能或粘著性能的全新思路，即利用激光器與四象限光斑位置探測器，將摩擦力或粘著力轉(zhuǎn)換為入射進四象限光斑位置探測器的光斑在上下左右象限的微小位移，從而能夠通過該四象限的光強差測得該樣品的摩擦性能或粘著性能。(3)借助靈敏的激光測量各種力信號，通過使用廉價的較小力常數(shù)懸臂梁可以在更小載荷范圍內(nèi)(毫牛、微牛)評價材料的微摩擦或微粘著性能，并且只需更換不同力常數(shù)的懸臂梁就可以測量各種范圍的力；(4)同時，本發(fā)明的試驗機自身的結(jié)構(gòu)特點使其具有摩擦、微粘著和耐久壽命實驗的多功能性，功能擴展性強。



圖I是本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機的正視示意圖；圖3是本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機的側(cè)視示意圖；圖4是本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機的俯視示意圖；圖5是本發(fā)明多功能微摩擦學(xué)試驗機的的激光測力原理示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。圖1-5中的附圖標記為1.激光器，2.四象限光斑位置探測器，3.鉸鏈部件，4.微調(diào)旋鈕，5.樣品臺，6.往復(fù)滑塊，7.滑軌，8.連桿，9.偏心體，10.減震底座，11.絲桿，12.升降滑塊，13.聯(lián)軸器，14.懸臂梁支座，15.懸臂梁，16.微調(diào)支架。如圖I至4所示，本實施例中，多功能微摩擦學(xué)試驗機包括往復(fù)運動裝置與摩擦或粘著對偶樣加載裝置。往復(fù)運動裝置承載的樣品臺在平面內(nèi)進行往復(fù)運動，摩擦或粘著對偶樣加載裝置能夠在垂直方向?qū)Ψ胖迷跇悠放_5上的樣品施加預(yù)定載荷。往復(fù)運動裝置包括減震底座10、安裝在減震底座10內(nèi)的第二高精度小型步進電機、固定在減震底座10上的滑軌7，以及安裝在滑軌7上的往復(fù)滑塊6，樣品臺5固定在往復(fù)滑塊6上。該第二高精度小型步進電機的主軸通過偏心體9與連桿8的一端相連，連桿8的另一端與樣品臺5相連。通過滑軌7的直線導(dǎo)向作用，使第二高精度小型步進電機主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為樣品臺5的水平往復(fù)運動。摩擦或粘著對偶樣加載裝置包括第一高精度小型步進電機、絲桿11和具有絲孔的升降滑塊12 ;該絲桿11與升降滑塊12相配合連接；該步進電機的主軸通過聯(lián)軸器13與絲桿11連接，將步進電機主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樯祷瑝K12的上下運動；該升降滑塊12固定連接著微調(diào)支架16和懸臂梁支架14，即懸臂梁支架14位于微調(diào)支架16的正下方；該懸臂梁支架14連接懸臂梁15，懸臂梁15前端固定摩擦或粘著對偶樣；該微調(diào)支架16通過鉸鏈部件3分別連接激光器I與四象限光斑位置探測器2，通過調(diào)節(jié)鉸鏈部件3和微調(diào)支架16上的微調(diào)旋鈕4，能夠調(diào)整激光器I與四象限光斑位置探測器2之間的夾角和相對位置。本實施例中，多功能微摩擦學(xué)試驗機的激光測力系統(tǒng)的工作原理為當固定在懸臂梁15前端的摩擦對偶樣朝樣品運動，且沒有接觸到樣品時，懸臂梁15沒有發(fā)生彎曲或扭轉(zhuǎn)，此時懸臂梁15的位移不會觸發(fā)激光測力系統(tǒng)，直到懸臂梁15與樣品相互作用時，懸臂梁15的彎曲或扭轉(zhuǎn)使反射進四象限光斑位置探測器2的光斑位置發(fā)生變化，不同象限的光強差產(chǎn)生電壓信號，從而達到利用激光間接測力的目的。利用本實施例的多功能微摩擦學(xué)試驗機評價材料的摩擦性能時，如圖5所示，包括如下步驟步驟I、初始化(I)將待測樣品固定在靜止的樣品臺5上，并處于摩擦對偶球正下方；(2)調(diào)節(jié)鉸鏈部件3和微調(diào)旋鈕4，并監(jiān)視應(yīng)用軟件中的虛擬光斑位置，使激光器I發(fā)出的激光經(jīng)懸臂梁15前端反射入四象限光斑位置探測器2的正中位置；(3)通過第一高精度小型步進電機調(diào)節(jié)升降滑塊12向下運動，使懸臂梁15前端的摩擦對偶球?qū)Υ郎y樣品進行初始加載，懸臂梁15產(chǎn)生向上微小彎曲變形，四象限光斑位置探測器2上的光斑在上下方向(AB象限)發(fā)生微小位移，其上下象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)初始載荷； 步驟2、摩擦試驗懸臂梁15前端的摩擦對偶球固定不動，啟動第二高精度小型步進電機，使樣品相對摩擦對偶球作摩擦運動，懸臂梁15在樣品的摩擦力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，四象限光斑位置探測器2上的光斑在左右方向(⑶象限)發(fā)生微小位移，其左右象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)摩擦力。利用本實施例多功能微摩擦學(xué)試驗機評價材料樣品的粘著性能時，如圖5所示，包括如下步驟步驟I、初始化(I)將待測樣品固定在靜止的樣品臺5上，并處于摩擦對偶球正下方；(2)調(diào)節(jié)鉸鏈部件3和微調(diào)旋鈕4，并監(jiān)視應(yīng)用軟件中的虛擬光斑位置，使激光器I發(fā)出的激光經(jīng)懸臂梁15前端反射入四象限光斑位置探測器2的正中位置；步驟2、粘著試驗通過第一高精度小型步進電機調(diào)節(jié)升降滑塊12向下運動，使懸臂梁15前端的粘著對偶球以某一設(shè)定速度做“下壓樣品-保持-抬起”運動，當懸臂梁15抬起時，由于懸臂梁15前端的粘著對偶球和樣品間的粘著作用，使懸臂梁15發(fā)生向下微小彎曲，從而四象限光斑位置探測器2的光斑在上下方向(AB象限)發(fā)生微小位移，其上下象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)粘著力。以上所述的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進行了詳細說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，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、補充或等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多功能微摩擦學(xué)試驗機，包括往復(fù)運動裝置與摩擦或粘著對偶樣加載裝置，所述的往復(fù)運動裝置承載的樣品臺(5)在平面內(nèi)進行往復(fù)運動，所述的摩擦或粘著對偶樣加載裝置能夠在垂直方向?qū)Ψ胖迷跇悠放_(5)上的樣品施加預(yù)定載荷，其特征是所述的摩擦或粘著對偶樣加載裝置包括第一高精度小型步進電機、絲桿(11)和具有絲孔的升降滑塊(12)，所述的絲桿(11)與升降滑塊(12)相配合連接，所述的步進電機的主軸通過聯(lián)軸器(13)與絲桿(11)連接，將步進電機主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樯祷瑝K(12)的上下運動；所述的升降滑塊(12)固定連接著微調(diào)支架(16)和懸臂梁支架(14);所述的懸臂梁支架(14)連接懸臂梁(15)，懸臂梁(15)前端安裝摩擦或粘著對偶樣；所述的微調(diào)支架(16)通過鉸鏈部件(3 )分別連接激光器(I)與四象限光斑位置探測器(2 )，通過調(diào)節(jié)鉸鏈部件(3 )和微調(diào)支架(16)上的微調(diào)旋鈕(4)，能夠調(diào)整激光器(I)與四象限光斑位置探測器(2)之間的夾角和相對位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能微摩擦學(xué)試驗機，其特征是所述的往復(fù)運動裝置包括減震底座(10)、第二高精度小型步進電機、固定在減震底座(10)上的滑軌(7)，以及安裝在滑軌(7)上的往復(fù)滑塊(6)，所述的樣品臺(5)固定在往復(fù)滑塊(6)上，所述的第二高精度小型步進電機的主軸通過偏心體(9)與連桿(8)的一端相連，連桿(8)的另一端與樣品臺(5)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能微摩擦學(xué)試驗機，其特征是所述的摩擦或粘著對偶樣是球體。
4.利用權(quán)利要求I或2所述的多功能微摩擦學(xué)試驗機評價材料的摩擦性能的方法，包括如下步驟 步驟I、初始化 將待測樣品固定在靜止的樣品臺(5)上，并處于摩擦對偶樣正下方，調(diào)節(jié)鉸鏈部件(3)和微調(diào)旋鈕(4)，使激光器(I)發(fā)出的激光經(jīng)懸臂梁(15)前端反射入四象限光斑位置探測器(2)的正中位置； 通過第一高精度小型步進電機調(diào)節(jié)升降滑塊(12)向下運動，使懸臂梁(15)前端的摩擦對偶樣對待測樣品進行初始加載，懸臂梁(15)產(chǎn)生向上微小彎曲變形，四象限光斑位置探測器(2)上的光斑在上下方向發(fā)生微小位移，其上下象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)初始載荷值； 步驟2、摩擦試驗 懸臂梁(15)前端的摩擦對偶樣固定不動，樣品臺(5)在平面內(nèi)往復(fù)運動，使樣品相對摩擦對偶樣作摩擦運動，懸臂梁在樣品的摩擦力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，四象限光斑位置探測器(2)上的光斑在左右方向發(fā)生微小位移，其左右象限光強差產(chǎn)生的電壓信號對應(yīng)摩擦力。
5.利用權(quán)利要求I或2所述的多功能微摩擦學(xué)試驗機評價材料的粘著性能的方法，包括如下步驟 步驟I、初始化 將待測樣品固定在靜止的樣品臺(5)上，并處于粘著對偶樣正下方，調(diào)節(jié)鉸鏈部件(3)和微調(diào)旋鈕(4)，使激光器(I)發(fā)出的激光經(jīng)懸臂梁(15)前端反射入四象限光斑位置探測器(2)的正中位置；步驟2、粘著試驗 通過第一高精度小型步進電機調(diào)節(jié)升降滑塊(12)向下運動，使懸臂梁(15)前端的粘著對偶樣以某一設(shè)定速度做“下壓樣品-保持-抬起”運動，當懸臂梁(15)抬起時，由于懸臂梁(15)前端的粘著對偶樣和樣品間的粘著作用，使懸臂梁(15)發(fā)生向下微小彎曲，從而四象限光斑位置探測器(2)的光斑在上下方向發(fā)生微小位移，其上下象限光強差產(chǎn)生的電 壓信號對應(yīng)粘著力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有新型結(jié)構(gòu)的多功能微摩擦學(xué)試驗機，其摩擦或粘著對偶樣加載裝置不僅包括高精度小型步進電機、絲桿、具有絲孔的升降滑塊、安裝摩擦或粘著對偶樣的懸臂梁，而且包括設(shè)置在懸臂梁正上方的微調(diào)支架，其上安裝有激光器與四象限光斑位置探測器，因此通過激光器與四象限光斑位置探測器的協(xié)同作用，能夠?qū)⒆饔糜谀Σ粱蛘持鴮ε紭优c樣品表面間的摩擦力或粘著力轉(zhuǎn)換為入射進四象限光斑位置探測器的光斑在四象限的微小位移，從而通過四象限的光強差測得該樣品的摩擦性能或粘著性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，通過使用較小力常數(shù)的懸臂梁就可以在毫牛，甚至微牛載荷范圍內(nèi)進行微摩擦、微粘著實驗。
文檔編號G01N19/02GK102706800SQ20121016757
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