矩阵磁场下硅基微器件的纳米磁性液体润滑研究

摘要

相对于传统机械而言，微型器件由于尺寸效应，其表面摩擦力及粘着力等带来的磨损问题更为突出。由于缺乏可靠的润滑手段，严重阻碍了微器件的开发和应用。为此，本文尝试采用纳米磁性液体作润滑剂，通过构建一种矩阵磁场，并设计加工出硅基微器件进行摩擦磨损试验，探讨外加矩阵磁场作用下磁性液体在硅基表面形成的纹理图案及控制方法，研究其的摩擦学特性及润滑机理。 通过计算纳米磁性液体在磁场中的受力情况，确定纳米磁性液体受力的主要影响因素；并进一步根据磁场修正的纳米磁性液体伯努利方程，探讨磁场作用对纳米磁性液体分布位置的影响关系，为矩阵磁场的设计以及纳米磁性液体的磁控润滑提供理论依据。 针对所用的销-盘往复式摩擦试验台的结构特征及工作原理，设计出能够提供矩阵磁场的销-盘摩擦副试件。其中，摩擦副的下试件（盘）为抛光单晶硅片，下方采用细圆柱形永磁体磁柱形成矩阵磁场，并通过改变磁柱间距及高度实现磁场调节；摩擦副的上试件（销）为采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术加工出的带有微型直线条纹的硅基微器件，并利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对其加工质量进行了表征。 基于电磁场理论，利用ANSYS软件对所设计的下试件进行磁场仿真，确定施加不同磁场时下试件表面的磁场分布情况。并通过搭建图像采集系统，获取不同磁场下纳米磁性液体在下试件表面形成的纹理图案特征图像，探讨外加矩阵磁场作用与纳米磁性液体纹理图案之间的对应关系。 以纳米磁性液体作为硅基微器件的润滑剂，在无磁场、单磁源磁场和矩阵磁场条件下设计对比摩擦试验，测量不同载荷及速度工况下的摩擦数据曲线，结合Stribeck曲线及流体润滑理论，探究矩阵磁场作用下磁性液体对硅基微器件表面的摩擦学性能影响，并确定出减摩效果最优的矩阵磁场参数。根据最优矩阵磁场参数进一步设计磨损试验，并利用光学显微镜对微器件磨损表面形貌进行表征分析，探明矩阵磁场环境下磁性液体应用于硅基微器件的润滑特征和机理。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 硅基微器件的润滑研究现状

1.2.2 纳米磁性液体在润滑领域研究现状

1.3 主要研究内容

2 纳米磁性液体磁控润滑理论

2.1 磁性材料概述

2.2 磁场条件下纳米磁性液体受力分析

2.3 纳米磁性液体的伯努利方程

2.4 本章小结

3 矩阵磁场及硅基微器件的设计与加工

3.1 摩擦试验台选用

3.2FTM M20摩擦试验台简介

3.2.1 试验台工作原理

3.2.2 试件夹具选择

3.2.3 试验台控制软件

3.3 下试件及矩阵磁场设计

3.4 上试件及微器件设计加工

3.4.1 硅基微器件的设计

3.4.2 硅基微器件的加工

3.4.3 硅基微器件的加工质量表征

3.5 本章小结

4 矩阵磁场仿真及纳米磁性液体分布特征研究

4.1 矩阵磁场仿真

4.1.1 电磁场理论基础

4.1.2 仿真模型建立

4.1.3 定义材料属性

4.1.4 网格划分

4.1.5 定义求解区域与边界条件

4.1.6 仿真结果分析

4.2 矩阵磁场下纳米磁性液体分布特征试验

4.2.1 图像采集系统搭建

4.2.2 纳米磁性液体分布特征分析

4.3 本章小结

5 矩阵磁场下硅基微器件的摩擦磨损试验研究

5.1 试验方案设计

5.2 试验仪器设备及试剂

5.3 摩擦试验步骤

5.4 测试信号处理

5.5 试验结果分析与讨论

5.5.1 不同磁场条件下摩擦系数变化规律

5.5.2 无磁场条件下摩擦试验结果分析

5.5.3 单磁源磁场条件下摩擦试验结果分析

5.5.4 矩阵磁场条件下摩擦试验结果分析

5.5.5 磨损情况分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文主要结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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