多功能微摩擦学试验机及用其评价材料摩擦粘着性的方法

摘要

本发明提供了一种具有新型结构的多功能微摩擦学试验机，其摩擦或粘着对偶样加载装置不仅包括高精度小型步进电机、丝杆、具有丝孔的升降滑块、安装摩擦或粘着对偶样的悬臂梁，而且包括设置在悬臂梁正上方的微调支架，其上安装有激光器与四象限光斑位置探测器，因此通过激光器与四象限光斑位置探测器的协同作用，能够将作用于摩擦或粘着对偶样与样品表面间的摩擦力或粘着力转换为入射进四象限光斑位置探测器的光斑在四象限的微小位移，从而通过四象限的光强差测得该样品的摩擦性能或粘着性能。与现有技术相比，本发明结构简单紧凑，通过使用较小力常数的悬臂梁就可以在毫牛，甚至微牛载荷范围内进行微摩擦、微粘着实验。

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面摩擦、粘着性能技术领域，尤其涉及一种能在毫牛、微牛载荷 范围测试材料表面摩擦、粘着性能的多功能微摩擦学试验机，以及利用该试验机评价材 料表面摩擦、粘着性能的方法。

背景技术

在较大载荷范围（牛级别）内评价材料摩擦磨损性能的试验机国内外产品已经很多， 如美国UMT、兰州化物所的MS-R4000等，这类传统的摩擦磨损试验机大多由水平往 复或旋转机械运动部件（控制样品台的运动）、垂直上下机械运动部件（控制悬臂梁的 运动）、应变感应式悬臂梁（前端加持上摩擦对偶件）和电路控制部件构成。在摩擦实 验过程中，通过采集悬臂梁变形时应变-电阻变化效应产生的电信号，获得悬臂梁前端 摩擦对偶件与待测样品间的载荷和摩擦力。这类试验机功能较单一，限于应变感应式悬 臂梁加载和感应范围，无法测试材料表面的微粘着和微摩擦。另外，这种昂贵的应变感 应式悬臂梁都有一个确定的较窄加载范围（应变梁变形范围），所加载荷一旦超过悬臂 梁标定的测量范围，将会对这种昂贵的悬臂梁产生不可逆损伤。

随着微机电系统（MEMS）等微纳运动器件的快速发展，在更小载荷范围内（毫牛、 微牛）对微器件材料及其表面薄膜的微摩擦和微粘着性能进行评价显得尤为迫切，然而 国内目前尚无这类适用于微小载荷下性能评价的多功能仪器。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述摩擦试验机的技术现状，提供一种能在毫牛、微牛载 荷范围测试材料表面粘着、摩擦和耐久寿命的多功能试验机，以解决现有传统摩擦试验 机无法在微小载荷下进行摩擦和粘着实验测量，以及昂贵的应变感应式悬臂梁易损坏的 问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种多功能微摩擦学试验机，包括往复运动装置与摩擦或粘着对偶样加载装置，所 述的往复运动装置承载的样品台在平面内进行往复运动，所述的摩擦或粘着对偶样加载 装置能够在垂直方向对放置在样品台上的样品施加预定载荷；

所述的摩擦或粘着对偶样加载装置包括第一高精度小型步进电机、丝杆和具有丝孔 的升降滑块，所述的丝杆与升降滑块相配合连接，所述的步进电机的主轴通过联轴器与 丝杆连接，将步进电机主轴的旋转运动转变为升降滑块的上下运动；

所述的升降滑块固定连接着微调支架和悬臂梁支架；

所述的悬臂梁支架连接悬臂梁，悬臂梁前端安装摩擦或粘着对偶样；

所述的微调支架通过铰链部件分别连接激光器与四象限光斑位置探测器，通过调节 铰链部件和微调支架上的微调旋钮，能够调整激光器与四象限光斑位置探测器之间的夹 角和相对位置。

作为优选，所述的移动装置包括减震底座、第二高精度小型步进电机、固定在减震 底座上的滑轨，以及安装在滑轨上的往复滑块，所述的样品台固定在往复滑块上，所述 的第二高精度小型步进电机的主轴通过偏心体与连杆的一端相连，连杆的另一端与样品 台相连。

作为优选，所述的摩擦或粘着对偶样是球体。

利用本发明多功能微摩擦学试验机能够评价材料的摩擦性能和粘着性能。

当利用本发明多功能微摩擦学试验机评价材料的摩擦性能时，包括如下步骤：

步骤1、初始化：

将待测样品固定在静止的样品台上，并处于摩擦对偶样正下方，调节铰链部件和微 调旋钮，使激光器发出的激光经悬臂梁前端反射入四象限光斑位置探测器的正中位置；

通过第一高精度小型步进电机调节升降滑块向下运动，使悬臂梁前端的摩擦对偶样 对待测样品进行初始加载，悬臂梁产生向上微小弯曲变形，四象限光斑位置探测器上的 光斑在上下方向发生微小位移，其上下象限光强差产生的电压信号对应初始载荷值；

步骤2、摩擦试验：

悬臂梁前端的摩擦对偶样固定不动，样品台在平面内往复运动，使样品相对摩擦对 偶样作摩擦运动，悬臂梁在样品的摩擦力作用下产生扭转变形，四象限光斑位置探测器 上的光斑在左右方向发生微小位移，其左右象限光强差产生的电压信号对应摩擦力。

当利用本发明多功能微摩擦学试验机评价材料的粘着性能时，包括如下步骤：

步骤1、初始化：

将待测样品固定在静止的样品台上，并处于粘着对偶样正下方，调节铰链部件和微 调旋钮，使激光器发出的激光经悬臂梁前端反射入四象限光斑位置探测器的正中位置；

步骤2、粘着试验：

通过第一高精度小型步进电机调节升降滑块向下运动，使悬臂梁前端的粘着对偶样 以某一设定速度做“下压样品-保持-抬起”运动，当悬臂梁抬起时，由于悬臂梁前端的 粘着对偶样和样品间的粘着作用，使悬臂梁发生向下微小弯曲，从而四象限光斑位置探 测器的光斑在上下方向发生微小位移，其上下象限光强差产生的电压信号对应粘着力。

综上所述，本发明提供了一种新型的多功能微摩擦学试验机，其摩擦或粘着对偶样 加载装置不仅包括高精度小型步进电机、丝杆、具有丝孔的升降滑块、安装摩擦或粘着 对偶样的悬臂梁，而且包括设置在悬臂梁正上方的微调支架，其上安装有激光器与四象 限光斑位置探测器，，因此通过激光器与四象限光斑位置探测器的协同作用，在摩擦或 粘着试验中，能够将作用于摩擦或粘着对偶样与样品表面间的摩擦力或粘着力转换为入 射进四象限光斑位置探测器的光斑在四象限的微小位移，从而能够通过该四象限的光强 差测得该样品的摩擦性能或粘着性能。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）结构简单紧凑，设计巧妙；

（2）提供了一种用于评价样品摩擦性能或粘着性能的全新思路，即利用激光器与 四象限光斑位置探测器，将摩擦力或粘着力转换为入射进四象限光斑位置探 测器的光斑在上下左右象限的微小位移，从而能够通过该四象限的光强差测 得该样品的摩擦性能或粘着性能。

（3）借助灵敏的激光测量各种力信号，通过使用廉价的较小力常数悬臂梁可以在 更小载荷范围内（毫牛、微牛）评价材料的微摩擦或微粘着性能，并且只需 更换不同力常数的悬臂梁就可以测量各种范围的力；

（4）同时，本发明的试验机自身的结构特点使其具有摩擦、微粘着和耐久寿命实 验的多功能性，功能扩展性强。

附图说明

图1是本发明多功能微摩擦学试验机的立体结构示意图；

图2是本发明多功能微摩擦学试验机的正视示意图；

图3是本发明多功能微摩擦学试验机的侧视示意图；

图4是本发明多功能微摩擦学试验机的俯视示意图；

图5是本发明多功能微摩擦学试验机的的激光测力原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施 例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1-5中的附图标记为：1.激光器，2.四象限光斑位置探测器，3.铰链部件，4. 微调旋钮，5.样品台，6.往复滑块，7.滑轨，8.连杆，9.偏心体，10.减震底座，11.丝 杆，12.升降滑块，13.联轴器，14.悬臂梁支座，15.悬臂梁，16.微调支架。

如图1至4所示，本实施例中，多功能微摩擦学试验机包括往复运动装置与摩擦或 粘着对偶样加载装置。往复运动装置承载的样品台在平面内进行往复运动，摩擦或粘着 对偶样加载装置能够在垂直方向对放置在样品台5上的样品施加预定载荷。

往复运动装置包括减震底座10、安装在减震底座10内的第二高精度小型步进电机、 固定在减震底座10上的滑轨7，以及安装在滑轨7上的往复滑块6，样品台5固定在往 复滑块6上。该第二高精度小型步进电机的主轴通过偏心体9与连杆8的一端相连，连 杆8的另一端与样品台5相连。通过滑轨7的直线导向作用，使第二高精度小型步进电 机主轴的旋转运动转换为样品台5的水平往复运动。

摩擦或粘着对偶样加载装置包括第一高精度小型步进电机、丝杆11和具有丝孔的 升降滑块12；该丝杆11与升降滑块12相配合连接；该步进电机的主轴通过联轴器13 与丝杆11连接，将步进电机主轴的旋转运动转变为升降滑块12的上下运动；该升降滑 块12固定连接着微调支架16和悬臂梁支架14，即悬臂梁支架14位于微调支架16的正 下方；该悬臂梁支架14连接悬臂梁15，悬臂梁15前端固定摩擦或粘着对偶样；该微调 支架16通过铰链部件3分别连接激光器1与四象限光斑位置探测器2，通过调节铰链部 件3和微调支架16上的微调旋钮4，能够调整激光器1与四象限光斑位置探测器2之间 的夹角和相对位置。

本实施例中，多功能微摩擦学试验机的激光测力系统的工作原理为：当固定在悬臂 梁15前端的摩擦对偶样朝样品运动，且没有接触到样品时，悬臂梁15没有发生弯曲或 扭转，此时悬臂梁15的位移不会触发激光测力系统，直到悬臂梁15与样品相互作用时， 悬臂梁15的弯曲或扭转使反射进四象限光斑位置探测器2的光斑位置发生变化，不同 象限的光强差产生电压信号，从而达到利用激光间接测力的目的。

利用本实施例的多功能微摩擦学试验机评价材料的摩擦性能时，如图5所示，包括 如下步骤：

步骤1、初始化：

（1）将待测样品固定在静止的样品台5上，并处于摩擦对偶球正下方；

（2）调节铰链部件3和微调旋钮4，并监视应用软件中的虚拟光斑位置，使激光器 1发出的激光经悬臂梁15前端反射入四象限光斑位置探测器2的正中位置；

（3）通过第一高精度小型步进电机调节升降滑块12向下运动，使悬臂梁15前端 的摩擦对偶球对待测样品进行初始加载，悬臂梁15产生向上微小弯曲变形，四象限光 斑位置探测器2上的光斑在上下方向（AB象限）发生微小位移，其上下象限光强差产 生的电压信号对应初始载荷；

步骤2、摩擦试验：

悬臂梁15前端的摩擦对偶球固定不动，启动第二高精度小型步进电机，使样品相 对摩擦对偶球作摩擦运动，悬臂梁15在样品的摩擦力作用下产生扭转变形，四象限光 斑位置探测器2上的光斑在左右方向（CD象限）发生微小位移，其左右象限光强差产 生的电压信号对应摩擦力。

利用本实施例多功能微摩擦学试验机评价材料样品的粘着性能时，如图5所示，包 括如下步骤：

步骤1、初始化：

（1）将待测样品固定在静止的样品台5上，并处于摩擦对偶球正下方；

（2）调节铰链部件3和微调旋钮4，并监视应用软件中的虚拟光斑位置，使激光器 1发出的激光经悬臂梁15前端反射入四象限光斑位置探测器2的正中位置；

步骤2、粘着试验：

通过第一高精度小型步进电机调节升降滑块12向下运动，使悬臂梁15前端的粘着 对偶球以某一设定速度做“下压样品-保持-抬起”运动，当悬臂梁15抬起时，由于悬臂 梁15前端的粘着对偶球和样品间的粘着作用，使悬臂梁15发生向下微小弯曲，从而四 象限光斑位置探测器2的光斑在上下方向（AB象限）发生微小位移，其上下象限光强 差产生的电压信号对应粘着力。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以 上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做 的任何修改、补充或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。